Гравитацию как сделать – Как создать искусственную гравитацию — Как создать искуственную гравитацию? — 22 ответа

Искусственная гравитация и способы ее создания

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, центробежной силы. 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, освоение космоса 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 ускорение свободного падения, 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 космический корабль 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.

Знающим физику людям посчитать это будет совсем не сложно: a = ω²R.

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 угловую скорость 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 моменту импульса. 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.

fb.ru

Искусственная сила тяжести — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Проект космического корабля Nautilus-X[en] с искусственной силой тяжести, которая создаётся его вращением

Искусственная сила тяжести — это изменение (уменьшение или увеличение) ощущаемой силы тяжести с помощью искусственных способов. В научной фантастике часто сопрягается с космосом, однако есть много причин для регулирования силы тяжести и на Земле (в частности, для научных экспериментов) и других планетах. Практически, иллюзия гравитации может создаваться различными физическими силами. Например, силой инерции (см. Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции) и, в частности, центробежной силой[1].

Создание искусственной силы тяжести считается желательным для долгосрочных космических путешествий (и вообще для пребывания в космосе) с целью создания физиологически естественных условий для обитания людей на борту космических судов и, в том числе, для избежания неблагоприятного воздействия на организм человека длительной невесомости[2][3]. Данная концепция была впервые разработана К. Э. Циолковским для орбитальных станций и дальних межзвёздных полетов.

Востребованность искусственной силы тяжести[править | править код]

В отсутствии силы тяжести у некоторых людей и животных возникает синдром космической адаптации. Многие синдромы проявляются в течение нескольких дней и скоро проходят, но, к примеру, плотность костей медленно уменьшается с течением времени[3]. Минимальная сила тяжести, которая нужна для предотвращения этих изменений, пока неизвестна, — современная биологическая наука имеет представления лишь о влиянии земной гравитации и невесомости на околоземной орбите. В настоящее время не хватает технических возможно

ru.wikipedia.org

Как создать гравитацию в космосе и почему её нет на МКС? — Альтернативный взгляд Salik.biz

Космос таит в себе множество загадок, и мы лишь начали изучать его. И одной из проблем, которые предстоит решить в будущем, является гравитация.

А что с ней не так, спросите вы? А её нет! Вернее, не так. Гравитация есть всегда, мы испытываем её от Земли, Луны, Солнца, других звёзд и даже центра нашей галактики. Но сила притяжения, которая подходит нам, есть только на Земле. И когда мы полетим на другие планеты или будем бороздить космос, как быть с гравитацией? Нужно создавать её искусственно.

Почему нам нужна определённая сила гравитации?

На Земле все организмы приспособились к силе притяжения, равной 9.8 м/с^2. Если она будет больше, то растения не смогут расти вверх, а мы постоянно будем испытывать давление, из-за чего наши кости будут ломаться, а органы разрушаться. А если она будет меньше, то у нас начнутся проблемы с доставкой питательных веществ в крови, ростом мышц и т.д.

Когда мы будем осваивать колонии на Марсе и Луне, то столкнёмся с проблемой пониженной гравитации. Наши мышцы частично атрофируются, приспособившись к местной силе притяжения. Но по возвращении на Землю у нас начнутся проблемы с хождением, перетаскиванием предметов и даже с дыханием. Именно настолько всё зависит от гравитации.

И у нас уже есть пример того, как это происходит — Международная Космическая Станция.

Космонавты на МКС и почему там нет гравитации

Те, кто посещает МКС, должны тренироваться на беговых дорожках и тренажёрах каждый день. Всё потому, что за время пребывания их мышцы теряют «хватку». В условиях невесомости не надо поднимать своё тело, можно расслабиться. Именно так думает организм. На МКС нет гравитации не потому, что она находится в космосе.

Расстояние от неё до Земли всего 400 километров, и сила притяжения на таком расстоянии лишь чуть-чуть меньше, чем на поверхности планеты. Но МКС не стоит на месте — она вращается по земной орбите. Она буквально постоянно падает на Землю, но её скорость настолько высока, что не даёт ей упасть.

