《星际穿越》物理学：为什么飞船不断旋转？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
《星际穿越》物理学：为什么飞船不断旋转？
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银河护卫队 机器人启示录
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本文作者:Rhett Allain
(/译)每次看电影预告片，我都会对新片激动不已。就像《星际穿越》的预告片，虽然我看了连剧情都不知道是什么，但我就是想看这部电影。而当我不得不等待什么东西时，唯一排解心焦的方法就是为这些东西写点什么。那，这就来吧，这次我想写的东西就是预告片里旋转的那个宇宙飞船（或者说太空站？我不清楚）。
为什么宇宙飞船要旋转？
这可不是一个简单的问题。让我先解释一下对于在太空飞行的宇航员来说何谓 “失重”，不过这里不会进行很详细的解释。下面是一些关键点：
太空里仍有万有引力；
当宇航员（和飞船）只在万有引力的作用下加速时，宇航员就会有失重感；
对于宇航员来说，这种感觉就像重力“消失”了；
但人类并不怎么能感觉到重力，因为它作用于我们身体的每一个部分。事实上，我们将重量和接触到的外力，例如地面支撑我们的力，联系起来。我们称这种力为“表观重量”（apparent weight）。
《星际穿越》预告片截图。图片来源：视频截图
我想说的是，飞船当然受到引力，但引力都用来改变飞船的速度了。宇航员感到的“失重”，失去的其实是表观重量。而解决失重感的方法，就是对物体施加某种力，使之具有表观重量。
下面的图中有两个宇航员。左边那个站在地球上，右边那个站在宇宙飞船里。如果宇航员处于引力非常小的地方（如深空），唯一使他“感受到重量”的方法办法就是令地面对他施加支持力。这种情况下，右边的宇航员也能像左边的一样感受到重量。
Rhett Allain的灵魂画作。图片来源：Rhett Allain 编译：Calo
那么你要如何在太空里对宇航员施加这个力呢？这就要从力的性质入手了。或许你对下面这个公式并不陌生：
这个公式表明物体会在其受到的（净）合力下加速。记住，力和速度都是矢量——这点在下文挺重要的，不过现在我们只研究极短时间内物体的运动状况。在这个极端的时间段内，物体的平均加速度是：
如果宇航员要获得表观重量，就需要受到地面施加的垂直向上的力，此时飞船的加速度方向同宇航员由脚部指向头部的方向一致。既然飞船有加速度，它的速度就会被改变。然而为了维持这个加速度，在一定时间内持续加速（增加速率）是件挺难的事（不过也不是不可能）。
不过，还有一个让宇航员获得加速度的方法，就是利用速度的矢量性质。既然速度是个矢量，改变速度的大小或方向都能需要加速度。哈！答案出来啦。如果你做匀速圆周运动，你就一直拥有加速度来改变速度方向。下面是一幅示意图：
以合适的速度做匀速圆周运动，飞船里的宇航员也可以获得表观重量。图片来源：Rhett Allain
做圆周运动需要加速度，这一点其实你早就知道了——每次开车转弯时，你都能感受到这股沿着角加速度方向的力。宇宙飞船在旋转时的原理亦是如此。宇航员（在旋转飞船里）受到的表观重量只取决于两点——圆周的半径和旋转的速度（通常用角速度ω表示）。下面是在旋转飞船里的表观重量的表达式（用重力加速度g来衡量）：
你会发现大的宇宙飞船（半径r比较大）不需要转得太快。如果你的飞船比较小，你就要转快点了。对了，这个表达式里的角速度的单位一定要是弧度每秒（rad/s）。
《星际穿越》里的宇宙飞船有多大呢？
