用什么方法可以在宇宙飞船上产生重力?

bdqnwqk6个月前问题8

人造重力的意义极其重大。人类不可能永远待在地球上,宇宙旅行势必是长期的。依靠虫洞进行宇宙旅行在目前看来并没有可行性,如果人类未来1000年移居外太空就亟待解决人造重力问题。

除了,暗物质,负能量这些遥遥无期的技术。目前为止,理论上只有三种办法可以人为制造重力。

最可行就是依靠离心力模拟重力其实离心力在高中并未涉及过多,因为它和惯性力一样,只是个虚拟力。其目的就是在“平衡”参考系内的物体受力问题。

离心力对应的力是向心力。大家可以想象一个场景。现在有一个巨大的圆盘,直径10米,你可以坐在圆盘上。

如果此时圆盘以低速转动,那么你除了一开始能感受到身体倾斜,等匀速转动后,你就可以静止坐在圆盘上了。

如果在圆盘外面的人观察你,他会说,你受到了圆盘给你的摩擦力,这个力指向圆盘中心点,正是它拽着你旋转,这个力就是向心力。

可是换个参考系,坐在圆盘上的你感受不到自己受力了。因为你以圆盘为参照物会发现自己是静止的。如果外面的人大声告诉你:你受到了圆盘的向心力,而你自己却认为自己静止。那么你的脑海中就会设想:自己受到了与圆盘向心力相反的力并与其抵消了,其实这就是你为了解释自己静止不动而虚拟的假想力。

同样地,我们可以让飞船旋转,制造离心力。在飞船内部的人,感受到这种离心力就相当于重力。我们可以调节旋转的速度和力矩,把这种离心加速度模拟到9.8m/s²。这样宇航员就会感觉自己站在地面一样了。

第二种方式就是应用等效原理的加速度制造重力广义相对论中的等效原理告诉我们:当飞船以9.8m/s²的加速度飞行时,其里面的人就会和站在地面上同样的感觉。但是这种方式并不持久,因为一直维持飞船的加速需要巨大能量,考虑到狭义相对论的质速关系。

一直加速会导致其飞船质量越来越大,维持其加速用到的能量就成指数爆炸式增长,越接近光速其需要的能量越呈指数增长。别说可控核聚变,就是用上全宇宙的物质作为可控核聚变的燃料都不能冲破光速。所以这种方式几乎没有可行性。

第三种方式很笨,就是制造大质量高密度飞船人可以制造一个大质量高密度飞船,把驾驶舱设在飞船顶部。

我们知道星球表面的的重力加速度g=G*M/(r^2)。由此我们可以得知,星球表面的重力加速度与其质量成正比,与半径的平方成反比。这种方式其实理论上并不可行,即便飞船的质量算成1万吨。要模拟出地球的重力加速度,其飞船半径就得r=(6.754×10^(−11)×10,000,000/9.8)½≈0.02625m的半径。

飞船半径才2.6cm,那怎么坐人?放个蚂蚁还差不多,所以这种方式更不靠谱。除非飞船的质量达到数亿吨才不至于使其半径很小。

01吃饭不一定需要重力人能把东西吃进去,并不是因为重力——或者说不主要是重力——而是你的食道上的肌肉。

我们躺着也能喝水和吃东西,这就是证明,因为主要是肌肉产生压力将食物“压”进胃里。

刚出生几个月的小宝宝,由于食道肌肉力量不足经常发生吐奶的现象,我作为一个奶爸,每次都很心疼,深有体会。

所以,在太空吃饭,通常是用“挤”的——可以想象吃果冻或者袋装的牛奶的样子——而不是用“倒”。

如下图,太空食品:

02到底是更困难还是更容易?在太空吃饭不容易,最主要的不是因为失重,而是因为气压、环境不适应等因素。

抛开不适应的因素,从某种程度来说,在太空失重的环境下,我们吃饭更容易了呢!

比如,我们倒立着也能吃东西!横着更不在话下!

又比如,我们可以让食物自己悬浮在空中,然后一口一个!

当我们渴了,可以从空中吸一口饮料——当然,不能是可乐之类的碳酸饮料哦!

03什么是重力?在太空中待久了,当我们厌倦了“飞来飞去”的生活,想要吃一顿“正常”的饭,如何能够获得重力呢?

这里要先搞清楚一个问题:什么是重力?

很多人认为重力就是引力,其实不然。

重力其实只是一种感觉——一种“被支撑”的感觉!

重力其实是支持力的体现!

比如你在空中下落的时候,是感觉不到重力的,但引力依然存在。

也就是说,你从台阶上跳下来的过程,是处于完全失重状态的,和宇航员在太空差不多!只不过宇航员是在一直“往下掉”,永远不停。

当你落地后,地面又对你产生支撑,那么你就又感觉到自己很“重”——重力又回来了!

所以,我们只需要飞船能过支撑着我们——或者反过来说,我们要紧紧压在飞船上——这样就产生了重力!

那么,靠什么能把你“压”在飞船上呢?

04把你“压”在飞船上的方法有人说,我使劲趴在飞船上不就行了?

注意,在失重的飞船上,你连倒立都不会有任何感觉,你觉得靠“趴”能紧紧贴住飞船么?

既然“趴”着不行,那么,要用什么方法呢?

主要有以下几种方法:

第一种方法,让飞船朝着一个方向加速,加速度就是你所感受到的重力加速度(因为支持力N=ma)。

第二种方法,让飞船沿着中轴转动,向心加速度就是你感受到的重力加速度(同样因为支持力N=ma)。

从以上两种方法来看,更加能体会“重力其实是支持力的体现”这句话的内含了吧?

第三种方法,等我们找到了“引力子”,甚至“反引力子”,直接产生引力,把你吸在飞船上!

当然,第三种方法目前还没什么谱。爱因斯坦生前的最后追求,就是能搞出一个“大一统理论”,把引力相互作用和弱电相互作用,强相互作用统一到一起,而最难统一的,就是引力了!