如何在太空中创造人造重力？旋转航天器与离心力的科学原理解析

xinxi1368

太空中是否有可能产生重力？如果是这样，应该怎么办？如果没有，是不是因为我们缺少什么？

在太空中，可以通过旋转航天器或空间站来产生“人造重力”。当空间站旋转时，离心力将人向外拉，这个过程可以用来模拟重力。但它不会完全相同，因为科里奥利力更大（描述旋转系统中由于相对于旋转系统产生的直线运动的惯性而沿直线运动的质点的偏转。科里奥利力来自物体运动惯性的力也会出现，因此轨迹会变成曲线而不是直线。

问：我正在阅读有关太空殖民的文章，并看到一些圆柱形空间站内部的图片。里面有很多层土地，所以如果你站在其中一层向上看，你就会俯视你上面的人。此时重力是如何发挥作用的呢？你上面那层的重力不会把你拉起来吗？

答：如上所述，在空间站上产生人造重力的一种可能方法是使用旋转系统（例如旋转圆柱体、圆环体或球体）。从技术上讲，旋转可以具有与重力相同的效果，因为它产生的离心力有点类似于重力。通过调整空间站的某些参数，例如半径和旋转速率，可以在外壁上产生相当于重力的力。

这有点像在游乐园里。其中一个项目是，你进入一个有很多人的大圆柱体，每个人都靠墙站着。然后圆柱体旋转，产生一种力，让您感觉自己被压在墙上。每个人都会感觉自己被粘在房间的墙壁上，然后地板就会消失。但没有人掉下来，因为他们被旋转的力固定在墙上。另一个例子是将一桶倒置的水在你的头上旋转。如果你把水桶转得足够快，水就追不上你。

在旋转空间站中，人们也会被“卡”在外墙上，但通过类似于重力的力，使他们能够在外墙上移动。旋转圆柱体外部各处的力都是相同的，因此根据设计，人们可能看起来像是倒挂在天花板上！

你周围的人的重力不会产生明显的影响。确实，所有具有质量的物体都会对其他物体产生引力效应，但除非质量非常大（如地球），否则这种效应会四舍五入到可以忽略不计的效果。空间站上的人不会影响空间站上其他人的人造重力，就像他们不会影响地球上的重力一样。

问：除了旋转整个城市之外，还有其他方法可以在太空城市中制造人造重力吗？

答：根据目前的知识，质量是物质之间产生引力的唯一原因。有质量的物质具有一定的引力，并与其他有质量的物质相互作用。重力不是通过在太空中旋转城市而产生的，只是模拟了重力。假设这座城市是圆形的，并且旋转得足够快，那么其中的一切都会感觉有一股力量将它们向外拉，但这将是离心力而不是重力。大多数时候它会以类似的方式工作，但不完全一样。例如，如果您从非常“高”的地方（靠近环中心）扔东西，它不会直接落到其正下方的地面上。因为当下落的物体向“地面”运动时，地面同时在旋转。这种现象有时被解释为科里奥利力。如果你读过 C. 的小说《与罗摩》，他描述了一座利用旋转来模拟重力的城市，甚至还谈到了它的天气状况。

问题：可以在一个表面上均匀地产生重力吗？也许通过使用引力子？

答：引力子是理论上可以承载重力的粒子，就像光子（光粒子）被认为承载电磁力一样。与宇宙中的其他力相比，引力非常弱，因此其承载力的粒子很难被探测到。目前还没有人探测到引力子，而我们知道创造引力子的唯一方法就是拥有质量，如上所述。因此，从表面均匀产生重力的唯一方法是让该表面具有巨大的质量！

问：我不明白利用离心力在太空中旋转的东西是如何工作的。体重不是一定要达到一定标准吗？不然脚下的地板不就滑倒了吗？如果地板和墙连在一起，你不会被扔到上面吗？我所能理解的是，你的身下有某种持续的加速度，将你推向一个方向，使你保持直立。

答：你要明白，离心力的关键是质量。一块砖在地球表面的质量与在深空的质量相同。重量是由于重力而产生的某种感觉力：因此砖块在地球表面附近的重量比在深空中的重量要大得多。现在我们已经解决了这个问题，让我们来谈谈离心力。

我可以理解你为什么感到困惑：如果我理解正确的话，你想象的是一名宇航员漂浮在固定空间站内并且没有接触任何东西。当空间站开始旋转时，似乎不会对宇航员产生任何影响，对吗？这是正确的！如果没有任何东西对宇航员施加力，他们就会随着空间站的旋转而漂浮。

但空间站并不是空的。里面有空气，正如你所说，还有墙壁和其他障碍物。当空间站开始旋转时，其内部的空气将开始随之移动，因此即使周围没有其他东西，周围空气的轻微推动力也会使宇航员移动。一旦宇航员开始移动，他们接触旋转空间站的外缘只是时间问题，而外缘很快就会变成地板。

现在让我们考虑一下离心力是如何工作的。还有另一种思考方式，就像我接下来要描述的那样，这使得它看起来根本不像真正的力量！好吧，那么什么是力呢？力使有质量的物体加速。上面我们定义了质量，那么什么是加速度呢？用最简单的定义来说，加速度是物体速度或方向的变化。因此，当我们的宇航员被空间站内的某个物体推动，并且该物体与空间站本身一起旋转时，宇航员现在将朝某个方向漂移。物理定律表明，宇航员将沿直线行进（没有加速度时），直到出现新的力为止。

如果你是一名宇航员，在圆形旋转空间站内沿直线行进，最终直线会与“地板”相交。当这种情况发生时，你的身体试图保持直线运动，但它被地板阻挡，所以地板给你一个向内的推力和一个沿着其运动方向的力。地板施加力，进而产生加速度。

您可能已经知道接下来会发生什么。当宇航员被旋转的地板击中时，他们最终会以相同的速度行进。但请记住，加速度是速度或方向的变化！如果从远处看，宇航员似乎沿着圆形空间站的曲线行驶。为了遵循弯曲的路径，必须有加速度来转动宇航员的路径，因此它必须是强大的。那么力的方向呢？如果您是一名宇航员，您将站在旋转空间站的地板上，双脚从旋转轴指向外侧。感觉就像地板在推着你的脚一样，所以这个力实际上是向内的，朝向中轴的！

头晕的？嗯，这样想吧。当你站在地面上时，重力指向什么方向？向下。那为什么不直接掉到地心呢？因为地球表面以相同的力推动你的鞋子，但方向相反！在空间站中也是同样的情况：离心“力”似乎将物体向外推，但空间站提供了相反的向内推的“向心力”。

最终结果是，这感觉类似于在行星表面行走（如果空间站以正确的速度旋转）。

参考

1.王家百科

2. 天文学术语

3. 瑞安 - .astro。