现在我们有了表观重量的关系式，就可以用它来分析电影《星际穿越》里的旋转宇宙飞船了。记住，我将会用到许多假设，因为我没看过这电影。不过《娱乐周刊》说，旋转的飞船“能产生1g的重力” 。是的，这就是文章的原话，而且这句话当然是错的，因为事实上并没有“产生”重力，只是有表观重量产生而已。额，我是不是太挑剔了。
如果宇宙飞船提供1g的表观重量，我又知道它的旋转速度，我就可以计算它的半径了。很简单不是么。
《星际穿越》预告片中旋转的宇宙飞船。图片来源：视频截图
第一步是得到飞船的旋转速度。这不太难，因为几乎每个版本的预告片都展示了这艘飞船旋转的场景。现在我可以用视频分析软件（我喜欢用）画飞船上某一点的运动图像。如果我定飞船的中心为原点，我就可以得到某一分离舱（或者其它什么东西）的角位移随时间变化的图像。
通过视频分析软件记录飞船的旋转过程。图片来源：Rhett Allain
将飞船上的位置标记出来挺难的，因为它在视频里太小了。然而你能从图上的趋势看出它是以一个不变的角速度旋转的。
从这条线的斜率，我可以得到角速度是0.59弧度每秒，加上“表观重量为1g”的假设，可算出飞船的半径为28.2米或者直径为56.4米。我猜这不算太大，要知道国际空间站（带上太阳能电池板）有接近100米长呢。（编辑：Calo）
文章题图：Youtube
Wired, The Physics of a Spinning Spacecraft in Interstellar
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引用 的话：算个科氏力不就得了...当然这个问题在惯性系中更容易计算，结果是然后你给出的条件下，还不能计算...因为还和飞船的尺度有关如果我们按照这篇文章给出的条件的话，，再假定1g重力下人大概跳个半米左右，速度估作3m/s，带入计算得到偏移量为额...还是几乎无法察觉的移动，毕竟是三阶效应
引用 的话：那么问题来了。地球上原地起跳，即使考虑上地球自转，基本上也会落在原地。在人工重力（比如0.3g）的飞船上原地用力起跳，会是什么现象呢？算个科氏力不就得了...当然这个问题在惯性系中更容易计算，结果是
好莱坞现在大部分都是预告片比正片好看一倍！
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电影还没看
那么问题来了。地球上原地起跳，即使考虑上地球自转，基本上也会落在原地。在人工重力（比如0.3g）的飞船上原地用力起跳，会是什么现象呢？
引用 的话：那么问题来了。地球上原地起跳，即使考虑上地球自转，基本上也会落在原地。在人工重力（比如0.3g）的飞船上原地用力起跳，会是什么现象呢？根据惯性还是在原地吧
引用 的话：那么问题来了。地球上原地起跳，即使考虑上地球自转，基本上也会落在原地。在人工重力（比如0.3g）的飞船上原地用力起跳，会是什么现象呢？算个科氏力不就得了...当然这个问题在惯性系中更容易计算，结果是
引用 的话：算个科氏力不就得了...当然这个问题在惯性系中更容易计算，结果是然后你给出的条件下，还不能计算...因为还和飞船的尺度有关如果我们按照这篇文章给出的条件的话，，再假定1g重力下人大概跳个半米左右，速度估作3m/s，带入计算得到偏移量为额...还是几乎无法察觉的移动，毕竟是三阶效应
好莱坞现在大部分都是预告片比正片好看一倍！
有一个问题，小型飞船不能转得太快，不然这种惯性离心力场（ωr^2）会在人体尺度上产生可觉察的“潮汐效应”，还有科里奥利力……
无语，没有反重力技术是不可能有这种飞船的，有了反重力人工重力技术也是可以的。
有了反重力，即可大规模太空殖民了，但还是龟速~有了光速飞船，才能与星际接轨~我们还是部落，科幻一下得了...
