Net kosmosu nesidomėjęs žmogus niekada nėra matęs filmo apie keliones kosmose arba apie tokius dalykus skaitęs knygose. Beveik visuose tokiuose darbuose žmonės vaikšto po laivą, normaliai miega, nepatiria problemų valgydami. Tai reiškia, kad šie – išgalvoti – laivai turi dirbtinę gravitaciją. Dauguma žiūrovų tai suvokia kaip kažką visiškai natūralaus, bet taip nėra.
Dirbtinė gravitacija
Tai yra gravitacijos kitimo (bet kuria kryptimi) pavadinimas, mums pažįstamas taikant įvairius metodus. Ir tai daroma ne tik fantastiniuose darbuose, bet ir labai tikrose žemiškose situacijose, dažniausiai eksperimentams.
Teoriškai dirbtinės gravitacijos sukūrimas neatrodo taip sunku. Pavyzdžiui, jį galima atkurti pasitelkus inerciją, tiksliau – išcentrinę jėgą. Šios galios poreikis iškilo ne vakar – tai įvyko iškart, kai tik žmogus pradėjo svajoti apie ilgalaikius skrydžius į kosmosą. Kūrimasdirbtinė gravitacija erdvėje leis išvengti daugelio problemų, kylančių ilgai būnant nesvarumo būsenoje. Astronautų raumenys nusilpsta, kaulai tampa silpnesni. Keliaudami tokiomis sąlygomis mėnesius galite atrofuotis kai kurie raumenys.
Taigi, šiandien dirbtinės gravitacijos sukūrimas yra itin svarbus uždavinys, kosmoso tyrinėjimas be šio įgūdžio tiesiog neįmanomas.
Medžiagos
Net ir tie, kurie išmano fiziką tik mokyklos programos lygmeniu, supranta, kad gravitacija yra vienas pagrindinių mūsų pasaulio dėsnių: visi kūnai sąveikauja tarpusavyje, patiria abipusę trauką/atstūmimą. Kuo didesnis kūnas, tuo didesnė jo traukos jėga.
Mūsų tikrovei Žemė yra labai masyvus objektas. Štai kodėl be išimties visus ją supančius kūnus tai traukia.
Mums tai reiškia laisvojo kritimo pagreitį, kuris paprastai matuojamas g, lygus 9,8 metro per kvadratinę sekundę. Tai reiškia, kad jei neturėtume atramos po kojomis, kristume greičiu, kuris kas sekundę padidėja 9,8 metro.
Taigi tik gravitacijos dėka galime normaliai stovėti, kristi, valgyti ir gerti, suprasti, kur aukštyn, kur žemyn. Jei gravitacija išnyks, būsime nulinės gravitacijos.
Astronautai, kurie kosmose atsiduria sklandančioje būsenoje – laisvasis kritimas, šis reiškinys yra ypač pažįstamas.
Teoriškai mokslininkai žino, kaip sukurti dirbtinę gravitaciją. Egzistuotikeletas technikų.
Didžiosios Mišios
Logiškiausias variantas – padaryti erdvėlaivį tokį didelį, kad jame būtų dirbtinė gravitacija. Laive bus galima jaustis patogiai, nes nebus prarasta orientacija erdvėje.
Deja, šis metodas, tobulėjant technologijoms, yra nerealus. Norint pastatyti tokį objektą, reikia per daug išteklių. Be to, norint jį pakelti, prireiks neįtikėtinai daug energijos.
Pagreitink
Atrodytų, jei norite pasiekti g lygų žemei, tereikia suteikti laivui plokščią (platformos) formą ir priversti jį judėti statmenai plokštumai norimu pagreičiu. Tokiu būdu bus gauta dirbtinė gravitacija ir ideali.
Tačiau tikrovė yra daug sudėtingesnė.
Visų pirma verta apsvarstyti kuro problemą. Kad stotis nuolat įsibėgėtų, būtinas nepertraukiamo maitinimo š altinis. Net jei staiga atsiras variklis, kuris neišstumia medžiagos, energijos tvermės dėsnis galios.
Antra problema yra pati nuolatinio pagreičio idėja. Pagal mūsų žinias ir fizikinius dėsnius neįmanoma įsibėgėti iki begalybės.
Be to, tokios transporto priemonės netinka tyrimų misijoms, nes turi nuolat įsibėgėti – skristi. Jis negalės sustoti tyrinėdamas planetos, net negalės lėtai ją skristi – jam reikia pagreitinti.
TaigiTaigi tampa aišku, kad tokia dirbtinė gravitacija mums dar nepasiekiama.
Karuselė
Visi žino, kaip karuselės sukimasis veikia kūną. Todėl dirbtinis gravitacijos įtaisas pagal šį principą atrodo realiausias.
