Genādijs Bražņiks, 2011. gada 23. aprīlis
Skatoties uz pasauli, atver acis... (sengrieķu epopeja)
Kā izveidot mākslīgo gravitāciju?
Kosmosa izpētes piecdesmitā gadadiena, kas tiek svinēta šogad, ir parādījusi cilvēka intelekta milzīgo potenciālu apkārtējā Visuma izpratnē. Starptautiskā kosmosa stacija (SKS) - pilotējamā orbitālā stacija - savienojums starptautisks projekts, kurā piedalās 23 valstis,
pārliecinoši pierāda nacionālo programmu ieinteresētību gan tuvā, gan tālākā kosmosa attīstībā. Tas attiecas gan uz izskatāmā jautājuma zinātnisko, tehnisko un komerciālo pusi. Tajā pašā laikā galvenā problēma, kas kavē masveida kosmosa izpēti, ir bezsvara problēma vai gravitācijas neesamība uz esošajiem kosmosa objektiem. "Gravitācija (universālā gravitācija, gravitācija) ir universāla fundamentāla mijiedarbība starp visiem materiālajiem ķermeņiem. Zema ātruma un vājas gravitācijas mijiedarbības tuvināšanā to apraksta Ņūtona gravitācijas teorija, vispārējs gadījums aprakstījusi Einšteina vispārējā relativitātes teorija” – šo definīciju sniedz mūsdienu zinātnešī parādība. Gravitācijas raksturs pašlaik nav skaidrs. Teorētiskās norises dažādu gravitācijas teoriju ietvaros neatrod to eksperimentālu apstiprinājumu, kas liecina par priekšlaicīgu zinātniskās paradigmas par gravitācijas mijiedarbības raksturu apstiprināšanu kā vienu no četrām fundamentālajām mijiedarbībām. Saskaņā ar Ņūtona gravitācijas teoriju Zemes pievilkšanas spēku nosaka izteiksme F=m x g, kur m ir ķermeņa masa, bet g ir gravitācijas paātrinājums. "Smaguma paātrinājums g ir paātrinājums, ko ķermenim vakuumā rada gravitācijas spēks, tas ir ģeometriskā summa planētas (vai cita astronomiska ķermeņa) pievilkšanās spēks un tās rotācijas radītie inerces spēki. Saskaņā ar otro Ņūtona likumu gravitācijas paātrinājums ir vienāds ar gravitācijas spēku, kas iedarbojas uz objektu, kura masa ir vienība. Zemes gravitācijas paātrinājuma vērtība parasti tiek uzskatīta par 9,8 vai 10 m/s╡. Standarta (“normālā”) vērtība, kas pieņemta, veidojot mērvienību sistēmas, ir g = 9,80665 m/s╡, un tehniskajos aprēķinos tie parasti ir g = 9,81 m/s╡. G vērtība tika definēta kā “vidējā” in kas - nozīmē, gravitācijas paātrinājums uz Zemes ir aptuveni vienāds ar gravitācijas paātrinājumu 45,5° platuma grādos jūras līmenī. Faktiskais gravitācijas paātrinājums uz Zemes virsmas ir atkarīgs no platuma grādiem, diennakts laika un citiem faktoriem. Tas svārstās no 9,780 m/s╡ pie ekvatora līdz 9,832 m/s╡ pie poliem." Šī zinātniskā nenoteiktība rada arī vairākus jautājumus saistībā ar gravitācijas konstanti Vispārējā relativitātes teorijā. Vai tā ir tik nemainīga, ja saskaņā ar gravitācijas apstākļos, mums ir tāda parametru izplatība. Gandrīz visu gravitācijas teoriju galvenie argumenti ir šādi: “Gravitācijas paātrinājums sastāv no divām sastāvdaļām: gravitācijas paātrinājuma un centripetālā paātrinājuma. Atšķirības ir saistītas ar: centripetālo paātrinājumu atskaites sistēmā, kas saistīta ar rotējošo Zemi; formulas neprecizitāte sakarā ar to, ka planētas masa ir sadalīta pa tilpumu, kam ir ģeometriskā forma, atšķiras no ideālas bumbas (ģeoīda); Zemes neviendabīgums, ko izmanto minerālu meklēšanai pēc gravitācijas anomālijām." No pirmā acu uzmetiena tie ir diezgan pārliecinoši argumenti. Papētot tuvāk, kļūst acīmredzams, ka šie argumenti neizskaidro parādības fizisko būtību. Zemes atskaites rāmis, kas saistīts ar centripetālo paātrinājumu katrā ģeogrāfiskajā punktā, ir visas brīvā kritiena paātrinājuma mērījuma sastāvdaļas, tāpēc gan izmērāmais objekts, gan izmērītā iekārta ir pakļauta vienai un tai pašai ietekmei, tostarp gan Zemes sadalītajai masai, gan izmērītajai iekārtai. Izmērītajam aprīkojumam jābūt nemainīgam, bet tas nenotiek, turklāt situācijas nenoteiktība rada teorētiskās aprēķinātās brīvā kritiena paātrinājuma vērtības ISS lidojuma augstumā. =8.8 m/s(2) Vietējā gravitācijas vērtība uz ISS tiek noteikta 10(−3)...10(−1) g robežās, kas nosaka bezsvara stāvokli un it kā brīvā kritiena stāvoklī arī izskatās nepārliecinoši. Kā tad ar ģeostacionārajiem satelītiem? Pie šīs aprēķinātās vērtības g, tie jau sen būtu nokrituši uz Zemes. Turklāt jebkura ķermeņa masu var definēt kā tā paša elektriskā lādiņa kvantitatīvo un kvalitatīvo raksturlielumu. Visi šie apsvērumi liek secināt, ka daba zemes gravitācija nav atkarīgs no mijiedarbojošo objektu masu attiecības, bet to nosaka Zemes gravitācijas lauka elektriskās mijiedarbības Kulona spēki. Ja lidojam horizontālā lidojumā ar lidmašīnu, desmit km augstumā, tad gravitācijas likumi ir pilnībā izpildīti, bet tajā pašā lidojumā uz SKS 350 km augstumā gravitācijas praktiski nav. Tas nozīmē, ka šajos augstumos ir mehānisms, kas ļauj gravitāciju noteikt kā materiālo ķermeņu mijiedarbības spēku. Un šī spēka vērtību nosaka Ņūtona likums. Personai, kas sver 100 kg, gravitācijas pievilkšanās spēks zemes līmenī, izņemot atmosfēras spiediens, jābūt F = 100 x 9,8 = 980 n. Saskaņā ar esošajiem datiem Zemes atmosfēra ir elektriska neviendabīga struktūra, kuras slāņojumu nosaka jonosfēra. "Jonosfēra (vai termosfēra) ir daļa no Zemes augšējās atmosfēras slāņa, kas ir ļoti jonizēta kosmisko staru apstarošanas dēļ, kas nāk galvenokārt no Saules. Jonosfēra sastāv no neitrālu atomu un molekulu (galvenokārt slāpekļa N2 un molekulu) maisījuma. skābeklis O2) un kvazineitrāla plazma ( negatīvi lādēto daļiņu skaits ir tikai aptuveni vienāds ar pozitīvi lādēto daļiņu skaitu, jo jonizācijas pakāpe kļūst nozīmīga jau 60 kilometru augstumā un nepārtraukti palielinās atkarībā no attāluma no Zemes). jonosfērā izšķir lādētu daļiņu blīvumu D, E un F. Apgabalā D (60-90 km) lādēto daļiņu koncentrācija ir Nmax ~ 10(2)-10(3) cm. −3 - šis ir vājas jonizācijas reģions. Galveno ieguldījumu šī reģiona jonizācijā sniedz arī papildu vājās jonizācijas avoti: 60-100 km augstumā degošie stari, kā arī magnetosfēras enerģētiskās daļiņas (kas tiek ievestas šajā slānī laikā magnētiskās vētras). Raksturīgs ir arī slānis D straujš kritums jonizācijas pakāpe naktī. Slānis E Reģionam E (90-120 km) raksturīgs plazmas blīvums līdz Nmax~ 10(5) cm−3. Šajā slānī vērojama elektronu koncentrācijas palielināšanās dienas laikā, jo galvenais jonizācijas avots ir saules īsviļņu starojums, turklāt jonu rekombinācija šajā slānī notiek ļoti ātri un naktī jonu blīvums var samazināties līdz; 10(3) cm−3. Šim procesam pretojas lādiņu difūzija no augšpuses F reģiona, kur jonu koncentrācija ir salīdzinoši augsta, un nakts jonizācijas avoti (Saules ģeokorona starojums, meteori, kosmiskie stari u.c.). Sporādiski 100-110 km augstumā parādās ES slānis, ļoti plāns (0,5-1 km), bet blīvs. Šī apakšslāņa iezīme ir augstā elektronu koncentrācija (ne~10(5) cm−3), kam ir būtiska ietekme uz vidēju un pat īsu radioviļņu izplatīšanos, kas atspoguļojas no šī jonosfēras reģiona. Slānis E, pateicoties salīdzinoši lielai brīvo strāvas nesēju koncentrācijai, spēlē svarīga loma vidējo un īso viļņu izplatībā. F slānis F reģionu tagad sauc par visu jonosfēru virs 130–140 km. Maksimālā jonu veidošanās tiek sasniegta 150-200 km augstumā. Dienas laikā tiek novērota arī spēcīga saules ultravioletā starojuma izraisīta elektronu koncentrācijas sadalījuma “pakāpiena” veidošanās. Šo posmu sauc par F1 reģionu (150-200 km). īsie radioviļņi F slāņa augšējo daļu sauc par F2 slāni. Šeit lādēto daļiņu blīvums sasniedz maksimumu - N ~ 10(5)-10(6) cm−3 dominē skābekļa joni (400-1000 km augstumā), vēl augstāk - ūdeņraža joni (protoni) un nelielos daudzumos - hēlija joni." Divas galvenās mūsdienu teorijas Atmosfēras elektrību divdesmitā gadsimta vidū radīja angļu zinātnieks Čārlzs Vilsons un padomju zinātnieks I. Frenkels. Saskaņā ar Vilsona teoriju Zeme un jonosfēra spēlē negaisa mākoņu uzlādētu kondensatora plākšņu lomu. Potenciāla atšķirība, kas rodas starp plāksnēm, rada izskatu elektriskais lauks atmosfēra. Saskaņā ar Frenkela teoriju atmosfēras elektriskais lauks ir pilnībā izskaidrojams ar troposfērā notiekošām elektriskām parādībām - mākoņu polarizāciju un to mijiedarbību ar Zemi, un jonosfēra nespēlē būtisku lomu atmosfēras elektrisko procesu norisē. Vispārinot šos teorētiskos jēdzienus par elektrisko mijiedarbību atmosfērā, ir jāaplūko Zemes gravitācijas jautājums no elektrostatikas viedokļa. Pamatojoties uz iepriekš minētajiem vispārzināmajiem faktiem, ir iespējams noteikt materiālu ķermeņu gravitācijas elektriskās mijiedarbības vērtības gravitācijas apstākļos. Lai to izdarītu, apsveriet šādu modeli. Jebkurš materiālais enerģijas ķermenis, atrodoties elektriskajā laukā, veiks noteiktu Kulona mijiedarbību. Atkarībā no elektriskā lādiņa iekšējās organizācijas tas vai nu tiks piesaistīts vienam no elektriskajiem stabiem, vai arī būs līdzsvara stāvoklī šajā laukā. Katra ķermeņa elektriskā lādiņa pakāpi nosaka tā brīvo elektronu koncentrācija (cilvēkiem sarkano asins šūnu koncentrācija). Tad zemes pievilkšanas gravitācijas mijiedarbības modeli var attēlot sfēriska kondensatora formā, kas sastāv no divām koncentriskām dobām sfērām, kuru rādiusus nosaka Zemes rādiuss un jonosfēras slāņa augstums F2. Šajā elektriskajā laukā atrodas cilvēks vai cits materiāls ķermenis. Zemes virsmas elektriskais lādiņš ir negatīvs, jonosfēra ir pozitīva attiecībā pret Zemi. Cilvēka elektriskais lādiņš attiecībā pret Zemes virsmu ir pozitīvs, tāpēc Kulona mijiedarbības spēks uz virsmas vienmēr piesaistīs cilvēku Zemei. Jonosfēras slāņu klātbūtne nozīmē, ka šāda kondensatora kopējo elektrisko kapacitāti nosaka katra slāņa kopējā kapacitāte, kad tas ir savienots virknē: 1/Tot = 1/C(E)+1/C(F)+1/C. (F2). Tā kā tiek veikts aptuvens inženiertehniskais aprēķins, mēs ņemsim vērā galvenos enerģijas jonosfēras slāņus, kuriem ņemsim šādus sākotnējos datus: slānis E - augstums 100 km, slānis F - augstums 200 km, slānis F2 - augstums 400 km. Vienkāršības labad mēs neņemsim vērā D slāni un sporādisko Es slāni, kas veidojas jonosfērā palielinātas vai samazinātas saules aktivitātes laikā. Attēlā 1. attēlā parādīta Zemes atmosfēras jonosfēras slāņu un elektriskās strāvas sadalījuma diagramma ķēdes shēma izskatāmais process.
1.a attēlā redzamā elektriskā ķēde parāda trīs kondensatoru virknes savienojumu, kuriem tiek piegādāts pastāvīgs spriegums Etotal. Saskaņā ar elektrostatikas likumiem elektrisko lādiņu sadalījums uz katra kondensatora C1, C2 un C3 plāksnēm tiek parādīts nosacīti +/-. Pamatojoties uz šo elektrisko lādiņu sadalījumu, tīklā rodas lokāli lauka stiprumi, kuru virzieni ir pretēji vispārējam pielietotajam spriegumam. Šajos tīkla posmos elektrisko lādiņu kustība būs pretējā virzienā attiecībā pret Kopējo. 1.b attēlā parādīta Zemes atmosfēras jonosfēras slāņu diagramma, ko pilnībā apraksta kondensatoru virknes savienojuma elektriskā ķēde. Kulona mijiedarbības spēki starp jonosfēras slāņiem ir apzīmēti kā Fg. Atbilstoši elektrisko lādiņu koncentrācijas līmenim, augšējais slānis jonosfēra F2 ir elektriski pozitīva attiecībā pret zemes virsmu. Sakarā ar to, ka saules vēja daļiņas ar dažādu kinētisko enerģiju iekļūst visā atmosfēras dziļumā, katra slāņa Kulona mijiedarbības kopējo spēku noteiks kopējā gravitācijas spēka Fg total un gravitācijas spēka vektora summa. atsevišķs jonosfēras slānis. Formula sfēriskā kondensatora kapacitātes aprēķināšanai ir: C = 4x(pi)x e(a)x r1xr2/(r2-r1), kur C ir sfēriskā kondensatora kapacitāte; r1 - iekšējās sfēras rādiuss, vienāds ar summu Zemes rādiuss ir 6371,0 km un apakšējā jonosfēras slāņa augstums; r2 ir ārējās sfēras rādiuss, kas vienāds ar Zemes rādiusa un augšējā jonosfēras slāņa augstuma summu; e(a)=e(0)x e - absolūtā dielektriskā konstante, kur e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Tad katra jonosfēras slāņa kapacitātes noapaļotajām aprēķinātajām vērtībām būs šādas vērtības: C(E)=47 µF, C(F)=46 µF, C(F2)=25 µF. Kopējā jonosfēras jauda, ņemot vērā galvenos slāņus, būs aptuveni 12 μF. Attālums starp jonosfēras slāņiem ir daudz mazāks par Zemes rādiusu, tāpēc Kulona spēka aprēķinu, kas iedarbojas uz lādiņu, var veikt, izmantojot plakana kondensatora formulu: Fg= e(a) x A x U (2) /(2xd(2)), kur A ir laukuma plāksnes (pi x (Rз+ h)(2)); U - spriegums; d - attālums starp slāņiem; e(a)=e(0)x e - absolūtā dielektriskā konstante, kur e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Tad katra jonosfēras slāņa Kulona mijiedarbības spēku aprēķinātās vērtības būs šādas vērtības: Fg (E)= 58x10(-9)x U(2); Fg(F)= 59x10(-9)x U(2); Fg(F1)= 15x10(-9)x U(2); Fgtot = 3,98 x 10 (-9) x U(2). Noteiksim atmosfēras sprieguma vērtību ķermenim, kas sver 100 kg. Aprēķina formula būs šāda forma: F=m x g= Fg(E) + Fgtot. Aizstāšana zināmās vērtības šajā formulā iegūstam vērtību U = 126 kV. Līdz ar to jonosfēras slāņu Kulona mijiedarbības spēkus noteiks sekojošas vērtības: Fg(E)= 920n; Fg(F)= 936n; Fg(F1)= 238n; Fgtotal= 63n. Pārrēķinot katra jonosfēras slāņa brīvā krišanas paātrinājumu, ņemot vērā Ņūtona mijiedarbību, iegūstam šādas vērtības: g(E)= +9,83 m/s(2); g(F)= -8,73 m/s(2); g(F1)= - 1,75 m/s(2). Jāņem vērā, ka šajās aprēķinātajās vērtībās nav ņemti vērā raksturīgie atmosfēras parametri, proti, vides spiediens un pretestība, ko izraisa skābekļa un slāpekļa molekulu koncentrācija katrā jonosfēras slānī. Aptuvenā inženiertehniskā aprēķina rezultātā iegūtā vērtība g(F1) = -1,75 m/s(2), kas labi sakrīt ar vietējās gravitācijas faktisko vērtību uz SKS - 10(−3)...10 (-1) g. Rezultātu neatbilstības ir saistītas ar faktu, ka gravitācijas paātrinājuma mērīšanai izmantotie vērpes balansi nav kalibrēti uz negatīvām vērtībām - kaut ko mūsdienu zinātne negaidīja. Lai izveidotu mākslīgo gravitāciju, ir jāievēro divi nosacījumi. Izveidot elektriski izolētu sistēmu saskaņā ar Gausa teorēmas prasību, proti, nodrošināt elektriskā lauka intensitātes vektora cirkulāciju slēgtā sfērā un nodrošināt šīs sfēras iekšpusē elektriskā lauka intensitāti, kas nepieciešama, lai izveidotu Kulona mijiedarbības spēku 1000 N. Lauka intensitāti var aprēķināt, izmantojot formulu: F= e(a) x A x E(2) /2, kur A ir plāksnes laukums; E - elektriskā lauka stiprums; e(a)=e(0)x e - absolūtā dielektriskā konstante, kur e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Ievietojot datus formulā, uz 10 kv.m iegūstam vērtību elektriskā lauka stiprums , vienāds ar E = 4,75 x 10(6) V/m. Ja telpas augstums ir trīs metri, tad, lai nodrošinātu aprēķināto spriegumu, grīdas griestiem jāpieliek pastāvīgs spriegums ar vērtību U = E x d = 14,25 MV. Ar strāvu 1 A ir jānodrošina šāda kondensatora plākšņu pretestība 14,25 MOhm. Mainot spriegumu, var iegūt dažādus gravitācijas parametrus. Aprēķinu secība liecina, ka mākslīgo gravitācijas sistēmu izstrāde ir reāla iespēja. Senajiem grieķiem bija taisnība: “Raugoties uz pasauli, atver acis...”. Tikai šādu atbildi var sniegt attiecībā uz zemes gravitācijas raksturu. Jau 200 gadus cilvēce ir aktīvi pētījusi elektrostatikas likumus, tostarp Kulona likumu un Gausa teorēmu. Sfēriskā kondensatora formula ir praktiski apgūta ilgu laiku. Atliek tikai atvērt acis pasaule ap mums un sākt to izmantot, lai izskaidrotu šķietami neiespējamo. Bet, kad mēs visi sapratīsim, ka mākslīgā gravitācija ir realitāte, tad jautājumi par kosmosa lidojumu komerciālo izmantošanu kļūs aktuāli un būs saprotami caurspīdīgi.
Maskava, 2011. gada aprīlis Bražņiks G.N.
Pat cilvēks, kuram kosmoss neinteresē, kaut reizi ir redzējis filmu par kosmosa ceļojumiem vai lasījis par tādām lietām grāmatās. Gandrīz visos šādos darbos cilvēki staigā pa kuģi, normāli guļ, nav problēmu ar ēšanu. Tas nozīmē, ka šiem – izdomātajiem – kuģiem ir mākslīgā gravitācija. Lielākā daļa skatītāju to uztver kā kaut ko pilnīgi dabisku, taču tas tā nebūt nav.
Mākslīgā gravitācija
Tas ir nosaukums, lai mainītu (jebkurā virzienā) gravitāciju, pie kuras mēs esam pieraduši, piemērojot dažādos veidos. Un tas tiek darīts ne tikai zinātniskās fantastikas darbos, bet arī ļoti reālās zemes situācijās, visbiežāk eksperimentiem.
Teorētiski mākslīgās gravitācijas radīšana nešķiet tik sarežģīta. Piemēram, to var atjaunot ar inerces palīdzību, precīzāk, nepieciešamība pēc šī spēka neradās vakar – tas notika uzreiz, tiklīdz cilvēks sāka sapņot par ilgiem kosmosa lidojumiem. Mākslīgās gravitācijas radīšana kosmosā ļaus izvairīties no daudzām problēmām, kas rodas, ilgstoši uzturoties bezsvara stāvoklī. Astronautu muskuļi vājina un kauli kļūst vājāki. Mēnešiem ilgi ceļojot šādos apstākļos, var rasties dažu muskuļu atrofija.
Tādējādi mūsdienās mākslīgās gravitācijas radīšana ir ārkārtīgi svarīgs uzdevums, ja tas nav iespējams.
Materiāls
Pat tie, kas fiziku zina tikai līmenī skolas mācību programma, saprotiet, ka gravitācija ir viena no pamatlikumi mūsu pasaule: visi ķermeņi mijiedarbojas viens ar otru, piedzīvojot savstarpēju pievilcību/atgrūšanu. Kā lielāks ķermenis, jo lielāks ir tā pievilcības spēks.
Zeme mūsu realitātei ir ļoti masīvs objekts. Tāpēc visi bez izņēmuma esošie ķermeņi viņai pievelk.
Mums tas nozīmē, ko parasti mēra g, kas ir vienāds ar 9,8 metriem uz kvadrātsekundi. Tas nozīmē, ka, ja mums nebūtu atbalsta zem kājām, mēs kristu ar ātrumu, kas katru sekundi palielinās par 9,8 metriem.
Tādējādi, tikai pateicoties gravitācijai, mēs spējam normāli stāvēt, krist, ēst un dzert, saprast, kur ir augšā un kur lejā. Ja gravitācija pazudīs, mēs nonāksim bezsvara stāvoklī.
Kosmonauti, kuri atrodas kosmosā planējošo — brīvā kritiena — stāvoklī, ir īpaši pazīstami ar šo parādību.
Teorētiski zinātnieki zina, kā radīt mākslīgo gravitāciju. Ir vairākas metodes.
Liela masa
Loģiskākais variants ir padarīt to tik lielu, lai uz tā parādās mākslīgā gravitācija. Jūs varēsiet justies ērti uz kuģa, jo orientācija telpā netiks zaudēta.
Diemžēl šī metode mūsdienu attīstība tehnoloģija ir nereāla. Lai uzbūvētu šādu objektu, nepieciešams pārāk daudz resursu. Turklāt tā celšana prasītu neticami daudz enerģijas.
Paātrinājums
Šķiet, ja vēlaties sasniegt g, kas vienāds ar zemi, jums vienkārši jāpiešķir kuģim plakana (platformai līdzīga) forma un jāliek tam pārvietoties perpendikulāri plaknei ar nepieciešamo paātrinājumu. Tādā veidā tiks iegūta mākslīgā gravitācija, turklāt ideālā gravitācija.
Tomēr patiesībā viss ir daudz sarežģītāk.
