用什么方法可以在宇宙飞船上产生重力?

未来探索菌


人造重力的意义极其重大。人类不可能永远待在地球上,宇宙旅行势必是长期的。依靠虫洞进行宇宙旅行在目前看来并没有可行性,如果人类未来1000年移居外太空就亟待解决人造重力问题。

除了,暗物质,负能量这些遥遥无期的技术。目前为止,理论上只有三种办法可以人为制造重力。

最可行就是依靠离心力模拟重力

其实离心力在高中并未涉及过多,因为它和惯性力一样,只是个虚拟力。其目的就是在“平衡”参考系内的物体受力问题。

离心力对应的力是向心力。大家可以想象一个场景。现在有一个巨大的圆盘,直径10米,你可以坐在圆盘上。


如果此时圆盘以低速转动,那么你除了一开始能感受到身体倾斜,等匀速转动后,你就可以静止坐在圆盘上了。

如果在圆盘外面的人观察你,他会说,你受到了圆盘给你的摩擦力,这个力指向圆盘中心点,正是它拽着你旋转,这个力就是向心力。

可是换个参考系,坐在圆盘上的你感受不到自己受力了。因为你以圆盘为参照物会发现自己是静止的。如果外面的人大声告诉你:你受到了圆盘的向心力,而你自己却认为自己静止。那么你的脑海中就会设想:自己受到了与圆盘向心力相反的力并与其抵消了,其实这就是你为了解释自己静止不动而虚拟的假想力。


同样地,我们可以让飞船旋转,制造离心力。在飞船内部的人,感受到这种离心力就相当于重力。我们可以调节旋转的速度和力矩,把这种离心加速度模拟到9.8m/s²。这样宇航员就会感觉自己站在地面一样了。

第二种方式就是应用等效原理的加速度制造重力

广义相对论中的等效原理告诉我们:当飞船以9.8m/s²的加速度飞行时,其里面的人就会和站在地面上同样的感觉。但是这种方式并不持久,因为一直维持飞船的加速需要巨大能量,考虑到狭义相对论的质速关系。


一直加速会导致其飞船质量越来越大,维持其加速用到的能量就成指数爆炸式增长,越接近光速其需要的能量越呈指数增长。别说可控核聚变,就是用上全宇宙的物质作为可控核聚变的燃料都不能冲破光速。所以这种方式几乎没有可行性。

第三种方式很笨,就是制造大质量高密度飞船

人可以制造一个大质量高密度飞船,把驾驶舱设在飞船顶部。

我们知道星球表面的的重力加速度g=G*M/(r^2)。由此我们可以得知,星球表面的重力加速度与其质量成正比,与半径的平方成反比。这种方式其实理论上并不可行,即便飞船的质量算成1万吨。要模拟出地球的重力加速度,其飞船半径就得r=(6.754×10^(−11)×10,000,000/9.8)½≈0.02625m的半径。

飞船半径才2.6cm,那怎么坐人?放个蚂蚁还差不多,所以这种方式更不靠谱。除非飞船的质量达到数亿吨才不至于使其半径很小。


科学认识论


其实我们早就有了这种技术,可以很容易的在任何地方产生重力。

那就是旋转,利用旋转产生的向心加速度,产生重力。同时,根据爱因斯坦的「等效性原理」,这种加速度产生的「引力」,与万有引力产生的引力,是无法区分的。

向心加速的公式很容易:

一个半径30米的空间站,要产生与地面相同的引力,转速大约是每圈11秒。看起来很快,但由于保持旋转不需要耗费能量,所以也没有什么。

宇宙飞船上这种旋转产生重力的力场与地球上的引力还有一点点微小的差别,就是它在不同高度上的强度差异很大。

由于地球的尺寸本身很大,所以即便高度变个几千米,引力强度也不会有很大的差别。但飞船就不一样了。

如果在30米的飞船上,向上走五米,引力就会降低16%。向上走15米,引力就是一开始的50%。而若到了飞船的中心,那引力就会变成零。


章彦博


答:以人类目前的能力,无法实现引力操控;但是可以使用其他力,来模拟重力效应,比如惯性力等等。


旋转产生离心力

这是初级文明最容易实现的重力模拟,也在很多影视作品中有看到,在太空中制造一个巨大的环形仓,环形仓以一定速度进行旋转,就能在仓室内产生向外的“离心力”,以此模拟地球上的重力效应。

