地球同步軌道的空間站內,「離心力」可以達到地面的1g水平嗎?

2020-12-04 宇宙新思維

上面是網友的一個提問,發現裡面有一些概念是模糊的,感覺他的思想很有代表性,因此我們有必要就這些問題作一科普。

首先糾正一個概念,根據題意,「離心力」顯然是指空間站的物體受到的力,受力體是空間站的物體。實際上世上根本不存在「離心力」,所謂的「離心力」不過是維持慣性的效應趨勢,是強制改變物體運動狀態的主體施力方(在這裡就是地球)感受到的力(在這裡就是物體對地球的引力),這個力是主體方施於物體向心力的反作用力,而對於物體來說,離心力是「虛擬的」,物體只感受到向心力,沒有受到「離心力」。對於空間站的物體來說,物體所受的向心力由地球引力提供,是物體運動方向和所受向心力永遠的垂直關係使得物體維持不斷改變的慣性趨勢「抵消」了向心力,因而空間站的物體也相互失去了支持力而處於物理概念上的「失重」狀態。

說到這裡再簡單科普一點失重的知識:實際上真正的失去重力是指遠離任何有質量的物體,進入太空深處不受到任何引力的狀態。按廣義相對論講,就是進入平直時空,但這一點很難做到,因為宇宙間沒有絕對平直的時空,除非沒有任何物質,如果是這樣,那這個物體也就不會存在,因而這是不可能的。宇宙時空整體看起來是彎曲的。

所以物理上的失重一般指失去重量而非引力。這裡重量的意思指的是物體對支持物的壓力,因此失去重量就是失去支持力。上面說的空間站這個「失重」就是失去或部分失去支持力造成的物理現象,而非失去引力的意思。實際上空間站的物體仍然受到地球的引力。當然根據失去支持力的程度,失重又分完全失重和非完全失重。像自由落體就是完全失重,好了,有關於失重的話題就說到這裡。

通過上面的陳述,我們就知道應該怎麼回答這個題目了。這個「離心力」的說法應該改為空間站物體所受「地球引力」能夠達到地面的大小嗎?因為這個「離心力」就是空間站地球的引力。所謂地球同步軌道就是空間站的軌道周期等於地球的自轉周期,且方向也與之一致。

人造太空飛行器受到的地球引力大小隻與軌道高度有關,而與地球的自轉無關。即空間站圍繞地球轉動是繞著地球質心轉動的,即使靜止於地球表面,相對於地球質心也是運動的,照常有「慣性趨勢」。下面我們來算一下:地球同步軌道高度約36000公裡,精確值為35786公裡。根據萬有引力公式F=GMm/R得地球同步軌道高度處的引力加速度g同=GM/R,其中G為萬有引力常數,M為地球質量,R為空間站距地心距離,已知地球半徑r=6371公裡,設地球表面加速度為g,那麼g≈GM/r,則g同/g=r/R=6371/35786≈0.03169,即g同=0.03169g,引力的確比地面小多了,即約相當於地面的百分之三。再據向心力公式,得出這個高度的線速度V=√g同R≈3.3公裡/秒。

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