Качественные различия между гравитацией и вращающейся средой обитания

В зависимости от того, насколько близко вы находитесь к центру вращения среды обитания, вы почувствуете что-то от невесомости до максимальной, которую предлагает среда обитания, поэтому, хотя дома могут быть расположены в зоне с ускорением в одну g, новые возможности возникают ближе ось вращения. Производство в условиях невесомости (например, производство больших кристаллов, невозможное в гравитационном поле; прясть чрезвычайно чистого оптоволоконного кабеля; сборка больших структур, которые немедленно рухнут, если когда-либо подвергнуться гравитации, и т. д.) было бы вполне возможно, поскольку был бы интересный бассейн. Можно было бы «зависнуть» над определенной точкой среды обитания, скажем, на легком самолете, который можно было бы крутить в соответствующем направлении. Таким образом, люди, живущие в такой среде обитания, будут иметь свободный доступ к любому уровню гравитации, который они пожелают. по сравнению с теми из нас, кто живет на поверхности планеты. Пожилые люди, которые считают, что гравитация сильно давит на них, могут переехать в дом поближе, чтобы вращаться и поддерживать мобильность, что невозможно здесь, на Земле.

Вероятно, будут изобретены новые виды спорта, и, как уже упоминалось, те, в которые мы уже играем, будут затронуты благодаря эффекту Кориолиса (вы можете увидеть довольно хорошее представление здесь . Вы упомянули бег против вращения: эти эффекты уменьшаются, чем больше диаметр среды обитания. Если вы возьмете что-то размером с остров 3 (до 8 км в диаметре), вращая его обитателей с ускорением 1G, вы обнаружите, что ваш кажущийся вес изменится лишь немногим более чем на фунт. Едва заметно , Если вы хотите поиграть с различными радиусами, угловой скоростью и т. д., SpinCalc отлично подойдет. Я нашел блог, показывающий забавные эффекты траектории мяча в зависимости от того, как его бросают , здесь тоже стоит прочитать.

Во-первых, я возьму терминологию из Кольца : «направление вращения» соответствует направлению вращения, а «против вращения» — направление, противоположное вращению. И я скажу немного об уравнении Кориолиса , а затем перейду к качественным эффектам.

По сути, все, что связано с движением «вверх», «вниз», по направлению вращения или против направления вращения (которое фиксирует действия братства в комментариях) и некоторыми другими вещами, будет отличаться от «нормальной» гравитационной среды. Уравнение Кориолиса

$$\mathbf a_c=(-2 \mathbf \Omega \times \mathbf v) - \mathbf \Omega \times (\mathbf \Omega \times \mathbf r)$$ непрозрачна для большинства людей, не являющихся учеными, инженерами или математиками, но она говорит нам, что происходит.

Второй срок,

$$- \mathbf \Omega \times (\mathbf \Omega \times \mathbf r)$$ это просто "искусственная гравитация", которую вы чувствуете. При фиксированной скорости вращения ($\omega$, величина вектора вращения$\mathbf \Omega$, так что ваш "RPM") зависит только от вашего расстояния от оси вращения, до тех пор, пока$\omega$учитывает любое движение по направлению вращения или против вращения по отношению к станции или космическому кораблю. Чем дальше от оси, тем сильнее искусственное ускорение, прямо пропорциональное.

Это первый срок,

$$-2 \mathbf \Omega \times \mathbf v$$ это вызывает большую часть проблем с нашей земной интуицией о движении в нашем окружении. Он включает векторное перекрестное произведение векторов$\mathbf \Omega$и$\mathbf v$.$\mathbf \Omega$это просто скорость вращения$\mathbf \omega$в сочетании с направлением, на которое указывает ось вращения, и$\mathbf v$это просто вектор скорости , измеренный во вращающейся системе отсчета . Это перекрестное произведение вызывает ускорения в направлении, перпендикулярном скорости (а также перпендикулярном оси вращения), что наиболее неинтуитивно, если вы только что впервые поднялись с Земли.

Хорошо, некоторые наблюдаемые эффекты.

Вы уже упомянули пару: бег против вращения заставляет вас чувствовать себя тяжелее, бег против вращения заставляет вас чувствовать себя легче. Если бы вы могли бежать против вращения с той же скоростью, с которой вращается ваше окружение (надеюсь, туннель!), первый член Кориолиса точно уравновешивал бы второй, и вы были бы невесомы. Вы можете просто плыть по туннелю, пока станция вращается вокруг вас, пока не появится переборка, а потом хлоп! Но так быстро бежать сложно по двум причинам: чем быстрее вы бежите против вращения, тем меньше у вас «веса» (конечно, искусственного), а значит, тем меньше у вас сцепления; а на станциях или космических кораблях любого приличного размера, предотвращающего укачивание, эта скорость высока. Для станции радиусом 100 м получение ничтожного лунного g (1,625$\frac{m}{s^2}$) требует скорости вращения в радиусе 100 м 45,9 км/ч (28,5 миль в час). Удачи в достижении этой скорости. А если получится — удачи с этой переборкой!

Движение от оси вращения («вниз»), по-видимому, вызывает силы, направленные против вращения, а движение «вверх» заставляет вещи вращаться.

Пример: вы начинаете принимать душ. Вы знаете, что когда начнется поток, будет очень холодно, поэтому вы не стоите прямо под насадкой для душа, которая ориентирована так, чтобы направлять воду прямо вниз. Вы включаете поток медленно, думая, что избежите внезапных сюрпризов. Но вы решили стоять против направления вращения лейки душа, и, к вашему огромному дискомфорту, поток холодной воды, выходящий из лейки душа прямо вниз, изгибается против вращения , прямо на вас!

Если бы, когда вы среагировали, вы прыгнули прямо вверх, вы бы не приземлились на то место, откуда вы вышли, вы бы приземлились по направлению вращения от этого места. Из потока воды, надеюсь.

Движение, параллельное оси вращения, не приобретает такой странности до тех пор, пока нисходящее ускорение искусственной гравитации не вызывает направленную наружу скорость, после чего начинается кривая, направленная против вращения.

В моих дискуссиях с разными людьми, обдумывающими дизайн больших вращающихся станций, возникла идея спорта на таких станциях. Традиционные виды спорта, такие как баскетбол, были бы разочаровывающими упражнениями, такими как мячи, воланы и т. д., и вы двигались бы способами, к которым вы просто не привыкли.

Ниже этого ответа обсуждается вождение автомобиля (обобщаемое на любое транспортное средство) внутри вращающегося цилиндра. Если бы вы двигались быстро относительно цилиндра в ретроградном направлении, вы бы испытывали все меньше и меньше искусственной гравитации, пока не остановились бы в инерциальной системе отсчета, после чего вы бы обнаружили, что у вас нет трения о дорожку или дорогу. Вы можете даже уплыть вверх от дороги без возможности вернуться обратно.

Это может относиться к велосипедам или даже бегунам, в зависимости от радиуса и скорости вращения.

Смотрите также:

• этот классный ответ на Радиальное изменение атмосферного давления во вращающемся цилиндрическом корабле О'Нила? (Свидание с Рамой)
• Могут ли птицы летать внутри цилиндра О'Нила?
• Могут ли люди играть в баскетбол в моделируемой гравитации?
• Какова сила тяжести внутри вращающегося цилиндра?