Nawet osoba niezainteresowana kosmosem kiedykolwiek widziała film o podróżach kosmicznych lub czytała o takich rzeczach w książkach. W prawie wszystkich takich pracach ludzie chodzą po statku, normalnie śpią i nie mają problemów z jedzeniem. Oznacza to, że te - fikcyjne - statki mają sztuczną grawitację. Większość widzów odbiera to jako coś całkowicie naturalnego, ale wcale tak nie jest.
Sztuczna grawitacja
To jest nazwa zmiany (w dowolnym kierunku) grawitacji, która jest nam znana przy zastosowaniu różnych metod. I dzieje się to nie tylko w fantastycznych pracach, ale także w bardzo rzeczywistych ziemskich sytuacjach, najczęściej do eksperymentów.
Teoretycznie tworzenie sztucznej grawitacji nie wygląda na takie trudne. Na przykład można go odtworzyć za pomocą bezwładności, a dokładniej siły odśrodkowej. Potrzeba tej mocy nie pojawiła się wczoraj - stało się to natychmiast, gdy tylko ktoś zaczął marzyć o długotrwałych lotach kosmicznych. kreacjasztuczna grawitacja w kosmosie pozwoli uniknąć wielu problemów, które pojawiają się podczas długotrwałego przebywania w stanie nieważkości. Mięśnie astronautów słabną, kości stają się mniej mocne. Podróżując w takich warunkach miesiącami, można nabawić się zaniku niektórych mięśni.
Tak więc, dzisiaj stworzenie sztucznej grawitacji jest zadaniem o pierwszorzędnym znaczeniu, eksploracja kosmosu bez tej umiejętności jest po prostu niemożliwa.
Materiały
Nawet ci, którzy znają fizykę tylko na poziomie szkolnego programu nauczania, rozumieją, że grawitacja jest jednym z podstawowych praw naszego świata: wszystkie ciała oddziałują ze sobą, doświadczając wzajemnego przyciągania/odpychania. Im większe ciało, tym większa siła przyciągania.
Ziemia dla naszej rzeczywistości jest bardzo masywnym obiektem. Dlatego przyciąga to bez wyjątku wszystkie ciała wokół niej.
Dla nas oznacza to przyspieszenie swobodnego spadania, zwykle mierzone w g, równe 9,8 metra na sekundę kwadratową. Oznacza to, że gdybyśmy nie mieli podparcia pod stopami, spadalibyśmy z prędkością rosnącą o 9,8 metra na sekundę.
Tak więc tylko dzięki grawitacji jesteśmy w stanie normalnie stać, upaść, jeść i pić, rozumieć, gdzie jest góra, a gdzie jest dół. Jeśli grawitacja zniknie, będziemy w stanie zerowej grawitacji.
Astronauci, którzy znajdują się w kosmosie w stanie szybowania - swobodnego spadania, są szczególnie zaznajomieni z tym zjawiskiem.
Teoretycznie naukowcy wiedzą, jak stworzyć sztuczną grawitację. Istniećkilka technik.
Wielka Msza
Najbardziej logiczną opcją jest uczynienie statku kosmicznego tak dużym, aby miał sztuczną grawitację. Na statku będzie można czuć się komfortowo, ponieważ orientacja w przestrzeni nie zostanie utracona.
Niestety ta metoda przy nowoczesnym rozwoju technologii jest nierealna. Zbudowanie takiego obiektu wymaga zbyt wielu zasobów. Ponadto do jego podniesienia będzie potrzebna niewiarygodna ilość energii.
Przyspieszenie
Wydawać by się mogło, że jeśli chcesz osiągnąć g równe Ziemi, wystarczy nadać statkowi płaski kształt (platformę) i sprawić, by poruszał się prostopadle do płaszczyzny z żądanym przyspieszeniem. W ten sposób uzyskana zostanie sztuczna grawitacja i będzie idealna.
