Dokonca aj človek, ktorý sa o vesmír nezaujíma, niekedy videl film o vesmírnom cestovaní alebo čítal o takýchto veciach v knihách. Takmer vo všetkých takýchto dielach ľudia chodia po lodi, normálne spia a nemajú problémy s jedením. To znamená, že tieto – fiktívne – lode majú umelú gravitáciu. Väčšina divákov to vníma ako niečo úplne prirodzené, ale vôbec to tak nie je.
Umelá gravitácia
Toto je názov zmeny (v akomkoľvek smere) gravitácie, ktorú poznáme pomocou rôznych metód. A to sa deje nielen vo fantastických dielach, ale aj vo veľmi reálnych pozemských situáciách, najčastejšie pri pokusoch.
Teoreticky vytvorenie umelej gravitácie nevyzerá tak ťažko. Napríklad sa dá znovu vytvoriť pomocou zotrvačnosti, presnejšie odstredivej sily. Potreba tejto sily nevznikla včera - stalo sa to okamžite, len čo človek začal snívať o dlhodobých vesmírnych letoch. Tvorbaumelá gravitácia vo vesmíre umožní vyhnúť sa mnohým problémom, ktoré vznikajú pri dlhodobom pobyte v beztiažovom stave. Svaly astronautov ochabujú, kosti sú menej pevné. Cestovaním v takýchto podmienkach po celé mesiace môžete získať atrofiu niektorých svalov.
Preto je dnes vytvorenie umelej gravitácie prvoradou úlohou, prieskum vesmíru bez tejto zručnosti je jednoducho nemožný.
Materiály
Dokonca aj tí, ktorí poznajú fyziku len na úrovni školských osnov, chápu, že gravitácia je jedným zo základných zákonov nášho sveta: všetky telesá na seba vzájomne pôsobia, zažívajú vzájomnú príťažlivosť/odpudivosť. Čím väčšie je telo, tým väčšia je jeho príťažlivá sila.
Zem je pre našu realitu veľmi masívny objekt. Preto to bez výnimky priťahuje všetky telá okolo nej.
Pre nás to znamená zrýchlenie voľného pádu, ktoré sa zvyčajne meria v g, rovná sa 9,8 metra za sekundu štvorcovú. To znamená, že ak by sme nemali pod nohami oporu, padali by sme rýchlosťou, ktorá sa každú sekundu zvyšuje o 9,8 metra.
Len vďaka gravitácii sme teda schopní normálne stáť, padať, jesť a piť, pochopiť, kde je hore, kde dole. Ak gravitácia zmizne, budeme v nulovej gravitácii.
Astronauti, ktorí sa ocitnú vo vesmíre v stave vzletu – voľný pád poznajú najmä tento jav.
Vedci teoreticky vedia, ako vytvoriť umelú gravitáciu. Existovaťniekoľko techník.
Big Mass
Najlogickejšou možnosťou je urobiť vesmírnu loď takú veľkú, aby mala umelú gravitáciu. Na lodi sa bude možné cítiť pohodlne, pretože sa nestratí orientácia v priestore.
Bohužiaľ, táto metóda s moderným vývojom technológií je nereálna. Vytvorenie takéhoto objektu si vyžaduje príliš veľa zdrojov. Okrem toho si na jeho zdvihnutie bude vyžadovať neuveriteľné množstvo energie.
Zrýchliť
Zdalo by sa, že ak chcete dosiahnuť g rovnú zemskej, stačí dať lodi plochý (plošinový) tvar a prinútiť ju pohybovať sa kolmo na rovinu s požadovaným zrýchlením. Týmto spôsobom sa získa umelá gravitácia, a to ideálne.
Realita je však oveľa komplikovanejšia.
V prvom rade stojí za to zvážiť otázku paliva. Aby stanica neustále zrýchľovala, je potrebné mať neprerušiteľné napájanie. Aj keď sa zrazu objaví motor, ktorý nevypúšťa hmotu, zákon zachovania energie zostane v platnosti.
Druhým problémom je samotná myšlienka neustáleho zrýchľovania. Podľa našich vedomostí a fyzikálnych zákonov nie je možné zrýchliť do nekonečna.
Navyše, takéto vozidlá nie sú vhodné na výskumné misie, pretože musia neustále zrýchľovať – lietať. Nebude sa môcť zastaviť, aby študoval planétu, dokonca ju nebude môcť pomaly obletieť – musí zrýchliť.
TakžeJe teda jasné, že takáto umelá gravitácia pre nás zatiaľ nie je dostupná.
Carousel
Každý vie, ako rotácia kolotoča ovplyvňuje telo. Preto sa zariadenie s umelou gravitáciou podľa tohto princípu javí ako najreálnejšie.