Viskas, kas yra karuselės skersmens, linkusi iš jos iškristi greičiu, maždaug lygiu sukimosi greičiui. Pasirodo, kūną veikia jėga, nukreipta išilgai besisukančio objekto spindulio. Tai labai panašu į gravitaciją.
Taigi, jums reikia cilindro formos laivo. Tuo pačiu metu jis turi suktis aplink savo ašį. Beje, dirbtinė gravitacija erdvėlaivyje, sukurta pagal šį principą, dažnai rodoma mokslinės fantastikos filmuose.
Statinės formos laivas, besisukantis aplink išilginę ašį, sukuria išcentrinę jėgą, kurios kryptis atitinka objekto spindulį. Norėdami apskaičiuoti gautą pagreitį, jėgą turite padalyti iš masės.
Fiziką išmanantiems žmonėms nebus sunku tai apskaičiuoti: a=ω²R.
Šioje formulėje skaičiavimo rezultatas yra pagreitis, pirmasis kintamasis yra mazgo greitis (matuojamas radianais per sekundę), antrasis yra spindulys.
Atsižvelgiant į tai, norint gauti įprastą g, reikia teisingai derinti kosminio transporto kampinį greitį ir spindulį.
Ši problema nagrinėjama tokiuose filmuose kaip „Intersol“, „Babylon 5“, „2001: A Space Odyssey“ir panašiai. Visais šiais atvejaisdirbtinė gravitacija yra artima Žemės laisvojo kritimo pagreičiui.
Kad ir kokia gera idėja būtų, ją įgyvendinti gana sunku.
Karuselės metodo problemos
Akivaizdžiausia problema išryškinta „Kosminėje odisėjoje“. „Kosminio vežėjo“spindulys yra apie 8 metrus. Kad pagreitis būtų 9,8, sukimasis turi vykti maždaug 10,5 apsisukimų kas minutę.
Esant nurodytoms vertėms, pasireiškia „Koriolio efektas“, kurį sudaro tai, kad skirtingos jėgos veikia skirtingais atstumais nuo grindų. Tai tiesiogiai priklauso nuo kampinio greičio.
Paaiškėjo, kad bus sukurta dirbtinė gravitacija erdvėje, tačiau per greitas korpuso sukimasis sukels problemų su vidine ausimi. Tai savo ruožtu sukelia disbalansą, vestibiuliarinio aparato problemų ir kitų panašių problemų.
Šio barjero atsiradimas rodo, kad toks modelis yra labai nesėkmingas.
Galite pabandyti pereiti priešingai, kaip tai darė romane „Pasaulio žiedas“. Čia laivas pagamintas žiedo pavidalu, kurio spindulys artimas mūsų orbitos spinduliui (apie 150 mln. km). Tokio dydžio sukimosi greičio pakanka, kad būtų nepaisoma Koriolio efekto.
Galite manyti, kad problema išspręsta, bet taip nėra. Faktas yra tas, kad visas šios konstrukcijos sukimasis aplink savo ašį trunka 9 dienas. Tai leidžia manyti, kad apkrovos bus per didelės. Tam, kadkonstrukcija juos atlaikė, reikia labai tvirtos medžiagos, kurios šiandien neturime. Be to, problema yra medžiagų kiekis ir pats statybos procesas.
Panašios temos žaidimuose, kaip filme „Babilonas 5“, šios problemos kažkaip išsprendžiamos: sukimosi greitis pakankamai pakankamas, Koriolio efektas nežymus, hipotetiškai įmanoma sukurti tokį laivą.
Tačiau net tokie pasauliai turi trūkumų. Jo vardas yra impulsas.
Laivas, besisukantis aplink savo ašį, virsta didžiuliu giroskopu. Kaip žinote, dėl kampinio momento giroskopą nukrypti nuo ašies yra nepaprastai sunku. Svarbu, kad jo kiekis nepaliktų sistemos. Tai reiškia, kad bus labai sunku nustatyti šio objekto kryptį. Tačiau šią problemą galima išspręsti.
Problemų sprendimas
Dirbtinė gravitacija kosminėje stotyje tampa prieinama, kai į pagalbą ateina „O'Neill cilindras“. Norint sukurti šią konstrukciją, reikalingi identiški cilindriniai laivai, kurie yra sujungti išilgai ašies. Jie turėtų suktis skirtingomis kryptimis. Šio surinkimo rezultatas yra nulinis kampinis impulsas, todėl neturėtų kilti sunkumų nurodant laivui norimą kryptį.
Jei įmanoma padaryti laivą, kurio spindulys yra apie 500 metrų, tada jis veiks tiksliai taip, kaip turėtų. Tuo pačiu metu dirbtinė gravitacija erdvėje bus gana patogi ir tinkama ilgiems skrydžiams laivais ar tyrimų stotyse.
