Isegi inimene, kes pole kosmosehuviline, on kunagi näinud filmi kosmosereisidest või lugenud sellistest asjadest raamatutest. Peaaegu kõikides sellistes töödes käiakse laevas ringi, magatakse normaalselt ja söömisega probleeme ei teki. See tähendab, et neil – väljamõeldud – laevadel on kunstlik gravitatsioon. Enamik vaatajaid tajub seda kui midagi täiesti loomulikku, kuid see pole sugugi nii.
Kunstlik gravitatsioon
See on meile erinevate meetodite rakendamisel tuttava gravitatsiooni muutumise (mis tahes suunas) nimi. Ja seda ei tehta mitte ainult fantastilistes teostes, vaid ka väga reaalsetes maistes olukordades, enamasti eksperimentide jaoks.
Teoorias ei tundu kunstliku gravitatsiooni loomine nii keeruline. Näiteks saab seda taasluua inertsi, täpsem alt tsentrifugaaljõu abil. Vajadus selle jõu järele ei tekkinud eile – see juhtus kohe, niipea, kui inimene hakkas unistama pikaajalistest kosmoselendudest. Loominekunstlik gravitatsioon kosmoses võimaldab vältida paljusid probleeme, mis tekivad pikaajalise kaaluta olemise ajal. Astronautide lihased nõrgenevad, luud muutuvad nõrgemaks. Kuude kaupa sellistes tingimustes reisides võib tekkida osade lihaste atroofia.
Seega on tänapäeval kunstliku gravitatsiooni loomine ülim alt tähtis ülesanne, ilma selle oskuseta on kosmoseuuringud lihts alt võimatu.
Materjalid
Isegi need, kes tunnevad füüsikat ainult kooli õppekava tasemel, mõistavad, et gravitatsioon on üks meie maailma põhiseadusi: kõik kehad suhtlevad üksteisega, kogedes vastastikust külgetõmmet/tõrjumist. Mida suurem on keha, seda suurem on selle külgetõmbejõud.
Maa on meie reaalsuse jaoks väga massiivne objekt. Seetõttu tõmbavad eranditult kõik teda ümbritsevad kehad selle poole.
Meie jaoks tähendab see vabalangemise kiirendust, mida tavaliselt mõõdetakse grammides, mis võrdub 9,8 meetriga ruutsekundi kohta. See tähendab, et kui meil poleks jalge all tuge, langeksime kiirusega, mis suureneb iga sekundiga 9,8 meetrit.
Seega, ainult tänu gravitatsioonile suudame normaalselt seista, kukkuda, süüa ja juua, mõista, kus on üleval, kus all. Kui gravitatsioon kaob, oleme gravitatsioonis nullis.
Astronaudid, kes satuvad kosmosesse hüppeliselt tõusvas olekus – vabalangemine on selle nähtusega eriti tuttavad.
Teoreetiliselt teavad teadlased, kuidas kunstlikku gravitatsiooni luua. Olemasmitu tehnikat.
Suur missa
Kõige loogilisem variant on teha kosmoselaev nii suureks, et sellel oleks kunstlik gravitatsioon. Laeval on võimalik end mugav alt tunda, kuna ruumis orienteerumine ei lähe kaotsi.
Kahjuks on see meetod tehnoloogia kaasaegse arengu juures ebareaalne. Sellise objekti ehitamine nõuab liiga palju ressursse. Lisaks kulub selle tõstmiseks uskumatult palju energiat.
Kiirustage
Tundub, et kui soovite saavutada g-d, mis on võrdne Maa omaga, peate lihts alt andma laevale tasase (platvormi) kuju ja panema selle soovitud kiirendusega tasapinnaga risti liikuma. Sel viisil saavutatakse kunstlik gravitatsioon ja ideaalne.
Tegelikkus on aga palju keerulisem.
Kõigepe alt tasub mõelda kütuseprobleemile. Selleks, et jaam pidev alt kiirendaks, on vajalik katkematu toiteallika olemasolu. Isegi kui ootamatult ilmub mootor, mis ainet välja ei paiska, jääb energia jäävuse seadus kehtima.
Teine probleem on pideva kiirenduse idee. Meie teadmiste ja füüsikaseaduste kohaselt on võimatu lõpmatuseni kiirendada.
Lisaks ei sobi sellised sõidukid uurimismissioonideks, kuna need peavad pidev alt kiirendama – lendama. Ta ei saa peatuda, et planeeti uurida, ta ei saa isegi aeglaselt selle ümber lennata – ta peab kiirendama.
NiiSeega saab selgeks, et selline kunstlik gravitatsioon pole meile veel kättesaadav.