Pirmkārt, ir vērts apsvērt degvielas jautājumu. Lai stacija nepārtraukti paātrinātu, ir nepieciešams nepārtrauktās barošanas avots. Pat ja pēkšņi parādās dzinējs, kas neizstumj vielu, enerģijas nezūdamības likums paliks spēkā.
Otra problēma ir pati ideja pastāvīgs paātrinājums. Saskaņā ar mūsu zināšanām un fiziskajiem likumiem nav iespējams paātrināt bezgalīgi.
Turklāt šāds transportlīdzeklis nav piemērots pētniecības misijām, jo tam pastāvīgi jāpaātrina - jālido. Viņš nespēs apstāties, lai pētītu planētu, viņš pat nespēs lēnām tai aplidot – viņam jāpaātrina.
Tādējādi kļūst skaidrs, ka šāda mākslīgā gravitācija mums vēl nav pieejama.
Karuselis
Ikviens zina, kā karuseļa griešanās ietekmē ķermeni. Tāpēc visreālākā šķiet mākslīgā gravitācijas ierīce, kas balstīta uz šo principu.
Viss, kas atrodas karuseļa diametrā, mēdz no tā izkrist ar ātrumu, kas aptuveni vienāds ar griešanās ātrumu. Izrādās, ka uz ķermeņiem iedarbojas spēks, kas vērsts gar rotējošā objekta rādiusu. Tas ir ļoti līdzīgs gravitācijai.
Tātad ir nepieciešams kuģis ar cilindrisku formu. Tajā pašā laikā tai jāgriežas ap savu asi. Starp citu, mākslīgā gravitācija kosmosa kuģis, kas radīts pēc šī principa, bieži tiek rādīts zinātniskās fantastikas filmās.
Mucu kuģis griežas apkārt gareniskā ass, rada centrbēdzes spēku, kura virziens atbilst objekta rādiusam. Lai aprēķinātu iegūto paātrinājumu, spēks jāsadala ar masu.
Šajā formulā aprēķina rezultāts ir paātrinājums, pirmais mainīgais ir mezgla ātrums (mērīts radiānos sekundē), otrais ir rādiuss.
Saskaņā ar to, lai iegūtu g, pie kura esam pieraduši, ir pareizi jāapvieno kosmosa transporta rādiuss.
Līdzīga problēma ir izcelta tādās filmās kā Intersolah, Babylon 5, 2001: A Space Odyssey un tamlīdzīgi. Visos šajos gadījumos mākslīgā gravitācija ir tuvu zemes paātrinājumam gravitācijas dēļ.
Lai cik laba ideja būtu, to īstenot ir diezgan grūti.
Problēmas ar karuseļa metodi
Acīmredzamākā problēma ir izcelta kosmosa odisejā. “Kosmiskā nesēja” rādiuss ir aptuveni 8 metri. Lai iegūtu paātrinājumu 9,8, rotācijai jānotiek ar ātrumu aptuveni 10,5 apgriezieni katru minūti.
Pie šīm vērtībām parādās “Koriolisa efekts”, kas sastāv no tā, ka dažādi spēki darbojas dažādos attālumos no grīdas. Tas ir tieši atkarīgs no leņķiskais ātrums.
Izrādās, ka kosmosā tiks radīta mākslīgā gravitācija, bet pārāk strauja ķermeņa rotācija radīs problēmas ar iekšējā auss. Tas, savukārt, rada nelīdzsvarotību, problēmas ar vestibulārais aparāts un citas - līdzīgas - grūtības.
Šī šķēršļa rašanās liecina, ka šāds modelis ir ārkārtīgi neveiksmīgs.
Varat mēģināt iet no pretējās puses, kā tas tika darīts romānā “Gredzenu pasaule”. Šeit kuģis ir izgatavots gredzena formā, kura rādiuss ir tuvu mūsu orbītas rādiusam (apmēram 150 miljoni km). Šādā izmērā tā griešanās ātrums ir pietiekams, lai ignorētu Koriolisa efektu.
Jūs varētu pieņemt, ka problēma ir atrisināta, taču tas tā nebūt nav. Fakts ir tāds, ka šīs struktūras pilna apgriešana ap savu asi aizņem 9 dienas. Tas liek domāt, ka slodzes būs pārāk lielas. Lai konstrukcija tos izturētu, ir nepieciešams ļoti izturīgs materiāls, kura šodien mūsu rīcībā nav. Turklāt problēma ir materiāla daudzums un pats būvniecības process.
Līdzīgas tēmas spēlēs, kā filmā “Babylon 5”, šīs problēmas kaut kā tiek atrisinātas: griešanās ātrums ir diezgan pietiekams, Koriolisa efekts nav būtisks, hipotētiski ir iespējams izveidot šādu kuģi.
Tomēr pat šādām pasaulēm ir savs trūkums. Tās nosaukums ir leņķiskais impulss.
Kuģis, griežoties ap savu asi, pārvēršas par milzīgu žiroskopu. Kā zināms, ir ārkārtīgi grūti piespiest žiroskopu novirzīties no savas ass, jo ir svarīgi, lai tā daudzums neizietu no sistēmas. Tas nozīmē, ka būs ļoti grūti dot virzienu šim objektam. Tomēr šo problēmu var atrisināt.
Problēmas risināšana
Mākslīgā gravitācija kosmosa stacijā kļūst pieejama, kad palīgā nāk O'Nīla cilindrs. Lai izveidotu šo dizainu, ir nepieciešami identiski cilindriski kuģi, kas ir savienoti pa asi. Viņiem jāgriežas dažādos virzienos. Šādas montāžas rezultāts ir nulle leņķiskais impulss, tāpēc nevajadzētu būt grūtībām dot kuģim vajadzīgo virzienu.
Ja ir iespējams izgatavot kuģi ar rādiusu aptuveni 500 metri, tad tas darbosies tieši tā, kā vajadzētu. Tajā pašā laikā mākslīgā gravitācija kosmosā būs diezgan ērta un piemērota ilgiem lidojumiem uz kuģiem vai pētniecības stacijām.
Kosmosa inženieri
Spēles veidotāji zina, kā izveidot mākslīgo gravitāciju. Tomēr šajā fantāzijas pasaulē gravitācija nav ķermeņu savstarpēja pievilkšanās, bet gan lineārs spēks, kas paredzēts, lai paātrinātu objektus noteiktā virzienā. Pievilcība šeit nav absolūta, tā mainās, kad avots tiek novirzīts.
Mākslīgo gravitāciju kosmosa stacijā rada, izmantojot īpašu ģeneratoru. Tas ir vienmērīgs un vienāds ģeneratora diapazonā. Tātad reālajā pasaulē, ja jūs nokļūtu zem kuģa ar uzstādītu ģeneratoru, jūs tiktu vilkts uz korpusu. Tomēr spēlē varonis kritīs, līdz viņš atstās ierīces perimetru.
Mūsdienās šādas ierīces radītā mākslīgā gravitācija kosmosā cilvēcei nav pieejama. Tomēr pat sirmie izstrādātāji nebeidz par to sapņot.
Sfērisks ģenerators
Šī ir reālāka aprīkojuma iespēja. Uzstādot, gravitācija ir vērsta uz ģeneratoru. Tas ļauj izveidot staciju, kuras gravitācija būs vienāda ar planētu.
Centrifūga
Mūsdienās mākslīgā gravitācija uz Zemes ir sastopama dažādās ierīcēs. To pamatā lielākoties ir inerce, jo šo spēku mēs jūtam līdzīgi kā gravitācijas ietekmi - ķermenis neatšķir, kas izraisa paātrinājumu. Piemēram: cilvēks, kas kāpj liftā, piedzīvo inerces ietekmi. Ar fiziķa acīm: lifta pacelšanās brīvā kritiena paātrinājumam pievieno salona paātrinājumu. Kad kabīne atgriežas izmērītā kustībā, svara “pieaugums” pazūd, atgriežot ierastās sajūtas.
Zinātniekus jau sen interesē mākslīgā gravitācija. Šiem nolūkiem visbiežāk izmanto centrifūgu. Šī metode ir piemērota ne tikai kosmosa kuģiem, bet arī zemes stacijām, kur nepieciešams izpētīt gravitācijas ietekmi uz cilvēka ķermenis.