Všetko, čo je v priemere kolotoča, má tendenciu z neho vypadávať rýchlosťou približne rovnajúcou sa rýchlosti otáčania. Ukazuje sa, že na telo pôsobí sila smerujúca pozdĺž polomeru rotujúceho objektu. Je to veľmi podobné gravitácii.
Takže potrebujete loď, ktorá má valcový tvar. Zároveň sa musí otáčať okolo svojej osi. Mimochodom, umelá gravitácia na vesmírnej lodi, vytvorená podľa tohto princípu, sa často zobrazuje vo filmoch sci-fi.
Loď v tvare suda, rotujúca okolo pozdĺžnej osi, vytvára odstredivú silu, ktorej smer zodpovedá polomeru objektu. Ak chcete vypočítať výsledné zrýchlenie, musíte vydeliť silu hmotnosťou.
Pre ľudí, ktorí poznajú fyziku, nebude ťažké vypočítať toto: a=ω²R.
V tomto vzorci je výsledkom výpočtu zrýchlenie, prvá premenná je uzlová rýchlosť (meraná v radiánoch za sekundu), druhá je polomer.
Podľa toho je na získanie obvyklého g potrebné správne skombinovať uhlovú rýchlosť a polomer vesmírneho transportu.
Tento problém je pokrytý filmami ako „Intersol“, „Babylon 5“, „2001: Vesmírna odysea“a podobne. Vo všetkých týchto prípadochumelá gravitácia je blízko zrýchleniu voľného pádu Zeme.
Bez ohľadu na to, aký dobrý je nápad, je dosť ťažké ho zrealizovať.
Problémy karuselovej metódy
Najzrejmejší problém je zvýraznený vo Vesmírnej odysei. Polomer „vesmírneho nosiča“je asi 8 metrov. Aby ste dosiahli zrýchlenie 9,8, rotácia musí prebiehať rýchlosťou približne 10,5 otáčok každú minútu.
Pri uvedených hodnotách sa prejavuje „Coriolisov efekt“, ktorý spočíva v tom, že v rôznych vzdialenostiach od podlahy pôsobia rôzne sily. To priamo závisí od uhlovej rýchlosti.
Ukazuje sa, že vo vesmíre vznikne umelá gravitácia, ale príliš rýchle otáčanie puzdra povedie k problémom s vnútorným uchom. To následne spôsobuje nerovnováhu, problémy s vestibulárnym aparátom a iné podobné problémy.
Výskyt tejto bariéry naznačuje, že takýto model je mimoriadne neúspešný.
Môžete sa pokúsiť ísť opačným smerom, ako to urobili v románe „The World-Ring“. Tu je loď vyrobená vo forme prstenca, ktorého polomer je blízky polomeru našej obežnej dráhy (asi 150 miliónov km). Pri tejto veľkosti je rýchlosť jeho rotácie dostatočná na to, aby ignoroval Coriolisov efekt.
Mohli by ste predpokladať, že problém je vyriešený, ale vôbec to tak nie je. Faktom je, že úplné otočenie tejto konštrukcie okolo svojej osi trvá 9 dní. To umožňuje predpokladať, že zaťaženie bude príliš veľké. Za účelomkonštrukcia ich vydržala, treba veľmi pevný materiál, ktorým dnes nedisponujeme. Problémom je navyše množstvo materiálu a samotný postup výstavby.
V hrách s podobnou tematikou ako vo filme "Babylon 5" sú tieto problémy nejakým spôsobom vyriešené: rýchlosť rotácie je úplne dostatočná, Coriolisov efekt nie je výrazný, hypoteticky je možné vytvoriť takúto loď.
Aj takéto svety však majú nevýhodu. Jeho meno je momentum.
Loď sa otáča okolo svojej osi a mení sa na obrovský gyroskop. Ako viete, je mimoriadne ťažké dosiahnuť, aby sa gyroskop odchýlil od osi kvôli uhlovej hybnosti. Je dôležité, aby jeho množstvo neopustilo systém. To znamená, že pre tento objekt bude veľmi ťažké určiť smer. Tento problém sa však dá vyriešiť.
Riešenie problémov
Umelá gravitácia na vesmírnej stanici sa sprístupní, keď príde na pomoc „O'Neillov valec“. Na vytvorenie tohto dizajnu sú potrebné identické valcové lode, ktoré sú spojené pozdĺž osi. Mali by sa otáčať rôznymi smermi. Výsledkom tejto montáže je nulová uhlová hybnosť, takže by nemalo byť ťažké dať lodi požadovaný smer.
