Umělá gravitace a způsoby jejího vzniku. Proč nemáme ve vesmíru umělou gravitaci? Jak zvýšit gravitaci

Nevím, odkud jsem přišel, kam jdu, ani kdo jsem.

E. Schrödinger

Řada prací zaznamenala zajímavý efekt, který spočíval ve změně hmotnosti předmětů za přítomnosti rotujících hmot. Ke změně hmotnosti došlo podél osy rotace hmoty. V dílech N. Kozyreva byla pozorována změna hmotnosti rotačního gyroskopu. Navíc v závislosti na směru otáčení rotoru gyroskopu došlo buď ke snížení nebo zvýšení hmotnosti samotného gyroskopu. V práci E. Podkletnova byl pozorován pokles hmotnosti předmětu umístěného nad supravodivým rotujícím diskem, který byl v magnetickém poli. V díle V. Roshchina a S. Godina byla snížena hmotnost masivního rotačního disku z magnetického materiálu, který byl sám zdrojem magnetického pole.

V těchto experimentech lze identifikovat jeden společný faktor – přítomnost rotující hmoty.

Rotace je vlastní všem objektům našeho vesmíru, od mikrokosmu po makrokosmos. Elementární částice mají svůj mechanický moment - spin, všechny planety, hvězdy, galaxie se také otáčejí kolem své osy. Jinými slovy, rotace jakéhokoli hmotného objektu kolem své osy je jeho integrální vlastností. Nabízí se přirozená otázka: jaký důvod způsobuje takovou rotaci?

Pokud je hypotéza o chronopole a jeho dopadu na prostor správná, pak můžeme předpokládat, že k rozpínání prostoru dochází v důsledku jeho rotace pod vlivem chronopole. To znamená, že chronopole v našem trojrozměrném světě rozšiřuje prostor z oblasti subprostoru do oblasti superprostoru a roztáčí jej podle přesně definované závislosti.

Jak již bylo uvedeno, v přítomnosti gravitační hmoty se energie chronopole snižuje, prostor se rozšiřuje pomaleji, což vede ke vzniku gravitace. Jak se vzdalujete od gravitační hmoty, energie chronopole se zvyšuje, rychlost rozpínání prostoru se zvyšuje a gravitační vliv klesá. Pokud se v jakékoli oblasti poblíž gravitační hmoty nějak zvýší nebo sníží rychlost rozpínání prostoru, povede to ke změně hmotnosti objektů nacházejících se v této oblasti.

Je pravděpodobné, že experimenty s rotujícími hmotami způsobily takovou změnu rychlosti rozpínání prostoru. Prostor nějak interaguje s rotující hmotou. S dostatečně vysokou rychlostí otáčení masivního objektu můžete zvýšit nebo snížit rychlost expanze prostoru a podle toho změnit hmotnost objektů umístěných podél osy otáčení.

Autor se pokusil experimentálně ověřit vyslovený předpoklad. Jako rotující hmota byl vzat letecký gyroskop. Experimentální design odpovídal experimentu E. Podkletnova. Hmotnosti materiálů různých hustot byly vyváženy na analytických vahách s přesností měření až 0,05 mg. Hmotnost nákladu byla 10 gramů. Pod váhou se nacházel gyroskop, který se otáčel poměrně vysokou rychlostí. Frekvence napájecího proudu gyroskopu byla 400 Hz. Byly použity gyroskopy různých hmotností s různými momenty setrvačnosti. Maximální hmotnost rotoru gyroskopu dosáhla 1200 g. Gyroskopy byly otáčeny po i proti směru hodinových ručiček.

Dlouhodobé pokusy od druhé poloviny března do srpna 2002 nepřinesly pozitivní výsledky. Někdy byly pozorovány drobné odchylky hmotnosti v rámci jedné divize. Mohou být připsány chybám vznikajícím v důsledku vibrací nebo jiných vnějších vlivů. Povaha těchto odchylek však byla jednoznačná. Při otáčení gyroskopu proti směru hodinových ručiček byl pozorován pokles hmotnosti a při otáčení ve směru hodinových ručiček byl pozorován nárůst.

Během experimentu se poloha gyroskopu a směr jeho osy měnily v různých úhlech k horizontu. Ale ani to nepřineslo žádné výsledky.

