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如果宇航員長期執行太空任務，需要旋轉航天器來產生人造重力，但這沒你想像得那麼容易。
雖然人們在太空中生活是件很棒的事，但「失重」環境帶來了一些嚴峻的挑戰。人類在地球上受到恆定重力的影響，能發揮最好的身體性能。但是如果長期暴露在微重力環境中，人體就會受到許多影響，包括骨質流失和肌肉萎縮。
因此，如果人類想生活在太空中，就需要創造一個人造重力環境。只有一種方法可以做到：建造一輛以恆定加速度移動的交通工具。最常見的概念是建造一艘旋轉的航天器，但這並不像聽起來的那麼容易，其中有很多困難。
感受重力
首先，讓我們回顧一下重力的基礎知識以及感受到重力的意義。
重力是有質量的物體之間的吸引力。因為人體和地球都有質量，所以重力不斷地將你拉向地球並保持在地面上。但即使這種力量不斷地作用在你身上，你也感覺不到它，因為地球同時牽引着你身體的各個部分，使這種影響無法察覺。
我知道你在想什麼：「我坐在椅子上，當然可以感受到重力的作用。」事實上，你感覺到的不是重力，而是椅子（和地面）向上推你的力，我們稱這種向上的推力為「視重」（ apparent weight）。
我們可以通過乘坐電梯來很好地了解視重的概念。在靜止的電梯里，當你按向上的按鈕時，電梯開始向上移動。這意味着它（至少在很短的時間內）必須有一個向上的加速度，直到電梯達到它的運行速度。在這個向上加速的過程中，你感覺有點重。然後，一旦電梯接近其設定的樓層，它就必須減速。這意味着它向下加速，在此期間，你會感到有點輕。
但是，你的實際體重不會波動。你的真實體重可以衡量重力對你身體施加的力的大小，它是你的質量 (m) 以及地球質量與你距地球中心的距離之間相互作用的結果。在地球上，重力施加的力為每千克 9.8 牛頓。（質量和重量是不同的，在引力不同的行星上，即使質量相同，重量也會不同。）
電梯會改變視重，而不會改變你的體重或者質量。這看起來有點奇怪，但這種效果對於航天器來說非常有用。
直線加速
假設你在無引力的太空中——或者在有微重力環境的近地軌道上（這裡的微重力表示失重環境），如果航天器有一個不斷向上加速的巨型電梯會發生什麼？如果電梯的加速度與地球表面的重力場有相同的值，那你感受到的重力與在地球就是完全一樣的。
當然，帶有無限電梯的宇宙飛船是不切實際的。讓整個航天器加速會更容易，這絕對會產生人造重力。事實上，這是科幻小說《蒼穹浩瀚》系列（The Expanse）中太空艦上產生重力的主要方法。
但是這裡有一個問題：為了產生持續不斷的重力，航天器需要不斷加速，發動機不能關閉，否則加速度會降至零，這需要大量的燃料，人造重力需要耗費大量的代價（在《蒼穹浩瀚》中他們發明了「愛潑斯坦驅動技術」，這可以看做是魔法了）。
對於我們這個時代的人類來說，將需要另一種加速方法來產生人造重力。
圓周運動
加速度的定義是速度的變化率。如果一輛汽車在 1 秒內從 10 米/秒加速到 20 米/秒，則該車的加速度為每秒 10 米/秒²。（我們通常將其寫為10m/s²。）
但速度實際上是一個矢量。這意味着速度不僅可以表示物體移動有多快，還可以表示物體移動的方向。
假設一輛汽車以 20 m/s 的速度向西行駛，然後轉彎，1 秒後它以 20 m/s 的速度向北行駛。從速度的定義來看，即使汽車以相同的速度行駛，它也會因為改變方向而具有加速度。如果我們知道汽車在本次轉彎所走路徑的半徑 (R) 和速度 (v)，就可以計算出加速度的大小：