已看，表示内容远远不止预告片的说法，期待诺兰的多维空间吧
通过自转能“模拟”出重力，对没经过专业训练的地球民众是件好事。就怕外圈的连接设备质量不好，被“甩”出去了……
感觉你们都好厉害。
等着看电影
忍不住来炫耀一下，香港已上映，上周末已看，绝对是年度最佳，没有之一
这点在2001太空奥德赛里面 体现的比较好
文科生最讨厌公式神马的了！哼哼！顺便问一句：万一预告片的飞船旋转镜头是慢镜呢？
2001太空漫游里面的太空船跑步机
哪有你说的那么麻烦，还弄一大堆公式出来。这么给大家说吧，为什么飞船要旋转呢，因为在大一统理论没有出公式以前，人类无法制造引力。但是现在已有的科技成果发现:离心力可以产生重力。注意是重力不是引力，引力可以与其他物质相互作用，而重力不可以，所以人在飞船外部是飘的，如果制造引力的话，那么人就可以直接在飞船外壳行走了，所以以现有科技造飞船，要想飞船内部人不飘，飞船必须旋转产生离心力并以此转为重力。这是现在就可以实现的。
初中物理考来考去考得腻烦的东西……
引用 的话：通过自转能“模拟”出重力，对没经过专业训练的地球民众是件好事。就怕外圈的连接设备质量不好，被“甩”出去了……在地面上竖着放不散架，就不会被甩出去
引用 的话：在地面上竖着放不散架，就不会被甩出去考虑一下，飞船不是整体一次送上去的，是分多次传送各个部分上去的，然后再在轨道上组装，组装完后再旋转……
引用 的话：那么问题来了。地球上原地起跳，即使考虑上地球自转，基本上也会落在原地。在人工重力（比如0.3g）的飞船上原地用力起跳，会是什么现象呢？这也是一直困惑我的问题，万一离开地面怎么办，我觉得这种环境下根本没法正常走路。
引用 的话：考虑一下，飞船不是整体一次送上去的，是分多次传送各个部分上去的，然后再在轨道上组装，组装完后再旋转……那么在地面上组装好不散架就行
引用 的话：这也是一直困惑我的问题，万一离开地面怎么办，我觉得这种环境下根本没法正常走路。 通俗地说，即使起跳了，仍然会因为惯性，保持着起跳前的线速度，这速度就会产生“离心力”，把人往外“拉”，可以想象一下在匀速直线行使的火车上（虽然这么类比并不严谨）。
引用 的话：有一个问题，小型飞船不能转得太快，不然这种惯性离心力场（ωr^2）会在人体尺度上产生可觉察的“潮汐效应”，还有科里奥利力……切向方向运动太快，脑垂体中的液体向一边偏，人会产生恶心、晕厥等症状。产生类似地球大小的人工重力飞船半径必须相当大，推荐电影《太阳浩劫》中的模式。
下面是在旋转飞船里的表观重量的表达式（用重力加速度g来衡量）准确地说，g是地球表面附近的重力加速度
引用 的话： 通俗地说，即使起跳了，仍然会因为惯性，保持着起跳前的线速度，这速度就会产生“离心力”，把人往外“拉”，可以想象一下在匀速直线行使的火车上（虽然这么类比并不严谨）。离心力。。。举个栗子，你向飞船旋转相反的方向跳，水平速度与旋转线速度相同，会发生什么？
引用 的话：离心力。。。举个栗子，你向飞船旋转相反的方向跳，水平速度与旋转线速度相同，会发生什么？取决于参考系，若是相对于飞船轴心保持静止的惯性参考系，你会在飞出一条直线之后撞到正在转动的飞船地板；若是飞船的转动参考系，你会飞出一条类似于抛物线的轨迹。
引用 的话：这也是一直困惑我的问题，万一离开地面怎么办，我觉得这种环境下根本没法正常走路。若干年后，人类就进化成鸟人了。。。
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库珀从离开地球到再见到墨菲总共经历多久？收藏
从他离开地球升空，算到他见到自己的老年女儿。扣去他低温休眠的时间，他总共经历了大约多长时间？
80年吗 我随便说的
80年左右，电影里面台词信息。
