Kako je stvorena umjetna bestežinska težina na Zemlji za obuku astronauta?

1. Ukrcavaju astronaute u avion i podižu ga na nevjerovatnu visinu, a onda se avion naglo spušta i rezultat je bestežinsko stanje.
2. vrlo jednostavno=pasti sa avionom sa 15.000 metara na 3.000 na specijalno preuređenom Tu-134=-drugi jednostavno ne mogu da izdrže=zato ja lično biram samo one kompanije koje lete upravo ovako...
3. Avion mora da leti po paraboličnoj putanji - bestežinsko stanje se stvara 30 sekundi...
4. U praksi se u zemaljskim uslovima posmatra stanje bestežinskog stanja:

   u kulama nulte gravitacije (visoke strukture unutar kojih slobodno padaju kontejneri sa istraživačkom opremom);
   u avionima koji se kreću posebnim putanjama (Kepler slajdovi);
   pomoću sondažnih raketa koje se uzdižu u razrijeđene slojeve atmosfere, nakon čega im se gase motori i oni odlaze u slobodan pad.
   Drugi način postizanja bestežinskog stanja u zemaljskim uslovima je uranjanje, odnosno uranjanje tela u tečnost čija je gustina jednaka gustini tela. U ovom slučaju, težina tijela je uravnotežena Arhimedovom silom, tijelo postaje bestežinsko, stječući sposobnost slobodnog kretanja u bilo kojem smjeru. Upravo tako treniraju kosmonauti u Centru za obuku kosmonauta. Yu A. Gagarin za rad na svemirskim stanicama. Međutim, potrebno je imati na umu da se hidrobeztežina razlikuje od pravog bestežinskog stanja, prvenstveno po postojanju otpora koji ljudsko tijelo ima. vodeno okruženje.

   Specifičan model stanja bestežinskog stanja može biti određeni položaj ljudskog tijela u krevetu, u kojem se gornji dio tijela nalazi ispod horizontalne linije - takozvani antiortostatski položaj. U posebno provedenim eksperimentima, ugao nagiba tijela u položaju glave prema dolje varirao je od 4 do -30°. Ispostavilo se da što je veća sklonost, to je jači efekat zemaljske bestežinske težine. Istraživači su zaključili da 15-minutni boravak osobe pod uglom od -30? može se koristiti kao test izdržljivosti u bestežinskom stanju.

5. Na tlu su bazeni u kojima uvježbavaju rad u svemiru u svemirskim odijelima. U avionu koji pada na vrhuncu, postoji nekoliko sekundi bestežinskog stanja, isto za trening.
6. Ovo će biti kreirano na simulatoru aviona, a bestežinsko stanje će trajati otprilike 3-5 minuta.
   http://www.atlasaerospace.net/zgrav.htm - pogledajte ovdje
7. na posebnoj ravni se podiže, zatim naglo pada i u avionu se za kratko vrijeme stvara bestežinsko stanje. ali uglavnom treniraju pod vodom sa opremom za ronjenje
8. Naglim spuštanjem aviona stvoriće se bestežinsko stanje
9. Novi simulator, Antigravitator, kreiran u Centru za izgradnju simulatora i obuku osoblja, omogućava vam da dizajnirate bestežinsko stanje.
   Složeni simulator vanvoznih aktivnosti razvijen u Centru za izgradnju simulatora i obuku osoblja koristi kompjutersko-elektronsko-elektromehanički princip stvaranja prostora bez oslonca i smanjene gravitacije (betežinski). U njemu tehnička rješenja upotreba mišićnih napora od strane astronauta svedena je na minimum, na primjer, za pomicanje simulatorskog mosta i njegovog nosača. Simulator osigurava oštro smanjenje napora kosmonauta pri prenošenju tereta, kontrolu i stvaranje uslova za kretanje u šest stupnjeva slobode. Parametri koji su postavljeni na simulatoru omogućavaju vam da simulirate stepen gravitacije i stvorite uslove bilo kojeg svemirskog okruženja.
   Može se pretpostaviti da je riječ o vrsti egzoskeleta.

Uslovi bestežinskog stanja, reprodukovani na laboratorijskom avionu, najbliži su uslovima stvarnog svemirskog leta i omogućavaju da se većina operacija izvede u vremenskim intervalima zadate vrednosti - 25-30 sekundi. U periodu od 1967. do 1979. godine takvi letovi su izvedeni na laboratorijskim avionima Tu-104A. Od 1980. godine do danas, letovi bez gravitacije obavljaju se laboratorijskim avionima IL-76 MDK.

