如何製造人工重力?為什麼空間站沒有使用人工重力?

雖然太空中的失重是一種非常奇妙的體驗,但是如果人類長時間地呆在失重的環境裡,身體就會出現各式各樣的問題,例如肌肉萎縮、骨密度下降等等,所以人類想要真正地進入星辰大海,就必須要有人工重力技術才可以。

如何製造人工重力?

其實製造人工重力的方法早就有了,早在100多年前,被人們譽為航太之父的齊奧爾科夫斯基就提出,我們可以利用物體旋轉所產生的「離心力」來模擬重力。需要注意的是,「離心力」為了方便描述非慣性參考系而引入的一種虛擬力,其本質是物體慣性的體現。

如上圖所示,當我們用繩子牽引著一個水桶圍繞著自己以一定的速度旋轉時,水桶裡的水是不會灑出來的,而之所以會出現這樣的現象,就是因為水桶裡的水受到了「離心力」的作用。

同樣的道理,如果我們把太空中的空間站做成環形,並讓它旋轉起來,那麼身處其中的人類也會感受到「離心力」將自己「推」向空間站的外壁,而人類通常都是將自己當作參考系(即默認自己是靜止的),在這種情況下,人類就可以穩穩地站在空間站的外壁上,就像感受到重力一樣。

從理論上來講,用「離心力」來模擬重力是完全行得通的,在一些科幻作品中也出現過這種空間站。然而在現實世界中,儘管人類也擁有空間站,卻都沒有採用這種設計,這是什麼原因呢?

為什麼空間站沒有使用人工重力?

空間站想要通過旋轉在太空中完美地模擬地球表面的重力(即標準重力),就必須使「離心力」與之相等,重力可用公式F=mg來描述,「離心力」可用公式F=mrω^2來描述,其中m代表物體的質量,g代表地球表面的重力加速度(9.8m/s^2),r代表旋轉半徑,ω代表角速度。

角速度又可用公式ω=2π/t來描述,其中t代表旋轉系統轉一圈所需要的時間(單位為秒),經過簡單地推導,我們可以得出這樣一個公式:根號下(9.8/r)=2π/t,這可以幫助我們描述當空間站產生的人工重力與地球表面重力相等時,其旋轉半徑與旋轉速度之間的關係。

例如當r等於10米的時候,t就等於6.35秒,也就是說,我們只需要建造一個旋轉半徑為10米的空間站,並讓它每6.35秒旋轉一圈,就可以產生標準重力的效果。但真有這麼簡單嗎?答案是否定的。

首先就是人工重力的梯度問題,由於「離心力」的大小與旋轉半徑是正比例關係,而人類是有身高的,因此旋轉半徑越小,人類的頭部和腳所受到的人工重力的差距就會越明顯。除此之外,「寇里奧利力」對人類的影響也不可小覷。

如上圖所示,由於慣性,在旋轉體系中進行直線運動的物體會具有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢,但旋轉體系本身又在旋轉,所以如果旋轉體系的視角去觀察,就會發現該物體並沒有走直線,就好像這個物體受到了某種力的作用一樣。

這種力就被稱為「寇里奧利力」,需要指出的是,「寇里奧利力」本質上依然是物體慣性的體現,所以這也是一種虛擬的力。很明顯,人類只要在旋轉的空間站裡運動,就會受到「寇里奧利力」的影響,而因為其大小與旋轉速度是正比例關係,所以旋轉速度越高,人類受到的影響就越大。

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