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【科普贴】用高中物理知识解释流浪地球中的物理原理

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昨天刷完流浪地球,很感动,中国终于有了拿的出手的科幻电影了。
然后看评论,发现大多数的网友看电影只是看个热闹,对其中的物理原理一知半解,有不少人还提出了些比较幼稚的问题。
如果只是星球大战、阿凡达这样的软科幻,那我们大可以对其中的物理原理一笑而过,但流浪地球作为一部硬科幻作品,如果不能理解其中的物理原理,导致对剧情产生误解,其实是挺可惜的一件事。
作为曾经的物理学霸(高考140+),就尝试着给大家科普一下其中的物理原理。
至于为何是用高中物理,一方面用更高深的物理解释怕大家看不懂,另一方面我大学专业和物理无关,我的物理水平停留在高中阶段,所以其中如果存在一些计算错误请大家包涵和指证。


IP属地:上海1楼2019-02-09 15:05回复
    首先第一个知识点是氦闪,导致太阳毁灭了,这也是导致地球要流浪的基本设定。
    大家都知道太阳发出光和热主要靠的氢元素聚变产生的能量,但是不管是烧煤、烧汽油还是烧氢,总会有烧完的一天,如果太阳上的氢元素都聚变完了,太阳会怎么样?
    在元素周期表上,所有小于铁的元素都可以发生核聚变释放能量。所以氢烧完了就继续烧下一个元素--氦。
    大家应该都知道一个物理常识,核聚变要产生需要极其苛刻的条件,极高的温度+极高的压力。
    而在所有元素中,氢的核聚变要求是最低的,(即便如此人类目前也很难实现)所以一旦太阳上的氢烧完,这个时候是达不到氦聚变的条件的,结果就是整个太阳会先塌缩,塌缩以后,压力骤增,达到了氦聚变的条件,又重新开始燃烧。而在氦被点燃的时候,就像炮仗被点燃一样,会发生爆炸,这就叫氦闪。
    大家可以简单想象成点煤气灶,煤气灶在点燃的时候是不是会“嘭”的先炸一下?


    IP属地:上海2楼2019-02-09 15:06
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      接下去给大家解释下地球刹车和逃逸的原理。
      电影和小说中描述,在北半球建立了12000座行星推进器,每座推进器的推力达到150亿吨。
      那么这些推力能够让地球停转吗?又能够让地球逃离太阳系吗?我们不妨来计算一下。
      首先,根据电影给出的数据,我们可以计算求得,地球上推进器的总推力为1.8*10^18牛,地球质量为6*10^24千克
      根据牛顿定律,F=ma,可以求得行星推进器对地球产生的加速度为3*10^-7米/平方秒
      又已知,地球赤道地区的线速度为465米/秒,我们假设地球是一个质点,那么要让地球停转,所需要的时间:T=V/a=465/3*10^-7=1.55*10^9秒,约等于49年。
      当然地球实际是一个球体,他的平均线速度肯定是小于465米/秒的,具体的角动量要用微积分计算,太麻烦了,我们就大概估计一下,最终结果大概是49年的2/3左右,也就是30年的样子。
      看着这时间也不算长,但实际上,根据电影和小说中的设定,是不可能实现的。


      IP属地:上海3楼2019-02-09 15:06
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        如图所示,一个逆时针旋转中的地球,如果要让他停下来,从地球上笔直往上推进(A方向),你就是推进100万年它也停不下来,正确的做法是往地球自传的反方向推进(B方向)。
        而我们在电影中看到行星发动机基本都是笔直向上的,即使能够调整角度,这个角度也是比较小的,这样子是没有办法让地球停下来的,所以这可以算是本作的一个设计硬伤。
        那么第二个问题,行星发动机能够让地球逃离太阳系么?
        我们知道要想逃离太阳系,必须将地球加速到第三宇宙速度,也就是16.7公里/秒,而地球的公转速度是2.98公里/秒,距离逃逸还差了10几公里,那么按照之前计算出来的加速度,要想将地球加速到16.7公里/秒需要14500年……
        很明显,大刘设计的推力太小了。
        那我们姑且先不管推力的问题,我们来看看地球是如何逃离地球的。


        IP属地:上海4楼2019-02-09 15:07
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          上图中是根据大刘小说画的地球轨道变化图,地球开始加速后,轨道从之前的几乎是正圆,变成了一个越拉越长的椭圆形。
          这里其实有两个物理学上的错误。
          首先,地球加速并不是朝着太阳的方向推进,而是平行于轨道的切线方向,所以真实的情况是,一半时候地球背向太阳加速,另一半时候,地球冲着太阳加速。
          如果按照大刘描述的,所有推进器都建造在北半球,那并不会导致北半球永昼和南半球永夜。因为在近日点和远日点的时候,阳光应该是直射在赤道上的。
          所以南半球并不是永夜,在每一圈的时间内,地球上任何地区白天和黑夜的时间都是一半对一半的。
          第二个问题,普通人对于圆周运动存在普遍的理解误差,按照我之前说的,地球如果是始终沿着轨道的切线方向加速的话,其实地球轨道并不会变成椭圆形,而是会变成越来越大的接近于正圆的螺旋形。
          而要让地球轨道变成椭圆形只有一种方式,就是地球只在图中远离太阳的下半部分加速,而在运行到上半部分的时候啥都不做。
          因为当地球飞向太阳的时候如果冲着太阳推进,那就是减速而不是加速了。
          这种情况下倒是能够解释大刘的设定,北半球可以永远面向太阳,轨道也可以是椭圆形的,但这就意味着地球逃离太阳系的时间要翻一倍。
          而从地球逃离太阳系的角度来说,这样做并无必要。


