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在太空飞船中 我们会体验到加速感吗?

时间:2017-03-21

在各种各样的科幻节目中,你可以找到许多不同的表现,说明加速度是如何影响每个人和宇宙中的一切事物的

提示:本文共有 3345 个字,阅读大概需要 7 分钟。

虽然我们大多数人从未有机会进入太空,但我们每个人都有机会梦到它,想知道它会是什么样。在各种各样的科幻节目中,你可以找到许多不同的表现,说明加速度是如何影响每个人和宇宙中的一切事物的。但是,如果你真的在这样一艘太空船上,把自己限制在我们现在所知道的物理定律之内,你会真正体验到太空加速感吗?

图注:在指挥/服务舱,阿波罗9号飞行员大卫·斯科特拍摄了登月舱的着陆配置。无论是在地球、月球还是在太空深处,每个物体都会承受引力和加速度的作用。然而,你的感受却完全不同。无论你在宇宙中的什么位置,引力总是存在的。在地球表面,我们喜欢认为,我们的星球的引力场和它所产生的力占主导地位,正如我们的共同经验告诉我们的那样。事实上,地球表面的每个物体都会经历9.8米/s^2的加速度,您通常将其定义为向下的任何方向:朝向地球中心。

图注:一旦物体在重力的影响下在太空中移动,没有其他力(如推力、旋转等),船上的每个人都会体验失重的感觉。即使重力真的在那里,加速飞船和里面的一切,这不是一个可察觉的感觉。

但是当你坐在椅子上阅读这篇文章的时候,这并不会让你感觉到自己正在经历的加速度。你可能感觉你根本没有在加速,即使引力是一个非常真实的力量作用在你的身体。原因既简单又深刻。有一个相等且相反的力,抵消了引力,阻止你向地心加速:椅子向上推你身体的力。

图注:当你坐在椅子上时,你感觉到的力是两种力的组合:重力和椅子向上推的“法向力”,抵消了重力。如果没有椅子,没有地板,没有地球地面来支撑你,那么重力会给你和完全失重一样的感觉。如果你的椅子不在那里,地面就会产生向上推你身体的力,抵消重力。如果你所在的建筑不存在,地球表面就会反过来支撑你。只有当你清除了所有可能的障碍物,你才会真正感受到你的加速度。

相反,你所感受到的是这两种力的组合:引力和我们通常所说的“法向力”,因为它把你支撑在它的表面上,使你正常站立(垂直)。如果你在斜坡上,你也会感受到摩擦力来保持你的位置,这就是为什么如果你脚踩的表面对你的鞋子来说太滑时,你就会开始从斜坡上滑下来。地心引力总是会加速你向地心移动,但其他的力可以部分或全部抵消地心引力。

图注:重力(红色)和法向力(蓝色)是相等和相反的力,它们作用在地球表面的任何质量上。如果支撑物被移除,感觉将不是加速度,而是失重。然而,如果你满足一个条件:如果你自由落体,所有这些反作用力都会消失。自由下落的物体仍然会受到引力的作用,就像整个宇宙中的其他物体一样。但是如果没有物体向后推并抵抗重力,您将不再承受法向力。

自由落体的感觉通常被称为“失重”。当:

在你再次下山之前,你开得太快了,当你坐在过山车上的时候“跌落”的瞬间,在空气阻力变得重要之前,你跳到空中或跳下飞机的第一秒,或者——对我们中少数幸运的人来说——当你进行零重力飞行时,飞机关掉引擎的那一刻。

图注:早在2007年,史蒂芬·霍金就进行了一次零重力飞行,体验失重的感觉。正如霍金所说,“只要人们精神上没有残疾,就不必受到身体残疾的限制。”在飞机自由落体的时刻,机上每个人都会体验到失重的感觉。不管你信不信,当万有引力是唯一加速你的力量时,你所感受到的就是那种失重的感觉。很难相信,因为这是违反直觉的,但你现在所经历的是一种平衡状态。有一个引力在加速你,但有一个相等和相反的力在推动你。当你在10000米高的飞机上飞行(水平)时,与地球表面的情况一样:飞机座椅给您一个推力,该推力平衡了您身体重力。

例如,国际空间站的宇航员距离地球表面略高于400公里(250英里)。在它们的高度上,由于地球重力引起的加速度小于地球表面的加速度:8.7 m/s 2,而不是9.8 m/s 2,仅减少了约12%。

