Как я могу интуитивно понять помощь гравитации?

Понимание принципа

Начнем с понимания механизма гравитационного ассистента . Когда космический корабль приближается к планетарному телу, на него действует гравитационное притяжение планет. По мере приближения притяжение увеличивается, и, в конце концов, когда космический корабль проходит мимо планеты, притяжение уменьшается.

Если вы думаете о стационарной планете как об абсолютной системе отсчета, представьте, что рядом с ней брошено тело. Тело повернется к нему, ускоряясь, затем пройдет его, а затем продолжит движение, в конечном итоге сохранив свою первоначальную скорость .

Однако, как вы знаете, планеты не неподвижны, а скорее вращаются вокруг Солнца со скоростью порядка десятков километров в секунду. Следовательно, на любой космический корабль, на который влияет гравитация планет, влияет и его орбитальная скорость.

Проведем простую аналогию.

Представьте девушку на карусели. Она сидит на краю, вытянув руку, а карусель вращается с определенной скоростью против часовой стрелки. Вы бросаете мяч ей в руку. Она ловит его всего на секунду, а затем отпускает. Наблюдается ускорение мяча во время этого процесса.

В этой аналогии девушка была планетой, карусель — ее орбитой, а ее рука — гравитационным притяжением этой «планеты». Это очень упрощенное объяснение, которое служит только для объяснения задействованных направлений. Если вы бросите мяч из-за нее, когда она будет удаляться от вас, мяч ускорится.

Теперь очень легко представить обратное этой аналогии; а если кинуть мяч девушке лоб в лоб , когда она к тебе приблизится. Вы можете интуитивно сказать, что мяч будет замедляться во время этого процесса.

Есть много других аналогий, например, мячик для пинг-понга, ударяющийся о потолочный вентилятор, или скейтбордист, хватающий машину на круговом движении. Космический корабль в основном крадет угловой момент планеты.

Как только вы усвоите эти основы, остальную гравитационную механику понять будет несложно. Следующая диаграмма покажет вам изменение направления, наблюдаемое при ускорении .

^{Более сложное представление того, как выглядит помощь гравитации, когда к планете приближаются сзади . ( Викимедиа )}

В (немного) большем масштабе

В качестве реального примера возьмем « Кассини-Гюйгенс » (мой любимый космический корабль). План миссии Кассини выглядел так:

^{Орбитальная диаграмма пути, по которому Кассини в конечном итоге достиг Сатурна ( Викимедиа )}

Кассини сделал в общей сложности четыре пролета , все для набора скорости . Из того, что мы узнали ранее, ускорение возникает, когда мы приближаемся к планете сзади . Внимательно посмотрите на диаграмму выше, и вы увидите, что все ассисты приближались к своим планетам позади них по их орбитам . Это фундаментальный принцип помощи гравитации, наблюдаемый в реальном мире.

^{График скорости Кассини с течением времени с пометкой гравитационного сопровождения. Использование нескольких ассистов снизило ∆V на целых 5 км/с для миссии по сравнению с простой передачей Хомана. ( Викимедиа )}

Я надеюсь, что это проясняет для вас концепцию гравитационной помощи. В первых двух примерах, которые вы привели: Луна покидает Землю, Венера достигает Юпитера, требуется ускорение , и вы должны приближаться к планете сзади . Для последнего примера — от Венеры до Меркурия — нужно затормозить космический корабль, и приближаться к Венере нужно прямо.

Обновлять

Пара диаграмм, чтобы показать вам как можно яснее, как работает гравитация.

^{Простейшая форма помощи при ускорении . (С любезного разрешения Планетарного общества )}

^{Некоторые из возможных форм помощи гравитации. (С любезного разрешения Планетарного общества )}

Дальнейшее чтение:

http://www2.jpl.nasa.gov/basics/grav/primer.php

http://saturn.jpl.nasa.gov/mission/missiongravityassistprimer/

http://www.planetary.org/blogs/guest-blogs/2013/20130926-gravity-assist.html

Во-первых, чтобы ответить на ваши вопросы:

Как космический корабль должен пройти Луну, чтобы достичь космической скорости от Земли?

