地球漂浮在宇宙中不停地自转,为什么我们从来没有头朝下的感觉?

这是一个看起来很简单,因为用万有引力就能回答这个问题,但要说清楚却并不容易,值得由浅入深的来探讨一下这个司空见惯,却蕴含不少科学道理的问题。

万有引力定律

曾经亚里士多德很认真的考虑了这个问题,他认为物体分两种,一种轻物,一种是重物,轻物比如空气和火是轻性,天然的网上走!重物比如泥土、水等是重性,它们是会往下掉的。这很有道理啊,所以此后数千年时间里,居然没有人再去认真考虑过这个问题

时间走到了伽利略时代,他提出了验证这个轻性和重性的方式,一个向上走,一个向下走,绑在一起,上下综合一下,下落速度少一半喽,所以亚里士多德的结论就此破产。

当然伽利略并没有这个问题上继续深究,这让他错过了发现万有引力定律的绝好机会,因为跟他同时代的开普勒发现了行星运动定律,而在两位开路先锋后面的牛顿根据自己的观察结合前人的成就,总结出了万有引力定律

万有引力定律认为,天体之间的引力与它们的质量积成正比,与距离的平方成反比,我们站在地球上,那么就适合距离为“零”的这种条件的设定,假如一个50千克的人站在地球上,那么他所受到的引力为多少呢?

F=G×地球质量×人体质量/地球半径的平方=490.261N的引力

这个与G=mg计算所得是一样的,因为这两个一个是计算引力,一个简便计算。因此我们可以将这种不太好理解的问题变成两个天体之间的引力,似乎会更容易理解一些,但两者之间的距离不是零哦,因为还存在地球的半径。

人类的视觉与前庭器官

刚上文我们交代了历史上对于重力的认知,以及万有引力的来历,那么光有这些够了吗?完全不够,因为人体是一个很复杂的系统,比如对于方位的的“传感器”就至少有两个:

前庭器官

视觉器官

前者是我们人类位置感知的首要器官,它包括半规管、椭圆囊和球囊,是人体对自身状态和头部空间位置的传感器,当运动方式改变时,前庭器官会给我们准确的反馈。

后者则为我们提供视野以及经验验证,两者互相协调时我们对自身空间所在位置判断准确,因此感觉舒适,当两者不协调时就会感觉不适,比如坐船或者坐车时,很多朋友的前庭器官感觉比较敏感,而视觉器官却得不到准确的位置信息,因此晕船或者晕车就成了必然。

为什么很多晕车的朋友自己开合就不晕车了呢?

其实这个很简单,因为他在驾车时对于操作已经有了心理准备,而眼睛接收到的信号感知与前庭器官的反馈是一致的,所以大部分晕车的朋友做司机时就不会晕车了。

站在地球的“下面”时候为什么也不会晕呢?

其实这点很容易理解,我们感觉到的方向从头开始到地心的,而我们视觉器官接受到的所有的景物也跟感觉一致,所以并不会有不适感。

有什么能够模拟引力

以大质量天体来“模拟”引力当然是最好的,但其实此时本来就是引力无需模拟,一般工程上我们会用圆周运动产生的“离心力”来模拟引力,原理很简单,但却有一点要注意,以为人体有个套视觉和前庭器官在“监督”这个“离心力”是否模拟的足够好,比如圆周运动的直径太小时,前庭器官感受到周围空间位置迅速变化,会有眩晕感,因此模拟重力的设备直径与转速很关键。

一般认为1.5-2周/分钟的速度旋转模拟的“离心力”会比较舒适,2.5-3周/分是上限,长期在这个转速下工作人员会比较容易疲劳,眩晕,如果超过3周/分钟则会极度不适,即使经过训练的飞行员,短时间没问题,但长时间会严重影响工作。

a为向心加速度,一般一半也差不多了(一半重力下工作还是比较舒适的),取值4.9m/s^2,w为弧度,每分钟2周,那么换算成弧度为:

720°/分=12.566371弧度(rad)/分=0.20943弧度/秒

那么R=111.75M

如果要实现0.5倍的向心力加速度,那么需要111米半径的环形工作站以每分钟2周的速度旋转,模拟出来的“离心力”是比较舒适的。

但很可惜我们的国际空间站整个结构也之后所需尺寸的一般(国际空间站最大尺寸也就110M左右,模拟需要222米直径),这也是国际空间站上无法满足这个模拟重力的原因,不过在未来也许将达到这个水平,我们非常期待。因为长期在失重条件下会影响人体各项机能。

引力和“离心力”的本质区别

用圆周运动产生的向心力来模拟引力可以欺骗前庭器官,但却骗不了科学,因为这两者有非常明显的区别,前者所谓的向心力(“离心力”)用电磁力驱动下的旋转所模拟的,并不属于四大基本力之一,而引力则是由质量弯曲时空所产生,它是属于四大基本力之一。

但引力在四种基本作用力中间是最小的,不过有一个好处是可以无限叠加,因此有无数基本呢粒子组成的地球的引力可以强大到留住大气层,创造出生命诞生的环境,最后让我们这帮唧唧哇哇研究人类为什么倒着站着地球“下面”也不会晕的这种话题,更可以继续长大成为像木星一样超级行星,或者恒星,甚至最后成为白矮星、中子星和黑洞,因为引力在这个宇宙中它处在上帝的角色,但它有一个黑暗界的对手:暗能量,在宇宙的头90亿年对决中,引力占了上风,但最近却是暗能量占了绝对优势,它的作用与引力相反,产生斥力,未来的宇宙将会被它拆的七零八落......再也拼凑不起来!