Изкуствена гравитация и начини за нейното създаване

Дори човек, който не се интересува от космоса, поне веднъж видял филм за космически пътувания или чел за такива неща в книгите. Почти във всички такива работи хората обикалят кораба, спят нормално, нямат проблеми с приема на храна. Това означава, че на тези - фиктивни - кораби има изкуствена гравитация. Повечето зрители възприемат това като нещо напълно естествено и все пак това не е така.

Изкуствена гравитация

Това е името на промяната (в която и да е посока) на обичайната тежест за нас чрез прилагане на различни методи. И това се прави не само във фантастични произведения, но и в доста реални земни ситуации, най-често за експерименти.

На теория създаването на изкуствена гравитация не изглежда толкова трудно. Например, тя може да бъде пресъздадена чрез инерция, по-точно, центробежна сила. Необходимостта от тази власт възникна не вчера - това се случи веднага, щом някой започна да мечтае за дълги космически полети. Създаването на изкуствена гравитация в космоса ще даде възможност да се избегне множеството проблеми, които възникват при продължително излагане на безтегловност. Космонавтите отслабват мускулите, костите стават по-малко издръжливи. Пътуване в тези условия в продължение на месеци, можете да получите атрофия на някои мускули.

По този начин, за днес създаването на изкуствено гравитационно е задача от първостепенно значение, изследване на космоса без това умение е просто невъзможно.

материална част

Дори тези, които познават физиката само на нивото на учебната програма, разбират, че гравитацията е едно от основните закони на нашия свят: всички тела взаимодействат помежду си, изпитват взаимно привличане / отблъскване. Колкото по-голямо е тялото, толкова по-силна е силата му на привличане.

Земята е за нашата реалност - обектът е много масивен. Ето защо всички тела без изключение са привлечени от него.

За нас това означава ускоряване на гравитацията, който обикновено се измерва в g, равен на 9,8 метра на квадратен секунда. Това означава, че ако нямаме подкрепа под нозете ни, щяхме да паднем с темп, който се увеличава с 9,8 метра всяка секунда.

По този начин само благодарение на гравитацията можем да стоим, да падаме, да ядем и да пием нормално, да разберем къде е върхът, където е дъното. Ако привлекателността изчезне, ще бъдем в безтегловност.

Особено запознати с това явление са астронавтите, които се намират в космоса в състояние на скок - свободно падане.

Теоретично учените знаят как да създават изкуствена гравитация. Има няколко метода.

По-голяма маса

Най-логичният вариант е да се направи космически кораб толкова голяма, че да създаде изкуствена гравитация. На кораба ще бъде възможно да се чувствате комфортно, тъй като ориентацията в космоса няма да бъде загубена.

За съжаление, този метод е нереалистичен с модерното развитие на технологиите. За да се изгради такъв обект, е необходимо твърде много ресурси. Освен това, за да се повиши, ще е необходимо невероятно количество енергия.

ускорение

Изглежда, че ако искате да постигнете g, равно на земното, просто трябва да дадете на кораба плоска (подобна на платформа) форма и да я направите перпендикулярно на равнината с желаното ускорение. По този начин изкуствената гравитация ще бъде постигната и идеална.

В действителност обаче всичко е много по-сложно.

На първо място е необходимо да се вземе предвид проблемът с горивата. За постоянно ускоряване на станцията е необходимо непрекъснато захранване. Дори ако моторът внезапно се появи, без да хвърля материя, законът за опазване на енергията ще остане в сила.

Вторият проблем е самата идея за постоянно ускоряване. Според нашите знания и физически закони не е възможно да се ускорим до безкрайност.

В допълнение, този транспорт не е подходящ за изследователски мисии, защото трябва постоянно да се ускорява - да лети. Той не може да спре да изучава планетата, дори не може да лети бавно около нея - трябва да ускорим.

Така става ясно, че такава изкуствена гравитация все още не е достъпна за нас.

