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3.“引力弹弓”
是怎么回事?
一个思想实验可以帮助理解这件事。
想象一下向火车头扔小铁球(危害公共安全行为,请勿实际操作)。
如果火车不动,球的速度是每秒100米,忽略掉空气阻力、火车可能被砸烂等能量损失和实验进行不下去的因素,按照能量守恒原理,球会反弹回来,弹回的速度应该也是每秒100米。
如果扔球的时候,火车正在以每秒100米的速度迎面开过来,那么当球反弹时,会发生什么呢?在火车驾驶室里面的司机看来,火车相对他来说仍然是静止的,而球正以每秒200米的速度向他飞来,球的速度提高了一倍!
同样按照能量守恒定律,球反弹回去后,相对于火车和火车司机,球离开的速度也是每秒200米。
这样,在地面上的围观群众看来,球反弹的速度就是火车相对于地面的速度(每秒100米),再加上球相对于火车的速度(每秒200米),也就是每秒300米。
这就相当于火车把自己每秒100米的速度双倍赠送给了小球。
于是,小球什么都不做,仅仅通过一次违法行为,就轻松获得了三倍的速度!
实际上,在碰撞的过程中,火车会损失一部分的动能,这部分动能转移到了小球身上。
因为火车的质量很大,损失的这一点能量很难察觉,却可以让小球的速度猛增。
木星的质量本来是地球的318倍,在燃烧岩石之后地球还会变得更轻。
在《流浪地球》中,地球就像一个小球撞向火车,通过碰瓷行为从巨大的木星那里偷一点能量来加速,而太阳就是地面的围观群众。
只不过,在引力的弹弓效应中,木星和地球并不是通过实物碰撞,而是通过引力的牵引来完成能量的转赠的。
也就是说,木星本来就在以很高的速度围绕着太阳运动,地球靠近的时候,会被它的引力带着一起跑,于是木星就把自己的速度传给了地球。
只要不被木星的引力捕获,地球离开木星的时候就会飞得比原来快得多,直到达到逃逸速度。
当然,地球还暂时不会去做碰瓷木星的实验,但是我们现在发射的航天器,很多都是按照《流浪地球》拟定的逃跑计划来操作的。
比如,“嫦娥一号”
探月卫星发射的时候,围着地球绕了三个椭圆的圈,才加速到地月转移轨道。
直到后来技术更加成熟,才不再绕圈,直奔月球而去。
人类迄今为止发射的飞行距离最远的星际探测器——旅行者1号,也使用了利用木星引力弹弓加速的飞行方式。
探测器发射时速度是每秒36公里,然后逐渐向木星靠近。
在抵达木星附近的时候,探测器的速度受太阳引力的拉扯越变越慢,降到了每秒16公里,然后一下子被木星的引力弹弓甩到了每秒38公里左右。
之后继续小幅度加速变轨,随着轨道越来越远离太阳,需要克服的太阳引力也越来越小,只需要再加速到每秒42公里左右,轻轻一跃,就能顺利地飞往太阳系外了。
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