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茅元元:《流浪地球》中的物理學(xué)原理

軟件 2019-02-18 16:50:37 來(lái)源:中創(chuàng)網(wǎng)

  茅元元說(shuō):劉慈欣的原著我讀過(guò),吳京的演技真的很好,郭凡導(dǎo)演確實(shí)很棒。

  其次有些人噴的真的很奇葩,還熱核聚變、彈弓效應(yīng)。

  1、重聚變發(fā)動(dòng)機(jī)(重原子聚變發(fā)動(dòng)機(jī))

  電影中最惹人注目的,就是這些重聚變發(fā)動(dòng)機(jī),高度達(dá)11公里,比珠峰朗瑪峰還高2.2公里。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能提供150億噸的推力,而這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)在歐亞大陸和美洲大陸總共有一萬(wàn)兩千臺(tái)(小說(shuō)設(shè)定),總共能提供150萬(wàn)億噸的推力。

  重聚變,顧名思義,就是由重原子進(jìn)行的核聚變。目前人類能做到的,還只是利用氫原子進(jìn)行的不可控核聚變(氫彈)。而小說(shuō)和電影中利巖石為主要燃料進(jìn)行核聚變,則需要更大的溫度的壓強(qiáng)才能實(shí)現(xiàn)。我們地球上巖石的主要成分是“硅”。根據(jù)天文學(xué)的研究,大質(zhì)量恒星后期的聚變反應(yīng)就是“重聚變”。從“硅”開(kāi)始大質(zhì)量恒星“重聚變”過(guò)程是:硅–28 →硫–32 →氬–36 →鈣–40 →鈦–44 →鉻–48 →鐵–52 →鎳–56。在這個(gè)聚變過(guò)程中,釋放出大量的能量,比氫彈爆炸釋放的能量多太多了。

  核聚變走到鐵這一步,就不再釋放能量,而是吸收能量。所以重聚變最后產(chǎn)生的廢渣就是鐵。

  正是有了重聚變發(fā)動(dòng)機(jī),才能讓“流浪地球”計(jì)劃成功,因?yàn)閹r石在地球上到處都是,提供了無(wú)窮無(wú)盡的燃料。

  然后,光有重聚變發(fā)動(dòng)機(jī)還是不行的,必須還要應(yīng)用到下面這項(xiàng)技術(shù)。

  2、無(wú)工質(zhì)推進(jìn)

  我們目前的火箭技術(shù)都是工質(zhì)推進(jìn)。也就是火箭燃料在燃燒室內(nèi)經(jīng)過(guò)燃燒后向后噴出,讓火箭獲得一個(gè)反方向的推力。但是,我們不得不承認(rèn),這種方式的效率是非常低的,需要燃燒相當(dāng)多的燃料,而且燃料本身的重量也要消耗火箭發(fā)射的能量。

  我們從高中物理學(xué)中學(xué)到:

  m1v1=m2v2

  通俗的講,就是火箭噴出物質(zhì)速度越快,火箭獲得的推力就越大,同時(shí)消耗的燃料就越少。那么無(wú)工質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的是什么呢?是電磁場(chǎng)加速后的等離子體,這種物質(zhì)的噴射速度最高能達(dá)到500公里每秒,在未來(lái)甚至更高,最高上限是30萬(wàn)公里每秒。目前液體火箭噴射燃料的速度也不過(guò)4.5公里每秒。也就是說(shuō),同等條件下,無(wú)工質(zhì)推進(jìn)是目前火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的100倍效率。

  因此在無(wú)工質(zhì)推進(jìn)的高效率之下,才能讓地球節(jié)省了這些巖石燃料。否則,按照常規(guī)推進(jìn)模式,把半個(gè)地球當(dāng)燃料燒了,也不夠這一萬(wàn)兩千臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)把地球推動(dòng)逃離太陽(yáng)系。