Letovi bez gravitacije odvijaju se duž putanje koja se zove Keplerova parabola. Stoga se često nazivaju „paraboličnim“. Metodologija za izvođenje ovakvih letova pilota laboratorijskih aviona je pažljivo razrađena. Parabolični letovi se izvode na sljedeći način. U zoni leta avion leti horizontalno na visini od šest hiljada metara. Tada avion ubrzava da se popne pod uglom od 45 stepeni. U zakrivljenom letu, svi u avionu su podložni preopterećenjima do 2g. Ovaj osjećaj težine ne traje dugo - oko 15 sekundi, dok se avion penje. Na visini od devet hiljada metara, pilot gotovo u potpunosti uklanja potisak motora, a avion nastavlja da leti po inerciji. Čim joj sila inercije, suprotnog smjera od sile gravitacije, postane jednaka po veličini, tada sila gravitacije unutar kabine laboratorijskog zrakoplova postaje jednaka nuli. Dakle, težina ljudi i opreme unutar aviona je nula, a oni su u bestežinskom stanju. Ovo se dešava na vrhu Keplerove parabole. Tada pilot otpušta volan i avion počinje naglo spuštanje pri minimalnom potisku motora. Spuštanje se odvija pod istim uglom kao i uspon. Nulta gravitacija može trajati 22-28 sekundi u zavisnosti od uslova leta. Nakon ovog vremenskog perioda, posada maksimizira potisak motora i pokreće vozilo u horizontalni let na visini od šest hiljada metara.

Čak je i osoba koju svemir ne zanima barem jednom pogledala film o svemirskim putovanjima ili pročitala o takvim stvarima u knjigama. U skoro svim ovakvim radovima ljudi hodaju po brodu, spavaju normalno i nemaju problema s jelom. To znači da ovi - izmišljeni - brodovi imaju umjetnu gravitaciju. Većina gledatelja ovo doživljava kao nešto sasvim prirodno, ali to uopće nije tako.

Umjetna gravitacija

Ovo je naziv za promjenu (u bilo kojem smjeru) gravitacije na koju smo navikli primjenom na razne načine. I to se radi ne samo u fantastični radovi, ali i u vrlo stvarnim zemaljskim situacijama, najčešće za eksperimente.

U teoriji, stvaranje umjetne gravitacije ne izgleda tako teško. Na primjer, može se ponovo stvoriti pomoću inercije, tačnije, potreba za ovom silom nije se pojavila jučer - to se dogodilo odmah, čim je osoba počela sanjati o dugotrajnim svemirskim letovima. Stvaranje umjetne gravitacije u svemiru omogućit će izbjegavanje mnogih problema koji nastaju tokom dužih perioda bestežinskog stanja. Mišići astronauta slabe, a kosti postaju manje jake. Putovanje u takvim uslovima mjesecima može uzrokovati atrofiju nekih mišića.

Stoga je danas stvaranje umjetne gravitacije zadatak od najveće važnosti, bez ove vještine jednostavno je nemoguće.

Materijal

Čak i oni koji poznaju fiziku samo na nivou školski program, shvatite da je gravitacija jedan od osnovnih zakona našeg svijeta: sva tijela međusobno djeluju, doživljavajući međusobnu privlačnost/odbijanje. Što je tijelo veće, to je veća njegova gravitacijska sila.

Zemlja je za našu stvarnost veoma masivan objekat. Zato je privlače sva tijela oko nje, bez izuzetka.

Za nas to znači, koje se obično mjeri u g, jednako 9,8 metara po kvadratnoj sekundi. To znači da bismo bez oslonca pod nogama pali brzinom koja se svake sekunde povećava za 9,8 metara.

Dakle, samo zahvaljujući gravitaciji možemo normalno stajati, pasti, jesti i piti, razumjeti gdje je gore, a gdje dolje. Ako gravitacija nestane, naći ćemo se u bestežinskom stanju.

Kosmonauti koji se nađu u svemiru u stanju letenja - slobodnog pada - posebno su upoznati sa ovim fenomenom.

Teoretski, naučnici znaju kako stvoriti umjetnu gravitaciju. Postoji nekoliko metoda.

Velika masa

Najlogičnija opcija je učiniti ga toliko velikim da se na njemu pojavi umjetna gravitacija. Na brodu ćete se moći osjećati ugodno, jer se orijentacija u prostoru neće izgubiti.

Nažalost, ova metoda je nerealna s razvojem moderne tehnologije. Za izgradnju takvog objekta potrebno je previše resursa. Osim toga, njegovo podizanje zahtijevalo bi nevjerovatnu količinu energije.

Ubrzanje

Čini se da ako želite postići g jednak onome na Zemlji, samo trebate dati brodu ravan (platformski) oblik i natjerati ga da se kreće okomito na ravninu s potrebnim ubrzanjem. Na taj način će se dobiti vještačka gravitacija, i to idealna gravitacija.

Međutim, u stvarnosti je sve mnogo komplikovanije.

Prije svega, vrijedi razmotriti pitanje goriva. Da bi stanica stalno ubrzavala, potrebno je imati neprekidno napajanje. Čak i ako se iznenada pojavi motor koji ne izbacuje materiju, zakon održanja energije će ostati na snazi.

Drugi problem je sama ideja stalnog ubrzanja. Prema našem znanju i fizičkim zakonima, nemoguće je ubrzavati u nedogled.

Osim toga, takvo vozilo nije prikladno za istraživačke misije, jer mora stalno ubrzavati - letjeti. Neće moći da stane da bi proučavao planetu, neće moći čak ni da je polako obleti – mora da ubrza.

Dakle, postaje jasno da nam takva umjetna gravitacija još nije dostupna.

Carousel

Svi znaju kako rotacija vrtuljka utječe na tijelo. Stoga se čini da je uređaj s umjetnom gravitacijom zasnovan na ovom principu najrealniji.

