Artificiell gravitation är och hur man skapar

Även en person som inte är intresserad av rymden har åtminstone en gång sett en film om rymdresor eller läst om sådana saker i böcker. Nästan i alla sådana arbeten går människor runt skeppet, sover normalt, inte upplever problem med matintag. Det betyder att på dessa fiktiva fartyg finns det artificiell gravitation. De flesta tittare uppfattar detta som något helt naturligt, men det är inte så.

Konstgjord gravitation

Detta är namnet på förändringen (i båda riktningarna) av den vanliga tyngdkraften för oss genom att tillämpa olika metoder. Och detta görs inte bara i fantastiska verk, men också i mycket verkliga jordiska situationer, oftast för experiment.

I teorin ser inte skapandet av artificiell gravitation ut så svårt. Till exempel kan den återskapas av tröghet, mer exakt, genom centrifugalkraft. Behovet av denna makt uppstod inte igår - det hände omedelbart, så snart en person började drömma om långa rymdflygningar. Skapandet av artificiell tyngdkraft i rymden kommer att göra det möjligt att undvika de många problem som uppstår vid långvarig exponering mot nollgränsvikt. Kosmonauterna försvagar musklerna, benen blir mindre hållbara. Att resa under dessa förhållanden i flera månader kan få atrofi hos vissa muskler.

Således är skapandet av artificiell gravitation hittills en uppgift av största vikt, utforskningen av kosmos utan denna färdighet är helt enkelt omöjlig.

materiel

Även de som bara känner till fysik på läroplanens nivå förstår att tyngdkraften är en av världens grundläggande lagar: alla kroppar samverkar med varandra, upplever ömsesidig attraktion / avstängning. Ju större kroppen är desto högre är dess attraktionskraft.

Jorden är för vår verklighet - objektet är mycket massivt. Därför lockas alla kroppar utan undantag till det.

För oss betyder detta acceleration av fritt fall, vilket vanligtvis mäts i g, lika med 9,8 meter per kvadrat sekund. Det innebär att om vi inte hade något stöd under våra fötter, skulle vi ha fallit med en hastighet som ökade med 9,8 meter varje sekund.

Således är det bara tack vare gravitationen vi kan stå, falla, äta och dricka normalt, förstå var toppen är, där botten är. Om attraktionen försvinner - kommer vi att vara i viktlöshet.

Speciellt bekant med detta fenomen är astronauter som befinner sig i rymden i ett tillstånd av svävande fall.

Teoretiskt vet forskarna hur man skapar konstgjord gravitation. Det finns flera metoder.

Större massa

Det mest logiska alternativet är att göra rymdfarkosten så stor att konstgjord gravitation uppstår på den. På skeppet kommer det att vara möjligt att känna sig bekväma, eftersom orientering i rymden inte kommer att gå vilse.

Tyvärr är denna metod orealistisk med modern teknikutveckling. Att bygga ett sådant objekt kräver för många resurser. Dessutom, för att höja det kommer att kräva en otrolig mängd energi.

acceleration

Det verkar som att om du vill uppnå g, lika med jorden, behöver du bara ge fartyget en platt (plattformliknande) form och göra den rör sig längs vinkelrätt mot planet med önskad acceleration. På detta sätt kommer konstgjord gravitation att erhållas och idealisk.

Men i verkligheten är allting mycket mer komplicerat.

Först och främst är det nödvändigt att ta hänsyn till bränsleproblemet. För att stationen ska accelereras ständigt är det nödvändigt att ha en oavbruten strömförsörjning. Även om en motor plötsligt uppträder, inte kastar materia, fortsätter lagen om bevarande av energi att vara i kraft.

Det andra problemet är själva tanken på ständig acceleration. Enligt vår kunskap och fysiska lagar är det omöjligt att accelerera till oändligheten.

Dessutom är sådan transport inte lämplig för forskningsuppdrag, eftersom den hela tiden måste accelerera - att flyga. Han kan inte sluta att studera planeten, han kommer inte ens att kunna flyga långsamt runt det - vi måste accelerera.