1.两年到土星。2.23年丢失在miller星（巨浪星）3.51年做黑洞弹射运动4.cooper拜访五维空间的超立方若干年。。。5.跳跃到以地球年计算自己124岁的土星上人类空间站。其中在超立方中地球应该已经过了千千万万年了。。。因为黑洞里时间被压缩的几乎相对地球静止。后又被穿越回自己相对地球时间124岁的时候的土星。。。你要具体的数字的话应该就是124减35等于89年。
登录百度帐号推荐应用《星际穿越》中，从“水星球”和曼恩博士所在的星球飞往太空时，为什么库珀却能直接驾驶飞船飞往太空？ - 知乎2被浏览370分享邀请回答0添加评论分享收藏感谢收起电影星际穿越中究竟是什么人救了库珀？
11回复 1412浏览
如果救了掉入黑洞中库珀的人是未来的人类，进而库珀指引自己的女儿拯救了人类，那么未来人类怎么可能自己救自己呢不就违反了历史不能改变的原则了吗？就如同人不能穿越到过去杀死自己婴儿时期的祖父的理论，那么未来的人类是不能毁灭现在的人类的，因为那样未来人类就不会存在。即使未来人类以超越光速的存在看到了过去发生的事情，那么那也只是看到的景象而不是真的在过去呀？
所有人都这样想，电影就拍不出来了，人类想象力也就停滞不前了
村里才通电？发自手机虎扑
可以理解为平行宇宙
对裤珀那个时空不可逆，有因果关系。
而因为对于未来的人类而言，时空就像一个山洞，可以任意爬行。没有因果关系了。发自手机虎扑
了解1到11维空间的话，我估计有1个解释比较合理。（其实去到五维就够了）
比如杀死自己祖父的理论，参考下面五维空间，无限可能性空间。
如果杀死自己祖父的话，有可能自己不存在了，于是进入另一个空间。有可能自己存在了，这个空间发生的事情全部都没有你的祖父而已。
以下摘自网络：
1维，你所能看到的一条线
2维， 看到的一个平面，就是1维中的一条线在分出一条线构成一个平面
3维， 我们所看到的就是3维空间，让2维空间的点跳到另一个2维空间的点
4维， 加入时间维，像人的一生。而这4维又是一条线，这条线上的某个点就是3维人的某个时刻
5维， 分离，将人不同的一生都合起来，一生有无数个选择无数个可能性。将所有的可能合起来就是个5维
6维，就是在5维中可以任意跳到5维的任何一个点，就是你可以选择任意一个人生中的任意一个时间点
7维，上升到宇宙的一生，宇宙大爆炸到宇宙灭亡看成一条直线 这就是7维。（这里只有一个宇宙，宇宙为最大）
8维，宇宙大爆炸到灭亡中间的发展过程有很多可能性，所有的不同宇宙加起来就是8维
9维，可以到达任何宇宙的任何时间点的任何一个3维空间
10维，所有宇宙的所有时间下的所有3维空间 ，是10维下的一个点。10维下有很多个确定的宇宙。（相当于一包糖，里面的糖果为不同的宇宙）
11维，这包糖里面的宇宙有很多的存在可能性。构成11维 宇宙外的宇宙。
一次类推，有12维，13维。。。? 一包糖果，一箱糖果。一集装箱糖果、、、
未来人类的科技设定是可以折叠时空的，电影里说是我们自己救了自己
简单说来我的理解是，库伯掉去了空间B，女儿即地球属于空间A，空间A和B有联系，同属于宇宙，库伯在空间B里指导A里的女儿改变历史，人类走向宇宙，库伯回到宇宙，女儿把他救了。。。
我是这样理解的
电影里海瑟薇说了，时间可以被压缩或者拉长，但是不可以倒流，唯一可以穿越时间的就是引力。Cooper最后也说了，救我的不是别人，正是我们，将来的我们。你电影没好好看啊，不过关。
这电影挺好看的
库伯的第N代子孙，就了库伯，然后库伯因此而留下第N代后代，后代知道以前的历史，然后去就库伯。
我是这么理解的，好像机器猫里面的过一个月未来的自己来救自己
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