Именно поэтому космонавты и находятся в состоянии невесомости. И всё же. Почему на МКС нельзя создать гравитацию? Это бы облегчило жизнь космонавтов в разы. Ведь они вынуждены тратить по несколько часов в день на физические упражнения только для поддержания формы.

Как создать искусственную гравитацию?

В научной фантастике давно создан концепт подобного космического корабля. Это огромное кольцо, которое должно постоянно вращаться вокруг своей оси. В результате этого центробежная сила «выталкивает» космонавта в сторону от центра вращения, и он будет воспринимать это как гравитацию. Но проблемы возникают, когда мы сталкиваемся с этим на практике.

Во-первых, нужно учесть силу Кориолиса — силу, возникающую при движении по кругу. Без этого нашего космонавта будет постоянно укачивать, а это не очень весело. В таком случае нужно ускорить вращение кольца на корабле до 2 оборотов в секунду, а это очень много, космонавту будет очень нехорошо. Чтобы решить эту проблему, нужно увеличить радиус кольца до 224 метров.

Корабль размером в полкилометра! Мы уже недалеко от Звёздных Войн. Вместо создания земной гравитации сначала мы создадим корабль с пониженной гравитацией, в котором останутся тренажёры. И лишь потом мы будем строить корабли с огроменными кольцами для сохранения гравитации. Кстати, на МКС как раз собираются строить модули для создания гравитации.

Сегодня учёные из Роскосмоса и NASA готовятся к отправке центрифуг на МКС, необходимых для создания искусственной гравитации там. Космонавтам больше не придётся тратить много времени на физические упражнения!

Проблема с гравитацией при больших ускорениях

Если мы хотим полететь к звёздам, то для путешествия к ближайшей Альфа Центавра А со скоростью в 99% от скорости света займёт 4.2 года. Но чтобы разогнаться до этой скорости, потребуется огромное ускорение. А значит, и огромные перегрузки, примерно в 1000-4000 тысячи раз больше земного притяжения. Такое не выдержать никому, и космический корабль с вращающимся кольцом должен быть просто гигантским, в сотни километров. Построить такое можно, но нужно ли?

К сожалению, мы до сих пор не до конца понимаем, как работает гравитация. И пока не придумали, как избежать эффекта таких перегрузок. Будем исследовать, проверять, изучать.

salik.biz

Проблема невесомости: искусственная гравитация за счет вращения

Невесомость негативно влияет на организм человека. Так, одним из последствий ее воздействия является быстрое атрофирование мышц и последующее снижение всех физических показателей организма. На МКС для решения этой проблемы установлены специальные тренажеры, на которых космонавты занимаются по несколько часов в день. Но тренажеры — это же скучно, гораздо интереснее было бы создать искусственную гравитацию.

Одним из способов создания искусственной гравитации, который то и дело вспоминается в работах фантастов и ученых, является создание космический станции, которая бы вращалась вокруг своей оси. Такое вращение привело бы к тому, что на космонавтов или жителей станции постоянно оказывала бы влияние центробежная сила, которую они бы ощущали как гравитационную силу. Подобных проектов очень много, чтобы быстро получить представление о том, что же это за станции, можно почитать несколько небольших статей из Википедии: эту, вот эту и эту.

Вращающаяся станция изнутри. Источник: Wikipedia Commons

Почему же эти решения не применяются на практике? Попробуем разобраться.

Идея искусственной гравитации за счет вращения основывается на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции; который гласит: если инертная масса и гравитационная масса равны, то невозможно отличить, какая сила действует на тело — гравитационная или сила инерции. Простыми словами: если создать космический корабль, вращающийся вокруг своей оси, возникающая при этом центробежная сила будет «выталкивать» космонавта всторону от центра вращения, и он сможет запросто стоять на «полу». Чем быстрее будет вращаться корабль, и чем дальше от центра будет находится космонавт, тем сильнее будет искусственная гравитация. Сила «притяжения» F будет равна:

F = m*v2/r , где m — масса космонавта, v — линейная скорость космонавта, r — расстояние от центра вращения (радиус).

Линейная же скорость равна v = 2π*R/T, где Т — время одного оборота.

Посмотрим, с какими же проблемами могут столкнуться разработчики вращающейся станции.

