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《流浪地球》火了!电影中的这些科学奥秘,可以这样讲给孩子!

原标题:《流浪地球》火了!电影中的这些科学奥秘,可以这样讲给孩子!

今年的春节贺岁档,出现了一匹黑马,就是被称为中国科幻电影新纪元的《流浪地球》。

这部由刘慈欣小说《流浪地球》改编的同名电影,历时4年与观众见面。

为了打造这部科幻电影,剧组做了大量的功课,整部电影对太空、航天、机械等有着丰富的表现。

很多人看完电影后表示,不相信这是中国拍的。很多人看完后依然意犹未尽。

《流浪地球》讲述了这样一个故事

《流浪地球》讲了一个脑洞十分大的故事。

未来的某一天,人们发现太阳在急速老化,快要炸了,人类唯一生存的办法就是逃离太阳系。

但是,最近的适合居住的星系是4.2光年外的比邻星。

于是,大家想出一办法,把地球上安装上上万个发动机。

把地球推走。

这就是行星发动机

人类建造了1万个行星发动机,遍布世界各地。

这样就能把地球推离太阳系。

但是把地球搬家的步骤也很繁琐,总体需要这样五个步骤:

第一步,用地球发动机使地球停止转动,使发动机喷口固定在地球运行的反方向;

第二步,全功率开动地球发动机,使地球加速到逃逸速度,飞出太阳系;

第三步,在外太空继续加速,飞向比邻星;

第四步,在中途使地球重新自转,调转发动机方向,开始减速;

第五步,地球泊入比邻星轨道,成为这颗恒星的卫星。

当这一万个行星发动机全部启动,地球就是如此壮观的景象:

但是人类为了这个计划,也付出了巨大的代价。

让地球刹车,并推动地球前进,让板块变动,引发了滔天海啸和地震;地球人口减半,只剩35亿人口……城市陷入冰封。

幸存的35亿人,被迫迁入地下城,因为地面已经低温将至零下84度了。

就在这种时刻,人类为了生存,艰难前行。

在这时,在地球还没有飞出太阳系的时候,飞近了木星的时候,被木星引力吸引,地球逐渐接近木星并最后要撞击木星的危险时刻。

在这危机关头,人们为了脱离危险,上演了一段段潸然泪下的求生故事。

老师家长,你有带着孩子看这部电影吗?在看电影时,当孩子提出了自己的不解之处,你该如何给孩子答复的呢?

其实,在这部电影中,涉及的科学知识非常多,设定详实,且高度融入了剧情。

电影讲述的故事中,明知靠近木星有危险,为什么地球还要走这条路?为什么接近了木星地球就会被“撕裂”?

带着种种疑问和思考,让我们一起了解这些电影情节里的科学解读和科学背景,探寻这个电影故事中的科学奥秘!

01

为什么要去木星?

故事背景是这样的:太阳急速老化,不断膨胀,太阳系已经不适合人类生存,于是人类为自己选了一个新的家园——比邻星(半人马座三星)。

比邻星同太阳一样,都是恒星,但质量只有太阳的八分之一

地球是个庞然大物,半径6371公里,重达59万亿亿吨。但人类造出了同样庞大的行星发动机,足以在5年左右将地球推进到逃逸速度(脱离太阳引力的最低速度)。

行星发动机示意图

但这个速度还远远不够。比邻星(半人马座三星)距离地球4.3光年,如果按照逃逸速度航行,需要7.7万年才能抵达,这实在是太漫长了!

即使行星发动机继续加速,达到光速的百分之一仍然不可行。于是人类想到了借助木星的“引力弹弓”,令地球零消耗改变方向、提升速度,最后到达比邻星。

那为什么行星发动机不能加速到百分之一光速呢?这是因为行星发动机的能量来自“重元素聚变”。

02

重元素聚变有什么限制?

所谓重元素聚变并不是什么稀奇玩意儿。在宇宙深处有不少恒星“巨无霸”,内部就在进行着重元素聚变。

重元素聚变的质能转换效率是相当低的。最乐观估计,地球要达到逃逸速度,也必须烧掉7亿亿吨的石头,相当于把全球的地面挖掉40米做为燃料;要达到光速的百分之一,则必须削去地壳的一半。

如果无法靠自己的力量推动地球,那就借助精巧的轨道计算,利用天文尺度的力量——万有引力。于是人类将目光投向木星,这就是电影前半段上演的。

03

木星的引力弹弓是怎么回事?

