В сеттинге "Блуждающей Земли", чтобы переместить землю, люди установили на земле 10 000 двигателей сверхъядерного синтеза, каждый высотой 11 000 метров, которые могут производить в общей сложности 150 триллионов тонн тяги. Строго говоря, единица измерения силы выражается в ньютонах. Если перевести ее, то получится около 15 миллиардов ньютонов.
Мы знаем, что масса земли составляет около 600 миллиардов миллиардов килограммов. Используя Второй закон Ньютона, легко рассчитать ускорение земли, приводимое в движение двигателем, которое примерно равно 0,000000025-кратному ускорению силы тяжести на поверхности земли, что очень и очень мало.
Земле требуется очень много времени, чтобы разогнаться до скорости "убегания" от солнца. Исходя из того факта, что скорость земли вокруг Солнца составляет 30 км/с, скорость, с которой земля удаляется от солнца, составляет 42 км/с, то есть требуется увеличение скорости на 12 км/с.
Кроме того, в пьесе также разворачивается сцена полета земли к Юпитеру. Если подумать, что вы полетите за пределы солнечной системы, зачем вам нужна встреча с Юпитером? Это связано с тем, что использование "гравитационной рогатки" Юпитера может ускорить движение земли.
Что случилось с ”гравитационной рогаткой"?
Гравитационная стрельба (gravitational slingshot) или гравитационный ускоритель (gravity assist) - это метод использования силы тяжести большого небесного тела для изменения скорости объекта, который может увеличивать скорость, уменьшать скорость и изменять направление скорости.
Подождите ка минутку, гравитация Юпитера консервативна, то есть, когда зонд находится близко, это процесс ускорения, а когда зонд далеко, это процесс замедления.
Эффекты двух временных интервалов компенсируют друг друга, и он не может получать энергию из гравитационного поля Юпитера. Единственное, что он может делать, — это изменять направление своего полёта. Но где он находится? В этом и заключается проблема.
Для простоты давайте приведем пример из жизни: когда вы были ребенком, вы были очень непослушными. Спереди ехала машина со скоростью V1, а вы пинали футбольный мяч со скоростью V2. И вот случилось столкновение мяча с автомобилем. В это время, например, скорость футбольного мяча относительно автомобиля равна V1 + V2. Предполагая, что футбольный мяч и автомобиль сталкиваются "совершенно мягко" или "упруго", потери кинетической энергии нет.
Затем, когда футбольный мяч отскакивает от автомобиля, скорость относительно автомобиля также равна V1 +V2, но в это время скорость футбольного мяча относительно земли равна V1 + V2+V1 = 2V1 + V2, что означает, что скорость футбольного мяча увеличилась в 2 раза по сравнению со скоростью автомобиля. Поскольку масса автомобиля намного больше массы футбольного мяча, нам не нужны сложные формулы для сохранения энергии и импульса, чтобы получить ответ. После понимания этого простого мысленного эксперимента гораздо легче понять принцип действия гравитационной рогатки.
Относительно Юпитера зонд вошел и снова улетел. Скорость не изменилась, но Юпитер движется вокруг Солнца со скоростью 13 километров в секунду. Если зонд входит в гравитационное поле Юпитера спереди от Юпитера, а затем совершает круг из-за Юпитера, чтобы выйти из гравитационного поля, то это эквивалентно однократному столкновению зонда и Юпитера. Упругое столкновение!
Предполагая, что скорость зонда параллельна после входа в Юпитер и вылета из гравитационного поля Юпитера, зонд увеличит скорость Юпитера относительно солнца в 2 раза. Но на самом деле все детекторы входят в гравитационное поле Юпитера под определенным углом. Угол отклонения не так уж велик, и полученное приращение скорости не так уж велико, но истина та же.
Итак, возникает еще один вопрос: откуда берется повышенная энергия зонда? Это происходит не от гравитационного поля Юпитера, а от кинетической энергии Юпитера. Другими словами, после того, как зонд увеличит свою скорость, скорость Юпитера немного уменьшится. Учитывая огромную разницу в массе Юпитера и зонда, снижение скорости незначительно.
Эффект рогатки может не только ускорить работу зонда, но и замедлить его. Принцип действия противоположен процессу, упомянутому выше.
Примеры применения гравитационной рогатки.
Гравитационная рогатка - это очень развитая аэрокосмическая технология, которая имеет широкий спектр применения в реальности. Впервые человечество использовало гравитационную рогатку в 1959 году. В то время советский лунный зонд 3 пролетел над южным полюсом Луны. С помощью лунного притяжения он облетел обратную сторону Луны и сделал первое сделанное человеком изображение обратной стороны Луны. Тогда гравитационная рогатка не только изменила плоскость орбиты полета зонда, но и немного увеличила его скорость.
В 1972 году был запущен “Пионер-10”, который прибыл в систему Юпитера в 1973 г. После обнаружения Юпитера он использовал эффект рогатки для ускорения, а затем отправился в путешествие в межзвездное пространство.
