Навіть людина, яка не цікавиться космосом, хоч раз бачила фільм про космічні подорожі або читала про такі речі в книгах. Практично у всіх подібних творах люди ходять по кораблю, нормально сплять, не мають проблем із прийомом їжі. Це означає, що у цих - вигаданих - кораблях є штучна гравітація. Більшість глядачів сприймає це як щось цілком природне, але це зовсім не так.

Штучна гравітація

Так називають зміну (у будь-який бік) звичної для нас гравітації шляхом застосування різних способів. І робиться це у фантастичних творах, а й у цілком реальних земних ситуаціях, найчастіше, для експериментів.

Теоретично створення штучної гравітації виглядає негаразд складно. Наприклад, відтворити її можна за допомогою інерції, точніше, Потреба в цій силі виникла не вчора - сталося це відразу, як тільки людина почала мріяти про тривалі космічні перельоти. Створення штучної гравітації в космосі дозволить уникнути безлічі проблем, що виникають при тривалому знаходженні в невагомості. У космонавтів слабшають м'язи, кістки стають менш міцними. Подорожуючи за таких умов місяці, можна отримати атрофію деяких м'язів.

Таким чином, на сьогоднішній день створення штучної гравітації – завдання першорядної важливості, без цього вміння просто неможливе.

Матчастина

Навіть ті, хто знають фізику лише на рівні шкільної програми, розуміють, що гравітація - один із фундаментальних законів нашого світу: всі тіла взаємодіють один з одним, відчуваючи взаємне тяжіння/відштовхування. Чим більше тіло, тим вища його сила тяжіння.

Земля для нашої реальності – об'єкт дуже масивний. Саме тому всі без винятку тіла довкола до неї притягуються.

Для нас це означає, що прийнято вимірювати в g, що дорівнює 9.8 метра за квадратну секунду. Це означає, що якби під ногами у нас не було опори, ми б падали зі швидкістю, яка щомиті збільшується на 9.8 метра.

Таким чином, лише завдяки гравітації ми здатні стояти, падати, нормально їсти та пити, розуміти, де знаходиться верх, де низ. Якщо тяжіння зникне – ми опинимося у невагомості.

Особливо добре знайомі з цим феноменом космонавти, які опиняються в космосі в стані ширяння - вільного падіння.

Теоретично вчені знають, як створити штучну гравітацію. Існує кілька методик.

Велика маса

Найлогічніший варіант – зробити настільки великим, щоб на ньому виникала штучна гравітація. На кораблі можна буде почуватися комфортно, оскільки не буде втрачено орієнтацію у просторі.

На жаль, цей спосіб при сучасний розвитоктехнологій нереальний. Щоб спорудити такий об'єкт, потрібно дуже багато ресурсів. Крім того, для його підйому буде потрібна неймовірна кількість енергії.

Прискорення

Здавалося б, якщо потрібно досягти g, рівного земному, потрібно лише надати кораблю плоску (платформоподібну) форму, і змусити його рухатися перпендикуляром до площини з потрібним прискоренням. Таким шляхом буде отримано штучну гравітацію, причому - ідеальну.

Однак насправді все набагато складніше.

Насамперед варто врахувати паливне питання. Для того, щоб станція постійно прискорювалася, необхідно мати безперебійне джерело живлення. Навіть якщо раптово з'явиться двигун, який не викидає матерію, закон збереження енергії залишиться в силі.

Друга проблема полягає у самій ідеї постійного прискорення. Згідно з нашими знаннями та фізичними законами, неможливо прискорюватися до нескінченності.

Крім того, такий транспорт не підходить для дослідницьких місій, оскільки він має постійно прискорюватись – летіти. Він зможе зупинитися вивчення планети, він навіть повільно пролетіти навколо неї зможе - треба прискорюватися.

Таким чином, стає ясно, що і така штучна гравітація нам поки що недоступна.

Карусель

Кожен знає, як обертання каруселі впливає тіло. Тому влаштування штучної гравітації за цим принципом здається найбільш реальним.

Все, що знаходиться в діаметрі каруселі, прагне випасти з неї зі швидкістю приблизно рівної швидкості обертання. Виходить, що на тіла діє сила, спрямована вздовж радіуса об'єкта, що обертається. Це дуже схоже на гравітацію.

Отже, потрібен корабель, що має циліндричну форму. При цьому він має обертатися довкола своєї осі. До речі, штучна гравітація на космічному кораблі, створена за цим принципом, досить часто демонструється в науково-фантастичних фільмах.

Бочкоподібний корабель, обертаючись навколо поздовжньої осі, створює відцентрову силу, напрямок якої відповідає радіусу об'єкта. Щоб обчислити прискорення, що отримується, потрібно розділити силу на масу.

У цій формулі результат розрахунків – прискорення, перша змінна – вузлова швидкість (вимірюється у кількості радіан за секунду), друга – радіус.

Відповідно, для отримання звичної нам g, необхідно грамотно поєднувати і радіус космічного транспорту.

Подібна проблема висвітлена у таких фільмах, як «Інтерсолах», «Вавилон 5», «2001 рік: Космічна одіссея» та подібні до них. У всіх цих випадках штучна гравітація наближена до прискорення земного вільного падіння.

Якою б не була хороша ідея, реалізувати її досить складно.

Проблеми методу "карусель"

Найочевидніша проблема висвітлена в «Космічній одіссеї». Радіус «космічного перевізника» складає близько 8 метрів. Щоб отримати прискорення в 9.8, обертання має відбуватися зі швидкістю, приблизно, 10.5 обороту щохвилини.

