Även en person som inte är intresserad av rymden har någonsin sett en film om rymdresor eller läst om sådana saker i böcker. I nästan alla sådana arbeten går människor runt fartyget, sover norm alt och har inga problem med att äta. Det betyder att dessa – fiktiva – fartyg har artificiell gravitation. De flesta tittare uppfattar detta som något helt naturligt, men det är det inte alls.
Artificiell gravitation
Detta är namnet på förändringen (i valfri riktning) av gravitationen som vi känner till genom att använda olika metoder. Och detta görs inte bara i fantastiska verk, utan också i mycket verkliga jordiska situationer, oftast för experiment.
I teorin ser skapandet av artificiell gravitation inte så svårt ut. Till exempel kan den återskapas med hjälp av tröghet, närmare bestämt centrifugalkraft. Behovet av denna kraft uppstod inte i går - det hände omedelbart, så snart en person började drömma om långvariga rymdflygningar. Skapandeartificiell gravitation i rymden kommer att göra det möjligt att undvika många problem som uppstår under långvarig vistelse i viktlöshet. Astronauternas muskler försvagas, benen blir mindre starka. Om du reser under sådana förhållanden i månader kan du få atrofi av vissa muskler.
I dag är alltså skapandet av artificiell gravitation en uppgift av största vikt, rymdutforskning utan denna färdighet är helt enkelt omöjligt.
Materials
Även de som bara kan fysik på nivån för skolans läroplan förstår att gravitationen är en av de grundläggande lagarna i vår värld: alla kroppar interagerar med varandra och upplever ömsesidig attraktion/avstötning. Ju större kroppen är, desto större är dess attraktionskraft.
Jorden för vår verklighet är ett väldigt massivt objekt. Det är därför, utan undantag, alla kroppar runt henne attraheras av det.
För oss innebär detta accelerationen av fritt fall, som vanligtvis mäts i g, lika med 9,8 meter per kvadratsekund. Det betyder att om vi inte hade något stöd under fötterna skulle vi falla med en hastighet som ökar med 9,8 meter varje sekund.
Alltså, bara tack vare gravitationen kan vi stå, falla, äta och dricka norm alt, förstå var är upp, var är ner. Om gravitationen försvinner kommer vi att vara i noll gravitation.
Astronauter som befinner sig i rymden i ett tillstånd av skyhöga - fritt fall är särskilt bekanta med detta fenomen.
Teoretiskt sett vet forskare hur man skapar artificiell gravitation. Existeraflera tekniker.
Big Mass
Det mest logiska alternativet är att göra rymdskeppet så stort att det har artificiell gravitation. Det kommer att vara möjligt att känna sig bekväm på fartyget, eftersom orienteringen i rymden inte kommer att gå förlorad.
Tyvärr är denna metod med den moderna teknikutvecklingen orealistisk. Att bygga ett sådant objekt kräver för mycket resurser. Dessutom kommer det att krävas otroligt mycket energi för att lyfta det.
Speed upp
Det verkar som om du vill uppnå g lika med jordens, behöver du bara ge skeppet en platt (plattforms)form och få det att röra sig vinkelrätt mot planet med önskad acceleration. På detta sätt kommer artificiell gravitation att erhållas, och idealiskt.
Men verkligheten är mycket mer komplicerad.
Först och främst är det värt att överväga bränslefrågan. För att stationen ständigt ska accelerera är det nödvändigt att ha en avbrottsfri strömförsörjning. Även om en motor plötsligt dyker upp som inte skjuter ut materia, kommer lagen om bevarande av energi att förbli i kraft.
Det andra problemet är själva idén om konstant acceleration. Enligt vår kunskap och fysiska lagar är det omöjligt att accelerera till oändligheten.
Dessutom är sådana fordon inte lämpliga för forskningsuppdrag, eftersom de hela tiden måste accelerera - flyga. Han kommer inte att kunna stanna för att studera planeten, han kommer inte ens att kunna flyga långsamt runt den - han måste accelerera.
SåSåledes blir det tydligt att sådan artificiell gravitation ännu inte är tillgänglig för oss.
Carousel
Alla vet hur karusellens rotation påverkar kroppen. Därför verkar en artificiell gravitationsanordning enligt denna princip vara den mest realistiska.
