製造一個鋼圈,把地球赤道圍起來,這個鋼圈能否自然懸浮於空中?

2020-12-03 科學信仰

任何有質量的物體都具有引力,而地球作為一顆質量為5.965*10∧24千克的行星,自然具有強大的引力。

要克服地球引力,將物體送入地球軌道,那麼就必須要實現第一宇宙速度,也就是7.9km/m。如果要徹底擺脫地球引力的束縛,將物體送往地外星球,就必須要讓初始速度達到第二宇宙速度,也就是11.2km/m。

之所以舉出這兩個例子,就是為了說明地球的引力之強。地球是一個球體,在地球的任何一個位置所受的引力都是指向地球中心的,因此就出現了很多關於地球引力的腦洞問題,比如如果我們試圖鑽穿地球,當穿過地球中心的一瞬間,是不是就會由向下挖掘轉變為向上挖掘呢?這些問題都很有趣,而現在我們要來思考的是另外一個有趣的問題。

地球表面任何位置所受的引力方向都是指向地球中心的,那麼如果我們製造一個鋼圈,鋼圈的周長比赤道長一些,讓這個鋼圈環繞赤道,那麼在這個鋼圈完工之後,它是不是就能夠自然懸浮於空中呢?

這個思想實驗的構思是這樣的,鋼圈是一個整體,在鋼圈上每一對相對的點所受的地球引力的方向是相反的,所以就產生了相互制衡,於是整個鋼圈便能夠憑空懸浮在空中了。這個實驗在思想的世界很容易,但放到現實中來,卻將要面對重重困難。

首先的一個問題就是這個鋼圈到底要離面多遠,一米?兩米?還是十米或者一百米?似乎離多遠都不太合適。原因就在於地球說是一個球體,但實際上並不完美,而且是非常不完美。

就地球本身而言,它就不是一個標準的球型,所以環繞地球的鋼圈也就不能是一個標準的球形。

其次,地球表面是凹凸不平的,有海洋、有盆地,有平原,有高原,有丘陵,也有山川,那麼怎麼能夠製造一個鋼圈,讓它在任意一點上距離面的距離都相等呢?如果讓鋼圈隨著地表的變化而起伏變化,那麼在所有凸起或凹陷的地方都會形成一個應力集中點,對於如此浩大的工程,這樣的應力集中點是極易發生斷裂的。

當然,這個問題也並不是不可以解決,我們可以本著勇往直前的信念,遇到山川就鑽孔,強行製造一個環繞地球的圓環。而在製造的過程中還要考慮很多其它的因素,比如大氣環境啊,潮汐影響啊,這些都要經過縝密的計算。

在製造這個鋼圈的過程中,有些問題是可以解決的,而有些問題則是無解的。

其中最無解的一個問題就是鋼圈的材質問題,世界上是沒有絕對剛體的。在常識中,鋼鐵是十分堅硬的,但是一般的鋼筋在幾米的長度上就會出現明顯的彎曲,而地球的周長達到了40000公裡,可以說無論使用任何材料來製造這個鋼圈,在支撐撤去之後都會斷裂,而且會出現無數個斷裂點。

在4000公裡的長度下,鋼鐵和草繩是沒有任何區別的,這就是現實中一個無法解決的問題,世界上沒有不會變形的絕對剛體,所以也就不可能在現實中製造出這樣的鋼圈,所以上面的這個實驗也只能在思想中去進行了。那麼就假設我們解決了一切的困難,造出了這個鋼圈,那麼會發生什麼呢?

當一個以絕對剛體製造的環繞赤道的鋼圈撤去支撐的一刻,你會發現這個鋼圈真的能夠自然懸浮於空中。

這是因為在鋼圈上的每一個點都受到重力的影響,而每個點都有一個與之相對的點所承受的重力方向是相反的,於是合力抵消了重力,鋼圈很自然的飄浮在了空中。不過鋼圈的飄浮並不會是穩定的,因為地球並不是一個獨立的天體,也不是一個靜止不動的天體。

首先月球會對地球產生潮汐力,這會干擾到鋼圈的引力均衡,其次,地球處於高速自轉之中。所以真實情況很可能是這個鋼圈雖然懸浮於空中,但是卻呈現南北向晃動。而要想讓鋼圈穩定懸浮於地球外圍,最簡單的辦法就是讓鋼圈轉起來,這樣它就成為了一個類似於行星環的存在。#百家探索#

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