你並不真的需要這個數學運算。憑直覺就可以知道汽車轉彎是一種加速度，因為在轉彎時你可以感覺到有什麼東西將你推向汽車的一側，就像在移動的電梯中感覺到加速度一樣。
這就是為什麼我們可以使用旋轉的物體來產生人工加速度。你不需要讓航天器或空間站像汽車那樣繞一圈。相反，想像一個巨大的旋轉物體，裏面站着人。它看起來像這樣：
插圖：RHETT ALLAIN
三個人站在一個旋轉的圓柱體內。因為他們都在圓形路徑上運動，所以他們每個都感覺有點像重力的向上的加速度。（對他們來說，「向上」方向是朝向圓柱體的中心。）
事實證明，我們可以用航天器的角速度 (ω) 而不是速度 (v) 來描述它們的運動。每個人都會有一個加速度：
測量角速度 (ω) 的單位是弧度/秒。如果這個加速度的值為——9.8m/s²與地球表面的重力場相同——那麼那個人幾乎會覺得自己站在地球表面上。（我們很快就會談到差異。）
旋轉的航天器或空間站的最大優勢是：一旦讓它開始旋轉，就不需要再使用任何火箭燃料來維持它的運轉。除非有外力影響，它會一直持續旋轉。這也是為什麼你經常會在科幻電視劇和電影中看到這種人造重力方法（如《火星救援》、《巴比倫五號》、《2001：太空漫遊》、《星際穿越》等）。
這個等式說明了設計宇宙飛船很重要的事情。你可以製造小型交通工具（R 較小）並使其旋轉得非常快（ω 較大），或者可以製造一艘旋轉速率較小的大型艦體。
最小的旋轉航天器
如果減小旋轉航天器的半徑，必須增加它的角速度才能獲得所需的加速度。（假設需要到達9.8m/s²，就是1 g，這表示跟站在地球表面一樣的加速度。）
但問題又來了——這次是人。是的，我們在應對旋轉方面遇到了一些問題。（就我個人而言，我沒辦法玩遊樂園的任何旋轉設備，例如迪士尼樂園的瘋狂茶會，光是想想我就覺得有點噁心。）根據實驗室測試，大多數人可以忍受的旋轉速度大約是每分鐘一轉也就是 1 rpm。其他數據表明，高達 4 rpm 的角速度也是可能的。另一項研究得出結論，通過不斷的旋轉訓練，人類可能能夠以 26 rpm 的速度工作。
假設我們有一些非常擅長旋轉、不會反胃的宇航員，他們可以忍受 26 rpm 的旋轉速率。你需要建造多小的航天器來產生 1g 的人造重力？
首先，我們需要將角速度從每分鐘轉數轉換為每秒弧度數，得出ω = 2.72 弧度/秒的值。（請記住：1 圈等於 2π 弧度。）
接下來，我們只使用9.8m/s²的加速度並求解 R（半徑）,會得到一個半徑為 1.3 米、直徑為 2.6 米的圓形航天器。這是超級小的，甚至小於國際空間站模塊的直徑（後者約為 4.2 米）。如果採用更合理的角速度 4 rpm，航天器的直徑會變成 111.7米，約為112米，達到足球場或橄欖球場的大小。
如果不想製造 112 米大的旋轉宇宙飛船，可以使用一個小技巧：可以用兩個較小的容器來代替一個大容器，並將它們連接起來，使兩個較小的部分圍繞一個共同的質心旋轉。人類可以處於這些部分中的一個（或兩個）中，以便體驗人工引力場。你可以在電影《偷渡者》（Stowaway）中看到這種旋轉船的示例。
重力差
即使在這樣的條件下，跟你在地球上的感覺還存在兩點不同：首先頭上的人造重力場可能與腳下的場強具有不同的值。為了了解為什麼會發生這種情況，讓我們設想一個人站在一個相當小的旋轉航天器中。
插圖：RHETT ALLAIN