N. Kozyrev ve své práci poznamenal, že změny hmotnosti gyroskopu bylo možné detekovat v pozdním podzimu a zimě a i v tomto případě se hodnoty během dne měnily. Je zřejmé, že je to způsobeno polohou Země vůči Slunci. N. Kozyrev prováděl své experimenty na observatoři Pulkovo, která se nachází asi 60° severní šířky. V zimním období je poloha Země vůči Slunci taková, že směr gravitace v této zeměpisné šířce je během dne téměř kolmý na rovinu ekliptiky (7°). Tito. osa rotace gyroskopu byla prakticky rovnoběžná s osou roviny ekliptiky. V létě, aby se získaly výsledky, musel být experiment zkoušen v noci. Možná ze stejného důvodu nebylo možné experiment E. Podkletnova zopakovat v jiných laboratořích.

V zeměpisné šířce Žitomir (asi 50° severní šířky), kde autor experimenty prováděl, je v létě úhel mezi směrem gravitace a kolmicí k rovině ekliptiky téměř 63°. Snad z tohoto důvodu byly pozorovány jen drobné odchylky. Je ale také možné, že dopad byl i na vyvažování zátěží. V tomto případě se rozdíl v hmotnosti projevil z důvodu rozdílné vzdálenosti od vážených a vyvažovacích zátěží ke gyroskopu.

Lze si představit následující mechanismus změny hmotnosti. K rotaci gravitačních hmot a dalších objektů a systémů ve Vesmíru dochází vlivem chronopole. K rotaci ale dochází kolem jediné osy, jejíž poloha v prostoru závisí na některých pro nás dosud neznámých faktorech. V důsledku toho v přítomnosti takto rotujících objektů získává expanze prostoru pod vlivem chronopole směrový charakter. To znamená, že ve směru osy otáčení systému bude expanze prostoru probíhat rychleji než v jakémkoli jiném směru.

Prostor si lze představit jako kvantový plyn, který vyplňuje vše i uvnitř atomového jádra. Mezi prostorem a hmotnými objekty, v nichž se nachází, existuje interakce, která může být zesílena vlivem vnějších faktorů, například v přítomnosti magnetického pole. Pokud se rotující hmota nachází v rovině rotace gravitačního systému a otáčí se ve stejném směru dostatečně vysokou rychlostí, pak se podél osy rotace bude prostor rychleji roztahovat v důsledku interakce prostoru a rotující hmoty. Když se směry gravitace a expanze vesmíru shodují, hmotnost objektů se sníží. Při opačné rotaci se rozpínání prostoru zpomalí, což povede ke zvýšení hmotnosti.

V případech, kdy se směry gravitace a rozpínání prostoru neshodují, se výsledná síla mění nevýznamně a je obtížné ji zaregistrovat.

Rotující hmota změní sílu gravitačního pole v konkrétním místě. Ve vzorci pro sílu gravitačního pole G = (G· M) / R 2 gravitační konstanta G a hmotnost Země M nejde změnit. V důsledku toho se hodnota změní R– vzdálenost od středu Země k váženému předmětu. V důsledku dodatečného rozšíření prostoru se tato hodnota zvýší o Δ R. To znamená, že se zdá, že zatížení stoupá nad povrch Země o tuto hodnotu, což vede ke změně síly gravitačního pole. G" = (G· M) / (R + Δ R) 2 .

V případě zpomalení rozpínání prostoru hodnota Δ R bude odečteno od R což povede k nárůstu hmotnosti.

Experimenty se změnami hmotnosti v přítomnosti rotující hmoty neumožňují dosáhnout vysoké přesnosti měření. Možná rychlost rotace gyroskopu nestačí k tomu, aby způsobila znatelnou změnu hmotnosti, protože dodatečné rozšíření prostoru není příliš významné. Pokud jsou podobné experimenty prováděny s kvantovými hodinami, pak lze vyšší přesnosti měření dosáhnout porovnáním hodnot dvou hodin. V oblasti, kde se prostor rozšiřuje rychleji, se zvyšuje napětí chronopole a hodiny se budou pohybovat rychleji a naopak.

Informační zdroje:

1. Kozyrev N.A. O možnosti experimentálního zkoumání vlastností času. // Čas ve vědě a filozofii. Praha, 1971. S. 111...132.
2. Roshchin V.V., Godin S.M. Experimentální studium nelineárních jevů v dynamickém magnetickém systému. , 2001.
3. Yumashev V.E.

Koncept stanice z roku 1969, která měla být sestavena na oběžné dráze z dokončených etap programu Apollo. Stanice se měla otáčet kolem své centrální osy, aby vytvořila umělou gravitaci

Proč? Protože pokud chcete jít do jiného hvězdného systému, budete muset svou loď zrychlit, abyste se tam dostali, a poté ji zpomalit, jakmile dorazíte. Pokud se nemůžete chránit před těmito zrychleními, čeká vás katastrofa. Například ke zrychlení na plnou hybnost ve Star Treku, na několik procent rychlosti světla, by člověk musel zažít zrychlení 4000 g. To je 100násobné zrychlení, které začíná bránit průtoku krve v těle.