Как видно, искусственная сила притяжения прямо зависит от расстояния от центра вращения, получается, что для небольших r сила гравитации будет значительно отличаться для головы и ног космонавта, что может сильно затруднить передвижение. Но к этому можно будет приспособиться.

Гораздо сложнее приспособиться к воздействию силы Кориолиса, которая будет возникать каждый раз, когда наш космонавт будет двигаться относительно направления вращения (Сила Кориолиса, Wikipedia). В условиях действия этой силы космонавта будет постоянно укачивать, а это не так уж и весело. Чтобы избавиться от этого эффекта, частота вращения станции должна быть равной два оборота в минуту и менее, и тут возникает еще одна проблема — при частоте вращения в два оборота в минуту для получения искусственной гравитации в 1g (как на Земле) радиус вращения должен быть равен 224 метрам. Представьте себе космическую станцию в виде цилиндра с диаметром равным почти полкилометра! Построить конечно можно, но будет очень сложно и очень-очень дорого.

Однако работы в этом направлении уже ведутся пытались начать. Так в 2011 году НАСА предложило проект космической станции, один из модулей которой будет вращаться, обеспечивая искусственную гравитацию в 0,11-0,69g. Проект получил название «Наутилус-Х». Диаметр вращающегося модуля будет равен 9,1 либо 12 метров, а сам модуль будет служить спальным местом для 6 космонавтов.

Наутилус-Х

Станцию планируется использовать как промежуточную базу для дальних космических перелетов. Одним из этапов осуществления проекта является тестирование вращающейся части на МКС, что обойдется НАСА в 150 миллионов долларов и три года работ. На постройку целой станции по проекту Наутилус-Х уйдет около 4 миллиардов.

Космические корабли с искусственной гравитацией не за горами все еще только мечты, ребята!

universeru.com

Как создать гравитацию в космосе и почему её нет на МКС?

Космос таит в себе множество загадок, и мы лишь начали изучать его. И одной из проблем, которые предстоит решить в будущем, является гравитация.

А что с ней не так, спросите вы? А её нет! Вернее, не так. Гравитация есть всегда, мы испытываем её от Земли, Луны, Солнца, других звёзд и даже центра нашей галактики. Но сила притяжения, которая подходит нам, есть только на Земле. И когда мы полетим на другие планеты или будем бороздить космос, как быть с гравитацией? Нужно создавать её искусственно.

Почему нам нужна определённая сила гравитации?

На Земле все организмы приспособились к силе притяжения, равной 9.8 м/с^2. Если она будет больше, то растения не смогут расти вверх, а мы постоянно будем испытывать давление, из-за чего наши кости будут ломаться, а органы разрушаться. А если она будет меньше, то у нас начнутся проблемы с доставкой питательных веществ в крови, ростом мышц и т.д.

Когда мы будем осваивать колонии на Марсе и Луне, то столкнёмся с проблемой пониженной гравитации. Наши мышцы частично атрофируются, приспособившись к местной силе притяжения. Но по возвращении на Землю у нас начнутся проблемы с хождением, перетаскиванием предметов и даже с дыханием. Именно настолько всё зависит от гравитации.
 
И у нас уже есть пример того, как это происходит — Международная Космическая Станция.

Космонавты на МКС и почему там нет гравитации

Те, кто посещает МКС, должны тренироваться на беговых дорожках и тренажёрах каждый день. Всё потому, что за время пребывания их мышцы теряют «хватку». В условиях невесомости не надо поднимать своё тело, можно расслабиться. Именно так думает организм. На МКС нет гравитации не потому, что она находится в космосе.

Расстояние от неё до Земли всего 400 километров, и сила притяжения на таком расстоянии лишь чуть-чуть меньше, чем на поверхности планеты. Но МКС не стоит на месте — она вращается по земной орбите. Она буквально постоянно падает на Землю, но её скорость настолько высока, что не даёт ей упасть.

Именно поэтому космонавты и находятся в состоянии невесомости. И всё же. Почему на МКС нельзя создать гравитацию? Это бы облегчило жизнь космонавтов в разы. Ведь они вынуждены тратить по несколько часов в день на физические упражнения только для поддержания формы.