Karussell
Kõik teavad, kuidas karusselli pöörlemine kehale mõjub. Seetõttu näib selle põhimõtte kohane tehisgravitatsiooniseade olevat kõige realistlikum.
Kõik, mis on karusselli läbimõõdus, kipub sellest välja kukkuma kiirusega, mis on ligikaudu võrdne pöörlemiskiirusega. Selgub, et kehale mõjub jõud, mis on suunatud mööda pöörleva objekti raadiust. See on väga sarnane gravitatsiooniga.
Niisiis, teil on vaja silindrilise kujuga laeva. Samal ajal peab see pöörlema ümber oma telje. Muide, selle põhimõtte järgi loodud tehisgravitatsiooni kosmoselaeval näidatakse sageli ulmefilmides.
Tünnikujuline laev, mis pöörleb ümber pikitelje, tekitab tsentrifugaaljõu, mille suund vastab objekti raadiusele. Saadud kiirenduse arvutamiseks peate jagama jõu massiga.
Inimestel, kes tunnevad füüsikat, ei ole seda raske arvutada: a=ω²R.
Selles valemis on arvutuse tulemuseks kiirendus, esimene muutuja on sõlme kiirus (mõõdetakse radiaanides sekundis), teine on raadius.
Selle järgi on tavalise g saamiseks vaja õigesti kombineerida kosmosetranspordi nurkkiirus ja raadius.
Seda probleemi käsitletakse sellistes filmides nagu "Intersol", "Babylon 5", "2001: A Space Odyssey" jms. Kõigil neil juhtudeltehisgravitatsioon on lähedal Maa vabalangemise kiirendusele.
Ükskõik kui hea idee ka poleks, on seda üsna raske teostada.
Karussellmeetodi probleemid
Kõige ilmsem probleem on esile tõstetud filmis A Space Odyssey. "Kosmosekandja" raadius on umbes 8 meetrit. Kiirenduse 9,8 saamiseks peab pöörlemine toimuma umbes 10,5 pööret minutis.
Nähtud väärtuste juures avaldub “Coriolise efekt”, mis seisneb selles, et erinevad jõud mõjuvad põrandast erineval kaugusel. See sõltub otseselt nurkkiirusest.
Selgub, et kosmoses tekib kunstlik gravitatsioon, kuid korpuse liiga kiire pöörlemine toob kaasa probleeme sisekõrvaga. See omakorda põhjustab tasakaaluhäireid, probleeme vestibulaaraparaadiga ja muid sarnaseid probleeme.
Selle barjääri tekkimine viitab sellele, et selline mudel on äärmiselt ebaõnnestunud.
Võite proovida minna vastupidiselt, nagu nad tegid romaanis "Maailma ring". Siin on laev valmistatud rõnga kujul, mille raadius on lähedane meie orbiidi raadiusele (umbes 150 miljonit km). Selle suuruse juures on selle pöörlemiskiirus piisav Coriolise efekti ignoreerimiseks.
Võite eeldada, et probleem on lahendatud, kuid see pole sugugi nii. Fakt on see, et selle struktuuri täielik pöörlemine ümber oma telje võtab 9 päeva. See võimaldab eeldada, et koormused on liiga suured. Selleks, etkonstruktsioon pidas neile vastu, vaja on väga tugevat materjali, mida meie käsutuses täna pole. Lisaks on probleemiks materjali hulk ja ehitusprotsess ise.
Sarnase teemaga mängudes, nagu filmis "Babylon 5", on need probleemid kuidagi lahendatud: pöörlemiskiirus on täiesti piisav, Coriolise efekt pole märkimisväärne, hüpoteetiliselt on sellist laeva võimalik luua.
Kuid isegi sellistel maailmadel on puudus. Tema nimi on momentum.
Ümber oma telje pöörlev laev muutub tohutuks güroskoopiks. Teatavasti on güroskoopi nurkhoo tõttu ülim alt keeruline teljelt kõrvale kalduda. On oluline, et selle kogus ei lahkuks süsteemist. See tähendab, et selle objekti jaoks on väga raske suunda määrata. Selle probleemi saab siiski lahendada.
Probleemi lahendamine
Kosmosejaama kunstlik gravitatsioon muutub kättesaadavaks, kui "O'Neilli silinder" tuleb appi. Selle disaini loomiseks on vaja identseid silindrilisi laevu, mis on ühendatud piki telge. Need peaksid pöörlema erinevates suundades. Selle kokkupaneku tulemuseks on nurkimment null, seega ei tohiks olla raskusi laevale soovitud suuna määramisega.
Kui on võimalik teha umbes 500 meetri raadiusega laev, siis see töötab täpselt nii nagu peab. Samal ajal on kunstlik gravitatsioon kosmoses üsna mugav ja sobib pikkadeks lendudeks laevadel või uurimisjaamades.