Jednak rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana.
Przede wszystkim warto zastanowić się nad kwestią paliwa. Aby stacja stale przyspieszała, konieczne jest posiadanie zasilania bezprzerwowego. Nawet jeśli nagle pojawi się silnik, który nie wyrzuca materii, prawo zachowania energii pozostanie w mocy.
Drugim problemem jest sama idea stałego przyspieszenia. Zgodnie z naszą wiedzą i prawami fizycznymi nie da się przyspieszyć do nieskończoności.
Ponadto takie pojazdy nie nadają się do misji badawczych, ponieważ muszą stale przyspieszać - latać. Nie będzie mógł przestać badać planety, nie będzie nawet w stanie powoli wokół niej latać – musi przyspieszyć.
TakW ten sposób staje się jasne, że taka sztuczna grawitacja nie jest jeszcze dla nas dostępna.
Karuzela
Każdy wie, jak rotacja karuzeli wpływa na ciało. Dlatego najbardziej realistyczne wydaje się urządzenie do sztucznej grawitacji zgodne z tą zasadą.
Wszystko, co znajduje się w średnicy karuzeli, ma tendencję do wypadania z niej z prędkością w przybliżeniu równą prędkości obrotowej. Okazuje się, że na ciało działa siła skierowana wzdłuż promienia wirującego obiektu. Jest bardzo podobny do grawitacji.
Więc potrzebujesz statku o cylindrycznym kształcie. Jednocześnie musi obracać się wokół własnej osi. Nawiasem mówiąc, sztuczna grawitacja na statku kosmicznym, stworzona zgodnie z tą zasadą, jest często pokazywana w filmach science fiction.
Statek w kształcie beczki, obracając się wokół osi podłużnej, wytwarza siłę odśrodkową, której kierunek odpowiada promieniowi obiektu. Aby obliczyć wypadkowe przyspieszenie, musisz podzielić siłę przez masę.
Ludziom znającym fizykę nie będzie trudno obliczyć to: a=ω²R.
W tym wzorze wynikiem obliczeń jest przyspieszenie, pierwsza zmienna to prędkość węzłowa (mierzona w radianach na sekundę), druga to promień.
W związku z tym, aby uzyskać zwykłe g, konieczne jest prawidłowe połączenie prędkości kątowej i promienia transportu kosmicznego.
Ten problem poruszają takie filmy jak „Intersol”, „Babylon 5”, „2001: Odyseja kosmiczna” i tym podobne. We wszystkich tych przypadkachsztuczna grawitacja jest zbliżona do przyspieszenia swobodnego spadania Ziemi.
Bez względu na to, jak dobry jest ten pomysł, dość trudno go wdrożyć.
Problemy metody karuzeli
Najbardziej oczywisty problem został przedstawiony w Odysei kosmicznej. Promień „nośnika kosmicznego” wynosi około 8 metrów. Aby uzyskać przyspieszenie 9,8, obrót musi następować z prędkością około 10,5 obrotu na minutę.
Przy wskazanych wartościach przejawia się „efekt Coriolisa”, który polega na tym, że różne siły działają w różnych odległościach od podłoża. Zależy to bezpośrednio od prędkości kątowej.
Okazuje się, że zostanie wytworzona sztuczna grawitacja w kosmosie, ale zbyt szybki obrót koperty doprowadzi do problemów z uchem wewnętrznym. To z kolei powoduje brak równowagi, problemy z aparatem przedsionkowym i inne podobne problemy.
Powstanie tej bariery sugeruje, że taki model jest skrajnie nieudany.
Możesz spróbować odwrotu, tak jak zrobili to w powieści „Pierścień Świata”. Tutaj statek wykonany jest w formie pierścienia, którego promień jest zbliżony do promienia naszej orbity (około 150 mln km). Przy tym rozmiarze jego prędkość obrotowa wystarcza, aby zignorować efekt Coriolisa.