Sve što je unutar prečnika vrtuljka teži da ispadne iz njega brzinom približno jednakom brzini rotacije. Ispostavilo se da na tijela djeluje sila usmjerena duž polumjera rotirajućeg objekta. Vrlo je sličan gravitaciji.

Dakle, potreban je brod cilindričnog oblika. Istovremeno, mora se rotirati oko svoje ose. Inače, umjetna gravitacija na svemirskom brodu, stvorena po ovom principu, često se demonstrira u naučnofantastičnim filmovima.

Brod u obliku bačve, rotirajući oko svoje uzdužne ose, stvara centrifugalnu silu čiji smjer odgovara polumjeru objekta. Da biste izračunali rezultirajuće ubrzanje, morate podijeliti silu s masom.

U ovoj formuli, rezultat proračuna je ubrzanje, prva varijabla je čvorna brzina (mjerena u radijanima u sekundi), druga je radijus.

Prema tome, da bismo dobili g na koji smo navikli, potrebno je pravilno kombinirati radijus svemirskog transporta.

Sličan problem naglašen je u filmovima kao što su Intersolah, Babilon 5, 2001: Odiseja u svemiru i sl. U svim ovim slučajevima, umjetna gravitacija je bliska Zemljinom ubrzanju zbog gravitacije.

Koliko god ideja bila dobra, prilično ju je teško realizirati.

Problemi sa metodom vrteške

Najočigledniji problem je naglašen u Odiseji u svemiru. Radijus "svemirskog nosača" je oko 8 metara. Da bi se dobilo ubrzanje od 9,8, rotacija se mora odvijati brzinom od približno 10,5 okretaja svake minute.

Na ovim vrijednostima pojavljuje se "Coriolisov efekat", koji se sastoji u tome da različite sile djeluju na različitim udaljenostima od poda. To direktno zavisi od ugaone brzine.

Ispostavilo se da će se u svemiru stvoriti umjetna gravitacija, ali prebrzo rotiranje tijela će dovesti do problema s unutrašnjim uhom. To pak uzrokuje poremećaj ravnoteže, probleme s vestibularnim aparatom i druge - slične - poteškoće.

Pojava ove prepreke sugerira da je takav model krajnje neuspješan.

Možete pokušati ići od suprotnog, kao što su to učinili u romanu “Svijet prstenova”. Ovdje je brod napravljen u obliku prstena, čiji je polumjer blizak poluprečniku naše orbite (oko 150 miliona km). Na ovoj veličini, njegova brzina rotacije je dovoljna da zanemari Coriolisov efekat.

Možete pretpostaviti da je problem riješen, ali to uopće nije slučaj. Činjenica je da puna revolucija ove strukture oko svoje ose traje 9 dana. To sugerira da će opterećenja biti prevelika. Da bi ih konstrukcija izdržala potreban je vrlo čvrst materijal kojim danas nemamo na raspolaganju. Uz to, problem je i količina materijala i sam proces izgradnje.

U igricama slične tematike, kao u filmu "Babylon 5", ovi problemi su nekako riješeni: brzina rotacije je sasvim dovoljna, Coriolisov efekat nije značajan, hipotetički je moguće napraviti takav brod.

Međutim, čak i takvi svjetovi imaju nedostatak. Njegovo ime je ugaoni moment.

Brod se, rotirajući oko svoje ose, pretvara u ogroman žiroskop. Kao što znate, izuzetno je teško natjerati žiroskop da odstupi od svoje ose zbog činjenice da je važno da njegova količina ne napusti sistem. To znači da će biti vrlo teško dati smjer ovom objektu. Međutim, ovaj problem se može riješiti.

Rješenje

Umjetna gravitacija na svemirskoj stanici postaje dostupna kada O'Neill cilindar priskoči u pomoć. Za izradu ovog dizajna potrebni su identični cilindrični brodovi, koji su povezani duž osi. Trebali bi se rotirati u različitim smjerovima. Rezultat takvog sklopa je nula ugaonog momenta, tako da ne bi trebalo biti poteškoća u davanju broda u traženom smjeru.

Ako je moguće napraviti brod sa radijusom od oko 500 metara, onda će raditi tačno kako treba. Istovremeno, umjetna gravitacija u svemiru bit će prilično udobna i pogodna za duge letove na brodovima ili istraživačkim stanicama.

Space Engineers

Kreatori igre znaju kako stvoriti umjetnu gravitaciju. Međutim, u ovom svijetu mašte, gravitacija nije uzajamno privlačenje tijela, već linearna sila dizajnirana da ubrza objekte u datom smjeru. Privlačnost ovdje nije apsolutna, ona se mijenja kada se izvor preusmjeri.

Umjetna gravitacija na svemirskoj stanici se stvara korištenjem posebnog generatora. Ujednačen je i jednakosmjeran u opsegu generatora. Dakle, unutra stvarnom svijetu, da ste ušli ispod broda koji ima instaliran generator, povukli bi vas prema trupu. Međutim, u igri će heroj pasti sve dok ne napusti perimetar uređaja.

Danas je čovječanstvu nedostupna umjetna gravitacija u svemiru stvorena takvim uređajem. Međutim, čak ni sjedokosi programeri ne prestaju sanjati o tome.

Sferni generator

Ovo je realističnija opcija opreme. Kada je instaliran, gravitacija je usmjerena prema generatoru. To omogućava stvaranje stanice čija će gravitacija biti jednaka planetarnoj.

