如果人類圍繞地球製作一個巨大的圓環,那麼在人類看來它是否就是一個不需要支撐的漂浮物了?
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先假設這個環有某種機制保證其圓心和地球球心重合,一些物理性質足夠強,不會輕易變形,人類也有足夠資源建設它。可以想像成圍繞著地球卻不和地面有直接接觸的高架橋。
我是在幻想一個不再需要持續克服重力做功的飛行器時想到的這個環,在我看來這個環一旦完成後不再需要額外的能源就可以一直飄著。但總覺得這種想法違背了一些超基本的物理常識,可又不知道具體違背了哪些,所以拿來知乎上問,大家盡可嘲諷。
題主你只要移民土星就得到你想要的巨大圓環了,一點也不違背物理常識呢~
如果土星環連成一個整體,就算不運動,也不會掉下去的,因為沒有「下面」可言。
我也開過類似的腦洞,還設計過具體背景和發展過程:
- 可控聚變需要半徑數千公里的巨大加速器才能實現,於是獲得國際能源基金資助的R公司啟動了太空加速器項目,以滿足日趨龐大的能源需求。
- 最初的加速器是分立式的,由環繞地球的一連串空間站接力工作,缺點是很多能量會在接力途中溢散。出於提高聚變反應器的利用效率,以及滿足更高能源功率的需求,R公司空間站的數目飛速增加,但同時控制大量空間站相對位置的成本和失誤風險也隨之指數式提高,R公司開始將空間站之間建立衍架將空間站錨固連接。
- 數十年後,一個圍繞地球的人工環帶形成,長期在太空環境進行維護建設的工人超過千萬。R公司沿環帶建立了超高速懸浮軌道,列車持續高速環行,以實現人工重力,供員工居住。第一批人數達七十萬的太空常住居民出現,並且快速增長,列車加長合龍成環,成為一個適合生存居住的環形空間。
- 太空居民的生活需求刺激了星環建設的爆炸式發展,短短十年,星環的規模高速擴張,各種設施完備,甚至形成了非常單薄但已經能夠穩定運行的生態圈。
- R公司壟斷了全世界能源、通信、航天三大行業,同時擁有了一片太空「領土」和過億常住人口,已成為一個實際意義上的國家。然而相對於地表,太空設施仍然是十分脆弱的,一次超高功率的激光打擊就可以帶來毀滅性的災難。因此儘管此時已經超過國際能源基金協議期限,R公司仍然以公司的名義運營並且以極低廉的利潤為各國提供服務。
- 付出和回報的不平衡使矛盾不斷變得尖銳,但各國對能源的依賴和R公司軍事上的絕對劣勢使雙方都不敢將矛盾升級。R公司開始了第二星環計劃,同時地球也開始建立地面環球加速器。
- 星環受到的限制有:1)必須有足夠的規模,少於萬人的分立空間難以形成穩定分工的社會,多個空間站則會形成各自的利益群體;2)能夠實現聚變反應的加速器半徑下限由最初的8000km降低為4000km,這已經是普遍認為的理論極限;3)居住區域需要持續轉動,重力不能少於地球表面的1/2,才能保證日常活動;3)非居住區域不轉動或者低速轉動,在中心行星引力作用下提供向心的牽引,避免環帶在高速旋轉形成的張力下斷裂。由於以上原因,星環只能依託地球、火星或者金星建立。
- 地面加速器受到的限制有:1)維持高真空度的持續成本;2)氣候、地理、海洋活動帶來的環帶變形;3)工程一期建設量龐大,漫長的建設期間沒有任何產出;4)各國對運營權的爭奪,以及利益分歧、人文環境組織帶來的阻撓破壞。
- 所以第二星環項目遲遲未能啟動,地面加速器在支撐結構剛剛完成一成後便宣告夭折,雙方還是爆發了戰爭……
- 地面反R聯盟初期設想是對居住區實施遠程激光打擊,但禁止使用破壞力過於強大的武器導致星環斷裂解體,解除大部分戰鬥力後,空天飛機編隊強行登陸星環並接管。戰前推演認為,登陸戰將成為非常殘酷的絞肉機。星環的航天技術比己方高出整整兩個時代,並且己方將艦隊送出大氣層需要耗費大量資源,其間還要受到敵方的攔截騷擾,艦隊的調動支援會非常艱難。
- R公司的設想是將居民區(此時已達三億居民)移到背向地球的區域,利用強大的經濟力量組建的軍隊把主戰場拉向大氣層內,拖入持久戰,令敵方陷入能源枯竭而崩潰。其間有人提出進入全面戰備,停止居民區的運轉,讓星環整體繞地球旋轉運行;但是多數人不願接受未知期限的沒有重力的生活,提議被斥為軍國思維,在各方的壓力下未能通過。
- 戰爭爆發後,地面反R聯盟在一周內成功摧毀了星環朝向地球一面的所有設施,並以小股太空艦隊從外側實施了幾次打擊,但是沒有成功傷害到R公司的戰略設施。另一方面,空天飛機主艦隊被R公司以大氣層為「天險」牢牢壓制,正面戰場陷入僵持。
