制造一个钢圈,把地球赤道围起来,这个钢圈能否自然悬浮于空中?

制造一个钢圈,把地球赤道围起来,这个钢圈能否自然悬浮于空中?


任何有质量的物体都具有引力,而地球作为一颗质量为5.965*10∧24千克的行星,自然具有强大的引力。

要克服地球引力,将物体送入地球轨道,那么就必须要实现第一宇宙速度,也就是7.9km/m。如果要彻底摆脱地球引力的束缚,将物体送往地外星球,就必须要让初始速度达到第二宇宙速度,也就是11.2km/m。

之所以举出这两个例子,就是为了说明地球的引力之强。地球是一个球体,在地球的任何一个位置所受的引力都是指向地球中心的,因此就出现了很多关于地球引力的脑洞问题,比如如果我们试图钻穿地球,当穿过地球中心的一瞬间,是不是就会由向下挖掘转变为向上挖掘呢?这些问题都很有趣,而现在我们要来思考的是另外一个有趣的问题。


地球表面任何位置所受的引力方向都是指向地球中心的,那么如果我们制造一个钢圈,钢圈的周长比赤道长一些,让这个钢圈环绕赤道,那么在这个钢圈完工之后,它是不是就能够自然悬浮于空中呢?

这个思想实验的构思是这样的,钢圈是一个整体,在钢圈上每一对相对的点所受的地球引力的方向是相反的,所以就产生了相互制衡,于是整个钢圈便能够凭空悬浮在空中了。这个实验在思想的世界很容易,但放到现实中来,却将要面对重重困难。

首先的一个问题就是这个钢圈到底要离地面多远,一米?两米?还是十米或者一百米?似乎离地多远都不太合适。原因就在于地球说是一个球体,但实际上并不完美,而且是非常不完美。


就地球本身而言,它就不是一个标准的球型,所以环绕地球的钢圈也就不能是一个标准的球型。

其次,地球表面是凹凸不平的,有海洋、有盆地,有平原,有高原,有丘陵,也有山川,那么怎么能够制造一个钢圈,让它在任意一点上距离地面的距离都相等呢?如果让钢圈随着地表的变化而起伏变化,那么在所有凸起或凹陷的地方都会形成一个应力集中点,对于如此浩大的工程,这样的应力集中点是极易发生断裂的。

当然,这个问题也并不是不可以解决,我们可以本着勇往直前的信念,遇到山川就钻孔,强行制造一个环绕地球的圆环。而在制造的过程中还要考虑很多其它的因素,比如大气环境啊,潮汐影响啊,这些都要经过缜密的计算。


在制造这个钢圈的过程中,有些问题是可以解决的,而有些问题则是无解的。

其中最无解的一个问题就是钢圈的材质问题,世界上是没有绝对刚体的。在常识中,钢铁是十分坚硬的,但是一般的钢筋在几米的长度上就会出现明显的弯曲,而地球的周长达到了40000公里,可以说无论使用任何材料来制造这个钢圈,在支撑撤去之后都会断裂,而且会出现无数个断裂点。

在4000公里的长度下,钢铁和草绳是没有任何区别的,这就是现实中一个无法解决的问题,世界上没有不会变形的绝对刚体,所以也就不可能在现实中制造出这样的钢圈,所以上面的这个实验也只能在思想中去进行了。那么就假设我们解决了一切的困难,造出了这个钢圈,那么会发生什么呢?


当一个以绝对刚体制造的环绕赤道的钢圈撤去支撑的一刻,你会发现这个钢圈真的能够自然悬浮于空中。

这是因为在钢圈上的每一个点都受到重力的影响,而每个点都有一个与之相对的点所承受的重力方向是相反的,于是合力抵消了重力,钢圈很自然的飘浮在了空中。不过钢圈的飘浮并不会是稳定的,因为地球并不是一个独立的天体,也不是一个静止不动的天体。

​首先月球会对地球产生潮汐力,这会干扰到钢圈的引力均衡,其次,地球处于高速自转之中。所以真实情况很可能是这个钢圈虽然悬浮于空中,但是却呈现南北向晃动。而要想让钢圈稳定悬浮于地球外围,最简单的办法就是让钢圈转起来,这样它就成为了一个类似于行星环的存在。#科学每一天#