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流浪地球(电影)

《流浪地球》电影中有哪些情节需要一定的科学知识才能理解?

如题,求科普! 比如,为什么地球要跑到木星那里?木星真的能被点燃吗?木星为什么会引起地球地震?太阳为什么会爆炸? 还有什么需要一定科学知识才能理解的情…
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关于电影里的科学原理,其他同仁的回答已经非常丰富了。

对于小新而言,最为关注的是里面的“黑科技”神器。《流浪地球》的故事,就发生在50年后的未来,时间线与现实接轨,没有特别强的距离感、陌生感。领航员空间站、行星发动机、地下城、运载车……这些电影中的“神器”充满想象力和希望;但并非完全架空,而是能够与现实“隔空对话”,以当前的技术储备,并非遥不可及。

对比当下与未来,可以更好地理解电影中这些装备的原理,可以对当前的科技发展水平有更清晰的了解。


===============领航员空间站 VS 天宫空间站================


电影:领航员空间站

在电影中,领航员空间站承担了全球通信、信息存储、开辟道路等各项使命,成为地球上全人类的中枢平台和未来希望。


现实:“天宫”空间站

在现实中,由航天科技主导研发制造的中国“天宫”空间站,建成后将成为我国长期在轨稳定运行的国家太空实验室,国际科技合作交流的重要平台。

从尺寸上看,虽然没有领航者那么大,但是“五脏俱全”——

中国空间站额定乘员3人,乘组轮换时最多可达6人。

基本构型包括核心舱、实验舱I和实验舱II,每个舱段规模20吨级。

核心舱包括节点舱、生活控制舱(分为大柱段和小柱段)和资源舱三部分,有3个对接口和2个停泊口。

对接口用于载人飞船、货运飞船及其他飞行器访问空间站,停泊口用于两个实验舱与核心舱组装形成空间站组合体,另有一个出舱口供航天员出舱活动。

核心舱轴向长度16.6米,大柱段直径4.2米,小柱段直径2.8米,主要用于空间站的统一控制和管理,以及航天员生活,具备长期自主飞行能力,能够支持航天员长期驻留,支持开展航天医学和空间科学实验。

从功能上看,中国空间站具有鲜明的中国特色和时代特征——

可舱外活动。采用转位机构和机械臂结合,进行舱段转移、对接,在航天员和机械臂协同下,可以完成复杂舱外建造和操作活动。

  • 可扩展空间。建造规模适度,预留了舱段和舱外载荷平台扩展能力,最大可扩展3个舱段。
  • 可进行观测。设计新型平台装载大型光学设施,开展巡天和对地观测。
  • 可进行补给。与空间站共轨飞行,必要时可停靠空间站进行维护和补给,开辟了分布式空间站体系架构的创新模式。
  • 可科学研究。规划了密封舱内的科学实验柜、舱外暴露实验平台等,支持在轨实施空间科学、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学等众多领域的科学研究和应用项目。

值得关注的是,助力“地球”开启流浪之旅的火箭,不是什么“未来货”,而是现实中存在的——中国航天科工快舟火箭。《流浪地球》片名出现在快舟火箭基础级、末级包装箱上以及整流罩上。


===============行星发动机 VS 核聚变“人造太阳”计划===============


电影:行星发动机

影片中,人类为了推动地球离开太阳系,建造了1万多座行星发动机,高达11000多米,每台可产生150亿吨的推力,但所用的燃料只是石头,其原理是“重核聚变”,简单来说,即是将石头中所包含的元素进行核聚变反应。

在科幻世界中,核能是人类驰骋宇宙、穿越黑洞、空间跳跃等等高难度动作能源领域绝对的主力。20世纪人类最重大的发现之一——核反应可控核聚变被认为是有可能解决人类能源问题的“圣杯”。


现实:核聚变“人造太阳”计划

我国早在1983年便提出了“热中子反应堆——快中子增殖堆——受控核聚变堆”的核能三步走发展战略。在聚变堆阶段,位于中核集团核工业西南物理研究院的中国环流器二号A(HL—2A)装置正在承担国际热核聚变实验堆(ITER)计划相关的前沿物理问题与关键技术的科研任务,并实现了多个突破。

