Штучна гравітація і способи її створення
Навіть людина, не цікавиться космосом, хоч раз бачив фільм про космічні подорожі або читав про такі речі в книгах. Практично у всіх подібних творах люди ходять по кораблю, нормально сплять, не відчувають проблем з прийомом їжі. Це означає, що на цих - вигаданих - кораблях є штучна гравітація. Більшість глядачів сприймає це як щось цілком природне, але ж це зовсім не так.
штучна гравітація
Так називають зміну (в будь-яку сторону) звичної для нас гравітації шляхом застосування різних способів. І робиться це не тільки в фантастичних творах, а й у цілком реальні земні ситуаціях, найчастіше, для експериментів.
У теорії створення штучної гравітації виглядає не так складно. Наприклад, відтворити її можна за допомогою інерції, точніше, відцентрової сили. Потреба в цій силі виникла не вчора - сталося це відразу, як тільки людина почала мріяти про тривалих космічних перельотів. Створення штучної гравітації в космосі дасть можливість уникнути безлічі проблем, що виникають при тривалому знаходженні в невагомості. У космонавтів слабшають м`язи, кістки стають менш міцними. Подорожуючи в таких умовах місяці, можна отримати атрофію деяких м`язів.
Таким чином, на сьогоднішній день створення штучної гравітації - завдання першорядної важливості, освоєння космосу без цього вміння просто неможливо.
матчастину
Навіть ті, хто знають фізику лише на рівні шкільної програми, розуміють, що гравітація - один з фундаментальних законів нашого світу: все тіла взаємодіють один з одним, відчуваючи взаємне притягання / відштовхування. Чим більше тіло, тим вище його сила тяжіння.
Земля для нашої реальності - об`єкт дуже масивний. Саме тому всі без винятку тіла навколо до неї притягуються.
Для нас це означає прискорення вільного падіння, яке прийнято вимірювати в g, рівне 9.8 метра за квадратну секунду. Це означає, що якби під ногами у нас не було опори, ми б падали зі швидкістю, щомиті збільшується на 9.8 метра.
Таким чином, тільки завдяки гравітації ми здатні стояти, падати, нормально їсти і пити, розуміти, де знаходиться верх, де низ. Якщо тяжіння зникне - ми опинимося в невагомості.
Особливо добре знайомі з цим феноменом космонавти, що опиняються в космосі в стані ширяння - вільного падіння.
Теоретично вчені знають, як створити штучну гравітацію. Існує кілька методик.
Велика маса
Самий логічний варіант - зробити космічний корабель настільки великим, щоб на ньому виникала штучна гравітація. На кораблі можна буде відчувати себе комфортно, оскільки не буде втрачена орієнтація в просторі.
На жаль, цей спосіб при сучасному розвитку технологій нереальний. Щоб спорудити такий об`єкт, потрібно занадто багато ресурсів. Крім того, для його підйому буде потрібно неймовірна кількість енергії.
прискорення
Здавалося б, якщо потрібно досягти g, рівного земному, потрібно всього лише надати кораблю плоску (платформообразную) форму, і змусити його рухатися по перпендикуляру до площини з потрібним прискоренням. Таким шляхом буде отримана штучна гравітація, причому - ідеальна.
Однак в реальності все набагато складніше.
В першу чергу варто врахувати паливний питання. Для того щоб станція постійно прискорювався, необхідно мати безперебійний джерело живлення. Навіть якщо раптово з`явиться двигун, що не викидає матерію, закон збереження енергії залишиться в силі.
Друга проблема полягає в самій ідеї постійного прискорення. Згідно з нашими знаннями і фізичним законам, неможливо прискорюватися до нескінченності.
Крім того, такий транспорт не підходить для дослідницьких місій, оскільки він повинен постійно прискорюватися - летіти. Він не зможе зупинитися для вивчення планети, він навіть повільно пролетіти навколо неї не зможе - треба прискорюватися.
Таким чином, стає ясно, що і така штучна гравітація нам поки недоступна.
карусель
Кожен знає, як обертання каруселі впливає на тіло. Тому пристрій штучної гравітації за цим принципом здається найбільш реальним.
