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彈弓效應:這個名詞其實是由太空船而來的,在賽車界也有,同樣在球類運動中也有。「彈弓效應」本來是一個物理名詞,指的是小天體或航天飛行器藉助於大質量天體的重力來獲得更大的動能,後來這個概念被推廣開來就是藉助外界條件來是自己獲得加速度的意思。

1 彈弓效應 -簡介

彈弓效應天體彈弓效應

空間探測器從行星旁繞過,由於行星的引力作用,可以使探測器的運動速率增大,這種現象被稱為「彈弓效應」。

彈弓效應以宇宙飛船為例來說就是藉助星球引力使宇宙飛船加速的原理。在航天技術中,「彈弓效應」是用來增大人造小天體運動速率的一種有效方法。1989年10月發射的伽利略探測器(它於1995年12月按時到達木星並用兩年時間探測木星大氣和它的主要衛星)就曾利用了這種效應。

2 彈弓效應 -出現領域

天體運動

原理

彈弓效應彈弓效應影響天體運動

假定衛星和宇宙飛船都沿橢圓形軌道圍繞一個較大的天體運行——人們把這個較大的天體稱為主天體。當宇宙飛船逐漸飛近一顆衛星時,它們就會交換軌道能量和角動量。因為軌道能量與角動量的總和是恆定的,所以在這二者的接近和交換過程中,如果宇宙飛船得到了更多的軌道能量,那麼衛星的軌道能量就會相應減少。而且,軌道周期長度和軌道能量成正比,因此宇宙飛船的軌道能量增強時,它的軌道周期也會隨之延長,衛星的軌道周期就會縮短,這就是「彈弓效應」。

由於宇宙飛船的質量遠遠小於衛星的質量,所以「彈弓效應」對它軌道的影響也就遠遠大於對衛星的影響。例如,飛往土星的「卡西尼號」太空探測器,質量只有3000kg,而土星最大的衛星「土衛Ⅵ」,質量則高達1025kg。這樣,當卡西尼號飛近「土衛Ⅵ」時,它受到彈弓效應的影響,將比「土衛Ⅵ」受到的影響高出20個數量級。

 應用

當宇宙飛船從衛星的「背部」越過時,會獲得比圍繞主天體運行時更快的飛行速度,也獲得更大的軌道能量。這種情形,就像是用彈弓把宇宙飛船拋向一個更大的運行軌道一樣。人們也可以讓宇宙飛船從衛星的「前面」飛過,這樣就能減慢它的飛行速度(也降低它的軌道能量)。人們甚至可以讓宇宙飛船在衛星的「頭頂」或「腳底」飛行,以改變它前進的方向。

賽車運動

賽車運動中的「彈弓效應」其實就是後車進入前車的低壓區然後抽出來超越前車的開法,因為這樣看上去後車抽出來來時猶如突然裝了彈簧似的突然增速,所以也稱為「彈弓效應」。

好處

兩輛車接近時,前車會推開空氣使車的後部形成一個低壓區,當貼近前車時,由於後車受到的空氣阻力小,會引起一個負壓,按照空氣均布原理,必定要有空氣補充到這個區域里,所以車在負壓的影響下,就象被前車牽著跑,即使油門不踩到底,也會跟住前車,而在距離恰當的情況下,一旦油門踩到底,爆發出來的力量就等於「前車的牽引力+自身動力」,所以利用「彈弓效應」超車是很有效的方法。

弊端

但這是在與前車有足夠近的距離時才能進入這個「低壓區」,不然的話跟在後面不遠不近處反而一點好處沒有,因為在低壓區后就是一個空氣亂流區,氣流很不穩定,這將使後面的車也處於一個不穩定狀態,影響速度。另外,由於空氣密度低,會導致賽車短期的散熱不良,這也是「彈弓效應」的弊端。而且由於兩車距離很近,要求賽車手要有高超的駕駛技術。 

球類運動

「彈弓效應」不僅應用於航天技術和賽車運動,而且已經應用於球類運動中。

例如,打羽毛球時,如果要使力量較小而要加強威力,就要把羽弦的磅數穿低一些,使弱弦給予球的「彈弓效應」增大;打網球時,拍在一定的角度範圍內壓得越低,拍對球的「彈弓效應」就會越明顯,就可以輕鬆地拉后場;利用旋轉推鉛球技術已經把鉛球推出22.86m的世界紀錄。在乒乓球運動中,人、拍、球構成三體碰撞系統,質量較小的乒乓球以速度v0與質量較大的球拍(速度u0)碰撞后,可以獲得v=v0+2u0的速度而高速反彈。

3 彈弓效應 -宇宙影響

彈弓效應黑洞彈弓效應

美國宇航局發現存在一個被彈回的黑洞的證據,由兩個超大質量黑洞彼此相撞形成一個系統所致。這個系統擁有3個黑洞,產生所謂的「彈弓效應」。以超新星的形式爆炸時,恆星會留下一個巨大的殘餘並逐漸塌陷。這種塌陷意味著它們的體積越來越小,但密度不斷增加,達到無限大,最終成為黑洞。

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