正在建设中的国际热核聚变实验堆(ITER)场址


中国环流器二号A(HL—2A)

在西物院聚变所实验大厅,便能看到一个呈橘红色、椭圆形、放射状的庞大实验装置,这就是中国的“人造太阳”装置——“中国环流器二号A”。科学家计划用磁场把一团高温(上亿度)高压的等离子体“火球”悬浮起来,跟周边的任何材料不接触,这时就可以对等离子体加热、控制,以实现受控聚变反应而释放能量。这与太阳发光发热的原理相似,因此人们将这类装置称为“人造太阳”。

国际上通过合作和技术共享,共同进行核聚变研究。2006年,中国作为七方之一参与ITER计划,而中核集团西物院是中国加入ITER的重要技术支撑单位。十多年来,中国在受控核聚变方面开展了全面而深入的研究,核聚变科学和工程成果显著。在人类追逐“人造太阳”的路上,中国正从“追赶者”、“并跑者”,成长为具备强大国际输出能力的“领跑者”。


=====地下城 VS“地壳一号”万米钻探机+全球最大“地下城”武汉光谷======


电影:地下城

没有了太阳光照,流浪地球的气温急剧下降,人类只能依靠地球本身的热量。地核温度高达6000℃,地下拥有丰富的地热资源。因此,人类转入地下5000米的地下城。


现实:“地壳一号”万米钻探机

目前,由航天科工下属宏达集团和吉林大学共同研发制造的我国“地壳一号”万米钻探机已经挖到了地下8000米左右的深度。建造地下城,深度已经不成问题。

2018年7月,“地壳一号”正式宣布完成“首秀”:完钻井深7018米,创造了亚洲国家大陆科学钻井新纪录,标志着我国成为继俄罗斯和德国之后,世界上第三个拥有实施万米大陆钻探计划专用装备和相关技术的国家。

“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机组装后约20层楼高,整个组件占地1万多平方米,钻进能力可达到1万米。科研团队自主研发、改进了该钻的高转速全液压顶驱系统、高精度自动送钻系统和起下钻自动排管系统等一系列关键技术,并采用国内领先的数控变频电动钻机技术(DBS),使其钻探能力达到世界先进水平。目前,“地壳一号”日钻进速度最快可达到265米,最快机械钻速可达到每小时28.8米。


现实:全球最大“地下城”

在地下,就可以满足生活的一切需求?不用等科幻,不用等未来,目前已经有了。

中国建筑承建的武汉光谷中心城正在建设3层的地下空间,空间之间互相连通,总建筑面积51.6万平方米,相当于72个足球场,建成后成为全球规模最大的单个地下空间项目。

  • 最下层:地铁轨道、地下停车、市政管廊安排有序,该区域将有地铁11号线、19号线等线路经过,地下空间设有4个地铁站;
  • 中间层:公共通廊配合商业体,让人们在不受风吹日晒的状态下惬意步行;
  • 最上层:公共绿地、广场和道路连为一体。

地下空间建成后将形成交通、购物、办公、娱乐、文化等设施齐全的地下城市,居住人口达40万。地下城包括下沉式广场,种植有花木,设置有喷泉等设施。4条地铁、地下走廊、2000个停车位、长23.5公里的综合管廊……市民不出地下空间,也能享受舒适生活。


===================运载车 VS 巨型卡车====================


电影:运载车

“道路千万条,安全第一条。行车不规范,亲人两行泪”成为了全网金句。伴随着这句警示语,《流浪地球》中的重型运载车成为出镜率非常高的道具了。已经踏上“流浪”旅途的地球,地表已经达到了-87℃。在这样的极端条件下,运载车依旧能够跨越山川完成各种任务。


现实:巨型自卸卡车

这是国家能源集团矿场使用的国产SF33900电动轮自卸卡车。卡车长13.645米、宽8.364米、高7.100米,平均年运行时间5702.38小时,空车重量166吨,额定载重量220吨,柴油箱容积3520L,最高车速64.5km/h。