Start raketoplánu Columbia v roce 1992 ukázal, že ke zrychlení dochází po dlouhou dobu. Zrychlení kosmické lodi bude mnohonásobně vyšší a lidské tělo se s tím nevyrovná

Pokud nechcete být během dlouhé cesty ve stavu beztíže – abyste se nevystavili hroznému biologickému opotřebení, jako je úbytek svalů a kostí – na tělo musí působit neustálá síla. Pro jakoukoli jinou sílu je to docela snadné. V elektromagnetismu by se například dala posádka umístit do vodivé kabiny a mnoho vnějších elektrických polí by jednoduše zmizelo. Dovnitř by bylo možné umístit dvě rovnoběžné desky a vytvořit konstantní elektrické pole, které tlačí náboje v určitém směru.

Kdyby gravitace fungovala stejně.

Nic jako gravitační vodič prostě neexistuje, ani se nelze před gravitační silou chránit. Je nemožné vytvořit rovnoměrné gravitační pole v oblasti prostoru, například mezi dvěma deskami. Proč? Protože na rozdíl od elektrické síly generované kladnými a zápornými náboji existuje pouze jeden typ gravitačního náboje, a to hmotnostní energie. Gravitační síla se vždy přitahuje a není z ní úniku. Můžete použít pouze tři typy zrychlení – gravitační, lineární a rotační.

Naprostá většina kvarků a leptonů ve vesmíru se skládá z hmoty, ale každý z nich má také antičástice vyrobené z antihmoty, jejichž gravitační hmotnosti nebyly určeny

Jediným způsobem, jak by mohla být vytvořena umělá gravitace, která by vás chránila před účinky zrychlení vaší lodi a poskytovala vám neustálý tah „dolů“ bez zrychlení, by bylo, kdybyste odemkli částice hmoty s negativní gravitací. Všechny částice a antičástice, které jsme dosud našli, mají kladnou hmotnost, ale tyto hmotnosti jsou inerciální, což znamená, že je lze posuzovat pouze tehdy, když je částice vytvořena nebo urychlena. Setrvačná hmotnost a gravitační hmotnost jsou stejné pro všechny částice, které známe, ale nikdy jsme naši myšlenku netestovali na antihmotě nebo antičásticích.

V současné době se v této oblasti provádějí experimenty. Experiment ALPHA v CERNu vytvořil antivodík: stabilní formu neutrální antihmoty a pracuje na jeho izolaci od všech ostatních částic. Pokud bude experiment dostatečně citlivý, budeme schopni změřit, jak antičástice vstoupí do gravitačního pole. Pokud spadne dolů, jako běžná hmota, pak má kladnou gravitační hmotnost a lze z něj postavit gravitační vodič. Pokud spadne nahoru v gravitačním poli, změní to všechno. Stačí jediný výsledek a umělá gravitace by mohla být náhle možná.

Možnost získání umělé gravitace je pro nás neuvěřitelně atraktivní, ale je založena na existenci negativní gravitační hmoty. může být taková masa, ale zatím jsme to neprokázali

Pokud má antihmota zápornou gravitační hmotnost, pak vytvořením pole normální hmoty a stropu antihmoty bychom mohli vytvořit umělé gravitační pole, které by vás vždy stáhlo dolů. Vytvořením gravitačně vodivého obalu v podobě trupu naší kosmické lodi bychom ochránili posádku před silami ultrarychlého zrychlení, které by jinak bylo smrtelné. A co je nejlepší, lidé ve vesmíru by už nepociťovali negativní fyziologické vlivy, které dnes kosmonauty sužují. Ale dokud nenajdeme částici se zápornou gravitační hmotností, bude umělá gravitace získána pouze díky zrychlení.

Problémy s vestibulárním systémem nejsou jediným důsledkem dlouhodobého působení mikrogravitace. Astronauti, kteří stráví na ISS déle než měsíc, často trpí poruchami spánku, zpomalenými kardiovaskulárními funkcemi a plynatostí.

NASA nedávno dokončila experiment, při kterém vědci studovali genom dvojčat: jeden z nich strávil téměř rok na ISS, druhý dělal jen krátké lety a většinu času strávil na Zemi. Dlouhodobý pobyt ve vesmíru vedl k tomu, že se 7 % DNA prvního astronauta navždy změnilo – mluvíme o genech spojených s imunitním systémem, tvorbou kostí, kyslíkovým hladověním a nadbytkem oxidu uhličitého v těle.

