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用什么方法可以在宇宙飞船上产生重力?

2021-04-28 07:57

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。

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