Čak i osoba koja ne zanima svemir je ikada gledala film o svemirskim putovanjima ili čitala o takvim stvarima u knjigama. U gotovo svim takvim radovima ljudi hodaju po brodu, normalno spavaju i nemaju problema s prehranom. To znači da ti - izmišljeni - brodovi imaju umjetnu gravitaciju. Većina gledatelja ovo doživljava kao nešto sasvim prirodno, ali uopće nije.
Umjetna gravitacija
Ovo je naziv promjene (u bilo kojem smjeru) gravitacije koja nam je poznata primjenom različitih metoda. I to se ne radi samo u fantastičnim djelima, već iu vrlo stvarnim zemaljskim situacijama, najčešće za eksperimente.
U teoriji, stvaranje umjetne gravitacije ne izgleda tako teško. Na primjer, može se ponovno stvoriti uz pomoć inercije, točnije, centrifugalne sile. Potreba za ovom snagom nije se pojavila jučer - to se dogodilo odmah, čim je osoba počela sanjati o dugotrajnim svemirskim letovima. Stvaranjeumjetna gravitacija u svemiru omogućit će izbjegavanje mnogih problema koji nastaju tijekom duljeg boravka u bestežinskom stanju. Mišići astronauta slabe, kosti postaju manje jake. Putujući u takvim uvjetima mjesecima, možete dobiti atrofiju nekih mišića.
Dakle, danas je stvaranje umjetne gravitacije zadatak od iznimne važnosti, istraživanje svemira bez ove vještine jednostavno je nemoguće.
Materijal
Čak i oni koji poznaju fiziku samo na razini školskog kurikuluma shvaćaju da je gravitacija jedan od temeljnih zakona našeg svijeta: sva tijela međusobno djeluju, doživljavajući međusobnu privlačnost/odbojnost. Što je tijelo veće, to je veća njegova sila privlačenja.
Zemlja je za našu stvarnost vrlo masivan objekt. Zato su, bez iznimke, sva tijela oko nje privučena.
Za nas to znači ubrzanje slobodnog pada, koje se obično mjeri u g, jednako 9,8 metara po kvadratnoj sekundi. To znači da bismo, da nismo imali oslonac pod nogama, pali brzinom koja se svake sekunde povećava za 9,8 metara.
Dakle, samo zahvaljujući gravitaciji možemo normalno stajati, pasti, jesti i piti, razumjeti gdje je gore, a gdje dolje. Ako gravitacija nestane, bit ćemo u nultoj gravitaciji.
Astronauti koji se nađu u svemiru u stanju letenja - slobodnog pada posebno su upoznati s ovim fenomenom.
Teoretski, znanstvenici znaju kako stvoriti umjetnu gravitaciju. postojatinekoliko tehnika.
Velika misa
Najlogičnija opcija je da svemirski brod bude toliko velik da ima umjetnu gravitaciju. Na brodu će se moći osjećati ugodno jer se orijentacija u prostoru neće izgubiti.
Nažalost, ova metoda uz suvremeni razvoj tehnologije je nerealna. Za izgradnju takvog objekta potrebno je previše sredstava. Osim toga, bit će potrebna nevjerojatna količina energije da se podigne.
Ubrzajte
Čini se da ako želite postići g jednako zemaljskom, samo trebate dati brodu ravan (platformski) oblik i natjerati ga da se kreće okomito na ravninu sa željenim ubrzanjem. Na taj način će se dobiti umjetna gravitacija, i to idealna.
Međutim, stvarnost je mnogo kompliciranija.
Prije svega, vrijedi razmotriti pitanje goriva. Kako bi stanica stalno ubrzavala potrebno je imati neprekidno napajanje. Čak i ako se iznenada pojavi motor koji ne izbacuje materiju, zakon održanja energije ostat će na snazi.
Drugi problem je sama ideja stalnog ubrzanja. Prema našem znanju i fizičkim zakonima, nemoguće je ubrzati do beskonačnosti.
Osim toga, takva vozila nisu prikladna za istraživačke misije, jer moraju stalno ubrzavati - letjeti. Neće se moći zaustaviti da proučava planet, neće moći čak ni polako letjeti oko njega - treba ubrzati.
DakleStoga postaje jasno da nam takva umjetna gravitacija još nije dostupna.
Vrtuljak
Svi znaju kako rotacija vrtuljka utječe na tijelo. Stoga se čini da je uređaj s umjetnom gravitacijom prema ovom principu najrealniji.
