Штучная гравітацыя і спосабы яе стварэння

Нават чалавек, які не цікавіцца космасам, хоць раз бачыў фільм пра касмічныя падарожжах або чытаў пра такія рэчы ў кнігах. Практычна ва ўсіх падобных творах людзі ходзяць па караблі, нармальна спяць, не адчуваюць праблемаў з прыёмам ежы. Гэта азначае, што на гэтых - выдуманых - караблях маецца штучная гравітацыя. Большасць гледачоў ўспрымае гэта як нешта зусім натуральнае, а гэта ж зусім не так.

штучная гравітацыя

Так называюць змяненне (у любы бок) звыклай для нас гравітацыі шляхам прымянення розных спосабаў. І робіцца гэта не толькі ў фантастычных творах, але і ў цалкам рэальных зямных сітуацыях, часцей за ўсё, для эксперыментаў.

У тэорыі стварэнне штучнай гравітацыі выглядае не так складана. Да прыкладу, узнавіць яе можна пры дапамозе інэрцыі, дакладней, цэнтрабежнай сілы. Патрэба ў гэтай сіле паўстала не ўчора - адбылося гэта адразу, як толькі чалавек пачаў марыць аб працяглых касмічных пералётах. Стварэнне штучнай гравітацыі ў космасе дасць магчымасць пазбегнуць мноства праблем, якія ўзнікаюць пры працяглым знаходжанні ў бязважкасці. У касманаўтаў слабеюць мускулы, косці становяцца менш трывалымі. Падарожнічаючы ў такіх умовах месяцы, можна атрымаць атрафію некаторых цягліц.

Такім чынам, на сённяшні дзень стварэнне штучнай гравітацыі - задача першараднай важнасці, засваенне космасу без гэтага ўмення проста немагчыма.

матчастку

Нават тыя, хто ведаюць фізіку толькі на ўзроўні школьнай праграмы, разумеюць, што гравітацыя - адзін з фундаментальных законаў нашага свету: усё цела ўзаемадзейнічаюць адзін з адным, выпрабоўваючы ўзаемнае прыцягненне / адштурхванне. Чым больш цела, тым вышэй яго сіла прыцягнення.

Зямля для нашай рэальнасці - аб'ект вельмі масіўны. Менавіта таму ўсе без выключэння цела вакол да яе прыцягваюцца.

Для нас гэта азначае паскарэнне вольнага падзення, якое прынята вымяраць ў g, роўнае 9.8 метра за квадратную секунду. Гэта значыць, што калі б пад нагамі ў нас не было апоры, мы б падалі з хуткасцю, штосекундна павялічваецца на 9.8 метра.

Такім чынам, толькі дзякуючы гравітацыі мы здольныя стаяць, падаць, нармальна ёсць і піць, разумець, дзе знаходзіцца верх, дзе ніз. Калі прыцягненне знікне - мы апынемся ў бязважкасці.

Асабліва добра знаёмыя з гэтым феноменам касманаўты, якія апыняюцца ў космасе ў стане лунання - свабоднага падзення.

Тэарэтычна навукоўцы ведаюць, як стварыць штучную гравітацыю. Існуе некалькі методык.

вялікая маса

Самы лагічны варыянт - зрабіць касмічны карабель настолькі вялікім, каб на ім ўзнікала штучная гравітацыя. На караблі можна будзе адчуваць сябе камфортна, паколькі не будзе страчана арыентацыя ў прасторы.

На жаль, гэты спосаб пры сучасным развіцці тэхналогій нерэальны. Каб збудаваць такі аб'ект, патрабуецца занадта шмат рэсурсаў. Акрамя таго, для яго ўздыму спатрэбіцца неверагоднае колькасць энергіі.

паскарэнне

Здавалася б, калі патрабуецца дасягнуць g, роўнага зямным, трэба ўсяго толькі надаць караблю плоскую (платформообразную) форму, і прымусіць яго рухацца па перпендыкуляры да плоскасці з патрэбным паскарэннем. Такім шляхам будзе атрыманая штучная гравітацыя, прычым - ідэальная.

Аднак у рэальнасці ўсё значна складаней.