При зазначених величинах проявляється «ефект Коріоліса», який у тому, що у різному віддаленні від статі діє різна сила. Вона безпосередньо залежить від кутової швидкості.

Виходить, штучна гравітація в космосі створена буде, проте надто швидке обертання корпусу призведе до проблем із внутрішнім вухом. Це, своєю чергою, викликає порушення рівноваги, проблеми з вестибулярним апаратом та інші - аналогічні - труднощі.

Виникнення цієї перепони свідчить, що подібна модель вкрай невдала.

Можна спробувати піти від зворотного, як надійшли у романі «Мир-Кольцо». Тут корабель виконаний у формі кільця, радіус якого наближений до радіусу нашої орбіти (близько 150 млн км). При такому розмірі його обертання цілком достатньо, щоб ігнорувати ефект Коріоліса.

Можна припустити, що проблему вирішено, проте це зовсім не так. Справа в тому, що повний оберт цієї конструкції навколо своєї осі займає 9 днів. Це дозволяє припустити, що навантаження виявляться занадто великими. Для того щоб конструкція їх витримала, необхідний дуже міцний матеріал, який на сьогоднішній день ми не маємо. Крім того, проблемою є кількість матеріалу та безпосередньо процес будівництва.

В іграх подібної тематики, як і у фільмі «Вавилон 5», ці проблеми якимось чином вирішені: цілком достатня швидкість обертання, ефект Коріоліса не є суттєвим, гіпотетично створити такий корабель можливо.

Однак навіть такі світи мають нестачу. Звати його – момент імпульсу.

Корабель, обертаючись навколо осі, перетворюється на величезний гіроскоп. Як відомо, змусити гіроскоп відхилитися від осі вкрай складно завдяки важливому, щоб його кількість не залишала систему. Це означає, що задати напрямок цьому об'єкту буде дуже складно. Однак таку проблему можна вирішити.

Рішення проблеми

Штучна гравітація на космічній станції стає доступною, коли на допомогу приходить «циліндр О'Ніла». Для створення цієї конструкції необхідні однакові циліндричні кораблі, які з'єднують уздовж осі. Обертатися вони повинні в різні сторони. Результатом такої складання є нульовий момент імпульсу, тому не повинно виникнути труднощів із наданням кораблю необхідного спрямування.

Якщо можна зробити корабель радіусом близько 500 метрів, то він працюватиме так, як і повинен. При цьому штучна гравітація в космосі буде цілком комфортною та придатною для тривалих перельотів на кораблях чи дослідницьких станціях.

Space Engineers

Як створити штучну гравітацію, відомо творцям гри. Втім, у цьому фантастичному світі гравітація - це взаємне тяжіння тіл, але лінійна сила, покликана прискорити предмети у заданому напрямі. Тяжіння тут не абсолютно, воно змінюється при перенаправленні джерела.

Штучна гравітація на космічній станції створюється за допомогою спеціального генератора. Вона рівномірна та рівноспрямована в зоні дії генератора. Так, у реальному світі, потрапивши під корабель, в якому встановлено генератор, ви були б притягнуті до корпусу. Однак у грі герой падатиме доти, поки не залишить периметр дії пристрою.

Сьогодні штучна гравітація в космосі, створена таким пристроєм, для людства недоступна. Однак навіть вибілені сивини розробники не перестають мріяти про неї.

Сферичний генератор

Це найбільш реалістичний варіант устаткування. При його встановленні гравітація має напрямок до генератора. Це дає можливість створити станцію, гравітація якої дорівнюватиме планетарній.

Центрифуга

Сьогодні штучна гравітація Землі зустрічається у різних пристроях. Засновані вони здебільшого на інерції, оскільки ця сила відчувається нами аналогічно гравітаційному впливу – організм не розрізняє, яка причина викликає прискорення. Як приклад: людина, що піднімається в ліфті, відчуває вплив інерції. Очима фізика: підйом ліфта додає до прискорення вільного падіння прискорення кабіни. При поверненні кабіни до розміреного руху «надбавка» у вазі зникає, повертаючи звичні відчуття.

Вчених давно цікавить штучна гравітація. Центрифуга використовується для цих цілей найчастіше. Цей метод підходить не тільки для космічних кораблів, але і для наземних станцій, в яких потрібно вивчати гравітацію на людський організм.

Вивчити на Землі, застосовувати в...

Хоча вивчення гравітації почалося із космосу, це дуже земна наука. Навіть на сьогоднішній день досягнення у цій сфері знайшли своє застосування, наприклад, у медицині. Знаючи, чи можливо створити штучну гравітацію на планеті, можна використовувати її для лікування проблем із руховим апаратом або нервової системи. Понад те, вивченням цієї сили займаються передусім Землі. Це дає можливість космонавтам проводити експерименти, залишаючись під пильною увагою лікарів. Інша справа штучна гравітація в космосі, там немає людей, здатних допомогти космонавтам у разі непередбаченої ситуації.

Маючи на увазі повну невагомість, не можна брати до уваги супутник, що знаходиться на навколоземній орбіті. На ці об'єкти, хай і малою мірою, впливає земне тяжіння. Силу тяжкості, що утворюється у таких випадках, називають мікрогравітацією. Реальну гравітацію відчувають лише в апараті, що летить з постійною швидкістю у відкритому космосі. Втім, людський організм цієї різниці не відчуває.

Випробувати на собі невагомість можна при затяжному стрибку (до того як купол розкриється) або під час параболічного зниження літака. Такі експерименти часто ставлять у США, але у літаку це відчуття триває лише 40 секунд – це замало для повноцінного вивчення.

