Искусственная гравитация на космических кораблях. Искусственная гравитация и способы ее создания

Геннадий Бражник, 23 апреля 2011
Смотря на Мир, открой глаза... (древнегреческий эпос)
Как создать искусственную Гравитацию?
Пятидесятилетие освоения космоса, отмечаемое в этом году, показало огромный потенциал человеческого интеллекта в вопросе познания окружающей Вселенной. Международная космическая станция (МКС) - пилотируемая орбитальная станция - совместный международный проект, в котором участвуют 23 страны,
убедительно доказывает заинтересованность национальных программ в вопросах освоения как ближнего, так и дальнего космического пространства. Это относится как к научно-технической, так и к коммерческой стороне рассматриваемого вопроса. Вместе с тем, основным вопросом, стоящим на пути массового освоения космического пространства является проблема невесомости или отсутствие гравитации на существующих космических объектах. "Гравитация (всемирное тяготение, тяготение) - универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна" - такое определение дает современная наука этому явлению. Природа гравитации в настоящее время не выяснена. Теоретические разработки в рамках разных гравитационных теорий не находят своего экспериментального подтверждения, что наводит на мысль о преждевременном утверждении научной парадигмы по природе гравитационного взаимодействия, как одного из четырех фундаментальных взаимодействий. В соответствии с теорией тяготения Ньютона, гравитационная сила Земного притяжения определяется выражением F=m x g, где m -масса тела, а g - ускорение свободного падения. "Ускорение свободного падения g - ускорение, придаваемое телу в вакууме силой тяжести, то есть геометрической суммой гравитационного притяжения планеты (или другого астрономического тела) и инерциальных сил, вызванных ее вращением. В соответствии со вторым законом Ньютона, ускорение свободного падения равно силе тяжести, воздействующей на объект единичной массы. Значение ускорения свободного падения для Земли обычно принимают равным 9,8 или 10 м/с╡. Стандартное („нормальное") значение, принятое при построении систем единиц, g = 9,80665 м/с╡, а в технических расчетах обычно принимают g = 9,81 м/с╡. Значение g было определено как „среднее" в каком-то смысле ускорение свободного падения на Земле, примерно равно ускорению свободного падения на широте 45,5° на уровне моря. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьируется от 9,780 м/с╡ на экваторе до 9,832 м/с╡ на полюсах." Эта научная неопределенность вызывает и ряд вопросов, связанных с гравитационной постоянной в Общей теории относительности. Является ли она настолько постоянной, если в условиях земного притяжения мы имеем такой разброс параметров. Основными доводами практически всех гравитационных теорий является следующее: "Ускорение свободного падения состоит из двух слагаемых: гравитационного ускорения и центростремительного ускорения. Отличия обусловлены: центростремительным ускорением в системе отсчета, связанной с вращающейся Землей; неточностью формулы из-за того, что масса планеты распределена по объему, который имеет геометрическую форму, отличную от идеального шара (геоид); неоднородностью Земли, что используется для поиска полезных ископаемых по гравитационным аномалиям." На первый взгляд достаточно убедительные аргументы. При более детальном рассмотрении, становится очевидным, что эти аргументы не объясняют физическую природу явления. В системе отсчета Земли, связанной с центростремительным ускорением в каждой географической точке находятся все компоненты измерения ускорения свободного падения. Поэтому одинаковому воздействию, включая и распределенную массу Земли, и гравитационные аномалии подвергаются как объект измерения, так и измеряемая аппаратура. Следовательно, результат измерения должен быть постоянным, но этого не происходит. Кроме того, неопределенность ситуации вызывают и теоретические расчетные значения ускорения свободного падения на высоте полета МКС - g=8,8 м/с(2). Фактическое значение локальной гравитации на МКС определяются в пределах 10(−3)...10(−1) g, что и определяет невесомость. Неубедительно выглядят и заявления о том, что МКС движется с первой космической скоростью и находится как бы в состоянии свободного падения. А как же тогда геостационарные спутники? При таком расчетном значении g они давно упали бы на Землю. Кроме того, массу любого тела можно определить как количественную и качественную характеристику собственного электрического заряда. Все эти рассуждения приводят к заключению, что природа земной гравитации не зависит от соотношения масс взаимодействующих объектов, а определяется кулоновскими силами электрического взаимодействия поля тяготения Земли. Если мы летим в горизонтальном полете на самолете, на высоте десяти км, то законы гравитации выполняются полностью, но при таком же полете на МКС на высоте 350 км гравитация практически отсутствует. Это означает, что в пределах этих высот существует механизм, позволяющий определиться гравитации, как силе взаимодействия материальных тел. И значение этой силы определяется законом Ньютона. Для человека массой 100кг, сила гравитационного притяжения на уровне земли, без учета атмосферного давления, должна составлять F= 100 х 9,8= 980 н. В соответствии с существующими данными атмосфера Земли представляет собой электрически неоднородную структуру, слоистость которой определяет ионосфера. "Ионосфера (или термосфера) - часть верхней атмосферы Земли, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли. В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F. Слой D В области D (60-90 км) концентрация заряженных частиц составляет Nmax~ 10(2)-10(3) см−3 - это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60-100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь). Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток. Слой Е Область Е (90-120 км) характеризуется плотностями плазмы до Nmax~ 10(5) см−3. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идет очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10(3) см−3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.). Спорадически на высотах 100-110 км возникает слой ES, очень тонкий (0,5-1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (ne~10(5) см−3), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы. Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн. Слой F Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130-140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150-200 км. В дневное время также наблюдается образование „ступеньки" в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F1 (150-200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн. Выше лежащую часть слоя F до 400 км называют слоем F2. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума - N ~ 10(5)-10(6) см−3. На больших высотах преобладают более легкие ионы кислорода (на высоте 400- 1000 км), а еще выше - ионы водорода (протоны) и в небольших количествах - ионы гелия." Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы в середине ХХ века английским ученым Ч. Вильсоном и советским ученым Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, - поляризацией облаков и их взаимодействием с Землей, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов. Обобщение этих теоретических представлений электрического взаимодействия в атмосфере подразумевает рассмотрение вопроса гравитации Земли с точки зрения электростатики. На основании приведенных общеизвестных фактов, можно определить значения гравитационного электрического взаимодействия материальных тел в условиях земного притяжения. Для этого рассмотрим следующую модель. Любое материальное энергетическое тело, находясь в электрическом поле, будет осуществлять определенное кулоновское взаимодействие. В зависимости от внутренней организации электрического заряда, оно будет или притягиваться к одному из электрических полюсов, или находится в состоянии равновесия в пределах этого поля. Степень электрического заряда каждого тела определяется собственной концентрацией свободных электронов (для человека концентрацией эритроцитов). Тогда модель гравитационного взаимодействия земного притяжения можно представить в виде сферического конденсатора, состоящего из двух концентрических полых сфер, радиусы которых определяются радиусом Земли и высотой ионосферного слоя F2. В этом электрическом поле находится человек, или другое материальное тело. Электрический заряд поверхности Земли - отрицательный, ионосферы - положительный по отношению к Земле. Электрический заряд человека по отношению к поверхности Земли - положительный, следовательно, кулоновская сила взаимодействия на поверхности будет всегда притягивать человека к Земле. Наличие ионосферных слоев, подразумевает, что общая электрическая емкость такого конденсатора определяется суммарной емкостью каждого слоя при последовательном подключении: 1/Собщ = 1/С(E)+1/С(F)+1/С(F2). Поскольку проводится ориентировочный инженерный расчет, будем учитывать основные энергетические ионосферные слои, для которых возьмем следующие исходные данные: слой Е - высота 100км, слой F- высота 200км, слой F2-высота 400км. Рассмотрение слоя D и спорадического слоя Es, образующихся в ионосфере в процессе повышенной или пониженной солнечной активности, для простоты рассмотрения учитывать не будем. На рис. 1 показана схема распределения ионосферных слоев атмосферы Земли и электрическая принципиальная схема рассматриваемого процесса.
В электрической схеме на рис 1.а представлено последовательное соединение трех конденсаторов, к которым подведено постоянное напряжение Еобщ. В соответствии с законами электростатики распределение электрических зарядов на пластинах каждого конденсатора С1,С2 и С3 показано условно +/-. На основании этого распределения электрических зарядов возникает в сети локальные напряженности поля, направления которых противоположно общему прикладываемому напряжению. На этих участках сети движение электрических зарядов будет осуществляться в противоположную сторону, относительно Еобщ. На рис 1.б показана схема ионосферных слоев атмосферы Земли, которая полностью описывается электрической схемой последовательного соединения конденсаторов. Силы кулоновского взаимодействия между ионосферными слоями обозначены как Fg. По уровню концентрации электрических зарядов, верхний слой ионосферы F2 является электрически положительным по отношению к поверхности земли. В силу того, что частицы солнечного ветра, обладающие разной кинетической энергией, проникают на всю глубину атмосферы, суммарная сила кулоновского взаимодействия каждого слоя будет определяться векторной суммой общей силы тяготения Fg общ и силой тяготения отдельного ионосферного слоя. Формула расчета емкости сферического конденсатора имеет вид: С= 4х(пи)х е(а)х r1xr2/(r2-r1), где С - емкость сферического конденсатора; r1 - радиус внутренней сферы, равный сумме радиуса Земли 6 371,0 км и высоте нижнего ионосферного слоя; r2 - радиус внешней сферы, равный сумме радиуса Земли и высоте верхнего ионосферного слоя; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Тогда округленные расчетные значения для емкости каждого ионосферного слоя будут иметь следующие значения: С(Е)=47 мкФ, С(F)=46 мкФ, С(F2)=25 мкФ. Общая суммарная емкость ионосферы, с учетом основных слоев будет составлять порядка 12 мкФ. Расстояние между ионосферными слоями гораздо меньше радиуса Земли, следовательно, расчет кулоновской силы, действующей на заряд можно провести по формуле плоского конденсатора: Fg= е(а) х A x U(2) /(2xd(2)), где A - площадь пластины (пи х (Rз+ h)(2)); U - напряжение; d - расстояние между слоями; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Тогда расчетные значения сил кулоновского взаимодействия каждого ионосферного слоя будут иметь следующие значения: Fg(E)= 58х10(-9)х U(2); Fg(F)= 59х10(-9)х U(2); Fg(F1)= 15х10(-9)х U(2); Fgобщ= 3,98х10(-9)х U(2). Определим значение атмосферного напряжения для тела массой 100 кг. Расчетная формула будет иметь следующий вид: F=m x g= Fg(E) + Fgобщ. Подставляя известные значения в эту формулу, получаем величину U= 126 КВ. Следовательно, силы кулоновского взаимодействия ионосферных слоев будут определяться следующими величинами: Fg(E)= 920н; Fg(F)= 936н; Fg(F1)= 238н; Fgобщ= 63н. Пересчитав ускорения свободного падения каждого ионосферного слоя, с учетом Ньютоновского взаимодействия, получим следующие значения: g(E)= +9,83 м/с(2); g(F)= -8,73 м/с(2); g(F1)= - 1,75 м/с(2). Следует отметить, что данные расчетные значения не учитывают собственные параметры атмосферы, а именно давление и сопротивление среды, обусловленные концентрацией молекул кислорода и азота в каждом слое ионосферы. В результате ориентировочного инженерного расчета полученное значение g(F1)= -1,75 м/с(2) которое хорошо согласуется с фактическим значением локальной гравитации на МКС - 10(−3)...10(−1) g. Расхождения в результатах связаны с тем, что крутильные весы, используемые для измерения ускорения свободного падения, не откалиброваны в область отрицательных значений - современная наука этого и не предполагала. Для создания искусственной гравитации необходимо выполнить два условия. Создать электрически изолированную систему в соответствии с требованием теоремы Гаусса, а именно обеспечить циркуляцию вектора напряженности электрического поля по замкнутой сфере и обеспечить внутри этой сферы напряженность электрического поля, необходимую для создания силы кулоновского взаимодействия величиной 1000 н. Расчет величины напряженности поля можно провести по формуле: F= е(а) х A x Е(2) /2, где A - площадь пластины; Е - напряженность электрического поля; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Подставляя данные в формулу, для 10 кв.м получим значение напряженности электрического поля, равную Е= 4,75 х 10(6) В/м. Если высота помещения составляет три метра, то для обеспечения расчетной напряженности необходимо подать постоянное напряжение на пол-потолок величиной U= E x d = 14,25 МВ. При силе тока в 1 А, необходимо обеспечить сопротивление пластин такого конденсатора величиной 14,25 МОм. Изменяя величину напряжения, можно получить разные параметры гравитации. Порядок расчетных величин показывает, что разработка систем искусственной гравитации является реальным делом. Правы были древние греки: "Смотря на мир, открой глаза...". Только такой ответ можно дать по случаю природы земной гравитации. Уже 200 лет как человечество активно изучает законы электростатики, включая закон Кулона и теорему Гаусса. Формула сферического конденсатора практически освоена уже давно. Осталось только открыть глаза на окружающий мир и начать ее применять для объяснения, казалось бы невозможного. А вот когда мы все поймем, что искусственная гравитация это реальность, тогда и вопросы коммерческого использования космических полетов станут актуальными и окажутся прозрачными для понимания.
г. Москва, апрель 2011г. Бражник Г.Н.