航天中存在引力弹弓现象,利用它,可以令航天器零消耗低改变方向、提升速度,送达目标轨道。

引力弹弓一般发生在一对重量相差悬殊的天体之间。这里我们用木星(红色球)和地球(蓝色球)举个例子,如图a和图b所示。

地球以速度V靠近木星,而木星在轨道上以速度U运行↓↓↓

图 a 引力弹弓的示意图

足够靠近后,地球被木星引力抓住,牵引,优雅地转体半周,然后像掷铁饼那样甩出去↓↓↓

图 b 引力弹弓的示意图

感谢木星甘当人梯的奉献精神,地球获得了木星的轨道速度U,叠加上原有的速度V,速度增加到了U+V。地球的速度和能量都增加了,却没有消耗任何燃料,就奔着新家园去了。

但如果变轨时离一颗巨行星太近的话,这趟“观光旅行”可就要不怎么愉快了。

04

靠近木星时,行星发动机大批熄火

当地球靠近木星时,人类突然遭遇了巨大危机:数千台行星发动机故障熄火了,全球地震,火山爆发,岩浆吞没了地下城……

图中红线部分为长城

为什么几千台发动机会同时熄火呢?为什么地震、火山都赶在这个时候来凑热闹呢?这一切灾难的根源是“洛希极限”,简单说就是地球离木星太近了,太近会发生什么呢?

05

超过洛希极限会发生什么呢?

洛希极限(Roche limit)是天文学中的一个特殊的距离。当两个天体的距离少于洛希极限时,它们就倾向于被“潮汐力”撕碎。

计算表明,地球和木星的距离如果低于10.3万公里,那么大气就会在潮汐力的作用下脱离地球;如果距离低于7.44万公里,那整个地球都会被撕碎。

潮汐力有多可怕,我们拿一个茶壶和茶杯举例子:

图 c 用来演示潮汐力的茶杯

我们在杯壁顶部倒一些水,让它在重力作用下向着杯底滑落。越靠近杯底,水滴会越拉越长,最后被拉扯到了撕裂的极限。这个极限就可以被认为是这个茶杯对水滴的“洛希极限”。

木星的引力场,实际上就是这样一个“茶杯”。地球尺寸很大,当它靠近木星时,离木星较近一侧受到的引力,将比较远一侧大得多,因此会像水滴一样被逐渐撕裂。

《流浪地球》电影中,地球已经到达了地木“流体洛希极限”(地木距离10.3万公里)。在此处,液体和气体不再能被地球引力束缚,而倾向于逃逸;而岩石还勉强能凭借自身的硬度坚持一会儿↓↓↓

图 d 地木流体洛希极限模拟(二维简化模型)

再靠近木星一点,地球将进入地木“刚体洛希极限”(地木距离约7.44万公里)。在此处,就连坚硬的岩石都会被引力差撕碎,地球将彻底解体↓↓↓

图 e 地木刚体洛希极限模拟(二维简化模型)

可以想象《流浪地球》中,人类面临的是怎样的绝望了。太靠近木星不行,那样会被潮汐力撕碎;太远离木星也不行,那样无法借助引力弹弓变轨……

尽管《流浪地球》中仍有一些不足之处,但它作为一部迎难而上的、在工业水平上实现大步飞跃的国产科幻片,还是相当不容易。

最近这两天,有各种各样不同的声音出现,有的人去赞扬它,有的人挑它逻辑上的bug。

但其实,做到这一点,《流浪地球》就已经赢了。

争论,说明在意,说明无法忽视;无言,才是彻底的灰心和放弃。

电影里的煽情虽有争议,但《流浪地球》的燃却是真的。

它时隔多年,重新唤起了我们对科幻的热情。

一部好的科幻电影,能开启孩子们的想象力与求知欲。

或许在未来,

们不仅能带着孩子在电影院看属于我们自己的、更出色的科幻电影。

还能有更多孩子,因为优秀的科幻影视作品,心中种下了科学的种子,爱上了科学的世界。

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来源:中国教育报返回搜狐,查看更多

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