Mācieties uz Zemes, piesakieties...
Lai gan gravitācijas izpēte sākās kosmosā, tā ir ļoti sauszemes zinātne. Pat šodien sasniegumi šajā jomā ir atraduši savu pielietojumu, piemēram, medicīnā. Zinot, vai uz planētas ir iespējams radīt mākslīgo gravitāciju, to var izmantot, lai ārstētu muskuļu un skeleta sistēmas problēmas vai nervu sistēma. Turklāt šī spēka izpēte galvenokārt tiek veikta uz Zemes. Tas ļauj astronautiem veikt eksperimentus, vienlaikus paliekot ārstu uzmanībā. Mākslīgā gravitācija kosmosā ir cita lieta, tur nav cilvēku, kas varētu palīdzēt astronautiem neparedzētā situācijā.
Paturot prātā pilnīgu bezsvara stāvokli, nevar ņemt vērā satelītu, kas atrodas zemās Zemes orbītā. Šos objektus, lai arī nelielā mērā, ietekmē gravitācija. Šādos gadījumos radīto smaguma spēku sauc par mikrogravitāciju. Īstu gravitāciju var piedzīvot tikai transportlīdzeklī, kas lido ar nemainīgs ātrums kosmosā. Taču cilvēka ķermenis šo atšķirību nejūt.
Jūs varat izjust bezsvara stāvokli tāllēkšanas laikā (pirms nojumes atvēršanas) vai lidmašīnas paraboliskās nolaišanās laikā. Šādi eksperimenti bieži tiek veikti ASV, bet lidmašīnā šī sajūta ilgst tikai 40 sekundes - tas ir pārāk īss pilnam pētījumam.
PSRS tālajā 1973. gadā viņi zināja, vai ir iespējams radīt mākslīgo gravitāciju. Un viņi to ne tikai radīja, bet arī kaut kādā veidā mainīja. Spilgts piemērs mākslīga gravitācijas samazināšana - sausā iegremdēšana, iegremdēšana. Lai sasniegtu vēlamo efektu, uz ūdens virsmas jānovieto bieza plēve. Cilvēks tiek novietots virs tā. Zem ķermeņa svara ķermenis nogrimst zem ūdens, augšpusē atstājot tikai galvu. Šis modelis demonstrē bezbalsta, zemas gravitācijas vidi, kas raksturīga okeānam.
Nav nepieciešams doties kosmosā, lai izjustu pretējo bezsvara spēku – hipergravitāciju. Kosmosa kuģim paceļoties un nolaižoties centrifūgā, pārslodzi var ne tikai sajust, bet arī izpētīt.
Gravitācijas apstrāde
Gravitācijas fizika pēta arī bezsvara stāvokļa ietekmi uz cilvēka ķermeni, cenšoties mazināt sekas. Tomēr liels skaits šīs zinātnes sasniegumu var būt noderīgi arī parastajiem planētas iedzīvotājiem.
Ārsti liek lielas cerības uz pētījumiem par muskuļu enzīmu uzvedību miopātijas gadījumā. Šis nopietna slimība izraisot priekšlaicīgu nāvi.
Kad aktīvs fiziskās aktivitātes asinīs vesels cilvēks tiek piegādāts liels daudzums enzīma kreatīnfosfokināzes. Šīs parādības iemesls nav skaidrs, iespējams, slodze iedarbojas uz šūnu membrānu tā, ka tā kļūst "cauruma". Pacienti ar miopātiju iegūst tādu pašu efektu bez fiziskās slodzes. Astronautu novērojumi liecina, ka nulles gravitācijas apstākļos aktīvā enzīma plūsma asinīs ir ievērojami samazināta. Šis atklājums liecina, ka iegremdēšanas izmantošana samazinās to faktoru negatīvo ietekmi, kas izraisa miopātiju. IN šobrīd tiek veikti eksperimenti ar dzīvniekiem.
Dažu slimību ārstēšana jau tiek veikta, izmantojot datus, kas iegūti, pētot gravitāciju, tostarp mākslīgo gravitāciju. Piemēram, tas tiek veikts cerebrālās triekas ārstēšana, insultu, Parkinsona slimību, izmantojot slodzes tērpus. Ir gandrīz pabeigti pētījumi par atbalsta, pneimatisko apavu, pozitīvo ietekmi.
Vai lidosim uz Marsu?
Jaunākie astronautu sasniegumi ļauj cerēt uz projekta realitāti. Ir pieredze medicīniskā atbalsta sniegšanā personai, ilgstoši atrodoties prom no Zemes. Arī izpētes lidojumi uz Mēnesi, kur gravitācijas spēks ir 6 reizes mazāks par mūsējo, ir devuši daudz labumu. Tagad astronauti un zinātnieki izvirza sev jaunu mērķi – Marsu.
Pirms stāties rindā pēc biļetes uz Sarkano planētu, jau pirmajā darba posmā – ceļā – jāzina, kas sagaida ķermeni. Vidēji ceļš uz tuksneša planētu prasīs pusotru gadu – aptuveni 500 dienas. Pa ceļam nāksies paļauties tikai uz saviem spēkiem, palīdzību vienkārši nav kur gaidīt.
Daudzi faktori iedragās jūsu spēku: stress, starojums, trūkums magnētiskais lauks. Vissvarīgākais ķermeņa pārbaudījums ir gravitācijas izmaiņas. Ceļojuma laikā cilvēks “iepazīsies” ar vairākiem gravitācijas līmeņiem. Pirmkārt, tās ir pārslodzes pacelšanās laikā. Tad - bezsvara stāvoklis lidojuma laikā. Pēc tam - hipogravitācija galamērķī, jo gravitācija uz Marsa ir mazāka par 40% no Zemes.
Kā tikt galā ar bezsvara stāvokļa negatīvo ietekmi uz ilgu lidojumu? Cerams, ka attīstība mākslīgās gravitācijas jomā palīdzēs atrisināt šo problēmu tuvākajā nākotnē. Eksperimenti ar žurkām, kas ceļo ar Cosmos 936, liecina, ka šis paņēmiens neatrisina visas problēmas.
OS pieredze to ir parādījusi vairāk priekšrocību Apmācības kompleksu izmantošana, kas var noteikt nepieciešamo slodzi katram astronautam atsevišķi, var dot labumu ķermenim.
Pagaidām tiek uzskatīts, ka uz Marsu lidos ne tikai pētnieki, bet arī tūristi, kuri vēlas izveidot koloniju uz Sarkanās planētas. Viņiem, vismaz pirmo reizi, bezsvara stāvokļa sajūtas atsvērs visus ārstu argumentus par ilgstošas uzturēšanās šādos apstākļos briesmām. Taču pēc dažām nedēļām arī viņiem būs nepieciešama palīdzība, tāpēc ir tik svarīgi spēt atrast veidu, kā kosmosa kuģī radīt mākslīgo gravitāciju.
Rezultāti
Kādus secinājumus var izdarīt par mākslīgās gravitācijas radīšanu kosmosā?
No visām pašlaik izskatītajām iespējām rotējošā struktūra izskatās visreālākā. Tomēr ar pašreizējo fizisko likumu izpratni tas nav iespējams, jo kuģis nav dobs cilindrs. Iekšā ir pārklāšanās, kas traucē īstenot idejas.
Turklāt kuģa rādiusam jābūt tik lielam, lai Koriolisa efektam nebūtu būtiskas ietekmes.
Lai ko tādu vadītu, nepieciešams iepriekš minētais O'Nīla cilindrs, kas dos iespēju vadīt kuģi. Šajā gadījumā palielinās iespējas izmantot šādu dizainu starpplanētu lidojumiem, vienlaikus nodrošinot apkalpei ērtu gravitācijas līmeni.
Pirms cilvēcei izdodas īstenot savus sapņus, zinātniskās fantastikas darbos gribētos redzēt nedaudz vairāk reālisma un vēl vairāk fizikas likumu zināšanu.
