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是否可以用离心力代替重力? 第1页

  

user avatar   mandelbrot-11 网友的相关建议: 
      

可以用离心力来产生人工重力。这也许是目前已知唯一可行的方法。


在上图的场景中,转盘带动着猫以角速度 ω 旋转。从老鼠的角度观察,猫在做圆周运动,所以它受到一个指向圆心的向心力

其中,m是猫的质量,r是猫到圆心的距离, ω 是旋转的角速度。这个向心力是转盘的外壁施加在猫身上的。

让我们转到猫的视角。猫把自己当做参照系,所以它认为自己是静止的。它感觉有一个力在把自己向外面推,而转盘的外壁给自己同样大小,但是方向相反的力(即向心力)。两个力互相抵消,所以,它可以安然无恙的坐在转盘上。于是,猫把向外推自己的力叫做离心力。由于离心力的作用,猫不得不紧紧靠在转盘的外壁上。

显然,离心力其实并不存在,它只是猫把自己当成参照系后感受到的一个虚拟的力 。

下面我们把这个转盘搬到没有重力的太空中去。

现在,猫同样感受到离心力把自己压向转盘的外壁,而外壁向自己提供方向相反,大小相等的支撑力。所以,在这个失重的环境下,猫还能稳稳地站在外壁上。这时候,猫的感觉和在地球上是一样的:重力把它往下拉,而地面给它一个相同大小的支撑力,让它可以稳稳地站在地上。

所以,在太空中,离心力是可以提供人造重力的。

以上只是简单的分析,你也许想知道真实的实验中,离心力能否起到重力的效果。

NASA曾经雇佣了猫和老鼠做过这样的试验。

这是一个安装在地面上的水平转盘。从图中我们可以看到穿桔红色衣服的猫和穿灰色衣服的老鼠。猫身上装有支架,可以抵消重力(真正的重力)。这样猫基本上就处于失重的状态了。

当转盘开始旋转,猫就可以稳稳的站在外壁上,甚至可以在外壁上行走。从老鼠的角度来看,这简直就是飞檐走壁了。

如果旋转停止,猫就会飘起来——我们可以把它理解为另一个方向上的失重。

也许你仍然不满意:这只是在地球上的模拟实验,我要看真正的太空实验。这也没问题。1966年美国在双子座11号任务中进行了这样一次试验。

两个太空舱以30米长的缆绳相连,相互围绕旋转,然后宇航员在太空舱中观察是否能产生人工重力。太空实验总是十分笨拙的,所以他们只能让太空舱每分钟旋转0.15圈。然而,试验还是成功的,他们观察到物体缓缓向太空舱底部坠落。这次试验得到的人工重力相当于地球重力的0.0005倍。

问题于是变得很简单了。这种方法提供的重力加速度是

有了这个公式,我们就可以计算要产生和地球相等的重力(9.8米/秒^2),需要什么样的旋转参数。比如,一个半径10米的太空舱,它只需要每秒转0.16圈(或者每分钟10圈)就行了。

电影《2001太空漫游》里面表现的就是这种通过旋转产生人工重力的方法。

但是,问题远远没有这么简单。如果你真的在一个半径10米小型太空舱中制造人工重力,你就会发现,另一个虚拟的力跳出来找你的麻烦了。

回到猫和老鼠的例子。这次它们站在转盘两边,老鼠把一个球向猫扔过去。球沿着直线前进,但是,当球到达转盘另一侧的时候,猫已经被转盘转走了,所以它不能接到球。

猫把自己当做参照系。在它看来,球走了一条奇怪的曲线,好像有一个看不见的力在推动它改变方向。

这个并不存在的力叫科里奥利力。地球自转同样产生科里奥利力,它是地球上不同风带形成的主要原因。

科里奥利力的大小和以下因素成正比:1)物体在旋转参照系中的相对速度和,2)转盘的角速度。如果你在一个人造重力系统中运动,你就会感受到科里奥利力的效果。比如,当你在转盘上行走时,就会发现你的路线歪歪斜斜,就像上面那个球。能不能站得稳就看你的平衡能力了。如果你顺着旋转方向跑,你会发现自己变得很重。甚至,当你从椅子上站起来的时候,这个微小的速度也会产生科里奥利力推动你的上半身,让你跌倒。

如果我们不能把宇航员都限制在自己的座位上,就不能不考虑科里奥利力的影响。办法只有一个:限制旋转的速度。回顾前面的公式,人造重力能提供的重力加速度

角速度是直接影响重力加速度大小的。如果旋转的角速度被限制了,我们只能设法增加飞船的半径。所以,太小的飞船是不适合用旋转的方式来产生人工重力的。

此外,飞船半径太小产生的另一个问题是重力差。由于人工重力的大小与旋转半径成正比,所以,人体的不同部分受到的重力不一样:上半身收到的重力比下半身小。在这种情况下,血液会流向下半身,严重的话会引起大脑缺氧或昏迷。

考虑到这些因素,上面那个《2001太空漫游》中的旋转太空舱,尺寸应该小了点。

以人类现在的技术和经济实力,要建造足够大的空间站或太空船都是不可能的。

不过不要着急,不一定要有圆环或圆柱才能转。我们大可采用一些简陋的设计,就像上面那个双子座11号的例子。在NASA科学家罗伯特 祖柏林制定的《直达火星》计划中,就采用了类似的方法。他建议把飞船分成两个太空舱,中间用缆绳链接。然后,太空舱发动自己的推进器,让它们相互围绕旋转,产生人工重力。买一根足够长的缆绳肯定比修建大型飞船便宜得多。这样,两个太空舱就可以驾着筋斗云,一路奔赴火星去也。




  

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