Kosmoseinsenerid
Kuidas luua kunstlikku gravitatsiooni, on mängu loojatele teada. Kuid selles fantaasiamaailmas pole gravitatsioon mitte kehade vastastikune külgetõmbejõud, vaid lineaarne jõud, mis on loodud objektide kiirendamiseks antud suunas. Atraktsioon pole siin absoluutne, see muutub allika ümbersuunamisel.
Kosmosejaama kunstlik gravitatsioon luuakse spetsiaalse generaatori abil. See on generaatori piirkonnas ühtlane ja samasuunaline. Nii et reaalses maailmas, kui teid tabab laev, millele on paigaldatud generaator, tõmmatakse teid laevakere külge. Kuid mängus kukub kangelane, kuni ta lahkub seadme perimeetrist.
Tänapäeval on sellise seadmega loodud tehisgravitatsioon kosmoses inimkonnale kättesaamatu. Kuid isegi hallipäine arendajad ei lakka sellest unistamast.
Sfääriline generaator
See on varustuse realistlikum versioon. Paigaldamisel on gravitatsioonil suund generaatori poole. See võimaldab luua jaama, mille gravitatsioon on võrdne planeedi omaga.
Tsentrifuug
Tänapäeval leidub kunstlikku gravitatsiooni Maal erinevates seadmetes. Need põhinevad suures osas inertsil, kuna seda jõudu tunneme sarnaselt gravitatsioonimõjudele – keha ei tee vahet, mis kiirenduse põhjustab. Näiteks: liftiga üles minev inimene kogeb inertsi mõju. Füüsiku pilgu läbi: lifti tõstmine lisab vabalangemise kiirendusele auto kiirenduse. Tagasi tulleskajutite mõõdetud liikumiseni "kaalutõus" kaob, naases tavapärased aistingud.
Teadlased on kunstliku gravitatsiooni vastu juba pikka aega huvi tundnud. Tsentrifuugi kasutatakse selleks otstarbeks kõige sagedamini. See meetod sobib mitte ainult kosmoselaevadele, vaid ka maapealsetele jaamadele, kus on vaja uurida gravitatsiooni mõju inimkehale.
Õppige Maa peal, kandideerige …
Kuigi gravitatsiooni uurimine sai alguse kosmosest, on see väga igapäevane teadus. Ka tänapäeval on selle valdkonna saavutused leidnud rakendust näiteks meditsiinis. Teades, kas planeedil on võimalik luua kunstlikku gravitatsiooni, saab seda kasutada motoorsete aparatuuri või närvisüsteemi probleemide lahendamiseks. Pealegi uuritakse seda jõudu peamiselt Maal. See võimaldab astronautidel teha eksperimente, jäädes samal ajal arstide tähelepanu alla. Teine asi on kunstlik gravitatsioon kosmoses, seal pole inimesi, kes aitaksid astronaute ettenägematu olukorra korral.
Arvestades täielikku kaaluta olekut, ei saa arvestada madalal Maa orbiidil olevat satelliiti. Neid objekte, kuigi vähesel määral, mõjutab gravitatsioon. Sellistel juhtudel tekkivat gravitatsioonijõudu nimetatakse mikrogravitatsiooniks. Tõelist gravitatsiooni kogetakse ainult kosmoses püsiva kiirusega lendavas aparaadis. Inimkeha seda erinevust aga ei tunne.
Võite kogeda kaaluta olekut kaugushüppe ajal (enne varikatuse avanemist) või lennuki paraboolsel laskumisel. Sellised katsedsageli lavastatud USA-s, kuid lennukis kestab see tunne vaid 40 sekundit – see on täieliku uurimuse jaoks liiga lühike.
NSVL-is teadsid nad 1973. aastal, kas kunstlikku gravitatsiooni on võimalik luua. Ja mitte ainult ei loonud seda, vaid ka muutis seda mingil moel. Gravitatsiooni kunstliku vähenemise ilmekas näide on kuivkümblus, keelekümblus. Soovitud efekti saavutamiseks peate veepinnale panema tiheda kile. Inimene asetatakse selle peale. Keha raskuse all keha vajub vee alla, üles jääb vaid pea. See mudel demonstreerib madalat gravitatsioonilist tuge, mida ookeanis leidub.
Ei ole vaja kosmosesse minna, et tunda kaaluta olemise vastupidise jõu – hüpergravitatsiooni – mõju. Kosmoselaeva õhkutõusmisel ja maandumisel tsentrifuugis ei saa te mitte ainult tunda ülekoormust, vaid ka seda uurida.
