利用行星引力把探测器甩出去？引力弹弓不用遵守能量守恒定律吗？

“引力弹弓”是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星引力把探测器甩出去，这样就可以给探测器加速，从而大幅降低探测任务所需要的燃料以及时间。

在我们的印象中，利用引力弹弓进行加速的过程大概是这样的：探测器首先向行星接近，然后绕着行星转一下，当探测器被行星引力甩出去的时候，探测器就被加速了，然而如果我们仔细想想，就会觉得有些不对劲。

当探测器向行星接近时会因为行星的引力而加速，这就相当于它的动能增加了，而当探测器离开行星时，行星的引力却会让探测器减速，这就相当于它的动能减少了，根据能量守恒定律，它离开行星时减少的动能，就应该与它接近行星时增加的动能相等。

也就是说，探测器离开行星时的速度并不会增加，但实际情况却表明，引力弹弓确实可以让探测器的速度增加，这就有点令人感到困惑了。

引力弹弓不用遵守能量守恒定律吗？为何绕着行星转一下就可以加速？

其实引力弹弓蕴含的科学原理并不复杂，这就是一个速度的相对性问题（即选择不同的参照系，结果就会出现不同），我们只需要一张图就可以讲清楚。

上图中的黑点代表行星，蓝点代表探测器，可以看到，假如我们以太阳作为静止参照系，那么探测器确实是被加速了，而假如我们以行星作为静止参照系，那么探测器的速度就没有增加，只是它的运动方向改变了而已。

由此可见，探测器之所以绕着行星转一下就可以加速，其实就是因为它在这个过程中，获得了行星的一部分围绕太阳公转的动能，与此同时，行星却失去了这一部分动能，从整体上来看能量是守恒的，因此可以说，引力弹弓遵守能量守恒定律。

需要注意的是，引力弹弓还有一个令人感到困惑的现象，我们先来看一组数据。

大家都知道，旅行者1号是目前距离我们最远的探测器，其实这个探测器也是利用了引力弹弓进行加速，相关数据表明，当旅行者1号离开地球时，其相对于太阳的速度大约为36公里/秒（借助了地球的公转速度），在此之后，由于它是向太阳系外侧飞行，因此太阳的引力就会使它不断减速。

如此一来，当旅行者1号抵达木星时，它相对于太阳的速度已经降低至大约14公里/秒，在此之后，它利用木星的引力弹弓进行了加速，当它离开木星时，其相对于太阳的速度达到了大约37公里/秒。

要知道木星的平均公转速度仅为13公里/秒，也就是说，即使将旅行者1号抵达木星时的速度（14公里/秒，相对于太阳）与木星的公转速度完美叠加，也只有27公里/秒，那么问题就来了，为什么它被木星甩出去时相对于太阳的速度会是37公里/秒？这多出来的10公里/秒的速度是怎么来的呢？

要解释这种现象，我们需要做一个思想实验，假设一个场景，一个乒乓球以10米/秒的速度，飞向一个相对于地面处于静止状态的球拍，在理想情况下（不考虑重力、空气阻力、非弹性碰撞、球拍受力移动等等因素），当它撞上球拍之后就会发生弹性碰撞，所以它会以同样的速度反弹，而在它反弹之后，其相对地面和球拍的速度都是10/秒。

同样的场景，现在假设球拍以11米/秒的速度（相对于地面）迎面向乒乓球运动，在这种情况下，如果以球拍作为静止参照物，那么乒乓球的速度就是21米/秒，所以当它撞上球拍发生弹性碰撞之后，其反弹后的速度也是21米/秒。

重点来了，如果我们以地面作为参照物的话，就要将球拍的11米/秒的运动速度考虑进去，所以反弹之后的乒乓球速度就是32米/秒，相当于乒乓球获得了2倍球拍的运动速度（相对于地面）。

如上图所示，在探测器利用木星的引力弹弓的过程中，其运动效果其实就是探测器被木星反弹开了，因此这也可以视为一种弹性碰撞，所以我们只需要将上述思想实验中的乒乓球替换成探测器、球拍替换成木星、地面替换成太阳，就可以得出，在这种情况下，探测器可以获得2倍木星的运动速度（相对于太阳）。

简单计算一下，木星的公转速度为13公里/秒，旅行者1号抵达木星时相对于太阳的速度为14公里/秒，所以从理论上来讲，木星的引力弹弓最高可以将旅行者1号加速到40公里/秒（相对于太阳），而实际上，当旅行者1号被木星甩出去的时候，其相对于太阳的速度为37公里/秒，所以这也合情合理。

小结

综上所述，引力弹弓是遵守能量守恒定律的，当探测器在利用行星的引力弹弓进行加速时，其实就是“窃取”了一部分行星的动能，从而让自己相对于太阳的速度增加，当然了，我们不必担心这样会造成行星的公转轨道出现问题，毕竟相对于行星的巨大动能而言，探测器“窃取”的这一部分动能微乎其微，完全可以忽略不计。

好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。

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