ISSDC-BK 基础篇 之 旋转城市

44 阅读4分钟

image.png

尽管物理学家理解和测量重力带来的力的能力有所提高,但旋转仍然是唯一已知的为空间沉降提供人工重力(或假重力)的合理手段。然而,生活在旋转环境中可能会让人迷失方向。

简单地说,一个旋转的体积要让普通人感到舒适,并提供一个实用的“重力”量,它必须很大。虽然人们普遍接受的是,许多人能够忍受长时间的每分钟三转(rpm)的转速,但人们也承认,对于各种年龄、活动和健身的人类来说,生活质量都需要一个转速或更低的转速。这意味着,一个提供相当于一个地球引力的社区,其直径必须至少有1英里。

问题在于,旋转不仅会在旋转结构内部产生模拟重力的向外或离心加速度,还会产生一种称为“科里奥利力”的效应。科里奥利并不是一个真正的力;它是无法被一个在旋转环境中保持静止的人察觉的。然而,对于一个在旋转环境中移动或观看物体移动的人来说,它确实感觉非常真实。这是因为,根据物理定律,我们认为物体是直线移动的,但我们的感官并没有意识到旋转沉降中的“地面”是曲线移动的。

为了将科里奥利效应可视化,我们可以想象一个内表面“铺”着纸的仓鼠轮。想象一下,你在旋转的轮子里在纸上画了一条直线的粉笔线,把粉笔从远边移动到近边。当你把纸从转轮中拿出来时,你会注意到你画的线是弯曲的。在一个旋转的空间聚落中,一个球从一个边缘扔向另一个边缘,看起来会遵循同样类型的曲线路径。

被感受到或感知到的科里奥利力的大小取决于旋转的速度。地球本身也是一个旋转的环境,但以每天一圈的旋转速率,科里奥利力是难以察觉的。然而,我们确实知道科里奥利力的存在,因为它会影响空气和水进入下水道时的漩涡方向。然而,在一个直径1英里的聚落旋转产生的重力相当于一个地球,这种影响是非常明显的。当一个物体被扔下来时,它撞击“地面”的位置与我们预期的着陆位置相比大约下降了10%。投三分的篮球会偏离几英寸。一个长传球会被抵消几英尺。

更糟糕的是,偏移的方向似乎是不同的,这取决于球的投掷方向。再想象一下仓鼠轮纸上的曲线——如果这条线是从旋转轮的另一侧画出来的,它就会向相反的方向弯曲。一只蜘蛛坐在旋转轮的纸上,会看到一条线从左到右,另一条线从右到左。与旋转方向平行的运动产生了另一种科里奥利效应:如果你朝旋转的方向跑,你会觉得自己更重,朝那个方向扔的球会直线运动,但会显得下落得更快。如果你跑的方向与旋转方向相反,你会觉得自己变轻了,朝那个方向扔出去的球也会是直线的,但看起来会比预期的更高。

除了视觉上的定向障碍,还有一种物理效应:科里奥利力会让人和动物感到恶心。这是由于它对内耳内液体的影响,而内耳内液体给了我们平衡感。快速转头或骑自行车在旋转的定居点快速转弯,会导致这些液体以我们的大脑无法理解的方式移动;我们会感到眩晕,我们的视觉变得扭曲,以至于静止的物体似乎在移动,我们还会感到晕船或太空晕船(更恰当地称为“太空适应综合征”)之类的效应。平衡感恶化的老年人这些影响而变得虚弱。

虽然我们的身体和大脑具有极强的适应能力,但我们的适应能力是有限的。如果太空居民一直保持在相同的等效重力下,他们最终可以适应更高的旋转速率。但这不是他们会做的。许多人将在微重力制造设施、实验室和参观船的对接舱工作;他们每天甚至每天要在零重力和一重力之间“通勤”好几次。有些人会回到非旋转区域进行零重力娱乐和游戏。他们必须经常重新适应零重力和旋转环境。随着时间的推移,几乎每个有动力在太空生活的人都可以用每分钟一转的转速进行这些调整。然而,他们会觉得生活在较低的转速下更舒适。

ISSDC03.jpeg