Все, що знаходиться в діаметрі каруселі, прагне вирватися з неї зі швидкістю, приблизно рівною швидкості обертання. Виходить, що на тіла діє сила, спрямована уздовж радіуса обертового об`єкта. Це дуже схоже на гравітацію.
Отже, потрібно корабель, який має циліндричну форму. При цьому він повинен обертатися навколо своєї осі. Між іншим, штучна гравітація на космічному кораблі, створена за цим принципом, досить часто демонструється в науково-фантастичних фільмах.
Бочкоподібний корабель, обертаючись навколо поздовжньої осі, створює відцентрову силу, напрям якої відповідає радіусу об`єкта. Щоб обчислити отримується прискорення, потрібно розділити силу на масу.
Знаючим фізику людям порахувати це буде зовсім не складно: a = &omega- R.
У цій формулі результат розрахунків - прискорення, перша змінна - вузлова швидкість (вимірюється в кількості радіан в секунду), друга - радіус.
Згідно з цим, для отримання звичної нам g, необхідно грамотно поєднувати кутову швидкість і радіус космічного транспорту.
Подібна проблема висвітлена в таких фільмах, як «Інтерсолах», «Вавилон 5», «2001 рік: Космічна одіссея» і подібних до них. У всіх цих випадках штучна гравітація наближена до земного прискорення вільного падіння.
Як би не була хороша ідея, реалізувати її досить складно.
Проблеми методу «карусель»
Найбільш очевидна проблема висвітлена в «Космічній одіссеї». Радіус «космічного перевізника» становить близько 8 метрів. Для того щоб отримати прискорення в 9.8, обертання повинно відбуватися зі швидкістю, приблизно, 10.5 обороту щохвилини.
При зазначених величинах проявляється «ефект Коріоліса», який полягає в тому, що на різному віддаленні від статі діє різна сила. Вона безпосередньо залежить від кутової швидкості.
Виходить, штучна гравітація в космосі створена буде, однак занадто швидке обертання корпусу призведе до проблем з внутрішнім вухом. Це, в свою чергу, викликає порушення рівноваги, проблеми з вестибулярним апаратом і інші - аналогічні - труднощі.
Виникнення цієї перепони говорить про те, що подібна модель вкрай невдала.
Можна спробувати піти від зворотного, як надійшли в романі «Мир-Кільце». Тут корабель виконаний у формі кільця, радіус якого наближений до радіусу нашої орбіти (близько 150 млн км). При такому розмірі швидкості його обертання цілком достатньо, щоб ігнорувати ефект Коріоліса.
Можна припустити, що проблема вирішена, однак це зовсім не так. Справа в тому, що повний оборот цієї конструкції навколо своєї осі займає 9 днів. Це дає можливість припустити, що навантаження виявляться занадто великі. Для того щоб конструкція їх витримала, необхідний дуже міцний матеріал, яким на сьогоднішній день ми не маємо. Крім того, проблемою є кількість матеріалу і безпосередньо процес побудови.
В іграх подібної тематики, як і у фільмі «Вавилон 5», ці проблеми якимось чином вирішені: цілком достатня швидкість обертання, ефект Коріоліса не суттєвий, гіпотетично створити такий корабель можливо.
Однак навіть такі світи мають недолік. Звуть його - момент імпульсу.
Корабель, обертаючись навколо осі, перетворюється на величезний гіроскоп. Як відомо, змусити гіроскоп відхилитися від осі вкрай складно завдяки моменту імпульсу. Важливо, щоб його кількість не покидало систему. Це означає, що задати напрям цього об`єкту буде дуже складно. Однак таку проблему вирішити можна.
Відео: У Росії представили концепцію орбітальної станції зі штучною гравітацією - 2 ru u
Рішення проблеми
Штучна гравітація на космічній станції стає доступною, коли на допомогу приходить «циліндр Про&rsquo-Нілу ». Для створення цієї конструкції необхідні однакові циліндричні кораблі, які з`єднують уздовж осі. Обертатися вони повинні в різні боки. Результатом такої збірки є нульовий момент імпульсу, тому не повинно виникнути труднощів з доданням кораблю необхідного напрямку.