Centrifuga

Danas se umjetna gravitacija na Zemlji nalazi u raznim uređajima. Oni se uglavnom zasnivaju na inerciji, jer tu silu osjećamo na sličan način kao i gravitacijski utjecaj - tijelo ne razlikuje koji uzrok uzrokuje ubrzanje. Na primjer: osoba koja se penje u liftu doživljava utjecaj inercije. Očima fizičara: podizanje lifta dodaje ubrzanje kabine ubrzanju slobodnog pada. Kada se kabina vrati u izmjereno kretanje, "dobitak" u težini nestaje, vraćajući uobičajene senzacije.

Naučnici su dugo bili zainteresovani za veštačku gravitaciju. U te svrhe najčešće se koristi centrifuga. Ova metoda je pogodna ne samo za svemirski brodovi, ali i za zemaljske stanice gdje je potrebno proučavati efekte gravitacije na ljudski organizam.

Učite na Zemlji, prijavite se u...

Iako je proučavanje gravitacije počelo u svemiru, to je vrlo zemaljska nauka. I danas je napredak u ovoj oblasti našao svoju primjenu, na primjer, u medicini. Znajući da li je moguće stvoriti umjetnu gravitaciju na planeti, ona se može koristiti za liječenje problema s mišićno-koštanim ili nervnim sistemom. Štaviše, proučavanje ove sile provodi se prvenstveno na Zemlji. To omogućava astronautima da sprovode eksperimente dok su pod strogom pažnjom lekara. Umjetna gravitacija u svemiru je druga stvar, tamo nema ljudi koji mogu pomoći astronautima u slučaju nepredviđene situacije.

Imajući u vidu potpunu bestežinsko stanje, ne može se uzeti u obzir satelit koji se nalazi u niskoj orbiti Zemlje. Na ove objekte, iako u maloj mjeri, utječe gravitacija. Sila gravitacije koja nastaje u takvim slučajevima naziva se mikrogravitacija. Prava gravitacija se doživljava samo u vozilu koje leti konstantnom brzinom u svemiru. Međutim, ljudsko tijelo ne osjeća ovu razliku.

Možete doživjeti bestežinsko stanje tokom skoka u dalj (prije nego što se nadstrešnica otvori) ili tokom paraboličnog spuštanja aviona. Takvi eksperimenti se često izvode u SAD-u, ali u avionu ovaj osjećaj traje samo 40 sekundi - ovo je prekratko za potpunu studiju.

U SSSR-u su još 1973. znali da li je moguće stvoriti umjetnu gravitaciju. I ne samo da su ga stvorili, već su ga i na neki način promijenili. Upečatljiv primjer umjetno smanjenje gravitacije - suho uranjanje, uranjanje. Da biste postigli željeni efekat, potrebno je postaviti debeli film na površinu vode. Osoba je postavljena na njega. Pod težinom tijela tijelo tone pod vodom, ostavljajući samo glavu na vrhu. Ovaj model pokazuje okruženje niske gravitacije bez podrške koje karakteriše okean.

Nema potrebe ići u svemir da biste iskusili suprotnu silu bestežinskog stanja - hipergravitaciju. Kada svemirska letjelica poleti i sleti u centrifugu, preopterećenje se ne može samo osjetiti, već i proučavati.

Tretman gravitacijom

Gravitaciona fizika takođe proučava efekte bestežinskog stanja na ljudsko telo, pokušavajući da minimizira posledice. kako god veliki broj Dostignuća ove nauke mogu biti korisna i običnim stanovnicima planete.

Doktori polažu velike nade u istraživanje ponašanja mišićnih enzima kod miopatije. Ovo je ozbiljna bolest koja vodi do rane smrti.

Tokom aktivne fizičke aktivnosti krv zdrava osoba isporučuje se velika količina enzima kreatin fosfokinaze. Razlog za ovu pojavu je nejasan, možda opterećenje utječe na ćelijsku membranu na takav način da ona postaje „rupasta“. Pacijenti s miopatijom imaju isti učinak bez vježbanja. Promatranja astronauta pokazuju da je u bestežinskom stanju protok aktivnog enzima u krv značajno smanjen. Ovo otkriće sugerira da će se upotreba potapanja smanjiti negativan uticaj faktori koji dovode do miopatije. IN ovog trenutka provode se eksperimenti na životinjama.

Liječenje nekih bolesti se već provodi korištenjem podataka dobivenih proučavanjem gravitacije, uključujući i umjetnu gravitaciju. Na primjer, liječenje cerebralne paralize, moždanog udara i Parkinsonove bolesti provodi se korištenjem odijela za stres. Istraživanje pozitivnih efekata potpore, pneumatske cipele, skoro je završeno.

Hoćemo li letjeti na Mars?

Najnovija dostignuća astronauta daju nadu u realnost projekta. Postoji iskustvo u pružanju medicinske podrške osobi tokom dugog boravka daleko od Zemlje. Istraživački letovi na Mjesec, čija je gravitacijska sila 6 puta manja od naše, također su donijeli mnogo koristi. Sada astronauti i naučnici sebi postavljaju novi cilj - Mars.

