Длительные космические полеты, освоение других планет то, о чем ранее писали фантасты Айзек Азимов, Станислав Лем, Александр Беляев и др., станет вполне возможной реальностью благодаря знаниям . Так как при воссоздании земного уровня гравитации мы сможем избежать отрицательных последствий микрогравитации (невесомости) для человека (атрофия мышц, сенсорные, двигательные и вегетативные расстройства). То есть практически любой желающий человек сможет побывать в космосе независимо от физических особенностей тела. При этом пребывание на борту космического корабля станет более комфортным. Люди смогут использовать уже существующие, привычные для них приборы, средства (например, душ, туалет).
На Земле уровень гравитации определяется ускорением силы тяжести в среднем равняется 9,81 м/с 2 («перегрузка» 1 g), в то время как в космосе, в условиях невесомости приблизительно 10 -6 g. К.Э. Циолковский приводил аналогии между ощущением массы тела при погружении в воду или лежа в постели с состоянием невесомости в космосе.
«Земля - это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».
«Мир должен быть еще проще».
Константин Циолковский
Интересно, что для гравитационной биологии - умение создавать различные гравитационные условия будет настоящим прорывом. Станет возможным изучить: как изменяется структура, функции на микро-, макроуровнях, закономерности при гравитационных воздействиях разной величины и направленности. Эти открытия, в свою очередь, помогут развить достаточно новое сейчас направление - гравитационную терапию. Рассматривается возможность и эффективность применения для лечения изменения силы тяжести (повышенная по сравнению с Земной). Повышение силы тяжести мы ощущаем, как будто тело чуть-чуть потяжелело. Сегодня ведутся исследования применения гравитационной терапии при гипертонической болезни, а также для восстановления костных тканей при переломах.
(искусственной гравитации) в большинстве случаев основываются на принципе эквивалентности сил инерции и гравитации. Принцип эквивалентности говорит о том, что мы ощущаем приблизительно одинаково ускорение движения не отличая причину, которая его вызвала: гравитация или же силы инерции. В первом варианте ускорение происходит за счет воздействия гравитационного поля, во втором благодаря ускорению движения неинерциальной системы отсчета (система, которая движется с ускорением), в которой находится человек. Например, подобное воздействие сил инерции испытывает человек в лифте (неинерциальная система отсчета) при резком подъёме вверх (с ускорением, появляется на несколько секунд ощущение как будто тело потяжелело) или торможении (ощущение, что пол уходит из-под ног). С точки зрения физики: при подъёме лифта вверх к ускорению свободного падения в неинерциальной системе приплюсовывается ускорение движения кабины. Когда восстанавливается равномерное движение - исчезает «прибавка» в весе, то есть возвращается привычное ощущение массы тела.
Сегодня, как и почти 50 лет назад, для создания искусственной силы тяжести применяются центрифуги (используется центробежное ускорение при вращении космических систем). Проще говоря во время вращения космической станции вокруг своей оси будет возникать центробежное ускорение, которое будет «выталкивать» человека от центра вращения в сторону и в результате космонавт или другие объекты смогут находится на «полу». Для лучшего понимания этого процесса и с какими трудностями сталкивается ученые давайте посмотрим на формулу по которой определяется центробежная сила при вращении центрифуги:
F=m*v 2 *r, где m ‒ масса, v ‒ линейная скорость, r ‒ расстояние от центра вращения.
Линейная скорость равняется: v=2π*rT , где Т - количество оборотов в секунду, π ≈3,14…
То есть чем быстрее будет вращаться космический корабль, и чем дальше от центра будет находится космонавт, тем сильнее будет созданная искусственная сила тяжести.
Внимательно посмотрев на рисунок можем заметить, что при небольшом радиусе сила тяжести для головы и для ног человека будет значительно отличатся, что в свою очередь затруднит передвижение.
При движении космонавта в направлении вращения возникает сила Кориолиса. При этом велика вероятность того, что человека будет постоянно укачивать. Обойти это возможно при частоте вращения корабля 2 оборота в минуту при этом образуется искусственная сила тяжести 1g (как на Земле). Но при этом радиус будет составлять 224 метра (приблизительно ¼ километра, это расстояние подобно высоте 95-этажного здания или в длину как две большие секвои). То есть теоретически построить орбитальную станцию или космический корабль таких размеров можно. Но практически это требует значительных затрат ресурсов, сил и времени, которые в условиях приближающихся глобальных катаклизмов (см. доклад
) человечней направить на реальную помощь нуждающимся.
