Дори човек, който не се интересува от космоса, някога е гледал филм за космически пътувания или е чел за подобни неща в книги. При почти всички подобни произведения хората се разхождат из кораба, спят нормално и не изпитват проблеми с храненето. Това означава, че тези - измислени - кораби имат изкуствена гравитация. Повечето зрители възприемат това като нещо напълно естествено, но изобщо не е.
Изкуствена гравитация
Това е името на промяната (във всяка посока) на гравитацията, позната ни чрез прилагане на различни методи. И това се прави не само във фантастични произведения, но и в много реални земни ситуации, най-често за експерименти.
На теория създаването на изкуствена гравитация не изглежда толкова трудно. Например, тя може да бъде пресъздадена с помощта на инерция, по-точно центробежна сила. Нуждата от тази сила не възникна вчера - това се случи веднага, веднага щом човек започна да мечтае за дългосрочни космически полети. Създаванеизкуствената гравитация в космоса ще позволи да се избегнат много проблеми, които възникват при продължителен престой в безтегловност. Мускулите на астронавтите отслабват, костите стават по-малко здрави. Пътувайки в такива условия с месеци, можете да получите атрофия на някои мускули.
Така, днес създаването на изкуствена гравитация е задача от първостепенно значение, изследването на космоса без това умение е просто невъзможно.
Материали
Дори тези, които познават физиката само на нивото на училищната програма, разбират, че гравитацията е един от основните закони на нашия свят: всички тела взаимодействат едно с друго, изпитвайки взаимно привличане/отблъскване. Колкото по-голямо е тялото, толкова по-голяма е неговата сила на привличане.
Земята за нашата реалност е много масивен обект. Ето защо, без изключение, всички тела около нея са привлечени от него.
За нас това означава ускорение на свободното падане, което обикновено се измерва в g, равно на 9,8 метра в квадратна секунда. Това означава, че ако нямахме опора под краката си, щяхме да паднем със скорост, която се увеличава с 9,8 метра всяка секунда.
Така само благодарение на гравитацията можем да стоим, да падаме, да ядем и пием нормално, да разбираме къде е горе, къде долу. Ако гравитацията изчезне, ще бъдем в нулева гравитация.
Астронавтите, които се намират в космоса в състояние на извисяване - свободно падане, са особено запознати с този феномен.
Теоретично учените знаят как да създават изкуствена гравитация. Съществуватняколко техники.
Голяма маса
Най-логичният вариант е космическият кораб да бъде толкова голям, че да има изкуствена гравитация. Ще бъде възможно да се чувствате комфортно на кораба, тъй като ориентацията в пространството няма да бъде загубена.
За съжаление този метод с модерното развитие на технологиите е нереалистичен. За изграждането на такъв обект са необходими твърде много ресурси. Освен това ще изисква невероятно количество енергия, за да го повдигнете.
Ускоряване
Изглежда, че ако искате да постигнете g равно на земното, просто трябва да придадете на кораба плоска (платформена) форма и да го накарате да се движи перпендикулярно на равнината с желаното ускорение. По този начин ще се получи изкуствена гравитация и идеална.
Реалността обаче е много по-сложна.
На първо място, струва си да помислите за проблема с горивото. За да може станцията да се ускорява постоянно, е необходимо да има непрекъсваемо захранване. Дори ако внезапно се появи двигател, който не изхвърля материята, законът за запазване на енергията ще остане в сила.
Вторият проблем е самата идея за постоянно ускорение. Според нашите познания и физически закони е невъзможно да се ускорява до безкрайност.
Освен това, такива превозни средства не са подходящи за изследователски мисии, тъй като трябва постоянно да ускоряват - да летят. Той няма да може да спре, за да изучава планетата, дори няма да може бавно да лети около нея - трябва да ускори.
И такаТака става ясно, че такава изкуствена гравитация все още не е достъпна за нас.
Въртележка
Всеки знае как въртенето на въртележката влияе на тялото. Следователно, устройство с изкуствена гравитация според този принцип изглежда най-реалистично.