Якщо можливо зробити корабель радіусом близько 500 метрів, то він буде працювати саме так, як і повинен. При цьому штучна гравітація в космосі буде цілком комфортною і придатною для тривалих перельотів на кораблях або дослідних станціях.
Space Engineers
Як створити штучну гравітацію, відомо творцям гри. Втім, в цьому фантастичному світі гравітація - це не взаємне притягання тіл, але лінійна сила, покликана прискорити предмети в заданому напрямку. Тяжіння тут не абсолютно, воно змінюється при перенаправлення джерела.
Штучна гравітація на космічній станції створюється шляхом використання спеціального генератора. Вона рівномірна і равнонаправленних в зоні дії генератора. Так, в реальному світі, потрапивши під корабель, в якому встановлений генератор, ви б були притягнуті до корпусу. Однак в грі герой буде падати до тих пір, поки не покине периметр дії пристрою.
На сьогоднішній день штучна гравітація в космосі, створена таким пристроєм, для людства недоступна. Однак навіть сивочолі розробники не перестають мріяти про неї.
сферичний генератор
Це більш реалістичний варіант обладнання. При його установці гравітація має напрямок до генератора. Це дає можливість створити станцію, гравітація якої буде дорівнює планетарної.
Центрифуга
Сьогодні штучна гравітація на Землі зустрічається в різних пристроях. Засновані вони, здебільшого, на інерції, оскільки ця сила відчувається нами аналогічно гравітаційного впливу - організм не розрізняє, яка причина викликає прискорення. Як приклад: людина, що піднімається в ліфті, відчуває на собі вплив інерції. Очима фізика: підйом ліфта додає до прискорення вільного падіння прискорення кабіни. При поверненні кабіни до розміреного руху «надбавка» у вазі зникає, повертаючи звичні відчуття.
Вчених давно цікавить штучна гравітація. Центрифуга використовується для цих цілей найчастіше. Цей метод підходить не тільки для космічних кораблів, а й для наземних станцій, в яких потрібно вивчати вплив гравітації на людський організм.
Вивчити на Землі, застосовувати в…
Хоча вивчення гравітації почалося з космосу, це дуже земна наука. Навіть на сьогоднішній день досягнення в цій сфері знайшли своє застосування, наприклад, в медицині. Знаючи, чи можливо створити штучну гравітацію на планеті, можна використовувати її для лікування проблем з руховим апаратом або нервової системи. Більш того, вивченням цієї сили займаються перш за все на Землі. Це дає можливість космонавтам проводити експерименти, залишаючись під пильною увагою лікарів. Інша справа штучна гравітація в космосі, там немає людей, здатних допомогти космонавтам при виникненні непередбаченої ситуації.
Маючи на увазі повну невагомість, не можна брати в розрахунок супутник, що знаходиться на навколоземній орбіті. На ці об`єкти, нехай і в малому ступені, впливає земне тяжіння. Силу тяжіння, що утворюється в таких випадках, називають мікрогравітації. Реальну гравітацію відчувають тільки в апараті, який летить з постійною швидкістю в відкритому космосі. Втім, людський організм цю різницю не відчуває.
Випробувати на собі невагомість можна при затяжному стрибку (до того, як купол розкриється) або під час параболічного зниження літака. Такі експерименти часто ставлять в США, але в літаку це відчуття триває лише 40 секунд - це занадто мало для повноцінного вивчення.
В СРСР ще в 1973 році знали, чи можна створити штучну гравітацію. І не просто створювали її, але і в деякому роді змінювали. Яскравий приклад штучного зменшення сили тяжіння - сухе занурення, иммерсия. Для досягнення необхідного ефекту потрібно покласти щільну плівку на поверхню води. Людина розміщується поверх неї. Під вагою тіла організм занурюється під воду, нагорі залишається лише голова. Ця модель демонструє безопорность зі зниженою гравітацією, яка характерна для океану.
Немає необхідності відправлятися в космос, щоб відчути на собі вплив протилежної невагомості сили - гіпергравітації. При зльоті і посадці космічного корабля, в центрифузі перевантаження можна не тільки відчути, а й вивчити.