У першую чаргу варта ўлічыць паліўнае пытанне. Для таго каб станцыя пастаянна паскараюцца, неабходна мець бесперабойны крыніца харчавання. Нават калі раптам з'явіцца рухавік, ня выдае банкноты матэрыю, закон захавання энергіі застанецца ў сіле.

Другая праблема заключаецца ў самой ідэі пастаяннага паскарэння. Згодна з нашых ведаў і фізічным законах, немагчыма паскарацца да бясконцасці.

Акрамя таго, такі транспарт ня падыходзіць для даследчых місій, паколькі ён павінен пастаянна паскарацца - ляцець. Ён не зможа спыніцца для вывучэння планеты, ён нават павольна праляцець вакол яе не зможа - трэба паскарацца.

Такім чынам, становіцца ясна, што і такая штучная гравітацыя нам пакуль недаступная.

карусель

Кожны ведае, як кручэнне каруселі ўздзейнічае на цела. Таму прылада штучнай гравітацыі па гэтым прынцыпе здаецца найбольш рэальным.

Усё, што знаходзіцца ў дыяметры каруселі, імкнецца выпасці з яе з хуткасцю, прыкладна роўнай хуткасці кручэння. Выходзіць, што на цела дзейнічае сіла, накіраваная ўздоўж радыусу верціцца аб'екта. Гэта вельмі падобна на гравітацыю.

Такім чынам, патрабуецца карабель, які мае цыліндрычную форму. Пры гэтым ён павінен круціцца вакол сваёй восі. Між іншым, штучная гравітацыя на касмічным караблі, створаная па гэтым прынцыпе, досыць часта дэманструецца ў навукова-фантастычных фільмах.

Бочкападобны карабель, круцячыся вакол падоўжнай восі, стварае цэнтрабежную сілу, кірунак якой адпавядае радыусе аб'екта. Каб вылічыць якое атрымліваецца паскарэнне, патрабуецца падзяліць сілу на масу.

Дасведчаным фізіку людзям палічыць гэта будзе зусім не складана: a = ω²R.

У гэтай формуле вынік разлікаў - паскарэнне, першая зменная - вузлавая хуткасць (вымяраецца ў колькасці радыян у секунду), другая - радыус.

Згодна з гэтым, для атрымання звыклай нам g, неабходна пісьменна спалучаць кутнюю хуткасць і радыус касмічнага транспарту.

Падобная праблема асветленая ў такіх фільмах, як «Интерсолах», «Вавілон 5», «2001 год: Касмічная адысея» і падобных ім. Ва ўсіх гэтых выпадках штучная гравітацыя набліжана да зямнога паскарэнню свабоднага падзення.

Як бы ні была добрая ідэя, рэалізаваць яе досыць складана.

Праблемы метаду «карусель»

Самая відавочная праблема асветленая ў «Касмічнай адысеі». Радыус «касмічнага перавозчыка» складае каля 8 метраў. Для таго каб атрымаць паскарэнне ў 9.8, кручэнне павінна адбывацца з хуткасцю, прыкладна, 10.5 абароту штохвілінна.

Пры паказаных велічынях выяўляецца «эфект Кориолиса», які складаецца ў тым, што на розным выдаленні ад падлогі дзейнічае розная сіла. Яна наўпрост залежыць ад кутняй хуткасці.

Выходзіць, штучная гравітацыя ў космасе створана будзе, аднак занадта хуткае кручэнне корпуса прывядзе да праблем з унутраным вухам. Гэта, у сваю чаргу, выклікае парушэнні раўнавагі, праблемы з вестыбюлярным апаратам і іншыя - аналагічныя - цяжкасці.

Узнікненне гэтай перашкоды кажа пра тое, што падобная мадэль вельмі няўдалая.

Можна паспрабаваць пайсці ад адваротнага, як паступілі ў рамане «Мір-Кальцо». Тут карабель выкананы ў форме кольца, радыус якога набліжаны да радыусе нашай арбіты (каля 150 млн км). Пры такім памеры хуткасці яго кручэння цалкам дастаткова, каб ігнараваць эфект Кориолиса.