Możesz założyć, że problem został rozwiązany, ale wcale tak nie jest. Faktem jest, że całkowity obrót tej konstrukcji wokół własnej osi zajmuje 9 dni. Pozwala to założyć, że obciążenia będą zbyt duże. W celukonstrukcja je wytrzymała, potrzebny jest bardzo mocny materiał, którego dzisiaj nie mamy do dyspozycji. Dodatkowo problemem jest ilość materiału i sam proces budowy.
W grach o podobnej tematyce, jak w filmie „Babilon 5”, problemy te są jakoś rozwiązane: prędkość obrotowa jest całkiem wystarczająca, efekt Coriolisa nie jest znaczący, hipotetycznie możliwe jest stworzenie takiego statku.
Jednak nawet takie światy mają wadę. Jego imię to rozmach.
Statek obracający się wokół własnej osi zamienia się w ogromny żyroskop. Jak wiadomo, niezwykle trudno jest sprawić, by żyroskop zboczył z osi ze względu na moment pędu. Ważne jest, aby jego ilość nie opuszczała systemu. Oznacza to, że ustalenie kierunku dla tego obiektu będzie bardzo trudne. Jednak ten problem można rozwiązać.
Rozwiązywanie problemów
Sztuczna grawitacja na stacji kosmicznej staje się dostępna, gdy na ratunek przybywa „cylinder O'Neilla”. Aby stworzyć ten projekt, potrzebne są identyczne cylindryczne statki, które są połączone wzdłuż osi. Powinny się obracać w różnych kierunkach. Wynikiem tego montażu jest zerowy moment pędu, więc nie powinno być trudności w nadawaniu statkowi pożądanego kierunku.
Jeżeli można zbudować statek o promieniu około 500 metrów, będzie on działał dokładnie tak, jak powinien. Jednocześnie sztuczna grawitacja w kosmosie będzie dość wygodna i odpowiednia do długich lotów na statkach lub stacjach badawczych.
Inżynierowie kosmiczni
Jak stworzyć sztuczną grawitację jest znane twórcom gry. Jednak w tym fantastycznym świecie grawitacja nie jest wzajemnym przyciąganiem ciał, ale siłą liniową, mającą na celu przyspieszenie obiektów w określonym kierunku. Atrakcyjność tutaj nie jest absolutna, zmienia się, gdy źródło jest przekierowywane.
Sztuczna grawitacja na stacji kosmicznej jest wytwarzana za pomocą specjalnego generatora. Jest jednorodny i jednokierunkowy w obszarze generatora. Tak więc w prawdziwym świecie, jeśli zostaniesz uderzony przez statek z zainstalowanym generatorem, zostaniesz wciągnięty do kadłuba. Jednak w grze bohater będzie padał, dopóki nie opuści obwodu urządzenia.
Dziś sztuczna grawitacja w kosmosie, stworzona przez takie urządzenie, jest niedostępna dla ludzkości. Jednak nawet siwowłosi programiści nie przestają o tym marzyć.
Generator sferyczny
To jest bardziej realistyczna wersja sprzętu. Po zainstalowaniu grawitacja ma kierunek w kierunku generatora. Umożliwia to stworzenie stacji, której grawitacja będzie równa grawitacji planetarnej.
Wirówka
Dziś sztuczną grawitację na Ziemi można znaleźć w różnych urządzeniach. Opierają się one w większości na bezwładności, gdyż siła ta jest przez nas odczuwana podobnie jak efekty grawitacyjne – organizm nie rozróżnia, co powoduje przyspieszenie. Na przykład: osoba wjeżdżająca windą doświadcza efektu bezwładności. Oczami fizyka: podniesienie windy zwiększa przyspieszenie swobodnego spadania, przyspieszając samochód. Po powrocieKabiny do odmierzonego ruchu „przybierają na wadze” znika, przywracając zwykłe odczucia.