Prije nego što stanete u red za kartu za Crvenu planetu, trebali biste znati šta čeka tijelo već u prvoj fazi rada - na putu. U prosjeku, put do pustinjske planete trajat će godinu i po dana - oko 500 dana. Na putu ćete se morati osloniti samo na vlastite snage; jednostavno nema gdje čekati pomoć.

Mnogi faktori će potkopati vašu snagu: stres, zračenje, nedostatak magnetsko polje. Najvažniji test za tijelo je promjena gravitacije. Tokom putovanja, osoba će se „upoznati“ sa nekoliko nivoa gravitacije. Prije svega, to su preopterećenja prilikom polijetanja. Zatim - bestežinsko stanje tokom leta. Nakon ovoga - hipogravitacija na odredištu, pošto je gravitacija na Marsu manja od 40% Zemljine.

Kako se nosite s negativnim efektima bestežinskog stanja na dugom letu? Nadamo se da će razvoj u oblasti umjetne gravitacije pomoći u rješavanju ovog problema u bliskoj budućnosti. Eksperimenti na pacovima koji putuju na Cosmos 936 pokazuju da ova tehnika ne rješava sve probleme.

Iskustvo OS je pokazalo da korištenje kompleksa za obuku koji mogu odrediti potrebno opterećenje za svakog astronauta pojedinačno može donijeti mnogo veće koristi za tijelo.

Za sada se veruje da na Mars neće leteti samo istraživači, već i turisti koji žele da osnuju koloniju na Crvenoj planeti. Za njih će, barem po prvi put, osjećaji u bestežinskom stanju nadjačati sve argumente ljekara o opasnostima dužeg boravka u takvim uslovima. Međutim, za nekoliko sedmica i njima će biti potrebna pomoć, zbog čega je toliko važno pronaći način za stvaranje umjetne gravitacije na svemirskom brodu.

Rezultati

Koji se zaključci mogu izvući o stvaranju umjetne gravitacije u svemiru?

Među svim opcijama koje se trenutno razmatraju, rotirajuća struktura izgleda najrealnije. Međutim, sa trenutnim razumijevanjem fizičkih zakona, to je nemoguće, jer brod nije šuplji cilindar. Unutra postoje preklapanja koja ometaju implementaciju ideja.

Osim toga, radijus broda mora biti toliko velik da Coriolisov efekat nema značajan učinak.

Da biste kontrolirali nešto poput ovoga, potreban vam je gore spomenuti O'Neill cilindar, koji će vam dati mogućnost upravljanja brodom. U ovom slučaju povećavaju se šanse za korištenje takvog dizajna za međuplanetarne letove, dok se posadi pruža udoban nivo gravitacije.

Prije nego što čovječanstvo uspije ostvariti svoje snove, želio bih vidjeti malo više realizma i više više znanja zakone fizike.