В 1973 году был запущен “Пионер 11", который прибыл в систему Юпитера в 1974 году. После обнаружения Юпитера он использовал гравитационную рогатку, чтобы изменить величину и направление скорости, а затем полетел к Сатурну. После обнаружения Сатурна он снова ускорился с помощью гравитационной рогатки Сатурна, и отправился в полет к межзвездному пространству.
Пионеры 10 и 11 - знаменитые зонды, несущие "визитную карточку Земли". Так называемая визитная карточка Земли изготовлена из позолоченной алюминиевой пластины, на которой изображена пара обнаженных мужчин и женщин, изображена траектория полета детектора, изображены координаты солнечной системы и представлен уровень научно-технического развития человечества.
В случае, если однажды в будущем эти два зонда будут захвачены инопланетной разумной жизнью, они, возможно, смогут проанализировать базовую информацию, такую как то, откуда взялись зонды и в какой степени они произошли от цивилизованного общества. Среди них обнаженные мужчины подняли правые руки, чтобы поздороваться, показывая, что земляне настроены дружелюбно и пришли за миром.
В 1974 году, после того, как зонд НАСА "Маринер-10" пролетел мимо Венеры и обнаружил Венеру, он успешно использовал гравитационную рогатку Венеры для замедления, в результате чего перигелий орбиты зонда сократился почти до орбиты Меркурия.
В 1977 году НАСА запустило зонды “Вояджер-2” и “Вояджер-1” соответственно (да, "Вояджер-2“ был запущен раньше ”Вояджера-1"). Каждый из двух родственных зондов нес медную позолоченную пластинку с визитной карточкой “Голос Земли". Позолоченная пластинка содержит 116 ежедневных человеческих снимков и различные естественные звуки, такие как шум волн, ветра, грома и пение птиц. Есть надежда, что однажды это будет воспринято и истолковано другой высшей инопланетной жизнью.
В настоящее время ”Вояджер-1” и "Вояджер-2" стали человеческими зондами, вышедшими в межзвездное пространство в 2013 и 2018 годах соответственно.
Эти два зонда также в полной мере использовали гравитационные рогатки. Когда "Вояджер-1" пролетал мимо Юпитера и Сатурна, он использовал эти две большие планеты для ускорения, прежде чем достичь скорости убегания от Солнца.
"Вояджер-2“ воспользовался ускорением Юпитера, Сатурна и Урана, но когда он приблизился к Нептуну, чтобы обнаружить спутник Нептуна ”Тритон", он пролетел мимо северного полюса Нептуна, изменил направление своей скорости и немного снизил ее относительно солнца.
В 1989 году зонд НАСА "Галилео Юпитер" был выведен на околоземную орбиту космическим челноком "Атлантис", а затем с помощью твердотопливной ракеты последней ступени покинул Землю.
В 1990 году для ускорения были использованы гравитационные рогатки Венеры и Земли, а в 1992 году для ускорения снова были использованы гравитационные рогатки Земли. Затем он отправился в путешествие к Юпитеру, прибыв на Юпитер в декабре 1995 года.
Фактически, если использовать более мощную жидкостную ракету последней ступени, зонд Galileo сможет долететь с низкой околоземной орбиты Земли до Юпитера, не используя отнимающие много времени гравитационные рогатки Венеры и Земли. Тогда почему же мы не используем жидкостные ракеты? Мы знаем, что в 1986 году космический челнок "Челленджер" взорвался после старта, в результате чего погибли все семь астронавтов, находившихся на борту. Поэтому при последующих запусках "спейс шаттлов" обеспечение абсолютной безопасности стало первоочередной задачей.
Наконец, жидкостная ракетная схема была заменена твердотопливной ракетной схемой. Поскольку твердотопливные ракеты дают меньше энергии, чем жидкостные, они могут долететь до Юпитера только с помощью гравитационных рогаток Венеры и земли.
В 1990 году солнечный зонд Ulysses, совместно разработанный НАСА и Европейским космическим агентством (ЕКА), был выведен на околоземную орбиту космическим челноком Discovery. Он также использовал твердотопливную ракету для ускорения и преодоления земного притяжения.
Из-за небольшой массы зонда на этот раз он смог направиться прямо к Юпитеру. Кстати спросить: "Улисс” - это солнечный зонд, так зачем же ему лететь к Юпитеру? Целью полета к Юпитеру является изменение орбиты полета зонда с помощью гравитационной рогатки Юпитера. Для того чтобы зонд Ulysses смог обнаружить полюса Солнца, он должен выйти на полярную орбиту солнца.
Все крупные планеты солнечной системы вращаются почти в одной плоскости. Трудно получить орбиту, перпендикулярную этой плоскости. Для этого требуется много корректировок скорости. Изменение скорости здесь в основном относится к изменению направления. Гравитационная рогатка Юпитера может помочь сделать это на много легче.
В 1997 году в небо был запущен зонд "Кассини-Гюйгенс Сатурн", созданный в сотрудничестве НАСА и ЕКА. В 1998 и 1999 годах для ускорения использовалась гравитационная рогатка Венеры. В 1999 году для ускорения также использовалась гравитационная рогатка Земли. В 2000 году для ускорения использовалась гравитационная рогатка Юпитера, и в 2004 году он вышел на орбиту вокруг Сатурна.