图注:在外层空间,尽管宇宙中所有的质量都像正常情况下一样受到引力作用,但没有地球上那样的“上升”或“下降”,因为宇宙飞船和飞船上的每个人都以同样的速度因引力而加速。这甚至适用于国际空间站,尽管地球的引力保持在地球表面的88%。但每一个宇航员,在那里,所有的时间,经历同样的感觉:完全失重。同样,这也是自由落体的结果。国际空间站上的宇航员正以8.7米/秒的速度向地球中心加速,但空间站本身也以8.7米/秒的速度加速,因此没有相对加速度,也没有你所经历的力。

同样的原理也适用于极端的尺度。那些登上月球的宇航员在离开地球奔向月球的过程中,从来没有感觉到什么特别的东西。当他们绕着月球运行时,除了失重,他们什么也没感觉到。只有在他们旅行的两段时间里——当他们的飞船使用推进器加速时,当他们实际在月球表面时——他们才体验到我们与加速相关的物理感觉。

图注:1969年,阿波罗11号首次将人类带到月球表面。图中是巴兹·奥尔德林在阿波罗11号上进行太阳风实验,尼尔·阿姆斯特朗拍下了照片。随着月球的引力使宇航员向下加速,月球表面向上推,宇航员在月球上时体验到的重力感约为地球的1/6,但在绕月轨道上时却没有。那是因为加速度的感觉和引力根本没有关系。它只与法向力的大小有关:物体对你施加的物理力。在地球上,你能做的最好的测试之一就是把秤带进电梯。如果你站在天平上然后向上,你会注意到:

当你向上加速时,你在天平上的重量首先开始增加,因为(来自地面的)法向力增加了,然后你的体重会恢复正常,当你的净加速度恢复到零,你以恒定的速度移动,然后你的体重随着电梯的减速而迅速下降,当它发生时你的法向力(从地面)也随之下降。当你在一辆加速或减速的车里,或有人突然推你,或你处在发射的火箭飞船上的时候,同样的加速感也会出现。

图注:1992年哥伦比亚号航天飞机的这次发射表明,加速度不仅仅是火箭的瞬时加速度,而是在很长一段时间内产生的,持续了很多分钟。火箭上的某个人感受到的加速度是向下的:与火箭的加速度方向相反。进入科幻小说世界,这就是为什么如此多的飞船将某种“人造重力”作为情节装置的原因。 没有它,您根本不会体验到那种加速的感觉。 仅在引力的影响下,即使您朝月球、行星、恒星或星系等天体坠落,您也只会体验到失重的感觉,因为您的身体相对于飞船不会有任何加速度。

您要么必须要有某种方法来使船不断以与地球重力9.8 m /s相同的加速度进行加速,然后船正在加速的方向就像您的“向上”方向, 类似于“向下”朝向地球中心的方式,或者您必须拥有大型旋转船才能使“向外”作为向下方向,这个想法在2001年的电影《太空漫游》中发挥了巨大的作用。

图注:在2001年的电影《太空漫游》中,一艘大型圆形宇宙飞船的想法占据了中心位置,成为产生人造重力的现实手段。通过让宇宙飞船根据其外半径以特定的速度旋转,可以产生一种人造重力的感觉,其“向外”方向与我们所感知的“向下”方向相对应。爱因斯坦正是通过思考这样的谜题和现象,找到了广义相对论的关键思想:等效原理。简单地说,等效原理是说,如果你在一个封闭的、没有窗户的房间里——比如电梯——你无法区分把你拉下来的重力(或加速度)和由于你的运动改变而导致的加速度之间的区别,而这种变化会把你“拉下来” 。

唯一的迹象是,物体在房间内似乎朝一个统一的方向加速。 您唯一可以执行的真实测试是将不同的物体放在不同的位置,并以足够好的精度测量它们是否朝着某个点(将是重力的方向)加速,远离某个点(这将是向心的,或旋转的例子),或是平行线(这将是线性加速度)。

图注:爱因斯坦的等效原理证明了在加速火箭(左)和在地球(右)上落在地板上的球的行为相同。 尽管在单个点上测量加速度不会显示出重力加速度与其他形式的加速度之间的差异,但由于周围时空的引力梯度不均匀,因此沿该路径测量多个点会显示出差异。 值得注意的是,引力使爱因斯坦将引力与狭义相对论统一起来。事实上,在你自己的身体里,你所感受到的唯一感觉,是由触碰你的物体所产生的力。如果你在一个密封的房间里,房间外面的东西导致你和房间一起移动——不管这种力是引力、电磁力还是其他性质的力——只要房间的两边没有以某种方式对你施加力,你就无法感觉到它。

对于引力,它会使你、飞船和其他一切物体以完全相同的速度加速;如果没有任何物体对其他物体产生推力,就不会有任何力的感觉和加速度。尽管引力会使你加速,但自由落体时提供的加速度与失重时相同。

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