Можна меркаваць, што праблема вырашана, аднак гэта зусім не так. Справа ў тым, што поўны абарот гэтай канструкцыі вакол сваёй восі займае 9 дзён. Гэта дае магчымасць выказаць здагадку, што нагрузкі апынуцца занадта вялікія. Для таго каб канструкцыя іх вытрымала, неабходны вельмі трывалы матэрыял, якім на сённяшні дзень мы не маем. Акрамя таго, праблемай з'яўляецца колькасць матэрыялу і непасрэдна працэс пабудовы.

У гульнях падобнай тэматыкі, як і ў фільме «Вавілон 5», гэтыя праблемы нейкім чынам вырашаны: цалкам дастатковая хуткасць кручэння, эфект Кориолиса ня істотны, гіпатэтычна стварыць такі карабель магчыма.

Аднак нават такія светы маюць недахоп. Завуць яго - момант імпульсу.

Карабель, круцячыся вакол восі, ператвараецца ў вялізны гіраскоп. Як вядома, прымусіць гіраскоп адхіліцца ад восі вельмі складана дзякуючы моманту імпульсу. Важна, каб яго колькасць не пакідала сістэму. Гэта азначае, што задаць напрамак гэтаму аб'екту будзе вельмі складана. Аднак такую праблему вырашыць можна.

Рашэнне праблемы

Штучная гравітацыя на касмічнай станцыі становіцца даступнай, калі на дапамогу прыходзіць «цыліндр О'Ніла». Для стварэння гэтай канструкцыі неабходныя аднолькавыя цыліндрычныя караблі, якія злучаюць ўздоўж восі. Круціцца яны павінны ў розныя бакі. Вынікам такой зборкі з'яўляецца нулявы момант імпульсу, таму не павінна ўзнікнуць цяжкасцяў з наданнем караблю неабходнага накірунку.

Калі магчыма зрабіць карабель радыусам каля 500 метраў, то ён будзе працаваць менавіта так, як і павінен. Пры гэтым штучная гравітацыя ў космасе будзе цалкам камфортнай і прыдатнай для працяглых пералётаў на караблях або даследчых станцыях.

Space Engineers

Як стварыць штучную гравітацыю, вядома стваральнікам гульні. Зрэшты, у гэтым фантастычным свеце гравітацыя - гэта не ўзаемнае прыцягненне тэл, але лінейная сіла, закліканая паскорыць прадметы ў зададзеным кірунку. Прыцягненне тут не абсалютна, яно змяняецца пры перанакіраванні крыніцы.

Штучная гравітацыя на касмічнай станцыі ствараецца шляхам выкарыстання спецыяльнага генератара. Яна раўнамерная і равнонаправленна ў зоне дзеяння генератара. Так, у рэальным свеце, патрапіўшы пад карабель, у якім усталяваны генератар, вы б былі прыцягнутыя да корпуса. Аднак у гульні герой будзе падаць да таго часу, пакуль не пакіне перыметр дзеяння прылады.

На сённяшні дзень штучная гравітацыя ў космасе, створаная такой прыладай, для чалавецтва недаступная. Аднак нават убеленным сівізной распрацоўнікі не перастаюць марыць пра яе.

сферычны генератар

Гэта больш рэалістычны варыянт абсталявання. Пры яго ўсталёўцы гравітацыя мае напрамак да генератара. Гэта дае магчымасць стварыць станцыю, гравітацыя якой будзе роўная планетарнай.

цэнтрыфуг

Сёння штучная гравітацыя на Зямлі сустракаецца ў розных прыладах. Заснаваныя яны, большай часткай, на інэрцыі, паколькі гэтая сіла адчуваецца намі аналагічна гравітацыйным ўздзеяння - арганізм не адрознівае, які чыннік выклікае паскарэнне. Як прыклад: чалавек, які ўздымаецца ў ліфце, адчувае на сабе ўздзеянне інэрцыі. Вачыма фізіка: ўздым ліфта дадае да паскарэння вольнага падзення паскарэнне кабіны. Пры вяртанні кабіны да мернага руху «прыбаўка» у вазе знікае, вяртаючы звыклыя адчуванні.