въртележка

Всеки знае как въртенето на въртележката засяга тялото. Ето защо устройството за изкуствено натоварване на този принцип изглежда най-реално.

Всичко, което е в диаметъра на въртележката, има тенденция да падне от него със скорост, приблизително равна на скоростта на въртене. Оказва се, че силата, действаща по радиуса на въртящия се обект, действа върху телата. Това е много подобно на гравитацията.

Така че, имате нужда от кораб, който има цилиндрична форма. В този случай той трябва да се върти около оста си. Между другото, изкуствената тежест върху космически кораб, създадена от този принцип, често се доказва в научно-фантастичните филми.

Буреловидният кораб, въртящ се около надлъжната ос, създава центробежна сила, чието направление съответства на радиуса на обекта. За да се изчисли резултантното ускорение, е необходимо да се раздели силата на масата.

Знаейки физика, хората смятат, че няма да е трудно: a = омега-²R.

В тази формула резултатът от изчисленията е ускорение, първата променлива е скоростта на възела (измерена в броя на радиани в секунда), втората е радиусът.

Според това, за да се получи обичайното g, е необходимо компетентно да се комбинира ъглова скорост и радиуса на космическия транспорт.

Подобен проблем се крие и в филми като Интерсолах, Вавилон 5, 2001: космическата одисея и други подобни. Във всички тези случаи изкуствената гравитация се доближава до земното ускорение на гравитацията.

Без значение колко добра идея, това е доста трудно да се осъществи.

Проблемите на метода "въртележка"

Най-очевидният проблем е обхванат в "Космическата Одисея". Радиусът на "космическия носител" е около 8 метра. За да се постигне ускорение от 9,8, ротацията трябва да се извършва със скорост от около 10,5 оборота на минута.

С посочените стойности се проявява "кориолис ефектът", който се състои в това, че различна сила действа на различни разстояния от пода. Тя зависи пряко от ъгловата скорост.

Оказва се, че изкуствената гравитация в пространството ще бъде създадена, но твърде бързото въртене на тялото ще доведе до проблеми с вътрешното ухо. Това от своя страна води до дисбаланси, проблеми с вестибуларния апарат и други - подобни - трудности.

Появата на тази бариера предполага, че такъв модел е изключително неуспешен.

Можете да се опитате да отидете от обратното, както направиха в романа "The World-Ring". Тук корабът е направен под формата на пръстен, чийто радиус е близо до радиуса на нашата орбита (около 150 милиона километра). С този размер скоростта на въртене е достатъчно, за да се пренебрегне ефектът на Кориолис.

Можем да приемем, че проблемът е решен, но това не е така. Факт е, че пълният оборот на този дизайн около неговата ос отнема 9 дни. Това прави възможно да се приеме, че товарите ще бъдат твърде големи. За да оцелеем, е необходим много силен материал, който в момента нямаме. В допълнение, проблемът е количеството материал и самият процес на изграждане.

В игри на подобна тема, както във филма "Вавилон 5", тези проблеми по някакъв начин се решават: скоростта на въртене е достатъчно, ефектът на Кориолис не е от съществено значение, възможно е да се създаде такъв кораб хипотетично.

Въпреки това, дори такива светове имат недостатък. Името му е моментът на импулса.

Корабът, въртящ се около оста, се превръща в огромен жироскоп. Както е известно, е изключително трудно да се направи отклонение на жироскопа от оста импулс. Важно е количеството да не напуска системата. Това означава, че посоката на този обект ще бъде много трудна. Този проблем обаче може да бъде решен.

Решаването

Изкуствената гравитация на космическата станция става достъпна, когато "спасителният" цилиндър "Оршево-Нил" се озова в помощ. За да създадете този дизайн, се нуждаете от идентични цилиндрични кораби, които са свързани по оста. Те трябва да се въртят в различни посоки. Резултатът от такъв монтаж е нулевият момент на пулса, така че не би трябвало да има никакви затруднения при даването на необходимата 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 да създадем изкуствена гравитация е известно на създателите на играта. Но в този фантастичен свят гравитацията не е взаимно привличане на тела, а линейна сила, предназначена да ускорява обекти в дадена посока. Привличането тук не е абсолютно, то се променя, когато източникът е пренасочен.

