称心常识网重力加速度单位
写在前面
《星际穿越》是诺兰导演殚精竭虑所拍出来的一部科幻电影，自2014年首映以来，堪称科幻电影的巅峰之作。今年由于疫情的缘故，电影院开门后苦于无电影可放的情况下很多经典电影得以重映，《星际穿越》也自然而然地出现在重映名单中。对于大家来说，不管是看过的还是没看过的，吃爆米花的还是真正想从中寻找科幻乐趣的，了解一些背景知识终归会让这个电影看起来更有味道。所以今天常老师就亲自为大家写一些东西，内容不深奥，其实太深奥的我也写不了，主要从中以通俗易懂的方式写一些高中物理甚至大学物理的基本知识，希望大家喜欢。
重力加速度、向心力
第一节我们把目光聚焦到男主所乘坐的飞船上——永恒号。
首先说明一下，中文版中翻译成永恒号其实并不正确，英文版电影中飞船的名字为“Endurance”，正确翻译应该为“耐力号”，这个命名其实也是经过考究的，在人类历史上的确有一艘船的名字为“Endurance”（见图1-01）。1912年，由英国探险家欧内斯特?沙克尔顿爵士带领的英国跨越南极舰队启航，意图实现人类穿越南极的壮举，其中一艘战舰名为“耐力号”。可惜在1915年9月30日，耐力号遭受严重的冰层压缩导致木结构严重损坏，最终全员不得不弃船，所幸无人伤亡。影片中NASA将飞船起名为“Endurance”其寓意就是希望船员们在遇到未知的危险时也能够化险为夷。
图1-01 耐力号
其次，耐力号的外观是一个标准的环状结构，12个舱室排列成一个圆环，再通过一个连接构件与中间的4艘登陆飞船对接，其实环状结构的飞船在其他科幻电影中也十分常见，比如《流浪地球》中的领航员空间站（见图1-02）。将飞船做成环状结构的重要原因就是可通过飞船的旋转来形成人造重力，那么这就是我们今天的主菜，也是这个系列文章的开胃菜。在讲解之前，我们需要先了解几个物理上常见的名词：重力加速度和向心力。图1-02《流浪地球》中的领航员国际空间站
重力加速度：在讨论重力加速度之前我们先了解下加速度这个定义：加速度是指速度变化量与发生这一变化所用时间的比值a＝Δv/Δt。通俗得理解就是，做匀变速直线运动中，1s时间内速度的变化量。同时加速度另外一个计算公式为a＝F/m，即当且仅当1N的力作用在1kg的物体上时，该物体的运动速度每秒变化1m/s。那重力加速度就是当物体仅受到重力的作用下，其速度在单位时间内的变化量，其中在地球表面附近，地球的重力加速度为g＝9.8m/s2，是不是有点熟悉？不错，在初中我们学过重力因数g＝9.8N/kg，相信大家都能够记住吧。这就是电影中一段台词“one G”的含义：通过旋转产生了1倍的地球重力加速度，即模拟出了1倍的重力（见图1-03）。
图1-03One G
向心力：说起向心力大家或许很陌生，但是说起离心力相信大家都很熟悉。实际情况下，一个物体若要做圆周运动，必须受到一个方向指向圆周运动圆心的力来改变物体的运动轨迹，这个力就是向心力。比如，汽车在地面上圆周运动，提供向心力的就是轮胎与地面之间的摩擦力；过山车通过直立的圆周轨道时，提供向心力的是重力和支持力的合力。所以，物体想要做圆周运动，则必须有力来承担向心力的角色。向心力的计算公式有三个：
其中：m：做圆周运动的物体质量；v：物体圆周运动的线速度；r：圆周运动半径；ω：圆周运动角速度；T：圆周运动周期
向心力在我们物理中的用途十分广泛，后续常老师会一一给大家讲到，那么由向心力所产生的加速度，我们称为向心加速度，向心加速度计算公式很简单，即将上述公式中的质量m除掉即可。
说这么多，那这些跟人造重力有什么关系呢？地球上的重力是由万有引力产生的，当然我们不可能造一个跟地球一样质量的飞船出来，要不然还不如学学大刘直接搞“流浪吧！小破球”。但是如果让飞船以及飞船内所有的物体旋转呢？旋转就必然会有向心力，而这个向心力就是飞船外壁对物体的产生的支持力，这样这个支持力不就刚好承担了重力的角色吗？（图1-04）。
图1-04电影《太空漫游2001》中宇航员在环形重力仓内锻炼的场景
好了，通过旋转飞船产生人造重力的原理我们已经讲清楚了，你以为这就完了？那你也太小看常老师了，下面呢我们就通过我们刚刚讲过的物理知识来做一回小侦探：耐力号到底有多大？环状结构的直径是多少？
停！收起你们的尺子！不是让你们用尺子量，更何况你们也不可能量出来，那我们就通过电影中的蛛丝马迹来算出来如何？前面说了，人造重力的原理是通过旋转产生的向心加速度来模拟重力加速度，所以：
将①②联立得出：
其中圆周率π已知，我们取3.14，所以只要我们能够测出飞船的旋转周期不就可以直接求出半径了吗？对此常老师截取了电影中49:04到49:09的镜头（见图1-05），我们可以发现飞船旋转半圈的时间在进度条上大概为5秒，当然这个误差太大，所以我就祭出了珍藏多年的机械秒表，根据常老师多次秒表测量，求出旋转半圈的平均时间大约为5.50秒，即飞船的旋转周期T≈11s，我们将测量结果带入计算式中即可求出，r≈30.07m，直径d≈60.14m。60多米高什么概念呢？如果按照一层楼的高度为3m来计算的话，那耐力号直立放置时差不多有20层楼的高度。图1-05耐力号旋转半圈动图（gif文档播放速度与电影播放速度有偏差）
好！请大家起立，看窗外，找到一栋大概20多层的居民楼，想象一下耐力号有多巨大吧！
下集预告：向心力在天文物理中的运用还有很多，下节我们将会讲讲向心力的另一个重要的作用——测量天体质量的方法！