Genady Brazhnik, 23. april 2011
Gledajući u svijet, otvori oči... (starogrčki ep)
Kako stvoriti umjetnu gravitaciju?
Pedeseta godišnjica istraživanja svemira, koja se obilježava ove godine, pokazala je ogroman potencijal ljudske inteligencije u razumijevanju okolnog svemira. Međunarodna svemirska stanica (ISS) - s posadom orbitalna stanica- zajednički međunarodni projekat u kojem učestvuju 23 zemlje,
uvjerljivo dokazuje interes nacionalnih programa za razvoj kako bliže tako i dalje vanjski prostor. Ovo se odnosi i na naučnu, tehničku i komercijalnu stranu pitanja koje se razmatra. Istovremeno, glavno pitanje koje stoji na putu masovnog istraživanja svemira je problem bestežinskog stanja ili odsustva gravitacije na postojećim svemirskim objektima. "Gravitacija ( univerzalna gravitacija, gravitacija) je univerzalna fundamentalna interakcija između svih materijalnih tijela. U aproksimaciji malih brzina i slabe gravitacione interakcije, opisana je Newtonovom teorijom gravitacije, u opštem slučaju opisana je Ajnštajnovom opštom teorijom relativnosti" - ovo je definicija koju daje moderna nauka ovaj fenomen. Priroda gravitacije trenutno je nejasna. Teorijski razvoj u okviru različitih gravitacionih teorija ne nalazi svoju eksperimentalnu potvrdu, što ukazuje na prerano odobravanje naučne paradigme o prirodi gravitacione interakcije, kao jedne od četiri fundamentalne interakcije. U skladu sa Newtonovom teorijom gravitacije, gravitaciona sila Zemljinog privlačenja određena je izrazom F=m x g, gdje je m masa tijela, a g ubrzanje gravitacije. „Ubrzanje gravitacije g je ubrzanje koje tijelu u vakuumu daje sila gravitacije, odnosno geometrijski zbir gravitacionog privlačenja planete (ili drugog astronomskog tijela) i inercijskih sila uzrokovanih njegovom rotacijom. U skladu sa drugim Newtonovim zakonom, ubrzanje gravitacije je jednako sili gravitacije, jedinične mase koja djeluje na objekt standardna („normalna“) vrijednost usvojena pri izgradnji sistema jedinica je g = 9,80665 m/s╡, au tehničkim proračunima se obično uzima g = 9,81 m/s╡. Vrijednost g je u nekom smislu definirana kao "prosječno" ubrzanje zbog gravitacije na Zemlji, približno jednako ubrzanju zbog gravitacije na geografskoj širini 45,5° na nivou mora zavisi od geografske širine, doba dana i drugih faktora. Ona varira od 9,780 m/s╡ na ekvatoru do 9,832 m/s╡ na polovima." Ova naučna nesigurnost također postavlja niz pitanja vezanih za gravitacijsku konstantu u Opća teorija relativnost. Da li je to toliko konstantno ako pod uslovima gravitacije imamo toliki raspršivanje parametara. Glavni argumenti gotovo svih gravitacionih teorija su sljedeći: „Gravitacijsko ubrzanje se sastoji od dvije komponente: gravitacijskog ubrzanja i centripetalnog ubrzanja zbog: centripetalnog ubrzanja u referentnom okviru koji je povezan s nepreciznošću formule činjenica da je masa planete raspoređena po zapremini koja ima geometrijski oblik različit od idealne sfere (geoida), heterogenost Zemlje, koja se koristi za traženje minerala gravitacionim anomalijama." Na prvi pogled, ovo su prilično uvjerljivi argumenti. Sa više detaljno razmatranje, postaje očigledno da ovi argumenti ne objašnjavaju fizičke prirode fenomeni. U Zemljinom referentnom okviru povezanom sa centripetalnim ubrzanjem u svakom geografska tačka nalaze se sve komponente mjerenja ubrzanja slobodnog pada. Dakle, i objekt mjerenja i oprema koja se mjeri podliježu istom utjecaju, uključujući raspoređenu masu Zemlje i gravitacijske anomalije. Stoga bi rezultat mjerenja trebao biti konstantan, ali to nije slučaj. Osim toga, nesigurnost situacije uzrokovana je i teorijskim izračunatim vrijednostima ubrzanja slobodnog pada na visini leta ISS - g=8,8 m/s(2). Stvarna vrijednost lokalne gravitacije na ISS-u određena je u rasponu od 10(−3)...10(−1) g, što određuje bestežinsko stanje. Izjave da se ISS kreće iz prve brzina bijega i nalazi se u stanju slobodnog pada. Šta je onda sa geostacionarnim satelitima? Pri ovoj izračunatoj vrijednosti g, oni bi odavno pali na Zemlju. Osim toga, masa bilo kojeg tijela može se definirati kao kvantitativna i kvalitativna karakteristika vlastitog električnog naboja. Sva ova razmatranja dovode do zaključka da priroda Zemljine gravitacije ne zavisi od omjera masa objekata u interakciji, već je određena Kulonovskim silama električne interakcije Zemljinog gravitacionog polja. Ako letimo u horizontalnom letu na avionu, na visini od deset km, onda su zakoni gravitacije u potpunosti zadovoljeni, ali tokom istog leta na ISS-u na visini od 350 km, gravitacije praktički nema. To znači da unutar ovih visina postoji mehanizam koji omogućava da se gravitacija odredi kao sila interakcije materijalnih tijela. A vrijednost ove sile određena je Newtonovim zakonom. Za osobu tešku 100 kg, sila gravitacije na nivou tla, isključujući atmosferski pritisak, trebala bi biti F = 100 x 9,8 = 980 N. U skladu sa postojećim podacima, Zemljina atmosfera je električki nehomogena struktura, čije je slojevitost određeno jonosferom. “Jonosfera (ili termosfera) je dio gornjeg sloja Zemljine atmosfere koji je visoko ioniziran zbog zračenja kosmičkim zracima