Således blir det klart att sådan artificiell tyngdkraft ännu inte är tillgänglig för oss.

karusell

Alla vet hur karusellen roterar på kroppen. Därför verkar anordningen av artificiell gravitation enligt denna princip mest verklig.

Allt som ligger i karusellens diameter tenderar att falla ut av det med en hastighet som är ungefär lika med rotationshastigheten. Det visar sig att kraften som verkar längs det roterande objektets radie verkar på kropparna. Det är väldigt lik gravitation.

Så, du behöver ett fartyg som har en cylindrisk form. I detta fall måste det rotera om sin axel. I övrigt visas konstgjord gravitation på ett rymdskepp, skapat av denna princip, ofta i science fiction-filmer.

Det fatformade skeppet roterar runt längdaxeln, skapar en centrifugalkraft, vars riktning motsvarar objektets radie. För att beräkna den resulterande accelerationen är det nödvändigt att dela kraften i massa.

Känn fysik folk tycker att det kommer inte vara mycket svårt: a = ω²R.

I denna formel är resultatet av beräkningarna acceleration, den första variabeln är nodhastigheten (mätt i antal radianer per sekund), den andra är radie.

Enligt detta, för att erhålla den vanliga g, är det nödvändigt att kompetent kombinera vinkelhastigheten och radien för rymdtransport.

Ett liknande problem framhävs i filmer som "Intersolah", "Babylon 5", "2001: Space Odyssey" och liknande. I alla dessa fall approximeras konstgjord gravitation till jordens acceleration av tyngdkraften.

Oavsett hur bra idén är, är det ganska svårt att inse det.

Problemen med "karusell" -metoden

Det mest uppenbara problemet är täckt av "Space Odyssey". Radianten på rymdbäraren är ca 8 meter. För att uppnå en acceleration på 9,8 bör rotation ske med en hastighet av cirka 10,5 varv per minut.

Med de angivna värdena manifesterar sig "Coriolis-effekten", som består i att en annan kraft verkar på de olika avstånden från golvet. Det beror direkt på vinkelhastigheten.

Det visar sig att konstgjord gravitation i rymden kommer att skapas, men för snabb rotation av kroppen kommer att leda till problem med inre örat. Detta orsakar i sin tur obalanser, problem med vestibulärapparaten och andra liknande problem.

Framväxten av denna barriär föreslår att en sådan modell är extremt misslyckad.

Du kan försöka gå från motsatsen, som de gjorde i romanen "The World-Ring". Här görs skeppet i form av en ring, vars radie ligger nära vår bana (omkring 150 miljoner km). Med denna storlek är rotationshastigheten tillräckligt för att ignorera Coriolis-effekten.

Vi kan anta att problemet är löst, men det är inte så. Faktum är att den fullständiga omsättningen av denna design runt sin axel tar 9 dagar. Detta gör det möjligt att anta att lasterna blir för stora. För att överleva konstruktionen behövs ett mycket starkt material som vi inte har för tillfället. Dessutom är problemet mängden material och själva byggprocessen.

I spel av liknande tema, som i filmen "Babylon 5", löses dessa problem på något sätt: Rotationshastigheten är ganska tillräcklig, Coriolis-effekten är inte nödvändig, det är möjligt att skapa ett sådant skepp hypotetiskt.

Men även sådana världar har en nackdel. Hans namn är impulsens ögonblick.

Fartyget roterar runt axeln, blir ett enormt gyroskop. Som det är känt är det extremt svårt att tvinga gyroskopet att avvika från axeln på grund av vinkelmomentet. Det är viktigt att dess mängd inte lämnar systemet. Det betyder att det blir väldigt svårt att ställa in riktningen för det här objektet. Ett sådant problem kan dock lösas.

Adresse

Konstgjord gravitation på rymdstationen blir tillgänglig när "O'Neill-cylindern" kommer till räddning. För att skapa denna design behöver du identiska cylindriska fartyg som är anslutna längs axeln. De måste rotera i olika riktningar. Resultatet av en sådan montering är pulsens nollpunkt, så det borde inte vara svårt att ge fartyget den nödvändiga riktningen.

Om det är möjligt att göra ett skepp med en radie på cirka 500 meter, så fungerar det exakt som det borde. Samtidigt är den artificiella tyngdkraften i rymden ganska bekväm och lämplig för långa flygningar på fartyg eller forskningsstationer.

