Dokonce i člověk, který se o vesmír nezajímá, někdy viděl film o cestování vesmírem nebo četl o takových věcech v knihách. Téměř ve všech takových dílech lidé chodí po lodi, normálně spí a nemají problémy s jídlem. To znamená, že tyto - fiktivní - lodě mají umělou gravitaci. Většina diváků to vnímá jako něco zcela přirozeného, ale vůbec tomu tak není.
Umělá gravitace
Toto je název změny (v jakémkoli směru) gravitace, který je nám známý použitím různých metod. A to se děje nejen ve fantastických dílech, ale také ve velmi reálných pozemských situacích, nejčastěji pro experimenty.
Teoreticky nevypadá vytvoření umělé gravitace tak složitě. Lze jej například znovu vytvořit pomocí setrvačnosti, přesněji řečeno odstředivé síly. Potřeba této síly nevznikla včera - stalo se to okamžitě, jakmile člověk začal snít o dlouhodobých vesmírných letech. Stvořeníumělá gravitace ve vesmíru umožní vyhnout se mnoha problémům, které vznikají při dlouhodobém pobytu ve stavu beztíže. Svaly astronautů ochabují, kosti jsou méně pevné. Při cestování v takových podmínkách po celé měsíce můžete získat atrofii některých svalů.
Vytvoření umělé gravitace je dnes tedy prvořadým úkolem, průzkum vesmíru bez této dovednosti je prostě nemožný.
Materiály
Dokonce i ti, kteří znají fyziku pouze na úrovni školních osnov, chápou, že gravitace je jedním ze základních zákonů našeho světa: všechna těla na sebe vzájemně působí a zažívají vzájemnou přitažlivost / odpuzování. Čím větší je tělo, tím větší je jeho přitažlivá síla.
Země je pro naši realitu velmi masivní objekt. Proto jsou k němu bez výjimky přitahována všechna těla kolem ní.
Pro nás to znamená zrychlení volného pádu, které se obvykle měří vg, tedy 9,8 metru za sekundu čtvereční. To znamená, že kdybychom neměli pod nohama žádnou oporu, padali bychom rychlostí, která se každou sekundu zvyšuje o 9,8 metru.
Jedině díky gravitaci jsme tedy schopni normálně stát, padat, jíst a pít, chápat, kde je nahoře, kde dole. Pokud gravitace zmizí, budeme v nulové gravitaci.
Astronauti, kteří se ocitnou ve vesmíru ve stavu plachtění - volný pád jsou s tímto fenoménem obzvláště obeznámeni.
Teoreticky vědci vědí, jak vytvořit umělou gravitaci. Existovatněkolik technik.
Big Mass
Nejlogičtější možností je udělat vesmírnou loď tak velkou, aby měla umělou gravitaci. Na lodi se budete moci cítit pohodlně, protože se neztratí orientace v prostoru.
Tato metoda s moderním rozvojem technologií je bohužel nereálná. Postavit takový objekt vyžaduje příliš mnoho zdrojů. Navíc bude vyžadovat neuvěřitelné množství energie, aby ho zvedl.
Zrychlit
Zdá se, že pokud chcete dosáhnout g rovného zemskému, stačí lodi dát plochý (plošinový) tvar a přimět ji, aby se pohybovala kolmo k rovině s požadovaným zrychlením. Tímto způsobem bude získána umělá gravitace, a to ideální.
Realita je však mnohem složitější.
Za prvé stojí za to zvážit otázku paliva. Aby stanice neustále zrychlovala, je nutné mít nepřerušitelné napájení. I když se náhle objeví motor, který nevyhazuje hmotu, zákon zachování energie zůstane v platnosti.
Druhým problémem je samotná myšlenka neustálého zrychlování. Podle našich znalostí a fyzikálních zákonů je nemožné zrychlit do nekonečna.
Taková vozidla navíc nejsou vhodná pro výzkumné mise, protože musí neustále zrychlovat – létat. Nebude se moci zastavit, aby studoval planetu, nebude schopen ji ani pomalu obletět – potřebuje zrychlit.
TakžeJe tedy jasné, že taková umělá gravitace pro nás zatím není dostupná.
Karusel
Každý ví, jak rotace kolotoče ovlivňuje tělo. Proto se zařízení umělé gravitace podle tohoto principu jeví jako nejrealističtější.