Даже человек, не интересующийся космосом, хоть раз видел фильм о космических путешествиях или читал о таких вещах в книгах. Практически во всех подобных произведениях люди ходят по кораблю, нормально спят, не испытывают проблем с приемом пищи. Это означает, что на этих - выдуманных - кораблях имеется искусственная гравитация. Большинство зрителей воспринимает это как нечто совершенно естественное, а ведь это совсем не так.

Искусственная гравитация

Так называют изменение (в любую сторону) привычной для нас гравитации путем применения различных способов. И делается это не только в фантастических произведениях, но и во вполне реальных земных ситуациях, чаще всего, для экспериментов.

В теории создание искусственной гравитации выглядит не так сложно. К примеру, воссоздать ее можно при помощи инерции, точнее, Потребность в этой силе возникла не вчера - произошло это сразу, как только человек начал мечтать о длительных космических перелетах. Создание искусственной гравитации в космосе даст возможность избежать множества проблем, возникающих при продолжительном нахождении в невесомости. У космонавтов слабеют мускулы, кости становятся менее прочными. Путешествуя в таких условиях месяцы, можно получить атрофию некоторых мышц.

Таким образом, на сегодняшний день создание искусственной гравитации - задача первостепенной важности, без этого умения просто невозможно.

Матчасть

Даже те, кто знают физику лишь на уровне школьной программы, понимают, что гравитация - один из фундаментальных законов нашего мира: все тела взаимодействуют друг с другом, испытывая взаимное притяжение/отталкивание. Чем больше тело, тем выше его сила притяжения.

Земля для нашей реальности - объект очень массивный. Именно поэтому все без исключения тела вокруг к ней притягиваются.

Для нас это означает которое принято измерять в g, равное 9.8 метра за квадратную секунду. Это значит, что если бы под ногами у нас не было опоры, мы бы падали со скоростью, ежесекундно увеличивающейся на 9.8 метра.

Таким образом, только благодаря гравитации мы способны стоять, падать, нормально есть и пить, понимать, где находится верх, где низ. Если притяжение исчезнет - мы окажемся в невесомости.

Особенно хорошо знакомы с этим феноменом космонавты, оказывающиеся в космосе в состоянии парения - свободного падения.

Теоретически ученые знают, как создать искусственную гравитацию. Существует несколько методик.

Большая масса

Самый логичный вариант - сделать настолько большим, чтобы на нем возникала искусственная гравитация. На корабле можно будет чувствовать себя комфортно, поскольку не будет потеряна ориентация в пространстве.

К сожалению, этот способ при современном развитии технологий нереален. Чтобы соорудить такой объект, требуется слишком много ресурсов. Кроме того, для его подъема потребуется невероятное количество энергии.

Ускорение

Казалось бы, если требуется достичь g, равного земному, нужно всего лишь придать кораблю плоскую (платформообразную) форму, и заставить его двигаться по перпендикуляру к плоскости с нужным ускорением. Таким путем будет получена искусственная гравитация, причем - идеальная.

Однако в реальности все гораздо сложнее.

В первую очередь стоит учесть топливный вопрос. Для того чтобы станция постоянно ускорялась, необходимо иметь бесперебойный источник питания. Даже если внезапно появится двигатель, не выбрасывающий материю, закон сохранения энергии останется в силе.

Вторая проблема заключается в самой идее постоянного ускорения. Согласно нашим знаниям и физическим законам, невозможно ускоряться до бесконечности.

Кроме того, такой транспорт не подходит для исследовательских миссий, поскольку он должен постоянно ускоряться - лететь. Он не сможет остановиться для изучения планеты, он даже медленно пролететь вокруг нее не сможет - надо ускоряться.

Таким образом, становится ясно, что и такая искусственная гравитация нам пока недоступна.

Карусель

Каждый знает, как вращение карусели воздействует на тело. Поэтому устройство искусственной гравитации по этому принципу кажется наиболее реальным.

Все, что находится в диаметре карусели, стремится выпасть из нее со скоростью, примерно равной скорости вращения. Выходит, что на тела действует сила, направленная вдоль радиуса вращающегося объекта. Это очень похоже на гравитацию.

Итак, требуется корабль, имеющий цилиндрическую форму. При этом он должен вращаться вокруг своей оси. Между прочим, искусственная гравитация на космическом корабле, созданная по этому принципу, достаточно часто демонстрируется в научно-фантастических фильмах.

Бочкообразный корабль, вращаясь вокруг продольной оси, создает центробежную силу, направление которой соответствует радиусу объекта. Чтобы вычислить получаемое ускорение, требуется разделить силу на массу.

В этой формуле результат расчетов - ускорение, первая переменная - узловая скорость (измеряется в количестве радиан в секунду), вторая - радиус.

Согласно этому, для получения привычной нам g, необходимо грамотно сочетать и радиус космического транспорта.

Подобная проблема освещена в таких фильмах, как «Интерсолах», «Вавилон 5», «2001 год: Космическая одиссея» и подобных им. Во всех этих случаях искусственная гравитация приближена к земному ускорению свободного падения.

Как бы ни была хороша идея, реализовать ее достаточно сложно.

Проблемы метода «карусель»

Самая очевидная проблема освещена в «Космической одиссее». Радиус «космического перевозчика» составляет порядка 8 метров. Для того чтобы получить ускорение в 9.8, вращение должно происходить со скоростью, примерно, 10.5 оборота ежеминутно.

При указанных величинах проявляется «эффект Кориолиса», который заключается в том, что на различном удалении от пола действует разная сила. Она напрямую зависит от угловой скорости.