У СРСР ще 1973 року знали, чи можна створити штучну гравітацію. І не просто створювали її, а й певною мірою змінювали. Яскравий приклад штучного зменшення сили тяжіння – сухе занурення, іммерсія. Для досягнення необхідного ефекту потрібно покласти цупку плівку на поверхню води. Людина розміщується поверх неї. Під вагою тіла організм занурюється під воду, нагорі залишається голова. Ця модель демонструє беззаперечність із зниженою гравітацією, яка характерна для океану.

Немає необхідності вирушати до космосу, щоб відчути на собі вплив протилежної невагомості сили – гіпергравітації. При зльоті та посадці космічного корабля, в центрифузі навантаження можна не тільки відчути, а й вивчити.

Лікування гравітацією

Гравітаційна фізика вивчає навіть вплив невагомості на організм людини, прагнучи мінімізувати наслідки. Однак велика кількість досягнень цієї науки здатна стати в нагоді і звичайним жителям планети.

Великі надії медики покладають дослідження поведінки м'язових ферментів при міопатії. Це тяжке захворювання, що веде до ранньої смерті.

При активних фізичних заняттях у кров здорової людини надходить великий обсяг ферменту креатинофосфокінази. Причина цього явища незрозуміла, можливо, навантаження впливає на мембрану клітин таким чином, що вона «дірявиться». Хворі на міопатію отримують той же ефект без навантажень. Спостереження за космонавтами показують, що у невагомості надходження активного ферменту в кров значно знижується. Таке відкриття дозволяє припустити, що застосування імерсії дозволить знизити негативний вплив факторів, що призводять до міопатії. На даний момент проводяться досліди на тваринах.

Лікування деяких хвороб вже сьогодні проводиться з використанням даних, отриманих щодо гравітації, зокрема штучної. Наприклад, проводиться лікування ДЦП, інсультів, Паркінсона шляхом застосування навантажувальних костюмів. Практично закінчено дослідження позитивного впливу опори – пневматичного черевика.

Чи полетимо на Марс?

Останні досягнення космонавтів дають надію на реальність проекту. Є досвід медичної підтримки людини при тривалому перебування далеко від Землі. Багато користі принесли і дослідницькі польоти до Місяця, сила гравітації на якому в 6 разів менша за нашу рідну. Тепер космонавти та вчені ставлять перед собою нову мету – Марс.

Перш ніж вставати в чергу за квитком на Червону планету, слід знати, що очікує організм вже на першому етапі роботи – у дорозі. У середньому дорога до пустельної планети займе півтора роки – близько 500 діб. Розраховувати в дорозі доведеться тільки на власні сили, допомоги чекати просто ні звідки.

Підточуватиме сили безліч факторів: стрес, радіація, відсутність магнітного поля. Найголовніше ж випробування для організму – зміна гравітації. У подорожі людина «ознайомиться» із кількома рівнями гравітації. Насамперед це перевантаження при зльоті. Потім – невагомість під час польоту. Після цього - гіпогравітація у місці призначення, тому що сила тяжіння на Марсі менше 40% земної.

Як справляються з негативним впливом невагомості у тривалому перельоті? Є надія, що розробки в галузі створення штучної гравітації допоможуть вирішити це питання в найближчому майбутньому. Досліди на щурах, що подорожують на «Космос-936», показують, що цей прийом не вирішує всіх проблем.

Досвід ОС показав, що набагато більше користі організму здатне принести застосування тренажерних комплексів, здатних визначити необхідне навантаження для кожного космонавта індивідуально.

Поки що вважається, що на Марс полетять не лише дослідники, а й туристи, які бажають заснувати колонію на Червоній планеті. Для них, принаймні перший час, відчуття від перебування у невагомості переважать усі докази медиків про шкоду тривалого перебування в таких умовах. Однак через кілька тижнів допомога буде потрібна і їм, тому так важливо зуміти знайти спосіб створити на космічному кораблі штучну гравітацію.

Підсумки

Які висновки можна зробити про створення штучної гравітації у космосі?

Серед усіх варіантів, що розглядаються в даний момент, найбільш реалістично виглядає конструкція, що обертається. Однак за нинішнього розуміння фізичних законів це неможливо, оскільки корабель - це не порожнистий циліндр. Усередині нього є перекриття, що заважають втіленню ідей.

Крім того, радіус корабля повинен бути настільки великим, щоб ефект Коріоліса не суттєво впливав.

Щоб керувати чимось подібним, потрібно згаданий вище циліндр О'Ніла, який дасть змогу керувати кораблем. В цьому випадку підвищуються шанси застосування такої конструкції для міжпланетних перельотів із забезпеченням команди комфортним рівнем гравітації.

Перш ніж людству вдасться втілити свої мрії у життя, хотілося б бачити у фантастичних творах трішки більшої реалістичності та ще більшого знання законів фізики.

Для об'єктів, що знаходяться в космосі, обертання - справа звична. Коли дві маси рухаються відносно один одного, але не назустріч або один від одного, їх гравітаційна сила створює момент, що крутить. У результаті Сонячної системі всі планети обертаються навколо Сонця.

Але це те, на що людина не впливала. Навіщо обертаються космічні апарати? Щоб стабілізувати становище, постійно спрямовувати прилади в потрібний бік і в майбутньому – для створення штучної гравітації. Давайте розберемо ці питання докладніше.

Стабілізація обертанням

Коли ми дивимося на автомобіль, знаємо, в який бік він їде. Управління ним відбувається завдяки взаємодії із зовнішнім середовищем - зчепленню коліс із дорогою. Куди повертають колеса – туди та весь автомобіль. Але якщо ми позбавимо його цього зчеплення, якщо ми відправимо машину на лисій гумі кататися по льоду, вона закрутиться у вальсі, що буде вкрай небезпечно для водія. Такий тип руху виникає рідко Землі, але у космосі це норма.