          IP属地:上海5楼2019-02-09 15:08
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            第三个知识点,木星的引力弹弓效应。
            引力弹弓效应的作用是给飞行器加速,这可不是科幻设定,而是现实中地球上太空飞行器的惯用手段。
            那么这种手段是如何实现飞行器加速的呢?

            如上图所示,当地球接近木星的时候,根据万有引力,木星会拉扯地球给地球一个加速度,而当地球远离木星的时候,引力又会让地球减速。
            所以如果以木星作为参考系,地球在靠近和远离木星的两个阶段中,其实速度并没有变化,也就是地球靠近木星的时候速度从比如10公里加速到15公里,远离之后,速度又从15公里恢复为10公里。
            但是我们现在要讨论的参考系是太阳,也就是说,木星相对太阳是运动的。
            这样,当地球接近和远离木星这一个加速减速的过程中,就会通过木星相对太阳的运动而获得一些利息。
            在不考虑相对角度的情况下,用一个简化公式表达,就是地球相对木星速度从10公里变为15公里再变为10公里,而木星相对太阳速度如果是3公里,那么地球相对太阳速度在通过木星时,就是从10公里变成18公里,再从18公里变成13公里。多了3公里的速度。


            IP属地:上海6楼2019-02-09 15:09
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              第四个知识点,洛希极限。
              大家知道,万有引力公式是F=GMm/r^2,也就是两个物体之间的距离越近,受到的万有引力就越大。
              所以理论上,白天的时候我们距离太阳更近,受到的引力更大,而晚上离太阳更远,受到太阳引力更小。
              当然,因为地球距离太阳实在太远了,所以这种差异几乎是感觉不到的。
              但是当两个星球距离足够近的时候,这两者之间的差距就不能忽略了。

              如上图所示,地球朝向木星的一面,受到木星引力为F1,背向木星的一面,受到木星引力为F2
              根据万有引力公示可以求得两个面之间的受力差值为F1-F2=GMm(r2^2-r1^2)/(r1^2*r2^2),当这个值大于重力加速度g的时候,地球就分崩离析了。
              简单来说就是地球对我们的引力小于木星对我们的引力,那我们就飞起来了,类似场景在科幻片中经常出现。


              IP属地:上海7楼2019-02-09 15:10
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                顶一顶


                IP属地:上海来自Android客户端8楼2019-02-09 15:11
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                  最后一个问题,地球真能飞到距离我们4.5光年外的比邻星吗?
                  根据我们之前计算可知道,行星发动机的加速度是3*10^-7牛,而比零星和我们的距离是4.5*10^16米,根据加速度公式:S=1/2 at^2,如此可以计算求得地球飞到比邻星所需要的时间大约为……50万年。
                  所以大刘设计的推进器很显然是无法飞到比邻星,那么我们可以进一步计算,如果要按照大刘说的花费2500年时间飞到比邻星,那么推进器功率必须是现在设定的100倍,也就是单个推进器的推力必须达到1.5万亿吨。
                  当然,科幻小说不是科普文章,其中涉及到的物理知识不用太过较真,即使存在很多漏洞,也难以掩盖大刘天马行空般的想象力,科普完毕。


                  IP属地:上海9楼2019-02-09 15:11
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                    报告!高中物理没学这么多知识,楼主超纲了!


                    IP属地:广东来自Android客户端11楼2019-02-09 17:33
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                      我不深究,但是基本里面的东西都知道点,也知道大概哪儿有漏铜。我本人是车神,飞驰人生也是不去深究他们的漏洞。这都没必要。把一个简单的故事掺进看似复杂的物理理论里,或者汽车工艺赛道技术里。这都涉嫌掩盖本身故事的无趣。所以我只爱看故事本身好的片子。背景,尤其是专业背景大都是苍白无趣的。喜欢物理的楼主大神喜欢这部科幻,喜欢色情的我就更喜欢荤腥色情片了。


                      IP属地:山东来自Android客户端12楼2019-02-09 17:41
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                        电影看的是心情 解释下变形金刚什么原理


                        来自手机贴吧13楼2019-02-10 09:11
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                          😂😂,看完楼主的科普后,又一次感觉到了人类在宇宙中的渺小无力。感觉人类短时间能建设出电影中那样的发动机已经是很理想化了。然而就算这样人类也无法在宇宙中畅游


                          IP属地:北京来自手机贴吧14楼2019-02-10 09:39
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                            00


                            IP属地:北京来自手机贴吧15楼2019-02-10 09:56
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                              楼主,我想问一下,地球逃离的时候如果不停止自转会怎样??


                              IP属地:湖北来自Android客户端16楼2019-02-10 10:29
                              收起回复