NASA porovnala astronauty dvojčat, aby zjistila, jak se lidské tělo mění ve vesmíru

V podmínkách mikrogravitace bude člověk nucen zůstat nečinný: nemluvíme o pobytu astronautů na ISS, ale o letech do hlubokého vesmíru. Aby zjistila, jak by takový režim ovlivnil zdraví astronautů, umístila Evropská kosmická agentura (ESA) 14 dobrovolníků na 21 dní do postele nakloněnou na stranu hlavy. Experiment, který otestuje nejnovější metody boje proti stavu beztíže – jako je vylepšené cvičení a výživové režimy – plánují společně provést NASA a Roskosmos.

Pokud se ale lidé rozhodnou poslat lodě na Mars nebo Venuši, budou potřeba extrémnější řešení – umělá gravitace.

Jak může existovat gravitace ve vesmíru

Především stojí za to pochopit, že gravitace existuje všude – někde je slabší, jinde silnější. A vesmír není výjimkou.

ISS a satelity jsou neustále pod vlivem gravitace: pokud je objekt na oběžné dráze, padá kolem Země, zjednodušeně řečeno. K podobnému efektu dochází, pokud míč hodíte dopředu – než dopadne na zem, trochu poletí ve směru hodu. Pokud míč hodíte silněji, poletí dále. Pokud jste Superman a míč je raketový motor, nespadne na zem, ale poletí kolem ní a bude pokračovat v rotaci a postupně se dostane na oběžnou dráhu.

Mikrogravitace předpokládá, že lidé uvnitř lodi nejsou ve vzduchu – padají z lodi, která zase padá kolem Země.

Vzhledem k tomu, že gravitace je přitažlivá síla mezi dvěma hmotami, zůstáváme na povrchu Země, když po něm chodíme, spíše než se vznášíme do nebe. V tomto případě celá hmota Země přitahuje hmotu našich těl do svého středu.

Když se lodě dostanou na oběžnou dráhu, plují volně ve vesmíru. Stále podléhají gravitační síle Země, ale loď a předměty nebo cestující v ní podléhají gravitaci stejným způsobem. Stávající zařízení nejsou dostatečně masivní, aby vytvořila znatelnou přitažlivost, takže lidé a předměty v nich nestojí na podlaze, ale „vznášejí se“ ve vzduchu.

Jak vytvořit umělou gravitaci

Umělá gravitace jako taková neexistuje, k jejímu vytvoření se člověk potřebuje naučit vše o přirozené gravitaci. Ve sci-fi existuje koncept simulace gravitace: umožňuje posádce vesmírných lodí chodit po palubě a objekty na ní stát.

Teoreticky existují dva způsoby, jak vytvořit simulovanou gravitaci, a ani jeden z nich dosud nebyl použit v reálném životě. První je použití dostředivé síly k simulaci gravitace. Loď nebo stanice musí být konstrukce podobná kolu sestávající z několika neustále se otáčejících segmentů.

Podle této koncepce dostředivé zrychlení zařízení, které tlačí moduly směrem ke středu, vytvoří zdání gravitace nebo podmínky podobné těm na Zemi. Tento koncept byl demonstrován ve filmech Stanleyho Kubricka 2001: Vesmírná odysea a Interstellar Christophera Nolana.

Koncept zařízení, které vytváří dostředivé zrychlení pro simulaci gravitace

Za autora tohoto projektu je považován německý raketový vědec a inženýr Wernher von Braun, který vedl vývoj rakety Saturn 5, která dopravila posádku Apolla 11 a několik dalších pilotovaných vozidel na Měsíc.

Jako ředitel Marshall Space Flight Center NASA von Braun popularizoval myšlenku ruského vědce Konstantina Ciolkovského vytvořit toroidní vesmírnou stanici založenou na designu náboje připomínajícího kolo jízdního kola. Pokud se kolo otáčí v prostoru, pak setrvačnost a odstředivá síla mohou vytvořit jakousi umělou gravitaci, která přitahuje předměty k vnějšímu obvodu kola. To umožní lidem a robotům chodit po podlaze jako na Zemi, spíše než se vznášet ve vzduchu, jako na ISS.

Tato metoda má však značné nevýhody: čím menší je kosmická loď, tím rychleji se musí otáčet - to povede ke vzniku tzv. Cornolisovy síly, kdy body umístěné dále od středu budou ovlivňovány gravitací silněji než ty blíž k tomu. Jinými slovy, gravitace bude silnější na hlavách astronautů než na jejich nohách, což se jim nebude líbit.