- R公司的地面部隊雖然有重金組建的堪稱「豪華」的軍隊,以及信息戰的壓倒優勢,但戰術屢屢失誤,本來就規模有限的軍隊受到幾次重創,戰意低沉。
- 與此同時,地面各國能源告急,一些國家向R公司暗中提供軍事力量的支持以換取能源,逐漸公開化,最終演變成為地面國家間的戰爭。即使在反R聯盟國家,各種渠道的能源走私也從未停止。
- 戰局對R公司及其盟國一方逐漸變得有利,反R聯盟束手無策,國內政治壓力越來越大。某國孤注一擲,在未告知其盟友的情況下,對星環實施高強度打擊,星環斷裂,居住區衝出軌道並被拋離地球,僅余不到五千萬人成功脫離;非居住部分墜入大氣層。
- R公司聯盟分崩離析,全球由於巨大的能源缺口陷入大蕭條,糧食工廠由於無法承擔高昂能源成本讓步於傳統農業,僅僅相當於21世紀初的糧食產能要供應超過四百億的人口,戰爭和饑荒席捲全球,延續長達二十年,許多國家從此消亡,許多新興勢力興起,人類進入史無前例的黑暗時代。而影響更為深遠的是,人們對外太空的本就不多的熱情遭到了重創,此後數百年,再沒有地球人類越過同步軌道。
- 仍滯留於地球軌道上的原星環居民則被判以反人類罪,成為地球上所有國家的敵人,禁止返回地球。數千萬人匆匆收集部分可利用的資源,遠離地球,經過漫長的加速和變軌,最終成為了第一批火星殖民者,第二個走出地球的人類文明。
- 為什麼是第二個呢?之前被拋出軌道的R公司居民有三十萬人頑強的活了下來,沿雙曲線軌道遠離太陽。當緊急自救結束後,這三十萬人又發生了分歧。其中二十餘萬人利用剩餘的能源調整航向,進入木星和土星之間的環日軌道,若干年後進入木星軌道,利用木星及其衛星的豐富資源建設了第二星環,(被迫)適應了無重力的生活,隨後啟動了第三、第四星環的建設,最後成為一個漂浮於木星軌道的城邦制國家。
- 還有不足七萬人將能源用於維生系統的建設,一直向太陽系外航行,十年後,遠航人類已穿過柯伊伯帶,陽光幾乎無法再提供能源,大部分人不得不進入冬眠。直到半個世紀過後,真空能反應器試製成功,人們得到充足的能源,但是物資的短缺使得返航仍然遙遙無期。由於生存空間的限制,遠航人類的人數始終未超過二十萬人。一百年後,意識上傳技術得到完善,第一個脫離了生物基礎的人類社會形成,硬體技術隨之飛速升級,最終成為一個建立最晚但發展速度以毫秒計的人類文明。
沒有問題,這個理想模型沒有違反任何物理規律……做做受力分析就知道了
不過實現起來極其困難,做個簡單計算
忽略環的粗細,設整環質量為m,環處引力加速度為g
由對稱性可以判斷環內有壓應力且處處相等,假設為F
從環上截角度為a的一段無限短弧,則有
2F·sin(a/2)=amg/2pi
a足夠小時sin(a/2)~a/2,於是可得F=mg/2pi
也就是說這個環的截面處要承受相當於環的質量對應的重力的1/6的壓力,這可是非常大啊……
我希望這個圓環造的夠高,不然我可不想看到一個在我身邊高速旋轉的「漂浮物」。
《光環》不是就有這玩意兒嗎
亞瑟·克拉克有一部《天堂的噴泉》的小說,就是在描繪題主所說的情況。給地球帶上項鏈,這可是很多科學家的夢想。
地球本身不就是一個不需要支撐的漂浮物?請搜索戴森球,那可能是人類以後在太空的生存環境。
我覺得它是會飄著的,只要質心位置合適,理想狀況下。
姓黃的那個人的話我並不是很贊成 你說的那些圓環會掉落
圓環 地球都是旋轉的 可知旋轉的物體 不管你規格不規格 只要是旋轉的 那麼他們的圓心受力都不受影響的 所以圓心不會偏離地球 也不會受到地球引力往地球墜落啊
如果環本身在旋轉,就像衛星一樣,這個時候可看出無數的小衛星,所以是的。
另外一種情況,假設假設的時候是旋轉的,拼起來之後通過制動變成不旋轉的,這個時候就有點像那些大型拱橋一樣,如果環本身結構材料足以支撐引力的話,也是不需要支撐物的
這個問題其實很簡單,把大圓環分解成無數個同心的小圓環,每個小圓環的寬度可以忽略,對小圓環進行受力分析可以知道地球對它的作用力的合力為0,所以整體看來大圓環受到的的合力為0(不考慮其他星體的引力作用),但是,只要大圓環做的不圓或者圓心偏離了地球,它就會受到地球引力往地球墜落,所以誰會做一個這樣的可能掉下來砸壞地球而沒有任何作用的道具呢?何況地球並不是標準的球體,所以圓環墜落下來的可能更大了,如果考慮月球的影響,我說什麼好呢。
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