Kosmoso inžinieriai
Kaip sukurti dirbtinę gravitaciją žino žaidimo kūrėjai. Tačiau šiame fantazijos pasaulyje gravitacija yra ne abipusis kūnų trauka, o linijinė jėga, skirta pagreitinti objektus tam tikra kryptimi. Potraukis čia nėra absoliutus, jis keičiasi nukreipus š altinį.
Dirbtinė gravitacija kosminėje stotyje sukuriama naudojant specialų generatorių. Jis yra vienodas ir lygiakryptis generatoriaus srityje. Taigi, realiame pasaulyje, jei jus nutrenktų laivas, kuriame sumontuotas generatorius, būsite traukiamas prie korpuso. Tačiau žaidime herojus kris tol, kol paliks įrenginio perimetrą.
Šiandien dirbtinė gravitacija erdvėje, sukurta tokiu įrenginiu, žmonijai neprieinama. Tačiau net žilaplaukiai kūrėjai nenustoja apie tai svajoti.
Sferinis generatorius
Tai tikroviškesnė įrangos versija. Įrengus, gravitacija turi kryptį generatoriaus link. Tai leidžia sukurti stotį, kurios gravitacija bus lygi planetinei.
Centrifuga
Šiandien dirbtinė gravitacija Žemėje randama įvairiuose įrenginiuose. Jie dažniausiai yra pagrįsti inercija, nes šią jėgą mes jaučiame panašiai kaip gravitacinį poveikį - kūnas neskiria, kas sukelia pagreitį. Pavyzdžiui: žmogus, kylantis liftu, patiria inercijos poveikį. Fiziko akimis: lifto pakėlimas laisvojo kritimo pagreitį papildo ir automobilio pagreitį. Grįžuskabinos iki išmatuoto judėjimo svorio „priaugimas“išnyksta, grąžinant įprastus pojūčius.
Mokslininkai jau seniai domisi dirbtine gravitacija. Dažniausiai šiems tikslams naudojama centrifuga. Šis metodas tinka ne tik erdvėlaiviams, bet ir antžeminėms stotims, kuriose reikia tirti gravitacijos poveikį žmogaus kūnui.
Studijuokite Žemę, kreipkitės į…
Nors gravitacijos tyrimai buvo pradėti iš kosmoso, tai labai žemiškas mokslas. Net ir šiandien pasiekimai šioje srityje buvo pritaikyti, pavyzdžiui, medicinoje. Žinant, ar įmanoma planetoje sukurti dirbtinę gravitaciją, galima ją panaudoti motorinio aparato ar nervų sistemos problemoms gydyti. Be to, šios jėgos tyrimas pirmiausia atliekamas Žemėje. Tai leidžia astronautams atlikti eksperimentus, būdami akylai prižiūrimi gydytojų. Kitas dalykas – dirbtinė gravitacija erdvėje, ten nėra žmonių, kurie galėtų padėti astronautams nenumatytoje situacijoje.
Atsižvelgiant į visišką nesvarumą, negalima atsižvelgti į žemoje Žemės orbitoje esantį palydovą. Šie objektai, nors ir nedideliu mastu, yra veikiami gravitacijos. Tokiais atvejais susikurianti gravitacijos jėga vadinama mikrogravitacija. Tikroji gravitacija patiriama tik aparate, skriejančiame pastoviu greičiu kosmose. Tačiau žmogaus kūnas šio skirtumo nejaučia.
Galite patirti nesvarumą šuolio į tolį metu (prieš atidarant baldakimą) arba paraboliniu būdu leidžiantis orlaiviui. Tokie eksperimentaidažnai statomas JAV, tačiau lėktuve šis jausmas trunka tik 40 sekundžių – tai per trumpa trukmė išsamiam tyrimui.
SSRS dar 1973 m. jie žinojo, ar įmanoma sukurti dirbtinę gravitaciją. Ir ne tik sukūrė, bet ir kažkaip pakeitė. Ryškus dirbtinio gravitacijos mažinimo pavyzdys yra sausas panardinimas, panardinimas. Norint pasiekti norimą efektą, ant vandens paviršiaus reikia uždėti tankią plėvelę. Asmuo dedamas ant jo. Pagal kūno svorį kūnas grimzta po vandeniu, aukščiau lieka tik galva. Šis modelis demonstruoja žemos gravitacijos atramą, randamą vandenyne.
Nereikia eiti į kosmosą, kad pajustume priešingos nesvarumo jėgos – hipergravitacijos – poveikį. Kylant ir leidžiantis erdvėlaiviui centrifugoje galite ne tik jausti perkrovą, bet ir ją ištirti.
Gravitacinis gydymas
Gravitacinė fizika, be kita ko, tiria nesvarumo poveikį žmogaus organizmui, siekdama sumažinti pasekmes. Tačiau daugelis šio mokslo laimėjimų gali būti naudingi paprastiems planetos gyventojams.
