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人造重力很难吗?解决宇航员站不起来,为什么空间站不模拟重力?

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前段时间,我国神舟十二号成功返回地球,从返回舱下来的宇航员们在现场和世界重新打了个招呼,只是他们都是坐在椅子上的,后期乘车也是被众人抬着往前。

这是因为宇航员们在长期离开地球、生活在无重力的太空环境中,身体某些能出现了失衡和暂停的现象。

在太空环境中,处于真空状态下的人类失去重力的影响,人体神经会失去对方位的判断,四面八方都可以是“地面”,“横撇竖捺”都没有任何差别。在这样的情况下,身体容易出现颈内静脉阻塞、肌肉萎缩和骨骼密度流失等问题。

所以,刚回到重力正常的地球环境中,宇航员们容易感到眩晕,没有力气支撑身体,难以自主站立。

如果我们的梦想是向更加遥远的星辰大海进发,就要考虑摆脱太空失重带来的影响,这就不得不研究一下“人造重力”,解决宇航员返航后站不起来的问题。

重力

在物理学中,重力和“万有引力”是存在关联性的。在地球上,物体所受到的重力,正是万有引力在地球表面产生作用的一种表现。而“万有引力”就是指物体之间存在的“加速靠近”的一种趋势。

由于地球的引力作用,所有物体都向地面靠近,产生“下落”的趋势。所有我们能观察到的自然现象,都有万有引力引起的重量作用构成的现象。

所以在地球上,由于地球自身具备的吸引力作用,物体受到了这股力的影响,形成了重力(Gravity)。以地面方位为准,重力的方向总是“竖直向下”

但在太空中,没有物体具备足够的吸引力,失去了对宇航员的“施力”行为主体,即便与在地球上相比,宇航员本身的质量并没有发生改变,但因为不能产生力的相互作用,也就失去了“重力”,漂浮在空中,没有上下方位之分。

想要解决宇航员因长期在太空工作失重而引起的健康问题,就得“人造重力”。那人造重力怎么来呢?

针对这一设想,“航天之父”齐奥尔科夫斯基早在100多年前就已经有所考量。他认为,人类可以利用物体在高速旋转过程中所产生的“离心力”来模拟重力的作用。

离心力
离心力(centrifugal force)是一种虚拟力,是一种惯性的体现,它使旋转的物体远离它的旋转中心。在牛顿力学里,它曾被用于表述两个不同的概念:在一个非惯性参考系下观测到的一种惯性力,向心力的平衡。

也就是说,离心力不是实际存在的,它只是一种惯性。就像我们将一个用绳子牵引着的小水桶甩起来做旋转运动,只要速度达到一定程度,这个水桶里的水就不会洒出来,水桶也不会向下坠落,这就是“离心力”产生了作用。

于是,科学家提出设想:如果将太空的空间站直接做成一个环形,让它一直保持高速旋转运动,那么在太空站的人也会受到离心力的作用,靠近圆形空间站的旋转外壁,和在地球上的重力作用一样。

这样的设想在理论上是行得通的,但人类一直没有将它付诸实践,这是为什么?

模拟重力的条件

地球对物体的重力影响大约是1个G,那么相应的,在太空中,人类差不多也要保证产生1个G的“人造重力”,才能让让宇航员感觉太空的生活和地球上别无二致,保证身体的各项机能。

在很多科幻电影中,空间站都是环形设计,保持高度运转以达到产生“人造重力”的目的。根据离心力的计算公式可知,在保持同样大小的离心力的情况下,当物体旋转半径越小,所需要旋转的速度就要越快。

但这样的话就有一个问题值得注意,如果太空站在旋转中,必然会产生“科里奥利力”。

“科里奥利力”是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。

就像是小时候乘坐的转盘椅一样,当物体高速旋转时,人体质量重心会由于惯性,向旋转的反方向产生一定程度的偏移,旋转速度越快,偏移方向越大。

因此,如果一个空间站的人造重力设施旋转直径太小,或者旋转速度过快,人类所受到的头脚重力差异也就会越明显,容易产生眩晕感,还是会影响血液循环。

面对以上问题,如果想要解决旋转对人体带来的不良影响,就必须扩大太空站的旋转轮半径。但是,要将这种影响降到最低的话,太空站的建设规模就相当庞大了,所需要的补给也就更多,资金成本就成了大问题。

除了以上客观因素制约以外,还有一个最根本的原因,就是人类目前在太空进行的是微重力相关实验,并且已经涉及到生活的方方面面,暂时还不需要在空间站制造太多重力。

科技发展

现阶段的科学技术还不足以让人类造出如此大的空间站,并且也没有足够的资金支撑庞大空间站的长期运行。

如果未来真的有需要实现常规重力的空间站需求,或许那个时候,会慢慢的研究出其它方式,以此来达成在天空环境下实现“人造重力”的愿望。

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