Gravitatsiooniravi
Gravitatsioonifüüsika uurib muu hulgas kaaluta oleku mõju inimkehale, püüdes selle tagajärgi minimeerida. Kuid paljud selle teaduse saavutused võivad olla kasulikud planeedi tavalistele elanikele.
Arstid panevad suuri lootusi lihasensüümide käitumise uurimisele müopaatia korral. See on tõsine haigus, mis viib varajase surmani.
Aktiivsete füüsiliste harjutustega satub terve inimese verre suur hulk ensüümi kreatinofosfokinaasi. Selle nähtuse põhjus pole selge, võib-olla mõjub koormus rakumembraanile nii, et see"perforeerib". Müopaatiaga patsiendid saavad sama efekti ilma treeninguta. Astronautide vaatlused näitavad, et kaaluta olekus väheneb oluliselt aktiivse ensüümi vool verre. See avastus viitab sellele, et keelekümbluse kasutamine vähendab müopaatiat põhjustavate tegurite negatiivset mõju. Hetkel on käimas loomkatsed.
Mõnede haiguste ravi toimub juba täna, kasutades gravitatsiooni, sealhulgas kunstlike, uuringutest saadud andmeid. Näiteks tserebraalparalüüsi, insuldi, Parkinsoni tõbe ravitakse koormaülikonnaga. Toe positiivse mõju uurimine – pneumaatiline jalats on peaaegu valmis.
Kas lendame Marsile?
Astronautide viimased saavutused annavad lootust projekti tõelisusele. On kogemusi arstiabi andmisest inimesele pikaajalisel Maast eemalviibimisel. Palju kasu on toonud ka uurimislennud Kuule, millel raskusjõud on meie omast 6 korda väiksem. Nüüd seavad astronaudid ja teadlased endale uue eesmärgi – Marsi.
Enne Punase Planeedi pileti järjekorda asumist peaksite teadma, mida keha ootab juba töö esimeses etapis – teel. Keskmiselt kulub tee kõrbeplaneedile poolteist aastat – umbes 500 päeva. Teel peate lootma ainult oma jõule, abi pole lihts alt kuskilt oodata.
Tugevust kahjustavad paljud tegurid: stress, kiirgus, magnetvälja puudumine. Keha jaoks on kõige olulisem proovikivi gravitatsiooni muutus. Rännakul inimene "tutvub".mitu raskusastet. Esiteks on need ülekoormused õhkutõusmisel. Siis - kaaluta olek lennu ajal. Pärast seda hüpogravitatsioon sihtkohas, kuna gravitatsioon Marsil on väiksem kui 40% Maast.
Kuidas tulla toime kaaluta oleku negatiivsete mõjudega pikal lennul? Loodetakse, et arengud tehisgravitatsiooni loomise vallas aitavad seda probleemi lähiajal lahendada. Katsed Kosmos-936 peal reisivate rottidega näitavad, et see tehnika ei lahenda kõiki probleeme.
OS-i kogemus on näidanud, et treeningkomplekside kasutamine, mis suudavad määrata iga astronaudi jaoks eraldi vajaliku koormuse, võib tuua kehale palju rohkem kasu.
Siiani arvatakse, et Marsile ei lenda mitte ainult teadlased, vaid ka turistid, kes soovivad Punasele planeedile kolooniat rajada. Nende jaoks kaaluvad kaaluta olemise aistingud vähem alt esialgu üles kõik arstide argumendid selliste tingimustega pikaajalise kokkupuute ohtude kohta. Kuid nad vajavad abi ka mõne nädala pärast, mistõttu on nii oluline leida viis kosmoselaeva tehisgravitatsiooni loomiseks.
Tulemused
Milliseid järeldusi saab teha tehisgravitatsiooni loomise kohta kosmoses?
Kõikidest praegu kaalutavatest valikutest näeb pöörlev struktuur välja kõige realistlikum. Praeguste füüsikaseaduste mõistmise juures on see aga võimatu, kuna laev ei ole õõnes silinder. Selle sees on kattumisi, mis segavad ideede elluviimist.
Lisaks peaks laeva raadius olema sellinesuur, nii et Coriolise efektil ei oleks märkimisväärset mõju.
Sellise asja juhtimiseks vajate ülalmainitud O'Neilli silindrit, mis annab teile võimaluse laeva juhtida. Sel juhul suureneb võimalus kasutada sarnast konstruktsiooni planeetidevahelistel lendudel, tagades meeskonnale mugava gravitatsioonitaseme.
Enne kui inimkonnal õnnestub oma unistused teoks teha, tahaksin ulmes näha veidi rohkem realismi ja veelgi rohkem teadmisi füüsikaseaduste kohta.