简单计算可知,一个半径300米的环形装置,以49秒转一圈的速度,可模拟0.5倍地球重力;以35秒转一圈,可模拟1倍地球重力。


直线惯性力

除了旋转环形仓外,我们在星际空间中航行,加速和减速的过程中,也可以利用惯性力来模拟地球重力。

我们只需要在飞船正中央,建造一个万向舱室,控制系统根据加速度方向,随时调整万向舱室的角度;缺点是,在飞船匀速航行时,模拟重力就没了,只适合长距离航行中使用。


人造重力

目前只是科学幻想,人造重力在很多科幻电影中有呈现,比如著名的科幻系列电影《星际迷航》中,星际联邦飞船可以随意在飞船内产生人造重力。

目前的科学理论中,唯有质量和能量可以产生重力,要产生地球表面的重力加速度大小,是非常难的,或许将来会出现类似的人造重力技术。


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艾伯史密斯


如果将来人类要探索深空,如何在太空飞行器内模拟出地球重力环境,肯定是一个无法避免的问题。

下面就列举三种人造重力的方式:

①旋转

这个估计是很多人都会想到的,而且很多科幻电影也都是这么做的。比如未来在太空造一座太空城市,形状就是一个大圆环,依靠离心力来模拟重力环境。

②加速度

让飞行器一直处于加速状态。这就就是用加速度来模拟重力,就如跑车启动时的推背感。实际上,按照广义相对论的话说,引力和加速度是等价的,在一个特定的环境下,这两者是无法分辨的。

③空间弯曲

能量或者质量都能是空间弯曲,而弯曲带来的表现就是体现为引力。那么我们是否能在飞行器内部制造出一个这样的一个环境呢(不论飞船是静止还是运动状态)?就好似曲速飞行一样,改变四周的空间曲率。当然了,这种想法目前来讲还是过于科幻。

期待您的点评和关注哦!


赛先生科普


就目前的理论发展条件,只能使用向心加速来获得重力效果。即便如此,也要解决三个难题。

1、要想能够在宇宙飞船上如履平地,获得的重力加速度g'基本要接近地球表面g。月球重力是地球的1/6,约为1.62 m/s²,行走的效果大家在相关视频中见过,跟滑雪似的飘忽不定。想要得到1/2的地球表面重力加速度,就是将规则圆形飞船绕中心持续旋转得到4.9m/s²。这一步也许不难,难的是它的经济性。

2、如果使用向心加速方法获得重力加速度,稳定问题是无法解决的。如果在飞船上处于加速飞行状态时,所有人员都需要系安全带,匀速飞行后,船员才能站稳、才能开展相关工作。而现在为了获得重力加速度,在一艘尺度相当有限的(比如半径500米)飞船上实现不断向心加速,试问,谁还能站稳呢?更别谈开展工作了!这时候也就失去了获得重力的意义了。

3、重力加速装置应该很大,相应的,这艘宇宙飞船的尺寸也不一般,而且所有船员工作场所都要设计在重力加速范围之内!这艘飞船在地面肯定是造不出来了,装配工作得要放到太空去完成!

所以,就目前的理论技术,获得重力加速度是不现实的!

PS:可以科幻一下。天体获得重力加速度是质量效应,那么,能不能从质量角度去构思解决呢?理论上是可以滴!