koji dolaze prvenstveno sa Sunca. Jonosfera se sastoji od mješavine neutralnih atoma i molekula (uglavnom dušika N2). kiseonika O2) i kvazineutralne plazme (broj negativno naelektrisanih čestica je samo približno jednak broju pozitivno naelektrisanih). gustina nabijenih čestica N, slojevi D, E i F se razlikuju u jonosferi. −3 - ovo je područje slabe jonizacije zrake, kao i energetske čestice magnetosfere (unesene u ovaj sloj tokom magnetnih oluja). Sloj D takođe karakteriše naglo smanjenje stepena jonizacije noću. Sloj E Region E (90-120 km) karakteriziraju gustine plazme do Nmax~ 10(5) cm−3. U ovom sloju se uočava povećanje koncentracije elektrona tokom dana, jer je glavni izvor jonizacije sunčevo kratkotalasno zračenje, a takođe i rekombinacija jona u ovom sloju. sloj ide vrlo brzo i noću gustina jona može pasti na 10(3) cm−3. Ovom procesu se suprotstavlja difuzija naelektrisanja iz oblasti F, koja se nalazi iznad, gde je koncentracija jona relativno visoka, i noćni izvori jonizacije (geokoronsko zračenje Sunca, meteori, kosmičke zrake itd.). Sporadično, na visinama od 100-110 km, pojavljuje se ES sloj, vrlo tanak (0,5-1 km), ali gust. Karakteristika ovog podsloja je visoka koncentracija elektrona (ne~10(5) cm−3), koji imaju značajan uticaj na širenje srednjih, pa čak i kratkih radio talasa reflektovanih iz ovog područja jonosfere. Sloj E, zbog relativno visoke koncentracije slobodnih nosilaca struje, svira važnu ulogu u širenju srednjih i kratkih talasa. Sloj F Region F sada se naziva čitava jonosfera iznad 130-140 km. Maksimalno stvaranje jona postiže se na visinama od 150-200 km. Tokom dana, uočava se i formiranje „stepenice“ u distribuciji elektrona uzrokovane snažnim sunčevim ultraljubičastim zračenjem kratki radio talasi Gornji deo sloja F do 400 km se naziva slojem F2 prevladavaju joni kiseonika (na nadmorskoj visini od 400-1000 km), a još više - ioni vodonika (protoni) i u malim količinama - joni helija." Dvije glavne moderne teorije o atmosferskom elektricitetu stvorile su sredinom dvadesetog vijeka engleski naučnik Charles Wilson i sovjetski naučnik Ya. I. Frenkel. Prema Wilsonovoj teoriji, Zemlja i jonosfera igraju ulogu ploča kondenzatora napunjenog grmljavinskim oblacima. Razlika potencijala koja nastaje između ploča dovodi do pojave električnog polja u atmosferi. Prema Frenkelovoj teoriji, električno polje atmosfere se u potpunosti objašnjava električnim pojavama koje se dešavaju u troposferi – polarizacijom oblaka i njihovom interakcijom sa Zemljom, a jonosfera ne igra značajnu ulogu u toku atmosferskih električnih procesa. Uopštavanje ovih teorijskih koncepata električne interakcije u atmosferi podrazumijeva razmatranje pitanja Zemljine gravitacije sa stanovišta elektrostatike. Na osnovu gore navedenih općepoznatih činjenica moguće je odrediti vrijednosti gravitacijske električne interakcije materijalnih tijela u uvjetima gravitacije. Da biste to učinili, razmotrite sljedeći model. Bilo koje tijelo materijalne energije, koje se nalazi u električnom polju, izvršit će određenu Kulonovu interakciju. U zavisnosti od unutrašnja organizacija električnog naboja, ili će biti privučen jednom od električnih polova, ili će biti u stanju ravnoteže unutar ovog polja. Stepen električnog naboja svakog tijela određen je njegovom vlastitom koncentracijom slobodnih elektrona (kod ljudi, koncentracija crvenih krvnih zrnaca). Tada se model gravitacijske interakcije Zemljine privlačnosti može predstaviti u obliku sfernog kondenzatora koji se sastoji od dvije koncentrične šuplje sfere, čiji su polumjeri određeni radijusom Zemlje i visinom jonosferskog sloja F2. U ovom električnom polju postoji osoba ili drugo materijalno tijelo. Električni naboj Zemljine površine je negativan, jonosfera je pozitivna u odnosu na Zemlju. Električni naboj osobe u odnosu na površinu Zemlje je pozitivan, stoga će Kulonova sila interakcije na površini uvijek privući osobu na Zemlju. Prisustvo jonosferskih slojeva implicira da je ukupna električna kapacitivnost takvog kondenzatora određena ukupnim kapacitetom svakog sloja kada je povezan u seriju: 1/Tot = 1/C(E)+1/C(F)+1/C (F2). Pošto se radi približni inženjerski proračun, uzet ćemo u obzir glavne energetske jonosferske slojeve, za koje ćemo uzeti sljedeće početne podatke: sloj E - visina 100 km, sloj F - visina 200 km, sloj F2 - visina 400 km. km. Radi jednostavnosti, nećemo razmatrati D sloj i sporadični Es sloj formiran u jonosferi tokom povećane ili smanjene sunčeve aktivnosti. Na sl. Na slici 1 prikazan je dijagram distribucije jonosferskih slojeva Zemljine atmosfere i dijagram električnog kola procesa koji se razmatra.