此外,还有一种又大又快的卡车,长得非常像电影中的运载车……大家看看就好……


===============救援队机甲 VS 外骨骼机器人===============


电影:救援队机甲

电影中的救援队员,穿戴了非常先进的机甲,不仅可搭载通信器材、武器等多种装备,而且“力大无穷”。

但是,在影片拍摄过程中,演员不仅无法从机甲“借力”,还要以肉身扛起这身重量达60公斤的道具。


现实:外骨骼机器人

从现实的角度来看,电影中的这套外骨骼系统,可以发挥极大的作战价值。现代战争中,士兵需要承载的重量在逐步上升,但是人类的体力是有极限的;火力的密度也会越来越大,缺乏保护的士兵生存性越来越脆弱。因此,为未来的军队装备单兵外骨骼系统,就成了各国都在研究的方案。


上图中的这款穿戴式外骨骼助力机器人,是由中国兵器工业集团西北机电工程研究所研制的一种高端智能机器人装备。

系统兼具负重携行、托举搬运两种工作方式,可完成50kg负重行走、上下台阶、上下斜坡,以及45kg托举搬运等功能,可在1分钟内完成工作方式转换,以4km/h速度可在平地连续行走10km。行走、站立、转体、上下楼梯、上下斜坡……都可以实现!

而且,这套机器人折叠后可装箱运输,实乃行军作战、居家旅行的常备佳品!


当然,《流浪地球》里的“现实梗”,还有很多。国运兴,则文运兴。顶尖的中国科幻,背后是顶尖的中国科技,以及顶尖的中国企业。

掌声送给中国企业科技工作者们!

编辑于 2019-02-21 16:21

推荐这个回答: 《流浪地球》从物理上来说有哪些地方是很「bug」的?

解答了题主想了解的点燃木星炸飞地球是否可行的问题。


只看了一遍,还没来得及二刷,凭记忆简单写几点吧……只是简单的科普性文字阐述,笔者学艺也不算精,如果有不准确甚至错误的地方欢迎拍砖。

一、太阳如何老化?

电影的设定是,太阳急速老化,将会不断膨胀,吞没整个地球;原著小说中的设定则如下:

三个多世纪前,天体物理学家们就发现这太阳内部氢转化为氦的速度突然加快,于是他们发射了上万个探测器穿过太阳,最终建立了这颗恒星完整精确的数学模型。
巨型计算机对这个模型计算的结果表明,太阳的演化已向主星序外偏移,氦元素的聚变将在很短的时间内传遍整个太阳内部,由此产生一次叫氦闪的剧烈爆炸,之后,太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星,它膨胀到如此之大,地球将在太阳内部运行!
事实上在这之前的氦闪爆发中,我们的星球已被汽化了。
这一切将在四百年内发生,现在已过了三百八十年。
太阳的灾变将炸毁和吞没太阳系所有适合居住的类地行星,并使所有类木行星完全改变形态和轨道。自第一次氦闪后,随着重元素在太阳中心的反复聚集,太阳氦闪将在一段时间反复发生,这“一段时间”是相对于恒星演化来说的,其长度可能相当于上千个人类历史。所以,人类在以后的太阳系中已无法生存下去,惟一的生路是向外太空恒星际移民,而照人类目前的技术力量,全人类移民惟一可行的目标是半人马座比邻星,这是距我们最近的恒星,有4.3光年的路程。以上看法人们已达成共识,争论的焦点在移民方式上。

总结一下,就是太阳的老化突然提前了五十亿年到来,原因不明,可以理解成作者的设定(剧情需要,没有这个设定就没法展开故事)。

恒星的演化是一个非常有意思的过程,开始于巨分子云的自引力坍缩。只要星云的质量大于金斯质量(Jeans Mass),它就会出现引力的不稳定性,然后开始坍缩。当然,前面这句话有些不准确,因为满足金斯判据是星云坍缩形成恒星的必要非充分条件。形成恒星还有其他的一些条件,比如星云的初始角动量不能太大(如果角动量太大,而星云的质量本身也足够大,坍缩过程就会把星云变成扁扁的圆盘,然后到一定程度会解体、碎裂,总的角动量被分解为各个碎块的自转和公转角动量,这些碎块也各自坍缩形成恒星)。

