Как создать гравитацию в домашних условиях. Проблема искусственной гравитации

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

Центрифуга в ЦПК (Звездный городок)

Когда-то в одном из помещений ЦПК была построена специальная центрифуга весом 300 т и диаметром 18 м. Используется она для моделирования перегрузок в земных условиях и, в частности, позволяет испытать физиологическую невесомость. Желающего попробовать силу 300-тонной центрифуги одевают в глухой скафандр, затем сажают в специальное кресло, к которому сначала подключают многочисленные датчики. Полностью снаряженное кресло с усаженным в него добровольцем подвозят к центрифуге и, закатив внутрь, включают двигатель. Вращение на центрифуге длится три минуты, невесомость в данном случае достигается за счет перераспределения жидкости в организме. Все три минуты за показаниями датчиков будут наблюдать врачи и инструктор. Но есть и аварийный способ предупредить о невыносимости перегрузок: внутри центрифуги человек должен крепко держаться за специальный рычаг. Если его отпустить, медики и специалисты получат экстренный сигнал о том, что человек потерял сознание, и сразу отключат центрифугу.

Стоимость услуги: 55 000 рублей с человека

Тел.:

Гидролаборатория (Звездный городок)

В этом году исполняется тридцать лет с тех пор, как в гидролаборатории Звездного городка начали тренировать космонавтов перед полетами. Лаборатория представляет собой огромный бассейн длиной 23 м и 12 м в глубину, на дне которого установлен макет МКС. Именно на нем космонавты тренируются перед тем, как первый раз выйти в открытый космос. Как и в других аттракционах ЦПК, все желающие проходят обязательную медкомиссию, затем прослушивают теоретическую лекцию, а уже после — и это занимает не менее получаса — надевают сложноустроенный, тяжелый и крайне неповоротливый скафандр, оснащенный специальными свинцовыми грузами (все вместе весит около 200 кг). И только затем с помощью крана добровольцев аккуратно погружают на дно. Погружение проходит с инструктором, который попутно дает задание перенести какую-нибудь деталь макета под водой с одного места на другое. Именно на максимальной глубине и появляется ощущение невесомости — сродни тому, которое испытывает космонавт, работающий в открытом космосе. Весь процесс длится четыре часа; под водой человек проводит два. Внимание: до июня заказы не принимаются.

Стоимость услуги: 182 000 рублей с человека

Тел.: 526 38 42, 526 38 79, 526 78 55

Полет на МиГ-29

Еще один способ испытать невесомость — принять участие в полете на МиГ-29 . Во время выполнения фигур высшего пилотажа те, кто находится в кабине, испытывают невесомость, правда, буквально несколько секунд. Подобные полеты для гражданских лиц организовывают в Нижнем Новгороде. Занимает мероприятие весь день и начинается рано утром: приезжать и заселяться в гостиницу рекомендуется накануне. В этом случае в гостиницу приедет инструктор и расскажет о предстоящей программе. Записываться необходимо за полтора месяца, чтобы служба безопасности успела проверить, не шпион ли новоприбывший. Всем желающим, кто был признан честным гражданином, предлагается выбрать одну из трех возможных программ: полет в тропосферена высоте 12 км, на высоте 18 км и полет в стратосферена высоте 21 км. В последнем случае из иллюминатора с одной стороны будет видно звездное небо, а с другой стороны — округлый контур Земли. В зависимости от высоты полеты длятся от 25 до 50 минут. Перед полетом все проходят беглый медосмотр: врачи проверяют давление и пульс.

Стоимость услуги: полет на высоте 12 км — 380 000 руб./чел.; полет на высоте 18 км — 480 000 руб./чел.; полет на высоте 21 км — 595 000 руб./чел.

Тел.: 645 07 02

Полеты на Ил-76

Хотя может показаться, что монополия на настоящую космическую невесомость всецело принадлежит Звездному городку, есть еще один способ приобщиться к будням космонавтов — совершить полет на Ил-76, советском военно-транспортном самолете. Все правила Центра подготовки космонавтов действуют и здесь: тщательный медосмотр, а затем уже предполетная подготовка. Один полет длится до полутора часов, и за это время, как говорят организаторы, «выполняется до десяти режимов невесомости» по 25 с каждая. Невесомость застает 15 смельчаков на борту во время полета по так называемойкривой Кеплера. Как утверждают организаторы, туристы могут заказать видеосъемку на борту, но здесь стоит быть готовым к некоторым казусам — многих с непривычки тошнит. Внимание: полеты временно приостановлены, но в скором времени их обещают возобновить.