Всичко, което е в диаметъра на въртележката, има тенденция да изпада от нея със скорост, приблизително равна на скоростта на въртене. Оказва се, че върху тялото действа сила, насочена по радиуса на въртящия се обект. Много е подобен на гравитацията.
И така, имате нужда от кораб с цилиндрична форма. В същото време той трябва да се върти около оста си. Между другото, изкуствената гравитация на космически кораб, създадена по този принцип, често се показва във филми за научна фантастика.
Бъчвовиден кораб, въртящ се около надлъжната ос, създава центробежна сила, чиято посока съответства на радиуса на обекта. За да изчислите полученото ускорение, трябва да разделите силата на масата.
Няма да е трудно за хората, които познават физиката, да изчислят това: a=ω²R.
В тази формула резултатът от изчислението е ускорението, първата променлива е възловата скорост (измерена в радиани в секунда), втората е радиусът.
Според това, за да се получи обичайното g, е необходимо правилно да се комбинират ъгловата скорост и радиуса на космическия транспорт.
Този проблем е покрит във филми като "Интерсол", "Вавилон 5", "2001: Космическа одисея" и други подобни. Във всички тези случаиизкуствената гравитация е близо до ускорението на свободното падане на Земята.
Без значение колко добра е идеята, е доста трудно да се приложи.
Проблеми на метода на въртележката
Най-очевидният проблем е подчертан в Космическа одисея. Радиусът на "космическия носител" е около 8 метра. За да получите ускорение от 9,8, въртенето трябва да се извършва със скорост от приблизително 10,5 оборота всяка минута.
При посочените стойности се проявява “ефектът на Кориолис”, който се състои в това, че различни сили действат на различни разстояния от пода. Тя директно зависи от ъгловата скорост.
Оказва се, че ще се създаде изкуствена гравитация в космоса, но твърде бързото въртене на корпуса ще доведе до проблеми с вътрешното ухо. Това от своя страна причинява дисбаланси, проблеми с вестибуларния апарат и други подобни проблеми.
Появата на тази бариера предполага, че подобен модел е изключително неуспешен.
Можете да опитате да отидете от обратното, както направиха в романа "Световният пръстен". Тук корабът е направен под формата на пръстен, чийто радиус е близо до радиуса на нашата орбита (около 150 милиона км). При този размер скоростта му на въртене е достатъчна, за да игнорира ефекта на Кориолис.
Можете да предположите, че проблемът е решен, но изобщо не е така. Факт е, че пълното завъртане на тази структура около оста й отнема 9 дни. Това дава възможност да се предположи, че товарите ще бъдат твърде големи. За даконструкцията ги издържа, нужен е много здрав материал, с който днес не разполагаме. Освен това проблемът е в количеството материал и самия процес на строителство.
В игри с подобна тематика, както във филма "Вавилон 5", тези проблеми по някакъв начин са решени: скоростта на въртене е напълно достатъчна, ефектът на Кориолис не е значителен, хипотетично е възможно да се създаде такъв кораб.
Въпреки това, дори такива светове имат недостатък. Името му е инерция.
Корабът, въртящ се около оста си, се превръща в огромен жироскоп. Както знаете, е изключително трудно да накарате жироскопа да се отклони от оста поради ъгловия импулс. Важно е количеството му да не напуска системата. Това означава, че ще бъде много трудно да се определи посоката на този обект. Този проблем обаче може да бъде решен.
Решаване на проблеми
Изкуствената гравитация на космическа станция става достъпна, когато "цилиндърът на О'Нийл" дойде на помощ. За да се създаде този дизайн, са необходими идентични цилиндрични кораби, които са свързани по оста. Те трябва да се въртят в различни посоки. Резултатът от това сглобяване е нулев ъглов импулс, така че не би трябвало да има затруднения при придаване на желаната посока на кораба.
Ако е възможно да се направи кораб с радиус от около 500 метра, тогава той ще работи точно както трябва. В същото време изкуствената гравитация в космоса ще бъде доста удобна и подходяща за дълги полети на кораби или изследователски станции.
