武侠物理
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人造重力和离心力

我们屡次提到欧阳锋创造低重力环境,实际上,重力只能改变,不能凭空创造。

重力属于万有引力,万有引力与质量的乘积成正比,与距离的平方成反比。所以呢,为了减轻一个物体所受的重力,你要么减轻它的质量,要么抬升它的高度。

假设欧阳锋努力减肥,从70公斤减到60公斤,他在地面上受到的重力会从686牛顿减到588牛顿(这里取重力常数为9.8),减轻了14%。

再假设欧阳锋乘坐火箭飞升到10万米高空,增加了与地球之间的距离,那里的重力肯定比在地面上小。究竟能小多少呢?用地球半径(地表到地心的平均距离,一般取637万米)的平方除以地球半径与火箭高度之和的平方,得数是0.97,说明欧阳锋在10万米高空受到的重力是地面重力的97%。

辛辛苦苦飞到10万米那么高,重力只减轻3%,还不如减掉几公斤赘肉的效果好,可见减肥对一个修炼轻功的人来说有多么重要。《碧血剑》中有一位坐地分赃的大盗褚红柳,“他身材肥胖,素不习练轻功,自来以稳补快,以狠代巧”。你看,胖子练轻功不占优势。

轻功追求的是重力变小,绕地飞行的宇航员却需要将重力变大。

在一艘绕地飞行的宇宙飞船中,离心力抵消了地球引力,宇航员与所有物体都处于完全失重的状态,行走坐卧非常不便,时间长了还会出现太空病,例如骨钙流失、骨骼变脆、肌肉萎缩、心脏功能衰退……

怎样才能让重力回来呢?我们可以在飞船内部构造一个圆筒状的空间,让它沿着固定轴线匀速转动,只要转动的速度刚刚合适,贴在圈桶内壁的宇航员就可以感受到一种与重力差不多大的离心力。这种力并非重力,但是给人带来的感觉却跟重力完全等同,可以称作“人造重力”。

如果将宇宙飞船当做一个滚筒洗衣机,将宇航员当做洗衣机里的衣服,在洗衣机里注满清水,衣服会漂浮起来,类似于宇航员进入了失重状态。现在接通电源,转动滚筒,由于离心力的作用,衣服会自动贴到滚筒的内壁上,类似于飞船内部圆筒空间的转动让宇航员感受到了重力。

我们还可以做一个有趣但是比较耗时间的小实验:去淘宝上买一个电力驱动的木轮水车模型,在叶轮边缘糊上一层泥土,在泥土里撒上花草的种子,然后让水车慢速转动起来,每天定期洒水。大约经过一周左右的时间,花草发芽了,渐渐的你会发现,花草的茎叶都朝向水车转轮的轴心生长,而根部则朝向转轮的边缘生长,呈现出一种头尾颠倒的放射状。为什么会出现如此奇特的现象呢?原来花草在旋转中感受到了离心力,并错误地认为那就是重力,于是就顺着离心力的方向生根,背着离心力的方向发芽。

无论是人造重力空间中的宇航员,还是洗衣机里的衣服和水车上的花草,都会将离心力当成重力,这说明两种力在效果上是等价的。

离心力不属于万有引力,也不属于电磁力,更不属于原子核内部的强力和弱力,它是变速运动中产生的一种惯性力。你站在一辆静止或者匀速行驶的公交车上,无论公交车突然启动还是突然刹车,你都会站不稳,感觉好像有人突然对你施加了一个与公交车运动方向相反的推力。再比如说这辆公交车的快慢没有变化,只是向左或者向右拐了一个急弯,你仍然会感觉到与公交车拐弯方向相反的推力。并没有人施加推力,仅仅是因为惯性定律产生了一种类似于推力的运动效果。该运动效果在物理学上属于效果力的范畴,俗称为“惯性力”。

一切变速运动都会产生惯性力。即使是匀速的转动,转速没有变,转动方向却在一直沿着切线方向不断变化,所以匀速转动归根结底也是一种变速运动。在一个匀速转动的系统中,物体感受到的离心力取决于转动速度、转动半径和物体质量,并等于物体质量、转动半径、转动角速度(单位时间内转过的弧度)的平方等三个物理量的乘积。

地球的自转基本上可以看作是以南北两极为转轴的匀速转动。地球表面每个地方的转动角速度都是相同的,但是转动半径并不相同,两极的转动半径最小,赤道的转动半径最大。将赤道半径代入离心力公式,可以算出一个人在赤道上的重力比在其他任何地方都要小,大约比他在两极的重力减少0.5%。从这个角度看,赤道应该是修炼轻功的最佳场所。《神雕侠侣》中那只不会飞的巨雕一直推着北半球的杨过往南走,大概也是为了让杨过尽可能靠近赤道吧?