Стоимость услуги: 1 800 000 на группу из 15 человек

Аэротруба

Аэротруба позволяет ощутить себя воздухоплавателем: воздушный поток подхватывает человека и подвешивает в воздухе, подбрасывая в разные стороны. Ощущения эти, конечно, не являются невесомостью в строгом смысле слова, однако аэротруба позволяет парить на высоте до 10 м при ширине потока 4 м. Главный плюс аэротрубы по сравнению со всеми приведенными выше способами — это относительная дешевизна и отсутствие медкомиссий. Плюс ко всему это совершенно безопасно. Многие парашютисты, к примеру, тренируются именно в аэротрубах. В зоне полета все стены имеют мягкую обивку, здесь нет твердых предметов, а специальная защитная сетка смягчает падение после выключения двигателя. Вдобавок рядом всегда находится опытный инструктор, который каждую минуту контролирует полет. Рекомендованная продолжительность полета для девушки составляет пять минут; для мужчины — до десяти. В аэротрубе могут летать даже дети (от 5 лет), потому что для этого не требуется быть атлетом с заниженным порогом самосохранения. Согласно распорядку, желающие обязаны внимательно выслушать инструктора, который подробно расскажет, как держаться в воздушном потоке. Далее предстоит одеться в специальный комбинезон, надеть шлем, затем небольшая тренировка и — в полет! Внимание: скорость ветра в аэротрубе достигает 200 км/ч.

Стоимость услуги: 4 минуты — 3500 рублей с человека; 10 минут — 6500 рублей

Камера сенсорной депривации (флоатинг)

Еще одна возможность оказаться в условной невесомости — это полежать час-другой в камере сенсорной депривации (флоат-камере). Клиентам обещают, что «плавучесть, которую тело обретает благодаря раствору соли, сводит к нулю воздействие гравитации, подводя человека вплотную к переживанию полной невесомости». Флоат-камера, глубина которой около 30 см, чуть шире двуспальной кровати; в ней содержится водный раствор, приготовленный из 400 кг соли. С помощью термостата поддерживается постоянная температура — около 35 градусов по Цельсию. Считается, что это оптимальный температурный режим, при котором большинство людей не чувствуют тепла или холода и быстро перестают ощущать соприкосновение воды с телом. Внутри флоат-камеры человек оказывается изолированным от внешних раздражителей: в нее не проникают ни звуки, ни свет, ни запахи.

Стоимость услуги: 2000 рублей за процедуру в 1 час

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.

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.

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.

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.

Поместите человека в космос, подальше от гравитационных пут земной поверхности, и он будет ощущать невесомость. И все же по телевизору нам показывали, что экипаж космического судна вполне успешно ходит ногами по полу. Для этого используется искусственная гравитация, создаваемая установками на борту фантастического судна. Насколько это близко к реальной науке?


Капитан Габриэль Лорка на мостике «Дискавери» во время имитации битвы с клингонцами. Весь экипаж притягивается искусственной силой тяжести, и это как бы уже канон.

Касательно гравитации. Большим открытием Эйнштейна стал принцип эквивалентности: при равномерном ускорении система отсчета неотличима от гравитационного поля. Если бы вы были на ракете и не могли видеть Вселенную через иллюминатор, вы бы и понятия не имели о том, что происходит: вас тянет вниз сила гравитации или же ускорение ракеты в определенном направлении? Такой была идея, которая привела к общей теории относительности. Спустя 100 лет это самое правильное описание гравитации и ускорения, которое нам известно.


Идентичное поведение мяча, падающего на пол в летящей ракете (слева) и на Земле (справа), демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна.