Б. В. Раушенбах, академік і лауреат Ленінської премії, писав в “Управлінні рухом космічних апаратів” про три основні типи завдань управління рухом космічного апарату:

1. Отримання потрібної траєкторії (управління рухом центру мас),
2. управління орієнтацією, тобто отримання потрібного положення корпусу космічного апарату щодо зовнішніх орієнтирів (управління обертальним рухом навколо центру мас);
3. Випадок, коли ці два типи керування реалізуються одночасно (наприклад, при зближенні космічних апаратів).

Обертання апарату здійснюється для того, щоб забезпечити стабільну позицію космічного апарату. Це наочно демонструє експеримент на відео нижче. Колесо, закріплене на тросі, прийме положення, паралельне підлозі. Але якщо це колесо заздалегідь розкрутити - воно збереже своє вертикальне положення. І цьому не заважатиме гравітація. І навіть двокілограмовий вантаж, закріплений на другому кінці осі, не дуже змінить картину.

Пристосований до життя в умовах земного тяжіння організм умудряється вижити і без нього. І не лише вижити, а й активно працювати. Але це невелике диво обходиться не без наслідків. Досвід, накопичений за десятиліття польотів людини в космос, показав: людина відчуває в космосі багато навантажень, які залишають слід на тілі та психіці.

На Землі наш організм бореться із гравітацією, яка тягне кров униз. У космосі ця боротьба триває, але сила гравітації відсутня. Тому космонавти одутлі. Внутрішньочерепний тискзростає, зростає тиск на очі. Це деформує зоровий нервта впливає на форму очних яблук. Знижується вміст плазми у крові, і через зменшення кількості крові, яку потрібно качати, атрофуються м'язи серця. Дефект кісткової маси значний, кістки стають крихкими.

Щоби подолати ці ефекти, люди на орбіті змушені щодня займатися фізичними тренуваннями. Тому створення штучної сили тяжкості вважають за бажане для довготривалих космічних подорожей. Така технологія повинна створити фізіологічно природні умови для проживання людей на борту апарату. Ще Костянтин Ціолковський вважав, що штучна гравітація допоможе вирішити багато медичних проблем польоту людини в космос.

Сама ідея заснована на принципі еквівалентності сили гравітації та сили інерції, який говорить: «Сили гравітаційної взаємодії пропорційні гравітаційній масі тіла, сили інерції ж пропорційні інертній масі тіла. Якщо інертна і гравітаційна маси рівні, неможливо відрізнити, яка сила діє це досить мале тіло - гравітаційна чи сила інерції».

Така технологія має недоліки. У випадку з апаратом невеликого радіусу різна сила впливатиме на ноги і на голову - чим далі від центру обертання, тим сильніша штучна гравітація. Друга проблема - сила Коріоліса, через вплив якої людину заколисуватиме при русі щодо напрямку обертання. Щоб цього уникнути, апарат має бути величезним. І третє важливе питання пов'язане зі складністю розробки та збирання такого апарату. При створенні такого механізму важливо продумати, як уможливити постійний доступ екіпажу до відсіків зі штучною гравітацією і як змусити цей тор рухатися плавно.

У реальному житті такої технології для будівництва космічних кораблів ще не використовували. Для МКС пропонували надувний модуль із штучною гравітацією для демонстрації прототипу корабля Nautilus-X. Але модуль доріг і створював би значні вібрації. Робити всю МКС зі штучною гравітацією з поточними ракетами важко здійснити - довелося б збирати все на орбіті частинами, що в рази ускладнило б розмах операцій. А ще ця штучна гравітація перекреслила б саму суть МКС як літаючої мікрогравітаційної лабораторії.

Концепт надувного модуля із мікрогравітацією для МКС.

Натомість штучна гравітація живе в уяві фантастів. Корабель «Гермес» з фільму «Марсіанін» має в центрі тор, що обертається, який створює штучну гравітацію для поліпшення стану екіпажу і зниження впливу невагомості на організм.

Національне аерокосмічне агентство США розробило шкалу рівнів готовності технології TRL з дев'яти рівнів: з першого по шосте – розвиток у рамках науково-дослідних робіт, з сьомого та вище – дослідно-конструкторські роботи та демонстрація працездатності технологій. Технологія з фільму «Марсіанін» відповідає поки що лише третьому чи четвертому рівню.

У науково-фантастичній літературі та фільмах є багато застосувань цієї ідеї. У серії романів Артура Кларка "Космічна Одіссея" описувався "Discovery One" у формі гантелі, сенс якої - відокремити ядерний реактор із двигуном від житлової зони. Екватор сфери містить у собі «карусель» діаметром 11 метрів, що обертається зі швидкістю близько п'яти обертів за хвилину. Ця центрифуга створює рівень гравітації, що дорівнює місячному, що має запобігати фізичній атрофії в умовах мікрогравітації.

"Discovery One" з "Космічної Одіссеї"

В аніме-серіалі Planetes космічна станція ISPV-7 має величезні приміщення зі звичною гравітацією земної. Житлова зона та зона для рослинництва розміщені у двох торах, що обертаються у різних напрямках.

Навіть тверда фантастика ігнорує величезну вартість такого рішення. Ентузіасти взяли для прикладу корабель «Елізіум» із однойменного фільму. Діаметр колеса – 16 км. Маса – близько мільйона тонн. Відправлення вантажів на орбіту коштує 2700 доларів за кілограм, SpaceX Falcon дозволить скоротити цю цифру до 1650 доларів за кілограм. Але доведеться здійснити 18 382 запуску, щоб доставити таку кількість матеріалів. Це 1 трильйон 650 мільярдів американських доларів – майже сто річних бюджетів НАСА.

