在地球上如何造出一片失重空間?
��類似于用過山車、電梯、水底、飛機這些來在地球上的實現失重空間的想法太一般,挖到地心的想法很有想像力,不過到了那里去制造失重空間的應用還不如到太空。強磁場方面的研究,有太多恐怖,還處于神秘的階段。所以,我給出不同于以上眾人所說的兩條新穎的想法。
��一是,根據伯努利原理,在水流或氣流里,如果速度小,壓力就大,如果速度大,壓力就小。通過對某一空間A(可在大陸地表或海面上)的上方施加高速流體(哪種流體性能效果好還有待于研究),這樣就對這一空間A產生一個向上的力來抵消地球引力的作用,從而有望達到失重狀態。注意這個上壓力不等同于在地球上對空間A施加向上的拉力得到的平衡,因為拉力是基于地球引力而存在(不能做到像太空上離心力的作用那樣不依賴于地球)。伯努利原理產生的壓力與地球引力無本質聯系,故有可能產生抵消地球引力作用的上壓力。
��二是,陀螺儀的改造。一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時,不會改變。人們根據這個道理,用它來保持方向,制造出來的東西就叫陀螺儀。自行車利用了這個原理,輪子轉得越快越不容易倒,因為車軸有一股保持水平的力量?,F代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器,它是現代航空、航海、航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性導航儀器。陀螺儀的特點是,具有軸對稱性和繞此對稱軸有較大的轉動慣量。可以通過支架與外環、內環各軸的兩兩垂直設計,來達到陀螺儀不受重力的力矩,且能在空間任意取向。利用這個性質,我們是否可以通過高速旋轉陀螺儀空間A來達到空間A失重呢?又或者使用多個陀螺儀的聯合裝置,會不會得到地面上的空間A失重?這需要力學分析與結構研究,不是本人能力范圍之內,所以只能說是“想法”。
地球上怎么弄出失重空間?
在地球上可以模擬失重狀態,簡單說就是受力平衡時就可能表現為失重;仔細分析后發現僅僅受力平衡并不能讓實驗人員有失重狀態。
分析如下:比如讓實驗人員受力平衡,讓實驗人員懸浮在水中時,外力作用在實驗人員身體表面,形成一種擠壓力來平衡重力(但是重力是作用在可以說實驗人員身體的每一個有質量的原子部分),實驗人員的心臟,血液的壓力跟在地面沒有變化,所以也不能感覺到失重。懸浮的感覺就是胸口悶,就是水壓力作用在身體表面的擠壓。
失重的實質
失重不是重力消失或大幅度減小的結果(事實上,在100km高度上,地球重力僅僅比地球表面減少大約3%)。失重現象主要發生在軌道上或太空內或進行拋物線飛行的飛機內或在其他一些不正常情況下的(遠離星球或大重量物體)物體或人的自由下降。
物體對支持物的壓力小于物體所受重力的現象叫失重。也就是失重小于實際重力,當近地物體的加速度向下時,其實際視重小于實際重力。
如何制造失重空間
普通人想體驗過重和失重的感覺,最好也是最直觀的就是乘坐高速電梯,上升和下降的瞬間,體驗時間很短。但是想長時間體驗的民用設施就是過山車。閉上眼睛體驗過山車的感覺吧。
對宇航員的訓練采用如下的方式。
1、失重訓練 短期失重的模擬主要是落塔和失重飛機,落塔所造成的物體自由下落時間僅幾秒鐘,沒有實際意義。人們用高性能的普通飛機改裝或特意建造的失重飛機.能在一次飛行中創造出20~30秒鐘的失重環境。這種飛機的機艙內有寬大的空間,內乘被訓人員,并配備了實驗用品。當飛機飛行到一定高度和速度時,以一定的操縱程序進入特別設計的失重拋物線飛行.即沿拋物式上升和下落。在整個過程中便產生了失重或微重力現象。這種飛機在一次飛行中,可以作若干次拋物線飛行。人們在失重的時間里可以做各種試驗.如吃東西,喝水,穿脫衣服、閉眼與睜眼的定向運動,甚至可把一個艙體搬進機艙中.還可進行人在失重的時間里從艙體爬出來的試驗,訓練太空的出艙活動。總之,它是訓練未進入太空的人在失重環境中的運動,消除人體對失重的“恐懼感”的有效途徑。 在地面還可用水池產生的漂浮感覺,訓練航天員在失和維修狀態。也可以用頭低位臥床辦法.模擬失重時人體的失重效應等。
