在太空中,大型空間站的旋轉是否真的能產生人造重力?

paocai


現在的空間站沒有采用這種方式製造人造重力,且沒有必要製造人造重力,因為我們還需要了解失重的環境對於人的危害,並且相關實驗還需要依賴於失重的環境。

但是,人造重力是人類前往星辰大海所必須要攻克的難關,因為人們瞭解到失重的環境不利於人的長期活動,這會導致一系列的健康影響,比如心率下降、骨質流失等等。

雖然現在的人類科技不能像科幻電影中利用電來直接產生重力,但可見的未來是可以利用旋轉來提供人造重力。旋轉提供的離心力可以模擬替代重力的效果,這是等效的。

《星際穿越》中的永恆號就是利用整體旋轉產生的離心力來提供人造重力的效果。

不過,利用旋轉來提供人造重力,不能忽視科氏力的影響,科氏力是指在旋轉體系中,裡面的質點由於慣性,會有沿著原有方向繼續運動的趨勢,整個體系是旋轉著的,這會造成裡面的人員感覺到頭暈,為了避免這一現象發生,旋轉空間站的半徑要做的足夠大才行。

不過,以人類現在的科技水平來講,製造像永恆號、IXS企業號這樣的飛船是不可能的。

但未來說不定!

本回答由一枚遊戲科幻迷原創,感謝點贊關注,我們一起科幻想象、暢遊宇宙!予人玫瑰,手有餘香!


一枚遊戲科幻迷


這種方式確實可以產生人造重力,但如果要產生「高質量」的人造重力,對於太空站的尺寸還是有很大要求的。

先說為什麼可以產生人造重力:其實這就是旋轉時產生的向心加速度,從而讓人感受到和引力等效的力。根據「等效原理」,這種向心加速度,與引力產生的加速度是沒有差別的。所以人在其中是可以正常生活的。

但是這還是要考慮「質量」的問題。這裡的質量,主要是看看人在其中能否發現與地球有差別的地方。這個差別主要在哪裡呢?主要在於科里奧利力是否很大。科里奧利力很大的話,人在跳起來的時候,會同時受到一個水平的加速度,從而會讓人產生一個水平的速度。

這個現象對於習慣了地球生活的我們來說,是非常怪異的。所以如果科里奧利力很強,這個重力的質量就很低。

如何減弱科里奧利力呢?答案就是要增大空間站的尺寸。尺寸越大,在相同向心加速度的條件下,科里奧利力就越弱。而我們知道,建設大型空間站的難度是非常大的,這也是主要的挑戰。


章彥博



自從人類進入太空以來,失重問題就一直困擾著宇航員和科學家,因為人體是在地球上進化而來的,只能適應地球上的重力,而太空失重環境下的人體很快就會出現毛病。

宇航員如果長期在失重環境中不鍛鍊,那麼肌肉就會萎縮,骨頭也會變得疏鬆,宇航員會因此而長高,但是長此以往就會影響到人體健康甚至危機生命。

基於以上原因,科學家一直在尋找失重環境人工產生重力的方法,用旋轉產生的離心力以產生人工重力就是一種方法。



但是用旋轉產生重力就需要對空間站的尺寸進行擴大,因為普通的空間站如果轉起來,帶給宇航員的將不是重力而是眩暈,只有將空間站造的足夠大,並且找到一個離心力與人體所契合的一個平衡點,人類才能用旋轉的方法產生人工重力。

其實現在的國際空間站並沒有必要產生人工重力,因為宇航員不會永久生活在空間站中,人造重力真正大規模應用和研發要等到人類有能力建造大規模太空城的時候才行。

只有在太空城中,數量巨大的人類為了保持日常生活,才會需要人工重力,並且太空城完全可以造的足夠大,從而用旋轉的方式產生重力,而空間站則因為體積太小,並不適合用旋轉的方法產生重力。


宇宙探索未解之迷


重力能是能產生,但是要求的條件比較苛刻。先來說重力的產生,再說能不能採用這種方式。

1:重力分為自然重力和人造重力;自然重力就是一些大質量的天體,比如地球就是利用自身質量大的優點,通過對物體的吸引力來產生重力,當然這部分引力並不是完全轉化為重力,還有一部分轉化為地球自轉的向心力;也就是說一個星體對一個物體的引力可以分解為做圓周運動的向心力和重力。由牛頓的萬有引力定律和圓周運動的公式可以推導出。因為地球自身的質量比較大,因此產生的重力比較穩定,並且人也不會感到不適。

