Q1: 在太空中沒有引力, 要如何才能像在地球上一樣行走?
Q2: 電影中太空實驗站或飛行器上(外)都有的大旋轉臂不停的轉是甚麼作用? 有根據嗎?
原先提問者問的是電影, 不過, 我想先聊聊現實中的...
到 目前為止, 在現實中的太空站並沒有會旋轉的大懸臂之類的結構, 而太空載具本身通常是不會旋轉的, 只會以穩定的姿態在軌道上飛行. 原因很簡單, 太陽板必需對準太陽才能獲得最高效能, 通訊天線必須對準通訊站或中繼衛星, 而雷達或望遠鏡等各式探測器材當然得瞄準要探測的目標, 要對準這麼多個方向, 您還會想要沒事亂轉嗎? (關於這一點, 有人說:"所以太空梭或是衛星在太空中, 都會不停的旋轉" 是不怎麼正確的喔!)
↑已經墜毀的太空實驗室, 四片呈十字型的太陽板很容易讓人聯想到直升機的旋翼, 不過它是固定的, 並不會轉動...
↑歐盟最近(11/2/2009)發射的環境衛星 SMOS, 呈 Y 字型的部份是合成孔徑微波成像儀 Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis (MIRAS), 當然, 它是不會轉動的...
不過換成到電影中, 會轉的可就多了...
人 類活在地球上, 身體分分秒秒都在抵抗地心引力, 一但到了太空失重狀態, 短時間或許很有趣, 但身體不用再對抗引力, 骨格與所有的肌肉(包括最重要的心臟)強度都會流失, 時間一久, 等重返引力範圍, 太空人可能衰弱得無法執行任務, 甚至可能致命. 目前太空人每天必需花費數小時使用特殊運動器材來避免身體衰弱的狀況發生, 可以想見的, 長時間下來如此不但單調無聊而且佔用相當多可以用來執行任務的時間.
↑大家對俄國太空人被抬出來的畫面應該不陌生.
再者, 人類畢竟是用兩腳走路的動物, 在失重的狀態下, 像是吃飯喝水睡覺洗澡上廁所這些事都得用特殊設備, 總是有許多不便, 所以如果必須長期待在太空中, 最好還是營造一個有重力的環境.
但重力不是按個開關就來的, 的確, 很多科幻片是有這樣子的人工引力設定, 不過這種東西是不存在的, 就連個像樣的理論都沒有, 只能以一句未來科技或是外星科技帶過(例如 Macross 或 Star War). 對編劇來說這樣最省事, 演員也不用吊鋼絲高來高去, 但如果故事背景是在比較近的未來, 或是考證比較嚴謹的片子, 這個方法就說不過去了...
說得通的方法還是有的啦!
要產生重力其實很簡單, 只要有質量就行了, 但是要產生足夠的引力要有龐大的質量, 為了讓太空人享受到重力, 太空船得拖著和地球一樣大的質量飛行, 這方法顯然不切實際...
加速度也能讓太空人感受到 G 力, 但太空站不可能一直加速, 所以這個方式也行不通.
但還有一個簡單而且可行的方式, 就是利用旋轉所產生的離心力來替代重力. 不過靠旋轉產生重力還是有點小問題, 就是旋轉半徑越小, 轉速就要越高, 才能產生相同的 G 值, 半徑小到某一個程度還會產生另一個問題, 太空人可能頭, 腳會感受到不同的 G 力!
底下有一個人工重力計算機, 您可以改變一下數值, 看看半徑, 轉速與產生的 G 值三者間的關係.
http://www.artificial-gravity.com/sw/SpinCalc/SpinCalc.htm
在科幻片中常可以看到以旋轉產生重力的做法, 在科幻經典 2001: A Space Odyssey 中所出現的環型太空站就是一例, 這個造型, 恐怕也是所有老派科幻迷對太空站的印象.
↑片中的太空船在球型船艏中也有一個環狀結構可以旋轉產生人工重力.
↑當年可沒有啥電腦合成可用, 為了拍攝在船艙中走動跑步的畫面, 劇組人員硬是搭了一個巨大的可轉動環型佈景.
↑電影火星任務(Mission to Mars)當中也出現環型太空站, 而片中前往火星的太空船前段做為居住區的大圓筒也是靠旋轉產生重力.
接 下來是 Gerard K. O'Neill 所構想的 Island Three 太空棲地, 又稱為 O'Neill cylinder, 龐大的圓筒結構, 藉旋轉在圓筒內側產生重力, 側邊張開的三片並不是什麼懸臂而是反射板, 用來將陽光導入殖民地內. "島三" 型的設計廣為許多科幻作品所採用, 大家最熟悉的應該就是鋼彈系列了吧...
↑O'Neill cylinder 外觀(一對).
↑O'Neill cylinder 內部, 鋼彈迷應該對這個景像很熟悉...
還 記得前面提到旋轉半徑過小的問題吧? 若是艙間過小或是構型不適合旋轉那怎麼辦? 那就把莢艙擺在旋臂末端來轉吧, 這樣就可以增加迴轉半徑. 沒記錯的話, Gundam 系列中某些母艦有這樣的設計, 在沒有敵情顧慮時會將兩個乘員艙推出去轉... (這應該回答了關於 "大旋轉臂" 的疑問了吧?)
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