Rymdingenjörer

Hur man skapar artificiell gravitation är känd för spelets skapare. I denna fantastiska värld är gravitation emellertid inte en ömsesidig attraktion av kroppar, utan en linjär kraft avsedd att accelerera objekt i en given riktning. Attraktionen här är inte absolut, den ändras när källan omdirigeras.

Konstgjord gravitation på rymdstationen skapas genom att använda en speciell generator. Den är likformig och likriktad inom generatorns räckvidd. Så, i den verkliga världen, som träffar skeppet där generatorn är installerad, skulle du lockas till skrovet. Men i spelet kommer hjälten att falla tills han lämnar enhetens omkrets.

Hittills är den artificiella tyngdkraften i rymden, skapad av en sådan anordning, otillgänglig för mänskligheten. Men även gråhåriga utvecklare slutar inte att 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 tyngdkraft kommer att vara lika med planet.

centrifug

Idag förekommer konstgjord gravitation på jorden i olika anordningar. De är huvudsakligen baserade på tröghet, eftersom denna kraft känns av oss på samma sätt som gravitationsinflytande - organismen skiljer inte från vad som orsakar accelerationen. Som exempel: en person som klättrar i en hiss påverkas av tröghet. Med fysikens ögon: Förhöjning av hissen ökar accelerationen till hyttens acceleration för att accelerera fritt fall. När cockpiten återgår till en uppmätt rörelse, försvinner "gain" i vikt och återvänder de vanliga känslorna.

Forskare har länge varit intresserade av artificiell gravitation. Centrifugen används oftast för detta ändamål. Denna metod är inte bara lämplig för rymdfarkoster, men också för markstationer där det krävs att man studerar gravitationens effekt på människokroppen.

Lär dig på jorden, ansök i ...

Även om tyngdstudien började från yttre rymden är det en mycket jordisk vetenskap. Till och med idag har prestationer inom detta område funnit deras tillämpning, till exempel inom medicin. Att veta om det är möjligt att skapa artificiell gravitation på planeten, kan du använda den för att behandla problem med motorapparaten eller nervsystemet. Dessutom är studien av denna kraft främst berörd av jorden. Detta gör det möjligt för kosmonauterna att genomföra experiment, som återstår under noggrann granskning av läkare. En annan sak är artificiell gravitation i rymden, det finns inga personer som kan hjälpa astronauter i händelse av en oförutsedd situation.

Med tanke på full viktlöshet kan man inte ta hänsyn till en satellit i en jordbana runt jorden. Dessa föremål, om än i liten utsträckning, påverkas av tyngdkraften. Gravity, som bildas i sådana fall, kallas mikrogravity. Verklig tyngdkraft upplevs endast i ett fordon som flyger i konstant fart i öppet utrymme. Men människokroppen känner inte denna skillnad.

Du kan uppleva viktlöshet med ett långhopp (innan kupolen öppnas) eller under flygplanets paraboliska nedstigning. Sådana experiment sätts ofta i USA, men på planet håller denna känsla bara 40 sekunder - det är för lite för en fullständig studie.

I Sovjetunionen, tillbaka 1973, visste de om det var möjligt att skapa artificiell gravitation. Och de skapade inte bara det, utan förändrade det också på något sätt. Ett levande exempel på artificiell gravitation är torr nedsänkning, nedsänkning. För att uppnå önskad effekt är det nödvändigt att sätta en tät film på vattenytan. Personen placeras ovanpå den. Under kroppens vikt nedsänker kroppen under vatten, bara huvudet ligger över det. Denna modell visar otillräcklighet med minskad tyngdkraft som är karakteristisk för havet.

Det finns inget behov av att gå in i rymden för att känna effekten av kraftens motsatta viktlöshet - hypergravitet. Med rymdskeppens start och landning, i centrifugen kan överbelastningen inte bara kännas, men också studeras.

Behandling med gravitation

Gravitationsfysikstudier, bland annat effekten av viktlöshet på människokroppen, försöker minimera följderna. Ett stort antal resultat från denna vetenskap kan dock vara till nytta för vanliga invånare på planeten.

