地球大炮中的物理学


很久以前,大概是我的高中时期,在阅读完《地球大炮》之后,我对南极庭院工程的细节问题产生了兴趣。
但受限于当时的知识储备,我并没有找到想要的答案,时间一久就把这事忘了。今天我翻到一个坟贴也提出了相似的问题,恰巧我前段时间写了一个模拟多体运动的小程序,就用数值模拟跑了一下,于是便有了如下的内容。
PS:所有计算和模拟都是在Mathematica上完成的,有兴趣朋友可以了解一下。


楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:08:00 +0800 CST  
首先让我们做一个思维实验,在一个贯穿地球的真空隧道的一端,一个物体被静止释放,在下落的过程中,它不与管道接触,只受地球引力的影响,自由运行着。
这时,我们可以将求解隧道形状的问题等同于一个有心力场中的轨道问题,这就是我最初的思路。

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:14:00 +0800 CST  
我们知道球壳内的物体受球壳的引力为零,因此,物体在下落时所受的引力为-gr/R,其中g为重力加速度、r为物体到球心的向量、R为地球半径(这里我们将地球近似为一个质量分布均匀的球体),于是一个有心力场就被构造出来了。

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:19:00 +0800 CST  
虽然说现在我们有了求解所需的全部条件,但想要求出轨道的解析表达式仍旧是困难的,因此我采用了动力学数值模拟方法,以下是模拟所需的全部初始参数,模拟的初始位置是北纬54°,在漠河附近


楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:23:00 +0800 CST  
我采用的算法是显式四阶龙格库塔法,通过坐标求出加速度,通过加速度求解下一步的速度,通过速度求解坐标,如此往复得到物体轨迹固定时间步长的离散坐标点



楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:29:00 +0800 CST  
得到坐标点后将其顺次连接就得到了运动轨迹,这是第一次模拟的结果,一共模拟了2533秒(42.2分钟,也就是一次旅行的时间)



楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:32:00 +0800 CST  
通过这次单程的模拟,我们可以看出物体的轨迹俯视图偏离了球心(与小说的描述相符),但侧视图是一条通过球心的直线,也就是说物体在另一端会从相同的纬度(南北相反)到达地表。
为了更好的对比,我又进行了一次往返模拟



楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:37:00 +0800 CST  
结果非常明显,物体画出了一个类似椭圆的闭合轨迹,这在有心力场中是必然的,但是我们似乎忽略了一个问题——地球的自转。
我们知道,有心力场中的闭合轨迹是稳定的,因此物体经过一段固定的时间后必定会回到原点,但因为地球存在自转,所以物体回到原点之后会落后一个经度差,也就是说,物体无法回到原点。
到了这一步,我们已经揭示了地球大炮的最大BUG——物体在不与隧道内壁相互作用的前提下绝对无法沿原路返回。那么,真正不与物体接触的隧道的形状是什么样的呢?

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:45:00 +0800 CST  
这里数值模拟的有点就体现出来了,因为我们的轨迹实际上是一个坐标列表,所以我们只需要对坐标进行相应的操作就能够将物体的绝对轨迹转化为相对轨迹


这里我使用了一个内置函数,RollPitchYawMatrix(三维旋转矩阵),它可生成一个3×3的矩阵,使得代表坐标的三维向量右乘它之后得到的新向量表示的坐标旋转了一个相应的立体角度,带入地球的自转角速度后我们就可以得到与地球相对静止的观察者所看到的物体轨迹。
这是一个来回



楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:53:00 +0800 CST  
结果非常明显,物体的起点和终点的经度差了20°不止,沈华北绝无可能原路返回漠北。
只看单程的路径,它也是略微弯曲的



楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-24 23:58:00 +0800 CST  
如果继续加长模拟时间
四周期



八周期(没错就是镇楼图)





楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 00:01:00 +0800 CST  
说实话我感觉八周期的图有点炫酷,或许人类可以建造一个由34根隧道收尾相连组成的超级交通网络实现地心运输的无缝对接(工程量×34,奇观×1)

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 00:05:00 +0800 CST  
实际上,地球大炮的炮管不需要这么花里胡哨的东西,因为物体在直线隧道中所受的科里奥利力并没有大到必须改变隧道形状的程度。以赤道隧道为例(科里奥利力最大)


物体在地心运行时所受到的最大加速度仅为1.08m/s²,大约是地表重力加速度的九分之一,对漠河隧道来说会更小,大约只有1/19,随便在隧道里装一个无摩擦导轨或者磁悬浮就能解决一切问题

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 00:13:00 +0800 CST  
地球大炮的另外一个BUG在前面提到过,科里奥利力只会影响终点的经度而不会影响纬度,所以漠河出发的物体不可能到达南极,最大的可能是阿根廷最南端的乌斯怀亚

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 00:16:00 +0800 CST  
That's All

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 00:16:00 +0800 CST  
补充一下,这种类型的有心力场对数值模拟是十分友好的,因为在球心附近,物体速度较大时,物体的加速度最小,而在地表附近,物体的加速度较大时,物体的速度又最低,这使得物体轨迹的平滑性得到了保障,因此显式龙格库塔法的误差能够被控制在一个合理的范围内。而对于多体引力系统,以两体系统为例,天体在轨道近点的速度最快,与此同时加速度也最大,这就会导致天体的轨道外漂,体系总能量在加速时减小,减速时升高,最终使体系能量不守恒,尤其是在近距离引力弹弓时,天体会跳过最大减速点,体系总能量被强行抬过零,导致两体系统解体,目前主流的天体模拟游戏,比如宇宙沙盘,都存在这样的问题,这也就是为什么大多数人想要构造稳态三体系统却很难成功的原因

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 07:40:00 +0800 CST  
跑了一遍17周期的

稍微有点偏差,无法完美对接

我把地球的自转周期减少了278秒,也就是86122s(2533*34),完美对接

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 17:42:00 +0800 CST  
更正,地球自转周期是23h56min4s,也就是86164s,所以我们只需要减少42秒的自转周期

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 17:59:00 +0800 CST  
脑洞——地球加特林
为了实现全球各地物资的高效转运,人类在地球内部构造了一套完整地立体隧道网络,这套网络从南维80°到北纬80°,每10°的纬度就有17根隧道首尾相连,实现了南北纬同纬度物资的无缝对接






楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 22:50:00 +0800 CST  
整套系统由17*17+1(南北极隧道)共290根隧道组成

楼主 南方夜枭  发布于 2019-07-25 22:52:00 +0800 CST  

楼主:南方夜枭

字数:2216

发表时间:2019-07-25 07:08:00 +0800 CST

更新时间:2019-09-11 21:43:44 +0800 CST

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