Sve što je u promjeru vrtuljka ima tendenciju da ispadne iz njega brzinom približno jednakom brzini rotacije. Ispada da na tijelo djeluje sila, usmjerena duž polumjera rotirajućeg objekta. Vrlo je sličan gravitaciji.
Dakle, potreban vam je brod cilindričnog oblika. Istodobno se mora okretati oko svoje osi. Inače, umjetna gravitacija na svemirskom brodu, stvorena po ovom principu, često se prikazuje u znanstvenofantastičnim filmovima.
Brod u obliku bačve, rotirajući oko uzdužne osi, stvara centrifugalnu silu čiji smjer odgovara polumjeru objekta. Da biste izračunali rezultirajuću akceleraciju, morate podijeliti silu s masom.
Ljudima koji poznaju fiziku neće biti teško izračunati ovo: a=ω²R.
U ovoj formuli, rezultat izračuna je ubrzanje, prva varijabla je čvorna brzina (mjerena u radijanima u sekundi), druga je polumjer.
Prema tome, da bi se dobio uobičajeni g, potrebno je pravilno kombinirati kutnu brzinu i polumjer svemirskog transporta.
Ovaj problem je pokriven u filmovima kao što su "Intersol", "Babylon 5", "2001: Odiseja u svemiru" i sličnima. U svim tim slučajevimaumjetna gravitacija bliska je ubrzanju slobodnog pada Zemlje.
Bez obzira koliko je ideja dobra, prilično ju je teško provesti.
Problemi metode vrtuljka
Najočitiji problem istaknut je u Odiseji u svemiru. Radijus "svemirskog nosača" je oko 8 metara. Da bi se dobilo ubrzanje od 9,8, rotacija se mora odvijati brzinom od približno 10,5 okretaja svake minute.
Na naznačenim vrijednostima očituje se “Coriolisov efekt” koji se sastoji u tome da različite sile djeluju na različitim udaljenostima od poda. Izravno ovisi o kutnoj brzini.
Ispostavilo se da će se stvoriti umjetna gravitacija u svemiru, ali će prebrza rotacija kućišta dovesti do problema s unutarnjim uhom. To pak uzrokuje neravnotežu, probleme s vestibularnim aparatom i druge slične probleme.
Pojava ove barijere sugerira da je takav model krajnje neuspješan.
Možete pokušati otići od suprotnosti, kao što su to učinili u romanu "Svjetski prsten". Ovdje je brod napravljen u obliku prstena, čiji je polumjer blizu polumjera naše orbite (oko 150 milijuna km). Na ovoj veličini, njegova brzina rotacije dovoljna je da zanemari Coriolisov efekt.
Mogli biste pretpostaviti da je problem riješen, ali uopće nije tako. Činjenica je da potpuna rotacija ove strukture oko svoje osi traje 9 dana. To omogućuje pretpostaviti da će opterećenja biti prevelika. Da bikonstrukcija ih je izdržala, potreban je vrlo čvrst materijal kojim danas nemamo na raspolaganju. Osim toga, problem je količina materijala i sam proces izgradnje.
U igricama slične tematike, kao u filmu "Babylon 5", ovi problemi su nekako riješeni: brzina rotacije je sasvim dovoljna, Coriolisov efekt nije značajan, hipotetski je moguće stvoriti takav brod.
Međutim, čak i takvi svjetovi imaju nedostatak. Njegovo ime je zamah.
Brod se, rotirajući oko svoje osi, pretvara u ogroman žiroskop. Kao što znate, iznimno je teško natjerati žiroskop da odstupi od osi zbog kutnog momenta. Važno je da njegova količina ne napusti sustav. To znači da će biti vrlo teško odrediti smjer za ovaj objekt. Međutim, ovaj se problem može riješiti.
Rješavanje problema
Umjetna gravitacija na svemirskoj stanici postaje dostupna kada "O'Neill cilindar" priskoči u pomoć. Za izradu ovog dizajna potrebni su identični cilindrični brodovi, koji su povezani duž osi. Trebali bi se okretati u različitim smjerovima. Rezultat ovog sklopa je nula kutnog momenta, tako da ne bi trebalo biti poteškoća u davanju broda u željenom smjeru.
Ako je moguće napraviti brod s radijusom od oko 500 metara, onda će raditi točno kako treba. Istodobno, umjetna gravitacija u svemiru bit će prilično udobna i prikladna za duge letove na brodovima ili istraživačkim stanicama.