Ak je možné vyrobiť loď s polomerom okolo 500 metrov, tak bude fungovať presne tak, ako má. Umelá gravitácia vo vesmíre bude zároveň celkom pohodlná a vhodná na dlhé lety na lodiach či výskumných staniciach.
Vesmírni inžinieri
Ako vytvoriť umelú gravitáciu je tvorcom hry známe. V tomto fantasy svete však gravitácia nie je vzájomná príťažlivosť telies, ale lineárna sila určená na zrýchlenie predmetov v danom smere. Príťažlivosť tu nie je absolútna, mení sa, keď je zdroj presmerovaný.
Umelá gravitácia na vesmírnej stanici je vytvorená pomocou špeciálneho generátora. V oblasti generátora je rovnomerný a rovnosmerný. Takže v reálnom svete, ak vás zasiahne loď, ktorá má nainštalovaný generátor, pritiahne vás k trupu lode. Avšak v hre bude hrdina padať, kým neopustí obvod zariadenia.
Umelá gravitácia vo vesmíre vytvorená takýmto zariadením je dnes pre ľudstvo nedostupná. Avšak ani sivovlasí vývojári o tom neprestávajú snívať.
Sférický generátor
Toto je realistickejšia verzia vybavenia. Pri inštalácii má gravitácia smer ku generátoru. To umožňuje vytvoriť stanicu, ktorej gravitácia sa bude rovnať planetárnej.
Centrifuge
V súčasnosti sa umelá gravitácia na Zemi nachádza v rôznych zariadeniach. Sú založené väčšinou na zotrvačnosti, keďže túto silu pociťujeme podobne ako gravitačné účinky – telo nerozlišuje, čo spôsobuje zrýchlenie. Ako príklad: osoba, ktorá ide hore vo výťahu, zažije efekt zotrvačnosti. Očami fyzika: zdvíhanie výťahu pridáva k zrýchleniu voľného pádu zrýchlenie auta. Po návratekabíny k meranému pohybu zmizne "prírastok" hmotnosti a vráti sa obvyklé pocity.
Vedci sa už dlho zaujímajú o umelú gravitáciu. Na tieto účely sa najčastejšie používa odstredivka. Táto metóda je vhodná nielen pre kozmické lode, ale aj pre pozemné stanice, v ktorých je potrebné študovať vplyv gravitácie na ľudské telo.
Študujte na Zemi, prihláste sa do…
Hoci štúdium gravitácie začalo z vesmíru, je to veľmi svetská veda. Aj dnes si úspechy v tejto oblasti našli svoje uplatnenie napríklad v medicíne. Keď vieme, či je možné na planéte vytvoriť umelú gravitáciu, môžeme ju použiť na liečbu problémov s motorickým aparátom alebo nervovým systémom. Okrem toho sa štúdium tejto sily vykonáva predovšetkým na Zemi. To umožňuje astronautom vykonávať experimenty a zároveň zostať pod prísnym dohľadom lekárov. Ďalšia vec je umelá gravitácia vo vesmíre, nie sú tam ľudia, ktorí by astronautom pomohli v prípade nepredvídateľnej situácie.
Vzhľadom na totálny stav beztiaže nemožno brať do úvahy satelit na nízkej obežnej dráhe Zeme. Tieto objekty, aj keď v malej miere, sú ovplyvnené gravitáciou. Gravitačná sila vznikajúca v takýchto prípadoch sa nazýva mikrogravitácia. Skutočnú gravitáciu zažijeme iba v prístroji letiacom konštantnou rýchlosťou vo vesmíre. Ľudské telo však tento rozdiel necíti.
Beztiažový stav môžete zažiť pri skoku do diaľky (pred otvorením vrchlíka) alebo pri parabolickom klesaní lietadla. Takéto experimentyčasto inscenované v USA, ale v lietadle tento pocit trvá len 40 sekúnd - to je príliš málo na úplné štúdium.
V ZSSR ešte v roku 1973 vedeli, či je možné vytvoriť umelú gravitáciu. A nielen ho vytvoril, ale aj nejakým spôsobom zmenil. Živým príkladom umelého poklesu gravitácie je suché ponorenie, ponorenie. Aby ste dosiahli požadovaný efekt, musíte na povrch vody položiť hustý film. Osoba je umiestnená na jej vrchole. Pod váhou tela sa telo ponorí pod vodu, nad ním zostáva iba hlava. Tento model demonštruje nízku gravitačnú podporu nachádzajúcu sa v oceáne.
Nie je potrebné ísť do vesmíru, aby ste pocítili účinok opačnej sily stavu beztiaže – hypergravitácie. Pri štarte a pristátí kozmickej lode v centrifúge môžete preťaženie nielen cítiť, ale aj študovať.