Эту серию гравитационных рогаток можно назвать классической!
На самом деле, более красивые из них еще впереди. За более чем десять лет после прибытия зонда к Сатурну он неоднократно использовал эффект рогатки “Титан” для внесения различных причудливых изменений орбиты. Цель состоит в том, чтобы иметь более трехмерное представление о Сатурне и его спутниковой системе. Титан - крупнейшая "звезда" Сатурна и второй по величине спутник в Солнечной системе. Самый большой спутник - Ганимед.
В 2004 году в небо был запущен зонд NASA Messenger Mercury. В 2011 году Messenger стал первым зондом, вышедшим на орбиту Меркурия (ранее зонд Mariner 10 не выходил на орбиту). Выйти на орбиту Меркурия не так просто. Меркурий - самая внутренняя планета Солнечной системы.
Его гравитация относительно мала, и у него нет атмосферы. Зонд должен найти способ снизить свою скорость, прежде чем его сможет захватить гравитация Меркурия. Поэтому Messenger последовательно использовал гравитационные рогатки первой Земли, второй Венеры и третьего Меркурия, чтобы замедлиться. Только для того, чтобы быть захваченным гравитацией Меркурия.
Кроме того, существуют зонды “Розетта”, которые обнаруживают кометы, и зонды “Юнона”, которые исследуют Юпитер, также используют гравитационные рогатки. Солнечный зонд Parker, запущенный в 2018 году, и зонд Bepi Colombo, исследующий Меркурий, также будут использовать эффект рогатки для корректировки своих орбит снова и снова в ближайшие несколько лет.
Что означает ”Скалистый предел"?
В "Блуждающей Земле" люди используют гравитационную рогатку Юпитера, чтобы разогнать землю и вывести ее на опасную орбиту к Юпитеру.
Когда двигатель ядерного синтеза, который толкает землю вперед, выходит из строя, земля становится все ближе и ближе к Юпитеру. Даже если двигатель возобновит работу позже, это все равно безрезультатно, и земля все еще приближается к Юпитеру.
Земляне впали в отчаяние. Если земля пересечет Скалистую границу Юпитера, приливная сила Юпитера разорвет землю на части! В критический момент человечество успешно столкнуло землю с ее опасной орбиты, воспламенив смесь Юпитера и земного газообразного кислорода. Поэтому гравитационные рогатки опасны, и использовать их нужно с осторожностью.
Если вы хотите понять, что такое Скалистый предел, вы должны сначала понять, что такое приливная сила. Когда мы находимся на берегу моря, мы можем видеть приливы и отливы. Это происходит из-за приливной силы солнца и Луны на земле. Поскольку Луна находится намного ближе к Солнцу, приливная сила на земле примерно в два раза больше, чем на солнце. Поэтому мы в основном рассматриваем приливную силу Луны на земле.
Землю и Луну на самом деле можно рассматривать как двойную звездную систему. Неоднородное гравитационное поле Луны в сочетании с вращением земли вокруг центра масс системы заставляет землю выпячиваться со стороны, близкой к Луне, и со стороны, удаленной от Луны. Возникает “выпуклость”. Выпуклость этих двух выпуклостей является разрывающим эффектом приливных сил.
В небесной механике предел Лохи также известен как радиус Лохи. Впервые он был предложен французским астрономом Лохи, поэтому называется пределом Лохи. Давайте рассмотрим близость Земли к Юпитеру как частный случай и кратко поговорим о нем: основная сила, которая связывает материю земли воедино, - это ее собственная гравитация.
Когда земля находится близко к Юпитеру, Юпитер будет оказывать сильное приливно-отливное воздействие на землю. Когда приливная сила превысит гравитацию собственной материи Земли, земля взорвется.
Фактически, расчеты показывают, что скалистый предел полета земли к Юпитеру меньше радиуса Юпитера, поэтому она не была разорвана на части до тех пор, пока земля не столкнулась с Юпитером. Строго говоря существует два вида пределов Лохи: один - это предел Лохи жидкости, а другой - это предел Лохи твердого тела. Реальная ситуация всегда находится где-то посередине.
Есть интересный пример: Сатурн - красивое небесное тело, похожее на большую соломенную шляпу, и его также называют “Властелином колец Вселенной”. Гало Сатурна расположено в пределах Скалистых пород, и вещество в гало не срастется в более крупные небесные тела под действием собственной силы тяжести. На самом деле, кольца Сатурна, возможно, образовались в результате того, что один из естественных спутников Сатурна был разорван на части из-за Скалистого предела. Или, это может быть оставшийся материал, когда формировался Сатурн.
Есть также интересный пример. Рано или поздно марсианский спутник “Фобос” войдет в Скалистый предел Марса и будет разорван Марсом на части, образуя кольцевую систему вокруг планеты. По оценкам ученых, это произойдет всего около 30-50 миллионов лет.
Подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе всех событий и расширить свои знания о нашей невероятной Вселенной! 🌌🚀