Как создать искусственную гравитацию?

В научной фантастике давно создан концепт подобного космического корабля. Это огромное кольцо, которое должно постоянно вращаться вокруг своей оси. В результате этого центробежная сила «выталкивает» космонавта в сторону от центра вращения, и он будет воспринимать это как гравитацию. Но проблемы возникают, когда мы сталкиваемся с этим на практике.

Во-первых, нужно учесть силу Кориолиса — силу, возникающую при движении по кругу. Без этого нашего космонавта будет постоянно укачивать, а это не очень весело. В таком случае нужно ускорить вращение кольца на корабле до 2 оборотов в секунду, а это очень много, космонавту будет очень нехорошо. Чтобы решить эту проблему, нужно увеличить радиус кольца до 224 метров.

Корабль размером в полкилометра! Мы уже недалеко от Звёздных Войн. Вместо создания земной гравитации сначала мы создадим корабль с пониженной гравитацией, в котором останутся тренажёры. И лишь потом мы будем строить корабли с огроменными кольцами для сохранения гравитации. Кстати, на МКС как раз собираются строить модули для создания гравитации.

Сегодня учёные из Роскосмоса и NASA готовятся к отправке центрифуг на МКС, необходимых для создания искусственной гравитации там. Космонавтам больше не придётся тратить много времени на физические упражнения!

Проблема с гравитацией при больших ускорениях

Если мы хотим полететь к звёздам, то для путешествия к ближайшей Альфа Центавра А со скоростью в 99% от скорости света займёт 4.2 года. Но чтобы разогнаться до этой скорости, потребуется огромное ускорение. А значит, и огромные перегрузки, примерно в 1000-4000 тысячи раз больше земного притяжения. Такое не выдержать никому, и космический корабль с вращающимся кольцом должен быть просто гигантским, в сотни километров. Построить такое можно, но нужно ли?

К сожалению, мы до сих пор не до конца понимаем, как работает гравитация. И пока не придумали, как избежать эффекта таких перегрузок. Будем исследовать, проверять, изучать.

Источник

gipotezy.com

Проект «Искусственная гравитация»: engineering_ru

Б.В. Раушенбах, соратник Королева, рассказал о том, как у того возникла идея создания искусственной тяжести на космическом корабле: в конце зимы 1963 года главного конструктора, расчищавшего дорожку от снега у своего домика на Останкинской улице, можно сказать, осенило. Не дождавшись понедельника, он позвонил по телефону Раушенбаху, который жил неподалеку, и вскоре они вместе стали «расчищать дорогу» в космос для длительных полетов.
Идея, как чаще всего бывает, оказалась простой; она и должна быть простой, иначе на практике может ничего не получиться.


Картинка из книги «Полёт в мировое пространство» (1949)

Как известно, на каруселях и других вращающихся аттракционах создается весьма продолжительная искусственная тяжесть за счет центробежных сил. Поэтому профессиональная карусель — центрифуга — стала одним из действенных инструментов для отбора и тренировки космонавтов, на ней проверяют способность выдерживать повышенную тяжесть. Большие перегрузки неизбежно действуют во время подъема в космос, на пути к невесомости, в полете на ракете. Создать искусственную карусель на орбите Королев задумал не случайно.
Уже следующий за Гагариным полет в космос принес большую неожиданность. В течение суток второй космонавт планеты Герман Титов испытывал в невесомости, мягко говоря, большой дискомфорт.

Надо сказать, что создание искусственной тяжести рассматривалось многими корифеями теоретической космонавтики, начиная с нашего Циолковского и немца Оберта. Уже в средине 50-х фон Браун, работая в Америке над ракетами, спроектировал космическую станцию с вращающимся «колесом», по периферии которого создавалась перегрузка.

В 1963 году Королев думал о полетах на Луну и даже к Марсу: в ОКБ-1 уже разрабатывались проекты межпланетных кораблей. И уж, конечно, не случайно будущая система искусственной тяжести рассчитывалась на одну шестую земной — такую же, как на Луне.