星云的收缩分为快慢两段过程,快速收缩结束后的星云被称为原恒星(Protostar)。原恒星的缓慢收缩过程中,自引力和气体的压力基本平衡,形成了准的流体静力学平衡状态。此时原恒星已经不再透明,辐射只能由表层附近逸出,内部温度迅速升高,内外温差造成了强烈的对流。对流释放了内部的热量,同时平衡了恒星的化学组分。这一过程被称为林忠四郎阶段(Hayashi Phase),得名于日本天体物理学家林忠四郎。

进一步的引力收缩使得中心部分出现了辐射平衡,对流层急剧变浅,表面温度升高,核心部分的氢开始了聚变反应(相关回答: 人类如何/何时发现恒星是依靠核聚变发光发热的?),恒星的演化正式进入了主序(Main Sequence)阶段。

恒星在主序阶段停留的时间取决于中心区域氢燃烧(这个词虽然不准确,但是大家都用)的时间,烧完了恒星就会开始偏离主序带。

对于小质量恒星 M<2.3M_\odot ,中心的氢烧完了,就只剩下氦了。但是中心部分的温度还不够高,不足以点燃氦的聚变,只有中心附近的氢依然在燃烧,形成了一个壳层,维持着恒星的辐射。氢的壳层燃烧继续产生氦,氦核的质量继续增大,增大到一定的程度以后,内部的压力抵挡不住自引力了,就会开始坍缩,引力势能转化为热辐射,从而吹起了外面的氢壳层,使得恒星的半径持续增大,表面温度持续下降,演化成了亚巨星。亚巨星继续膨胀,但是表面温度不再下降,最后变成了红巨星。当然,恒星的演化过程和恒星的质量有关,质量 M<0.5M_\odot 的恒星由于物质不够,压根不会变成红巨星,氦核最后会坍缩成为氦白矮星(但是这种恒星的寿命太长了,比宇宙年龄还长,所以这还是只是我们的推测,暂时没有观测证据);质量 0.5M_\odot <M<2.3M_\odot 的恒星则在经历了氦闪以后进入双壳层燃烧的渐近巨星分支,然后演变成红超巨星,并快速、大量地开始损pao失she物质,最后演变成碳-氧白矮星

红巨星中心氦核区域的电子由于密度增大发生了简并,当中心简并核的质量达到临界值 M_c\simeq0.45M_\odot 时,中心温度能达到 10^8\ \rm K ,此时氦开始聚变( 3\alpha 反应),核心区域温度急剧上升,发生绝热膨胀,但是压力并不减小,所以核反应越来越快,变成了爆炸式的剧烈反应,这就是氦闪,一般持续几秒到几分钟。氦闪释放大量热量,温度升高,密度基本保持不变,因而氦核内电子又回到了非简并状态。此时,红巨星的核心膨胀、吸热,恒星光度骤减,进入稳定的氦燃烧阶段。红巨星的典型大小在一个天文单位的样子。

二、为什么要去木星?

这个问题就涉及到了轨道动力学里一个很重要的概念——引力弹弓(Gravity Assist)。

游戏 坎巴拉太空计划的玩家想必都对这个概念不陌生。引力弹弓,就是利用行星等天体的公转运动和引力改变飞船的轨道和速度,同时节省燃料、时间和计划成本。

引力弹弓图解

说白了,其实就是动量守恒定律+能量守恒定律:通过双曲线轨道掠过行星,偷走行星的动量,然后扬长而去。在一般的场景中,都是飞船利用木星之类的大质量天体来大幅度加速,可是电影里的是地球和木星!木星的质量只有地球的317.89倍,虽然高中物理告诉大家,大于100倍的差距就可以忽略不计了,但是这可真的没法让我一下子就忽略不计啊!地球要加速若干公里每秒,这偷走的动量可真的不小了……心疼一下木星……

三、为什么地球会分崩离析?

