从岩石力学角度讲,《流浪地球》中的行星发动机的设定是完全站得住脚的
《流浪地球》真是部好片子,不瞒大家,我也曾有这样的想法,在发生太阳系毁灭之前,给地球安装大推力火箭推进装置,逃离太阳系,只不过我是飘过的一丝想法,没有仔细推敲如何实现,大刘把他写成了小说,郭帆导演搬上了银幕,将“想法”付诸实施,给大家带来了一场视觉上的饕鬄盛宴。
10天 30亿的票房足以说明大家对此片的认可喜爱,也引来《流浪地球》其可行性的热烈讨论,其中对行星发动机会不会压塌地壳的意见,几乎是一面倒,认为地壳无法承受之重,但是看过这些文章之后,总有点张口就来的感觉,到底会不会压碎呢,还是通过岩石力学的角度算一算更有发言权。
地壳的岩石组成颇为复杂,即使是同一区块下面的地层构造也是千差万别,按照钻井行业的技术术语来说,都制定个性化钻井方案,不过扒去表层后,都会进入基岩,而基岩大部分都是以花岗岩、玄武岩为代表,为使问题不复杂化,我们就按照花岗岩为基底来讨论吧,建一个大坝都要找花岗岩基底,更何况是行星发动机这个庞然大物呢。
再来说说地壳厚度,陆地平均33公里,海洋陆壳10公里,感觉确实像鸡蛋壳
先看看花岗岩岩石力学数据:
摘自《构造地质学》,谢仁海、渠天祥、钱光谟编,2007年第2版,P25-P37,
要破坏岩体,就必须施加大于岩体强度的力,再看看影片中对行星发动机的设定吧,我们采用眼镜视野老弟的图片
这是赤道行星发动机这是推力行星发动机
这些照片是眼镜视野老弟根据《流浪地球》预告片剪切的照片,我们大致知道了发动机的尺寸,根据影片介绍,总共安装了10000台发动机,提供150万亿吨的推力,平均一台提供150亿吨的推力,按照小的来推算吧,因为它直径更小,作用在单位面积的力也就更大,如果他没问题,大的那台就更没问题了,测算如下:
抗压强度计算:P=F/S
=发动机单台推力/发动机底座面积
=150亿吨推力/直径为30公里的圆面积
=15000000000000公斤力/706858347平方米
=0.207MPa
抗剪强度计算:P=F/S
=发动机推力/发动机底座的剪切面积
=150亿吨推力/直径30公里圆周长*地壳厚度(这里按照地壳最薄弱处洋壳厚 度10公里计算)
=1500000000000公斤力/942000000平方米
=0.156MPa
,我们得到了这样一组数据,安装有行星发动机的花岗岩承受的抗压强度为0.2MPa,剪切强度为0.15MPa,比起花岗岩强度小上百倍,是根本压不碎的,即使是页岩这种强度很低的岩石也没有问题,更何况在岩石圈的下部还有足够支撑力的莫霍面软流体,这就好比巨大的浮萍上面坐个孩子也是没问题的。
俗话说术业有专攻,人不可能是全才,很多发声的都是航天领域的专家,针对地质,岩石岩性这不是他们研究的方向,很多人张口就来,这显然不符合科学精神,更是误导了大众的思维判断,孔老先生说得好,知之为知之,不知为不知,是知也
再举个栗子,青藏高原平均海拔4000米,如果折算成行星发动机同等面积上承受的重力为多少呢?
F=ρ*V
=山体平均密度*海平面以上体积
=25亿吨/立方公里*4公里高度*706平方公里(行星发动机底座面积)
=70600亿吨
是同等面积行星发动机150亿吨推力的470倍,你看见青藏高原把地壳压塌了吗?虽然地球看起来像只鸡蛋,可这鸡蛋远远比看起来要强大的多
再举个栗子,你拿一支铅笔戳着鸡蛋跑,力量别太大,鸡蛋都推跑了,蛋还是完好的,
铅笔尖推着鸡蛋跑实验(视频上传不了)
按比例单台行星发动机的力量要远远小于铅笔尖施加在鸡蛋上的力,这样更容易理解吧?
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再不反击棺材板是压不住了,还得算。。。。。
我们还是借助眼镜视野兄弟的图
500年加速到0.5%C,单台推力需要6万亿吨,这个结论是对的,可是问题又来了,加速减速各500年,中间靠惯性跑路,每阶段跑了多远?还有用时多少?
加速、减速距离均为:½*0.5%C*500y=1.25光年
惯性距离=4.2光年-2*1.25光年=1.7光年
惯性用时=1.7光年/0.5%C=340年
合计用时:500年+340年+500年=1340年
用6万亿吨推力跑路,只需用1340年即可到达比邻星,跑得有点快,显然不符合原著及影片用时2500年的精神,作为《流浪地球》的忠实拥趸者,依然坚持原定设想,总用时按2500年,分两种情况来设定发动机的推力:
情况A设定:加速500年,惯性1500年,减速500年,遵照原著2500年跑路,设定V1为加速最终速度,则有:
½*V1*500+V1*1500+½*V1*500=4.2LY(光年),故V1=0.24%C,
由此推出单台发动机推力F=6万亿吨*0.48=2.88万亿吨
情况B设定:加速1250年,减速1250年,依然遵照2500年跑路,设定V2为加速最终速度,则有:
½V1*1250+½V1*1250=4.2LY(光年),故V2=0.336%C,
由此推出单台发动机推力F=6万亿吨*1.68/6.25=1.61万亿吨
算到这里,总算可以长出一口气了,相比青藏高原7万亿吨依然没有压塌地球,无论采用A或B的数值,都不会压塌地壳。
至于地壳倒底能够承受多大的重量,而不至于压塌,可能需要出书来说明了,因为考虑的因素太多,许多数值还需要实际验证,但是地质学在计算地层压力时,始终没有把地壳与下部的软流体分开,即是说地壳的压力是传递到下部地层的,有计算不周处,还请海涵,总之为了小破球能够流浪,减少硬伤,我们选择希望。