Размеры корабля слишком малы, чтобы вращать его для создания центробежной силы; требовался противовес, система связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля сыскался идеальный противовес — последняя ступень ракеты-носителя. Ступень выходит на орбиту и отделяется, отбрасывается от него как ненужная, уже бесполезная пустая «бочка». Ее-то и «подобрал» Королев для своего эксперимента. Первые оценки показали, что необходимы большие, почти космические размеры карусели. Дело в том, что перегрузка пропорциональна расстоянию от центра вращения и скорости вращения в квадрате. Из «карусельной практики» и из опыта состоявшихся и несостоявшихся космонавтов известны те неприятные ощущения, которые испытывает человек на вращающейся платформе.

Когда стали разрабатывать систему искусственной тяжести, космическая медицина уже поднялась на высокий научный уровень. Скорость, с которой можно безболезненно вращать космонавта на орбите, определили как раз по ускорению Кориолиса, задавшись относительной скоростью перемещения космонавта в корабле, все — строго по законам классической механики. В итоге нам, инженерам-создателям системы, досталась от специалистов по космической медицине угловая скорость в два оборота в минуту. Чтобы достичь лунной перегрузки, то есть центробежного ускорения в 1,5 м/с2, требовался трос длиной в 300 м. Однако это было еще не все. Сразу раскрутить «карусель» до такой скорости не удавалось, и вообще разведение корабля с последней ступенью оказалось наиболее тонким и опасным этапом образования вращающейся системы. Подготовили следующий космический сценарий.

Исходная конфигурация системы искусственной тяжести — ИТ (до перецепки):

После выхода на орбиту «Восход» отделялся от ракеты-носителя, оставаясь связанным с ним тросом. Пустая, без топлива и окислителя последняя ступень РН «Восток» — ракетный блок И, как его называли в ОКБ-1, — весила около 3 т. Через несколько секунд после расхождения метров на пять включались два пороховых реактивных двигателя, которые сообщали дополнительный импульс блоку И, увеличивая скорость расхождения (радиальную скорость) до 10 м/с. Сматывая трос с барабана лебедки, ракетный блок удалялся от корабля, пока расстояние не увеличилось до 1000 м. Ни мало ни много, а для эксперимента требовался 1 км троса. Погасив скорость расхождения, лебедка выдавала сигнал на включение еще одной пары пороховых реактивных двигателей, на этот раз — чтобы закрутить систему, по терминологии классической механики — сообщить блоку И тангенциальную скорость. Система из двух связанных тросом тел начинала вращаться относительно общего центра масс со скоростью в 2 оборота в минуту, а центр масс, в свою очередь, продолжал вращаться по орбите вокруг Земли. Под действием центробежной силы трос натягивался с силой 20 кг, создавая перегрузку в 1/300 земной. Следующим шагом становилась так называемая перецепка.

Окончательная конфигурация ИТ (после перецепки). Сила искусственной тяжести прижимает космонавтов к креслу:

Чтобы искусственная сила тяжести действовала на сидящего в кресле космонавта правильно, чтобы она прижимала его к креслу, а не вынуждала висеть на привязных ремнях, требовалось отцепить нижнюю точку крепления на приборно-агрегатном отсеке «Восхода»; корабль перевертывался и после нескольких колебаний оставался висеть вверх ногами, зато это положение вполне устраивало космонавтов.

Уже из столь краткого описания видно, что система получилась совсем не простой. Анализ показывал, что ракетный блок и корабль начинали колебаться за счет начальных возмущений, а трос, как натянутая струна, мог колебаться по собственному, как известно, совсем уж не простому закону. С этими колебаниями надо было бороться, не давать им выйти из-под контроля. С этой целью на блоке И устанавливалась дополнительная реактивная система управления (РСУ), которая так же, как РСУ на корабле «Восход», демпфировала угловые колебания блока относительно троса. Еще более тонкие явления, которые тоже вытекали из законов классической механики и определялись так называемыми градиентами гравитационных сил, при анализе у нас игнорировались. До них в те годы по-настоящему еще не добрались, а эти чисто космические силы орбитального полета могли существенно повлиять на неземную космическую механику, которая рассчитывалась по земным законам. К тому же, в нашем стальном, а значит электропроводящем, тросе, летящем в магнитном поле Земли, неизбежно возникли бы уникальные электромагнитные явления.