До реальних поселень у космосі, де люди можуть насолоджуватися звичними 9,8 м/с прискорення вільного падіння, ще далеко. Можливо, повторне використання частин ракет та космічні ліфти дозволять наблизити таку епоху.

Ви можете не цікавитися космосом, але напевно читали про нього у книгах, бачили у фільмах та іграх. У більшості творів, як правило, є гравітація - ми не звертаємо на неї уваги і сприймаємо як даність. Ось тільки це не так.

Масивні притягують сильніше, менші – слабші.

Матчастина

Земля це саме такий потужний об'єкт. Тому люди, тварини, будинки, дерева, травинки, смартфон чи комп'ютер – все притягується до Землі. Ми до цього звикли і ніколи не замислюємося про таку дрібницю.

Головне наслідок тяжіння Землі нам - прискорення вільного падіння, також відоме як g. Воно дорівнює 9,8 м/с². Будь-яке тіло за відсутності опори однаково прискорюватиметься до центру Землі, набираючи 9,8 метрів швидкості кожну секунду.

Завдяки цьому ефекту ми рівно стоїмо на ногах, розрізняємо «верх» і «низ», кидаємо речі і так далі. Забери тяжіння Землі - і всі звичні дії перекинуться з ніг на голову.

Найкраще це знають космонавти, які проводять істотну частину свого життя на МКС. Вони знову вчаться пити, ходити, справляти базові потреби.

Ось кілька прикладів.

При цьому у згаданих фільмах, серіалах, іграх та іншій фантастиці гравітація на космічних кораблях просто є. Творці навіть не пояснюють, звідки вона там з'явилася – а якщо й пояснюють, то непереконливо. Якісь "генератори гравітації", принцип роботи яких невідомий. Це ніяк не відрізняється від «просто їсти» – краще взагалі не пояснювати у такому разі. Так чесніше.

Теоретичні моделі штучної гравітації

Створити штучну гравітацію можна кількома способами.

Багато маси

Перший (і «найправильніший») варіант - збільшити корабель, зробити його дуже масивним. Тоді гравітаційна взаємодія забезпечуватиме необхідний ефект.

Але нереальність цього способу очевидна: такого корабля потрібно дуже багато матерії. Та й із рівномірністю розподілу гравітаційного поляТреба щось робити.

Постійне прискорення

Так як нам потрібно досягти постійного прискорення вільного падіння в 9,8 м/с², то чому б не зробити космічний корабель у вигляді платформи, яка прискорюватиметься перпендикулярно до своєї площини з цим самим g?

Таким чином, потрібний ефект буде досягнутий - але є кілька проблем.

По-перше, треба звідкись брати паливо задля забезпечення постійного прискорення. І навіть якщо хтось раптом вигадає двигун, який не вимагає викиду матерії, закон збереження енергії нікуди не пропаде.

По-друге, проблема полягає у самій природі постійного прискорення. Наші фізичні закони свідчать: прискорюватись вічно не можна. Теорія відносності говорить зворотне.

Навіть якщо корабель періодично змінюватиме напрямок, для забезпечення штучної гравітації він повинен постійно кудись летіти. Жодних зависань поблизу планет. Якщо корабель зупиниться, гравітація пропаде.

Тож і такий варіант нам не підходить.

Карусель-карусель

А ось тут уже починається найцікавіше. Усі знають, як працює карусель – і які ефекти відчуває людина у ній.

Все, що знаходиться на ній, прагне вискочити назовні пропорційно швидкості обертання. З боку каруселі виходить, що на все діє сила, спрямована вздовж радіуса. Цілком собі «гравітація».

Таким чином, нам потрібний корабель у формі бочки, який обертатиметься навколо поздовжньої осі. Такі варіанти часто зустрічаються в науковій фантастиці.

При обертанні навколо осі виникає відцентрова сила, спрямована вздовж радіусу. Поділивши силу на масу, ми отримаємо прискорення.

Обчислюється все це за нехитрою формулою:

A=ω²R,

де a – прискорення, R – радіус обертання, а ω – кутова швидкість, що вимірюється в радіанах на секунду (радіан це приблизно 57,3 градуса).

Що нам потрібно для нормального життя на уявному космічному крейсері? Комбінація радіуса корабля та кутової швидкості, чиє похідне видасть у результаті 9,8 м/с².

Щось подібне ми бачили у низці творів: «2001 рік: Космічна одіссея» Стенлі Кубріка, серіал «Вавілон 5», «Інтерстеллар» Нолана, роман «Мір-Кільце» Ларрі Нівена, всесвіт ігор Halo.

У всіх них прискорення вільного падіння приблизно дорівнює g – все логічно. Однак і у цих моделях існують проблеми.

Проблеми «каруселі»

Найявнішу проблему, мабуть, найпростіше пояснити на прикладі «Космічної одіссеї». Радіус корабля становить приблизно 8 метрів - для досягнення прискорення, рівного g, потрібна кутова швидкість приблизно 1,1 рад/с. Це приблизно 10,5 обертів за хвилину.

При таких параметрах набирає чинності «ефект Коріоліса» - на різній «висоти» від підлоги на тіла, що рухаються, діє різна сила. І залежить вона від кутової швидкості.

Так що в нашій віртуальній конструкції ми не можемо обертати корабель надто швидко, оскільки це призведе до раптових падінь та проблем з вестибулярним апаратом. А з урахуванням формули прискорення, не можемо собі дозволити і маленький радіус корабля.