Svemirski inženjeri
Kako stvoriti umjetnu gravitaciju poznato je kreatorima igre. Međutim, u ovom svijetu mašte, gravitacija nije uzajamno privlačenje tijela, već linearna sila dizajnirana da ubrza objekte u određenom smjeru. Privlačnost ovdje nije apsolutna, mijenja se kada se izvor preusmjeri.
Umjetna gravitacija na svemirskoj stanici stvara se korištenjem posebnog generatora. Ujednačen je i jednakosmjeran u području generatora. Dakle, u stvarnom svijetu, ako vas udari brod koji ima instaliran generator, povukli bi vas do trupa. Međutim, u igri, heroj će pasti sve dok ne napusti perimetar uređaja.
Danas je umjetna gravitacija u svemiru, stvorena takvim uređajem, nedostupna čovječanstvu. Međutim, čak ni sjedokosi programeri ne prestaju sanjati o tome.
Sferični generator
Ovo je realističnija verzija opreme. Kada se instalira, gravitacija ima smjer prema generatoru. To omogućuje stvaranje stanice čija će gravitacija biti jednaka planetarnoj.
Centrifuga
Danas se umjetna gravitacija na Zemlji nalazi u raznim uređajima. Uglavnom se temelje na inerciji, budući da tu silu osjećamo slično kao gravitacijski učinci - tijelo ne razlikuje što uzrokuje ubrzanje. Kao primjer: osoba koja se penje u dizalu doživljava učinak inercije. Očima fizičara: podizanje dizala povećava ubrzanje slobodnog pada i ubrzanje automobila. Po povratkukabine na izmjereno kretanje "dobitak" na težini nestaje, vraćajući uobičajene osjećaje.
Znanstvenike već dugo zanima umjetna gravitacija. U te se svrhe najčešće koristi centrifuga. Ova metoda je prikladna ne samo za svemirske letjelice, već i za zemaljske stanice u kojima je potrebno proučavati učinak gravitacije na ljudsko tijelo.
Studirajte na Zemlji, prijavite se u…
Iako je proučavanje gravitacije počelo iz svemira, to je vrlo svjetovna znanost. I danas su dostignuća na ovom području našla svoju primjenu, primjerice, u medicini. Znajući je li moguće stvoriti umjetnu gravitaciju na planetu, može se koristiti za liječenje problema s motoričkim aparatom ili živčanim sustavom. Štoviše, proučavanje ove sile provodi se prvenstveno na Zemlji. To omogućuje astronautima da provode eksperimente, a pritom su pod strogom pažnjom liječnika. Druga stvar je umjetna gravitacija u svemiru, tamo nema ljudi koji mogu pomoći astronautima u slučaju nepredviđene situacije.
S obzirom na potpunu bestežinsko stanje, ne može se uzeti u obzir satelit u niskoj Zemljinoj orbiti. Na te objekte, iako u maloj mjeri, utječe gravitacija. Sila gravitacije koja nastaje u takvim slučajevima naziva se mikrogravitacija. Prava gravitacija se doživljava samo u aparatu koji leti konstantnom brzinom u svemiru. Međutim, ljudsko tijelo ne osjeća tu razliku.
Možete doživjeti bestežinsko stanje tijekom skoka u dalj (prije nego što se nadstrešnica otvori) ili tijekom paraboličnog spuštanja zrakoplova. Takvi eksperimentičesto se postavljaju u SAD-u, ali u avionu ovaj osjećaj traje samo 40 sekundi - ovo je prekratko za potpunu studiju.
U SSSR-u su još 1973. znali je li moguće stvoriti umjetnu gravitaciju. I ne samo stvorio, nego i na neki način promijenio. Živopisan primjer umjetnog smanjenja gravitacije je suho uranjanje, uranjanje. Da biste postigli željeni učinak, morate staviti gusti film na površinu vode. Osoba je postavljena na nju. Pod težinom tijela tijelo tone pod vodom, samo glava ostaje iznad. Ovaj model pokazuje potporu niske gravitacije u oceanu.
Nema potrebe ići u svemir da biste osjetili učinak suprotne sile bestežinskog stanja - hipergravitacije. Prilikom polijetanja i slijetanja svemirske letjelice, u centrifugi, možete ne samo osjetiti preopterećenje, već ga i proučavati.
Gravitacijski tretman
Gravitacijska fizika proučava, između ostalog, utjecaj bestežinskog stanja na ljudsko tijelo, nastojeći minimizirati posljedice. Međutim, veliki broj dostignuća ove znanosti može biti od koristi običnim stanovnicima planeta.