  3、霍曼轉(zhuǎn)移軌道

  在電影和小說(shuō)《流浪地球》中,地球逃出太陽(yáng)系,并不是跟扔標(biāo)槍一樣一下子飛出去,而是采取了轉(zhuǎn)圈扔鐵餅的方式。先把地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)的軌道由圓形改為橢圓形,這里就牽扯到了霍曼轉(zhuǎn)移軌道的概念。

  霍曼轉(zhuǎn)移軌道(Hohmann transfer orbit)是一種變換太空船軌道的方法,途中只需兩次引擎推進(jìn),相對(duì)地節(jié)省燃料。此種軌道操縱名稱來(lái)自德國(guó)物理學(xué)家瓦爾特·霍曼。

  霍曼轉(zhuǎn)移軌道不是最省時(shí)間的方法,但卻是最省燃料的方法。而把地球軌道從圓形變成橢圓形,目的是為了獲得一個(gè)沖向木星的路徑和速度,以便利用木星的引力加速,最終逃出太陽(yáng)系。

  當(dāng)然,像地球這么大的星體,僅進(jìn)行一次橢圓軌道繞日是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,在原著中,地球總共進(jìn)行了15次橢圓形公轉(zhuǎn),每次的橢圓形都比以前更扁一些,其目的還是為了節(jié)省燃料。

  4、木星引力

  人類歷史上有過(guò)利用木星引力的先例,七十年代發(fā)射的旅行者一號(hào)和二號(hào)探測(cè)器,就是利用了木星的引力,最終達(dá)到了離開(kāi)太陽(yáng)系的逃逸速度。在原著中,質(zhì)量是地球318倍的木星,用引力將地球朝著自己拉扯過(guò)去,在這過(guò)程中地球獲得了一個(gè)很大的逃逸速度。但是人們擔(dān)心地球最終會(huì)和木星相撞。不過(guò),請(qǐng)放心,在科研人員的精確計(jì)算之下,地球最終和木星擦肩而過(guò),以更快的速度逃向太空深處。

  5、氦閃

  最最關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)來(lái)了,氦閃。這種現(xiàn)象發(fā)生在0.8個(gè)到2.25個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星身上。當(dāng)恒星內(nèi)部氫元素燃燒殆盡,導(dǎo)致氦元素在恒星的核心大量積累,密度增加。在外部壓力的作用下,氦元素以簡(jiǎn)并態(tài)的方式存在著。當(dāng)核心內(nèi)部溫度達(dá)到一億K到兩億K時(shí),氦聚變開(kāi)始了,由于簡(jiǎn)并態(tài)傳導(dǎo)的速度很快,幾秒鐘之內(nèi)核聚變就在整個(gè)氦核心中發(fā)生,并使恒星產(chǎn)生千億倍于正常恒星的能量。然后恒星核心里的氦絕大部分在這幾秒內(nèi)聚變?yōu)樘荚?。氦閃結(jié)束后,恒星內(nèi)部引力收縮和核聚變壓力重新得到了平衡,內(nèi)核收縮,外殼膨脹,恒星膨脹為紅巨星,變的更不過(guò)諸位請(qǐng)放心,太陽(yáng)立即變?yōu)榧t巨星,只是《流浪地球》中一個(gè)假設(shè)?,F(xiàn)實(shí)中的太陽(yáng)按照恒星正常的壽命,50億年之后才會(huì)變?yōu)榧t巨星。那時(shí)候人類大概已經(jīng)移民到其他恒星系星球。所以大家不必杞人憂天,該吃的吃,該喝的喝,該玩的玩。珍惜當(dāng)下,建設(shè)國(guó)家。

  說(shuō)到這我才反應(yīng)過(guò)來(lái)你們這些瞎噴的,讀過(guò)原著沒(méi),看過(guò)電影沒(méi),看懂了沒(méi)?這電影和原著唯一的不同點(diǎn)就是那個(gè)叫韓朵朵的女孩。

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