电影里几次提到了两个概念:希尔球(Hill Sphere)洛希极限(Roche Limit)

粗略来说,希尔球是环绕在天体(比如行星)周围的一片球状空间区域,在这个范围内的天体(比如卫星)为它而不是被它绕行的较大天体(比如恒星)的引力所控制。也就是说,行星如果想保留住自己的卫星,那卫星的轨道必须在行星的希尔球内。当然,比如月球也会有它的希尔球,而任何轨道位于月球的希尔球内的天体(或者人造卫星、飞船等)将会成为月球的卫星而不是地球的卫星。

如果较小的天体质量是 m ,被它环绕的较重的天体质量是 M ,轨道半长轴是 a ,离心率是 e ,则较小天体的希尔球半径 d_{\rm Hill} 的近似值为:

d_{\rm Hill}\approx a\left(1-e\right)\sqrt[3]{\frac{m}{3M}}

以地球为例,地球的质量大概是 5.97237\times10^{24}\ {\rm kg} ,以 149598023\ {\rm km} 的轨道半长轴和 0.0167086 的离心率环绕着质量 1.9891\times10^{30}\ {\rm kg} 的太阳,那么地球的希尔球的半径就大约是150万公里(0.01个天文单位)。

洛希极限则是一个天体的自引力与第二个天体的引力造成的潮汐力大抵相等时的极限距离。当两个天体的距离小于洛希极限时,质量更小的那个天体就会倾向与分崩离析,继而成为质量较大天体的环(目前已知的行星环都在洛希极限之内)。苏梅克-列维9号彗星是一个例子,它在1992年经过木星时闯进了洛希极限的范围,然后被撕裂成了若干个碎片,并于1994年全数落在了木星上。

如果较小的天体质量是 m ,半径是 r ,被它环绕的较重的天体质量是 M ,半径是 R 。对于一个完全刚体的球形的卫星,假设它完全由自引力聚合起来,而且它所环绕的行星也是球形的,然后我们忽略其他因素(比如潮汐变形和自转),那么:

d_{\rm Roche}=R\sqrt[3]{2\frac{\rho_M}{\rho_m}}\approx1.260R\sqrt[3]{\frac{\rho_M}{\rho_m}}

对于流体的卫星,潮汐力会把它拉长,令它变得更容易碎裂:

d_{\rm Roche}\approx 2.423R\sqrt[3]{\frac{\rho_M}{\rho_m}}

由于有黏度、摩擦力、化学键等的影响,大部分天体都不是完全的流体或者刚体,所以一般来说,对应的洛希极限都在这两个界限之间。


参考资料:维基百科相关条目以及向守平老师的《天体物理概论》。

编辑于 2019-02-06 23:18

对于上面提到的这个问题,我在给新浪科学大家的文章都有所回答,我将部分拷贝到这里。同时也给出链接,其它的一些问题,大家也可以看链接内容。

这是我应邀给腾讯写的另外一篇稿子,回答了为何比邻星不是最好的选择:


脱离木星引力的方法合理吗?

整部电影所展现的一个主题就是如何摆脱木星的“刚性洛希极限“点。这其实就是“流浪地球计划”的第三个“先流浪阶段“。这里我们需要明白地球驶入木星周围的原因。木星引力是如此之强,为何地球不躲着木星行驶?其实在电影当中,联合政府本来想通过一种叫做引力弹弓(gravitational slingshot)的效应,使用木星对地球进行加速,没想到部分行星发动机失效,导致地球被木星吸引而逐渐进入木星的刚体洛希极限,出现了电影当中所呈现的灾难。其实引力弹弓效应在探测器飞行中被广泛使用,通常被当做一种节省能源的加速方式,旅行者一号就是利用木星和土星两次引力加速,才得以逃出太阳系。

这个效应的原理其实非常简单,因为行星本身也在围绕太阳转动,所以当行星吸引探测器或者其它天体的同时,就实际上赋予了探测器或者其它天体一部分速度,当探测器或者其它天体逃离出去的时候,就相当于被加速了。我们可以举一个简单的类似例子来理解。如果我们站在静止的地面上向运动的火车顶上扔一个网球,在网球被弹起来的时候,地面上静止的人看到网球的速度,其实就是火车速度和网球原来速度的叠加。所以当天体从某个行星周围逃离的时候,其实就是本来的速度和天体速度的叠加。

