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如果你让国际空间站旋转,在一个静止的位置,它会为宇航员创造重力吗?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-07-03 09:03:48

旋转不会产生重力。引力是质量操纵空间曲率的一种性质。正如物理学家约翰·惠勒所说:“质量告诉时空如何弯曲,时空告诉质量如何移动。

然而,在实际应用中,旋转可以引起一种加速度,这种加速度与重力没有区别——如果你愿意,这是一种人工重力。

人工重力的概念是用另一种加速度来代替重力。为了提供这种人造或模拟的重力,飞船会旋转,使内部内容物被推到外部边缘,从而产生一种重量感。这个加速度是从反作用力到向心力。

这个向心力的公式为:

F = mω2r =毫克

你问到的旋转是由ω(ω)方程——角速度。在距离中心“r”的距离,它将导致一个相当于mg(重量)的力。

从这个方程,我们可以看到,我们可以操纵的两个变量,来产生所需的重量的感觉,是旋转的速度(ω)和对象之间的半径,我们想体验重量和旋转中心的车辆。我们可以通过加速旋转或者增大飞船的体积来增加重量,或者两者结合。你问的是一个特定的航天器(国际空间站),所以半径并不是可变的(国际空间站的大小是固定的)。我们可以让国际空间站绕x轴旋转(滚动)或者绕y/z轴旋转(俯仰/滚动)。两个选项中较大的一个是使国际空间站俯仰或偏航。国际空间站的质心和最远的墙壁之间的距离约为73英尺(22米)。

如果我们想要达到1g的人工重力(地球表面法线),我们就可以把9。8 m/s^2代入我们的方程,得到g。把2m代入r,我们就能求出角速度了。我们得到一个“ω”0。67 rad / s。换算成更容易辨认的单位,速率是每分钟4。4转或每秒38。2度。

这速度快得吓人。国际空间站不是设计来以如此高的速度旋转的。这也意味着节点2的前面会有一个小楼层,俄罗斯服务舱的后面也会有一个小楼层,从一个楼层到另一个楼层需要攀爬和降落。不是有用的。但还有另一个问题。

它的复杂之处在于(除了建造如此复杂的结构之外)轮子的小尺寸导致了一些在更大的地球上无法察觉的放大效果。

加速度的大小随着距离r的变化而变化。重力也是如此,但由于地球很大,这种变化要慢得多。但在像国际空间站这样的小型航天器中,人的脚到头部的相对距离是旋转半径的重要部分。

让我们看看在那种情况下宇航员的脚和头在加速度上有多大的不同。为了简单起见,我们将使用一个高的宇航员(2米)。这使得我们的半径从22米减小到20米,在同样的6。4 rpm(0。67弧度每秒)下,g的值会发生变化:

g = rω2 = 0。67⋅29 = 8。9 / s2(9。2%小于9。8 m / s) 2

让我们考虑身体两部分运动的不同速度。脚绕的圈比头绕的圈大。虽然它们都有相同的角速度,但脚的速度比头的速度线性地快。

v =ωr线速度

我们宇航员的脚以14。7米每秒的速度移动我们宇航员的头以13。3米每秒的速度移动。这就导致了所谓的科里奥利效应。想象一下我们的宇航员坐着突然站了起来。他们应该移动头垂直,但因为头部的线速度和被搬到一个地方,它需要有一个较低的线速度,宇航员会发现自己落向前头试图移动速度比它应该保持一个恒定的角速度。

在规划这样的环境时,必须考虑这些因素。一般来说,我们应该限制角速度不超过2 rpm (0。209 rad/s),以最小化脚和头部之间的梯度。这意味着要保持同样的人工重力,我们需要更大的半径。

如果我们把上面的数代入我们的公式,我们就能确定飞船的最小半径。

gr =ω2r = gω2 = 9。8米/ s2 (0。209 rad / s) 2 = 224。3米

所以,要想模拟出我们在地球上感受到的同等重力,宇宙飞船必须是国际空间站的10倍大。
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