Выходит, искусственная гравитация в космосе создана будет, однако слишком быстрое вращение корпуса приведет к проблемам с внутренним ухом. Это, в свою очередь, вызывает нарушения равновесия, проблемы с вестибулярным аппаратом и прочие - аналогичные - трудности.

Возникновение этой преграды говорит о том, что подобная модель крайне неудачная.

Можно попробовать пойти от обратного, как поступили в романе «Мир-Кольцо». Тут корабль выполнен в форме кольца, радиус которого приближен к радиусу нашей орбиты (порядка 150 млн км). При таком размере скорости его вращения вполне достаточно, чтобы игнорировать эффект Кориолиса.

Можно предположить, что проблема решена, однако это совсем не так. Дело в том, что полный оборот этой конструкции вокруг своей оси занимает 9 дней. Это дает возможность предположить, что нагрузки окажутся слишком велики. Для того чтобы конструкция их выдержала, необходим очень крепкий материал, которым на сегодняшний день мы не располагаем. Кроме того, проблемой является количество материала и непосредственно процесс постройки.

В играх подобной тематики, как и в фильме «Вавилон 5», эти проблемы каким-то образом решены: вполне достаточна скорость вращения, эффект Кориолиса не существенен, гипотетически создать такой корабль возможно.

Однако даже такие миры имеют недостаток. Зовут его - момент импульса.

Корабль, вращаясь вокруг оси, превращается в огромный гироскоп. Как известно, заставить гироскоп отклониться от оси крайне сложно благодаря Важно, чтобы его количество не покидало систему. Это означает, что задать направление этому объекту будет очень сложно. Однако такую проблему решить можно.

Решение проблемы

Искусственная гравитация на космической станции становится доступной, когда на помощь приходит «цилиндр О’Нила». Для создания этой конструкции необходимы одинаковые цилиндрические корабли, которые соединяют вдоль оси. Вращаться они должны в разные стороны. Результатом такой сборки является нулевой момент импульса, поэтому не должно возникнуть трудностей с приданием кораблю необходимого направления.

Если возможно сделать корабль радиусом порядка 500 метров, то он будет работать именно так, как и должен. При этом искусственная гравитация в космосе будет вполне комфортной и пригодной для длительных перелетов на кораблях или исследовательских станциях.

Space Engineers

Как создать искусственную гравитацию, известно создателям игры. Впрочем, в этом фантастическом мире гравитация - это не взаимное притяжение тел, но линейная сила, призванная ускорить предметы в заданном направлении. Притяжение тут не абсолютно, оно изменяется при перенаправлении источника.

Искусственная гравитация на космической станции создается путем использования специального генератора. Она равномерна и равнонаправленна в зоне действия генератора. Так, в реальном мире, попав под корабль, в котором установлен генератор, вы бы были притянуты к корпусу. Однако в игре герой будет падать до тех пор, пока не покинет периметр действия устройства.

На сегодняшний день искусственная гравитация в космосе, созданная таким устройством, для человечества недоступна. Однако даже убеленные сединами разработчики не перестают мечтать о ней.

Сферический генератор

Это более реалистичный вариант оборудования. При его установке гравитация имеет направление к генератору. Это дает возможность создать станцию, гравитация которой будет равна планетарной.

Центрифуга

Сегодня искусственная гравитация на Земле встречается в различных устройствах. Основаны они, большей частью, на инерции, поскольку эта сила ощущается нами аналогично гравитационному воздействию - организм не различает, какая причина вызывает ускорение. Как пример: человек, поднимающийся в лифте, испытывает на себе воздействие инерции. Глазами физика: подъем лифта добавляет к ускорению свободного падения ускорение кабины. При возвращении кабины к размеренному движению «прибавка» в весе исчезает, возвращая привычные ощущения.

Ученых давно интересует искусственная гравитация. Центрифуга используется для этих целей чаще всего. Этот метод подходит не только для космических кораблей, но и для наземных станций, в которых требуется изучать воздействие гравитации на человеческий организм.

Изучить на Земле, применять в…

Хотя изучение гравитации началось из космоса, это очень земная наука. Даже на сегодняшний день достижения в этой сфере нашли свое применение, например, в медицине. Зная, возможно ли создать искусственную гравитацию на планете, можно использовать ее для лечения проблем с двигательным аппаратом или нервной системы. Более того, изучением этой силы занимаются прежде всего на Земле. Это дает возможность космонавтам проводить эксперименты, оставаясь под пристальным вниманием врачей. Другое дело искусственная гравитация в космосе, там нет людей, способных помочь космонавтам при возникновении непредвиденной ситуации.

Имея в виду полную невесомость, нельзя брать в расчет спутник, находящийся на околоземной орбите. На эти объекты, пусть и в малой степени, воздействует земное притяжение. Силу тяжести, образующуюся в таких случаях, называют микрогравитацией. Реальную гравитацию испытывают только в аппарате, летящем с постоянной скоростью в открытом космосе. Впрочем, человеческий организм эту разницу не ощущает.

Испытать на себе невесомость можно при затяжном прыжке (до того, как купол раскроется) или во время параболического снижения самолета. Такие эксперименты часто ставят в США, но в самолете это ощущение длится только 40 секунд - это слишком мало для полноценного изучения.

В СССР еще в 1973 году знали, можно ли создать искусственную гравитацию. И не просто создавали ее, но и в некотором роде изменяли. Яркий пример искусственного уменьшения силы тяжести - сухое погружение, иммерсия. Для достижения необходимого эффекта требуется положить плотную пленку на поверхность воды. Человек размещается поверх нее. Под тяжестью тела организм погружается под воду, наверху остается лишь голова. Эта модель демонстрирует безопорность с пониженной гравитацией, которая характерна для океана.

Нет необходимости отправляться в космос, чтобы ощутить на себе воздействие противоположной невесомости силы - гипергравитации. При взлете и посадке космического корабля, в центрифуге перегрузку можно не только ощутить, но и изучить.

Лечение гравитацией

Гравитационная физика изучает в том числе и воздействие невесомости на организм человека, стремясь минимизировать последствия. Однако большое количество достижений этой науки способно пригодиться и обычным жителям планеты.

Большие надежды медики возлагают на исследования поведения мышечных ферментов при миопатии. Это тяжелое заболевание, ведущее к ранней смерти.