Vše, co je v průměru karuselu, má tendenci z něj vypadávat rychlostí přibližně rovnou rychlosti otáčení. Ukazuje se, že na tělo působí síla směřující podél poloměru rotujícího objektu. Je to velmi podobné gravitaci.
Potřebujete tedy loď, která má válcový tvar. Zároveň se musí otáčet kolem své osy. Mimochodem, umělá gravitace na vesmírné lodi, vytvořená podle tohoto principu, se často zobrazuje ve sci-fi filmech.
Loď sudovitého tvaru, rotující kolem podélné osy, vytváří odstředivou sílu, jejíž směr odpovídá poloměru předmětu. Chcete-li vypočítat výsledné zrychlení, musíte vydělit sílu hmotností.
Pro lidi znalé fyziky nebude těžké vypočítat toto: a=ω²R.
V tomto vzorci je výsledkem výpočtu zrychlení, první proměnná je uzlová rychlost (měřená v radiánech za sekundu), druhá je poloměr.
Podle toho je pro získání obvyklého g nutné správně kombinovat úhlovou rychlost a poloměr vesmírné dopravy.
Tento problém je pokryt filmy jako "Intersol", "Babylon 5", "2001: Vesmírná odysea" a podobně. Ve všech těchto případechumělá gravitace je blízko zrychlení volného pádu Země.
Bez ohledu na to, jak dobrý je nápad, je poměrně obtížné ho realizovat.
Problémy karuselové metody
Nejzřejmější problém je zdůrazněn v A Space Odyssey. Poloměr „vesmírného nosiče“je asi 8 metrů. Abyste dosáhli zrychlení 9,8, musí rotace probíhat rychlostí přibližně 10,5 otáčky za minutu.
Při uvedených hodnotách se projevuje „Coriolisův efekt“, který spočívá v tom, že v různých vzdálenostech od podlahy působí různé síly. Přímo závisí na úhlové rychlosti.
Ukazuje se, že ve vesmíru vznikne umělá gravitace, ale příliš rychlé otáčení pouzdra povede k problémům s vnitřním uchem. To zase způsobuje nerovnováhu, problémy s vestibulárním aparátem a další podobné problémy.
Vznik této bariéry naznačuje, že takový model je extrémně neúspěšný.
Můžete zkusit jít z opačného směru, jako to udělali v románu „The World-Ring“. Zde je loď vyrobena ve formě prstence, jehož poloměr se blíží poloměru naší oběžné dráhy (asi 150 milionů km). Při této velikosti je rychlost jeho rotace dostatečná k tomu, aby ignoroval Coriolisův efekt.
Mohli byste předpokládat, že problém je vyřešen, ale vůbec tomu tak není. Faktem je, že úplné otočení této konstrukce kolem její osy trvá 9 dní. To umožňuje předpokládat, že zatížení bude příliš velké. V následujících situacíchkonstrukce je vydržela, je potřeba velmi pevný materiál, který dnes nemáme k dispozici. Problémem je navíc množství materiálu a samotný proces výstavby.
Ve hrách na podobnou tematiku jako ve filmu "Babylon 5" jsou tyto problémy nějak vyřešeny: rychlost otáčení je zcela dostatečná, Coriolisův efekt není výrazný, hypoteticky je možné takovou loď vytvořit.
I takové světy však mají nevýhodu. Jeho jméno je momentum.
Loď se otáčející kolem své osy promění v obrovský gyroskop. Jak víte, je extrémně obtížné přimět gyroskop odchýlit se od osy kvůli momentu hybnosti. Je důležité, aby jeho množství neopouštělo systém. To znamená, že u tohoto objektu bude velmi obtížné nastavit směr. Tento problém však lze vyřešit.
Řešení problémů
Umělá gravitace na vesmírné stanici se zpřístupní, když na záchranu přijde „O'Neillův válec“. K vytvoření tohoto designu jsou zapotřebí identické válcové lodě, které jsou spojeny podél osy. Měly by se otáčet v různých směrech. Výsledkem této montáže je nulový moment hybnosti, takže by nemělo být obtížné dát lodi požadovaný směr.
