星际移民第一步：制造人造重力

如果宇航员长时间执行太空任务，需要旋转飞船产生人造重力，但并没有你想象的那么容易。

虽然在太空生活对人们来说是一件很棒的事情，但失重环境带来了一些严峻的挑战人类在地球上受到恒定重力的影响，可以发挥出最佳的体能但是，如果长期暴露在微重力环境下，人体会受到很多因素的影响，包括骨质流失和肌肉萎缩

所以，人类要想在太空生活，就需要创造一个人造的重力环境只有一个办法:建造一辆以恒定加速度行驶的车辆最常见的概念是建造旋转飞船，但这并不像听起来那么容易，其中有很多困难

感受重力

首先我们来复习一下重力的基础知识和感受重力的意义。

引力是有质量的物体之间的吸引力因为人体和地球都有质量，重力不断把你拉向地球，让你保持在地面上但即使这股力量不断作用在你身上，你也感觉不到，因为地球同时在牵引着你身体的各个部位，让这种作用难以察觉

我知道你在想什么:当我坐在椅子上时，我当然能感觉到重力的作用其实你感受到的不是重力，而是椅子把你向上推的力，我们称之为表观重量

坐电梯可以很好的理解靠体重的概念在静止的电梯里，当你按下上行按钮时，电梯开始向上移动这意味着它必须有一个向上的加速度，直到电梯达到它的运行速度在这个向上加速的过程中，你会觉得有点重然后，一旦电梯接近设定的楼层，它必须减速这意味着它加速向下，在此期间，你会感到有点轻

但是，你的实际体重不会波动你的真实体重可以衡量重力对你身体的作用力它是你的质量和地球的质量与你离地心的距离相互作用的结果在地球上，重力施加的力是每千克9.8牛顿

电梯会改变你的体重，但不会改变你的体重或质量这看起来有点奇怪，但这种效果对航天器非常有用

线性加速度

假设你在失重的太空——或者在微重力的近地轨道如果飞船有一个不断向上加速的巨型电梯，会发生什么如果电梯的加速度和地球表面的重力场有相同的值，那么你感受到的重力就和地球上的一模一样

当然，拥有无限电梯的宇宙飞船是不切实际的整个飞船加速会更容易，肯定会产生人造重力事实上，这是科幻小说《浩瀚星空》系列中，在宇宙飞船上产生重力的主要方法

但这里有一个问题:为了产生持续的重力，飞船需要不断加速，不能关掉发动机，否则加速度会降到零，这需要大量的燃料，人工重力要花很多钱。

对我们这个时代的人类来说，将需要另一种加速方法来产生人造重力。

圆周运动

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但是速度实际上是一个矢量这意味着速度不仅可以表示物体移动的速度，还可以表示物体移动的方向

假设一辆车以20 m/s的速度向西行驶，然后转弯，1秒后以20 m/s的速度向北行驶从速度的定义来看，即使汽车以同样的速度行驶，也会因为改变方向而产生加速度

你并不真的需要这个数学运算直观上你可以知道汽车转弯是一种加速度，因为转弯的时候你可以感觉到有东西把你推向汽车的一侧，就像在行驶的电梯里感受加速度一样这就是为什么我们可以用旋转的物体来产生人造加速度你不需要宇宙飞船或空间站像汽车一样绕圈相反，想象一个巨大的旋转物体，里面站着人

插图:瑞德·阿兰

—和地球表面的重力场一样—那么那个人几乎会觉得自己是站在地球表面。

旋转飞船或空间站最大的好处是，一旦开始旋转，就不需要使用任何火箭燃料来维持运转除非有外力，否则会一直旋转这也是为什么你经常在科幻电视剧和电影里看到这种人造重力的方法

这个方程式说明了设计宇宙飞船的重要性你可以做一个小型车辆，让它转得很快(ω大一点)，也可以做一个大船体，转速小一点

最小的旋转宇宙飞船

如果旋转航天器的半径减小，其角速度必须增加，以获得所需的加速度。">

是1 g，意味着和站在地球表面一样的加速度。)

但问题又来了——这次是人是的，我们在处理轮换方面有一些问题根据实验室测试，大多数人能忍受的转速在1转左右其他数据显示，高达4 rpm的角速度也是可能的另一项研究得出结论，通过不断的旋转训练，人类可能能够以26转/分的速度工作

