探索外太空之旅——萬有引力 離心現(xiàn)象 探測外太空之路
作者： ${content.author} 時間：2022-08-29 瀏覽量：20,723同學(xué)們，大家好！歡迎參加科技館宇宙探索欄目！
今天我們的話題是廣闊的宇宙。中國是世界上天文學(xué)起步最早的國家之一，最早的天象觀察可以追溯到好幾千年前。在河南安陽出土的殷墟甲骨文中，對天文現(xiàn)象就已經(jīng)有很豐富的記載了。
但古人并不清楚我們頭頂?shù)男强帐窃鯓右粋€圖景。從古老中國的蓋天說到渾天說，從西方的地心說到哥白尼的日心說，逐步演化到到現(xiàn)代的宇宙大爆炸理論模型，我們的宇宙已經(jīng)是直徑900億光年的龐然大物?？v使宇宙再廣闊，可我們生活的太陽系以及人類賴以生存的地球不過是滄海一粟而已。
同學(xué)們，談到太陽系我們都知道，按照離太陽的距離從近到遠，它們依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，八大行星都在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。
那么問題來了，那八大行星為什么會繞太陽旋轉(zhuǎn)呢？你可能會脫口而出—牛頓的萬有引力??！那什么萬有引力呢？它是如何約束行星運動的呢？先不要著急回答我，請看展項！
這件展品叫“萬有引力”。
我看這位同學(xué)們一臉疑惑，這不就是個大漏斗嗎？和萬有引力有什么關(guān)系？
請這位同學(xué)向右轉(zhuǎn)動手柄，看看有什么現(xiàn)象？我們會發(fā)現(xiàn)鋼球提升后自動釋放。球從臺面邊緣沿圓的切線軌道滾出后，請大家仔細觀察，小球劃過的軌道是什么形狀？
是圓形嗎？這位細心的同學(xué)看出它是以橢圓軌道運轉(zhuǎn)的。還發(fā)現(xiàn)了什么呢？提醒大家一下，觀看小球運行的速度有什么變化？
哎！這位同學(xué)有了新發(fā)現(xiàn)，小球處于漏斗邊緣時運行平緩，而接近中央圓心時，運動速度變快了，最終落入中央的圓孔。同學(xué)們，回想一下牛頓的萬有引力公式，影響萬有引力的因素是什么？
對了！是兩個物體之間的距離和質(zhì)量，萬有引力的大小與距離的平方成反比，和兩個物體質(zhì)量的乘積成正比。所以距離圓心遠的時候運行速度慢，較為平緩；而距離近時，運行速度快。最終小球會因為摩擦力耗盡動能落入圓孔。
引力的本質(zhì)讓牛頓感到困擾，引力究竟是如何在真空中起作用的？引力的傳播速度又有多快？直到生命的盡頭，牛頓一直在說，“也許有一天，我們會發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生引力效果的機制”。200多年后，愛因斯坦提出了廣義相對論，精準的描述物質(zhì)間引力相互作用。
廣義相對論所描述的宇宙時空正如“萬有引力”展品展示的一樣，時空是真實的物質(zhì)，它是有形狀的，展品的凹槽正是被太陽的質(zhì)量壓彎的時空，小球相當于地球，它靠近在凹槽時，并不會直接調(diào)入空洞，而是圍繞中心不停的旋轉(zhuǎn)，引力正是時空彎曲產(chǎn)生的幾何效應(yīng)。
或許你會問，地球為什么能一直保持在自己的軌道，而不是像“萬有引力”里的小球一樣最終飛向太陽？
我們先來分析一下，根據(jù)牛頓的萬有引力定律，質(zhì)量越大的東西產(chǎn)生的引力就越大，太陽系中質(zhì)量最大的非太陽莫屬，巨大的質(zhì)量決定了它無可匹敵的引力場。八大行星都以太陽為中心公轉(zhuǎn)，我們地球正以29.78KM/S速度圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生了離心現(xiàn)象。那什么是離心現(xiàn)象？
我們再來看這件展項——離心力。請大家先觀看它的構(gòu)造。我們發(fā)現(xiàn)，它有兩根透明玻璃管，呈V形，分別有兩個小球，紅色的實心球，金色的空心球，管內(nèi)部充滿硅油。