Aby se tomuto efektu zabránilo, musí být velikost lodi několikrát větší než velikost fotbalového hřiště - uvedení takového zařízení na oběžnou dráhu bude extrémně drahé, vzhledem k tomu, že náklady na jeden kilogram nákladu při komerčních startech se pohybují od 1,5 tisíce $ na 3 tisíce dolarů.

Další způsob vytvoření simulace gravitace je praktičtější, ale také extrémně nákladný – mluvíme o metodě zrychlení. Pokud loď nejprve zrychlí na určitém úseku dráhy a poté se otočí a začne zpomalovat, dojde k účinku umělé gravitace.

K implementaci této metody budou zapotřebí obrovské zásoby paliva - faktem je, že motory musí pracovat téměř nepřetržitě, s výjimkou krátké přestávky uprostřed cesty - během otáčení lodi.

Reálné příklady

Navzdory vysokým nákladům na vypouštění kosmických lodí simulujících gravitaci se společnosti po celém světě snaží takové lodě a stanice stavět.

Nadace Gateway, výzkumná nadace, která plánuje postavit rotační stanici na oběžné dráze Země, se snaží implementovat Von Braunův koncept. Předpokládá se, že po obvodu kola budou umístěny kapsle, které si mohou zakoupit veřejné i soukromé letecké společnosti pro výzkum. Některé kapsle budou prodány jako vily nejbohatším obyvatelům světa, zatímco jiné budou využívány jako hotely pro vesmírné turisty. Odhalil koncept rotující kosmické lodi s nafukovacími moduly, Nautilus-X, která by snížila účinky mikrogravitace na vědce. na palubě.

Předpokládalo se, že projekt bude stát pouze 3,7 miliardy dolarů – což je na taková zařízení velmi málo – a jeho stavba bude trvat 64 měsíců. Nautilus-X se však nikdy neposunul nad rámec původních nákresů a návrhů.

Závěr

Prozatím nejpravděpodobnějším způsobem, jak získat simulovanou gravitaci, která ochrání loď před účinky zrychlení a zajistí konstantní gravitaci bez nutnosti neustálého používání motorů, je detekce částice se zápornou hmotností. Každá částice a antičástice, kterou kdy vědci objevili, má kladnou hmotnost. Je známo, že záporná hmotnost a gravitační hmotnost jsou si navzájem rovny, ale zatím výzkumníci nebyli schopni tento poznatek prokázat v praxi.

Vědci z experimentu ALPHA v CERNu již vytvořili antivodík – stabilní formu neutrální antihmoty – a pracují na jeho izolaci od všech ostatních částic při velmi nízkých rychlostech. Pokud se to vědcům podaří, je pravděpodobné, že v blízké budoucnosti se umělá gravitace stane reálnější než nyní.

I člověk, který se o vesmír nezajímá, alespoň jednou viděl film o cestování vesmírem nebo se o takových věcech dočetl 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 pro změnu (v jakémkoli směru) nám známé gravitace pomocí různých metod. A to se děje nejen ve sci-fi dílech, ale také ve velmi reálných pozemských situacích, nejčastěji pro experimenty.

Teoreticky nevypadá vytvoření umělé gravitace tak obtížné. Může být například znovu vytvořen pomocí setrvačnosti, přesněji řečeno, potřeba této síly nevznikla včera - stalo se to okamžitě, jakmile člověk začal snít o dlouhých vesmírných letech. Vytvoření umělé gravitace ve vesmíru umožní vyhnout se mnoha problémům, které vznikají při dlouhodobém pobytu ve stavu beztíže. Svaly astronautů ochabují a kosti jsou méně pevné. Cestování v takových podmínkách po celé měsíce může způsobit atrofii některých svalů.

Dnes je tedy vytvoření umělé gravitace prvořadým úkolem; bez této dovednosti je to prostě nemožné.

Materiál

Dokonce i ti, kteří znají fyziku pouze na úrovni školních osnov, chápou, že gravitace je jedním ze základních zákonů našeho světa: všechna tělesa na sebe vzájemně působí, prožívají vzájemnou přitažlivost/odpor. Čím větší je těleso, tím větší je jeho gravitační síla.

Země je pro naši realitu velmi masivní objekt. Proto k ní přitahují všechna těla kolem ní bez výjimky.