比方说，我们有一些宇航员非常擅长旋转，不会感到反胃它们能承受26转/分的转速你需要建造多小的飞船来产生1g的人造重力

首先，我们需要将角速度从每分钟转数转换为每秒弧度，得到ω = 2.72弧度每秒的值。

的加速度，求解R，就会得到一个半径为1.3米，直径为2.6米的圆形航天器这个超级小，甚至比国际空间站模块的直径还小(后者约4.2m)如果采用更合理的4转/分的角速度，飞船的直径将变成111.7米，约112米，达到一个足球场或橄榄球场的大小

如果你不想建造一个112米的旋转飞船，可以用一个小技巧:你可以用两个更小的容器来代替一个大容器，并将它们连接起来，这样两个更小的部分就可以围绕一个共同的质心旋转人类可以在其中一个地方体验人造引力场你可以在电影《偷渡者》中看到这种旋转船的例子

重力差

即使在这样的条件下，和你在地球上的感觉也有两点不同:第一，你头顶上的人造重力场可能和你脚下的场强有不同的数值为了理解为什么会发生这种情况，让我们想象一个人站在一个相当小的旋转飞船里

插图:瑞德·阿兰

)记住，加速度值(也就是人工重力)伴随着运动半径的减小而减小，所以人的头部会受到比脚更小的引力场，感觉有点奇怪

实际情况甚至可能比这更糟想象一下半径只有1.3米的超小型飞船这比一般人的身高要小——宇航员的头会超过旋转中心在这种情况下，他们的头会被拉到飞船的一侧，脚会被拉到另一侧，我们可以称之为地板即使高速旋转不足以让宇航员生病，这种重力差也会影响宇航员

与他们脚下的田地相比，只减少了3.2%——所以没什么大不了的

科里奥利力

旋转的车辆还有一个力，叫做科里奥利力这种力有点复杂让我们从一个使用旋转木马的例子开始假设有两个人站在这个旋转木马上，一个站在边缘，一个站在中间

插图:瑞德·阿兰

请注意，两个人都是以相同的角速度绕圆形轨迹运动但是，B必须在和A同样的缠绕时间内走更长的距离，也就是说B的线速度比A大

没什么大不了的，除非B决定移到圆心通过移动到一个半径更小的新的圆形路径，B必须加速到一个新的轨道这个额外的加速度受到一个叫做科里奥利力的力的作用

如果一个球从B滚到A，它将沿着如下曲线运动:

插图:瑞德·阿兰

科里奥利力取决于运动物体的速度和转盘的角速度同样的事情也会发生在飞船上

科里奥利力的计算涉及很多因素，相当复杂。在这里，它被写成一个等式:

需要注意的是，力始终垂直于速度，如果物体在旋转坐标系中静止，力为零。

这对旋转飞船里的宇航员会有什么影响如果这个人只是坐着不动，什么都不会发生但是如果他们站起来呢在站起来的过程中，他们会有一个向圆心的速度，因为人的质心是从坐着到站着向上移动的

相对于它们的速度，科里奥利力会把它们推向一边根据椅子的方向，这个力可能会把它们推向不同的方向如果椅子的朝向和飞船旋转的方向一致，当人站起来的时候，科里奥利力会把人往前推如果椅子面朝后，它会把他们推回去如果椅子朝向一边，它们会被推到另一边不仅仅是站起来如果你移动你的手，会有一个侧向力作用在它上面如果你试图将饮料倒入玻璃杯，液体总会受到一个横向力的作用也许你能适应每一个动作的侧向力，但总是很难受

关于科里奥利力你能做些什么吗是的，你可以通过设计更低角速度的航天器来最小化这种横向推力，这意味着完成一次旋转需要更长的时间这也意味着更少的人为重力

如果你想让你的飞船有模拟地球的人造重力和小科里奥利效应，你只需要一个更大的飞船这是一个艰难的选择:你可以建造一艘小型廉价的宇宙飞船来忍受恼人的科里奥利力，或者你可以建造一艘大型昂贵的宇宙飞船来让你享受家的舒适——但那将是又大又贵的

原文链接:自旋飞船的问题