Космически инженери
Как се създава изкуствена гравитация е известно на създателите на играта. В този фантастичен свят обаче гравитацията не е взаимното привличане на телата, а линейна сила, предназначена да ускорява обекти в дадена посока. Привличането тук не е абсолютно, то се променя, когато източникът бъде пренасочен.
Изкуствената гравитация на космическата станция се създава с помощта на специален генератор. Той е равномерен и равнопосочен в областта на генератора. Така че, в реалния свят, ако бъдете ударени от кораб, който има инсталиран генератор, ще бъдете изтеглени към корпуса. Въпреки това, в играта, героят ще падне, докато не напусне периметъра на устройството.
Днес изкуствената гравитация в космоса, създадена от такова устройство, е недостъпна за човечеството. Въпреки това, дори и сивокосите разработчици не спират да мечтаят за това.
Сферичен генератор
Това е по-реалистична версия на оборудването. Когато е инсталирана, гравитацията има посока към генератора. Това дава възможност да се създаде станция, чиято гравитация ще бъде равна на планетарната.
центрофуга
Днес изкуствената гравитация на Земята се намира в различни устройства. Те се основават в по-голямата си част на инерция, тъй като тази сила се усеща от нас подобно на гравитационните ефекти - тялото не различава какво причинява ускорението. Като пример: човек, който се качва в асансьор, изпитва ефекта на инерция. През очите на физик: повдигането на асансьор добавя към ускорението на свободното падане ускорението на автомобила. При връщанекабините до премерено движение "наддаване" на тегло изчезва, връщайки обичайните усещания.
Учените отдавна се интересуват от изкуствената гравитация. Най-често за тези цели се използва центрофугата. Този метод е подходящ не само за космически кораби, но и за наземни станции, в които се изисква изследване на ефекта на гравитацията върху човешкото тяло.
Учете на Земята, кандидатствайте в…
Въпреки че изучаването на гравитацията започва от космоса, това е много светска наука. И днес постиженията в тази област са намерили своето приложение, например в медицината. Знаейки дали е възможно да се създаде изкуствена гравитация на планетата, може да се използва за лечение на проблеми с двигателния апарат или нервната система. Освен това изследването на тази сила се извършва предимно на Земята. Това дава възможност на астронавтите да провеждат експерименти, докато остават под внимателното внимание на лекарите. Друго нещо е изкуствената гравитация в космоса, там няма хора, които да помогнат на астронавтите в случай на непредвидена ситуация.
При пълна безтегловност не може да се вземе предвид спътник в ниска околоземна орбита. Тези обекти, макар и в малка степен, са засегнати от гравитацията. Силата на гравитацията, генерирана в такива случаи, се нарича микрогравитация. Истинската гравитация се усеща само в апарат, летящ с постоянна скорост в космическото пространство. Човешкото тяло обаче не усеща тази разлика.
Можете да изпитате безтегловност по време на дълъг скок (преди сенникът да се отвори) или по време на параболично спускане на самолета. Такива експериментичесто се поставя в САЩ, но в самолет това усещане продължава само 40 секунди - това е твърде кратко за пълно изследване.
В СССР през 1973 г. знаеха дали е възможно да се създаде изкуствена гравитация. И не само го създаде, но и го промени по някакъв начин. Ярък пример за изкуствено намаляване на гравитацията е сухото потапяне, потапяне. За да постигнете желания ефект, трябва да поставите плътен филм върху повърхността на водата. Човекът е поставен върху него. Под тежестта на тялото тялото потъва под вода, отгоре остава само главата. Този модел демонстрира подкрепата с ниска гравитация, открита в океана.
Няма нужда да излизате в космоса, за да усетите ефекта на противоположната сила на безтегловността - хипергравитацията. При излитане и кацане на космически кораб, в центрофуга, можете не само да почувствате претоварването, но и да го изучите.
Гравитационно лечение
Гравитационната физика изучава, наред с други неща, влиянието на безтегловността върху човешкото тяло, като се стреми да сведе до минимум последствията. Въпреки това, голям брой постижения на тази наука могат да бъдат полезни за обикновените жители на планетата.