При активных физических занятиях в кровь здорового человека поступает большой объем фермента креатинофосфокиназы. Причина этого явления неясна, возможно, нагрузка воздействует на мембрану клеток таким образом, что она «дырявится». Больные миопатией получают тот же эффект без нагрузок. Наблюдения за космонавтами показывают, что в невесомости поступление активного фермента в кровь значительно снижается. Такое открытие позволяет предположить, что применение иммерсии позволит снизить негативное воздействие приводящих к миопатии факторов. В данный момент проводятся опыты на животных.

Лечение некоторых болезней уже сегодня проводится с использованием данных, полученных при изучении гравитации, в том числе искусственной. К примеру, проводится лечение ДЦП, инсультов, Паркинсона путем применения нагрузочных костюмов. Практически закончены исследования положительного воздействия опоры - пневматического башмака.

Полетим ли на Марс?

Последние достижения космонавтов дают надежду на реальность проекта. Имеется опыт медицинской поддержки человека при длительном нахождении вдали от Земли. Много пользы принесли и исследовательские полеты к Луне, сила гравитации на которой в 6 раз меньше нашей родной. Теперь космонавты и ученые ставят перед собой новую цель - Марс.

Прежде чем вставать в очередь за билетом на Красную планету, следует знать, что ожидает организм уже на первом этапе работы - в пути. В среднем дорога к пустынной планете займет полтора года - около 500 суток. Рассчитывать в пути придется только на свои собственные силы, помощи ждать просто неоткуда.

Подтачивать силы будут множество факторов: стресс, радиация, отсутствие магнитного поля. Самое главное же испытание для организма - изменение гравитации. В путешествии человек «ознакомится» с несколькими уровнями гравитации. В первую очередь это перегрузки при взлете. Затем - невесомость во время полета. После этого - гипогравитация в месте назначения, т. к. сила тяжести на Марсе менее 40% земной.

Как справляются с отрицательным воздействием невесомости в длительном перелете? Есть надежда, что разработки в области создания искусственной гравитации помогут решить этот вопрос в недалеком будущем. Опыты на крысах, путешествующих на «Космос-936» показывают, что этот прием не решает всех проблем.

Опыт ОС показал, что гораздо больше пользы для организма способно принести применение тренажерных комплексов, способных определить необходимую нагрузку для каждого космонавта индивидуально.

Пока считается, что на Марс полетят не только исследователи, но и туристы, желающие основать колонию на Красной планете. Для них, во всяком случае первое время, ощущения от нахождения в невесомости перевесят все доводы медиков о вреде длительного нахождения в таких условиях. Однако через несколько недель помощь потребуется и им, поэтому так важно суметь найти способ создать на космическом корабле искусственную гравитацию.

Итоги

Какие выводы можно сделать о создании искусственной гравитации в космосе?

Среди всех рассматриваемых в данный момент вариантов наиболее реалистично выглядит вращающаяся конструкция. Однако при нынешнем понимании физических законов это невозможно, поскольку корабль - это не полый цилиндр. Внутри него имеются перекрытия, мешающие воплощению идей.

Кроме того, радиус корабля должен быть настолько большим, чтобы эффект Кориолиса не оказывал существенного влияния.

Чтобы управлять чем-то подобным, требуется упомянутый выше цилиндр О’Нила, который даст возможность управлять кораблем. В этом случае повышаются шансы применения подобной конструкции для межпланетных перелетов с обеспечением команды комфортным уровнем гравитации.

До того как человечеству удастся претворить свои мечты в жизнь, хотелось бы видеть в фантастических произведениях чуточку большей реалистичности и еще большего знания законов физики.

В последнее время появилось много работ, в которых авторы анализируют возможные последствия длительного пребывания человека в необычном для него состоянии невесомости. Обсуждается, естественно, и проблема создания искусственной гравитации на космическом корабле (под гравитацией понимается действие сил ). В условиях Земли человек ощущает невесомость, как известно, лишь при свободном падении или при полете на самолете по параболической траектории (траектория Кеплера), когда ускорение движения равно ускорению силы тяжести. Все иные способы, например, погружение человека в жидкость, позволяют лишь частично воспроизвести некоторые изменения в функциях организма, возникающие при невесомости.

Часто понятие невесомости и нулевого гравитационного поля отождествляют. На самом же деле между ними есть принципиальное различие, которое можно пояснить следующим образом. Нулевое гравитационное поле (или нулевая гравитация) возможно лишь в отдельных точках космического пространства, где силы притяжения двух или нескольких небесных тел взаимно уравновешиваются. В таких точках невесомость статическая. Любое тело помещенное в такую точку космического пространства, не будет ничего весить.

Динамическая невесомость может возникнуть в любых других точках гравитационного поля, когда сила тяжести уравновешивается центробежной силой. Невесомость этого рода возникает, например, при вращении искусственного спутника Земли по круговой или эллиптической орбите.

Американский ученый Э. Джонс приводит некоторые расчеты, относящиеся к полету космического корабля с Земли на Луну. Выбранная автором траектория полета имеет длину 384 тысячи километров. Примерно через семь часов после старта корабль достигает второй космической скорости и летит с этой скоростью в течение пяти часов, пока не попадет в сферу притяжения Луны. На расстоянии в 350 тысяч километров от Земли корабль проходит точку статической невесомости. На последнем этапе полета продолжительностью около семи часов разность гравитационных сил Земли и Луны будет составлять лишь тысячные доли силы нашего привычного земного тяготения.

Из этого примера следует, что в межпланетном полете на человека могут действовать лишь незначительные гравитационные силы, и он практически будет испытывать состояние статической невесомости.

Исследования влияния невесомости, проведенные при полетах американских космонавтов, показали, что организм человека может приспосабливаться к состоянию относительно кратковременной невесомости. Люди могут находиться в ней без существенных нарушений в системах организма. Однако это приспособление не во всех случаях достаточно совершенно. Кроме того, ученые пока не знают, как перенесет человек длительную невесомость - недели, месяцы. Есть основания думать, что в таких случаях возможны вегетативно-вестибулярные расстройства, которые примут форму болезни укачивания. (А еще интересно как в условиях искусственной гравитации и невесомости люди смогут осуществлять разные привычные действия, например, ту же заправку картриджей, хотя наверняка специалисты, которых можно найти по ссылке tend.kiev.ua/zapravka-kartridzhej/ смогут профессионально заправить картридж и в условиях невесомости).