Есть и другой трюк, как пишет Итан Зигель, который мы можем использовать, если захотим: мы можем заставить космический корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (вроде тяги ракеты) можно заставить работать центростремительное ускорение, чтобы человек на борту чувствовал внешний корпус космического корабля, подталкивающий его к центру. Такой прием был использован в «Космической одиссее 2001 года», и если бы ваш космический корабль был достаточно большим, искусственная сила тяжести была бы неотличима от настоящей.
Только вот одно но. Три этих типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное - единственные, которые мы можем использовать для имитации эффектов гравитации. И это огромная проблема для космического аппарата.


Концепт станции 1969 года, которая должна была собираться на орбите из отработанных этапов программы «Аполлон». Станция должна была вращаться на своей центральной оси для создания искусственной гравитации.

Почему? Потому что если вы хотите отправиться в другую звездную систему, вам нужно будет ускорить ваш корабль, чтобы туда добраться, а затем замедлить его по прибытии. Если вы не сможете оградить себя от этих ускорений, вас ждет катастрофа. Например, чтобы ускориться до полного импульса в «Звездном пути», до нескольких процентов световой скорости, придется испытать ускорение в 4000 g. Это в 100 раз больше ускорения, которое начинает препятствовать кровотоку в теле.


Запуск космического шаттла «Колумбия» в 1992 году показал, что ускорение протекает на протяжении длительного периода. Ускорение космического корабля будет во много раз выше, и человеческое тело не сможет с ним справиться.

Если вы не хотите быть невесомым во время длительного путешествия - чтобы не подвергать себя ужасному биологическому износу вроде потери мышечной и костной массы - на тело постоянно должна действовать сила. Для любой другой силы это вполне легко сделать. В электромагнетизме, например, можно было бы разместить экипаж в проводящей кабине, и множество внешних электрических полей просто исчезли бы. Можно было бы расположить две параллельные пластины внутри и получить постоянное электрическое поле, выталкивающее заряды в определенном направлении.
Если бы гравитация работала таким же образом.
Такого понятия, как гравитационный проводник, просто не существует, как и возможности оградить себя от гравитационной силы. Невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, например между двумя пластинами. Почему? Потому что в отличие от электрической силы, генерируемой положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного заряда, и это масса-энергия. Гравитационная сила всегда притягивает, и от нее никуда не скрыться. Вы можете лишь использовать три типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное.


Подавляющее большинство кварков и лептонов во Вселенной состоит из материи, но у каждого из них существуют и античастицы из антиматерии, гравитационные массы которых не определены.

Единственный способ, с помощью которого можно было бы создать искусственную гравитацию, которая защитит вас от последствий ускорения вашего корабля и обеспечит вам постоянную тягу «вниз» без ускорения, будет доступен, если вы откроете частицы отрицательной гравитационной массы. Все частицы и античастицы, которые мы нашли до сих пор, обладают положительной массой, но эти массы инерциальны, то есть о них можно судить только при создании или ускорении частицы. Инерционная масса и гравитационная масса одинаковы для всех частиц, которые мы знаем, но мы никогда не проверяли свою идею на антиматерии или античастицах.
В настоящее время проводятся эксперименты именно по этой части. Эксперимент ALPHA в ЦЕРН создал антиводород: стабильную форму нейтральной антиматерии, и работает над изолированием ее от всех других частиц. Если эксперимент будет достаточно чувствительным, мы сможем измерить, как античастица попадает в гравитационное поле. Если падает вниз, как и обычное вещество, то у нее положительная гравитационная масса и ее можно использовать для строительства гравитационного проводника. Если падает в гравитационном поле вверх, это все меняет. Один лишь результат, и искусственная гравитация может внезапно стать возможной.


Возможность получения искусственной гравитации невероятно манит нас, но основана на существовании отрицательной гравитационной массы. Антиматерия может быть такой массой, но мы пока этого не доказали.

Если антиматерия имеет отрицательную гравитационную массу, то при создании поля из обычного вещества и потолка из антивещества, мы могли бы создать поле искусственной гравитации, которое всегда тянуло бы вас вниз. Создав гравитационно-проводящую оболочку в виде корпуса нашего космического корабля, мы защитили бы экипаж от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае стали бы смертельными. И что самое крутое, люди в космосе не испытывали бы больше негативных физиологических эффектов, которые сегодня преследуют астронавтов. Но пока мы не найдем частицу с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет получаться только за счет ускорения.