为啥我们想象的宇宙飞船老是「滚筒」状的？
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作者 | LostAbaddon，小名塔塔，在理论物理的康庄大道上一度撒丫子狂奔
人类终有一天是要走入太空的。
月球，火星，金星云顶，未来总有一天，我们会在漆黑一片的虚空中默默远航，生活在一枚巨大的、不断缓缓旋转的轮形飞梭中，朝着未知不断前行。
1968年，《2001太空漫游》开天辟地贡献了影史最经典的“轮状飞行器”，洁白的车轮状空间站随《蓝色多瑙河》起舞。
在《2001太空漫游》之后，克拉克又在1972年的《与拉玛相会》中描绘了一艘50公里长的圆柱形太空船，船内是一个环形世界，有城市、街道，还有一条悬浮在中心的海洋。
后来的众多科幻电影，比如
《星际穿越》里的库珀空间站，
《流浪地球》里的领航员空间站，
《太空旅客》里的阿瓦隆号飞船，
以上作品，都不断对“轮状设计”进行再演绎。
《三体3：死神永生》中，当程心在掩体纪元醒来，发现自己身处巨大的亚洲一号太空城，整个城市也像一个巨大的滚筒。
那么，为什么人类想象的近未来星际飞船，老是这种“自转滚筒”呢？
为什么就不能是《星际迷航》中的企业号或者《星球大战》里的千年隼号那样，是优美的圆盘状呢？
这是因为在太空中是没有引力的，而已经花了上百万年来习惯那股来自脚下的拉拽之力的人类，还完全没办法在几百年里就适应浮在空中无依无靠的生活。而大自然的限制，就是要么真的堆出一个引力源来构造人类可以适应的引力场，要么就用加速度来构造一个模拟引力场。
构造引力场所需的物质太多，人类就算能找来这么多东西，要推动他们在太空中远行也太费力了，而且还没法及时转弯，避险能力太差。
所以，靠谱的方式就是用加速度来模拟引力场，而其中可以稳定产生足以模拟地球引力的加速方式，就是飞船的自转。
也因此，在稍微写实一点的非超越系的科幻作品中，人类的太空飞船或太空城市，基本都是一个硕大的、不断自转的巨型人造物，形状可以是圆筒，也可以是轮子，或者两边对称的流星锤，总之就是可以稳定旋转的结构。
圆周运动的物体所要承受的离心力，等于自转角速度的平方乘上旋转半径，比如太空城的半径如果是10公里，那么当它每200秒自转一周时，它在内壁上产生的离心力就和地球上的引力加速度是差不多的。
地球上的人类其实除了一直被地球的引力所圈粉，还一直承受着地球自转而产生的离心力，只不过这个离心力非常非常小，即便在赤道上也只有引力的0.34%，所以我们平时是几乎感觉不到的，但我们可以观测到它带来的影响，比如著名的傅科摆，就是因为地球自转的影响。
这样的影响还有很多，比如热带飓风，刚刚过去的台风灿都就是今年比较强烈的一个。
傅科摆和台风都是在离心力的一种特殊表现形式的作用下产生的，这就是著名的科里奥利力。
简单来说，科里奥利力会产生一个和运动方向以及自转角动量方向都垂直的偏向力，这个偏向力会改变运动物体的运动方向。
再加上离心力的作用，这就让太空城中生活的人们会和地球上的人类有完全不一样的感受。
那么，如果在滚筒状的太空城中来一场运动会的话，会发生什么呢？
以我们最热爱的足球来说，在太空城的空气中飞行的足球主要会受到离心力、科里奥利力、空气阻力和气流中的马格努斯效应。
这四种作用中，离心力让足球下落，空气阻力让足球减速，是最简单的两种力。
科里奥利力对足球的影响取决于足球本身的运动方向，和自转同向时往下，和自转反向时往上，往下降的时候逆着自转方向，往上升的时候沿着自转方向。
