王澍

《火星救援》是近期播放的美國(guó)科幻片，影片講述了六位宇航員在火星上執(zhí)行任務(wù)時(shí)，由于火星上的一場(chǎng)沙塵暴災(zāi)難，迫使宇航員逃離火星，乘上赫爾墨斯號(hào)飛船（簡(jiǎn)稱(chēng)飛船），踏上返回地球之路，而男主角馬可因故與團(tuán)隊(duì)失聯(lián)，孤身一人被置身于火星，在孤獨(dú)絕望、食物匱乏的狀態(tài)下，馬可運(yùn)用各種物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、植物學(xué)等知識(shí)，在火星上整整生活了561天，最終獲救.影片中的整個(gè)救援過(guò)程充滿(mǎn)了科學(xué)性，這是令我最感興趣的地方，下文將利用高中學(xué)科知識(shí)，對(duì)影片中幾個(gè)科學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行粗淺研究.

1 赫爾墨斯號(hào)飛船逃離火星及折回救援馬可的飛行過(guò)程物理分析

赫爾墨斯號(hào)載著五位宇航員，脫離火星飛向地球，在接近地球的時(shí)候，決定返回火星救援馬可，最終成功救出馬克，并順利第二次返回地球.其救援飛行過(guò)程如圖1所示：

火星未發(fā)生災(zāi)難前，飛船利用火星的第一宇宙速度原理，環(huán)繞火星飛行.

發(fā)生災(zāi)難后，其中五名宇航員乘坐火星上的返回艙，并將其加速到火星第一宇宙速度，在環(huán)星軌道A處和飛船對(duì)接，宇航員進(jìn)入飛船避難，馬可一人被丟在火星.

然后，飛船加速到火星第二宇宙速度，該過(guò)程由于動(dòng)量守恒原理，需要消耗大量燃料，在環(huán)星軌道B處飛船脫離火星引力進(jìn)入返回地球軌道，依靠慣性飛向地球（太空阻力約為零）.

飛船在途中C處獲知了馬可還活著的消息，但當(dāng)時(shí)飛船正在按照預(yù)定軌道飛向地球，以第二宇宙速度級(jí)別遠(yuǎn)離火星，飛船上的燃料不足以支持飛船直接掉頭飛火星救人.

當(dāng)飛船接近地球，在D處時(shí)，恰好中國(guó)發(fā)射深空衛(wèi)星的大推力火箭太陽(yáng)神號(hào)已經(jīng)準(zhǔn)備好，中美聯(lián)合救援，飛船上宇航員決定飛行繞過(guò)地球，折回火星救人.

飛船在E處，以火星第二宇宙速度接近地球，利用地球引力進(jìn)行加速，以不低于地球第二宇宙速掠過(guò)地球.同時(shí)，地球NASA利用太陽(yáng)神號(hào)將補(bǔ)給艙加速到和飛船相同的第二宇宙速度進(jìn)行補(bǔ)給，否則飛船宇航員錯(cuò)過(guò)了補(bǔ)給，將無(wú)法生存.

赫爾墨斯號(hào)成功加速和補(bǔ)給后，在F處以地球第二宇宙速度脫離地球引力，依靠慣性（太空阻力約為零），以地球第二宇宙速度級(jí)別飛行火星.

飛船到達(dá)火星附近后，準(zhǔn)備和馬可乘坐的返回艙對(duì)接，由于的燃料不夠，飛船無(wú)法減速到第一宇宙速度環(huán)繞火星飛行，所以馬可必須把乘坐的返回艙加速到第二宇宙速度，才能和第二宇宙速度的飛船對(duì)接，所以馬可要為返回艙減重，在有限的距離內(nèi)加速到第二宇宙速度，承受了超過(guò)12個(gè)g的加速度，最后馬可在M處成功獲救.

飛船借火星引力掉頭加速，以不低于火星第二宇宙速度，脫離火星引力，依慣性返回地球，到地球附近N處減速到地球第一宇宙速度，在P處被地球的引力俘獲而環(huán)地飛行，在K處宇航員乘返回艙再入大氣層回地面.

3 太空艙中的人工重力分析

眾所周知，太空飛行存在“失重”的現(xiàn)象，但在赫爾墨斯號(hào)飛船中，宇航員在太空艙中正常生活，甚至在跑步機(jī)上進(jìn)行鍛煉，顯然太空艙中并沒(méi)有所謂“失重”，這是什么原因？原來(lái)，飛船太空艙一邊沿著預(yù)定軌道向前飛行，一邊自身進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，宇航員隨著太空艙同步做圓周運(yùn)動(dòng)，太空艙地板給宇航員一個(gè)向心力，提供向心加速度，這個(gè)向心力，使人和太空艙之間產(chǎn)生相互作用力，從而使宇航員覺(jué)得有“重量”，這就是人工重力，這個(gè)力類(lèi)似于人在地球表面時(shí)，地面對(duì)人施加一個(gè)力來(lái)平衡重力，使人感覺(jué)到“重量”，也使人能夠像在地球表面那樣行走、運(yùn)動(dòng).

上文利用高中物理和數(shù)學(xué)知識(shí)，在假定條件下，對(duì)《火星救援》電影中所表述的有關(guān)有趣現(xiàn)象進(jìn)行了淺顯的分析，深深感到高中所學(xué)的數(shù)學(xué)、物理知識(shí)的奇妙，它們不是一堆枯燥的公式，而是解決自然問(wèn)題的工具.這部電影中，還有其它可以用高中知識(shí)進(jìn)行解釋的科技現(xiàn)象，在此不贅述了.觀(guān)看這部電影，不僅獲得了視覺(jué)盛宴，也使我認(rèn)識(shí)到知識(shí)的趣味性和重要性，增加了對(duì)數(shù)學(xué)、物理的學(xué)習(xí)興趣.