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利用行星引力将探测器抛出?引力弹弓不一定要遵守能量守恒定律吗?

发表于 2021-12-14 浏览:
“引力弹弓”是人类发射太空探测器时经常使用的一种加速方法。简单来说,这种方法可以利用行星引力将探测器抛出,这样就可以加速探测器,从而大大减少探测任务所需的燃料和时间。

“引力弹弓”是人类发射太空探测器时经常使用的一种加速方法。简单来说,这种方法可以利用行星引力将探测器抛出,这样就可以加速探测器,从而大大减少探测任务所需的燃料和时间。

在我们的印象中,用引力弹弓加速的过程大概是这样的:探测器先接近行星,然后绕着行星转,当探测器被行星的引力甩出去的时候,就加速了,但是仔细想想就会觉得不对劲。

当探测器接近行星时,由于行星的引力会加速,这相当于它动能的增加。当探测器离开行星时,行星的引力会使探测器减速,相当于其动能的减少。根据能量守恒定律,它离开行星时减少的动能应该等于它接近行星时增加的动能。

也就是说,探测器离开行星后速度不会增加,但实际情况表明,引力弹弓确实可以增加探测器的速度,这有点令人困惑。

引力弹弓不一定要遵守能量守恒定律吗?为什么可以通过绕行星一周来加速?其实引力弹弓的科学原理并不复杂,这是一个速度相对性的问题(也就是说,如果选择不同的参照系,结果会不一样),我们只需要一张图片就能说清楚。

上图黑点代表行星,蓝点代表探测器。可以看出,如果我们以太阳为静止参照系,那么探测器确实在加速,而如果我们以行星为静止参照系,那么探测器的速度不会增加,但它的运动方向会改变。

由此可见,探测器绕行星转动时能加速的原因,其实是因为它在这个过程中获得了行星绕太阳公转的一部分动能,但同时行星又失去了这部分动能,能量总体上是守恒的,所以可以说引力弹弓遵守了能量守恒定律。

需要注意的是,还有另一个令人费解的引力弹弓现象。我们先来看一组数据。

众所周知,旅行者1号是目前距离我们最远的探测器。事实上,这个探测器也利用引力弹弓来加速。相关数据显示,当旅行者1号离开地球时,其相对太阳的速度约为36公里/秒(借助地球公转速度)。之后,由于它飞向太阳系外,太阳的引力会使它不断减速。

因此,当旅行者1号到达木星时,它相对于太阳的速度已经降低到大约14公里/秒。之后,它被木星的引力弹弓加速,当它离开木星时,它相对于太阳的速度达到大约37公里/秒。

我们应该知道,木星的平均公转速度只有13公里/秒,也就是说,即使旅行者1号到达木星时的速度(相对于太阳为14公里/秒)与木星的公转速度完美叠加,也只有27公里/秒,那么问题来了,为什么被木星甩出去时相对于太阳为37公里/秒?这多出来的10公里/秒的速度是怎么来的呢?

为了解释这一现象,我们需要做一个思维实验,假设一个场景,一个乒乓球以10米/秒的速度相对于地面静止地飞向球拍。在理想情况下(不考虑重力、空气阻力、非弹性碰撞、球拍的强迫运动等)。),打在球拍上时会发生弹性碰撞,所以会以同样的速度反弹,反弹后会对着地面。

在同一个场景中,现在假设球拍以11 m/s的速度(相对于地面)迎面向乒乓球移动。这种情况下,如果把球拍作为静止的参照物,乒乓球的速度是21 m/s,那么当它弹性撞击球拍时,它的反弹速度也是21 m/s。

重点是,如果以地面为参照,要考虑到球拍的运动速度为11 m/s,那么乒乓球反弹后的速度为32 m/s,相当于球拍运动速度的两倍(相对于地面)。

如上图所示,探测器使用木星引力弹弓时,它的运动效果实际上是探测器被木星弹开,所以也可以看作是弹性碰撞,所以我们只需要在上面的思想实验中用探测器代替乒乓球,用木星代替球拍,用太阳代替地面,就可以断定在这种情况下,探测器可以获得2倍木星的运动速度(相对于太阳)。

简单算一下,木星的公转速度是13公里/秒,旅行者1号到达木星时相对太阳的速度是14公里/秒,所以理论上来说,木星的引力弹弓最高可以将旅行者1号加速到40公里/秒(相对太阳),但实际上,当旅行者1号被木星抛出时,它相对太阳的速度是37公里/秒,所以是合理的。

综上所述,引力弹弓遵守能量守恒定律。当探测器利用行星的引力弹弓加速时,实际上“窃取”了行星的一部分动能,从而提高了其相对于太阳的速度。当然,我们不必担心这会在行星的轨道上造成问题。毕竟,与行星巨大的动能相比,这部分被探测器“窃取”的动能微不足道。

好了,今天就到这里吧。欢迎大家,关注我们.下次见。

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