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1 # 基金當如此
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2 # 科學美少男
so easy,等效原理,上游樂場坐坐過山車和自由落體就能體驗到了,實在不行高空彈跳!甚至......(雖然不花錢,但請勿模仿,珍愛生命)
圖:高空彈跳,自由落體下的零重力
圖:零重力實驗室,美國宇航局的失重奇觀,通常被稱為嘔吐彗星。這是一架改進的道格拉斯DC-9型客機。
當我們在太空中看到宇航員在地球大氣層上空飛行時,我們說它們處於零重力:真正的失重狀態。然而它們仍然受到地球、月球、太陽和宇宙中其他物質的引力作用!那麼零重力是如何起作用的呢?它是真實存在的嗎?
這是一個很好的問題,一種你不需要到太空去體驗的感覺。
圖:瘋狂過山車,零重力體驗一級棒
想想你現在正在做的事情,很可能是“一動不動”地坐著,這和摔倒之間有什麼區別?區別不在於椅子,座位,或者你身上的重力。實際上,你可能正在墜落,就像在坐在自由落體的過山車一樣。不同之處在於,當你的座位(或地板,或床)頂起你,從而讓你抵抗地心引力時,你沒感覺到你在下墜。你沒有體驗到下落的感覺的原因,其實與引力(重力)的關係並不大,而是與“法向力”有關。法向力是垂直於你重心的表面的力,是它支撐著你可以老老實實坐在椅子上。
圖:重力(紅色)和法向力(藍色)相等且方向相反,因為它們作用於地球表面上的任何質量的物體。
三種方案現在,把那個力拿走。你可以想象用幾種不同的方法把它拿走:
1)您可以移走施加壓力的表面,例如地板,椅子或任何使支撐著你的東西。
圖:別告訴我你會這個技能
2)你可以想辦法關掉重力,讓你失重。(同時法向力也消失)
3)您可以關閉您與椅子表面上的原子之間的電磁相互作用。
在第一種情況下,你會墜落,就好像你不小心踩到了稀薄的空氣,然後開始往下掉。(椅子、地板、樓板統統移掉,想想貓和老鼠,貓追到懸崖邊,追出了懸崖的畫面,或者跳樓的感覺)
在第二種情況下,你會意識到法向力“開”的唯一原因實際上是因為重力把你拉向地球,地板(或椅子)擋在中間,用等反作用力把你拉回原位。如果你關掉重力,重力就會變成零,法向力也會變成零。
在第三種情況下,重力仍然存在,把你拉向地心,但是如果沒有地板上原子間的電磁力作用在你身上,你會直接掉下去。(解釋一下,就是你除了受重力不會與任何物體發生作用,就像一個受到了重力的幽靈,遇牆穿牆,遇人穿人)
圖:雖然一個拋射體只在重力的影響下運動,它看起來像一個拋物線,但實際上這個拋物線是一個以地球的中心為焦點的橢圓的一小部分。如果關閉電磁力,球將在大約90分鐘內走完橢圓路徑。
三種情況分析這三種情況顯然有很大的不同。在第一種情況下,重力會把你往下拉,把你加速拉向地球的中心,直到你要麼因為空氣的阻力停止加速,要麼因為你經歷了來自地球(或另一個固體)的力。
在第二種情況下,你會體驗失重狀態,在任何地方都不會加速,這才是真正的“零重力”。
在第三種情況下,就如同上面那個籃球,您將朝著地球中心加速,軌跡為以地球中心為一個焦點的橢圓形軌道,大約90分鐘後回到起點。
圖:地球的軌道為橢圓,太陽就是橢圓軌道的焦點。
劃重點:在最初的那一刻,在這三種情況下,你會有完全相同的感覺。
圖:宇航員和水果在國際空間站上。請注意,重力並不為0,只是所有東西,包括飛船都處於均勻加速狀態,產生的結果是零重力體驗。
等效原理那種失重的感覺,那種胃部上升的感覺,那種迷失方向的感覺……這就是所謂的“零重力”感覺。劃重點:如果你不睜開眼睛,第二種(零重力)和第三種情況(有重力,不與任何事物互動,幽靈狀態)對你來說是難以分辨的。即你無法區分重力為0與自由落體勻加速之間的區別。這似乎違反直覺,但這是核心,這就是愛因斯坦推匯出廣義相對論的公理,“等效原理”。
圖:一個球在勻加速火箭中(左)和在地球上(右),球的運動軌跡是相同,這是愛因斯坦等價原理的一個證明。
等效原理表明,重力加速度和任何其他形式的加速度是無法區分的,比如火箭的推力。如果你和你所在的參考系都在處於勻加速狀態,你等效於沒有勻加速。你在地球上感受到的力,繞著軸旋轉,繞著太陽旋轉,和你在太陽消失後感受到的力是一樣的,而地球只是在宇宙的深淵中獨自旋轉。
圖:地球繞太陽公轉,其旋轉軸如圖所示。
總結綜上所述:當我們說“零重力”時,我們並不是說重力不復存在。宇宙中沒有一個地方是我們可以成功躲避地心引力的,我們也不需要這樣做。我們需要做的就是想辦法讓法向力消失,這意味著我們和我們所在的參照系能夠一致下落。我們所要做的就是以與環境完全相同的速度加速,它們之間沒有力的差別。這和實驗室(失重的飛行)的原理是一樣的,即飛機的引擎關閉,飛機自由下落40秒,你在飛機上。
圖:失重飛機
你體驗的零重力可能感覺很像墜落,除了沒有空氣從你身邊掠過。簡單地說,您自己與您認為的“向下”方向之間沒有相對的引力。不過,友情提示一下,不要經常這麼玩,否則你會經歷各種身體不舒服,例如骨質疏鬆,肌肉萎縮,視力障礙,甚至失明,失去你腳上的老繭(導致腳蛻皮),由於缺少重力拽著你的內臟,所以你還會感覺腸胃脹氣,甚至洗澡、上廁所等等發揮你的想象力。
而體驗真正零重力(第二種情況)是不可能,因為在宇宙中沒有任何地方可以躲避終引力,但是根據“等效原理”零重力和自由落體是相同的。
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有兩種辦法,一種是在水下。人密度和水的密度差不多。在水中浮力合適的時候就可以感覺到一種失蹤的狀態。這種情況,用來模擬太空環境。這種辦法非常便宜。
還有一種好像是物理學上的。如果你乘坐一個飛行器。飛到足夠的高度,然後高速上地面俯衝要非常高的速度。這樣飛行器內部就會出現無重力狀態。比如一個自由落體在落地之前因為重力都轉換成加速度。致使自由落體本身沒有受到外力影響。集中力全部轉換成加速度就是零重力。
這就是所謂的風動方法。 航天訓練員所使用的,讓較大的氣流,也就是風向上吹。使人本身的重量與風向上的推動力,成為平衡,我而讓人感覺到失重的狀態。