由於人在旋轉的空間內，他們的頭和腳具有相同的角速度 (ω)。但是，它們並沒有在相同大小的圓圈中移動。頭部比腳更靠近旋轉飛行器的中心，因此頭部的圓形路徑半徑 (Rh) 小於腳的圓形路徑半徑 (Rf)。請記住，加速度值（即人造重力）隨着運動半徑的減小而減小，因此人的頭部會受到比腳部更小的重力場，這感覺有點奇怪。
實際情況甚至可能比這更糟。想像一下那個半徑只有1.3米的超小型宇宙飛船。這小於一般人的身高——宇航員的頭部會超過旋轉中心。在這種情況下，他們的頭會被拉向飛船的一側（我們稱之為天花板），他們的腳會被拉向另一側，我們可以稱之為地板。就算高速旋轉不足以讓宇航員生病，這種重力差肯會影響到宇航員。
這種「重力差」對於較大的旋轉航天器來說並不是什麼大問題。讓我們考慮一下112 米直徑的旋轉飛行器示例。它的半徑為 55.8 米，角速度為 4 rpm。「地板」處的重力場為9.8m/s²，與地球上的情況相同。如果宇航員的身高為 1.75 米，那麼他們的頭部將在 54.1 米的圓半徑內移動。這意味着在它們的頭部，引力場將為9.49m/s²。與他們腳下的場地相比，只減少了 3.2%——所以沒什麼大不了的。
科里奧利力
旋轉的交通工具中還有另外一種力，稱為科里奧利力。這種力有點複雜，讓我們從一個使用旋轉木馬的例子開始。假設有兩個人（標記為 A 和 B）站在這個旋轉木馬上，一個在邊緣，一個靠近中間。俯視圖如下：
插圖：RHETT ALLAIN
請注意，兩個人都以相同的角速度繞着圓形路徑移動。然而，B 必須在與 A 相同的繞圈時間內走更遠的距離，這意味着 B具有比 A 更大的線速度 (v)。
這沒什麼大不了的，除非 B 決定向圓心移動。通過移動到半徑較小的新圓形路徑，B 必須加速到新的軌道，這種額外的加速受到的力稱為科里奧利力。
如果一個球從 B 向 A 滾動，它會沿着彎曲的路徑移動，如下所示：
插圖：RHETT ALLAIN
科里奧利力的大小取決於運動物體的速度（相對於旋轉物體）和旋轉木馬的角速度。同樣的事情也會發生在航天器上。
科里奧利力的計算涉及到很多因素，比較複雜，這裡將其寫成一個方程式：
需要注意的一點是，該力始終垂直於速度，如果物體在旋轉坐標系中靜止不動，則該力為零。
這會對旋轉航天器中的宇航員產生什麼影響？如果這個人只是坐着不動，什麼也不會發生。但如果他們站起來呢？在站起來的過程中，他們會有一個朝向圓心的速度，因為人的質心在從坐到站的過程中是向上移動的。
相對於他們的速度，科里奧利力會向側面推動他們。根據椅子的方向，這種力可能會將他們推向不同的方向。如果椅子朝向與航天器旋轉相同的方向，科里奧利力會在人站起來時將其向前推。如果椅子朝後，它會將他們向後推。如果椅子面向一旁側，則會將他們推向另一側。而且不僅僅是站起來，如果移動你的手，就會有一個側向力作用在它上面。如果你嘗試將飲料倒入玻璃杯中，液體上總會有一個側向力。也許你可以適應每一個動作的側向力，但這始終令人感到非常不舒服。
對於科里奧利力，有什麼可以做的嗎？有的，你可以通過設計具有較低角速度的航天器來最小化這種側向推力，這意味着完成一次旋轉需要更長的時間。也意味着更小的人造重力。
如果你想讓你的宇宙飛船擁有模擬地球的人造重力和較小的科里奧利效應，你只需要一艘更大的宇宙飛船。這是一個艱難的選擇：你可以建造一個小型、廉價的宇宙飛船來忍受煩人的科里奧利力，或者可以建造一個大型、昂貴的宇宙飛船，讓你享受家一樣的舒適——但那會很大，也很貴。
作者：RHETT ALLAIN
翻譯：Nuor
審校：zhenni
原文鏈接：
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