是否可以用離心力代替重力?

時間 2021-05-12 02:07:41

1樓:高原獵鷹

用離心力可以有限地代替重力,但是在活動中可能會產生運動方向不同而產生重力也不同的現象,甚至重新失重,這種現象是無論多大的直徑都無法避免的。

2樓:英年早肥

可以。高票回答說的很清楚了,例子也不錯,存在的問題也說的很好,最大的問題恐怕是距離圓心不同距離時模擬的重力大小不一。

星際穿越裡就是這辦法。為了獲得同樣大小的「重力」,宇航飛船的大小不能太小,我們目前技術還搞不定那麼大的星際飛船。

3樓:Mandelbrot

可以用離心力來產生人工重力。這也許是目前已知唯一可行的方法。

在上圖的場景中,轉盤帶動著貓以角速度 ω 旋轉。從老鼠的角度觀察,貓在做圓周運動,所以它受到乙個指向圓心的向心力

其中,m是貓的質量,r是貓到圓心的距離, ω 是旋轉的角速度。這個向心力是轉盤的外壁施加在貓身上的。

讓我們轉到貓的視角。貓把自己當做參照系,所以它認為自己是靜止的。它感覺有乙個力在把自己向外面推,而轉盤的外壁給自己同樣大小,但是方向相反的力(即向心力)。

兩個力互相抵消,所以,它可以安然無恙的坐在轉盤上。於是,貓把向外推自己的力叫做離心力。由於離心力的作用,貓不得不緊緊靠在轉盤的外壁上。

顯然,離心力其實並不存在,它只是貓把自己當成參照系後感受到的乙個虛擬的力 。

下面我們把這個轉盤搬到沒有重力的太空中去。

現在,貓同樣感受到離心力把自己壓向轉盤的外壁,而外壁向自己提供方向相反,大小相等的支撐力。所以,在這個失重的環境下,貓還能穩穩地站在外壁上。這時候,貓的感覺和在地球上是一樣的:

重力把它往下拉,而地面給它乙個相同大小的支撐力,讓它可以穩穩地站在地上。

所以,在太空中,離心力是可以提供人造重力的。

以上只是簡單的分析,你也許想知道真實的實驗中,離心力能否起到重力的效果。

NASA曾經僱傭了貓和老鼠做過這樣的試驗。

這是乙個安裝在地面上的水平轉盤。從圖中我們可以看到穿桔紅色衣服的貓和穿灰色衣服的老鼠。貓身上裝有支架,可以抵消重力(真正的重力)。這樣貓基本上就處於失重的狀態了。

當轉盤開始旋轉,貓就可以穩穩的站在外壁上,甚至可以在外壁上行走。從老鼠的角度來看,這簡直就是飛簷走壁了。

如果旋轉停止,貓就會飄起來——我們可以把它理解為另乙個方向上的失重。

也許你仍然不滿意:這只是在地球上的模擬實驗,我要看真正的太空實驗。這也沒問題。2023年美國在雙子座11號任務中進行了這樣一次試驗。

兩個太空艙以30公尺長的纜繩相連,相互圍繞旋轉,然後太空人在太空艙中觀察是否能產生人工重力。太空實驗總是十分笨拙的,所以他們只能讓太空艙每分鐘旋轉0.15圈。

然而,試驗還是成功的,他們觀察到物體緩緩向太空艙底部墜落。這次試驗得到的人工重力相當於地球重力的0.0005倍。

問題於是變得很簡單了。這種方法提供的重力加速度是

有了這個公式,我們就可以計算要產生和地球相等的重力(9.8公尺/秒^2),需要什麼樣的旋轉引數。比如,乙個半徑10公尺的太空艙,它只需要每秒轉0.16圈(或者每分鐘10圈)就行了。

電影《2001太空漫遊》裡面表現的就是這種通過旋轉產生人工重力的方法。

但是,問題遠遠沒有這麼簡單。如果你真的在乙個半徑10公尺小型太空艙中製造人工重力,你就會發現,另乙個虛擬的力跳出來找你的麻煩了。

回到貓和老鼠的例子。這次它們站在轉盤兩邊,老鼠把乙個球向貓扔過去。球沿著直線前進,但是,當球到達轉盤另一側的時候,貓已經被轉盤轉走了,所以它不能接到球。

貓把自己當做參照系。在它看來,球走了一條奇怪的曲線,好像有乙個看不見的力在推動它改變方向。

這個並不存在的力叫科里奧利力。地球自轉同樣產生科里奧利力,它是地球上不同風帶形成的主要原因。

科里奧利力的大小和以下因素成正比:1)物體在旋轉參照系中的相對速度和,2)轉盤的角速度。如果你在乙個人造重力系統中運動,你就會感受到科里奧利力的效果。

比如,當你在轉盤上行走時,就會發現你的路線歪歪斜斜,就像上面那個球。能不能站得穩就看你的平衡能力了。如果你順著旋轉方向跑,你會發現自己變得很重。

甚至,當你從椅子上站起來的時候,這個微小的速度也會產生科里奧利力推動你的上半身,讓你跌倒。

如果我們不能把太空人都限制在自己的座位上,就不能不考慮科里奧利力的影響。辦法只有乙個:限制旋轉的速度。回顧前面的公式,人造重力能提供的重力加速度

角速度是直接影響重力加速度大小的。如果旋轉的角速度被限制了,我們只能設法增加飛船的半徑。所以,太小的飛船是不適合用旋轉的方式來產生人工重力的。

此外,飛船半徑太小產生的另乙個問題是重力差。由於人工重力的大小與旋轉半徑成正比,所以,人體的不同部分受到的重力不一樣:上半身收到的重力比下半身小。

在這種情況下,血液會流向下半身,嚴重的話會引起大腦缺氧或昏迷。

考慮到這些因素,上面那個《2001太空漫遊》中的旋轉太空艙,尺寸應該小了點。

以人類現在的技術和經濟實力,要建造足夠大的空間站或太空船都是不可能的。

不過不要著急,不一定要有圓環或圓柱才能轉。我們大可採用一些簡陋的設計,就像上面那個雙子座11號的例子。在NASA科學家羅伯特祖柏林制定的《直達火星》計畫中,就採用了類似的方法。

他建議把飛船分成兩個太空艙,中間用纜繩鏈結。然後,太空艙發動自己的推進器,讓它們相互圍繞旋轉,產生人工重力。買一根足夠長的纜繩肯定比修建大型飛船便宜得多。

這樣,兩個太空艙就可以駕著筋斗雲,一路奔赴火星去也。

因為離心力的影響,高海拔地區稱體重是否有優勢?

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