Ilgtermiņa lidojumi kosmosā, citu planētu izpēte, tas, par ko iepriekš rakstīja zinātniskās fantastikas rakstnieki Īzaks Asimovs, Staņislavs Lems, Aleksandrs Beļajevs un citi, kļūs pilnībā iespējamā realitāte pateicoties zināšanām. Tā kā, atjaunojot zemes gravitācijas līmeni, mēs spēsim izvairīties no mikrogravitācijas (bezsvara) negatīvajām sekām uz cilvēku (muskuļu atrofija, sensorie, motoriskie un veģetatīvie traucējumi). Tas ir, gandrīz ikviens, kurš vēlas, var doties kosmosā neatkarīgi no ķermeņa fiziskajām īpašībām. Tajā pašā laikā jūsu uzturēšanās uz kosmosa kuģa kļūs ērtāka. Cilvēki varēs izmantot esošās ierīces un labierīcības, kas viņiem ir pazīstamas (piemēram, duša, tualete).
Uz Zemes gravitācijas līmeni nosaka gravitācijas paātrinājums, kas vidēji vienāds ar 9,81 m/s 2 (“pārslodze” 1 g), savukārt kosmosā, bezsvara apstākļos, aptuveni 10 -6 g. K.E. Ciolkovskis minēja analoģijas starp ķermeņa svara sajūtu, iegremdējot ūdenī vai guļot gultā, ar bezsvara stāvokli kosmosā.
"Zeme ir prāta šūpulis, bet šūpulī jūs nevarat dzīvot mūžīgi."
"Pasaulei vajadzētu būt vēl vienkāršākai."
Konstantīns Ciolkovskis
Interesanti, ka gravitācijas bioloģijai spēja radīt dažādus gravitācijas apstākļus būs īsts izrāviens. Būs iespējams pētīt: kā mainās struktūra, funkcijas mikro un makro līmenī, modeļus dažāda lieluma un virzienu gravitācijas ietekmē. Šie atklājumi savukārt palīdzēs attīstīt diezgan jaunu virzienu – gravitācijas terapiju. Tiek apsvērta iespēja un efektivitāte ārstēšanai izmantot gravitācijas izmaiņas (palielinātas salīdzinājumā ar Zemes). Mēs jūtam gravitācijas pieaugumu, it kā ķermenis būtu kļuvis nedaudz smagāks. Mūsdienās tiek veikti pētījumi par gravitācijas terapijas izmantošanu hipertensija, kā arī kaulu audu atjaunošanai lūzumu gadījumā.
(mākslīgā gravitācija) vairumā gadījumu ir balstīti uz inerces un gravitācijas spēku līdzvērtības principu. Ekvivalences princips saka, ka mēs jūtam aptuveni vienādu kustības paātrinājumu, nenošķirot cēloni, kas to izraisījis: gravitācijas vai inerces spēkus. Pirmajā versijā paātrinājums notiek gravitācijas lauka ietekmes dēļ, otrajā - neinerciālās atskaites sistēmas (sistēmas, kas pārvietojas ar paātrinājumu), kurā atrodas cilvēks, kustības paātrinājuma dēļ. Piemēram, līdzīgu inerciālo spēku efektu izjūt cilvēks liftā (neinerciālā atskaites sistēma), strauji paceļoties augšup (ar paātrinājumu, sajūta, it kā ķermenis uz dažām sekundēm būtu kļuvis smagāks) vai bremzējot. (sajūta, ka grīda attālinās no zem kājām). No fizikas viedokļa: kad lifts paceļas uz augšu, kabīnes kustības paātrinājums tiek pievienots brīvā kritiena paātrinājumam neinerciālā sistēmā. Kad atjaunots vienmērīga kustība- pazūd svara “pieaugums”, tas ir, atgriežas ierastā ķermeņa svara sajūta.
Mūsdienās, tāpat kā gandrīz pirms 50 gadiem, mākslīgās gravitācijas radīšanai tiek izmantotas centrifūgas (griežot kosmosa sistēmas, tiek izmantots centrbēdzes paātrinājums). Vienkārši sakot, kosmosa stacijai griežoties ap savu asi, notiks centrbēdzes paātrinājums, kas cilvēku “nobīdīs” prom no rotācijas centra un rezultātā astronauts vai citi objekti varēs atrasties uz “ stāvs”. Lai labāk izprastu šo procesu un ar kādām grūtībām saskaras zinātnieki, apskatīsim formulu, kas nosaka centrbēdzes spēku, griežot centrifūgu:
F=m*v 2 *r, kur m ir masa, v ir lineārais ātrums, r ir attālums no griešanās centra.
Lineārais ātrums ir vienāds ar: v=2π*rT, kur T ir apgriezienu skaits sekundē, π ≈3,14…
Tas ir, jo ātrāk kosmosa kuģis griežas un jo tālāk no centra atrodas astronauts, jo spēcīgāka būs radītā mākslīgā gravitācija.
Uzmanīgi apskatot attēlu, mēs varam pamanīt, ka ar nelielu rādiusu cilvēka galvas un kāju gravitācijas spēks ievērojami atšķirsies, kas savukārt apgrūtinās kustību.
Kad astronauts pārvietojas rotācijas virzienā, rodas Koriolisa spēks. Šajā gadījumā pastāv liela varbūtība, ka persona pastāvīgi saslims ar kustību slimību. To var apiet, ja kuģis griežas ar ātrumu 2 apgriezieni minūtē, kas rada mākslīgu gravitācijas spēku 1g (kā uz Zemes). Bet rādiuss būs 224 metri (apmēram ¼ kilometrs, šis attālums ir līdzīgs 95 stāvu ēkas augstumam vai divu lielu sekvoju koku garumam). Tas ir, teorētiski ir iespējams uzbūvēt šāda izmēra orbitālo staciju vai kosmosa kuģi. Taču praksē tas prasa ievērojamus resursu, pūļu un laika ieguldījumu, kas globālo kataklizmu tuvošanās kontekstā (sk.
) cilvēciskāk tieši uz reālu palīdzību tiem, kam tā nepieciešama.
Sakarā ar to, ka nav iespējams atjaunot nepieciešamo gravitācijas līmeņa vērtību personai uz orbitālā stacija vai kosmosa kuģis, zinātnieki nolēma izpētīt iespēju “nolaist latiņu”, tas ir, radīt gravitācijas spēku, kas ir mazāks nekā Zemei. Tas nozīmē, ka vairāk nekā pusgadsimtu ilgo pētījumu laikā nav bijis iespējams iegūt apmierinošus rezultātus. Tas nav pārsteidzoši, jo eksperimentos viņi cenšas radīt apstākļus, kādos inerces vai citiem spēkiem būtu līdzīga gravitācijas ietekme uz Zemi. Tas ir, izrādās, ka mākslīgā gravitācija patiesībā nav gravitācija.
Mūsdienās zinātnē ir tikai teorijas par to, kas ir gravitācija, no kurām lielākā daļa balstās uz relativitātes teoriju. Turklāt neviens no tiem nav pilnīgs (nepaskaidro gaitu, nekādu eksperimentu rezultātus jebkuros apstākļos, turklāt dažreiz tas nesaskan ar citām eksperimentāli apstiprinātām fizikālajām teorijām). Nav skaidru zināšanu un izpratnes: kas ir gravitācija, kā gravitācija ir saistīta ar telpu un laiku, no kādām daļiņām tā sastāv un kādas ir to īpašības. Atbildes uz šiem un daudziem citiem jautājumiem var atrast, salīdzinot informāciju, kas sniegta A. Novykh grāmatā “Ezoosmos” un referātā PRIMORDIAL ALLATRA PHYSICS. piedāvā absolūti jauna pieeja, kas balstās uz pamatzināšanām par fizikas primārajiem principiem pamatdaļiņas, to mijiedarbības modeļi. Tas ir, pamatojoties uz dziļu izpratni par gravitācijas procesa būtību un līdz ar to iespēju veikt precīzus aprēķinus, lai atjaunotu jebkādas gravitācijas apstākļu vērtības gan kosmosā, gan uz Zemes (gravitācijas terapija), prognozējot rezultātus iedomājami un neiedomājami eksperimenti, ko veic gan cilvēks, gan daba.
