星際穿越和火星救援中的「大彈弓」

經典科幻電影中的物理--「引力彈弓」。這個「彈弓」不單單在星際穿越中出現，在火星救援中也在關鍵時刻完成了「拯救大兵瑞恩」的任務。那麼接下來我們來看看這個神奇的「彈弓效應」。

在電影中，主人公他們的飛船是通過一個大黑洞的吸引力把自己甩到很遠的行星上，這個過程是最節省能量的。這就好像地球繞著太陽公轉但不用消耗地球自身的能量一個道理。

在太陽系中，如果我們要去木星，也需要依靠太陽的吸引力把飛船甩過去，這在物理上又叫做「霍曼軌道」 （Hohmann trajectory），其實就是一種引力彈弓。當然了，在整個宇宙空間里做星際旅行，其道理都是一樣的。

宇宙中有很多天體，每個天體的萬有引力彎曲了空間，所以，空間本身就是高低不平的猶如山巒——空間並不平坦，就好像我們地球的地貌一樣。在爬山的時候，是需要考慮路線的。比如你要從西藏去印度，最好的方法肯定不是通過喜馬拉雅山的山頂，你可以找一條捷徑，這個捷徑就對應於引力場中的「霍曼軌道」，其實相當於依靠了引力彈弓。「霍曼軌道」在星際旅行中是必要的，因為飛船攜帶的燃料是很少的，比如從地球到火星，不可能直接飛過去，也是要依靠太陽的引力把飛船彈過去的。

一般而言，引力彈弓效應是指宇宙飛船利用行星的引力場來達到加速的目的，行星的引力就像彈弓一樣把宇宙飛船彈射出去。例如，在40年前，旅行者1號探測器離開地球時速度並不快，後來利用木星和土星的引力彈弓效應，速度被加速至超過了第三宇宙速度，使它能夠在沒有動力的情況下飛離太陽系。不過，大家可能會想，宇宙飛船飛向行星時會被加速，但當它飛離行星時又被減速，這樣飛船豈不是根本沒有被加速？

事實上，宇宙飛船確實可以利用引力彈弓效應來加快飛行速度，這得益於行星擁有繞太陽的公轉速度。當宇宙飛船迎著行星公轉的方向靠近行星時，來自行星的軌道角動量讓宇宙飛船的速度有了大幅提升。如果宇宙飛船能夠越近距離地飛掠行星，它獲得的動量就越大，就會以越快的速度飛離行星。為了使速度更快，宇宙飛船可以在最接近行星的時候點火。整個過程動量守恆，宇宙飛船被加速，行星的軌道速度降低，只不過由於行星的質量遠大於宇宙飛船，所以行星只損失了很小的軌道速度。

那麼彈弓很多人都玩過，彈弓的原理就是借用皮筋拉伸產生的力，然後將目標發射出去，那麼引力彈弓的原理也是一樣的，都屬於一種借力，不同的是一個藉助拉伸的皮筋，另一個藉助的是行星的重力場，然後通過重力場進行加速，然後飛向下一個目標。

現在大家明白了么？如果有對電影中的物理場景有疑問有興趣的可以在下面留言哦,kean老師會在下一期中幫助大家消化各種「物理大餐」。

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