Изкуствената гравитация на космическата станция се създава чрез използване на специален генератор. Тя е еднаква и еднопосочна в обхвата на генератора. И така, в реалния свят, удряйки кораба, в който е монтиран генераторът, ще бъдете привлечени от корпуса. Въпреки това, в играта героят ще падне, докато не напусне периметъра на устройството.

Към днешна дата изкуствената гравитация в пространството, създадена от такова устройство, не е достъпна за човечеството. Въпреки това, дори и сивокосовите разработчици не престават да мечтаят за това.

Сферичен генератор

Това е по-реалистична версия на оборудването. Когато е инсталирана, гравитацията има посока към генератора. Това прави възможно създаването на станция, чиято тежест ще бъде равна на планетарната.

центрофуга

Днес изкуствената гравитация на Земята се извършва в различни устройства. Те се основават предимно на инерция, защото тази сила се усеща от нас подобно на гравитационното действие - организмът не прави разлика между това, което причинява ускорението. Като пример: човек, катерещ се в асансьор, е засегнат от инерция. С очите на физик: повдигането на асансьора допринася за ускоряването на ускорението на кабината при свободно падане. Когато кабината се върне на измерено движение, "спечелването" на тегло изчезва, връщайки обичайните усещания.

Учените отдавна се интересуват от изкуствената гравитация. Центрофугата се използва най-често за тази цел. Този метод е подходящ не само за космически кораби, но и за наземни станции, в които се изисква да се изследва въздействието на гравитацията върху човешкото тяло.

Проучване на Земята, приложимо в Hellip-

Въпреки че изследването на гравитацията започва от космоса, това е много земна наука. Дори и днес постиженията в тази област са намерили тяхното приложение, например, в медицината. Знаейки дали е възможно да се създаде изкуствена гравитация на планетата, можете да я използвате за лечение на проблеми с моторната апаратура или нервната система. Нещо повече, изследването на тази сила е свързано главно със земята. Това дава възможност на космонавтите да провеждат експерименти, като същевременно остават под строго наблюдение на лекарите. Друго нещо е изкуствената гравитация в космоса, няма хора, които да могат да помагат на космонавти в случай на непредвидена ситуация.

Като се има предвид пълното безтегловност, не може да се вземе предвид сателит в близка орбита. Тези обекти, макар и в малка степен, са засегнати от гравитацията. Тежестта, образувана в такива случаи, се нарича микрогравитация. Реалната тежест се усеща само в превозно средство, което плава с постоянна скорост в открито пространство. Но човешкото тяло не усеща тази разлика.

Можете да изпитате безтегловност с дълъг скок (преди отварянето на купола) или по време на параболичното спускане на самолета. Такива експерименти често се правят в САЩ, но в самолета това усещане трае само 40 секунди - това е твърде малко за цялостно проучване.

В СССР, през 1973 г., те знаеха дали е възможно да се създаде изкуствена гравитация. И те не само го създават, но и по някакъв начин го променят. Яркият пример за изкуствено намаляване на гравитацията е сухото потапяне, потапянето. За да се постигне желания ефект, е необходимо да се постави плътно фолио върху повърхността на водата. Лицето е поставено върху него. Под тежестта на тялото, тялото потъва под водата, само главата остава над нея. Този модел демонстрира несигурност с намалена гравитация, характерна за океана.

Не е нужно да влизате в космоса, за да усетите ефекта от противоположното безтегловност на силата - хипергравитацията. С излитането и кацането на космическия апарат в центрофугата претоварването не само може да се усети, но и да се изследва.

Лечение с тежест

Гравитационната физика изследва, наред с други неща, ефекта от безтегловността върху човешкото тяло, като се стреми да сведе до минимум последствията. Въпреки това, голям брой постижения на тази наука могат да бъдат полезни на обикновените жители на планетата.