2:接著就是人造重力,要想在太空中產生重力,建築物就必須對人體有支持力;由圓周運動的向心力與速度的關係式可得;Fn=m·v^2/r。根據這個原理,可以讓空間站圍繞一箇中心旋轉;在沒有旋轉之前,人體和空間站的內壁沒有任何作用力,因為都是處於失重狀態。當空間站旋轉時,如果要想人不脫離空間站,內壁就必須對人體有一個支持力,這個支持力就可以充當圓周運動的向心力。此時人就會獲得一定的重力,這個重力的大小取決於空間站旋轉的快慢。

雖然有了理論的指導,但是目前沒有哪個國家敢採用這種模式;主要涉及的問題有驅動動力,製造材料,結構類型,能源消耗等,其中最重要的還是安全問題,因為這種裝置不像地球上那樣重力是很穩定的,如果空間站的質量不夠,就無法形成穩定的重力。所以這種裝置多出現在科幻作品中;比如《星際穿越》《極樂空間》等。《星際穿越》中的是一個小型的,而《極樂空間》中的則可以培養生態系統,供人類居住。


零維立方體


以人類目前的水平根本無法造出真正的"人造重力"。重力被認為是有質量的物體的一種固有的屬性,我們對重力的研究目前仍處於非常粗淺的地步。人類要想真正看透重力的本質並最終制造出人造重力,還有很長的路要走。

我們所說的大型空間站的旋轉是能夠產生所謂的"人造重力"。但這個實際上並不是重力,而是空間站旋轉產生的向心力。空間站在旋轉的過程中,內部有質量的物體都有一種向外側運動的趨勢,遇到空間站內壁就會被阻擋,內壁就會給有質量的物體一個指向旋轉中心的支撐力,人類如果在這個空間站的內側,就會有感覺到自己重量的感覺。這就是旋轉空間站人造重力的原理。



因此,理論上來說的話,大型空間站的旋轉是能夠產生所謂的人造重力的,但目前為止人類並沒有相關的空間站被製造出來。因為這種方法有一定的侷限性,需要考慮的問題比較多。其中一些問題是人類現在很難辦到的。

其中最主要的就是空間站的尺寸問題。如果依靠空間站的旋轉產生人造重力,空間站需要很大的體積。而人類由於航天運載能力的侷限,目前來說還很難製造大型的航天器。如果這種空間站的尺寸比較小了,那在旋轉的過程中由於頭部和腳部距離旋轉中心的距離不同,受到的力也會有明顯的區別,因此會有十分明顯的頭輕腳重的感覺。這個問題只有擴大尺寸才能解決。


再者而言,推動如此巨大的設備由靜止到旋轉本身就需要很多的能源,在運轉的過程中不斷地調整也需要耗費能源。這些能源人類目前還很難提供。也許將來可控熱核反應實現以後這個問題可以解決吧。

此外,空間站不同區域受力不同,設備安裝、材料選擇方面都很麻煩,有侷限。這些問題的解決需要耗費巨資,目前看來也許並不經濟

。從投資回報比例來看,也並不值得做這麼一個空間站。

因此,對於這個問題,答案毫無疑問是"能"。但能,不代表就要去做。


張家小智兒


選擇不僅僅能產生重力

而且是目前在零重力環境下最為靠譜的產生持續穩定的重力的手段。

旋轉實際上產生的是離心力,能夠給人一種向下的加速度,在太空站中就形成為重力的感覺。

不過,在宇宙中重力真的是對人有意義的事物嗎?並不盡然。

我們的另外一個頭條號是《高達模型製作技巧》,在高達的作品中似乎就對重力有著特殊情節,當然是反感的情節。

"要讓MS站在地板上,這真是靈魂被重力奪去的人們才有的想法."

“地球居民的靈魂都被重力束縛住了,人類應該全部登上宇宙才對……”

如果有一天人類真的脫離地球而進入宇宙後,長時間的零重力生活會讓人類有新的生活方式、在那時重力似乎就成為不是特別重要的需求了。


軍武數據庫


可以的,不過有不少難點,建造上的難點先不考慮,如果可以建造出來,如何在無重力區和重力區之間出入,也是個不大不小的難題,因為重力區始終在旋轉,從旋轉軸處出入大概是最好的方式了,但是旋轉軸處雖然線速度是0,但角速度沒變,人員貨物進入一個旋轉的物體裡,困難還是不小,而且在往旋轉區外沿移動的過程中,你除了感受到模擬重力在增加的同時,還受到一個切線方向的力,這是因為你沿徑向移動時,切線方向的速度在增加。綜上所述,這個重力區域的旋轉速度必須足夠的低,直徑足夠大,才能滿足旋轉角速度低到可以很方便的進出,同時徑向上重力梯度非常平緩,但這樣的一個結構尺寸上就非常驚人了。或者模擬的重力等級非常低,就可以減少尺寸,但一個非常低的重力模擬還有沒有必要,需要探討研究。

最後說說工程上的難點,無重力區和重力區之間的任何電子、電力、機械連接都只能用滑環的方式連接,想想幾萬條線纜都是滑環接觸連接,就知道這就是個工程上不可解決的難題。


緣聚緣散皆忘憂


在太空中,大型空間站的旋轉是否真的能產生人造重力?

