地月滑杆

2018-08-09 02:02
飞碟探索 2018年4期
关键词:杆子引力轨道

如果有一种能从月球到地球的消防员用的滑杆,那么从月球滑到地球需要多久?

首先,让我们想清楚几件事:

在现实生活中,我们不可能在地球和月球之间放置一个金属杆。杆子靠近月球的一端将被月球的引力拉向月球,另一端则会被地球的引力拉向地球。杆子将被撕成两半。

这一计划还面临另一个问题。地球表面的自转速度比月球快,所以如果你想把杆子连接到地面,结果就是它会折断。

还有一个问题:地月之间的距離并不是固定不变的。月球的运行轨道使得二者间的距离时远时近。虽然没什么大的差别,但也足以让这根滑杆的底端每个月都被挤向地球50000千米。

但让我们忽视这些问题吧!如果我们有一根具有魔力的滑杆,从月球恰好垂向地球表面上方,不时膨胀、收缩而从未接触到地面。那么,从月球滑下去需要多长时间?

如果你站在滑杆位于月球的那一端,有一个问题会立马变得清晰起来:你必须沿着杆子向上滑,而这并不是一般所谓的“滑行”。

这时你不是在滑,而是需要爬。

人类爬杆可以爬得很快。世界爬杆纪录保持者在冠军赛上的速度能超过1米/秒。在月球上,引力更弱,所以可能爬起来更容易。但考虑到你必须得穿宇航服,肯定会有点儿耽误你的速度。

如果你沿着杆子向上爬得足够远,地球引力就开始接管你了,它会把你向下拉。此时你挂在杆子上,有三个力作用在你身上:地球的引力将你拉向地球,月球的引力拉着你远离地球,来自摆动着的滑杆的离心力也拉着你远离地球。最初,月球引力和离心力的合力更强,把你往月球拉,但随着你越来越接近地球,地球的引力将逐渐取胜。地球是相当大的,所以当你到达这个点——众所周知的L1拉格朗日点——时,你仍然离月球相当近。

对你来说不幸的是,太空很大,所以这里说的“相当近”仍然是一段很长的路。即使你以远超世界纪录的速度攀爬,也要花几年时间才能到达L1点。

当你到达L1点的时候,你就可以开始从爬变为推着滑行了:你推一次,然后就可以在杆子上滑行相当长的一段距离。你也不需要等着停下来,就可以再次抓着杆子,给自己一个下推的力,好使自己滑行得更快,就像滑板运动员踢腿加速那样。

最终,当你到达L1点附近,不再需要与重力做斗争时,唯一限制你速度的,就是你能多快地抓住杆子,然后把它“扔到”你身后去。最好的棒球投手可以以每小时160千米的速度移动他的双手并投掷物体,因此你大概不能期望自己动得比他们快出很多。

注意:当你把自己向前抛的时候,千万当心不要把杆子脱手了。希望你带了安全绳一类的东西,这样如果你不小心脱手了,还有得救。

当你再沿着杆子滑行几周时间,你会感觉到重力开始逐渐占据上风,重力的加速作用远比你自己推自己的速度要快。到了这个时候,你需要担心的就变成走得太快了。

当你接近地球时,拉力增加了,你的速度会更快。如果你不让自己停下来,那么你会以逃逸速度——11千米/ 秒——到达大气层的顶端,在空气的作用下,会产生大量热量,以至于你需要冒着燃烧起来的危险。航天器通过加装防热罩来解决这一问题。防热罩能够吸收和驱散热量,使得被它包裹着的航天器不至于起火。因为你有这个便利的金属杆子,你可以通过夹紧杆子来控制自己的下降速度。

在整个接近和下降的过程中,你务必要将速度降下来(如果必要的话,甚至可以停下来冷却一下你的双手或是其他什么减速装置),而不是等到最后才试图让自己慢下来。当你试图抓紧杆子的时候,你会遇到些不愉快的意外。最好的情况是,你会被甩开去,摔得很惨;最坏的情况则是,你的手和杆子的表面都会发生转化,成为一种令人兴奋的新物质。然后,你被甩开去,摔得很惨。

假设你慢慢地下降,以一种可控的方式进入大气层,马上你就会遇到下一个问题:你手握着的杆子并不是以和地球一样的速度在运动。地球和杆子甚至没有相互接触。你下方的陆地和大气层对你来说,运动得相当快。你将会陷入一种非常强劲的风中。

月球绕行地球轨道的速度大约是1千米/秒,29天左右绕一个大圈。我们想象出来的这根滑杆的顶端,必须以如此快的速度运动。在同样的时间内,滑杆的底端则只是画出一个小得多的圈,相对月球轨道的中心,以56千米/时的平均速度运动。

56千米/ 时听起来还不错。但不幸的是,地球也在旋转,它表面的移动速度远快于56千米/时;在赤道范围,速度可以达到1600千米/ 时。

即使滑杆的末端相对地球整体移动速度而言运动得慢一些,但它相对地球表面而言,移动速度还是相当快的。

要問相对地球表面滑杆的移动速度有多快,就如同是问月球的地表速度是多少。这是很难计算的,因为月球的地表速度是以一种很复杂的方式每分每秒发生变化的。幸运的是,它的变化并没有那么多——通常介于390米/ 秒至450米/秒,或是略快于音速。因此,没必要计算出精确的数值。

让我们花点时间试着找出答案。月球地表速度变化得非常规律,形成了一种正弦波。它每个月两次达到峰值,此时正是它经过快速移动的赤道的时候;然后在经过速度较慢的热带地区时,达到最小值。它轨道速度的变化取决于它是否位于轨道上的近点或远点,这就得出了一个大体上是正弦波形状的地面速度。

好,很好。我们还可以将另一个周期纳入月球地面速度的考虑之中。相对地球—太阳平面,月球轨道倾斜了大约5°,而地球的轴线倾斜了23.5°。太阳每年从北半球热带地区运动到南半球热带地区,然后返回。

然而,月球的轨道也是倾斜的,这个倾斜以18.9年为周期旋转。当月球的倾斜方向与地球的方向相同时,它比太阳更靠近赤道5°;当它在相反方向时,它会达到更极端的纬度。当月球离赤道越远,它的地面速度就越低,所以正弦波的下端就会变得更低。这是未来几十年月球地面速度的情况。

月球最高速度保持不变,但它的最低速度,却以18.9年为周期上升和下降。下一个周期的最低速度会在2025年5月1日出现,所以如果你想一直等到2025年再往下滑,你就能在杆子的移动速度相对地球表面只有390米/ 秒的时候,进入大气层外缘。

当你终于进入大气层,你将降落到热带边缘。你要尽量避开热带射流,这是一种和地球自转同一方向的高空气流。

不管你从哪里下来,你都得对付超音速的风,所以你应该尽量多带一些防护装备;你要确保你紧紧地贴在杆子上,因为风和各种冲击波会在你周围猛烈地冲击和震动。人们常说,“不是下坠要了你的命,而是突然的停止”。不幸的是,对你来说,两种情况都有可能要你的命。

在某种程度上,要到达地面,你就得放开杆子。出于显而易见的原因,你当然不希望在以音速移动的时候直接跳向地面。相反,你可能应该等到你位于飞机巡航高度时再松手跳下。当然,此时空气依然很稀薄,也因此大气不会太用力地拉扯你。然后,让空气带着你走,当你向地球表面坠落时,你可以打开降落伞。

最后,你可以安全地飘到地面上,这样,你就完全靠自身肌肉力量完成了一趟从月球到地球的旅程。

(当你完成这趟旅程后,记得撤掉那根消防滑杆。那绝对是一种安全隐患。)

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