PRIMORDIAL ALLATRA FIZIKA ir daudz vairāk nekā tikai fizika. Viņa atveras iespējamie risinājumi jebkuras sarežģītības uzdevumi. Bet pats galvenais, pateicoties zināšanām par daļiņu līmenī notiekošajiem procesiem un reālām darbībām, katrs cilvēks var izprast savas dzīves jēgu, izprast sistēmas darbību un iegūt praktisku pieredzi saskarsmē ar garīgo pasauli. Apzināties Garīgā globalitāti un pārākumu, izkļūt no apziņas rāmjiem/veidnes ierobežojumiem, aiz sistēmas robežām, atrast Patieso Brīvību.
“Kā saka, kad rokās ir universālās atslēgas (pamatzināšanas elementārdaļiņas), tad jūs varat atvērt jebkuras durvis (mikro- un makropasaules).
“Pie šādiem nosacījumiem ir iespējams kvalitatīvi jauna pāreja civilizāciju garīgās pašattīstības galvenajā virzienā, plaša mēroga zinātniskās zināšanas par pasauli un sevi.
“Viss, kas nomāc cilvēku šajā pasaulē, sākot no obsesīvas domas, agresīvas emocijas un beidzot ar egoistiska patērētāja stereotipiskām vēlmēm ‒ tas ir cilvēka izvēles rezultāts par labu septona laukam‒ materiāla inteliģenta sistēma, kas regulāri izmanto cilvēci. Bet, ja cilvēks seko sava garīgā sākuma izvēlei, tad viņš iegūst nemirstību. Un tajā nav reliģijas, bet ir zināšanas par fiziku, tās pirmajiem pamatiem.
Jeļena Fedorova
Pat ja jūs īpaši neinteresē kosmoss, iespējams, ka esat to redzējis filmās, lasījis par to grāmatās vai spēlējis spēles, kur kosmosa tēma ieņemtu svarīgu vietu, ļoti augstu. Tajā pašā laikā lielākajā daļā darbu ir viens punkts, kas parasti tiek uzskatīts par pašsaprotamu - gravitācija uz kosmosa kuģa. Bet vai tas ir tik vienkārši un acīmredzami, kā šķiet no pirmā acu uzmetiena?
Pirmkārt, nedaudz aparatūras. Ja jūs neiedziļināties fizikā ārpus skolas kursa (un ar to mums šodien pilnīgi pietiks), gravitācija ir ķermeņu fundamentāla mijiedarbība, pateicoties kurai tie visi piesaista viens otru. Masīvāki piesaista stiprākus, mazāk masīvie – vājākus.
Materiāls
Mūsu gadījumā svarīgi ir sekojošais. Zeme ir masīvs objekts, tāpēc cilvēki, dzīvnieki, ēkas, koki, zāles stiebri, dators, no kura jūs to lasāt, ir piesaistīti Zemei. Mēs esam pie tā pieraduši un patiesībā nekad nedomājam par tādiem šķietami sīkumiem. Galvenās Zemes gravitācijas sekas mums ir gravitācijas paātrinājums, kas pazīstams arī kā g, un vienāds ar 9,8 m/s². Tie. jebkurš ķermenis, ja nav atbalsta, vienādi paātrinās Zemes centra virzienā, katru sekundi iegūstot ātrumu 9,8 m/s.
Pateicoties šim efektam, mēs varam stāvēt taisni uz kājām, lietot jēdzienus “augšup” un “uz leju”, nomest lietas uz grīdas utt. Faktiski daudzi cilvēka darbības veidi tiktu ievērojami pārveidoti, ja Zemes gravitācija tiktu noņemta.
To vislabāk zina astronauti, kuri ievērojamu savas dzīves daļu pavada SKS. Viņiem ir no jauna jāiemācās darīt daudzas lietas, sākot no tā, kā viņi dzer, līdz tam, kā viņi apmierina dažādas fizioloģiskas vajadzības. Šeit ir daži piemēri.
Tajā pašā laikā daudzās filmās, seriālos, spēlēs un citos zinātniskās fantastikas darbos gravitācija uz kosmosa kuģiem “vienkārši pastāv”. Tas tiek uzskatīts par pašsaprotamu un bieži vien pat nesteidzas izskaidrot. Un, ja viņi to izskaidro, tas kaut kā nepārliecina. Kaut kas līdzīgs "gravitācijas ģeneratoriem", kuru darbības princips ir nedaudz mistiskāks nekā pilnībā, tāpēc patiesībā šī pieeja maz atšķiras no "gravitācijas uz kuģa". tikai tur" Man šķiet, ka nepaskaidrot vispār ir kaut kā godīgāk.
Mākslīgās gravitācijas teorētiskie modeļi
Bet tas viss nenozīmē, ka neviens vispār nemēģina izskaidrot mākslīgo gravitāciju. Ja jūs par to domājat, jūs varat to sasniegt vairākos veidos.
Daudz masas
Pirmais un “pareizākais” variants ir padarīt kuģi ļoti masīvu. Šo metodi var uzskatīt par “pareizu”, jo tieši gravitācijas mijiedarbība nodrošinās vajadzīgo efektu.
Tajā pašā laikā nerealitāte šī metode, manuprāt, tas ir acīmredzams. Šādam kuģim jums būs nepieciešams daudz materiālu. Un ar gravitācijas lauka sadalījumu (un mums tas ir nepieciešams, lai tas būtu vienmērīgs), kaut kas būs jāizlemj.
Pastāvīgs paātrinājums
Tā kā mums ir jāsasniedz pastāvīgs gravitācijas paātrinājums 9,8 m/s², kāpēc gan neizveidot kosmosa kuģi platformas formā, kas ar to paātrinās perpendikulāri tā plaknei g? Tādā veidā neapšaubāmi tiks sasniegts vēlamais efekts.
Bet ir dažas acīmredzamas problēmas. Pirmkārt, no kaut kurienes ir jāsaņem degviela, lai nodrošinātu pastāvīgu paātrinājumu. Un pat ja kāds pēkšņi nāk klajā ar dzinēju, kuram nav nepieciešama matērijas emisija, neviens nav atcēlis enerģijas nezūdamības likumu.
Otra problēma ir pastāvīga paātrinājuma būtība. Pirmkārt, saskaņā ar mūsu pašreizējo izpratni par fiziskie likumi, jūs nevarat paātrināt mūžīgi. Relativitātes teorija ir stingri pretrunā. Otrkārt, pat ja kuģis periodiski maina virzienu, lai nodrošinātu mākslīgo gravitāciju, tam pastāvīgi būs kaut kur jālido. Tie. Nevar būt ne runas par kādu lidināties planētu tuvumā. Kuģis būs spiests uzvesties kā cirtiens, kurš, ja tas apstāsies, tas mirs. Tātad šis variants mums nav piemērots.
Karuseļa karuselis
Un šeit sākas jautrība. Esmu pārliecināts, ka katrs no lasītājiem var iedomāties, kā darbojas karuselis un kādus efektus tajā var piedzīvot cilvēks. Viss, kas uz tā ir, mēdz izlēkt proporcionāli griešanās ātrumam. No karuseļa viedokļa izrādās, ka visu ietekmē pa rādiusu vērsts spēks. Diezgan "gravitācijas" lieta.
Tātad mums vajag mucas formas kuģis, kas griezīsies ap savu garenisko asi. Šādas iespējas ir diezgan izplatītas zinātniskajā fantastikā, tāpēc zinātniskās fantastikas pasaule nav tik bezcerīga mākslīgās gravitācijas izskaidrošanas ziņā.
Tātad, nedaudz vairāk fizikas. Rotējot ap asi, tiek radīts centrbēdzes spēks, kas vērsts pa rādiusu. Vienkāršu aprēķinu rezultātā (spēku dalot ar masu) iegūstam vēlamo paātrinājumu. Tas viss tiek aprēķināts pēc vienkāršas formulas:
a=ω²R,
Kur a- paātrinājums, R- rotācijas rādiuss, a, ω - leņķiskais ātrums, ko mēra radiānos sekundē. Radiāns ir aptuveni 57,3 grādi.
Kas mums ir jāiegūst normālai dzīvei mūsu iedomātajā kosmosa kreiserī? Mums ir vajadzīga tāda kuģa rādiusa un leņķiskā ātruma kombinācija, lai to produkts kopā iegūtu 9,8 m/s².