最后是马格努斯效应，旋转物体在流体介质中的运动会使得它的一侧相对流体的运动速度比另一侧快，从而产生一种从较慢一侧指向较快一侧的偏向力。这是我们在乒乓球、足球、网球等比赛中经常会看到的弧线球的重要原因。
此外还有一个非常重要的、因为太空城的自转而引起的环境因素：太空城中的空气会存在定向流动，这种定向气流本身也会受到离心力和科里奥利力，所以太空城中存在一股定向的气流。在地球上这股定向气流就是信风带。
所以说，在太空城的绿茵场上，即便是最简单的一脚射门都可能变得很不一样。
比如，一位球员朝着和太空城自转同向的方向踢出一脚球，球的运动与自转同向且往上升，所以此时它受到的科里奥利力在水平方向上是往前的，而在垂直方向上则是往下的，因此足球的上升弧线更低，且前进速度更快。当足球上升到最高点后会开始下降，此时科里奥利力也会转向，水平方向上的受力从与运动同向调转为与运动反向，而垂直方向上从把球往下拉转变为往上托球。因此，整个过程就是足球的曲线更平直，同时一开始足球的速度飞快，下落后则会以更快的速度减速。这样的状态比较适合直线轰门，不适合踢电梯球。
但如果方向换一下，逆着太空城自转方向射门，那么在上升阶段科里奥利力一方面会进一步托起球，同时也会让球更快地减速，而下降阶段科里奥利力继续会托着球，但同时会让球的速度变快。因此这个情况下足球的运动曲线会更陡，适合踢落叶球与电梯球。
如果射门的方向与太空城自转方向垂直，那么在太空城自转以及由此带来的定向气流的作用下，弧线球将更加常见。而且如果控制好球的自转，那么前期马格努斯效应占主导，后期转速下降后定向气流的作用占主导，这样两个力可以控制得恰到好处，使得球在前期逆着太空城自转方向偏转，而后期顺着自转方向偏转，踢出在地球上几乎不可能看到的S球。
更有甚者，因为S球的三个阶段中科里奥利力在垂直方向的作用方向也是不同的，我们甚至可能踢出龙卷风一般的螺旋球，
这是连《足球小将》都不敢想的盛况啊！
由此可见，对于擅长不同脚法的球员来说，往哪个方向进攻现在就有可能成为影响甚至决定比赛结果的重要因素。
同样的情况在乒乓球和网球中也会出现，而且由于乒乓球与网球的速度更高，转速也更高，球落地后还会和球桌或者地面发生更加丰富的相互作用，所以在乒乓球和网球场上也许可以看到比S球更扭曲的波浪球。
乒乓球本身质量就很轻，受到力后产生的影响自然也就更大。我们原本就经常在乒乓球比赛中看到各式旋球、削球、抽球，现在在离心力与科里奥利力的作用下，旋球与削球会变得非常致命，因为它们的高速旋转和移动速度在带来马格努斯效应的同时，运动方向的些微改变也会造成科里奥利力的巨大变化，使得球的运动轨迹变得光怪陆离，而且这也和双方球员的站位与太空城自转方向的关系有关。
因此，我们在太空城中也许能看到中国队打出更多出神入化的曲线球哦！同时也有可能看到很多选手向银河祈祷一定要给自己抽到一个合适的站位。
和球类运动相比，射击与射箭运动受到的影响会很不一样。
射击运动中，子弹本身的速度极快，所以科里奥利力也就比球类运动中要大很多。基本上，射击选手现在在瞄准靶子的时候，不再是传统的三点一线，而是要计算自己和目标的相对位置、太空城的自转、所用枪械的子弹速度等等，在脑海中构建一条非常复杂的曲线来进行瞄准，而他们打出的子弹在观众看来也不是直线射中目标的，全部走的都是弧线。
可以说，地球上的神枪手如果真到了太空城，可能根本打不中目标。