接下来我们再来简单解释一下电影中出现的另外一个烧脑名词:刚体洛希极限。简单说来,就是一个类似地球的岩质天体被木星的潮汐力撕碎的极限半径。因为距离木星很近,在靠近木星和远离木星的地球表面上会感受到不一样的木星引力,我们把这种力的差别称之为潮汐力。我们可以想象一下,距离木星越来越近的情况下,这种潮汐力会变得越大。在靠近木星一定距离时,大到一定程度时,整个地球就会被撕裂,这个特殊的临界距离被科学家们称之为刚体洛希极限。所以我们可以想象,一旦地球跨过了这个点之后,地球会被粉碎,地球上的人类肯定无一生存,流浪地球的计划也将随之破灭。而按照电影当中所言,这也是为什么联合政府看到地球即将跨过洛希极限点的时候,就已经打算放弃地球,而保留了太空站,让太空站成为人类文明生存的诺亚方舟。

接下来再让我们看一下电影当中让地球摆脱木星引力的场景:在地球即将进入木星的洛希极限点之前,地面上的救援队试图用所有行星发动机的能量集中到其中一个,然后去喷射点燃木星的大红斑,不过因为部分发动机没有完全工作,所以总共7万公里的距离还差5000公里才能得以点燃。在这涉及地球存亡的紧急关头,吴京所扮演的宇航员刘培强驾驶着空间站在粒子流当中爆炸,空间站携带的巨大能源弥补了行星发动机的能量不足,最终木星大红斑被成功点燃,产生剧烈的冲击波,这股来自于木星的气体巨浪将地球从木星周围推走,避免了被木星引力撕碎的危险。木星大红斑中的氢可能被点燃吗?木星的气体冲击波真可能将地球推走吗?简单的答案就是这两个情形都不太可能发生。如果要想让大红斑中的氢燃烧,需要地球有充分的氧气混合。不是被木星吸积的地球大气中包含有大量氧气么?但是需要知道,即使包含有氧气的地球大气在吸积到木星表面的时候,因为时间很很短,也不会和氢气均匀混合,所以产生大规模燃烧的可能性非常小。假若可以燃烧发生爆炸,产生非常强的冲击波,也不太可能对地球本身产生极大的影响。我们首先需要知道这个冲击波是什么?其实就是高速运动的气体粒子,非常类似于来自于太阳的巨型爆发产生的太阳风。依靠燃烧氢气释放能量并不是一个有效的加速气体的很好方式,最终的速度不一定有太阳风的速度快。即使快很多,当这些高速运动气体抵达地球时,地球因为有磁场的保护,通常这些气体并不会直接打到地球表面。即使这些粒子能够穿透磁场,其实更多的作用将会是地球大气的中的粒子相互作用,产生非常壮观的极光现象,并不会产生很强的推力。这个冲击波在一定程度上非常类似我们常说的一句俗语:蚍蜉撼大树——自不量力。不过,如果所谓的冲击波很强的话,地球大气倒是很有可能被冲击波部分剥离掉的。

发布于 2019-02-06 22:49

引力弹弓效应

在航天动力学和宇宙空间动力学中,所谓的重力助推(也被称为重力弹弓效应或绕行星变轨)是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和计划成本。重力助推既可用于加速飞行器,也能用于降低飞行器速度。

简单来说,就是飞行器这样绕过一个很重的天体,会由于引力效应产生一个巨大的加速(而重天体会产生一个很小的减速,整体的能量是守恒的)。地球飞到木星那里就是为了这个。

这图片什么玩意,是这个

编辑于 2019-02-07 00:17

具体科学知识我不太懂,但是有些问题可以从原著里找到答案:


1.为什么要搬家?搬去哪里?

在现实中,如果我没记错的话,太阳真的变成红巨星毁掉整个太阳系,可能会在几百亿年之后才发生。原著里的设定是:

所以搬家迫在眉睫。


2.为什么不直接建宇宙飞船飞走?

有的人从文化角度来分析这个问题,大刘老师在原文里也提到啦,是因为飞船的生态系统无法维持人类进行这么远的飞行。


3.去木星干嘛?

为了利用木星引力达到逃逸速度,飞离太阳系,开始在宇宙里流浪的旅程。


4.为什么地球上的一切会被冰冻起来?

这个我就不截图了,因为地球现在位置靠近木星,离开了太阳这个唯一的热源,宇宙是冰冷的。


5.为什么会地震?

地震是因为行星发动机的影响:

木星的影响:

原著里其实地球平安逃逸,木星这段一笔带过了。


6.那月球怎么办?