Naukowcy od dawna interesują się sztuczną grawitacją. Najczęściej do tych celów wykorzystywana jest wirówka. Ta metoda jest odpowiednia nie tylko dla statków kosmicznych, ale także dla stacji naziemnych, w których wymagane jest badanie wpływu grawitacji na organizm człowieka.
Ucz się na Ziemi, aplikuj w…
Chociaż badanie grawitacji rozpoczęło się z kosmosu, jest to bardzo przyziemna nauka. Do dziś osiągnięcia w tej dziedzinie znalazły zastosowanie m.in. w medycynie. Wiedząc, czy możliwe jest wytworzenie sztucznej grawitacji na planecie, można ją wykorzystać do leczenia problemów z narządem ruchu czy układem nerwowym. Co więcej, badania tej siły prowadzone są przede wszystkim na Ziemi. Dzięki temu astronauci mogą przeprowadzać eksperymenty pozostając pod baczną opieką lekarzy. Inną rzeczą jest sztuczna grawitacja w kosmosie, nie ma tam ludzi, którzy mogliby pomóc astronautom w przypadku nieprzewidzianej sytuacji.
Zważywszy na całkowitą nieważkość, nie można brać pod uwagę satelity na niskiej orbicie okołoziemskiej. Na obiekty te, choć w niewielkim stopniu, oddziałuje grawitacja. Siła grawitacji generowana w takich przypadkach nazywana jest mikrograwitacją. Prawdziwej grawitacji doświadcza się tylko w aparacie lecącym ze stałą prędkością w przestrzeni kosmicznej. Jednak ludzkie ciało nie odczuwa tej różnicy.
Możesz doświadczyć nieważkości podczas skoku w dal (zanim otworzy się czasza) lub podczas parabolicznego opadania samolotu. Takie eksperymentyczęsto wystawiane w USA, ale w samolocie to uczucie trwa tylko 40 sekund - to za mało na pełne badanie.
W ZSRR już w 1973 wiedzieli, czy możliwe jest wytworzenie sztucznej grawitacji. I nie tylko go stworzył, ale też w jakiś sposób go zmienił. Żywym przykładem sztucznego zmniejszenia grawitacji jest zanurzenie na sucho, zanurzenie. Aby osiągnąć pożądany efekt, musisz nałożyć gęsty film na powierzchnię wody. Osoba jest umieszczona na nim. Pod ciężarem ciała ciało tonie pod wodą, na górze pozostaje tylko głowa. Ten model pokazuje wsparcie niskiej grawitacji znalezione w oceanie.
Nie ma potrzeby podróżowania w kosmos, aby poczuć działanie przeciwnej siły nieważkości – hipergrawitacji. Podczas startu i lądowania statku kosmicznego w wirówce można nie tylko odczuć przeciążenie, ale także je zbadać.
Zabieg grawitacyjny
Fizyka grawitacyjna bada między innymi wpływ nieważkości na organizm ludzki, starając się zminimalizować konsekwencje. Jednak duża liczba osiągnięć tej nauki może być przydatna dla zwykłych mieszkańców planety.
Lekarze pokładają wielkie nadzieje w badaniach nad zachowaniem enzymów mięśniowych w miopatii. To poważna choroba prowadząca do przedwczesnej śmierci.
Przy aktywnych ćwiczeniach fizycznych duża ilość enzymu kreatynofosfokinazy dostaje się do krwi zdrowej osoby. Przyczyna tego zjawiska nie jest jasna, być może obciążenie działa na błonę komórkową w taki sposób, że„perforuje”. Pacjenci z miopatią uzyskują ten sam efekt bez ćwiczeń. Obserwacje astronautów pokazują, że w stanie nieważkości przepływ aktywnego enzymu do krwi jest znacznie zmniejszony. To odkrycie sugeruje, że zastosowanie immersji zmniejszy negatywny wpływ czynników prowadzących do miopatii. Obecnie trwają testy na zwierzętach.