Ну, по большей части, к тому времени, когда вы достигнете Луны, вы, вероятно, превысите скорость отрыва от земли. Луна движется со скоростью около 1 км/сек, что не так уж и быстро. Космические корабли обычно путешествуют со скоростью от пары до нескольких десятков километров в секунду. Если космический корабль движется медленнее, он может использовать Луну в качестве вспомогательной гравитации, но в большинстве случаев Луна невелика. Два фактора помощи гравитации: насколько высока орбитальная скорость объекта и насколько сильна гравитация объекта. Орбитальная скорость — это то, что заимствует космический корабль, а гравитация планет — это то, что вызывает изменение угла космического корабля. Вам нужно и то, и другое, чтобы ассист работал.

Как он должен пройти Венеру для рогатки по орбите Юпитера?

Это немного сложнее, но в основном космический корабль должен приближаться к Венере из-за своей орбиты, и когда он облетает Венеру сзади (но близко), он набирает скорость (и Венера, соответственно, замедляется, но гораздо меньше, потому что он далеко). более массивный - совокупный орбитальный импульс сохраняется, но, как и мяч, отскакивающий от поезда, поезд ускоряет мяч (намного), а мяч замедляет поезд (немного).

И наоборот, спуститься с Венеры на Меркурий?

Этот корабль летит впереди Венеры, и он замедляется, когда проходит мимо Венеры, а Венера ускоряется (немного), но будьте осторожны с этим. Если сильно затормозить, то полетишь к солнцу, поэтому такое замедление вокруг Венеры - как я понимаю, нужно было делать более постепенно. Вот почему Messenger сделал 2 замедления вокруг Венеры и 2 вокруг Меркурия, прежде чем выйти на орбиту вокруг крошечной горячей планеты.

Но вместо того, чтобы думать об этом, поиграйте с симуляцией.

http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/flashlets/Slingshot.htm

1) нажмите сброс 2) Установите скорость и угол подхода. 3) нажмите start (чтобы Юпитер начал двигаться) 4) нажмите Shoot - выстрелить в космический корабль. и не включайте динамики на полную громкость — на случай, если вы разобьетесь.

Наблюдайте за скоростью космического корабля, когда он движется вокруг Юпитера. В двух словах с этой симуляцией, если корабль пролетает мимо Юпитера сзади, он набирает скорость, если он пролетает мимо Юпитера спереди, он теряет скорость.

Мне также нравится этот (который находится по ссылке, которую предоставил Ведант Чандра), но картинка полезна.

Что касается угла - отскок от поезда от идеальных 90 градусов (от прямого движения) является самым большим выигрышем, поскольку угол удара мяча о поезд прирост скорости уменьшается, потому что так работает сложение векторов.

Источник (также по ссылке Веданта): http://www2.jpl.nasa.gov/basics/grav/primer.php

Я также нашел это - веб-сайт не на английском языке, но это может немного помочь, но не с углами.

и это объяснение, возможно, стоит посмотреть: http://www.schoolphysics.co.uk/age14-16/Astronomy/text/Slingshot_/index.html

и если ничего не помогает, попробуйте это:

Просто шучу. :-)

Аналогия, которую я использую, чтобы объяснить помощь гравитации настоящему неспециалисту, — это скейтбордист и автобусы (автобусы старого образца со стальным кузовом). Скейтбордист имеет мощный магнит и двигатель с очень небольшим расходом топлива. Скейтбордист может изменить направление, используя свой двигатель и небольшое количество топлива, или он может использовать магнитное притяжение на автобусах, следующих по разным маршрутам в этом районе. Скейтбордист может использовать магнит, чтобы притянуть доску к автобусу, который движется в направлении, в котором он хочет, чтобы его втянули. Если он хочет ускориться, он садится за автобус, который движется в правильном направлении, и его подтаскивают к автобусу. скорость. По мере того, как она приближается к автобусу, магнитные силы становятся более мощными, поэтому она выбирает курс, который будет удерживать ее достаточно близко, чтобы получить ускорение, но достаточно далеко, чтобы ее не втянуло в автобус. В ближайшей точке подхода к автобусу она немного запускает двигатель и отталкивает себя от автобуса в том направлении, в котором хочет ехать. Теперь она быстрее автобуса.

Даже с небольшим количеством топлива скейтбордист может неплохо передвигаться. Она может изменить направление или замедлить движение, пока есть автобусы, идущие в нужном направлении в нужное время, и этот магнит будет тянуть ее к любому автобусу, к которому она приблизится. Если в ее сторону не едет автобус, ей предстоит долгая и медленная поездка.