Kaut ko līdzīgu varējām redzēt daudzos darbos: "2001: Kosmosa odiseja" Stenlijs Kubriks, sērija "Babilona 5", Nolans « » , romāns "Gredzenu pasaule" Lerijs Nivens, Visums un citi. Visās no tām gravitācijas paātrinājums ir aptuveni vienāds g, tāpēc viss izrādās diezgan loģiski. Tomēr šiem modeļiem ir arī problēmas.
Problēmas "karuselī"
Acīmredzamāko problēmu, iespējams, ir visvieglāk izskaidrot "Kosmosa odiseja". Kuģa rādiuss ir aptuveni 8 metri. Izmantojot vienkāršus aprēķinus, mēs atklājam, ka, lai sasniegtu paātrinājumu, kas vienāds ar g, ir nepieciešams aptuveni 1,1 rad/s leņķiskais ātrums, kas ir vienāds ar aptuveni 10,5 apgriezieniem minūtē.
Ar šiem parametriem izrādās, ka Koriolisa efekts. Neiedziļinoties tehniskās detaļās, problēma ir tā, ka dažādos “augstumos” no grīdas uz kustīgiem ķermeņiem iedarbosies dažādi spēki. Un tas ir atkarīgs no leņķiskā ātruma. Tāpēc mūsu virtuālajā dizainā mēs nevaram atļauties pagriezt kuģi pārāk ātri, jo tas ir pilns ar problēmām, sākot no pēkšņiem, neintuitīviem kritieniem līdz problēmām ar vestibulāro sistēmu. Un, ņemot vērā iepriekš minēto paātrinājuma formulu, mēs nevaram atļauties nelielu kuģa rādiusu. Tāpēc kosmosa odisejas modelis vairs nav vajadzīgs. Apmēram tā pati problēma ar kuģiem no "Starpzvaigžņu", lai gan ar skaitļiem viss nav tik acīmredzams.
Otra problēma ir, tā sakot, spektra otrā pusē. Romānā Lerijs Nivens "Gredzenu pasaule" kuģis ir milzu gredzens, kura rādiuss ir aptuveni vienāds ar zemes orbītas rādiusu (1 AU ≈ 149 miljoni km). Tādējādi izrādās, ka tas griežas diezgan apmierinošā ātrumā, lai Koriolisa efekts būtu neredzams cilvēkiem. Šķiet, ka viss atbilst, bet ir viena lieta Bet. Lai izveidotu šādu konstrukciju, jums būs nepieciešams neticami izturīgs materiāls, kam būs jāiztur milzīgas slodzes, jo vienai apgriezienam vajadzētu aizņemt apmēram 9 dienas. Cilvēce nezina, kā nodrošināt pietiekamu šādas konstrukcijas izturību. Nemaz nerunājot par to, ka kaut kur vajag paņemt tik daudz lietas un uzbūvēt visu.
Gredzenu pasaule Gadījumā, ja Halo vai "Babilona 5"šķiet, ka visu iepriekšējo problēmu nav. Un griešanās ātrums ir pietiekams, lai Koriolisa efektam nebūtu negatīva ietekme, un principā tādu kuģi ir iespējams uzbūvēt (vismaz teorētiski). Taču šīm pasaulēm ir arī savi trūkumi. Tās nosaukums ir leņķiskais impulss.
Stacija no Babylon 5 Griezot kuģi ap savu asi, mēs to pārvēršam par milzu žiroskopu. Un ir zināms, ka ir diezgan grūti novirzīt žiroskopu no tā ass. Viss tieši leņķiskā impulsa dēļ, kura daudzums sistēmā ir jāsaglabā. Tas nozīmē, ka lidot kaut kur noteiktā virzienā būs grūti. Bet šo problēmu var arī atrisināt.
Kā tam vajadzētu būt
Šo risinājumu sauc "O'Nīla cilindrs". Tās dizains ir diezgan vienkāršs. Mēs ņemam divus identiskus cilindriskus kuģus, kas savienoti pa asi, un katrs no tiem griežas savā virzienā. Rezultātā mums ir nulle kopējais leņķiskais impulss, kas nozīmē, ka nevajadzētu rasties problēmām ar kuģa virzīšanu vajadzīgajā virzienā. Ja kuģa rādiuss ir aptuveni 500 m (kā Babylon 5) vai vairāk, visam vajadzētu darboties tā, kā vajadzētu.
Kopā
Tātad, kādus secinājumus mēs varam izdarīt par to, kā mākslīgā gravitācija būtu jāievieš kosmosa kuģos? No visām ieviešanām, kas ir ierosinātas dažāda veida darbojas, visreālāk izskatās rotējošā konstrukcija, kurā “uz leju” vērsto spēku nodrošina centripetālais paātrinājums. Nav iespējams radīt mākslīgo gravitāciju uz kuģa ar plakanām paralēlām konstrukcijām, piemēram, klājiem (kā tas bieži tiek attēlots dažādās zinātniskās fantastikas), ņemot vērā mūsu mūsdienu izpratni par fizikas likumiem.
Rotējošā kuģa rādiusam jābūt pietiekamam, lai Koriolisa efekts būtu pietiekami mazs, lai neietekmētu cilvēkus. Labi piemēri no izgudrotajām pasaulēm var kalpot kā jau minētās Halo Un Babylon 5.
Lai vadītu šādus kuģus, jums ir jāizveido O’Nīla cilindrs - divas “mucas”, kas rotē dažādos virzienos, lai sistēmai nodrošinātu nulles kopējo leņķisko impulsu. Tas ļaus pienācīgi kontrolēt kuģi.
Kopumā mums ir ļoti reālistiska recepte, kā nodrošināt astronautiem ērtus gravitācijas apstākļus. Un, kamēr mēs reāli nevaram kaut ko tādu uzbūvēt, es vēlētos, lai spēļu, filmu, grāmatu un citu darbu veidotāji pievērstu lielāku uzmanību fiziskajam reālismam.
Mēs dzīvojam Yandex.Zene, mēģiniet. Telegram ir kanāls. Abonējiet, mēs būsim priecīgi un jums būs ērti 👍 Ņau!B.V. Raušenbahs, Koroļeva cīņu biedrs, stāstīja par to, kā viņam radās ideja par mākslīgās gravitācijas radīšanu kosmosa kuģī: 1963. gada ziemas beigās galvenais konstruktors, kurš tīrīja ceļu no sniega. netālu no viņa mājas Ostankino ielā, bija epifānija, varētu teikt. Negaidot pirmdienu, viņš piezvanīja netālu dzīvojošajam Raušenbaham, un drīz viņi kopā sāka “atbrīvot ceļu” kosmosā ilgiem lidojumiem.
Ideja, kā tas bieži notiek, izrādījās vienkārša; tam jābūt vienkāršam, pretējā gadījumā praksē nekas var neizdoties.
Lai pabeigtu attēlu. 1966. gada marts, amerikāņi par Gemini 11:
11:29 Gemini 11 atvienojās no Agenas. Tagad sākas jautrība: kā izturēsies divi objekti, kas savienoti ar kabeli? Sākumā Konrāds mēģināja šo saiti ieviest gravitācijas stabilizācijā - lai raķete karātos apakšā, kuģis augšā un kabelis būtu saspringts.
Tomēr nebija iespējams pārvietoties 30 m attālumā, neradot spēcīgas vibrācijas. 11:55 mēs pārgājām uz otro eksperimenta daļu - “mākslīgo gravitāciju”. Konrāds ieviesa saiti rotācijā; Sākumā kabelis stiepās pa izliektu līniju, bet pēc 20 minūtēm iztaisnojās un griešanās kļuva diezgan pareiza. Konrāds palielināja ātrumu līdz 38 °/min, bet pēc vakariņām līdz 55 °/min, radot smagumu 0,00078 g. Jūs to nevarēja sajust “pieskaroties”, bet lietas lēnām nogulsnējās kapsulas apakšā. 14:42 pēc trīs stundu rotācijas tapa tika nošauta, un Dvīņi attālinājās no raķetes.