Лекарите възлагат големи надежди на изследване на поведението на мускулните ензими при миопатия. Това е сериозно заболяване, водещо до ранна смърт.
При активни физически упражнения голямо количество от ензима креатинофосфокиназа навлиза в кръвта на здрав човек. Причината за това явление не е ясна, може би натоварването действа върху клетъчната мембрана по такъв начин, че"перфорира". Пациентите с миопатия получават същия ефект без упражнения. Наблюденията на астронавтите показват, че в безтегловност потокът на активния ензим в кръвта е значително намален. Това откритие предполага, че използването на потапяне ще намали отрицателното въздействие на факторите, водещи до миопатия. В момента се провеждат тестове върху животни.
Лечение на някои заболявания вече се извършва днес с помощта на данни, получени от изследването на гравитацията, включително изкуствено. Например, детска церебрална парализа, инсулти, болест на Паркинсон се лекуват с използване на товарни костюми. Изследване на положителното въздействие на опората - пневматичната обувка е почти завършена.
Ще летим ли до Марс?
Последните постижения на астронавтите дават надежда за реалността на проекта. Има опит в медицинска помощ на човек по време на дълъг престой далеч от Земята. Изследователските полети до Луната, при които силата на гравитацията е 6 пъти по-малка от нашата, също донесоха много ползи. Сега астронавтите и учените си поставят нова цел - Марс.
Преди да станете на опашката за билет за Червената планета, трябва да знаете какво очаква тялото още на първия етап на работа - по пътя. Средно пътят до пустинната планета ще отнеме година и половина - около 500 дни. По пътя ще трябва да разчитате само на собствените си сили, просто няма къде да чакате помощ.
Много фактори ще подкопаят силата: стрес, радиация, липса на магнитно поле. Най-важният тест за тялото е промяната в гравитацията. По време на пътуването човек се „запознава“сняколко нива на гравитация. На първо място, това са претоварвания по време на излитане. След това - безтегловност по време на полета. След това хипогравитацията на дестинацията, тъй като гравитацията на Марс е по-малко от 40% от Земята.
Как се справяте с негативните ефекти от безтегловността при дълъг полет? Надяваме се, че разработките в областта на създаването на изкуствена гравитация ще помогнат за решаването на този проблем в близко бъдеще. Експерименти върху плъхове, пътуващи с Космос-936, показват, че тази техника не решава всички проблеми.
Опитът на OS показа, че използването на тренировъчни комплекси, които могат да определят необходимото натоварване за всеки астронавт поотделно, може да донесе много повече ползи за тялото.
Засега се смята, че не само изследователи ще летят до Марс, но и туристи, които искат да създадат колония на Червената планета. За тях поне в началото усещанията от безтегловност ще надделеят над всички аргументи на лекарите за опасностите от продължителното излагане на такива състояния. Те обаче ще имат нужда и от помощ след няколко седмици, поради което е толкова важно да могат да намерят начин за създаване на изкуствена гравитация на космически кораб.
Резултати
Какви заключения могат да се направят за създаването на изкуствена гравитация в космоса?
Сред всички опции, които се разглеждат в момента, въртящата се структура изглежда най-реалистична. Въпреки това, при сегашното разбиране на физическите закони, това е невъзможно, тъй като корабът не е кух цилиндър. Вътре в него има припокривания, които пречат на реализацията на идеите.
Освен това радиусът на кораба трябва да бъде такъвголям, така че ефектът на Кориолис да няма значителен ефект.
За да контролирате нещо подобно, имате нужда от цилиндъра на O'Neill, споменат по-горе, който ще ви даде възможност да управлявате кораба. В този случай шансовете за използване на подобен дизайн за междупланетни полети с осигуряване на екипажа с удобно ниво на гравитация се увеличават.
Преди човечеството да успее да сбъдне мечтите си, бих искал да видя малко повече реализъм и още повече познания за законите на физиката в научната фантастика.
