行星引力加速的原理是什麼?

經常看到某些行星探測器利用其他大行星進行加速(比如旅行者號)

但我還是有一事不明,即由遠及近時,探測器被行星引力加速;但遠離行星時,應當被減速才對。根據能量守恆和動量守恆原理來說,探測器每掠過一次其他行星,速度應當有一些降低(參照皮球自由落體,每次彈起的距離在減少)。


想像你正對一列開過來的火車扔出一個網球,網球時速100公里,火車時速200公里。假設垂直碰撞,沒有能量損失。

好,這時火車司機會看到一個網球以100+200=300公里的時速飛來,撞上之後又以相對火車司機300公里的時速飛出。

這時你看到的網球,以300+200=500公里的時速反彈回來,一下就快了很多。

額外的能量從哪裡來?是火車損失的,但是相對於火車的巨大動能就算不上什麼了。

把火車當作大行星,把網球當作飛行器,把反彈當作非周期軌道,這就成了一次行星引力加速。


另一個問題里答過的,搬來...

引力彈弓得以實現的前提是所藉助的質量點需要提高與之相對速度的質量點之間是運動的。

如上圖,行星p和飛行器s相對太陽的速度分別是vp、vs

如果以行星p為參考,那麼飛行器s的速率則為|vs|+|vp|=vs0

於是當飛行器s繞了一圈飛出p後,相對p的速率不會變,於是相對太陽的速率|vs|=vs0,而|vs0|&>|vs|

於是原本相對太陽速度只有vs的飛行器s就實現了相對太陽的引力加速

可以看出,所謂加速是相對飛行器s和行星p組成的系統之外的某一固定質點(這裡是太陽)而言的,在行星p和飛行器s組成的系統里並沒有違反任何守恆定律

而事實上,在飛行器s沿vs方向飛出後,行星p相對太陽的速率會有微小的下降,就是這點損失用來給飛行器s提供了多出的動能。由於這一組動作過程很像是彈弓,所以就稱之為引力彈弓

當然了這點損失相對行星p的巨大質量來說完全可以忽略

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如果上圖中飛行器s是從圖右邊飛過來,繞了一圈又向右飛去,就會實現相反的效果——引力減速

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還是用實際數據代入比較好理解,不然有人會被繞暈:

設一開始時vp=10m/s,vs=5m/s,都是相對太陽的

於是s相對p的速率就是15m/s,方向向右,對吧

由於勢能守恆,s繞了p一圈後,相對p的速度仍然是15m/s,方向向左,對吧

而p本身是相對太陽向左以10m/s運動的

所以s相對太陽的速度vs就是10+15=25m/s,是vs的5倍


這個問題我也是一直困擾了很多年,直到有一次和我的導師隨便聊天談起來,經點撥,豁然開朗。

是這樣的:如果我們考慮行星的位置固定不動,一個航天器自地球位置,無動力漫遊到木星附近,受木星引力吸引,加速,接近木星到最近點,然後開始從木星逃離,減速,到遠離木星的距離為原來的距離時,則此時航天器的速度應恢復為初速(不考慮星際介質摩擦減速)。這時並沒有產生加速效應,如果計算地球的引力影響,航天器應該是被減速的。

但是,實際情況是,地木之間的位置是改變的。以地球為參考系,航天器從接近木星到逃離木星這個過程中,木星的位置已經發生了改變。可看作木星帶著航天器飛了一段,這段距離,航天器是獲得了動能的。以航天器為參考系,航天器接近木星和逃離木星時,所受的木星的引力勢場,不是對稱的。航天器接近木星時靠木星的引力加速,而逃離木星時,木星的引力場由於其自身運動的原因,引力場迅速減小,使得航天器速度的減小值小於加速時的增加值。如果以木星為參考系,可就毀啦,航天器在這個過程中,速度應該是沒有增加的。


簡化版原理解釋:理論基礎:封閉系統動量守恆定律推導方式:矢量合成的平行四邊形法則已知條件:飛行器和天體的位置,速度,天體質量附加前提:1、飛行器初始狀態和終末狀態都離天體很遠→飛行器在基於天體的參考系中,作以天體為焦點的圓錐曲線飛行,在此…

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