Резкое снижение мышечной деятельности и уменьшение потребности в энергии могут привести в длительном космическом полете к мышечной адинамии. Невесомость резко снижает нагрузку на сердечнососудистую систему, поскольку отпадает нужда в мышечной работе и облегчается работа сердца по перемещению крови в кровяном русле. Это, в свою очередь, вызывает изменение обменных процессов. Следствием всего этого будет уменьшение потока информации, поступающей в мозговые центры от костно-мышечного аппарата и внутренних органов. А это может сказаться на нервно-психических реакциях космонавта.

Резкие смены условий гравитации могут оказать особенно вредное воздействие на организм, ослабленный адинамией, при возвращении космонавта на Землю и входе в плотные слои атмосферы.

Отмечено, что у американских космонавтов Шепарда, Гриссома и Гленна на этапе перехода от состояния невесомости к перегрузкам наблюдалось резкое учащение пульса, повышение температуры и кровяного давления. У Карпентера эти явления были наиболее продолжительными. Длительная невесомость, по-видимому, будет снижать работоспособность космонавтов и вследствие того, что при таком состоянии затрудняется передвижение по космическому кораблю, ведение ремонтно-монтажных работ, связанных с применением инструментов. Невесомость создает ряд проблем, затрудняющих обслуживание корабля, она делает непригодными открытые контейнеры и камеры для хранения предметов. Из-за нее в кабине корабля будут свободно плавать пыль, грязь и т. д. В целом невесомость может создать серьезные трудности при полете человека на Луну, Венеру и другие планеты.

Начиная с К. Э. Циолковского (1911 г.), многие ученые (Оберт, Браун и др.) считали, что лучшей защитой космонавта от неблагоприятного действия невесомости может служить искусственная гравитация.

Чтобы понять сущность искусственной гравитации, следует иметь в виду, что на человека, когда он идет на земле, кроме сил, действие которых он отчетливо ощущает (например, сила тяжести, сила трения и др.), действуют еще силы, которые настолько малы, что он их не замечает. К ним относятся центробежная и кориолисова силы инерции. Причиной возникновения этих сил является вращение Земли.

Предположим, что основанием, на котором стоит человек, является не Земля, а внутренняя стенка космического корабля. Если этот корабль будет вращаться вокруг оси симметрии, то на человека будет действовать центробежная сила, которая прижмет его к полу, так же как сила тяжести прижимает человека к Земле. Все части человеческого тела обретут вес, так же как и все предметы, находящиеся на космическом корабле.

Посмотрим, однако, все ли при этом будет так, как на Земле. Оказывается, что нет. Величина центробежной силы зависит от радиуса вращения. А голова и руки человека, стоящего на «полу» кабины космического корабля, ближе к оси вращения, чем ноги. Следовательно, центробежная сила, заменяющая в данном случае силу тяжести, будет непрерывно нарастать в направлении от головы к ногам. Поэтому двигать ногами будет труднее, чем головой и руками. Эту разность величин центробежной силы, действующей на голову и ноги человека, называют гравитационным градиентом.

Чем меньше радиус вращения, тем ощутимее для человека этот градиент. Однако пока нет никаких экспериментальных данных о действии гравитационного градиента. Некоторые исследователи (Пенн, Дол и др.) считают, что разность величин центробежной силы, действующей на голову и ноги человека (в расчете на единицу массы), не должна превышать 15 процентов максимальной величины этой силы. Тогда, если принять, что рост человека равен 1,8 метра, радиус вращения кабины космического корабля должен быть не меньше 12 метров.

Предположим теперь, что человек не стоит на месте, а идет по космическому кораблю. Тогда, кроме центробежной силы, на него начнет действовать кориолисова сила инерции. Человек обязательно почувствует это, так как угловая скорость вращения корабля гораздо больше угловой скорости вращения Земли.

Если человек поднимается по лестнице внутри космического корабля, то кориолисова сила инерции будет стремиться сместить его вправо, если же он опускается, то кориолисова сила будет стремиться сдвинуть его влево. Если же человек будет двигаться в сторону вращения корабля, то сила Кориолиса будет прижимать его к полу, если же он будет двигаться против вращения, то сила инерции будет стремиться его приподнять. Только если человек будет перемещаться параллельно оси вращения корабля, он будет избавлен от действия этой столь непривычной для него силы.

Я не знаю, откуда я пришел, куда иду и даже кто я такой.

Э. Шредингер

В ряде работ отмечался интересный эффект, который заключался в изменении веса предметов при наличии вращающихся масс. Изменение веса происходило вдоль оси вращения массы. В работах Н. Козырева наблюдалось изменение веса вращающегося гироскопа. Причём, в зависимости от направления вращения ротора гироскопа, происходило либо уменьшение, либо увеличение веса самого гироскопа. В работе Е. Подклетнова наблюдалось уменьшение веса предмета расположенного над сверхпроводящим вращающимся диском, который находился в магнитном поле. В работе В. Рощина и С. Година уменьшался вес массивного вращающегося диска из магнитного материала, который сам являлся источником магнитного поля.

В этих экспериментах можно выделить один общий фактор – наличие вращающейся массы.

Вращение присуще всем объектам нашей Вселенной, от микромира до макромира. Элементарные частицы обладают собственным механическим моментом – спином, все планеты, звёзды, галактики также вращаются вокруг своей оси. Другими словами – вращение любого материального объекта вокруг своей оси является его неотъемлемым свойством. Возникает закономерный вопрос: какая причина вызывает такое вращение?

Если верна гипотеза о хронополе и его воздействии на пространство , то можно допустить, что расширение пространства происходит за счёт его вращения под воздействием хронополя. Т. е. хронополе в нашем трёхмерном мире расширяет пространство, из области подпространства в область надпространства, раскручивая его по строго определённой зависимости.

Как уже отмечалось , при наличии гравитационной массы, энергия хронополя уменьшается, пространство расширяется медленнее, что и приводит к появлению гравитации. По мере удаления от гравитационной массы энергия хронополя возрастает, скорость расширения пространства увеличивается, а гравитационное воздействие уменьшается. Если в какой-либо области вблизи гравитационной массы каким-либо образом увеличить или уменьшить скорость расширения пространства, то это приведёт к изменению веса предметов, расположенных в этой области.