В следствие невозможности воссоздать необходимое значение уровня гравитации для человека на орбитальной станции или космическом корабле, учёные решили изучить возможность «снижения поставленной планки», то есть создания силы тяжести меньше земной. Что говорит о том, что за полвека исследований не удалось получить удовлетворяющих результатов. Это неудивительно так как в экспериментах стремятся создать условия, при которых сила инерции или же другие оказывали бы влияние, аналогичное воздействию гравитации на Земле. То есть получается, что искусственная гравитация, по сути, гравитацией не является.
На сегодня в науке существуют лишь теории о том что такое гравитация, большинство из которых основываются на теории относительности. При этом не одна из них не является полной (не объясняет протекание, результаты любых экспериментов в любых условиях, да и ко всему порой не согласовывается с другими физическими теориями подтвержденными экспериментально). Нет четкого знания и понимания: что же такое гравитация, как гравитация связана с пространством и временем, из каких частиц состоит и какие их свойства. Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти сопоставив информацию изложенную в книге «Эзоосмос» А.Новых и докладе ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА. предлагает совершенно новый подход, который основывается на базовых знаниях первичных основ физики фундаментальных частиц , закономерностей их взаимодействия. То есть на основе глубокого понимания сути процесса гравитации и как следствие возможности точного расчет для воссоздания любых значений гравитационных условий как в космосе, так и на Земле (гравитационная терапия), прогнозирования результатов мыслимых и немыслимых экспериментов, поставленных как человеком, так и природой.
ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА - это намного больше, чем просто физика. Она открывает возможным решения задач любой сложности. Но главное благодаря знанию процессов происходящих на уровне частиц и реальных действий каждый человек может осознать смысл своей жизни, разобраться как работает система и получить практический опыт соприкосновения с духовным миром. Осознать глобальность и первичность Духовного, выйти из рамочных/шаблонных ограничений сознания, за пределы системы, обрести Настоящую Свободу.
«Как говорится, когда имеешь в руках универсальные ключи (знания об основах элементарных частиц), то можешь открыть любую дверь (микро- и макромира)».
«В таких условиях возможен качественно новый переход цивилизации в русло духовного саморазвития, масштабного научного познания мира и себя».
«Всё что угнетает человека в этом мире, начиная от навязчивых мыслей, агрессивных эмоций и заканчивая шаблонными желаниями эгоиста-потребителя ‒ это результат выбора человека в пользу септонного поля ‒ материальной разумной системы, которая шаблонно эксплуатирует человечество. Но если человек следует выбору своего духовного начала, то он приобретает бессмертие. И в этом нет религии, а есть знание физики, её исконных основ».
Елена Федорова
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!Для находящихся в космосе объектов вращение - дело привычное. Когда две массы двигаются относительно друг друга, но не навстречу или друг от друга, их гравитационная сила . В итоге в Солнечной системе все планеты вращаются вокруг Солнца.
Но это то, на что человек не влиял. Зачем же вращаются космические аппараты? Чтобы стабилизировать положение, постоянно направлять приборы в нужную сторону и в будущем - для создания искусственной гравитации. Давайте разберём эти вопросы подробнее.
Стабилизация вращением
Когда мы смотрим на автомобиль, мы знаем, в какую сторону он едет. Управление им происходит благодаря взаимодействию с внешней средой - сцеплению колёс с дорогой. Куда поворачивают колёса - туда и весь автомобиль. Но если мы лишим его этого сцепления, если мы отправим машину на лысой резине кататься по льду, то она закружится в вальсе, что будет крайне опасно для водителя. Такой тип движения возникает редко на Земле, но в космосе это норма.Б. В. Раушенбах, академик и лауреат Ленинской премии, писал в “Управлении движением космических аппаратов” о трёх основных типах задач управления движением космического аппарата:
- Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
- Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
- Случай, когда эти два типа управления реализуются одновременно (например, при сближении космических аппаратов).
Приспособленный к жизни в условиях земного притяжения организм умудряется выжить и без него. И не только выжить, но и активно работать. Но это маленькое чудо обходится не без последствий. Опыт, накопленный за десятилетия полётов человека в космос, показал: человек испытывает в космосе много нагрузок, которые и психике.