Allt som är i karusellens diameter tenderar att falla ur den med en hastighet som är ungefär lika med rotationshastigheten. Det visar sig att en kraft verkar på kroppen, riktad längs radien av det roterande föremålet. Det är väldigt likt gravitationen.
Så, du behöver ett skepp som har en cylindrisk form. Samtidigt måste den rotera runt sin axel. Förresten, artificiell gravitation på ett rymdskepp, skapad enligt denna princip, visas ofta i science fiction-filmer.
Tunnformade skepp, som roterar runt den längsgående axeln, skapar en centrifugalkraft, vars riktning motsvarar objektets radie. För att beräkna den resulterande accelerationen måste du dividera kraften med massan.
Det kommer inte att vara svårt för folk som kan fysik att beräkna detta: a=ω²R.
I den här formeln är resultatet av beräkningen accelerationen, den första variabeln är nodhastigheten (mätt i radianer per sekund), den andra är radien.
I enlighet med detta, för att få det vanliga g, är det nödvändigt att korrekt kombinera vinkelhastigheten och radien för rymdtransporten.
Det här problemet tas upp i filmer som "Intersol", "Babylon 5", "2001: A Space Odyssey" och liknande. I alla dessa fallartificiell gravitation är nära jordens fria fallacceleration.
Oavsett hur bra idén är, är det ganska svårt att genomföra den.
Problem med karusellmetoden
Det mest uppenbara problemet lyfts fram i A Space Odyssey. Radien på "rymdbäraren" är cirka 8 meter. För att få en acceleration på 9,8 måste rotationen ske med en hastighet av cirka 10,5 varv varje minut.
Vid de angivna värdena manifesteras”Corioliseffekten”, som består i att olika krafter verkar på olika avstånd från golvet. Det beror direkt på vinkelhastigheten.
Det visar sig att artificiell gravitation i rymden kommer att skapas, men för snabb rotation av fodralet kommer att leda till problem med innerörat. Detta orsakar i sin tur obalanser, problem med den vestibulära apparaten och andra liknande problem.
Uppkomsten av denna barriär tyder på att en sådan modell är extremt misslyckad.
Du kan försöka gå från motsatsen, som de gjorde i romanen "The World-Ring". Här är skeppet gjort i form av en ring, vars radie är nära vår omloppsbanas radie (cirka 150 miljoner km). Vid denna storlek är dess rotationshastighet tillräckligt för att ignorera Coriolis-effekten.
Du kan anta att problemet är löst, men så är det inte alls. Faktum är att en fullständig rotation av denna struktur runt sin axel tar 9 dagar. Detta gör det möjligt att anta att lasterna blir för stora. För attkonstruktionen stod emot dem, det behövs ett mycket starkt material som vi inte har till vårt förfogande idag. Dessutom är problemet mängden material och själva byggprocessen.
I spel med liknande tema, som i filmen "Babylon 5", löses dessa problem på något sätt: rotationshastigheten är ganska tillräcklig, Coriolis-effekten är inte signifikant, det är hypotetiskt möjligt att skapa ett sådant skepp.
Men även sådana världar har en nackdel. Hans namn är momentum.
Fartyget, som roterar runt sin axel, förvandlas till ett enormt gyroskop. Som ni vet är det extremt svårt att få gyroskopet att avvika från axeln på grund av vinkelmomentet. Det är viktigt att dess kvantitet inte lämnar systemet. Detta innebär att det blir mycket svårt att sätta riktningen för detta objekt. Det här problemet kan dock lösas.
Problemlösning
Artificiell gravitation på en rymdstation blir tillgänglig när "O'Neill-cylindern" kommer till undsättning. För att skapa denna design behövs identiska cylindriska fartyg, som är anslutna längs axeln. De ska rotera i olika riktningar. Resultatet av denna montering är noll vinkelmoment, så det borde inte vara några svårigheter att ge fartyget den önskade riktningen.
Om det går att göra ett fartyg med en radie på cirka 500 meter så kommer det att fungera precis som det ska. Samtidigt kommer artificiell gravitation i rymden att vara ganska bekväm och lämplig för långa flygningar på fartyg eller forskningsstationer.