月球被无情抛弃了~




最后建议没有看电影的同学可以去先读下原著呀,基本可以说不会被剧透,相当于了解了电影的故事发生背景。


所有截图来自kindle里购买的电子版书《最璀璨的银河》。

发布于 2019-02-06 21:42

高能预警!前方灵魂画手出没!(好吧,其实是本人画功实在太渣)


作为5年KSP的老玩家,今天打算来介绍一下引力弹弓。它可以让你的速率增加行星的轨道线速度2倍,同时速度方向反转。

很多人都知道引力弹弓,但是可能不太清楚具体是怎么回事。其实只要你学会了,你自己都能(在KSP游戏里)做一个。

嫦娥一号的轨道是一次远地点加速;3次近日点加速;3次近月点减速形成的

首先,最基本的知识点——在一个圆轨道上加速,会抬高轨道对面对称点的高度,减速则降低对面对称点的高度,但进行机动处本身不会改变。(PS:这个知识是十年前的嫦娥一号教我的,它那个轨道太直观了)

那么首先,我们先在A点加速,把轨道速度提升到比地球快的程度,轨道被拉成了一条远日点略超过木星的椭圆。之所以要略超过,是引力弹弓需要轨道有交叉而不是相切,这样才能有相对于木星向外的速度分量,从而从后面绕过木星。

发射的时候,木星必须领先地球一定的相位角,这样才能保证飞到B点时木星正好也在那里。


在转移轨道运行的过程中,太阳的引力不断作用于飞船(或者流浪地球),让它的速度不断变慢。当它到达木星轨道的时候,其轨道线速度已经比木星的轨道线速度还要低了。所以木星是从后面追上飞船(或流浪地球)的。


这个时候,我们只要从木星的后面飞过,就可以获得引力加速。这是为什么呢?

我们换个参考系,以木星为参照物。我说过,此时飞船的线速度比木星还慢,所以如果从木星上看,飞船其实是从前方向后移动的。进入木星引力圈后,木星的引力会将轨迹偏折,偏折后的轨迹为双曲线,于是原本向后的轨迹被折向了木星公转方向的前方。


仔细想一想这意味着什么?这意味着相对于太阳而言,原本飞船比木星慢的速率(相对于木星向后),瞬间变成了比木星快的速率(相对于木星向前)。于是与木星的交汇点的轨道位置瞬间从远日点附近变成了近日点附近。

但这还没有结束。因为木星本身还有运动速度。与木星迎面相向而行时,飞船(或流浪地球)的速度除了自己的速度外,还要加上木星的轨道速度。机械能守恒就意味着距离木星相同距离(同势能)的时候,速率是不变的。所以当轨道被扭转之后,其速率相对于太阳,就增加了2倍的木星轨道速率。


两个效应合在一起,结果是我们同时被木星增加了2倍的地木相对速度以及2倍的木星轨道速度。这样我们当然就获得了加速,更加容易逃逸太阳了。


现实生活中,一个最典型的例子,就是旅行者2号。它的发射速度低于逃逸速度,但是利用引力弹弓,它目前正在逃逸太阳系的过程中。

编辑于 2019-02-21 17:47

刘启哭着说北京能看到星星是骗人的,很多人会认为是在cue雾霾吧……但真相是因为影片中北半球17年里都是面朝太阳的,是处于永昼状态的……

有些朋友会说看不见的原因是因为在地下……这么理解倒也没什么错,但是处于地下并不是看不见星星的“绝对原因”,有正当理由(偷溜当然也可以)来到地面还是看不到,永昼才是绝对原因……

还有朋友提到北半球的照度会随着离太阳的距离越来越远而逐渐变小,这个是必然的。但不能拿木星上的照度来匹配地球,因为木星的大气层是太阳系所有行星中规模最大的。

最后想说的是,个人认为,讨论某部科幻片的情节,一定要充分迎合该片的设定,毕竟任何一部科幻片无论多么硬核,片中的部分内容都难免是架空或者不合理的。而脱离了这些设定去观影的话,我们面对电影本身的艺术价值和娱乐意味,是否就有些不解风情了呢……而我们讨论的“星星”,按照影片中呈现出来的地表亮度……