反而是那些人形描边大师，在太空城里大概会成为大杀四方的存在吧……
射箭和射击还不大一样，因为弓箭在空中受到的来自空气的作用会更多，而现在太空城中充满了定向气流。同时弓箭的速度更慢，所以受到的累积影响也会更多。如果说射击时子弹的轨迹是稍微有点弯曲的弧线，那么射箭时弓箭的轨迹就是一条非常弯曲的圆弧了，因此太空城中的射箭运动将是比射击运动更难的一项运动，选手们现在不单要训练臂力与瞄准，还要学会求解复杂的力学方程。
大概，受到影响最小的运动就是赛跑了吧，因为人的体重足够重，同时速度又足够小，所以受到的科里奥利力基本可以忽略，离心力的改变也不是很明显。
除非，是在一个定制的特殊的太空城里比赛，比如，太空城的半径只有20米，9秒完成一次自转，那么此时它一样可以模拟和地球类似的引力环境，但运动员脚下的“大地”的移动速度其实很慢，只有差不多每秒14米——而人类目前的极限冲刺速度为12.5米。
在这个特殊的太空城中，短跑运动员和跳高运动员就要小心了，因为如果冲刺的速度太快，而且方向正好和太空城的自转速度相反，那么运动员会进入一种“失重”的状态，他的实际转速会大幅降低，从而离心力大幅减小，他会觉得引力在自己冲刺的一瞬间几乎消失了！冲刺中的短跑运动员如果脚踩地的力气太大的话，他就有可能直接飞了起来！当运动员距离地面的高度达到2米的时候，此时只要逆着自转方向、相对地面以12.5米的速度运动，离心力所模拟的引力就会彻底消失，而人类的极限速度就是12.5米，张国伟的跳高记录是2.38米，
所以，当他以人类最高速度冲刺并高高跃起后，在这个太空城中，他将再也不会落下，反而会直直地飞向空中，最后在太空城中央转轴处停下来，成为太空城中的太空人。
想想也是很刺激啊……
在距离太空时代越来越近的今天，可以想见，人类的未来生活中，离心力将扮演关键角色，而对离心力的巧妙运用也将带来很多炫酷体验。
比如臻浓牛奶的离心精萃技术，通过特殊的离心精萃“白科技”，萃取出牛奶中最精华的物质。
离心力提纯是现代食品酿造中的不可缺少的重要技术手段，利用旋转运动的离心力以及物质的沉降系数或浮力密度的差异，使比重不同的物质达到分离，从而达到浓缩和提纯。比如在酿酒时，离心力可以使酒液和酒粕分离，通过参数调控，让风味和新鲜度更好留存。
那么，如果是牛奶呢？臻浓的离心精萃“白科技”可以让臻浓牛奶比一般的牛奶营养物质含量更高，其中蛋白质含量达到3.3g/100ML，奶香更醇厚，口感更浓郁。其核心工艺，就是采用纯物理方法进行离心萃取，从天然牛乳中精萃珍稀乳脂，再细化至1微米的细腻乳脂球，最大化保留牛奶营养的同时，让美味升级。
为了展现臻浓离心精萃技术带来的浓郁口感和营养价值，臻浓打造了一支科幻大片，将牛奶的离心萃取比作宇宙中天体的离心运动——
静谧的宇宙某处，停泊着一座空间站。
宇宙的另一个角落，一个双行星正在深空中均速旋转。
此时，人类飞船里传出通讯语指令：“46万光年外，首次观测到离心双星超新星爆发迹象。”
随后，空间站派出观测飞船，指令继续提示：“距爆发时间还有8小时，请务必到达指定观测空间！”
飞船喷射加速，穿过虫洞，抵达了双星系统，开始进行取样观测。
浩瀚宇宙间，两颗恒星旋转绕行，星云缠绕，逐渐牵引靠近，变成了……
趁着2021年世界互联网大会，臻浓牛奶上新了自己的白科技-离心精萃技术，采用纯物理方法进行离心萃取，从天然牛乳中精萃1微米细腻精华，最大化保留牛奶营养的同时，让口感美味升级！