Space Engineers
Hur man skapar artificiell gravitation är känt för spelets skapare. Men i denna fantasivärld är gravitationen inte den ömsesidiga attraktionen av kroppar, utan en linjär kraft utformad för att accelerera objekt i en given riktning. Attraktionen här är inte absolut, den ändras när källan omdirigeras.
Artificiell gravitation på rymdstationen skapas med hjälp av en speciell generator. Den är enhetlig och likriktad i området för generatorn. Så i den verkliga världen, om du blir träffad av ett fartyg som har en generator installerad, skulle du dras till skrovet. Men i spelet kommer hjälten att falla tills han lämnar enhetens omkrets.
Idag är artificiell gravitation i rymden, skapad av en sådan anordning, otillgänglig för mänskligheten. Men även gråhåriga utvecklare slutar inte drömma om det.
Sfärisk generator
Detta är en mer realistisk version av utrustningen. När den är installerad har gravitationen en riktning mot generatorn. Detta gör det möjligt att skapa en station, vars gravitation kommer att vara lika med den planetariska.
Centrifuge
Idag finns artificiell gravitation på jorden i olika enheter. De är till största delen baserade på tröghet, eftersom denna kraft känns av oss på samma sätt som gravitationseffekter - kroppen urskiljer inte vad som orsakar acceleration. Som ett exempel: en person som går upp i en hiss upplever effekten av tröghet. Genom en fysikers ögon: lyft av en hiss ökar accelerationen av fritt fall bilens acceleration. Vid återkomsthytter till en uppmätt rörelse "ökning" i vikt försvinner, vilket återställer de vanliga förnimmelserna.
Forskare har länge varit intresserade av artificiell gravitation. Centrifugen används oftast för dessa ändamål. Denna metod är inte bara lämplig för rymdfarkoster, utan också för markstationer där det krävs för att studera gravitationens inverkan på människokroppen.
Studera på jorden, ansök om…
Även om studiet av gravitation började från rymden, är det en mycket vardaglig vetenskap. Än idag har prestationer inom detta område funnit sin tillämpning, till exempel inom medicin. Genom att veta om det är möjligt att skapa artificiell gravitation på planeten kan man använda den för att behandla problem med motorapparaten eller nervsystemet. Dessutom utförs studien av denna kraft främst på jorden. Detta gör det möjligt för astronauter att utföra experiment medan de förblir under noggrann uppmärksamhet av läkare. En annan sak är artificiell gravitation i rymden, det finns inga människor där som kan hjälpa astronauter i händelse av en oförutsedd situation.
Med tanke på total viktlöshet kan man inte ta hänsyn till en satellit i låg omloppsbana om jorden. Dessa föremål, om än i liten utsträckning, påverkas av gravitationen. Tyngdkraften som genereras i sådana fall kallas mikrogravitation. Verklig gravitation upplevs endast i en apparat som flyger med konstant hastighet i yttre rymden. Men människokroppen känner inte denna skillnad.
Du kan uppleva viktlöshet under ett längdhopp (innan kapellet öppnas) eller under en parabolisk nedstigning av flygplanet. Sådana experimentarrangeras ofta i USA, men på ett flygplan varar denna känsla bara i 40 sekunder - det här är för kort för en fullständig studie.
I Sovjetunionen redan 1973 visste de om det var möjligt att skapa artificiell gravitation. Och inte bara skapat det, utan också förändrat det på något sätt. Ett levande exempel på en artificiell minskning av gravitationen är torr nedsänkning, nedsänkning. För att uppnå önskad effekt måste du lägga en tät film på vattenytan. Personen placeras ovanpå den. Under kroppens tyngd sjunker kroppen under vatten, bara huvudet förblir ovanför. Den här modellen visar det låga gravitationsstödet som finns i havet.
Det finns ingen anledning att gå ut i rymden för att känna effekten av den motsatta kraften av viktlöshet - hypergravitation. När du lyfter och landar en rymdfarkost, i en centrifug, kan du inte bara känna överbelastningen, utan också studera den.
Gravitationsbehandling
Gravitationsfysik studerar bland annat viktlöshetens inverkan på människokroppen, i syfte att minimera konsekvenserna. Men ett stort antal landvinningar av denna vetenskap kan vara användbara för vanliga invånare på planeten.