лікування гравітацією
Гравітаційна фізика вивчає в тому числі і вплив невагомості на організм людини, прагнучи мінімізувати наслідки. Однак велика кількість досягнень цієї науки здатна стати в нагоді і звичайним жителям планети.
Великі надії медики покладають на дослідження поведінки м`язових ферментів при міопатії. Це важке захворювання, що призводить до ранньої смерті.
При активних фізичних заняттях в кров здорової людини надходить великий обсяг ферменту креатінофосфокінази. Причина цього явища неясна, можливо, навантаження впливає на мембрану клітин таким чином, що вона «діряві». Хворі міопатією отримують той же ефект без навантажень. Спостереження за космонавтами показують, що в невагомості надходження активного ферменту в кров значно знижується. Таке відкриття дозволяє припустити, що застосування іммерсіі дозволить знизити негативний вплив призводять до міопатії факторів. В даний момент проводяться досліди на тваринах.
Лікування деяких хвороб вже сьогодні проводиться з використанням даних, отриманих при вивченні гравітації, в тому числі штучної. Наприклад, проводиться лікування ДЦП, інсультів, Паркінсона шляхом застосування навантажувальних костюмів. Практично закінчено дослідження позитивного впливу опори - пневматичного черевика.
Полетимо чи на Марс?
Останні досягнення космонавтів дають надію на реальність проекту. Є досвід медичної підтримки людини при тривалому перебуванні далеко від Землі. Багато користі принесли і дослідні польоти до Місяця, сила гравітації на якій в 6 разів менше нашої рідної. Тепер космонавти і вчені ставлять перед собою нову мету - Марс.
Відео: Від пошуку придатних для життя планет до анабіозу і створення штучної гравітації
Перш ніж вставати в чергу за квитком на Червону планету, слід знати, що очікує організм вже на першому етапі роботи - в дорозі. У середньому дорога до пустельній планеті займе півтора року - близько 500 діб. Розраховувати в дорозі доведеться тільки на свої власні сили, допомоги чекати просто нізвідки.
Підточувати сили будуть безліч факторів: стрес, радіація, відсутність магнітного поля. Найголовніше ж випробування для організму - зміна гравітації. У подорожі людина «ознайомиться» з декількома рівнями гравітації. В першу чергу це перевантаження при зльоті. Потім - невагомість під час польоту. Після цього - гипогравитации в місці призначення, т. К. Сила тяжіння на Марсі менше 40% земної.
Як справляються з негативним впливом невагомості в тривалому перельоті? Є надія, що розробки в області створення штучної гравітації допоможуть вирішити це питання в недалекому майбутньому. Досліди на щурах, які подорожують на «Космос-936» показують, що цей прийом не вирішує всіх проблем.
Досвід ОС показав, що набагато більше користі для організму здатне принести застосування тренажерних комплексів, здатних визначити необхідне навантаження для кожного космонавта індивідуально.
Поки вважається, що на Марс полетять не тільки дослідники, але і туристи, охочі заснувати колонію на Червоній планеті. Для них, у всякому разі спочатку, відчуття від перебування в невагомості переважать всі доводи медиків про шкоду тривалого перебування в таких умовах. Однак через кілька тижнів допомога буде потрібна і їм, тому так важливо зуміти знайти спосіб створити на космічному кораблі штучну гравітацію.
підсумки
Які висновки можна зробити про створення штучної гравітації в космосі?
Серед усіх розглянутих в даний момент варіантів найбільш реалістично виглядає обертається конструкція. Однак при нинішньому розумінні фізичних законів це неможливо, оскільки корабель - це не порожній циліндр. Усередині нього є перекриття, що заважають втіленню ідей.
Крім того, радіус корабля повинен бути настільки великим, щоб ефект Коріоліса не чинив істотного впливу.
Щоб керувати чимось подібним, потрібно згаданий вище циліндр Про&rsquo-Нілу, який дасть можливість управляти кораблем. В цьому випадку підвищуються шанси застосування подібної конструкції для міжпланетних перельотів із забезпеченням команди комфортним рівнем гравітації.
До того як людству вдасться втілити свої мрії в життя, хотілося б бачити в фантастичних творах трішки більшої реалістичності і ще більшого знання законів фізики.