Тому модель "Космічної одіссеї" відпадає. Приблизно та сама проблема і з кораблями в «Інтерстеларі», хоча там із цифрами вже все не так очевидно.

Друга проблема з іншого боку спектра. У романі Ларрі Нівена «Мир-Кольцо» корабель є гігантське кільце з радіусом, приблизно рівним радіусу земної орбіти (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким чином він обертається із цілком задовільною швидкістю для того, щоб людина не помітила ефекту Коріоліса.

Здавалося б - все сходиться, але тут є проблема. Один оборот займе 9 днів, що створить величезні навантаження при такому діаметрі кільця. Для цього потрібний дуже міцний матеріал. На даний момент людство не може зробити таку міцну конструкцію - не кажучи вже про те, що десь треба взяти стільки матерії і ще все побудувати.

У випадку з Halo або «Вавилоном 5» усі попередні проблеми начебто відсутні: і швидкість обертання достатня, щоб ефект Коріоліса не мав негативного впливу, і побудувати такий корабель реально (гіпотетично).

Але й ці світи мають свій мінус. Ім'я йому – момент імпульсу.

Розкручуючи корабель навколо осі, ми перетворюємо його на гігантський гіроскоп. А відхилити гіроскоп від своєї осі складно через момент імпульсу, кількість якого має зберігатися у системі. А отже, летіти кудись у певному напрямку буде тяжко. Але цю проблему можна вирішити.

Як має бути

Називається це рішення «циліндр О'Ніла»: беремо два однакові кораблі-циліндри, з'єднані вздовж осі і обертаються кожен у свій бік. В результаті ми маємо нульовий сумарний момент імпульсу, і проблем із направленням корабля в потрібний бік бути не повинно.

При радіусі корабля в 500 і більше метрів (як у «Вавилоні 5») все має працювати як треба.

Підсумок

Які ми можемо зробити висновки щодо реалізації штучної гравітації в космічних кораблях?

З усіх варіантів найреальнішим виглядає саме конструкція, що обертається, в якій сила, спрямована «вниз», забезпечується доцентровим прискоренням. Створити ж штучну гравітацію на кораблі з плоскими паралельними конструкціями на зразок палуб, враховуючи наше сучасне розуміння законів фізики, неможливо.

Радіус корабля, що обертається, повинен бути достатнім, щоб ефект Коріоліса був незначним для людини. Хорошими прикладами з придуманих світів можуть бути Halo і «Вавилон 5», які вже згадувалися.

Для управління такими кораблями потрібно побудувати циліндр О'Ніла - дві «бочки», що обертаються в різному напрямку для забезпечення сумарного нульового моменту імпульсу для системи. Це дозволить адекватно керувати кораблем – цілком реальний рецепт забезпечення космонавтів комфортними гравітаційними умовами.

І до того моменту, як ми зможемо побудувати щось подібне, хотілося б, щоби фантасти приділяли більше уваги фізичній реалістичності в їхніх творах.

Помістіть людину в космос, подалі від гравітаційних пут земної поверхні, і вона відчуватиме невагомість. І все ж таки по телевізору нам показували, що екіпаж космічного судна цілком успішно ходить ногами по підлозі. І тому використовується штучна гравітація, створювана установками на борту фантастичного судна. Наскільки це є близьким до реальної науки?


Капітан Габріель Лорка на містку "Діскавері" під час імітації битви з клінгонцями. Весь екіпаж притягується штучною силою тяжіння, і це ніби канон.

Щодо гравітації. Великим відкриттям Ейнштейна став принцип еквівалентності: при рівномірному прискоренні система відліку не відрізняється від гравітаційного поля. Якби ви були на ракеті і не могли бачити Всесвіт через ілюмінатор, ви б і поняття не мали про те, що відбувається: чи вас тягне вниз сила гравітації чи прискорення ракети в певному напрямку? Такою була ідея, що призвела до загальної теорії відносності. Через 100 років це найправильніший опис гравітації та прискорення, який нам відомий.


Ідентична поведінка м'яча, що падає на підлогу в ракеті, що летить (ліворуч) і на Землі (праворуч), демонструє принцип еквівалентності Ейнштейна.

Є й інший трюк, як пише Ітан Зігель, який ми можемо використати, якщо захочемо: ми можемо змусити обертатися космічний корабель. Замість лінійного прискорення (на зразок тяги ракети) можна змусити працювати доцентрове прискорення, щоб людина на борту відчувала зовнішній корпус космічного корабля, що підштовхує його до центру. Такий прийом був використаний у «Космічній одіссеї 2001 року», і якби ваш космічний корабель був досить великим, штучна сила тяжіння була б невідмінною від справжньої.
Тільки одне але. Три ці типи прискорення - гравітаційне, лінійне і обертальне - єдині, які ми можемо використовувати для імітації ефектів гравітації. І це велика проблема для космічного апарату.


Концепт станції 1969 року, яка мала збиратися на орбіті з відпрацьованих етапів програми «Аполлон». Станція мала обертатися на своїй центральній осі для створення штучної гравітації.

Чому? Тому що якщо ви хочете відправитися в іншу зіркову систему, вам потрібно буде прискорити ваш корабель, щоб туди дістатися, а потім уповільнити його після прибуття. Якщо ви не зможете захистити себе від цих прискорень, на вас чекає катастрофа. Наприклад, щоб прискоритися до повного імпульсу в «Зоряному шляху», до кількох відсотків світлової швидкості, доведеться зазнати прискорення в 4000 g. Це у 100 разів більше прискорення, яке починає перешкоджати кровотоку в тілі.