Навукоўцаў даўно цікавіць штучная гравітацыя. Цэнтрыфуг выкарыстоўваецца для гэтых мэтаў часцей за ўсё. Гэты метад падыходзіць не толькі для касмічных караблёў, але і для наземных станцый, у якіх патрабуецца вывучаць ўздзеянне гравітацыі на чалавечы арганізм.

Вывучыць на Зямлі, ўжываць у ...

Хоць вывучэнне гравітацыі пачалося з космасу, гэта вельмі зямная навука. Нават на сённяшні дзень дасягненні ў гэтай сферы знайшлі сваё прымяненне, напрыклад, у медыцыне. Ведаючы, ці магчыма стварыць штучную гравітацыю на планеце, можна выкарыстоўваць яе для лячэння праблем з рухальным апаратам або нервовай сістэмы. Больш за тое, вывучэннем гэтай сілы займаюцца перш за ўсё на Зямлі. Гэта дае магчымасць касманаўтам праводзіць эксперыменты, застаючыся пад пільнай увагай лекараў. Іншая справа штучная гравітацыя ў космасе, там няма людзей, здольных дапамагчы касманаўтам пры ўзнікненні неспадзяванай сітуацыі.

Маючы на ўвазе поўную бязважкасць, нельга браць у разлік спадарожнік, які знаходзіцца на калязямной арбіце. На гэтыя аб'екты, хай і ў малой ступені, уздзейнічае зямное прыцягненне. Сілу цяжару, якая ўтвараецца ў такіх выпадках, называюць микрогравитацией. Рэальную гравітацыю адчуваюць толькі ў апараце, які ляціць з пастаяннай хуткасцю ў адкрытым космасе. Зрэшты, чалавечы арганізм гэтую розніцу не адчувае.

Выпрабаваць на сабе бязважкасць можна пры зацяжным скачку (да таго, як купал расчыніцца) або падчас парабалічнага зніжэння самалёта. Такія эксперыменты часта ставяць у ЗША, але ў самалёце гэта адчуванне доўжыцца толькі 40 секунд - гэта занадта мала для паўнавартаснага вывучэння.

У СССР яшчэ ў 1973 годзе ведалі, ці можна стварыць штучную гравітацыю. І не проста стваралі яе, але і ў пэўным сэнсе змянялі. Яскравы прыклад штучнага памяншэння сілы цяжару - сухое апусканне, иммерсия. Для дасягнення неабходнага эфекту патрабуецца пакласці шчыльную плёнку на паверхню вады. Чалавек размяшчаецца па-над ёй. Пад цяжарам цела арганізм апускаецца пад ваду, наверсе застаецца толькі галава. Гэтая мадэль дэманструе безопорность з паніжанай гравітацыяй, якая характэрна для акіяна.

Няма неабходнасці адпраўляцца ў космас, каб адчуць на сабе ўздзеянне процілеглага бязважкасці сілы - гипергравитации. Пры ўзлёце і пасадцы касмічнага карабля, у цэнтрыфузе перагрузку можна не толькі адчуць, але і вывучыць.

лячэнне гравітацыяй

Гравітацыйная фізіка вывучае ў тым ліку і ўздзеянне бязважкасці на арганізм чалавека, імкнучыся мінімізаваць наступствы. Аднак вялікая колькасць дасягненняў гэтай навукі здольна спатрэбіцца і звычайным жыхарам планеты.

Вялікія надзеі медыкі ўскладаюць на даследаванні паводзін цягліцавых ферментаў пры міяпатыі. Гэта цяжкае захворванне, якое вядзе да ранняй смерці.

Пры актыўных фізічных занятках у кроў здаровага чалавека паступае вялікі аб'ём фермента креатинофосфокиназы. Прычына гэтай з'явы смутная, магчыма, нагрузка ўздзейнічае на мембрану клетак такім чынам, што яна «дзіравыя». Хворыя міяпатыямі атрымліваюць той жа эфект без нагрузак. Назірання за касманаўтамі паказваюць, што ў бязважкасці паступленне актыўнага фермента ў кроў значна зніжаецца. Такое адкрыццё дазваляе выказаць здагадку, што ўжыванне иммерсии дазволіць знізіць негатыўнае ўздзеянне якія прыводзяць да міяпатыі фактараў. У дадзены момант праводзяцца досведы на жывёл.