Pro nás to znamená, která se obvykle měří v g, rovných 9,8 metru za sekundu čtvereční. To znamená, že kdybychom neměli pod nohama žádnou oporu, padali bychom rychlostí, která se každou vteřinu zvyšuje o 9,8 metru.

Jen díky gravitaci jsme tedy schopni normálně stát, padat, jíst a pít, pochopit, kde je nahoře a kde dole. Pokud gravitace zmizí, ocitneme se ve stavu beztíže.

Tento jev znají zejména kosmonauti, kteří se ocitli ve vesmíru ve stavu plachtění – volného pádu.

Teoreticky vědci vědí, jak vytvořit umělou gravitaci. Existuje několik metod.

Velká hmota

Nejlogičtější možností je udělat ji tak velkou, aby se na ní objevila umělá gravitace. Na lodi se budete cítit pohodlně, protože se neztratí orientace v prostoru.

Bohužel tato metoda je s rozvojem moderních technologií nereálná. Vytvoření takového objektu vyžaduje příliš mnoho zdrojů. Jeho zvednutí by navíc vyžadovalo neskutečné množství energie.

Akcelerace

Zdálo by se, že pokud chcete dosáhnout g rovného tomu na Zemi, stačí lodi dát plochý (plošinovitý) tvar a přimět ji, aby se pohybovala kolmo k rovině s požadovaným zrychlením. Tímto způsobem bude získána umělá gravitace a k tomu ideální gravitace.

Ve skutečnosti je však vše mnohem složitější.

V první řadě 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 donekonečna zrychlovat.

Navíc takové vozidlo není vhodné pro výzkumné mise, protože musí neustále zrychlovat - létat. Nebude se moci zastavit, aby studoval planetu, nebude schopen ji ani pomalu obletět – musí zrychlit.

Je tedy zřejmé, že taková umělá gravitace pro nás zatím není dostupná.

Kolotoč

Každý ví, jak rotace kolotoče ovlivňuje tělo. Jako nejreálnější se proto jeví zařízení umělé gravitace založené na tomto principu.

Vše, co je v průměru karuselu, má tendenci z něj vypadávat rychlostí přibližně rovnou rychlosti otáčení. Ukazuje se, že na tělesa působí síla směřující podél poloměru rotujícího objektu. Je to velmi podobné gravitaci.

Vyžaduje se tedy loď válcovitého tvaru. Zároveň se musí otáčet kolem své osy. Mimochodem, umělá gravitace na vesmírné lodi, vytvořená podle tohoto principu, je často demonstrována ve sci-fi filmech.

Loď ve tvaru sudu, rotující kolem své podélné osy, vytváří odstředivou sílu, jejíž směr odpovídá poloměru předmětu. Chcete-li vypočítat výsledné zrychlení, musíte vydělit sílu hmotností.

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 g, na které jsme zvyklí, nutné správně zkombinovat poloměr vesmírné dopravy.

Podobný problém je zdůrazněn ve filmech jako Intersolah, Babylon 5, 2001: Vesmírná odysea a podobně. Ve všech těchto případech je umělá gravitace blízká zemskému zrychlení vlivem gravitace.

Bez ohledu na to, jak dobrý je nápad, je poměrně obtížné ho realizovat.

Problémy s karuselovou metodou

Nejviditelnější problém je zdůrazněn ve Vesmírné odysei. Poloměr „vesmírného nosiče“ je asi 8 metrů. Aby bylo možné dosáhnout zrychlení 9,8, musí rotace probíhat rychlostí přibližně 10,5 otáčky za minutu.

Při těchto hodnotách se objevuje „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 bude vytvořena umělá gravitace, ale příliš rychlé otáčení těla povede k problémům s vnitřním uchem. To zase způsobuje poruchy rovnováhy, problémy s vestibulárním aparátem a další – podobné – obtíže.

Vznik této překážky naznačuje, že takový model je extrémně neúspěšný.

Můžete zkusit jít z opačné strany, jako to udělali v románu „The Ring World“. Zde je loď vyrobena ve tvaru prstence, jehož poloměr se blíží poloměru naší oběžné dráhy (asi 150 milionů km). Při této velikosti je rychlost jeho rotace dostatečná k tomu, aby ignorovala Coriolisův efekt.

Můžete předpokládat, že problém byl vyřešen, ale není tomu tak. Faktem je, že úplné otočení této konstrukce kolem její osy trvá 9 dní. To naznačuje, že zatížení bude příliš velké. Aby jim konstrukce vydržela, je potřeba velmi pevný materiál, který dnes nemáme k dispozici. Problémem je navíc množství materiálu a samotný postup výstavby.