Läkare sätter stora förhoppningar på forskning om beteendet hos muskelenzymer vid myopati. Detta är en allvarlig sjukdom som leder till tidig död.
Med aktiv fysisk träning kommer en stor mängd av enzymet kreatinofosfokinas in i blodet hos en frisk person. Orsaken till detta fenomen är inte klarlagt, kanske verkar belastningen på cellmembranet på ett sådant sätt att det"perforerar". Patienter med myopati får samma effekt utan träning. Observationer av astronauter visar att i viktlöshet minskar flödet av det aktiva enzymet i blodet avsevärt. Denna upptäckt tyder på att användningen av nedsänkning kommer att minska den negativa effekten av faktorer som leder till myopati. Djurförsök pågår för närvarande.
Behandling av vissa sjukdomar utförs redan idag med hjälp av data som erhållits från gravitationsstudier, inklusive artificiell. Till exempel, cerebral pares, stroke, Parkinsons behandlas med hjälp av belastningsdräkter. Forskning om den positiva effekten av stödet - den pneumatiska skon är nästan klar.
Kommer vi att flyga till Mars?
Astronauternas senaste prestationer ger hopp om projektets verklighet. Det finns erfarenhet av medicinskt stöd för en person under en lång vistelse borta från jorden. Forskningsflyg till månen, där tyngdkraften är 6 gånger mindre än vår egen, har också medfört många fördelar. Nu sätter astronauter och forskare upp ett nytt mål för sig själva - Mars.
Innan du ställer dig i kö för en biljett till den röda planeten bör du veta vad kroppen förväntar sig redan i det första skedet av arbetet - på vägen. I genomsnitt kommer vägen till ökenplaneten att ta ett och ett halvt år - cirka 500 dagar. På vägen måste du bara lita på din egen styrka, det finns helt enkelt ingenstans att vänta på hjälp.
Många faktorer kommer att undergräva styrkan: stress, strålning, avsaknad av magnetfält. Det viktigaste testet för kroppen är förändringen i gravitationen. Under resans gång”blir” en person bekant medflera gravitationsnivåer. Först och främst är dessa överbelastningar under start. Sedan - viktlöshet under flygningen. Efter det, hypogravitation vid destinationen, eftersom gravitationen på Mars är mindre än 40 % av jorden.
Hur hanterar du de negativa effekterna av viktlöshet på en lång flygresa? Förhoppningen är att utvecklingen inom området för att skapa artificiell gravitation kommer att hjälpa till att lösa detta problem inom en snar framtid. Experiment på råttor som reser på Kosmos-936 visar att denna teknik inte löser alla problem.
OS erfarenhet har visat att användningen av träningskomplex som kan bestämma den nödvändiga belastningen för varje astronaut individuellt kan ge mycket mer fördelar för kroppen.
Än så länge tror man att inte bara forskare kommer att flyga till Mars, utan även turister som vill etablera en koloni på den röda planeten. För dem, åtminstone till en början, kommer känslan av att vara i viktlöshet att uppväga alla läkares argument om farorna med långvarig exponering för sådana tillstånd. De kommer dock att behöva hjälp om några veckor också, varför det är så viktigt att kunna hitta ett sätt att skapa artificiell gravitation på ett rymdskepp.
Resultat
Vilka slutsatser kan dras om skapandet av artificiell gravitation i rymden?
Bland alla alternativ som för närvarande övervägs ser den roterande strukturen mest realistisk ut. Men med den nuvarande förståelsen av fysiska lagar är detta omöjligt, eftersom skeppet inte är en ihålig cylinder. Inuti den finns överlappningar som stör förverkligandet av idéer.
Dessutom bör fartygets radie vara såstor så att Corioliseffekten inte har någon signifikant effekt.
För att styra något sådant här behöver du O'Neill-cylindern som nämns ovan, som ger dig möjligheten att kontrollera skeppet. I det här fallet ökar chanserna att använda en liknande design för interplanetära flygningar som ger besättningen en bekväm gravitationsnivå.
Innan mänskligheten lyckas förverkliga sina drömmar skulle jag vilja se lite mer realism och ännu mer kunskap om fysikens lagar i science fiction.