2、超重模擬器——離心機。這是航天員最有價值的訓練設備之一。離心機臂端的吊籃里有躺椅、儀表板、手控制器和聯動裝置及環境控制系統、加壓服和生物醫學儀器。吊籃密閉后可減壓到實際飛行的座艙壓力。運轉時可模擬正常發射、再入及可能的失敗再入情況。 休斯頓研制載人飛船科研中心修建的離心機,其臂長15m,在以7.5g/s的速度增加超重時可達30g的超重狀態。臂端上的艙直徑為3.6m,容積14m3,重3624kg,可容納3名身穿航天服的航天員。艙內壓力可在1~0.35atm①范圍內變化。相對濕度為40%~60%,溫度10~100℃。艙有3個自由度,因此可以建立不同方向作用于航天員的超重條件。改變離心機旋轉的角加速度可以獲得飛船發射過程中第一級火箭分離時刻、第二級火箭工作及分離時刻和第三級火箭發動機工作時出現的加速度。艙內設有生物遙測設備和電視機。 通過在離心機上的訓練可以提高航天員對超重的耐力及在超重條件下操縱飛船和通信的能力。
如何制造失重空間
“飛機過山車”
過山車是一種驚險刺激的游戲,當車體從最高處高速下滑時,大部分乘坐者都會不由自主地尖叫起來。這是因為快速下降時,使人產生類似于失重的異樣感覺。而乘坐“飛機過山車”卻正是目前美、俄等航天強國對航天員進行失重訓練的最主要的方式。所謂“飛機過山車”實際上指的是利用飛機做拋物線飛行,以模擬失重狀態的一種訓練方式,其原理和過山車頗有些相似之處。
訓練開始時,飛機處于水平狀態,接著機頭向上抬起到45度,沿著拋物線向上飛,直至飛到拋物線的最高點后再高速向下俯沖。在整個拋物線飛行階段里,機艙內的人會進入失重狀態,整個過程大約可以持續數十秒左右。在這段時間里,航天員可以進行各種訓練活動,比如吃東西、喝水、穿脫衣服、閉眼與睜眼的定向運動等。
首位飛上太空的華裔美籍航天員王贛駿博士在乘坐“挑戰者號”航天飛機升空之前,曾在美國的KC-135失重訓練飛機上,坐過400多個小時的“飛機過山車”,進行拋物線飛行6000多次。
在水下是這樣的:宇航服本身有氧氣供應裝置,而且密封非常好。航天員穿上宇航服可以像潛水員一樣在水中活動。至于浮力問題,只要掛上一些精心計算好的配重或浮力裝置,使人的整體密度接近水,就能模擬出失重的效果。
飛機模擬失重是采用大型運輸機飛行到一定高度,按拋物線飛行一段時間可以模擬失重的感覺(就好比在下落的電梯里也一樣會感覺失重,不過有過這種感覺的人不會活著告訴我們)。
我當地郊區有一段公路經過一處高地,有一個比較緩而且長的山坡。越過高地頂端的一段時間里,如果車速夠快的話可以感覺到幾秒的類似失重的感覺。
還有兩個辦法也能模擬失重。
第一種辦法是建造一個圓形的垂直風道,向上吹強風,當風速達到一定的強度可以使人飄在半空。懸浮起一個人需要至少50米/s左右的風速,這個失重池的直徑至少在2米。每小時大約113萬立方米的風量。如果隨身攜帶類似蝙蝠翅膀一樣的帆,風速還可以降低。上面的計算數據是小仙妹自己計算的,未必實用(因為沒有考慮具體結構中的阻力,而且人的懸浮風速究竟多少小仙妹對此沒有確實驗證過)。
這種辦法容易實現,構造簡單,而且安全可靠,很適合在公園作為娛樂設施。不過對于航天訓練來說有點不大真實。據說在美國已經有這種娛樂設施了。