Лекарите полагат големи надежди за изследване на поведението на мускулните ензими в миопатията. Това е сериозно заболяване, водещо до ранна смърт.

При активни физически упражнения голям обем от ензима креатинофосфокиназа навлиза в кръвта на здрав човек. Причината за това явление е неясна, може би натоварването действа върху клетъчната мембрана по такъв начин, че "перфорира". Пациентите с миопатия получават същия ефект без физически упражнения. Наблюденията на космонавти показват, че при отсъствие на тегло, приемането на активния ензим в кръвта намалява значително. Подобно откритие предполага, че използването на потапяне ще намали отрицателното въздействие на факторите, водещи до миопатия. В момента се извършват експерименти върху животни.

Някои от болестите се лекуват днес, като се използват данни, получени при изследването на тежестта, включително и на изкуственото. Например, се извършва лечение на церебрална парализа, удари, Паркинсон чрез прилагане на костюми за натоварване. Практически завършени проучвания на положителните ефекти на опората - пневматичната обувка.

Трябва ли да летим до Марс?

Последните постижения на космонавтите дават надежда за реалността на проекта. Налице е опит за медицинска помощ за човек с дълъг престой далеч от Земята. Много полезност се докара от изследователски полети до Луната, чиято гравитационна сила е 6 пъти по-малка от нашата родна. Сега космонавти и учени налагат нова цел - Марс.

Преди да сте на опашка за билет за Червената планета, трябва да знаете какво очаква тялото на първия етап от работата - по пътя. Средно пътят към пустинната планета ще отнеме около година и половина - около 500 дни. Разчитайки на пътя ще има само на собствената си сила, няма къде да чакаме за помощ.

Има много фактори, които ще подкопаят силите: стрес, радиация, липса на магнитно поле. Най-важният тест за тялото е промяната в тежестта. По пътя човек "се запознава" с няколко нива на гравитация. На първо място, това е претоварване по време на излитане. След това - безтегловност по време на полета. След това - хипография на местоназначението, защото гравитацията на Марс е по-малко от 40% от земната гравитация.

Как се справяте с отрицателното въздействие на безтегловността при дълъг полет? Надяваме се, че развитието в областта на създаването на изкуствена гравитация ще помогне за решаването на този проблем в близко бъдеще. Експериментите на плъхове, пътуващи до Cosmos-936, показват, че тази техника не разрешава всички проблеми.

Опитът в операционната система показва, че много по-полезно за тялото е в състояние да доведе до използването на симулатори, които могат да определят необходимото натоварване за всеки астронавт поотделно.

Въпреки че се смята, че не само изследователи ще летят до Марс, но и туристи, които искат да установят колония на Червената планета. За тях, поне за първи път, усещането за безтегловност ще надделее над всички доводи на лекарите за опасностите от продължително излагане в такива условия. Но след няколко седмици ще бъде необходимо да им помогнем, така че е толкова важно да се намери начин да се създаде изкуствена гравитация на космическия кораб.

резултати

Какви изводи могат да се направят за създаването на изкуствена гравитация в космоса?

Сред всички варианти, разглеждани в момента, най-въртящият се дизайн изглежда реалистичен. Въпреки това, с настоящото разбиране на физическите закони, това е невъзможно, защото корабът не е кух цилиндър. Вътре има подове, които пречат на въплъщението на идеи.

Освен това радиусът на кораба трябва да бъде толкова голям, че ефектът на Кориолис да няма значим ефект.

За да управлявате нещо подобно, имате нужда от цилиндъра Orsquo-Nile, споменат по-горе, който ще ви позволи да контролирате кораба. В този случай шансовете за използване на такъв дизайн за междупланетни полети се увеличават, осигурявайки на екипа удобно ниво на гравитация.

Преди човечеството да може да осъществи мечтите си, бих искал да видя във фантастичните творби малко повече реализъм и още по-добро познаване на законите на физиката.