Liečba gravitáciou
Gravitačná fyzika študuje okrem iného vplyv stavu beztiaže na ľudské telo, pričom sa snaží minimalizovať následky. Veľký počet úspechov tejto vedy však môže byť užitočný pre bežných obyvateľov planéty.
Lekári vkladajú veľké nádeje do výskumu správania sa svalových enzýmov pri myopatii. Toto je vážna choroba vedúca k predčasnej smrti.
Pri aktívnom fyzickom cvičení sa do krvi zdravého človeka dostáva veľké množstvo enzýmu kreatinofosfokinázy. Dôvod tohto javu nie je jasný, možno záťaž pôsobí na bunkovú membránu tak, že ju„perforuje“. Pacienti s myopatiou dosahujú rovnaký účinok bez cvičenia. Pozorovania astronautov ukazujú, že v stave beztiaže sa prietok aktívneho enzýmu do krvi výrazne znižuje. Tento objav naznačuje, že použitie imerzie zníži negatívny vplyv faktorov vedúcich k myopatii. Momentálne prebieha testovanie na zvieratách.
Liečba niektorých chorôb sa už dnes vykonáva pomocou údajov získaných štúdiom gravitácie, vrátane umelej. Napríklad detská mozgová obrna, mŕtvica, Parkinsonova choroba sa lieči pomocou záťažových oblekov. Výskum pozitívneho vplyvu podpory - pneumatická topánka je takmer dokončená.
Poletíme na Mars?
Najnovšie úspechy astronautov dávajú nádej na realitu projektu. Existujú skúsenosti s lekárskou podporou pre človeka počas dlhého pobytu mimo Zeme. Veľa výhod priniesli aj výskumné lety na Mesiac, na ktorých je gravitačná sila 6-krát menšia ako naša. Teraz si astronauti a vedci stanovujú nový cieľ – Mars.
Skôr ako sa postavíte do radu na lístok na Červenú planétu, mali by ste vedieť, čo telo očakáva už v prvej fáze práce – na ceste. V priemere bude cesta na púštnu planétu trvať rok a pol – asi 500 dní. Na ceste sa budete musieť spoliehať len na svoje sily, jednoducho nie je kam čakať na pomoc.
Sila podkopáva mnoho faktorov: stres, žiarenie, nedostatok magnetického poľa. Najdôležitejším testom pre telo je zmena gravitácie. Počas cesty sa človek „zoznámi“.niekoľko úrovní gravitácie. V prvom rade sú to preťaženia pri vzlete. Potom - stav beztiaže počas letu. Potom hypogravitácia v cieli, keďže gravitácia na Marse je menšia ako 40 % Zeme.
Ako sa vyrovnávate s negatívnymi účinkami stavu beztiaže pri dlhom lete? Dúfame, že vývoj v oblasti vytvárania umelej gravitácie pomôže vyriešiť tento problém v blízkej budúcnosti. Experimenty na potkanoch cestujúcich na Kosmos-936 ukazujú, že táto technika nerieši všetky problémy.
Skúsenosti OS ukázali, že používanie tréningových komplexov, ktoré dokážu individuálne určiť potrebnú záťaž pre každého astronauta, môže telu priniesť oveľa viac výhod.
Zatiaľ sa verí, že na Mars nepoletia len výskumníci, ale aj turisti, ktorí chcú na Červenej planéte založiť kolóniu. Pre nich, aspoň na začiatku, pocity stavu beztiaže prevážia všetky argumenty lekárov o nebezpečenstve dlhodobého vystavenia takýmto stavom. Aj oni však budú o pár týždňov potrebovať pomoc, a preto je také dôležité vedieť nájsť spôsob, ako vytvoriť umelú gravitáciu na vesmírnej lodi.
Results
Aké závery možno vyvodiť o vytvorení umelej gravitácie vo vesmíre?
Zo všetkých momentálne zvažovaných možností vyzerá rotujúca štruktúra najrealistickejšie. Pri súčasnom chápaní fyzikálnych zákonov je to však nemožné, keďže loď nie je dutý valec. Vo vnútri sú presahy, ktoré zasahujú do realizácie nápadov.
Okrem toho by mal byť polomer lode takýveľké, takže Coriolisov efekt nemá výrazný účinok.
Na ovládanie niečoho takého potrebujete O'Neillov valec spomínaný vyššie, ktorý vám dá schopnosť ovládať loď. V tomto prípade sa zvyšuje šanca na použitie podobného dizajnu pre medziplanetárne lety s poskytnutím pohodlnej úrovne gravitácie posádke.
Skôr, než sa ľudstvu podarí uskutočniť svoje sny, chcel by som vidieť trochu viac realizmu a ešte viac vedomostí o fyzikálnych zákonoch v sci-fi.