Вполне вероятно, что эксперименты с вращающимися массами и вызвали такое изменение скорости расширения пространства. Пространство каким-то образом взаимодействует с вращающейся массой. При достаточно высокой скорости вращения массивного предмета можно увеличить или уменьшить скорость расширения пространства и, соответственно, изменить вес предметов расположенных вдоль оси вращения.

Автором была предпринята попытка, проверить экспериментально высказанное предположение. В качестве вращающейся массы был взят авиационный гироскоп. Схема эксперимента соответствовала эксперименту Е. Подклетнова . Грузы из материалов различной плотности уравновешивались на аналитических весах с точностью измерения до 0,05 мг. Вес грузов составлял 10 гр. Под чашкой весов с грузом размещался гироскоп, который вращался с достаточно большой скоростью. Частота тока питания гироскопа составляла 400 Гц. Использовались гироскопы различной массы с различными моментами инерции. Максимальный вес ротора гироскопа достигал 1200 г. Вращение гироскопов проводилось как по часовой, так и против часовой стрелки.

Длительные эксперименты со второй половины марта по август 2002 года не дали положительных результатов. Иногда наблюдались незначительные отклонения веса в пределах одного деления. Их можно было отнести к погрешностям, возникающих за счёт вибраций или других, каких-либо внешних воздействий. Однако, характер этих отклонений был однозначным. При вращении гироскопа против часовой стрелки наблюдалось уменьшение веса, а по часовой – увеличение.

Во время эксперимента изменялось положение гироскопа, направление его оси, под различными углами к горизонту. Но и это не дало никаких результатов.

В своей работе Н. Козырев отмечал, что изменение веса гироскопа можно было обнаружить поздней осенью и зимой и даже в этом случае показания изменялись в течении дня. Очевидно, это связано с положением Земли относительно Солнца. Свои эксперименты Н. Козырев проводил в Пулковской обсерватории, которая расположена около 60° северной широты. В зимнее время года положение Земли относительно Солнца таково, что направление действия силы тяжести на этой широте почти перпендикулярно плоскости эклиптики (7°) в дневное время. Т.е. ось вращения гироскопа была практически параллельна оси плоскости эклиптики. В летнее время, для получения результата, эксперимент надо было попробовать проводить ночью. Возможно та же причина не позволила повторить эксперимент Е. Подклетнова в других лабораториях.

На широте г. Житомира (около 50° северной широты), где проводились эксперименты автором, угол между направлением силы тяжести и перпендикуляром к плоскости эклиптики составляет в летнее время почти 63°. Возможно по этой причине и наблюдались только незначительные отклонения. Но возможно и то, что воздействие оказывалось и на уравновешивающие грузы. В этом случае, разница в весе проявлялась за счёт различного расстояния от взвешиваемого и уравновешивающего грузов до гироскопа.

Можно представить следующий механизм изменения веса. Вращение гравитационных масс и других объектов и систем во Вселенной происходит под воздействием хронополя. Но вращение происходит вокруг какой-то одной оси, положение которой в пространстве зависит от каких-то факторов, пока нам неизвестных. Соответственно, в присутствии таких вращающихся объектов, расширение пространства под воздействием хронополя приобретает направленный характер. То есть в направлении оси вращения системы расширение пространства будет происходить быстрее, чем в каком-либо другом направлении.

Пространство можно представить в виде квантового газа, который заполняет всё даже внутри атомного ядра. Между пространством и материальными объектами, внутри которых оно расположено, существует взаимодействие, которое может усиливаться под воздействием внешних факторов, например при наличии магнитного поля. Если вращающаяся масса располагается в плоскости вращения гравитационной системы и вращается в ту же сторону с достаточно высокой скоростью, то вдоль оси вращения пространство будет расширяться быстрее за счёт взаимодействия пространства и вращающейся массы. Когда направления действия силы тяжести и расширения пространства совпадает, то вес предметов будет уменьшаться. При противоположном вращении, расширение пространства будет замедляться, что приведёт к увеличению веса.

В тех случаях, когда направления действия силы тяжести и расширения пространства не совпадают, результирующая сила изменяется незначительно и её трудно зарегистрировать.

Вращающаяся масса будет изменять напряжённость гравитационного поля в конкретном месте. В формуле для напряжённости гравитационного поля g = (G · M ) / R 2 гравитационная постоянная G и масса Земли М не могут меняться. Следовательно, изменяется величина R – расстояние от центра Земли до взвешиваемого предмета. За счёт дополнительного расширения пространства эта величина возрастает на ΔR . Т. е. груз как бы поднимается над поверхностью Земли на эту величину, что и приводит к изменению напряжённости гравитационного поля g" = (G · M ) / (R + ΔR ) 2 .

В случае замедлении расширения пространства, величина ΔR будет вычитаться из R , что приведёт к увеличению веса.

Эксперименты с изменением веса в присутствии вращающейся массы не позволяют достичь высокой точности измерения. Возможно, скорости вращения гироскопа не достаточно для заметного изменения веса, так как дополнительное расширение пространства весьма не значительно. Если подобные эксперименты провести с квантовыми часами, то можно достичь более высокой точности измерения, сравнивая показания двух часов. В области, где пространство расширяется быстрее, возрастает напряжённость хронополя, и часы будут иметь ускоренный ход и наоборот.

Источники информации:

1. Kozyrev N.A. On the possibility of experimental investigation of the properties of time. // Time in Science and Philosophy. Praga, 1971. P. 111...132.
2. Рощин В.В, Годин С.М. Экспериментальное исследование нелинейных эффектов в динамической магнитной системе . , 2001.
3. Юмашев В.Е.

Даже если вам не особо интересна тема космоса, шансы на то, что вы видели его в фильмах, читали о нем в книгах или играли в игры, где космическая тема занимала бы важное место, весьма высоки. При этом в большинстве из произведений есть один момент, который, как правило, воспринимается как нечто само собой разумеющееся - гравитация на космическом корабле. Но так ли это просто и очевидно, как кажется на первый взгляд?

Для начала немного матчасти. Если не углубляться в физику дальше школьного курса (а его нам сегодня будет вполне достаточно), то гравитация - это фундаментальное взаимодействие тел, благодаря которому все они притягивают друг друга. Более массивные притягивают сильнее, менее массивные - слабее.