Läkarna lägger stora förhoppningar på studier av muskelenzymernas beteende i myopati. Detta är en allvarlig sjukdom som leder till tidig död.

Med aktiva fysiska övningar kommer en stor volym av enzymet kreatinofosfokinas in i blodet hos en frisk person. Orsaken till detta fenomen är oklart, kanske fungerar lasten på cellmembranet på ett sådant sätt att det "perforerar". Patienter med myopati får samma effekt utan motion. Observationer av kosmonauterna visar att i frånvaro av vikt minskar inmatningen av det aktiva enzymet i blodet signifikant. Denna upptäckt antyder att användningen av nedsänkning minskar den negativa påverkan av de faktorer som leder till myopati. För närvarande utförs experiment på djur.

Några av sjukdomarna behandlas idag med hjälp av de data som erhållits i studien av gravitation, inklusive artificiella. Till exempel utförs behandling av cerebral parese, stroke, Parkinson genom applicering av lastdräkter. Praktiskt taget färdiga studier av stödets positiva effekter - den pneumatiska skon.

Ska vi flyga till Mars?

De senaste prestationerna av kosmonauterna ger hopp om projektets verklighet. Det finns en erfarenhet av medicinsk hjälp för en person med en lång vistelse bort från jorden. Många forskningsflygningar till månen gav en hel del nytta, gravitationsstyrkan som är 6 gånger mindre än vår infödda. Nu sätter astronauter och forskare ett nytt mål - Mars.

Innan du köper en biljett till den röda planeten, borde du veta vad som väntar på kroppen i första steget av arbetet - på vägen. I genomsnitt tar vägen till öknenplanen ett halvt år - cirka 500 dagar. Att räkna på vägen kommer bara att ha sin egen styrka, det finns ingenstans att vänta på hjälp.

Det finns många faktorer som kommer att undergräva styrkan: stress, strålning, frånvaron av ett magnetfält. Det viktigaste testet för kroppen är förändringen i tyngdkraften. På resan blir en person "bekant" med flera gravitationsgrader. Först och främst är detta överbelastning vid start. Då - viktlöshet under flygningen. Därefter - hypogravitet på destinationen, eftersom gravitationen på Mars är mindre än 40% av jordens gravitation.

Hur hanterar du den negativa effekten av viktlöshet under en lång flygning? Det hoppas att utvecklingen inom området för att skapa artificiell tyngdkraft kommer att bidra till att lösa detta problem inom en snar framtid. Experiment på råttor som reser till Cosmos-936 visar att denna teknik inte löser alla problem.

OS Erfarenheten har visat att det är mycket mer användbar för organismen kan få användning av simulatorer, kunna avgöra lastbehovet för varje enskild astronaut.

Även om man tror att Mars flyger inte bara forskare utan även för turister som vill etablera en koloni på den röda planeten. För dem, åtminstone inledningsvis, känslan av att vara i tyngdlöshet uppväger skäl läkarna om farorna med långvarig vistelse i dessa villkor. Men efter några veckor och behöver hjälp för dem varför det är så viktigt att kunna hitta ett sätt att bygga vidare på ett rymdskepp artificiell tyngdkraft.

resultat

Vilka slutsatser kan göras om skapandet av artificiell gravitation i rymden?

Bland alla anses alternativ för närvarande roterande design ser mer realistiskt. Men enligt den nuvarande förståelsen av fysiska lagar är det omöjligt, eftersom fartyget - detta är inte en ihålig cylinder. Inuti finns det överlappande hindrar genomförandet av idéer.

Dessutom fartyget radien måste vara tillräckligt stor så att Coriolis effekten är ingen signifikant effekt.

För att hantera något sådant, det tar cylindern O'Neill nämnts ovan, vilket gör det möjligt att styra fartyget. I det här fallet är chansen att öka för att använda en sådan struktur för interplanetära uppdrag garanterar laget en behaglig nivå av tyngdkraften.

Innan mänskligheten kommer att kunna översätta sina drömmar till verklighet, skulle vi vilja se i skönlitterära verk lite mer realistisk och mer kunskap om fysikens lagar.