Leczenie niektórych chorób jest już dziś prowadzone przy użyciu danych uzyskanych z badań grawitacyjnych, w tym sztucznych. Na przykład porażenie mózgowe, udary, choroba Parkinsona leczy się za pomocą kombinezonów obciążających. Badania nad pozytywnym wpływem podpory - buta pneumatycznego prawie zakończone.
Czy polecimy na Marsa?
Najnowsze osiągnięcia astronautów dają nadzieję na realność projektu. Doświadcza się wsparcia medycznego osoby podczas długiego pobytu z dala od Ziemi. Loty badawcze na Księżyc, na których siła grawitacji jest 6 razy mniejsza od naszej, również przyniosły wiele korzyści. Teraz astronauci i naukowcy wyznaczają sobie nowy cel - Mars.
Zanim staniesz w kolejce po bilet na Czerwoną Planetę, już na pierwszym etapie pracy - po drodze powinieneś wiedzieć, czego oczekuje organizm. Droga na pustynną planetę zajmie średnio półtora roku - około 500 dni. Po drodze będziesz musiał polegać tylko na własnych siłach, po prostu nie ma gdzie czekać na pomoc.
Wiele czynników osłabia siłę: stres, promieniowanie, brak pola magnetycznego. Najważniejszym testem dla organizmu jest zmiana grawitacji. Podczas podróży osoba „zapoznaje się” zkilka poziomów grawitacji. Przede wszystkim są to przeciążenia podczas startu. Następnie - nieważkość podczas lotu. Potem hipograwitacja w miejscu docelowym, ponieważ grawitacja na Marsie wynosi mniej niż 40% Ziemi.
Jak radzić sobie z negatywnymi skutkami nieważkości podczas długiego lotu? Mamy nadzieję, że rozwój w dziedzinie tworzenia sztucznej grawitacji pomoże rozwiązać ten problem w najbliższej przyszłości. Eksperymenty na szczurach podróżujących na Kosmosie-936 pokazują, że ta technika nie rozwiązuje wszystkich problemów.
Doświadczenie OS pokazało, że stosowanie kompleksów treningowych, które mogą określić niezbędne obciążenie dla każdego astronauty indywidualnie, może przynieść znacznie więcej korzyści dla organizmu.
Do tej pory uważa się, że na Marsa polecą nie tylko naukowcy, ale także turyści, którzy chcą założyć kolonię na Czerwonej Planecie. Dla nich, przynajmniej na początku, uczucie nieważkości przeważy nad wszystkimi argumentami lekarzy o niebezpieczeństwach długotrwałego narażenia na takie warunki. Jednak za kilka tygodni będą potrzebować pomocy, dlatego tak ważne jest znalezienie sposobu na wytworzenie sztucznej grawitacji na statku kosmicznym.
Wyniki
Jakie wnioski można wyciągnąć na temat tworzenia sztucznej grawitacji w kosmosie?
Spośród wszystkich obecnie rozważanych opcji najbardziej realistycznie wygląda obracająca się struktura. Jednak przy obecnym zrozumieniu praw fizycznych jest to niemożliwe, ponieważ statek nie jest pustym cylindrem. Wewnątrz znajdują się nakładki, które przeszkadzają w realizacji pomysłów.
Ponadto promień statku powinien być takiduże, aby efekt Coriolisa nie miał znaczącego wpływu.
Aby kontrolować coś takiego, potrzebujesz wspomnianego wyżej cylindra O'Neilla, który da ci możliwość kontrolowania statku. W tym przypadku wzrastają szanse na zastosowanie podobnej konstrukcji do lotów międzyplanetarnych z zapewnieniem załodze komfortowego poziomu grawitacji.
Zanim ludzkości uda się spełnić swoje marzenia, chciałbym zobaczyć trochę więcej realizmu i jeszcze więcej wiedzy o prawach fizyki w science fiction.