我们知道,地球的g=9.8m/s²,地球被压缩成黑洞之后直径不足1cm,当然我们不要黑洞,也不奢侈的想要在宇宙飞船上得到地球的等效重力,那么,如果把月球那么大的质量(甚至更大的质量)剥离成为等离子体并进行电磁压缩以达到理想尺寸,并研究出电磁控制技术,将这个等离子体安装到飞船上,就可以解决重力问题!当然,这时候就不能叫做简单的重力了,而是真实的万有引力!其实这项技术的本质就是对物体质量进行压缩并控制。


亦羞


1.采用旋转,产生离心力来代替重力。然而现今还没有实现。

2.星际迷航中星舰用的是通过释放能量将飞船底部的空间扭曲,扭曲程度达到一个地球质量的水平。使用曲速引擎来实现。然而这是电影中的想象。


带上他的眼睛


人类要飞出银河系,唯有重视我黄费波,在科学上没有权威,只有真理,不要以文凭论对错,在科学上,不管谁讲的,不必考虑他的地位,只要是真理,就值得所有的人宣扬,人类如果轻视我黄费波将困死在地球上,没有我黄费波,人类文明就此止步。在百度,搜狗,浏览器上手写黄费波点击黄费波可以看见我的宇宙生命论,我有能力让人类飞出银河系,也许地震可以控制,我的高科技将震惊全球,造福千秋万代。感谢所有帮我宣传的人。


手机用户86150240564


在宇宙飞船上产生重力,就是产生差不多9.8的重力加速度,为此我们可以在两个方向上考虑解决:

产生真正的重力

②模拟重力

产生真正的重力

产生真正的重力,目前的宇宙中,我们知道,除了物质(质量)和能量可以考虑。

能量对于人类而言,更多的是利用,并不能驾驭,也就是没法直接用能量产生满足人类需求的重力。

而物质呢?物质是组成我们世界看的见摸得着的东西,它比能量实在多了,但我们能用它来产生重力吗?

理论上可行,但实际上很难做到,除非你不介意并且能带上一个地球级别的“大团物质”进行星际航行,因为只有地球质量辣么大的物体,才能产生满足人类需要的重力。


用宇宙飞船带一个地球一同航行,这听起来就是个笑话嘛——质量大都不是主要问题了,关键是体积大的根本不方面带。

所以,带上地球一起去“旅行”,我们疯了也很难办到。

面对上述问题,我们就想,把这团物质“压缩打包”不就可以减小体积嘛。

对不起,电磁斥力拒绝你的想法,白矮星都和电磁力妥协,区区人类就甭想了。

综上,试图直接产生人类需要的重力的策略,行不通。

模拟重力

产生不了,我们可以考虑模拟。

广义相对论有个基本的原理——引力=(等效于)加速度。

这其实在牛顿力学里就是牛二定律,即F=ma。

于是,我们想,我们能否通过产生加速度来模拟重力?答案是肯定的。

可问题是,产生这样的加速度,就要求我们宇宙飞船一直加速,这有个最大速度光速在上面限制着啊。飞船停止加速,模拟的重力就不见了,这如何是好?

这问题其实是我们对加速度的定义没有正确的认识,加速度简单来说就是变化的速度。

划重点!!!加速度和速度都是矢量!!!

但问题的关键就是,速度的变化,不仅可以通过改变速度大小实现,最重要的是速度的方向变化,也是速度的变化。即速度方向的改变,也能产生重力加速度。

于是,圆周匀速运动就是我们模拟重力的另一个最佳途径。

这样的想法就是我们在众多科幻电影里看到的旋转飞船的原理。

这种方法也是我们目前人类能想到模拟重力最好的方法了。

结语

未来的星际航行,重力问题确实是我们必须要解决的难题,在太空飘个几天还行,飘几年几十年能活下来的绝对不是人类了!

所以期待未来有更好的新发现和科技能解决这样的问题,使得我们大规模的星际航行能提前接入人类文明的轨道。

这就是今天熵增给大家带来的科普,喜欢的点波关注,谢谢。

有问题请留言评论,谢谢。


挡不住的熵增


用什么方法可以在宇宙飞船上产生重力?

到现在为止,所有在太空中产生人工重力的想法都仅仅停留在纸面上,或者科幻片中!但事实上人工重力是可以实现的,也许需要一定结构与技术,比如有如下几种:

请注意“创业之星好”上旋转的那个舱室,这就是人工重力产生的宇航员生活起居模块,产生的也并非是真正的重力,而是离心力模拟的重力,与重力向心相反,离心力是有旋转中心放射性向外的!

