so easy,等效原理,上游乐场坐坐过山车和自由落体就能体验到了,实在不行蹦极!甚至......(虽然不花钱,但请勿模仿)
图:蹦极,自由落体下的零重力
图:零重力实验室,美国宇航局的失重奇观,通常被称为呕吐彗星。这是一架改进的道格拉斯DC-9型客机。
当我们在太空中看到宇航员在地球大气层上空飞行时,我们被告知他们经历了零重力:真正的失重状态。然而它们仍然受到地球、月球、太阳和宇宙中其他物质的引力作用!那么零重力是如何起作用的呢?它是真实存在的吗?
这是一个很好的问题,一种你不需要到太空去体验的感觉。
图:疯狂过山车,零重力体验一级棒
想想你现在正在做的事情,很可能是“一动不动”地坐着,这和摔倒之间有什么区别?区别不在于椅子,座位,或者你身上的重力。实际上,你可能正在坠落,就像在坐在自由落体的过山车一样。不同之处在于,当你的座位(或地板,或床)顶起你,从而让你抵抗地心引力时,你没感觉到你在下坠。你没有体验到下落的感觉的原因,其实与引力(重力)的关系并不大,而是与“法向力”有关。法向力是垂直于你重心的表面的力,是它支撑着你可以老老实实坐在椅子上。
图:重力(红色)和法向力(蓝色)相等且方向相反,因为它们作用于地球表面上的任何质量的物体。
三种方案
现在,把那个力拿走。你可以想象用几种不同的方法把它拿走:
1)您可以移走施加压力的表面,例如地板,椅子或任何使支撑着你的东西。
图:别告诉我你会这个技能
2)你可以想办法关掉重力,让你失重。(同时法向力也消失)
3)您可以关闭您与椅子表面上的原子之间的电磁相互作用。
在第一种情况下,你会坠落,就好像你不小心踩到了稀薄的空气,然后开始往下掉。(椅子、地板、楼板统统移掉,想想猫和老鼠,猫追到悬崖边,追出了悬崖的画面,或者跳楼的感觉)
在第二种情况下,你会意识到法向力“开”的唯一原因实际上是因为重力把你拉向地球,地板(或椅子)挡在中间,用等反作用力把你拉回原位。如果你关掉重力,重力就会变成零,法向力也会变成零。
在第三种情况下,重力仍然存在,把你拉向地心,但是如果没有地板上原子间的电磁力作用在你身上,你会直接掉下去。(解释一下,就是你除了受重力不会与任何物体发生作用,就像一个受到了重力的幽灵,遇墙穿墙,遇人穿人)
图:虽然一个抛射体只在重力的影响下运动,它看起来像一个抛物线,但实际上这个抛物线是一个以地球的中心为焦点的椭圆的一小部分。如果关闭电磁力,球将在大约90分钟内走完椭圆路径。
三种情况分析
这三种情况显然有很大的不同。在第一种情况下,重力会把你往下拉,把你加速拉向地球的中心,直到你要么因为空气的阻力停止加速,要么因为你经历了来自地球(或另一个固体)的力。
在第二种情况下,你会体验失重状态,在任何地方都不会加速,这才是真正的“零重力”。
在第三种情况下,就如同上面那个篮球,您将朝着地球中心加速,轨迹为以地球中心为一个焦点的椭圆形轨道,大约90分钟后回到起点。
图:地球的轨道为椭圆,太阳就是椭圆轨道的焦点。
划重点:在最初的那一刻,在这三种情况下,你会有完全相同的感觉。
图:宇航员和水果在国际空间站上。请注意,重力并不为0,只是所有东西,包括飞船都处于均匀加速状态,产生的结果是零重力体验。
等效原理
那种失重的感觉,那种胃部上升的感觉,那种迷失方向的感觉……这就是所谓的“零重力”感觉。划重点:如果你不睁开眼睛,第二种(零重力)和第三种情况(有重力,不与任何事物交互,幽灵状态)对你来说是难以分辨的。即你无法区分重力为0与自由落体匀加速之间的区别。这似乎违反直觉,但这是核心,这就是爱因斯坦推导出广义相对论的公理,“等效原理”。
图:一个球在匀加速火箭中(左)和在地球上(右),球的运动轨迹是相同,这是爱因斯坦等价原理的一个证明。
等效原理表明,重力加速度和任何其他形式的加速度是无法区分的,比如火箭的推力。如果你和你所在的参考系都在处于匀加速状态,你等效于没有匀加速。你在地球上感受到的力,绕着轴旋转,绕着太阳旋转,和你在太阳消失后感受到的力是一样的,而地球只是在宇宙的深渊中独自旋转。
图:地球绕太阳公转,其旋转轴如图所示。
总结
综上所述:当我们说“零重力”时,我们并不是说重力不复存在。宇宙中没有一个地方是我们可以成功躲避地心引力的,我们也不需要这样做。我们需要做的就是想办法让法向力消失,这意味着我们和我们所在的参照系能够一致下落。我们所要做的就是以与环境完全相同的速度加速,它们之间没有力的差别。这和实验室(失重的飞行)的原理是一样的,即飞机的引擎关闭,飞机自由下落40秒,你在飞机上。
图:失重飞机
你体验的零重力可能感觉很像坠落,除了没有空气从你身边掠过。简单地说,您自己与您认为的“向下”方向之间没有相对的引力。不过,友情提示一下,不要经常这么玩,否则你会经历各种身体不舒服,例如骨质疏松,肌肉萎缩,视力障碍,甚至失明,失去你脚上的老茧(导致脚蜕皮),由于缺少重力拽着你的内脏,所以你还会感觉肠胃胀气,甚至洗澡、上厕所等等发挥你的想象力。
而体验真正零重力(第二种情况)是不可能,因为在宇宙中没有任何地方可以躲避终引力,但是根据“等效原理”零重力和自由落体是相同的。