Запуск космічного шатла «Колумбія» в 1992 показав, що прискорення протікає протягом тривалого періоду. Прискорення космічного корабля буде набагато вище, і людське тіло не зможе з ним впоратися.

Якщо ви не хочете бути невагомим під час тривалої подорожі - щоб не піддавати себе жахливому біологічному зносу на кшталт втрати м'язової та кісткової маси - на тіло постійно має діяти сила. Для будь-якої іншої сили це легко зробити. У електромагнетизмі, наприклад, можна було б розмістити екіпаж у провідній кабіні, і безліч зовнішніх електричних полів просто зникли б. Можна було б розмістити дві паралельні пластини всередині та отримати постійне електричне поле, що виштовхує заряди у певному напрямку.
Якби гравітація працювала так само.
Такого поняття, як гравітаційний провідник, просто не існує, як і можливості убезпечити себе від гравітаційної сили. Неможливо створити однорідне гравітаційне поле області простору, наприклад між двома пластинами. Чому? Тому що на відміну від електричної сили, що генерується позитивними та негативними зарядами, існує лише один тип гравітаційного заряду, і це є маса-енергія. Гравітаційна сила завжди притягує, і від неї нікуди не втекти. Ви можете лише використовувати три типи прискорення - гравітаційне, лінійне та обертальне.


Переважна більшість кварків і лептонів у Всесвіті складається з матерії, але в кожного з них існують античастки з антиматерії, гравітаційні маси яких не визначені.

Єдиний спосіб, за допомогою якого можна було б створити штучну гравітацію, яка захистить вас від наслідків прискорення вашого корабля і забезпечить постійну тягу «вниз» без прискорення, буде доступний, якщо ви відкриєте частинки негативної гравітаційної маси. Всі частинки та античастинки, які ми знайшли досі, мають позитивну масу, але ці маси інерційні, тобто про них можна судити тільки при створенні або прискоренні частки. Інерційна маса та гравітаційна маса однакові для всіх частинок, які ми знаємо, але ми ніколи не перевіряли свою ідею на антиматерії чи античастинки.
В даний час проводяться експерименти саме з цієї частини. Експеримент ALPHA в ЦЕРН створив антиводень: стабільну форму нейтральної антиматерії і працює над ізолюванням її від інших частинок. Якщо експеримент буде досить чутливим, ми зможемо виміряти, як античастка потрапляє до гравітаційного поля. Якщо падає вниз, як і звичайна речовина, то вона має позитивну гравітаційну масу і її можна використовувати для будівництва гравітаційного провідника. Якщо падає в гравітаційному полі нагору, це все змінює. Лише результат, і штучна гравітація може раптово стати можливою.


Можливість отримання штучної гравітації неймовірно приваблює нас, але ґрунтується на існуванні негативної гравітаційної маси. Антиматерія може бути такою масою, але ми поки що цього не довели.

Якщо антиматерія має негативну гравітаційну масу, то при створенні поля зі звичайної речовини та стелі з антиречовини ми могли б створити поле штучної гравітації, яке завжди тягло б вас донизу. Створивши гравітаційно-провідну оболонку у вигляді корпусу нашого космічного корабля, ми б захистили екіпаж від сил надшвидкого прискорення, які інакше стали б смертельними. І що найкрутіше, люди в космосі не відчували б більше негативних фізіологічних ефектів, які сьогодні мають астронавти. Але доки ми не знайдемо частку з негативною гравітаційною масою, штучна гравітація виходитиме лише за рахунок прискорення.

Тривалі космічні польоти, освоєння інших планет те, що раніше писали фантасти Айзек Азимов, Станіслав Лем, Олександр Бєляєв та інших., стане цілком можливої ​​реальністю завдяки знанням . Тому що при відтворенні земного рівня гравітації ми зможемо уникнути негативних наслідків мікрогравітації (невагомості) для людини (атрофія м'язів, сенсорні, рухові та вегетативні розлади). Тобто практично будь-яка охоча людина зможе побувати в космосі незалежно від фізичних особливостей тіла. При цьому перебування на борту космічного корабля стане комфортнішим. Люди зможуть використовувати вже існуючі, звичні для них прилади, засоби (наприклад душ, туалет).

На Землі рівень гравітації визначається прискоренням сили тяжіння в середньому дорівнює 9,81 м/с 2 (перевантаження 1 g), в той час як в космосі, в умовах невагомості приблизно 10 -6 g. К.Е. Ціолковський наводив аналогії між відчуттям маси тіла під час занурення у воду або лежачи в ліжку зі станом невагомості в космосі.

"Земля - ​​це колиска розуму, але не можна вічно жити в колисці".
"Світ має бути ще простіше".
Костянтин Ціолковський

Цікаво, що для гравітаційної біології – вміння створювати різні гравітаційні умови буде справжнім проривом. Чи стане можливим вивчити: як змінюється структура, функції на мікро-, макрорівнях, закономірності при гравітаційних впливах різної величини та спрямованості. Ці відкриття, у свою чергу, допоможуть розвинути досить новий зараз напрямок - гравітаційну терапію. Розглядається можливість та ефективність застосування для лікування зміни сили тяжкості (підвищена порівняно із Земною). Підвищення сили тяжкості ми відчуваємо, ніби тіло трохи поважчало. Сьогодні ведуться дослідження застосування гравітаційної терапії при гіпертонічній хворобі, а також відновлення кісткових тканин при переломах.