Pokud je možné vyrobit loď o poloměru cca 500 metrů, tak bude fungovat přesně tak, jak má. Umělá gravitace ve vesmíru bude zároveň docela pohodlná a vhodná pro dlouhé lety na lodích nebo výzkumných stanicích.
Vesmírní inženýři
Jak vytvořit umělou gravitaci je tvůrcům hry známo. V tomto fantasy světě však gravitace není vzájemná přitažlivost těles, ale lineární síla určená k urychlení objektů v daném směru. Přitažlivost zde není absolutní, mění se, když je zdroj přesměrován.
Umělá gravitace na vesmírné stanici je vytvářena pomocí speciálního generátoru. V oblasti generátoru je rovnoměrný a stejnosměrný. Takže pokud vás ve skutečném světě zasáhne loď, která má nainstalovaný generátor, budete přitaženi k trupu. Ve hře však hrdina bude padat, dokud neopustí obvod zařízení.
Umělá gravitace ve vesmíru, vytvořená takovým zařízením, je dnes pro lidstvo nedostupná. Nicméně ani šedovlasí vývojáři o tom nepřestanou snít.
Sférický generátor
Toto je realističtější verze vybavení. Při instalaci má gravitace směr ke generátoru. To umožňuje vytvořit stanici, jejíž gravitace bude rovna planetární.
Centrifuge
Dnes se umělá gravitace na Zemi nachází v různých zařízeních. Jsou založeny z velké části na setrvačnosti, protože tuto sílu pociťujeme podobně jako gravitační účinky - tělo nerozlišuje, co způsobuje zrychlení. Jako příklad: osoba, která jde nahoru ve výtahu, zažívá účinek setrvačnosti. Očima fyzika: zvedání výtahu přidává ke zrychlení volného pádu zrychlení auta. Po návratukabiny k měřenému pohybu zmizí "přírůstek" hmotnosti a vrátí se obvyklé pocity.
Vědci se již dlouho zajímají o umělou gravitaci. K těmto účelům se nejčastěji používá odstředivka. Tato metoda je vhodná nejen pro kosmické lodě, ale také pro pozemní stanice, ve kterých je potřeba studovat vliv gravitace na lidské tělo.
Studujte na Zemi, přihlaste se do…
I když studium gravitace začalo z vesmíru, je to velmi světská věda. I dnes našly úspěchy v této oblasti své uplatnění například v medicíně. Když víme, zda je možné na planetě vytvořit umělou gravitaci, lze ji použít k léčbě problémů s motorickým aparátem nebo nervovým systémem. Studium této síly se navíc provádí především na Zemi. To umožňuje astronautům provádět experimenty a přitom zůstat pod bedlivým dohledem lékařů. Další věcí je umělá gravitace ve vesmíru, nejsou tam žádní lidé, kteří by mohli astronautům pomoci v případě nepředvídané situace.
Vzhledem k celkové beztíži nelze brát v úvahu satelit na nízké oběžné dráze Země. Tyto objekty, byť v malé míře, jsou ovlivněny gravitací. Gravitační síla generovaná v takových případech se nazývá mikrogravitace. Skutečnou gravitaci zažijeme pouze v přístroji létajícím konstantní rychlostí ve vesmíru. Lidské tělo však tento rozdíl necítí.
Beztíže můžete zažít při dlouhém skoku (před otevřením vrchlíku) nebo při parabolickém klesání letadla. Takové experimentyčasto inscenované v USA, ale v letadle tento pocit trvá pouze 40 sekund - to je příliš málo na úplné studium.
V SSSR v roce 1973 věděli, zda je možné vytvořit umělou gravitaci. A nejen ji vytvořil, ale také nějakým způsobem změnil. Živým příkladem umělého poklesu gravitace je suché ponoření, ponoření. Chcete-li dosáhnout požadovaného účinku, musíte na hladinu vody položit hustý film. Osoba je umístěna na ní. Pod tíhou těla se tělo ponoří pod vodu, nad ním zůstane jen hlava. Tento model demonstruje nízkou gravitační podporu nalezenou v oceánu.
Není třeba jít do vesmíru, abyste pocítili účinek opačné síly stavu beztíže - hypergravitace. Při startu a přistání kosmické lodi v centrifuze můžete přetížení nejen cítit, ale také ho studovat.
