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太空旅行如何解決失重問(wèn)題

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月27日 17:15

人類在太空飛行已經(jīng)有超過(guò)半個(gè)世紀(jì)的歷史。1995年P(guān)olyakov創(chuàng)下了在"和平"號(hào)空間站上停留438天的世界紀(jì)錄?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期處于失重狀態(tài)將會(huì)對(duì)人體的健康造成影響。即便只是出于對(duì)人類生活習(xí)慣和便利性方面的考慮，在飛船中模擬地球表面的重力環(huán)境仍然是太空旅行的一個(gè)重要的問(wèn)題。如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？

我們知道，在地球表面，所謂重力感受即人體（實(shí)際上包括地球表面的一切物體）始終受到一個(gè)豎直向下的力的作用。這個(gè)力可以使人體產(chǎn)生的加速度大約是9.8米每秒的平方，也就是地球表面的重力加速度。重力是由于地球的吸引產(chǎn)生的。但我們無(wú)法通過(guò)制造一艘和地球質(zhì)量接近的飛船來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。除非有一天人類的科技發(fā)展到能夠?yàn)榈厍蛱峁┳銐虻膭?dòng)力來(lái)開著地球在太空中旅行的地步。這種可能性太小了！

從等效的角度來(lái)講，只要能讓人在飛船上活動(dòng)時(shí)感受到與地球上等同的重力作用就行了。根據(jù)牛頓第二定律F=ma，只要飛船處于勻加速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就可以做到這一點(diǎn)。問(wèn)題是，維持同一個(gè)方向的加速是困難的，需要持續(xù)消耗燃料，這是不現(xiàn)實(shí)的。

好在還有另一種運(yùn)動(dòng)形式——?jiǎng)蛩賵A周運(yùn)動(dòng)。這是一種繞圓心做均勻轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要一個(gè)向心力，產(chǎn)生一個(gè)向心加速度。如果向心加速度正好等于地球表面的重力加速度，那么這個(gè)失重的問(wèn)題就解決了。

這種辦法容易實(shí)現(xiàn)嗎？先來(lái)假設(shè)我們的宇宙飛船繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑為10米（小了點(diǎn)，為了方便計(jì)算），根據(jù)向心加速度的公式——加速度等于速度的平方除以半徑——可以計(jì)算得飛船只需大約10m/s的環(huán)繞速度就可以了。那么這一點(diǎn)在太空中并不難實(shí)現(xiàn)。并且在太空中沒有空氣阻力，也就不需要持續(xù)消耗燃料來(lái)維持這種勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

向心力誰(shuí)來(lái)提供呢？宇宙中有雙子星的例子，即兩個(gè)質(zhì)量大致相當(dāng)?shù)男乔蛱幵谝粭l直徑的兩端圍繞同一個(gè)中心運(yùn)動(dòng)，它們靠的是彼此之間的引力來(lái)拉住對(duì)方。這是一種可以考慮的方案嗎？根據(jù)萬(wàn)有引力定律的計(jì)算公式，由于引力常量的數(shù)量級(jí)太小了，要想提供足夠的引力就需要兩個(gè)飛船的質(zhì)量特別大，至少在目前看來(lái)，這種方案是不可行的。

也許看一下電影中飛船的形狀就可以被啟發(fā)了！沒錯(cuò)，見下圖所示，由幾個(gè)艙室組成一個(gè)圓環(huán)，飛船正是通過(guò)繞著這個(gè)圓環(huán)的中心旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)重力的模擬的。向心力由相連艙室間的相互牽引提供。人在艙內(nèi)行走相對(duì)于飛船的旋轉(zhuǎn)平面是平行的?？此朴行﹦e扭，但實(shí)際上，人類在太空中的方向感會(huì)和在地球上沒有什么不同——蘋果落下的方向就是下。