[what if]第86期:运动路程最远的物体

提问:

在所有人造物体中,”旅行者一号”探测器运动的路程是不是最远?它当然是已知的离地球最远的人造物体,但和超高速离心机叶片,或者发电机汽轮机叶片等持续运行好几十年的东西比起来,”旅行者一号”运动的路程有它们远吗?

—— Matt Russell

回答

宇宙飞船的速度要比离心机叶片的速度快很多。[1]要知道宇宙飞船的速度是用每秒多少千米来衡量的,而且它们的速度一般是恒定不变的。机器部件的运动速度很少有超过每秒几百米的,这意味着要赶上宇宙飞船是不太可能了。

但是,要准确地回答这个问题,我们先要确定使用的参考系。有这么几个参考系供我们选择:

相对于太阳

如果仅仅以相对于太阳系的速度来看,旅行者一号是速度最慢的几个人造物体之一。[2]它的平均速度约为每秒16千米,仅仅是地球环绕太阳速度的一半不到一些。

什么?速度快到足以逃出太阳系的旅行者一号居然还没有地球跑得快?那地球为何还好端端地绕着太阳转呢?如果你能换一个角度思考这个问题或许你就能理解:把太阳系想象成一个威力巨大的漩涡,太阳系其他行星则被这个漩涡牢牢抓住。旅行者一号想方设法(部分靠推开其他行星)达到了一个很高的速度,最终被甩出了这个漩涡,目前正在水面上懒洋洋地漂着呢。[3]

换言之,任何一辆1977生产的普利茅斯捷龙旅行车运动的路程都要超过旅行者一号


(在普利茅斯捷龙旅行车里做爱的人比在旅行者号上做爱的人要多,除非NASA喷气动力实验室比我想象的要更淫乱……

在这个衡量标准下运动路程最远的人造物体根本就不是宇宙飞船——而是出现在地球上最早的物体。已知的最早的人造物体是埃塞俄比亚出土的距今已有260万年历史的石器,它所运动的路程达到了约250光年。

相比之下,运动路程最远的宇宙探测器(大概是已经失效的水手10吧,已经在很靠近太阳的轨道上转了几十年)也只有几光日(light-day),而旅行者号连几十光时(light-hour)还不到。

(这里有个费米推算问题,人类学家请听题:以下哪个东西更有可能撞死一个人:一个旧石器时代的石器,随便一艘旅行者号太空飞船还是随便一辆77年的普斯茅斯捷龙旅行车?我希望不会是中间那个,除非……

相对于地球

在这个标准下,埃塞俄比亚石器再次胜出。由于它离赤道挺近,因而在过去的几百万年间它一直随着地球自转而已每秒约460米的速度运动着,至今为止跨过的路程达到了4光年。

相对于地球表面

这下石器的里程表要被清零了。不过这也意味着远离地球表面的太空飞船有些特殊,因为它们相对于地球表面的速度等于地球的自转速度。不过这没关系,因为最后的赢家是先锋一号探测器,它在1958年就进入了太空,至今相对于地球表面运动的路程总计达到约88.88亿千米。

正常的速度,没有那些奇奇怪怪的参考系

首先,让我们先想一些直线前进的东西,这之中就包括了长岛一辆里程达到3百万英里1996年沃尔沃。其他交通工具也有跨越很长路程的——比如远程客机——但最后的赢家很有可能是一个人类。

美联航乘务员Ron Akana在他63年的工作时间里飞过的里程达2000万英里,几乎超过其他任何人;即使是那些一辈子开轮船的人也不太可能达到这个里程。[4][5]

一些火车车厢——或者火车上用的一些东西——可能会把这个记录再往上抬这么一点,但任何交通工具几乎都不可能达到超过1亿英里的里程。

但对于那些转圈的东西就要另当别论了。

我们首先来看硬盘的盘片。[6]一个7200转的3.5英寸硬盘的盘片运动速度在每小时80英里上下。但硬盘的寿命有限——尤其是在持续运行的情况下——但在硬盘挂掉前盘片的边缘的总里程达到几百万英里还是轻松无压力。

能源工业也有一些有力竞争者。风力发电机的叶片尖端的速度可以比汽车更快,而且这些发电机一工作就是几十年。虽然有时风力可能不太恒定,但它们中的一些里程达到几千万英里还是妥妥的。

用来存储能量的飞轮比发电机更加有竞争力。因为飞轮就是被设计来(通常在真空中)转动几十年的,其中转子的速度能超过1马赫。因而很有可能某个地方的飞轮转子边缘的总里程数达到了9位数。[7]

而离心机叶片的尖端,尤其是那些用来铀浓缩的离心机转得更加快——事实上它们的旋转速度几乎达到了材料的极限。

当然了万物都有一个极限旋转速度,超过了这个速度物体就会分崩离析。对于像碳纤维或者凯夫拉这样强度极高的材料来说,旋转筒体外周的最高速度能够达到每秒12千米。[8]假设这些材料和制作工艺只出现于最近半个世纪中,那么一台离心机叶片运动的路程最多也就10亿千米左右——实际的数字肯定要小许多。这也是为什么浓缩铀用的都是钛合金离心机:因为浓缩铀需要极高的转速,而只有少数几种特殊材料的强度才能达到要求。

总的来说,铀浓缩所使用的离心机很有可能是最后的赢家,它的总里程将会高达数亿英里。

多快?

那么,世界上运行的最久的离心机的叶片到底转过了多少路程?

(╮(╯▽╰)╭)

不知道。

通常来说我不会像这样放弃,但如果我有办法准确估计世界某个国家铀浓缩离心机转得多快,运行时间有多久的话,我大概现在就不会在这里写这篇文章了。


(还有那些关于陨石、飓风和冰块的故事!)

不管怎么说,离心机的总里程数(不管按什么方法衡量)是远远不及像埃塞俄比亚石器、国际空间站、水手10旅行者号探测器等人造物体的。

美国人相信汽车每隔3000英里就要换一次机油,这么说来,旅行者号已经错过了数百万次换油了。

(这只是业界的一个谣言而已。)

也许就这样撒手不管让它自生自灭更好一些吧。

  • 1:有几个例外,见注2.
  • 2:它应该不算是最慢的,这个桂冠要颁给伽利略号宇宙飞船。199696日世界时1057分,伽利略号相对于太阳的速度跌至每秒276米,使它很有可能成为有史以来太阳系里最慢的人造物体。
  • 3:一直这样漂下去,除非我们把它抓回来
  • 4:这还不足以击败宇航员。俄国宇航员Valeri Polyakov曾在空间站里呆了一年,个人总里程数是Akana10倍。
  • 5:你可能会说他不算是个人造物体,但他身上总带着什么东西吧。文章里提到他结过婚,那么他的结婚戒指应该配得上这个里程。
  • 6:如果未来的你在读这篇文章的话,硬盘盘片是什么?喔,没关系,这不重要。
  • 7:几亿英里。
  • 8:筒体边缘的最高旋转速度等于比抗拉强度(抗拉强度/密度)开根号。

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Categories