На следующем этапе развертывания требовалось увеличить перегрузку до лунного значения, то есть до 1/6 земной. Помог еще один закон классической механики, называемый принципом сохранения кинетического момента. Если стягивать два вращающихся тела, то, подчиняясь этому закону, скорость вращения начинает возрастать, как у вращающегося на льду фигуриста, складывающего руки. Лебедка стягивала трос с километрового расстояния до 300 м, увеличивая скорость вращения до требуемой величины — 7 град/с; при этом сила возрастала с 20 кг до 1000 кг. В результате на корабле «Восход» с массой около 6 т действовала перегрузка, равная лунной тяжести.

После окончания эксперимента трос предполагалось отстрелить от корабля, иначе спуск на Землю в объятия естественной тяжести становился невозможным.

Вот такая длинная и непростая процедура космической «раскрутки» была задумана к середине 1964 года.

Также много лет спустя мы стали разрабатывать эксперимент с многокилометровым тросом. Только тогда мне пришлось познакомиться с теми уникальными физическими явлениями, которые возникают в этих сугубо космических системах. Конечно, в середине 60-х мы были молодыми и только познавали космос. И все-таки странно, что тогда никто из нас, даже будущий академик Раушенбах, не обратил должного внимания ни на особенности орбитальной механики троса, ни на 100-вольтовое напряжение, которое генерируется в тросовом проводнике, летящем в магнитном поле Земли со скоростью почти 8 км/с. Странно, потому что как раз в эти годы на Западе начали разрабатывать теорию этого уникального явления. Безусловно, определенную роль сыграла закрытость нашей космической техники, оторванность наших специалистов от мировой космонавтики, ведь в это время на Западе появились первые публикации, посвященные теории электродинамических систем в космосе.

Тогда нашему отделу досталась практическая механика, наиболее трудоемкая часть системы: лебедка, демпферы продольных и поперечных колебаний, механизм перецепки. Все они не имели прототипов. Наряду со стыковочным механизмом это задание оказалось для нас в те годы, пожалуй, самым сложным и комплексным. Проектировать и испытывать эту систему пришлось параллельно со стыковкой и другими, менее объемными, зато многочисленными заданиями.

Во второй половине 1964 и в начале 1965 года мы сконструировали все эти и другие компоненты системы искусственной тяжести. Тогда мы действительно очень спешили. Помню, как В.Ф. Кульчак, одна из самых работящих и упорных наших конструкторов, не выдержав очередного раунда изменений, чуть не бросила мне на стол почти готовые чертежи. Завод «Машиноаппарат» приступил к созданию прецизионных магнитных и электромагнитных тормозов. В мае 1965 года небольшая группа конструкторов с нашим материаловедом Л.М. Маленковой выехала в Ленинград, где на сталепрокатном заводе, заложенном еще в петровские времена, для нас изготавливали специальный космический трос. Чтобы сделать его легче, трос выполнили двухступенчатым, в соответствии с законом изменения перегрузки на орбите.

Вскоре уже в металле стали видны контуры километровой лебедки в виде первых корпусных деталей, размеры которых были необычными для этого цеха, привыкшего к небольшим приводам и механизмам.

Все компоненты и узлы были изготовлены, и мы приступили к отработке. И все-таки мы опаздывали, не успевая угнаться за планами нашего Главного конструктора.
Несмотря на всю секретность, за океаном, конечно, прослышали о наших планах создать искусственную тяжесть в космосе. Американцам очень не хотелось в очередной раз уступать нам «впервые в мире», и они сделали реальную попытку воспроизвести нашу схему на орбите на кораблях «Джемини».

В начале 1966 года Королев лег в больницу, а я уехал в Азов. Из больницы он не вернулся.
Сначала мы не знали, чем закончится наша искусственная и связанная с ней естественная тяжесть. В начале марта мы еще провожали «Восход-3», предназначенный для длительного полета, на полигон. Я его так и запомнил висящим на кране в нашем, тогда новом «малом» КИСе на 2-м производстве. Тогда мне казалось, что вскоре мы будем провожать «Восход-4» с демпфером, механизмом перецепки и узлом отстрела троса.
Наверно, это был оптимизм социалистического реализма.