(штучної гравітації) у більшості випадків ґрунтуються на принципі еквівалентності сил інерції та гравітації. Принцип еквівалентності говорить про те, що ми відчуваємо приблизно однаково прискорення руху, не відрізняючи причину, яка його викликала: гравітація або сили інерції. У першому варіанті прискорення відбувається за рахунок впливу гравітаційного поля, у другому завдяки прискоренню руху неінерційної системи відліку (система, яка рухається із прискоренням), в якій знаходиться людина. Наприклад, подібну дію сил інерції відчуває людина в ліфті (неінерційна система відліку) при різкому підйомі вгору (з прискоренням, з'являється на кілька секунд відчуття начебто тіло поважчало) або гальмуванні (відчуття, що підлога йде з-під ніг). З погляду фізики: при підйомі ліфта до прискорення вільного падіння в неінерційній системі приплюсовується прискорення руху кабіни. Коли відновлюється рівномірний рух - зникає «надбавка» у вазі, тобто повертається звичне відчуття маси тіла.

Сьогодні, як і майже 50 років тому, для створення штучної сили тяжіння застосовуються центрифуги (використовується відцентрове прискорення при обертанні космічних систем). Простіше кажучи під час обертання космічної станції навколо своєї осі виникатиме відцентрове прискорення, яке «виштовхуватиме» людину від центру обертання убік і в результаті космонавт чи інші об'єкти зможуть перебувати на «підлозі». Для кращого розуміння цього процесу та з якими труднощами стикається вчені давайте подивимося на формулу за якою визначається відцентрова сила при обертанні центрифуги:

F=m*v 2 *r, де m – маса, v – лінійна швидкість, r – відстань від центру обертання.

Лінійна швидкість дорівнює: v=2π*rT , де Т - кількість обертів на секунду, π ≈3,14…

Тобто чим швидше обертатиметься космічний корабель, і що далі від центру буде космонавт, то сильнішою буде створена штучна сила тяжіння.

Уважно подивившись на малюнок, можемо помітити, що при невеликому радіусі сила тяжіння для голови і для ніг людини буде значно відрізнятися, що у свою чергу ускладнить пересування.

Під час руху космонавта у напрямі обертання виникає сила Коріоліса. При цьому велика ймовірність того, що людину постійно заколисуватиме. Обійти це можливо при частоті обертання корабля 2 обороти в хвилину, при цьому утворюється штучна сила тяжіння 1g (як на Землі). Але при цьому радіус становитиме 224 метри (приблизно ¼ кілометра, ця відстань подібна до висоти 95-поверхової будівлі або в довжину як дві великі секвої). Тобто, теоретично побудувати орбітальну станцію або космічний корабель таких розмірів можна. Але практично це вимагає значних витрат ресурсів, сил і часу, які в умовах глобальних катаклізмів, що наближаються (див. доповідь ) людяніше направити на реальну допомогунужденним.

Внаслідок неможливості відтворити необхідне значення рівня гравітації для людини на орбітальній станції або космічному кораблі, вчені вирішили вивчити можливість зниження поставленої планки, тобто створення сили тяжіння менше земної. Що говорить про те, що за півстоліття досліджень не вдалося отримати результатів, що задовольняють. Це не дивно так як в експериментах прагнуть створити умови, за яких сила інерції або інші впливали б, аналогічне впливу гравітації на Землі. Тобто виходить, що штучна гравітація по суті гравітацією не є.

На сьогодні в науці існують лише теорії про те, що таке гравітація, більшість з яких ґрунтуються на теорії відносності. При цьому не одна з них не є повною (не пояснює протікання, результати будь-яких експериментів у будь-яких умовах, та й до того ж часом не узгоджується з іншими фізичними теоріями підтвердженими експериментально). Немає чіткого знання та розуміння: що ж таке гравітація, як гравітація пов'язана з простором та часом, з яких частинок складається та які їх властивості. Відповіді на ці та багато інших питань можна знайти зіставивши інформацію, викладену в книзі «Езоосмос» А.Нових та доповіді СКІДНЯ ФІЗИКА АЛЛАТРА. пропонує абсолютно новий підхід, що ґрунтується на базових знаннях первинних основ фізики фундаментальних частинок, закономірностей їхньої взаємодії Тобто з урахуванням глибокого розуміння суті процесу гравітації як наслідок можливості точного розрахунок для відтворення будь-яких значень гравітаційних умов як і космосі, і Землі (гравітаційна терапія), прогнозування результатів мислимих і немислимих експериментів, поставлених як людиною, і природою.

СПОКОНА ФІЗИКА АЛАТРА - це набагато більше, ніж просто фізика. Вона відкриває можливим розв'язання задач будь-якої складності. Але головне завдяки знанню процесів, що відбуваються на рівні частинок і реальних дій, кожна людина може усвідомити зміст свого життя, розібратися як працює система і отримати практичний досвідзіткнення з духовним світом. Усвідомити глобальність і первинність Духовного, вийти з рамкових/шаблонних обмежень свідомості, за межі системи, набути Справжньої Свободи.

«Як мовиться, коли маєш у руках універсальні ключі (знання про основи елементарних частинок), то можеш відчинити будь-які двері (мікро- та макросвіту)».

"У таких умовах можливий якісно новий перехід цивілізації в русло духовного саморозвитку, масштабного наукового пізнання світу і себе".

«Все, що пригнічує людину в цьому світі, починаючи від нав'язливих думок, агресивних емоцій і закінчуючи шаблонними бажаннями егоїста-споживача ‒ це результат вибору людини на користь септонного поля‒ матеріальної розумної системи, яка шаблонно експлуатує людство. Але якщо людина дотримується вибору свого духовного початку, то вона набуває безсмертя. І це немає релігії, а є знання фізики, її споконвічних основ».

Олена Федорова