Liječnici polažu velike nade u istraživanje ponašanja mišićnih enzima u miopatiji. Ovo je ozbiljna bolest koja vodi do rane smrti.
Aktivnim tjelesnim vježbama velika količina enzima kreatinofosfokinaze ulazi u krv zdrave osobe. Razlog za ovu pojavu nije jasan, možda opterećenje djeluje na staničnu membranu na način da"perforira". Bolesnici s miopatijom imaju isti učinak bez vježbanja. Promatranja astronauta pokazuju da je u bestežinskom stanju protok aktivnog enzima u krv značajno smanjen. Ovo otkriće sugerira da će korištenje imerzije smanjiti negativan utjecaj čimbenika koji dovode do miopatije. Testiranje na životinjama je trenutno u tijeku.
Liječenje nekih bolesti se već danas provodi pomoću podataka dobivenih proučavanjem gravitacije, uključujući i umjetnu. Na primjer, cerebralna paraliza, moždani udari, Parkinsonova bolest se liječe korištenjem teretnih odijela. Istraživanje o pozitivnom utjecaju potpore - pneumatska cipela je skoro gotova.
Hoćemo li letjeti na Mars?
Najnovija dostignuća astronauta daju nadu u stvarnost projekta. Postoji iskustvo medicinske podrške za osobu tijekom dugog boravka daleko od Zemlje. Mnogo su koristi donijeli i istraživački letovi na Mjesec, na kojem je sila gravitacije 6 puta manja od naše. Sada astronauti i znanstvenici sebi postavljaju novi cilj - Mars.
Prije nego što stanete u red za kartu za Crveni planet, trebali biste znati što tijelo očekuje već u prvoj fazi rada - na putu. U prosjeku će put do pustinjskog planeta trajati godinu i pol dana – oko 500 dana. Na putu ćete se morati osloniti samo na vlastite snage, jednostavno nema gdje čekati pomoć.
Mnogi čimbenici će potkopati snagu: stres, zračenje, nedostatak magnetskog polja. Najvažniji test za tijelo je promjena gravitacije. Tijekom putovanja čovjek se „upoznaje“.nekoliko razina gravitacije. Prije svega, to su preopterećenja tijekom polijetanja. Zatim - bestežinsko stanje tijekom leta. Nakon toga, hipogravitacija na odredištu, budući da je gravitacija na Marsu manja od 40% Zemlje.
Kako se nosite s negativnim učincima bestežinskog stanja na dugom letu? Nadamo se da će razvoj u području stvaranja umjetne gravitacije pomoći u rješavanju ovog problema u bliskoj budućnosti. Eksperimenti na štakorima koji putuju na Kosmosu-936 pokazuju da ova tehnika ne rješava sve probleme.
OS iskustvo je pokazalo da korištenje kompleksa za treniranje koji mogu odrediti potrebno opterećenje za svakog astronauta pojedinačno može donijeti puno više koristi za tijelo.
Zasad se vjeruje da će na Mars letjeti ne samo istraživači, već i turisti koji žele osnovati koloniju na Crvenom planetu. Za njih će, barem u početku, osjećaji u bestežinskom stanju nadjačati sve argumente liječnika o opasnostima dugotrajnog izlaganja takvim uvjetima. Međutim, i njima će trebati pomoć za nekoliko tjedana, zbog čega je toliko važno pronaći način za stvaranje umjetne gravitacije na svemirskom brodu.
Rezultati
Koji se zaključci mogu izvući o stvaranju umjetne gravitacije u svemiru?
Među svim opcijama koje se trenutno razmatraju, rotirajuća struktura izgleda najrealnije. Međutim, uz današnje razumijevanje fizikalnih zakona, to je nemoguće, budući da brod nije šuplji cilindar. Unutar njega postoje preklapanja koja ometaju realizaciju ideja.
Osim toga, radijus broda bi trebao biti takavvelika tako da Coriolisov učinak nema značajan učinak.
Da biste kontrolirali nešto poput ovoga, potreban vam je gore spomenuti O'Neill cilindar, koji će vam dati mogućnost upravljanja brodom. U ovom slučaju povećavaju se šanse za korištenje sličnog dizajna za međuplanetarne letove uz pružanje udobne razine gravitacije posadi.
Prije nego što čovječanstvo uspije ostvariti svoje snove, želio bih vidjeti malo više realizma i još više znanja o zakonima fizike u znanstvenoj fantastici.
