現在的太空題材電影里,飛船都會通過旋轉來獲得重力,這是什麼原理?

現在的太空題材電影里,飛船都會通過旋轉來獲得重力,這是什麼原理

1、你並不能直接感覺到引力/重力

我們站在地表,重力是地球引力的一個分力,另一個分力使得我們得以隨著地球自轉(畢竟地表並不是慣性系)。但我們站立時,能直接感覺到的只有一個來自於接觸面(通常是腳底)的支持力。失去或減小這個支持力我們就會有一種墜落的感覺,俗稱失重。這是由於重力均勻作用於我們全身,而支持力只作用於接觸面,需要通過人體組織層層傳遞才能(在整體上)與重力平衡。二力平衡使得我們靜止於地表,也使得我們在豎直方向上收到一定的擠壓。我們習慣了這種擠壓,所謂失重就是由於這種擠壓感減弱或缺失而引起的。

在宇宙中懸浮(不受力)或在重力作用下自由落體(只受引力)對我們的感官來說,是一樣的。

現在的太空題材電影里,飛船都會通過旋轉來獲得重力,這是什麼原理

2、我們需要並製造的與其說是人工重力,不如說是人工支持力

為什麼我們要在飛行器中製造人工重力?是為了更好地模擬地球上的感覺,從而使我們從事(在地球上鍛煉的)各種工作時不會有太多的不適,並能有更高的效率。那我們在地球上是什麼感覺呢?受到一個向上的支持力,並保持靜止不動。那你回過頭看一下旋轉的飛行器/空間站,為了跟著飛行器/空間站一起旋轉,你需要一個向心力(否則你會勻速直線地飛走),因此你壓迫腳下的飛行器內壁,內壁也給你一個支持力用於提供你所需要的向心力。

所以從一個慣性系(能看到飛行器在旋轉)來看這件事,你受到一個支持力,並且隨飛行器在轉。到此為止沒有任何多餘的事情。

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3、慣性力

但是「人工重力」這個問題的核心在於飛行器上的人的感覺,也就是說從慣性系解釋清楚了並沒有什麼卵用,得回到飛行器這個非慣性繫上去考慮,這時候就會牽扯到慣性力。慣性力是指非慣性系中為了保持物理規律的形式而引入的假象的力。通常我們總會強調後半句也就是慣性力是虛假的、現實不存在的力。但前半句其實更為重要,即,在非慣性系中,引入慣性力才能維持物理規律的形式。

我們在地面上,重力和支持力相互平衡使我們得以靜止。那麼從飛行器上的人的感受來說,受到一個支持力,並且(除了隨飛船旋轉外)與飛船保持相對靜止,那為了日常敘述方便,就需要引入一個慣性力來和支持力平衡,這個慣性力講道理才是所謂的人工重力。(在旋轉的情況中,這個慣性力也就是俗稱的離心力。)

現在的太空題材電影里,飛船都會通過旋轉來獲得重力,這是什麼原理

4、如果從更高的知識層面來看這件事(個人見解,或許有誤)

等效原理很多人或多或少都有所了解,它是廣義相對論的核心。等效原理指出受到引力可以等效為做一個加速運動。在這種等效下,可以將萬有引力轉變為時空的扭曲。聽起來好像很高大上很不明覺厲,通俗講來就是:

引力我們感覺不到,暫時不管它→我們受到一個地面來的支持力→我們「理應」加速上升(遠離地球),但我們「事實上」保持了靜止,好矛盾?→假設時空有一種扭曲,抵消了遠離的過程→矛盾解除,那我們在一個加速的非慣性系中,為了保持物理規律的形式要引入慣性力→這個慣性力「恰好」和一開始沒管的引力等大同向耶,還都感覺不到。繞了一大圈好像並沒有發生什麼變化。等效等效,說白了就是換個視角看世界的意思。世界還是那個世界,但視角變了視野也會略有不同。

回到這個問題上就是:既然重力本身可以等效為一個慣性力,那我只需要構造一個加速系統就會自然而然地出現一個慣性力來作為「人工重力」了。


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