人工重力难吗?理论上不难,实施起来很难

小夏 科学 更新 2024-01-30

三分钟谈科普

要成为一名合格的宇航员,需要经历许多挑战,而“长时间在失重环境中工作”并不是普通人能做到的。

因为长期暴露在失重状态下会引起人体的一系列变化,肌肉萎缩、认知能力下降、失去平衡等,这些都是不可避免的,所以人类要想真正离开地球,走向宇宙,人工重力技术是必不可少的。 我们对“人造重力”并不陌生,因为这项技术经常出现在科幻电影中。 虽然科幻电影中的宇宙飞船都很奇怪,但有一点是一样的:有一种类似圆盘的东西在不断旋转,这就是人造重力系统。

人工重力系统难吗?从理论上讲,这并不难,只要把它调高。

旋转的物体会产生离心力,当然,离心力本身只是惯性的一种表现,不是实力,它是一种虚力,这种说法可以使问题看起来更简单。 由于离心力的作用,旋转系统中的物体会被拉到外壁上,当人在这个旋转系统中时,人相对于旋转系统是静止的,这时,为人旋转的不是系统,而是系统外的整个世界。 因为离心力等同于重力,所以旋转系统内的人会感觉到与真实重力相同的感觉。

如果理论上这么简单,为什么现实中没有实现人工重力系统呢?

制造一个旋转系统很容易,但要成功地模拟与地球相等的重力,必须考虑一件事:旋转速度。 如果旋转系统的半径更短,那么所需的转速会更高,以中国天河空间站的核心舱为例,其直径为42米,如果要模拟地球的引力,那么转速必须达到每分钟二三十转。

在如此高速的空间里,人们没有办法正常移动。

为什么?因为科里奥利效应。 简单地说,一个在旋转坐标系中运动的物体会偏转它的路径,旋转得越快,这种偏转就越明显。 例如,在一个每分钟旋转二三十次的系统中,我们只是试图从椅子上站起来,然后一头栽倒在地,这是科里奥利效应的结果。 没有办法完全消除科里奥利效应,即使在地球这样的大型旋转系统中,物体的运动仍然会偏转,因此北半球的流体会向右移动,南半球的流体会向左移动,大气和海洋环流也会受此影响。

幸运的是,地球足够大,所以这种运动偏转不会对我们的日常活动产生太大影响。

那么对于航天器来说,应该达到多大的直径才能不影响上面人的正常活动呢?根据计算,直径应至少为100米或更大。 然而,这只是把人当成一个点来计算的,其实人不是点,人本身是有高度的。 在直径为100米的圆形旋转系统中,人头和脚的旋转线速度会有明显的差异,这将直接导致人的头和脚处于不同的重力水平下。

在这样的重力环境下,很难正常生存。

因为脚的重力高,头部的重力小,所以流向脚部的血液流回头部需要更大的力。 而且人每弯腰低头,都会直接导致重力环境的变化,所以很容易头晕。 要使这些问题完全消失,需要进一步扩大旋转系统的直径。 以人类目前的能力,要建造一艘直径为100米甚至更大的航天器是非常困难的,仅仅为了将组成这艘航天器的部件分批送入太空,发射数千枚火箭的成本就太高了。

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