Лячэнне некаторых хвароб ужо сёння праводзіцца з выкарыстаннем дадзеных, атрыманых пры вывучэнні гравітацыі, у тым ліку штучнай. Да прыкладу, праводзіцца лячэнне ДЦП, інсультаў, Паркінсана шляхам прымянення нагрузачных касцюмаў. Практычна скончаны даследаванні станоўчага ўздзеяння апоры - пнеўматычнага за чаравік.

Паляцім Ці на Марс?

Апошнія дасягненні касманаўтаў даюць надзею на рэальнасць праекта. Маецца вопыт медыцынскай падтрымкі чалавека пры працяглым знаходжанні удалечыні ад Зямлі. Шмат карысці прынеслі і даследчыя палёты да Месяца, сіла гравітацыі на якой у 6 разоў менш нашай роднай. Цяпер касманаўты і навукоўцы ставяць перад сабой новую мэту - Марс.

Перш чым ўставаць ў чаргу за білетам на Чырвоную планету, варта ведаць, што чакае арганізм ужо на першым этапе працы - ў дарозе. У сярэднім дарога да пустыннай планеце зойме паўтара года - каля 500 сутак. Разлічваць у шляху прыйдзецца толькі на свае ўласныя сілы, дапамогі чакаць проста няма адкуль.

Падточваць сілы будуць мноства фактараў: стрэс, радыяцыя, адсутнасць магнітнага поля. Самае галоўнае ж выпрабаванне для арганізма - змяненне гравітацыі. У падарожжы чалавек «азнаёміцца» з некалькімі ўзроўнямі гравітацыі. У першую чаргу гэта перагрузкі пры ўзлёце. Затым - бязважкасць падчас палёту. Пасля гэтага - гипогравитация ў месцы прызначэння, т. К. Сіла цяжару на Марсе менш за 40% зямной.

Як спраўляюцца з адмоўным уздзеяннем бязважкасці ў працяглым пералёце? Ёсць надзея, што распрацоўкі ў галіне стварэння штучнай гравітацыі дапамогуць вырашыць гэтае пытанне ў недалёкай будучыні. Досведы на пацуках, якія вандруюць на «Космас-936» паказваюць, што гэты прыём не вырашае ўсіх праблем.

Вопыт АС паказаў, што значна больш карысці для арганізма здольна прынесці прымяненне трэнажорных комплексаў, здольных вызначыць неабходную нагрузку для кожнага касманаўта індывідуальна.

Пакуль лічыцца, што на Марс паляцяць не толькі даследчыкі, але і турысты, якія жадаюць заснаваць калонію на Чырвонай планеце. Для іх, ва ўсякім выпадку першы час, адчуванні ад знаходжання ў бязважкасці пераважаць ўсе довады медыкаў пра шкоду працяглага знаходжання ў такіх умовах. Аднак праз некалькі тыдняў дапамогу спатрэбіцца і ім, таму так важна здолець знайсці спосаб стварыць на касмічным караблі штучную гравітацыю.

вынікі

Якія высновы можна зрабіць аб стварэнні штучнай гравітацыі ў космасе?

Сярод усіх разгляданых ў дадзены момант варыянтаў найбольш рэалістычна выглядае круцельная канструкцыя. Аднак пры цяперашнім разуменні фізічных законаў гэта немагчыма, паколькі карабель - гэта не полы цыліндр. Усярэдзіне яго маюцца перакрыцця, якія замінаюць ажыццяўленню ідэй.

Акрамя таго, радыус карабля павінен быць настолькі вялікім, каб эфект Кориолиса не аказваў істотнага ўплыву.

Каб кіраваць чымсьці падобным, патрабуецца згаданы вышэй цыліндр О'Ніла, які дасць магчымасць кіраваць караблём. У гэтым выпадку павышаюцца шанцы ўжывання падобнай канструкцыі для міжпланетных пералётаў з забеспячэннем каманды камфортным узроўнем гравітацыі.

Да таго як чалавецтву ўдасца ажыццявіць свае мары ў жыццё, хацелася б бачыць у фантастычных творах крышачку большай рэалістычнасці і яшчэ большага веды законаў фізікі.