На Земле наш организм борется с гравитацией, которая тянет кровь вниз. В космосе этоа борьба продолжается, но сила гравитации отсутствует. Поэтому космонавты одутловаты. Внутричерепное давление растёт, растёт давление на глаза. Это деформирует зрительный нерв и влияет на форму глазных яблок. Снижается содержание плазмы в крови, и из-за уменьшения количества крови, которую нужно качать, атрофируются мышцы сердца. Дефект костной массы значителен, кости становятся хрупкими.
Чтобы побороть эти эффекты, люди на орбите вынуждены ежедневно заниматься физическими тренировками. Поэтому создание искусственной силы тяжести считают желательным для долговременных космических путешествий. Такая технология должна создать физиологически естественные условия для обитания людей на борту аппарата. Еще Константин Циолковский считал, что искусственная гравитация поможет решить многие медицинские проблемы полёта человека в космос.
Сама идея основана на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции, который гласит: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное достаточно малое тело - гравитационная или сила инерции».
У такой технологии есть недостатки. В случае с аппаратом небольшого радиуса разная сила будет воздействовать на ноги и на голову - чем дальше от центра вращения, тем сильнее искусственная гравитация. Вторая проблема - сила Кориолиса , из-за воздействия которой человека будет укачивать при движении относительно направления вращения. Чтобы этого избежать, аппарат должен быть огромным. И третий важный вопрос связан со сложностью разработки и сборки такого аппарата. При создании такого механизма важно продумать, как сделать возможным постоянный доступ экипажа к отсекам с искусственной гравитацией и как заставить этот тор двигаться плавно.
В реальной жизни такую технологию для строительства космических кораблей ещё не использовали. Для МКС предлагали надувной модуль с искусственной гравитацией для демонстрации прототипа корабля Nautilus-X. Но модуль дорог и создавал бы значительные вибрации. Делать всю МКС с искусственной гравитацией с текущими ракетами трудноосуществимо - пришлось бы собирать всё на орбите по частям, что в разы усложнило бы размах операций. А ещё эта искусственная гравитация перечеркнула бы саму суть МКС как летающей микрогравитационной лаборатории.
Концепт надувного модуля с микрогравитацией для МКС.
Зато искусственная гравитация живёт в воображении фантастов. Корабль «Гермес» из фильма «Марсианин» имеет в центре вращающийся тор, который создаёт искусственную гравитацию для улучшения состояния экипажа и снижения воздействия невесомости на организм.
Национальное аэрокосмическое агентство США разработало шкалу уровней готовности технологии TRL из девяти уровней: с первого по шестой - развитие в рамках научно-исследовательских работ, с седьмого и выше - опытно-конструкторские работы и демонстрация работоспособности технологий. Технология из фильма «Марсианин» соответствует пока лишь третьему или четвёртому уровню.
В научно-фантастической литературе и фильмах есть много применений этой идеи. В серии романов Артура Кларка «Космическая Одиссея» описывался «Discovery One» в форме гантели, смысл которой - отделить ядерный реактор с двигателем от жилой зоны. Экватор сферы содержит в себе «карусель» диаметром 11 метров, вращающуюся со скоростью около пяти оборотов в минуту. Эта центрифуга создаёт уровень гравитации, равный лунному, что должно предотвращать физическую атрофию в условиях микрогравитации.
«Discovery One» из «Космической Одиссеи»
В аниме-сериале Planetes космическая станция ISPV-7 имеет огромные помещения с привычной земной гравитацией. Жилая зона и зона для растениеводства размещены в двух торах, вращающихся в разных направлениях.
Даже твёрдая фантастика игнорирует огромную стоимость такого решения. Энтузиасты взяли для примера корабль «Элизиум» из одноимённого фильма. Диаметр колеса – 16 километров. Масса - около миллиона тонн. Отправка грузов на орбиту стоит 2700 долларов за килограмм, SpaceX Falcon позволит сократить эту цифру до 1650 долларов за килограмм. Но придётся осуществить 18382 запуска, чтобы доставить такое количество материалов. Это 1 триллион 650 миллиардов американских долларов - почти сто годовых бюджетов НАСА.
До реальных поселений в космосе, где люди могут наслаждаться привычными 9,8 м/с² ускорения свободного падения, ещё далеко. Возможно, повторное использование частей ракет и космические лифты позволят приблизить такую эпоху.
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.
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.