Матчасть

В нашем случае важно следующее. Земля является массивным объектом, поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, компьютер, с которого вы это читаете - все это притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и фактически никогда не задумываемся о таких, казалось бы, мелочах. Главным следствием притяжения Земли для нас является ускорение свободного падения , также известное как g , и равное 9,8 м/с². Т.е. любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 м/с скорости каждую секунду.

Именно благодаря этому эффекту мы можем ровно стоять на ногах, иметь понятия «верх» и «низ», ронять вещи на пол, etc. В действительности очень многие виды человеческой активности бы сильно видоизменились, если бы забрать притяжение Земли.

Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Им приходится заново учиться делать очень много вещей, начиная от того, как они пьют, заканчивая походами по различным физиологическим нуждам. Вот несколько примеров.

При этом во множестве фильмов, сериалов, игр и прочих произведений Sci-Fi искусства гравитация на космических кораблях «просто есть». Ее воспринимают как должное и зачастую даже не удосуживаются объяснять. А если и объясняют, то как-то неубедительно. Чем-то вроде «генераторов гравитации», принцип работы которых мистичен чуть больше, чем полностью, так что фактически такой подход мало отличается от «гравитация на корабле просто есть ». Как мне кажется, не объяснять совсем как-то честнее.

Теоретические модели искусственной гравитации

Но все это вовсе не значит, что искусственную гравитацию никто не пытается объяснить совсем. Если порассуждать, то достичь ее можно несколькими способами.

Много массы

Первый и самый «правильный» вариант - это сделать корабль очень массивным. «Правильным» же такой способ можно считать потому, что именно гравитационное взаимодействие будет обеспечивать необходимый эффект.

При этом нереальность данного способа, думаю, очевидна. Для такого корабля нужно будет очень много материи. Да и с распределением гравитационного поля (а нам оно нужно равномерное) надо будет что-то решать.

Постоянное ускорение

Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g ? Таким образом нужный эффект несомненно будет достигнут.

Но есть несколько очевидных проблем. Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никто не отменял.

Вторая проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Во-первых, согласно нашим нынешним представлениям о физических законах, ускоряться вечно нельзя. Теория относительности сильно против. Во-вторых, даже если кораблю и менять направление периодически, то для обеспечения искусственной гравитации ему постоянно нужно будет куда-то лететь. Т.е. ни о каких зависаниях вблизи планет не может быть и речи. Корабль будет вынужден вести себя как землеройка, которая если остановится, то умрет. Так что такой вариант нам не подходит.

Карусель-карусель

А вот тут уже начинается самое интересное. Уверен, что каждый из читающих представляет себе, как работает карусель и какие эффекты может испытывать человек, в ней находящийся. Все, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. С точки зрения карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса. Вполне себе «гравитация».

Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси . Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике, так что мир Sci-Fi не так и безнадежен в плане объяснения искусственной гравитации.

Итак, еще немного физики. При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. В результате несложных вычислений (поделив силу на массу) мы получаем искомое ускорение. Считается все это дело по незамысловатой формуле:

a=ω²R,

где a — ускорение, R — радиус вращения, а, ω — угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду. Радиан это примерно 57,3 градуса.

Что же нам нужно получить для нормальной жизни на нашем воображаемом космическом крейсере? Нам необходима такая комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чтобы их произведение давало в итоге 9,8 м/с².

Нечто подобное мы могли видеть во множестве произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика , сериал «Вавилон 5» , нолановский « » , роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена , вселенная и другие. Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g , так что все получается вполне логичным. Однако и в этих моделях существуют проблемы.

Проблемы в «карусели»

Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на «Космической одиссее» . Радиус корабля составляет примерно 8 метров. Несложными вычислениями получаем, что для достижения ускорения равного g потребуется угловая скорость в примерно 1,1 рад/с, что равняется примерно 10,5 оборотам в минуту.

При таких параметрах получается, что в силу вступает эффект Кориолиса . Если не углубляться в технические подробности, то проблема в том, что на разной «высоте» от пола на движущиеся тела будет действовать разная сила. И зависит она от угловой скорости. Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем себе позволить вращать корабль слишком быстро, поскольку это чревато проблемами, начиная от внезапных неинтуитивных падений, заканчивая проблемами с вестибулярным аппаратом. А с учетом вышеупомянутой формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля. Поэтому модель космической одиссеи отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями из «Интерстеллара» , хотя там с цифрами все не так очевидно.

Вторая проблема находится, так сказать, с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким образом, получается, что вращается он с вполне удовлетворительной скоростью, чтобы эффект Кориолиса был незаметен для человека. Все, казалось бы, сходится, но есть и одно но . Чтобы создать такую конструкцию понадобится невероятно крепкий материал, который должен будет выдержать огромные нагрузки, ведь один оборот должен занимать около 9 дней. Как обеспечить достаточную прочность такой конструкции человечеству неизвестно. Не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и все это дело построить.

Мир-Кольцо

В случае с Halo или «Вавилон 5» все предыдущие проблемы вроде как бы отсутствуют. И скорость вращения достаточная для того, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль в принципе реально (хотя бы теоретически). Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему - момент импульса.

Станция из Вавилона 5

Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси, как известно, довольно сложно. Все именно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А это значит, что лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело. Но и эта проблема решаема.

Как должно быть

Называется это решение «цилиндр О’Нила» . Конструкция его довольно проста. Мы берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенных вдоль оси, каждый из которых вращается в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, а, значит, проблем с направлением корабля в нужном направлении быть не должно. При радиусе корабля примерно в 500 м (как в Вавилоне 5) или больше все должно работать как надо.

Итого

Итак, какие же мы можем сделать выводы о том, как должна быть реализована искусственная гравитация в космических кораблях? Из всех реализаций, что предложены в различного рода произведениях, самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб (как часто рисуют в различном Sci-Fi), учитывая наши современные понимания законов физики, не представляется возможным

Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был достаточно незначительным, чтобы не влиять на человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и Вавилон 5 .

Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила - две «бочки», вращающиеся в разном направлении, чтобы обеспечить нулевой суммарный момент импульса для системы. Это позволит осуществлять адекватное управление кораблем.

Итого мы имеем вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями. И до того момента, как мы сможем реально построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы создатели игр, фильмов, книг и других произведений о космосе уделяли бы больше внимания физической реалистичности.

Мы обитаем в Яндекс.Дзене , попробуй. Есть канал в Telegram . Подпишись, нам будет приятно, а тебе удобно 👍 Meow!