空间站想要通过旋转在太空中完美地模拟地球表面的重力(即标准重力),就必须使“离心力”与之相等,重力可用公式F=mg来描述,“离心力”可用公式F=mrω^2来描述,其中m代表物体的质量,g代表地球表面的重力加速度(9.8m/s^2),r代表旋转半径,ω代表角速度。 角速度又可用公式ω=2π/t来描述,其中t代表旋转系统转一圈所需要的时间(单位为秒),经过简单地推导,我们可以得出这样一个公式:根号下(9.8/r)=2π/t,这可以帮助我们描述当空间站产生的人工重力与地球表面重力相等时,其旋转半径与旋转速度之间的关系。 例如当r等于10米的时候,t就等于6.35秒,也就是说,我们只需要建造一个旋转半径为10米的空间站,并让它每6.35秒旋转一圈,就可以产生标准重力的效果。但真有这么简单吗?答案是否定的。 首先就是人工重力的梯度问题,由于“离心力”的大小与旋转半径是正比例关系,而人类是有身高的,因此旋转半径越小,人类的头部和脚所受到的人工重力的差距就会越明显。除此之外,“科里奥利力”对人类的影响也不可小觑。 由于惯性,在旋转体系中进行直线运动的物体会具有沿着原有运动方向继续运动的趋势,但旋转体系本身又在旋转,所以如果旋转体系的视角去观察,就会发现该物体并没有走直线,就好像这个物体受到了某种力的作用一样。 这种力就被称为“科里奥利力”,需要指出的是,“科里奥利力”本质上依然是物体惯性的体现,所以这也是一种虚拟的力。很明显,人类只要在旋转的空间站里运动,就会受到“科里奥利力”的影响,而因为其大小与旋转速度是正比例关系,所以旋转速度越高,人类受到的影响就越大。 这就意味着,一个旋转半径过小,或者旋转速度过快的空间站是不适合人类的,如果人类身处这种空间站里,轻则会出现眩晕、恶心以及方向识别障碍,重则直接昏迷。所以我们必须建造一个旋转半径足够大的空间站,并将其旋转速度限制在人类可以接受的范围内,具体是多少呢? 相关研究表明,当旋转速度低于30秒/圈时,“科里奥利力”对人类的影响就可以忽略不计,根据前面的公式可以计算出,在这种情况下,旋转半径需要达到大约224米才可以产生与标准重力相当的人工重力。 从技术的角度来看,这种使用人工重力的空间站是可以制造出来的,在过去的日子里,科学家也曾经尝试过设计使用人工重力的空间站,但最终都放弃了,为什么呢?原因就是资金预算太过巨大。
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为什么空间站没有使用人工重力?
发布人:蓝海商信用户