В течение 1966 года возникали проблемы, связанные с планами длительного полета на «Восходе». Ряд технических и политических соображений также говорили не в пользу старых кораблей. В конце концов наш новый главный конструктор В.П. Мишин приказал прекратить работы над всеми «Восходами». По его указанию проектанты некоторое время рассматривали возможность создать искусственную тяжесть на базе нового корабля «Союз». Вскоре стало ясно, что там реализовать это гораздо труднее, чем на «Восходе», несмотря на то что РСУ (ракетная система управления) нового корабля позволяла более эффективно выполнить многие операции. Мы пытались протестовать и спасти хотя бы один «Восход» с искусственной тяжестью, но нас никто не слушал. Вскоре другие земные, естественные и искусственные тяжести захлестнули нового главного и многих из нас.
Еще долго космические лебедки и другие узлы никем до сих пор не воспроизведенной системы хранились в приборном производстве, досаждая всем своими большими размерами, пока их не сдали… на металлолом к какому-то очередному празднику.

Из книги Сыромятникова В.С. «100 рассказов о стыковке»

Для полноты картины. Март 1966, американцы на «Джемини-11»:

В 11:29 «Джемини-11» был отстыкован от «Аджены». Началось самое интересное: как поведут себя два объекта, связанные тросом? Сначала Конрад пытался ввести связку в гравитационную стабилизацию – чтобы ракета висела внизу, корабль вверху и трос был натянут.
Однако отойти на 30 м, не возбудив сильных колебаний, не удалось. В 11:55 перешли ко второй части эксперимента – «искусственная тяжесть». Конрад ввел связку во вращение; трос сначала натянулся по кривой линии, но через 20 мин выпрямился и вращение стало вполне правильным. Конрад довел его скорость до 38 °/мин, а после ужина до 55 °/мин, создав тяжесть на уровне 0,00078g. «На ощупь» это не чувствовалось, но вещи потихоньку осели на дно капсулы. В 14:42 после трех часов вращения штырь был отстрелен, и «Джемини» ушел от ракеты.

Из «Мировой пилотируемой космонавтики»

engineering-ru.livejournal.com

Создание искусственной гравитации на вимане

Если видишь виману, днем, да еще, отснятую с приличной резкостью то кроме мыслей – фотошоп в действии, других не возникает.

Однако, через некоторое время вернулся снова к этому видео и сам себе подумал: неплохое решение придумал художник (или конструктор космического корабля) для решения проблемы создания искусственной гравитации на борту корабля.

Размеры виманы, приблизительно, если там внутри гуманоиды, похожие на людей.

«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»

Хотел ограничиться только этим замечанием, но требуется пояснение для тех, кто далек от космических полетов для чего, и как можно решить задачу создания гравитации для существ, которые не могут жить в космосе длительное время без действия сил тяжести на их организм.

«Главным звеном в патогенезе действия фактора невесомости является, по-видимому, снижение функциональной нагрузки на ряд систем человеческого организма в связи с отсутствием веса и связанного с этим механического напряжения структур тела. Функциональная недогруженность человеческого организма в состоянии невесомости проявляется, вероятно, как изменение афферентации с механорецепторов, а также как изменение распределения жидких сред и снижение нагрузки »а опорно-двигательный аппарат космонавта и его тоническую мускулатуру.»

Помните, как в старом фантастическом фильме Стенли Кубрика «Космическая одиссея: 2001 год», в котором земляне путешествуют к дальним мирам, вращался корпус космического корабля? Так, по замыслу фантаста, должна была создаваться искусственная гравитация, которая нужна для того, чтобы организм человека в невесомости не отвык от земных условий существования. Российские ученые хотят создать на космической станции земное притяжение. http://www.mk.ru/science/2015/02/20/rossiyskie-uchenye-khotyat-sozdat-na-kosmicheskoy-stancii-zemnoe-prityazhenie.html

Российские ученые только хотят создать на станции земное притяжение, а «эти» создали и летают между звездами, если не придумал данную виману талантливый земной конструктор.

Damkin

Источник — universe-tss.su .

cosmos.mirtesen.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о