Как центростремительная сила создает искусственную гравитацию

Это отличный мысленный эксперимент для вращающегося транспортного средства. Вы правы в том, что если вы просто войдете в открытое пространство внутри вращающегося цилиндра, как-то не следя за вращением сами, вы не почувствуете силы, вытягивающей вас наружу. Вы можете просто висеть там и смотреть, как «пол» вращается под вами.

Однако вы, вероятно, не сможете просто висеть там, предполагая, что в пространстве есть воздух. Если вы живы и дышите, то воздух также будет двигаться мимо вас (граничный эффект с полом и стенами будет перемещать воздух вместе с ними), что заставит вас двигаться в том же направлении, что и пол. Поскольку он передает силу в этом направлении, вы начнете двигаться по траектории, перпендикулярной радиусу. Затем вы окажетесь на траектории пересечения пола, который изгибается перед вами. По мере того, как вы приближаетесь, воздух будет двигаться быстрее, еще больше разгоняя вас до пола перед вами. Будет казаться, что вы падаете на пол, а также догоняете его.

В том, что обычно можно увидеть на изображениях такого транспортного средства, вы не парите в пространстве и не ждете, пока движущийся воздух направит вас на пол, а скорее управляете своим спуском по лестнице. (Кажется разумным, в отличие от неконтролируемого падения, каким бы медленным он ни был.) Затем вы вращаетесь вместе с полом, при этом ваша угловая скорость увеличивается по мере спуска, увеличивая кажущийся вес ваших ног на лестнице по мере спуска.

Чтобы немного расширить мысленный эксперимент Марка Адлера:

Если бы вы соприкоснулись с вращающимся полом и начали ходить или бежать в направлении вращения, вы бы почувствовали увеличение веса. Сколько зависит от тангенциальной скорости дна среды обитания и его радиуса. Если скорость достаточно низкая, добавленная скорость от вашего собственного относительного движения может заметно увеличить ваш кажущийся вес.

И наоборот, если бы вы шли или бежали в направлении, противоположном направлению движения пола, вы бы компенсировали часть или, возможно, все центростремительное ускорение. Возможно, вы даже вернетесь в невесомое состояние. По крайней мере, пока вы не дрейфуете во что-то, что движется вместе с полом, или пока воздух не начнет действовать, как в ответе Марка.

Хотя мысленный эксперимент Марка Адлера хорош, я думаю, что лучший и более прямой ответ будет следующим:

Если бы вы случайно оказались рядом с цилиндром, вы бы просто наблюдали, как он вращается вокруг вас, пока вы стоите на месте в открытом космосе. Ничего не произошло. В пустоте (или что-то близкое к ней), поскольку нет трения о воздух (как в эксперименте Марка Адлера), вы могли бы стоять там вечно (не обращая внимания на силы гравитации вокруг вас).

Вы испытаете искусственную гравитацию только в том случае, если начнете вращаться вместе с цилиндром. Для этого вам нужно будет ухватиться за вращающийся «пол», вы испытаете несколько ударов и ускорений, и в конце концов вы станете «одним целым с полом». Это означает, что в тангенциальном направлении вы будете двигаться равномерно (эквивалентно недвижению), в то время как центробежная сила будет действовать только наружу. Это было бы совершенно эквивалентно стоянию на Земле.

Чтобы завершить ответ, центростремительная сила создает гравитацию, потому что она «толкает» вас к центру цилиндра так же, как Земля толкает вас к небу (в противном случае вы падаете к центру Земли / к внешней стороне цилиндра). Но чтобы получить эту центростремительную силу, вы должны находиться в контакте с вращающимся полом и стоять относительно него неподвижно.

Если вы примете вращающуюся систему отсчета космического корабля, то увидите две вымышленные силы. Одна из них — центробежная сила — это ваша искусственная гравитация. Другая сила – сила Кориолиса. В описанном вами сценарии сила Кориолиса уравновешивает центробежную силу и позволяет вам парить над полом.

Но необычно, чтобы эти две силы точно уравновешивались. В этой системе отсчета вас удерживает только сила Кориолиса, потому что вы летите мимо пола на высокой скорости.