Gydytojai deda dideles viltis į raumenų fermentų elgsenos miopatijos atveju tyrimus. Tai sunki liga, sukelianti ankstyvą mirtį.
Atliekant aktyvius fizinius pratimus, į sveiko žmogaus kraują patenka didelis kiekis fermento kreatinofosfokinazės. Šio reiškinio priežastis nėra aiški, galbūt apkrova veikia ląstelės membraną taip, kad ji"perforuoja". Pacientai, sergantys miopatija, gauna tą patį poveikį be mankštos. Astronautų stebėjimai rodo, kad nesvarumo sąlygomis aktyvaus fermento patekimas į kraują gerokai sumažėja. Šis atradimas rodo, kad panardinimo naudojimas sumažins neigiamą veiksnių, sukeliančių miopatiją, poveikį. Šiuo metu atliekami bandymai su gyvūnais.
Kai kurių ligų gydymas jau šiandien atliekamas naudojant gravitacijos tyrimo duomenis, įskaitant ir dirbtines. Pavyzdžiui, cerebrinis paralyžius, insultai, Parkinsono liga gydomi apkrovos kostiumais. Tyrimas apie teigiamą atramos poveikį – pneumatinis batas beveik baigtas.
Ar skrisime į Marsą?
Naujausi astronautų pasiekimai suteikia vilčių dėl projekto tikrovės. Turima medicininės pagalbos žmogui ilgą laiką būnant toli nuo Žemės patirtis. Daug naudos atnešė ir tiriamieji skrydžiai į Mėnulį, kuriuose gravitacijos jėga yra 6 kartus mažesnė nei mūsų pačių. Dabar astronautai ir mokslininkai kelia sau naują tikslą – Marsą.
Prieš eidami į eilę dėl bilieto į Raudonąją planetą, turėtumėte žinoti, ko kūnas tikisi jau pirmajame darbo etape – pakeliui. Vidutiniškai kelias į dykumos planetą užtruks pusantrų metų – apie 500 dienų. Kelyje teks pasikliauti tik savo jėgomis, pagalbos tiesiog nėra kur laukti.
Daugelis veiksnių sumenkins jėgą: stresas, radiacija, magnetinio lauko trūkumas. Svarbiausias kūno išbandymas – gravitacijos pokytis. Kelionės metu žmogus „susipažįsta“sukeli gravitacijos lygiai. Visų pirma, tai yra perkrovos kilimo metu. Tada – nesvarumas skrydžio metu. Po to hipogravitacija paskirties vietoje, nes gravitacija Marse yra mažesnė nei 40 % Žemės.
Kaip kovojate su neigiamu nesvarumo padariniu ilgo skrydžio metu? Tikimasi, kad plėtra dirbtinės gravitacijos kūrimo srityje padės išspręsti šią problemą artimiausioje ateityje. Eksperimentai su žiurkėmis, keliaujančiomis Kosmos-936, rodo, kad ši technika neišsprendžia visų problemų.
OS patirtis parodė, kad treniruočių kompleksų, galinčių nustatyti reikiamą krūvį kiekvienam astronautui individualiai, naudojimas gali atnešti daug daugiau naudos organizmui.
Kol kas manoma, kad į Marsą skris ne tik tyrinėtojai, bet ir turistai, norintys įkurti koloniją Raudonojoje planetoje. Jiems, bent jau iš pradžių, nesvarumo būsenos pojūčiai nusvers visus gydytojų argumentus apie ilgalaikio buvimo tokiomis sąlygomis pavojų. Tačiau jiems taip pat reikės pagalbos po kelių savaičių, todėl labai svarbu rasti būdą, kaip erdvėlaivyje sukurti dirbtinę gravitaciją.
Rezultatai
Kokias išvadas galima padaryti apie dirbtinės gravitacijos kūrimą erdvėje?
Iš visų šiuo metu svarstomų variantų besisukanti struktūra atrodo realiausia. Tačiau, turint omenyje dabartinį fizikinių dėsnių supratimą, tai neįmanoma, nes laivas nėra tuščiaviduris cilindras. Jo viduje yra sutapimų, trukdančių įgyvendinti idėjas.
Be to, laivo spindulys turėtų būti toksdidelis, kad Koriolio efektas neturėtų reikšmingo poveikio.
Norint valdyti kažką panašaus, jums reikia aukščiau paminėto O'Neill cilindro, kuris suteiks galimybę valdyti laivą. Tokiu atveju padidės tikimybė, kad tarpplanetiniams skrydžiams bus naudojamas panašus dizainas, suteikiant įgulai patogų gravitacijos lygį.
Kol žmonijai pavyks įgyvendinti savo svajones, mokslinėje fantastikoje norėčiau pamatyti šiek tiek daugiau realizmo ir dar daugiau fizikos dėsnių išmanymo.
