如何应用“引力弹弓”,让地球去流浪?

来源: 环球科学

发布日期: 2019-02-21

本文详细介绍了《流浪地球》电影中利用木星引力进行“引力弹弓”效应的科学原理,并推广了西瓜创客少儿编程课程,强调编程在未来社会中的重要性。

大年初一,《流浪地球》上映了。这部中国的首部硬科幻大片,改编自《三体》作者刘慈欣同名小说,投资共3.2亿人民币。电影上映后,好评如潮,掀起了一股中国科幻电影的热浪。影片的最高潮,就是地球即将撞击木星的片段了。主角们一开始,是打算利用木星引力把自己「拉」出太阳系的,结尾时也有提到这个策略属于「流浪地球」第三步计划。奇怪了,地球自己飞得好好地,干嘛要去招惹木星?

明知道有强大的引力,还靠近轨道,差点给撞没了。所以为什么地球能够被木星「拉拽」过去?又可以利用木星让自己加速离开太阳系呢(原计划)?首先,让我们一起来想象。假设,宇宙是一张蹦床。我们把地球和木星两颗圆球放上去,由于木星的质量是地球的318倍,所以木星在这张「蹦床」上压下去的凹陷要深得多。当地球这颗小圆球靠近木星时,就会自然向「弯曲的曲面」滑下去,也就被「拉」到了木星旁边。这个原理,就是引力场。

质量越大的物体,周围的时空弯曲力度也会更大,即引力的作用越强,因而会对附近另一物体产生吸引效应。卫星就是这样被「拉」住的,抬头看看,月亮不就是被地球的引力吸引住无法逃脱的卫星吗?那假如想逃脱怎么办?就需要达到一定的发射速度。你以为装上行星发动机就能让地球暴力地冲出太阳系吗?并不是。

要让地球达到太阳系的逃逸速度,这点推力是不够的,如果你是一颗非常有抱负的地球,想要以极其高的效率逃离太阳系,就需要用到这个「工具」——引力弹弓。顾名思义,就是像一个弹弓一样,把物体给甩向下一个目标,它是利用行星的重力场来实现的,所以行星就像一个「引力助推器」。电影里,我们的计划一开始,是打算接近木星来做这个事情的。偌大一个木星,怎么才能变成我们的「弹弓」呢?

我们分步来拆解——第一步,木星的状态解读。这颗木星超级超级巨大,因为质量很大,所以它的引力也很大,会「拉」住靠近它的物体。并且,这颗木星自身也在不停地公转。第二步,我们前进的状态解读。我们正在太空中「循规蹈矩」地飞行中。哇前面好大一颗木星,我们需要小心又小心地行驶。如果太靠近的话,就会被吸附过去,变成木星的卫星,甚至还会撞上去坠毁。第三步,我们开始与木星的引力范围交汇。

这是一个需要不断计算衡量和预测的位置点,调整好我们的角度和速度,当我们进入木星的引力范围时,在这股「拉力」下,我们就有了一个与木星公转线速度相等的初速度。第四步,这时如果以太阳系为参考系,我们的速度就是被加速了,因为行星把动能传递给了我们,此时我们再稍微给发动机加速一波,「咻咻咻——」我们就被弹出了好远好远,逃离了太阳系。

(非常直观地展示了“被加速”的过程)顺带一提,在科幻电影大作《火星救援》里,本应从火星返回地球的赫尔墨斯号飞船,为了重回火星营救马克,就利用了引力弹弓效应把自己弹回去了。而且在真实的太空探索史上,1977年,美国NASA发射的旅行者一号41年飞了217亿千米,就是利用了木星、土星、天王星和海王星这四个星球做引力弹弓的「跳板」。

(图为旅行者一号和二号的飞行轨迹模拟)现在大家对于电影中,应用“引力弹弓”让地球逃离太阳系的科学概念,是不是更加清晰了呢?但是很明显,在电影中,光有这些科学理论的支撑是不够的,在“流浪地球”计划的真正实施过程中,离不开稳扎稳打的技术和操作能力。大家还记得电影后面出现的技术大佬李一一吗?就是那个写出病毒程序“春节十二响”,最后运用自己的强大技术能力拯救了地球的那位?

电影上映后,很多人都感叹:最后原来是程序员大佬拯救了世界!的确,事实上,不仅是在科幻片中,还是在我们现实生活中的宇宙探索里,程序和编程都起到了至关重要的作用——在火箭发射、轨道计算、登月着陆中,都有着大量的编程应用。而面对人工智能时代,编程更是已经应用在了我们生活中的各行各业。掌握编程,学习编程的技能和理念,已经成为未来的一项必备技能,在飞速发展的时代下,未来的孩子们面临着越来越大的挑战。

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