Ve hrách s podobnou tématikou, jako ve filmu „Babylon 5“, jsou tyto problémy nějak vyřešeny: rychlost otáčení je zcela dostatečná, Coriolisův efekt není významný, hypoteticky je možné takovou loď vytvořit.

I takové světy však mají nevýhodu. Jeho název je úhlová hybnost.

Loď rotující kolem své osy se promění v obrovský gyroskop. Jak víte, je extrémně obtížné přinutit gyroskop, aby se odchýlil od své osy, protože je důležité, aby jeho množství neopustilo systém. To znamená, že bude velmi obtížné dát tomuto objektu směr. Tento problém však lze vyřešit.

Řešení

Umělá gravitace na vesmírné stanici se zpřístupní, když O'Neillův válec přijde na záchranu. K vytvoření tohoto designu jsou zapotřebí identické válcové lodě, které jsou spojeny podél osy. Měly by se otáčet různými směry. Výsledkem takové montáže je nulový moment hybnosti, takže by nemělo být problém 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 přitom docela pohodlná a vhodná pro dlouhé lety na lodích nebo výzkumných stanicích.

Vesmírní inženýři

Tvůrci hry vědí, jak vytvořit umělou gravitaci. 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 vytvořena pomocí speciálního generátoru. V rozsahu generátoru je stejnoměrný a stejnosměrný. Takže ve skutečném světě, kdybyste se dostali pod loď s nainstalovaným generátorem, byli byste přitaženi k trupu. Ve hře však hrdina padne, dokud neopustí obvod zařízení.

Dnes je umělá gravitace ve vesmíru vytvořená takovým zařízením pro lidstvo nedostupná. O tom však nepřestávají snít ani prošedivělí vývojáři.

Kulový generátor

Toto je realističtější varianta vybavení. Při instalaci je gravitace nasměrována na generátor. To umožňuje vytvořit stanici, jejíž gravitace bude rovna planetární.

Odstředivka

Dnes se umělá gravitace na Zemi nachází v různých zařízeních. Jsou založeny z velké části na setrvačnosti, protože tuto sílu pociťujeme podobně jako gravitační vliv – tělo nerozlišuje, co způsobuje zrychlení. Jako příklad: osoba, která jde nahoru ve výtahu, zažívá vliv setrvačnosti. Očima fyzika: stoupání výtahu přidává zrychlení kabiny ke zrychlení volného pádu. Když se kabina vrátí do měřeného pohybu, „přírůstek“ hmotnosti zmizí a vrátí se obvyklé pocity.

Vědci se již dlouho zajímají o umělou gravitaci. Nejčastěji se pro tyto účely používá odstředivka. Tato metoda je vhodná nejen pro kosmické lodě, ale i pro pozemní stanice, kde je potřeba studovat působení gravitace na lidský organismus.

Studujte na Zemi, přihlaste se do...

Přestože studium gravitace začalo ve vesmíru, jde o velmi pozemskou vědu. I dnes našly pokroky 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 pohybovým aparátem nebo nervovým systémem. Studium této síly se navíc provádí především na Zemi. To umožňuje astronautům provádět experimenty a přitom zůstat pod pečlivým dohledem lékařů. Jiná věc je umělá gravitace ve vesmíru, nejsou tam lidé, kteří by astronautům pomohli v případě nepředvídané situace.

S ohledem na úplnou beztížnost nelze brát v úvahu družici umístěnou na nízké oběžné dráze Země. Tyto objekty, byť v malé míře, jsou ovlivněny gravitací. Gravitační síla vznikající v takových případech se nazývá mikrogravitace. Skutečnou gravitaci zažijete pouze ve vozidle letícím konstantní rychlostí ve vesmíru. Lidské tělo však tento rozdíl nepociťuje.

Stav beztíže můžete zažít při skoku do dálky (před otevřením vrchlíku) nebo při parabolickém klesání letadla. Takové experimenty se často provádějí v USA, ale v letadle tento pocit trvá pouze 40 sekund - to je příliš málo na úplné studium.

V SSSR už v roce 1973 věděli, zda je možné vytvořit umělou gravitaci. A oni ji nejen vytvořili, ale také nějakým způsobem změnili. Pozoruhodným příkladem umělého snížení gravitace je suché ponoření, ponoření. Chcete-li dosáhnout požadovaného efektu, musíte na hladinu vody umístit silnou fólii. Osoba je umístěna na ní. Pod tíhou těla se tělo ponoří pod vodu a nahoře zůstane jen hlava. Tento model demonstruje prostředí bez podpory a nízké gravitace, které je charakteristické pro oceán.