以現在的科技來看,即使是旋轉產生人工重力仍然是一項難以完成的任務!而旋轉產生的只是離心力,這樣模擬出來的重力與真正的重力是有差別的!

這是地球上各點的重力方向示意圖,我們很明顯可以看出來,在南北極地區受到的只有重力的影響,而赤道地區的重力仍然比較容易分析,因為其受到一個重力已經另一個離心力(方向相反)的影響,而在其他緯度受到的重力和離心力方向疊加後的影響,其會稍微複雜一些(我們稱為科里奧力的影響)!因此我們對模擬重力的結構就有一些要求了!

一般在各種科幻片中模擬重力的都是環形結構,比如《星際穿越》的“永恆號”以及《火星救援》的“赫爾姆斯號”,又或者《阿凡達》的“創業之星號”等等,在這種環形結構下形成的離心力方向比較單一,只要有足夠的直徑以及合適的轉速,那麼就能模擬出比較適宜的重力,唯一的差別是真正的重力是朝向自轉天體的質心!而離心力模擬的重力則是遠離旋轉的中心!兩者相反而已!

a為向心加速度,R圓周半徑,w為角速度,如果達到足夠的向心加速度,要麼增加圓周半徑要麼增加旋轉速度(即角速度)!而過高的轉速會令人不適,一般我們人類感覺比較舒服的轉速在1-2rpm/min之內,如果達到2-3rpm/min,長期工作時會非常難受,如果超過3rpm則很容易眩暈.....那麼另一個辦法就是加大直徑,但大直徑意味這更多的材料與成本,因此如果要模擬重力的話必須要計算好兩者之間的平衡點!

《極樂空間》中大規模聚居的空間站無疑是最合適的,但開放式的空間其大氣受激後逸散是個問題,但這並不是今天我們討論的重點!

無垠的太空中谷神星空間站則是一個球體,其除了赤道附近適合居住外,其他地區的離心力並不能與地面垂直,這樣的感覺會非常不舒服!

比如在高緯度地區液體的下落模式就會是這種怪異的存在......

從理論和實際操作上看,用離心力模擬重力並不會存在特殊的問題,只是在結構上上需要有一些旋轉,比如封閉的環形條件會相對比較優越一些,但結構面比較多,浪費空間比較大,而球形則空間利用率比較高,但高緯地區極度令人不適!不過就現在的技術而言,我們連最簡單的環形比如國際空間站的環形結構都難以實施(結構重量大,建造成本高昂),更不要說大型重力模擬環境了!!


星辰大海路上的種花家


確切的說不是人造重力而是離心力。以目前人類的工程學水平和經濟能力是無法實現的,其原因主要有二。

一是離心力需要物體高速旋轉才能產生,而高速旋轉則會使人體產生強烈的不適,因此要產生能使人體適應的離心力,需要半徑夠大的空間站。這個半徑是要以公里起步的,而旋轉線速度則是百公里每小時起步。

另一個原因是空間站的高速旋轉所產生的偏心力會造成軌道的高度不穩定。而要想維持軌道最經濟也是最安全的方法是以一個同樣級別的空間站共軸且反向旋轉,屆時兩個空間站之間連接處將產生巨大的摩擦力,以目前人類掌握的材料科學是無法實現的。


小豬暱稱什麼的啊


可以分析一下,假如人站在勻速旋轉殼的內壁,靠離心力產生重力,如果某個時刻,這個人跳起來,這時速度是向心速度和切線速度矢量疊加,這個運動方向也是矢量疊加方向,可以畫圖,看到的是切開一個圓,弧度是旋轉內壁轉動的長度,切線是跳起的人的位移長度,因為人的速度大於旋轉內壁的速度,再加上弧長大於切線長,所以,人如果跳起來,將會落在前方,那麼如果不跳起來,人就會要克服這個前傾。最極端的情況是這個人如果跳的很高,一直跳到對面的旋轉內殼,那麼他的速度方向和旋轉內殼方向正好相反,會發生什麼情況呢。所以,這個靠旋轉產生的重力,是有缺陷的。


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