Gravitační léčba
Gravitační fyzika studuje mimo jiné vliv stavu beztíže na lidské tělo a snaží se minimalizovat následky. Velké množství úspěchů této vědy však může být užitečné pro běžné obyvatele planety.
Lékaři vkládají velké naděje do výzkumu chování svalových enzymů při myopatii. Toto je vážné onemocnění vedoucí k předčasné smrti.
Při aktivním fyzickém cvičení se do krve zdravého člověka dostává velké množství enzymu kreatinofosfokinázy. Důvod tohoto jevu není jasný, možná zátěž působí na buněčnou membránu tak, že ji„perforuje“. Pacienti s myopatií mají stejný účinek bez cvičení. Pozorování astronautů ukazují, že ve stavu beztíže se výrazně snižuje průtok aktivního enzymu do krve. Tento objev naznačuje, že použití imerze sníží negativní dopad faktorů vedoucích k myopatii. V současné době probíhá testování na zvířatech.
Léčba některých nemocí se již dnes provádí pomocí dat získaných studiem gravitace, včetně umělé. Například dětská mozková obrna, mrtvice, Parkinsonova choroba se léčí pomocí zátěžových obleků. Výzkum pozitivního vlivu podpory - pneumatická bota je téměř dokončena.
Poletíme na Mars?
Nejnovější úspěchy astronautů dávají naději na realitu projektu. Existují zkušenosti s lékařskou podporou pro člověka během dlouhého pobytu mimo Zemi. Výzkumné lety na Měsíc, na kterém je gravitační síla 6x menší než ta naše, přinesly také spoustu výhod. Nyní si astronauti a vědci stanovují nový cíl – Mars.
Než se postavíte do fronty na vstupenku na Rudou planetu, měli byste vědět, co tělo očekává již v první fázi práce – na cestě. V průměru bude cesta na pouštní planetu trvat rok a půl – asi 500 dní. Na cestě se budete muset spolehnout jen na své síly, na pomoc prostě není kde čekat.
Sílu podkopává mnoho faktorů: stres, záření, nedostatek magnetického pole. Nejdůležitějším testem pro tělo je změna gravitace. Během cesty se člověk „seznámí“.několik úrovní gravitace. V první řadě jsou to přetížení při vzletu. Pak - stav beztíže během letu. Poté hypogravitace v cíli, protože gravitace na Marsu zabírá méně než 40 % Země.
Jak se vyrovnáváte s negativními účinky stavu beztíže při dlouhém letu? Doufáme, že vývoj v oblasti vytváření umělé gravitace pomůže tento problém v blízké budoucnosti vyřešit. Experimenty na krysách cestujících na Kosmos-936 ukazují, že tato technika neřeší všechny problémy.
Zkušenosti OS ukázaly, že použití tréninkových komplexů, které dokážou určit potřebnou zátěž pro každého astronauta individuálně, může tělu přinést mnohem více výhod.
Zatím se věří, že na Mars poletí nejen výzkumníci, ale také turisté, kteří chtějí na Rudé planetě založit kolonii. Pro ně, alespoň zpočátku, pocity stavu beztíže převáží všechny argumenty lékařů o nebezpečí dlouhodobého vystavení takovým podmínkám. I oni však budou za pár týdnů potřebovat pomoc, a proto je tak důležité umět najít způsob, jak vytvořit umělou gravitaci na vesmírné lodi.
Výsledky
Jaké závěry lze vyvodit o vytvoření umělé gravitace ve vesmíru?
Ze všech aktuálně zvažovaných možností vypadá rotující struktura nejrealističtěji. Při současném chápání fyzikálních zákonů je to však nemožné, protože loď není dutý válec. Uvnitř jsou přesahy, které narušují realizaci nápadů.
Navíc by měl být poloměr lodi takovývelké, takže Coriolisův efekt nemá významný účinek.
K ovládání něčeho takového potřebujete O'Neillův válec zmíněný výše, který vám dá schopnost ovládat loď. V tomto případě se zvyšuje šance na použití podobného designu pro meziplanetární lety s tím, že posádce poskytne pohodlnou úroveň gravitace.
Než se lidstvu podaří uskutečnit své sny, rád bych ve sci-fi viděl trochu více realismu a ještě více znalostí fyzikálních zákonů.