编辑于 2022-06-09 01:48
解析流浪地球中的物理知识
2.9 万播放 · 15 赞同
仅需要中学物理基础,解析电影中的科学设定
发布于 2023-02-05 11:33· 1.9 万次播放
流浪地球并非幻想,我们的太阳系正在跑路
1.6 万播放 · 84 赞同
完整版

太阳系与地球的关系。

我们的地球除了有大气层、月球、和木星挡子弹外。

太阳系本身也有一个保护层,就是日光层,这是由太阳风的粒子构成的一个球星区域,半径大约为180亿公里。

2012年科学家认为,旅行者1号探测到的太阳风粒子基本为0,而宇宙射线粒子越来越强,说明已经脱离了太阳系进入星际空间。

发布于 2021-08-12 00:32· 577 次播放

比如

为啥“领航员”一直在转?

因为旋转提供的离心力(或者说离心运动?)可以充当重力。

那为啥不能像现在的那些宇航员一样“飘”着,一定要有重力呢?

因为现在宇航员在外太空时间一般不长,但像吴京扮演的角色,在外太空十几年这样戴着,没有重力的话,会对骨骼生长之类都有重大影响。


↑ ↑

当时看完突然想到的就是这个(还给老婆科普了下,虽然她似乎不在意)。

其他想到再说。

编辑于 2019-02-22 08:38

歪个楼

社科也是科学好么?!

发布于 2019-02-07 14:05

1太阳的核聚变很稳定,氦闪是几十亿年后的事。这里仅仅是剧情背景设定,不用考虑。


2洛希极限

当两个天体的距离小到一定程度时,大天体的潮汐力大于小天体自身的引力约束,小天体就会被大天体的潮汐力撕碎。


3引力弹弓

V1,V2是相对于太阳的速度

小天体与大天体的相对速度V1+V2

小天体在大天体的引力下改变方向

小天体相对太阳的速度变成V1+V2+V1


以上是理想情况,实际情况没这么好。

地球和木星的公转方向是一致的,地球变轨后只能从侧后方进入木星引力范围。

例如,角度60度,

相对速度为V2-V1cos60

最终地球相对于太阳的速度为0.5V1+V2

只增加了0.5V1


4椭圆轨道

很多人以为地球加速是螺旋轨道,其实是椭圆轨道。

椭圆轨道更节省燃料和时间。

椭圆轨道周长比圆形小很多。

椭圆轨道近日点速度快,远日点速度慢,动能并没有增加多少。

编辑于 2019-02-15 08:40

第一个问题,为什么地球要跑到木星附近。

通俗的讲,就是让木星的引力拉着地球,像奥运会链球运动员甩链球一样甩出去,获得更大的速度。

你可能还有疑问,那直接让发动机加速好了,干嘛要跑到木星附近冒着被木星吸得地震,甚至出现意外被木星引力吸解体,人类灭种的风险加速?有什么其他好处吗?

因为节省时间,让发动机坑梓坑梓慢慢加速,说不定地球没进安全区域太阳就炸了。

其实也节省燃料,不是一点燃料,让地球质量这么大的物体甩出去,大幅增加速度,借用的木星动能,换算成燃料其实很可观,不像小型探测器。但烧石头怕什么,而且对于逃命最要紧的人类,燃料只要够用就不会考虑太多。

ps.让一个出太阳系的探测器借助大质量天体弹射,没记错的话,最多能节省将近百分之四十的燃料。(某物理竞赛题)

这个操作 稍专业点的名词叫 引力弹弓,想详细了解自己去查。

第二个问题不清楚。

第三个问题,为什么地球跑到木星附近会地震,大概地讲就是木星引力太强,引起地球板块运动,错位,相互撞击,从而引发地震吧。

第四个问题,太阳会爆炸,这是每一个恒星都要经历的,但是现实中我们要等几十亿年,个人认为到那时人类已经早灭绝了。太阳因为未知原因提前老化是这部电影的基础设定。详细的内容 百度 氦闪。

我尽量解释得通俗一点,加上本人较懒,所以牺牲了严谨性,有错漏的地方请轻喷。

编辑于 2019-02-06 23:49

中文,英语,俄语,韩语,日语……

发布于 2019-02-21 18:42

比邻星所在南门二没有可以居住的行星,所以联合政府授权刘培强开太空站去撞混合气体

发布于 2019-02-21 09:58