那這位同學(xué)你操作一下吧！我們看到他轉(zhuǎn)動手柄，驅(qū)動兩支管子繞共同的軸心旋轉(zhuǎn)。當達到一定轉(zhuǎn)速后，觀看發(fā)生了什么？
我們發(fā)現(xiàn)原本沉在底部的實心球會上升到頂部，而原本浮在頂部的空心球反而會下降到底部。物體質(zhì)量越大離心現(xiàn)象越明顯，會向遠離轉(zhuǎn)軸位置移動，由于實心球、小球所排開的硅油、空心球三者質(zhì)量依次遞減，因此出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)后實心球上浮、空心球下沉的現(xiàn)象，這便是離心現(xiàn)象。
要使物體進行圓周運動必須為其提供足夠的向心力，太陽提供了八大行星的向心力；由于八大行星質(zhì)量和與太陽距離的不同，公轉(zhuǎn)的速度也各不相同，最近水星的公轉(zhuǎn)速度達到了驚人的47.89KM/S，而最遠海王星公轉(zhuǎn)速度只有5.43KM/S，高速公轉(zhuǎn)會產(chǎn)生的離心力與向心力相等，又因為宇宙中沒有阻力，所以行星可以不停地轉(zhuǎn)下去。每顆天體都在如此精密的平衡之下，太陽系內(nèi)所有的天體才會有條不紊地進行公轉(zhuǎn)活動。牛頓正是以離心現(xiàn)象為橋梁發(fā)現(xiàn)了萬有引力。
無論物體所受的重力，還是天體的運動軌跡，都需要遵循萬有引力定律。萬有引力是宇宙天體運行的基本規(guī)律，但同時也是阻礙人類邁向太空的“絆腳石”。因為要想飛得更高就需要克服萬有引力的影響?；鸺龑崿F(xiàn)了人類的夢想，人類擺脫了地心引力開始進入近地軌道，但外太空的探索卻沒有這么簡單。
1977年美國發(fā)射了的兩顆行星探測器“旅行者一號”和“旅行者二號”，再經(jīng)歷了40多年的太空旅行中，兩顆探測器拜訪了木土天海四大行星及其衛(wèi)星，并分別于2012年和2018年到達星際空間。我們都知道太空航行中，達到第一宇宙7.9公里每秒，可以環(huán)繞地球做圓周運動；達到第二宇宙速度11.2公里每秒可以地球的引力進入地外探索。
但在真正的地外探索中，火箭的燃料是有限的，無法持續(xù)長距離供給，所如何獲得足夠的動能，并節(jié)省燃料這是實現(xiàn)外太空探索的需要解決的首要問題。1961年，蘇聯(lián)科學(xué)家提出了引力助推即引力跳板原理。
這件展品名叫探測外太空之路，它正是利用了小球模擬了旅行者號如何利用引力跳板原理實現(xiàn)太空旅行的。那什么引力跳板呢？“引力跳板”利用了各個行星由于自身的特征對探測器的吸引力不同，探測器借助行星引力改變軌道，與此同時又獲得更大的速度，從而可以在沒有任何動力消耗的情況下對探測器加速，最終縮短星際航行的時間，進而實現(xiàn)探測器最佳飛行路線的選擇。
我可以舉一個例子，如果有一輛大卡車以60英里/小時的速度筆直的向你駛來；你拿一個網(wǎng)球，向卡車正面扔過去；然后，觀察網(wǎng)球向你彈回來的速度，遠比你將它們?nèi)酉蚩ㄜ嚨乃俣瓤?。因為網(wǎng)球與卡車碰撞獲得了客車的部分動能，飛行器也是以此原理獲得了行星部分動能從而加速的。太空探測器可以連續(xù)對好幾個行星通過這種方式，可以獲得巨大的動能，實現(xiàn)速度飛躍式的提升。在科幻電影《流浪地球》中，為了獲取更大的速度以脫離太陽系，人類選擇借助木星的引力作為跳板。
近幾年，中國的現(xiàn)代航天也是發(fā)展迅速，自1970年中國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅1 號”成功升空，到2021年5月，空間站天和核心艙完成在軌測試驗證，50年間，我國在航天道路上一步一個腳印穩(wěn)步發(fā)展隨著科技的進步，人類對太空探索會越來越深入。很多人也會思考，地球之外是不是還會有其他生命，是什么樣子的，智慧文明有多高。隨著對宇宙的了解，也許很多規(guī)律科學(xué)都行不通，正是因為我們的不了解，所以我們對宇宙才更有興趣去探索發(fā)現(xiàn)。
同學(xué)們加油吧，廣闊的太空在等著你們?nèi)ヌ剿鳎?/span>
