為甚麼火箭飛得越快就越省油？藏在航天里的奧伯特效應!

這個彈簧發射器 肚子裏就存了300毫焦耳的能量 但幾秒鐘後 它會讓火箭憑空多出 400多毫焦耳的動能 看起來像是無中生有 能量守恆好像被敲開了一道縫 扒開這層皮 底下藏着航天領域 最彪悍的物理效應之一 爲把這祕密揪出來 它搞了一套精準到能掐死干擾的實驗 不碰化學燃料 轉了一臺彈簧動力火箭 一個球體發射器 裏面蹲着一根精密彈簧 把小球往裏一壓 彈簧縮緊 勢能存在裏頭 量一下小球射出去的速度 反推出來彈簧儲能大約300毫焦耳 這個裝置就是它的V型火箭 內立小球就是推進工具 也就是燃料 爲模擬太空裏無摩擦的飄行 它把整隻火箭掛在一根長擺臂上 擺到最低點附近 火箭的運動幾乎是一條直線 加速度小到可以忽略 這就把航天器在太空中的慣性狀態 復現的乾乾淨淨 實驗開打 頭一次發射 從靜止起步 遠程觸發開關 小球彈出去 火箭拿到了每秒0.4米的速度 這是基準線 按火箭推進最底層的規矩 不管火箭自己跑多快 同樣一次點火 給的速度增量 也就是ΔV應該是恆定的 他開始驗這套理論 先讓火箭擺起來 等它飆到每秒2.5米時 再打一發小球 結果跟理論卡的死死的 火箭速度增加0.4米每秒 最終速度2.9米每秒 增量完全一樣 到這裏爲止 全在牛頓定律的圈裏 可詭異的是 藏在能量賬本里 它回頭巴動能 第一次靜止發射 火箭從0爬到0.4米每秒 吃到的動能只有31mJ 第二次運動發射 火箭從2.5米每秒 加速到2.9米每秒 動能的增量居然高達425mJ 一個大火口張開了 彈簧滿打滿算才300mJ 它怎麼塞給火箭400多mJ的動能 多出來的能量是從哪摸來的 有人會甩一句 動能公式E等於Nmv平方 速度平方鬧的 非線性增長而已 可這隻講了數值爲什麼變大了 根本沒碰能量的來路 答案藏在那個被他當垃圾一樣忽略的燃料身上 得把小球的能量也拖進整本賬裏一起算 第一次靜止發射 火箭減了31mJ動能 小球自己則捲走276mJ 兩個一加307mJ 跟彈簧存的那份剛好對上 能量守恆還硬邦邦的立着 再盯第二次發射 火箭吞下425mJ動能 小球呢 發射之前 它跟着火箭以2.5米每秒跑 發射之後 它被朝後甩出去 對地速度反而掉到只有一米每秒 小球的動能非但沒漲 反倒虧進去112mJ 泥底一把被掀開 第二次發射中 火箭進賬的這坨能量 不光是彈簧放出來的那300mJ勢能 還從小球自己身上偷走了112mJ動能 總進賬425mJ 扣掉小球賠掉的112mJ 淨能量變化313mJ 又一次死死咬在彈簧儲能那條線上 這就是奧伯特效應的骨頭 航天器高速飛着的時候 它帶的燃料本身就揣着一大筆動能 點火的瞬間 航天器不光燒燃料的化學能 還把燃料身上那份動能 也扒過來摁在自己身上 跑得越快燃料就越值錢 每次點火未進來的能量就越肥 這個效應擱太空航行裏簡直是作弊器 軌道上定航天器命的是總能量 想靠手裏那點燃料把能量推到頂 就絕不能挑遠離行星 速度慢吞吞的地方開火 飛卡在近心點 也就是速度最猛的那個彎 踩下油門 它在坎巴拉太空計劃裏 把這條規矩攤得明明白白 近地點來短促點火 軌道急劇漲開 輕鬆摸到逃逸速度 把同樣時長的一次點火 搬到速度最粘的遠地點 軌道就懶洋洋扭一下 同一勺燃料天差地別 減速也是一個理 近地點朝後噴 最狠的往下砍軌道能量 奧伯特效應甚至可能是 人類往星際空間邁的那條腿 想象一艘飛船 從太陽系外緣開始朝太陽紮下去 引力勢能被一路擰成動能 掠過太陽時 已經飆到難以想象的高速度 就在這節骨眼上點燃引擎 奧伯特效應直接把能量放大到嚇人 飛船靠引力攢足初始動能 再用火箭點火 把燃料身上那筆動能炸幹 全挪到自己身上 最後 它以夠高的速度 掙脫太陽的繩子 滑進另一片星空