Není třeba jít do vesmíru, abyste zažili opačnou sílu stavu beztíže – hypergravitaci. Když kosmická loď vzlétne a přistane v centrifuze, lze přetížení nejen cítit, ale také studovat.

Léčba gravitace

Gravitační fyzika také studuje účinky stavu beztíže na lidské tělo a snaží se minimalizovat následky. Velké množství úspěchů této vědy však může být užitečné i pro běžné obyvatele planety.

Velké naděje vkládají lékaři do výzkumu chování svalových enzymů při myopatii. Jedná se o závažné onemocnění vedoucí k předčasné smrti.

Při aktivní fyzické zátěži se do krve zdravého člověka dostává velké množství enzymu kreatinfosfokinázy. Důvod tohoto jevu je nejasný, možná zátěž působí na buněčnou membránu tak, že se stává „děravou“. Pacienti s myopatií mají stejný účinek bez cvičení. Pozorování astronautů ukazují, že ve stavu beztíže se výrazně snižuje tok aktivního enzymu do krve. Tento objev naznačuje, že použití imerze sníží negativní dopad faktorů vedoucích k myopatii. V současné době probíhají pokusy na zvířatech.

Léčba některých onemocnění se již provádí pomocí údajů získaných studiem gravitace, včetně gravitace umělé. Například léčba mozkové obrny, mozkové mrtvice a Parkinsonovy choroby se provádí pomocí stresových obleků. Výzkum pozitivních účinků podpory, pneumatické boty, byl téměř dokončen.

Poletíme na Mars?

Nejnovější úspěchy astronautů dávají naději na realitu projektu. Existují zkušenosti s poskytováním lékařské podpory člověku během dlouhého pobytu mimo Zemi. Výzkumné lety na Měsíc, jehož gravitační síla je 6x menší než naše vlastní, přinesly také spoustu výhod. Nyní si astronauti a vědci dávají nový cíl – Mars.

Než se postavíte do fronty na vstupenku na Rudou planetu, měli byste vědět, co tělo čeká již v první fázi práce – na cestě. Cesta na pouštní planetu bude v průměru trvat rok a půl – asi 500 dní. Cestou se budete muset spoléhat jen na vlastní síly, na pomoc prostě není kde čekat.

Mnoho faktorů podkope vaši sílu: stres, záření, nedostatek magnetického pole. Nejdůležitějším testem pro tělo je změna gravitace. Během cesty se člověk „seznámí“ s několika úrovněmi gravitace. V první řadě jsou to přetížení při vzletu. Pak - stav beztíže během letu. Po tomto - hypogravitace v cíli, protože gravitace na Marsu je menší než 40% zemské.

Jak se vyrovnáváte s negativními dopady stavu beztíže při dlouhém letu? Doufáme, že vývoj v oblasti umělé gravitace pomůže tento problém v blízké budoucnosti vyřešit. Experimenty na krysách cestujících na Kosmu 936 ukazují, že tato technika neřeší všechny problémy.

Zkušenosti s OS ukázaly, že mnohem větší výhody pro tělo může přinést použití tréninkových komplexů, které dokážou určit požadovanou zátěž pro každého astronauta individuálně.

Zatím se věří, že na Mars nepoletí jen výzkumníci, ale také turisté, kteří chtějí na Rudé planetě založit kolonii. Pro ně, alespoň poprvé, pocity stavu beztíže převáží všechny argumenty lékařů o nebezpečí dlouhodobého pobytu v takových podmínkách. Za pár týdnů však budou potřebovat pomoc i oni, a proto je tak důležité umět najít způsob, jak na vesmírné lodi vytvořit umělou gravitaci.

Výsledek

Jaké závěry lze vyvodit o vytvoření umělé gravitace ve vesmíru?

Ze všech aktuálně zvažovaných možností vypadá rotační struktura nejrealističtěji. Při současném chápání fyzikálních zákonů je to však nemožné, protože loď není dutý válec. Uvnitř jsou přesahy, které zasahují do realizace nápadů.

Poloměr lodi musí být navíc tak velký, aby se Coriolisův efekt výrazně neprojevil.

K ovládání něčeho takového potřebujete výše zmíněný O'Neillův válec, který vám dá možnost ovládat loď. V tomto případě se zvyšuje šance na použití takové konstrukce pro meziplanetární lety a zároveň poskytuje posádce pohodlnou úroveň gravitace.

Než se lidstvu podaří uskutečnit své sny, rád bych viděl ve sci-fi dílech trochu více realismu a ještě více znalostí fyzikálních zákonů.