从物理学角度分析“流浪地球”计划的可行性获奖科研报告

从物理学角度分析“流浪地球”计划的可行性获奖科研报告

摘

要：本文基于电影《流浪地球》的内容，通过合理的、预见性的假设，根据动量守恒定律和能量守恒定律等物理学原理，对于“流浪地球”计划进行定量分析。通过理解并计算第一、二、三宇宙速度，求解地球要想逃离太阳系应达到的最低速度约为42.1km/s以及通过反冲原理建造的行星发动机喷出物质的最低速度约为11.2km/s;通过齐奥尔科夫斯基火箭方程求得剩余质量占比和喷出物质速度的关系为

km/s;在“重聚变”可以实现的假设下，根据能量守恒定律求得当地球剩余质量最多为99.53%时即可提供地球逃离太阳系所需的能量。结合数据综合考虑，“流浪地球”基本可行。

引言

科幻电影《流浪地球》于2019年2月5日（农历大年初一）在中国内地上映，获得了观众和影评的广泛认可。该片根据刘慈欣同名小说改编，故事设定在2075年，讲述了太阳即将毁灭，太阳系已经不适合人类生存，人类将开启“流浪地球”计划。“地球联合政府”倾全球之力在地球表面建造了上万座发动机，推动地球离开太阳系，用2500年大约100代人的努力奔往新家园——4.2光年外的比邻星。

众所周知，在地面上发射航天器的最小速度根据相关的物理学知识，人们从小到大定义了第一宇宙速度、第二宇宙速度、第三宇宙速度。为了达到相应的速度大小，人们利用反冲原理制造的火箭已经实现了不同目标的航天梦想。然而，《流浪地球》中的情景却有很大不同：人类希望通过自己的努力带着地球一起逃离太阳系，影片中构建的行星发动机就是按照类似火箭的反冲原理设计建造的。

接下来，我们通过一些合理的假设和简化，对“流浪地球”计划进行定量的物理分析，讨论该计划的可行性。

正文

一、假设与符号说明

为了便于讨论，我们根据已有知识作部分合理假设，以此简化所处理的问题;并对所用到的物理量用统一的符号标记。

（一）假设

1.假设发动机喷出的物质为均匀物质且始终保持某一相同速度;

2.假设喷出物质在发动机中运动的过程为匀加速直线运动;

3.假设行星发动机内腔为一个横截面积不变的圆柱体;

4.假设“重聚变”反应的能量转化效率为定值;

5.在“流浪地球”过程中，地球与喷出物质组成的系统不受太阳引力之外的外力作用;

6.假设质子和中子质量相同，在“重聚变”反应中作用相同;

7.假设10000座行星发动机规格、性能完全相同，在半球均匀分布;

8.假设地球表面不同位置的地壳厚度相同，密度相同，开采难度相同;

9.假设地球自转可以忽略

（二）符号说明

通过上表可知，“重聚变”反应掉地壳的质量越大，则可提供能量越多，则地球的剩余质量越多，当取上限（即将整个地壳进行“重聚变”），则地球剩余质量百分比为。通过查阅资料可知，地壳占地球质量的0.42%，则除地壳外，地球还有，故在喷出过程中，为使地球达到目标速度，还需要额外抛出占地球质量的物质。

四、结论

结合电影内容，通过合理的、预见性的假设，我们对于“流浪地球”计划进行了定量分析，着重探讨了行星发动机的能量来源及带来的后果。

在“重聚变”（电影中“烧石头”提供动力的方式）可以随着科技发展于2075年实现的关键假设成立的条件下，人类需要“烧”掉整个地壳并且额外抛出占地球质量0.05%的物质才能使地球达到“第二太阳速度”（以太阳为参考系），从而使地球逃离太阳系踏上流浪之旅。

通过以上的计算和分析可知，人类通过“烧石头”的方式来提供地球流浪的动力所导致的后果是使得地