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太空旅行如何解決失重問題

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月27日 17:15

人類在太空飛行已經(jīng)有超過半個世紀(jì)的歷史。1995年P(guān)olyakov創(chuàng)下了在"和平"號空間站上停留438天的世界紀(jì)錄。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)長期處于失重狀態(tài)將會對人體的健康造成影響。即便只是出于對人類生活習(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重要的問題。如何解決這個問題呢？

我們知道，在地球表面，所謂重力感受即人體（實際上包括地球表面的一切物體）始終受到一個豎直向下的力的作用。這個力可以使人體產(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。但我們無法通過制造一艘和地球質(zhì)量接近的飛船來解決這個問題。除非有一天人類的科技發(fā)展到能夠為地球提供足夠的動力來開著地球在太空中旅行的地步。這種可能性太小了！

從等效的角度來講，只要能讓人在飛船上活動時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動狀態(tài)就可以做到這一點。問題是，維持同一個方向的加速是困難的，需要持續(xù)消耗燃料，這是不現(xiàn)實的。

好在還有另一種運動形式——勻速圓周運動。這是一種繞圓心做均勻轉(zhuǎn)動的運動，在運動過程中，需要一個向心力，產(chǎn)生一個向心加速度。如果向心加速度正好等于地球表面的重力加速度，那么這個失重的問題就解決了。

這種辦法容易實現(xiàn)嗎？先來假設(shè)我們的宇宙飛船繞中心轉(zhuǎn)動的半徑為10米（小了點，為了方便計算），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。那么這一點在太空中并不難實現(xiàn)。并且在太空中沒有空氣阻力，也就不需要持續(xù)消耗燃料來維持這種勻速轉(zhuǎn)動。

向心力誰來提供呢？宇宙中有雙子星的例子，即兩個質(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中心運動，它們靠的是彼此之間的引力來拉住對方。這是一種可以考慮的方案嗎？根據(jù)萬有引力定律的計算公式，由于引力常量的數(shù)量級太小了，要想提供足夠的引力就需要兩個飛船的質(zhì)量特別大，至少在目前看來，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，見下圖所示，由幾個艙室組成一個圓環(huán)，飛船正是通過繞著這個圓環(huán)的中心旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對重力的模擬的。向心力由相連艙室間的相互牽引提供。人在艙內(nèi)行走相對于飛船的旋轉(zhuǎn)平面是平行的。看似有些別扭，但實際上，人類在太空中的方向感會和在地球上沒有什么不同——蘋果落下的方向就是下。