火星救援中的赫尔姆斯号也是如此,只是相对于“创业之星号”它的直径明显偏小,因此如果要产生足够的离心力来模拟重力的话,其比较高的转速应该会非常令人不舒服!因为模拟重力下人体比较适合的转速是每分钟1-2圈,如果超过3圈则会眩晕,更高则非常危险!

“永恒号”也是通过离心力来模拟重力,与“赫尔姆斯号”相反,似乎“永恒号”整个结构就是环状的,但请注意中间的驾驶舱是固定不动的,因此它有一套旋转结构来避免驾驶舱转动!

除了离心力之外,其他比如直接暴力加速的方式就距离我们太远了,因为以我们现在的技术,也就只能在脱离大气层之前享受下!因为我们发动机的比冲不够,这种加速是不可持续的,因此希望破灭!

另外比如像星际迷航中的先进科技的重力式就更遥远了,连怎么实现都不知道,更不可能着手去模拟了!

当然咱都不要想多了,因为我们连实现最最基本的离心力式的模拟重力都无法实现(主要还是结构太大,以现在的技术成本上实在难以承担)!别的方式就洗洗睡吧............


星辰大海路上的种花家


要在宇宙飞船上产生重力,实际上更准确的说法是在宇宙飞船上模拟重力。要想在外太空实现重力的模拟,那么我们首先要来理解重力是怎么产生的。早在公元1687年,牛顿发表《自然哲学中的数学原理》论文中指出出万物皆有相互作用,这就是著名的万有引力定律。万有引力定律可描述为任意两个质点有通过连心线方向上的力相互吸引力,这种吸引力的大小与它们质量的乘积成正比与它们距离的平方成反比。

有了牛顿的万有引力定律我们就能理解为什么苹果总是落向地面而不是天空,因为地球对苹果有吸引力。同理我们就能理解为什么我们总是脚踏实地,因为地球对我们有吸引力。这种吸引力我们习惯上把它称之为重力。

那么在在远离地球的绕地运动的宇宙飞船上,我们为什么“失去重力"呢?是我们离地球太远而导致地球对我们没有吸引力吗?当然,这种情况也有,但是对目前的绝大多数宇宙飞船来说,他们离地球的距离并不足够远以至于失去吸引力。那么宇宙飞船上的人为什么会感觉到失重呢?那是因为地球对他们的吸引力转化为他们绕地运动的向心力。这里的向心力并不是一种明确的力的形式,只是对力的作用效果的一种称呼。我们假想,我们正在游乐园中的旋转飞椅上,当飞椅高速旋转时我们是不是有一种要被甩出去的感觉,但是我们并没有被甩出去,这是因为拉着我们的绳子提供的拉力充当了向心力(为便于理解,此处请不要考虑重力)。同样,因为在宇宙飞船上重力被充当为向心力使得我们感觉到”失重“了。

那么怎么产生重力呢?当然还得从向心力下手。既然宇宙飞船围绕地球的"公转"运动中,重力提供了向心力。那么我们能不能把宇宙飞船的自转向心力转化为“重力”呢?当然可以,理解了上面内容我们就很容易模拟出重力,即让宇宙飞船以一定的角速度进行自转,如若能够使向心加速度达到9.8m/s2,那么我们就能完完全全的模拟出地球表面重力,将不再感觉失重。

但是,为何直到现在没有任何的宇宙飞船这样做呢?首先,对于不载人的宇宙飞船来说,模拟重力毫无意义还会额外增加飞船的运行成本。对于载人宇宙飞船来说,运行成本和运行技术是一个重要的问题,但更重要的是实现重力的无差异模拟(即人和地球上感觉完全一样)需要一个很大的宇宙飞船,这样在飞船自转运动时才不至于让宇航员觉察到飞船的不自然运动。此外目前的载人宇宙飞船都是短时间载人,没有迫切的模拟重力的需求。

自转式宇宙飞船

但是,我们设想十年、二十年、若干年之后,倘若人类有太空移民的想法,建造这种巨型的自转式宇宙飞船就很必要了。


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