Električno kolo na slici 1.a prikazuje serijski spoj tri kondenzatora na koje se dovodi konstantni napon Etotal. U skladu sa zakonima elektrostatike, distribucija električnih naboja na pločama svakog kondenzatora C1, C2 i C3 je prikazano uslovno +/-. Na osnovu ove raspodjele električnih naboja u mreži nastaju lokalne jačine polja čiji su smjerovi suprotni od ukupnog primijenjenog napona. U ovim dijelovima mreže, kretanje električnih naboja će biti u suprotnom smjeru, u odnosu na Total. Slika 1.b prikazuje dijagram jonosferskih slojeva Zemljine atmosfere, koji je u potpunosti opisan električnim kolom serijska veza kondenzatori. Kulonove interakcijske sile između jonosferskih slojeva su označene kao Fg. Prema nivou koncentracije električnih naboja, gornji sloj jonosfera F2 je električno pozitivna u odnosu na površinu zemlje. Zbog činjenice da su čestice solarnog vjetra, koje imaju različite kinetička energija, prodiru kroz cijelu dubinu atmosfere, odredit će se ukupna sila Kulonove interakcije svakog sloja vektorska suma ukupna gravitaciona sila Fg total i gravitaciona sila posebnog jonosferskog sloja. Formula za izračunavanje kapacitivnosti sfernog kondenzatora je: C = 4x(pi)x e(a)x r1xr2/(r2-r1), gdje je C kapacitivnost sfernog kondenzatora; r1 je poluprečnik unutrašnje sfere, jednak zbiru poluprečnika Zemlje 6.371,0 km i visine donjeg sloja jonosfere; r2 je poluprečnik vanjske sfere, jednak zbiru poluprečnika Zemlje i visine gornjeg sloja jonosfere; e(a)=e(0)x e - apsolutna dielektrična konstanta, gdje je e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Tada će zaokružene izračunate vrijednosti za kapacitivnost svakog sloja jonosfere imati sljedeće vrijednosti: C (E)=47 µF, C(F)=46 µF, C(F2)=25 µF. Ukupni ukupni kapacitet jonosfere, uzimajući u obzir glavne slojeve, bit će oko 12 μF. Udaljenost između slojeva jonosfere je mnogo manja od radijusa Zemlje, stoga se proračun Kulonove sile koja djeluje na naboj može izvesti pomoću formule ravnog kondenzatora: Fg= e(a) x A x U (2) /(2xd(2)), gdje je A površina ploča (pi x (Rz+ h)(2)); U - napon; d - razmak između slojeva; e(a)=e(0)x e - apsolutna dielektrična konstanta, gdje je e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Tada će izračunate vrijednosti Coulombovih interakcijskih sila svakog sloja jonosfere imati sljedeće vrijednosti: Fg (E)= 58x10(-9)x U(2); Fg(F)= 59x10(-9)x U(2); Fg(F1)= 15x10(-9)x U(2); Fgtot = 3,98x10(-9)x U(2). Odredimo vrijednost atmosferskog stresa za tijelo težine 100 kg. Formula proračuna će imati sljedeći oblik: F=m x g= Fg(E) + Fgtot. Zamena poznate vrednosti u ovu formulu dobijamo vrednost U = 126 kV. Shodno tome, sile Kulonove interakcije jonosferskih slojeva biće određene sledećim vrednostima: Fg(E)= 920n; Fg(F)= 936n; Fg(F1)= 238n; Fgtotal= 63n. Nakon ponovnog izračunavanja ubrzanja slobodnog pada svakog sloja jonosfere, uzimajući u obzir Njutnovu interakciju, dobijamo sledeće vrednosti: g(E)= +9,83 m/s(2); g(F)= -8,73 m/s(2); g(F1)= - 1,75 m/s(2). Treba napomenuti da ove izračunate vrijednosti ne uzimaju u obzir intrinzične parametre atmosfere, odnosno pritisak i otpor okoline, uzrokovane koncentracijom molekula kisika i dušika u svakom sloju ionosfere. Kao rezultat približnog inženjerskog proračuna, dobijena je vrijednost g(F1) = -1,75 m/s(2) koja se dobro slaže sa stvarnom vrijednošću lokalne gravitacije na ISS - 10(−3)...10 (−1) g. Odstupanja u rezultatima su posljedica činjenice da torzijska vaga koja se koristi za mjerenje ubrzanja gravitacije nije kalibrirana na površinu negativne vrijednosti- savremena nauka ovo nije očekivala. Da bi se stvorila veštačka gravitacija, moraju biti ispunjena dva uslova. Stvoriti električni izolovani sistem u skladu sa zahtjevom Gaussove teoreme, odnosno osigurati cirkulaciju vektora jakosti električnog polja u zatvorenoj sferi i obezbijediti unutar ove sfere snagu električnog polja neophodnu za stvaranje Kulonove interakcijske sile od 1000 N. Jačina polja se može izračunati pomoću formule: F= e(a) x A x E(2) /2, gdje je A površina ploče; E - jačina električnog polja; e(a)=e(0)x e - apsolutna dielektrična konstanta, gdje je e(0)=8.85x10(-12) fm, e ~ 1. Zamjenom podataka u formulu, za 10 m2 dobijamo vrijednost od jačina električnog polja, jednaka E = 4,75 x 10(6) V/m. Ako je visina prostorije tri metra, tada je za osiguranje izračunatog napona potrebno primijeniti konstantan napon na pod-plafon s vrijednošću U = E x d = 14,25 MV. Sa strujom od 1 A potrebno je osigurati otpor ploča takvog kondenzatora od 14,25 MOhm. Promjenom napona možete dobiti različite parametre gravitacije. Red veličine proračuna pokazuje da je razvoj sistema veštačke gravitacije realna mogućnost. Stari Grci su bili u pravu: „Gledajući u svet, otvori oči...“. Samo se takav odgovor može dati o prirodi zemljine gravitacije. Već 200 godina čovječanstvo aktivno proučava zakone elektrostatike, uključujući Coulombov zakon i Gaussov teorem. Formula za sferni kondenzator praktički je savladana dugo vremena. Ostaje samo da otvorite oči svijet i početi ga koristiti da objasni naizgled nemoguće. Ali kada svi shvatimo da je umjetna gravitacija stvarnost, onda će pitanja komercijalne upotrebe svemirskih letova postati relevantna i transparentna za razumijevanje.
Moskva, april 2011 Brazhnik G.N.

kosmonautika,

Naučna fantastika

Za objekte u svemiru rotacija je uobičajena stvar. Kada se dvije mase kreću relativno jedna u odnosu na drugu, ali ne prema ili udaljenoj jedna od druge, njihova gravitacijska sila je . Kao rezultat toga, u Solarni sistem sve planete se okreću oko sunca.

Ali to je nešto na šta čovek nije uticao. Zašto se svemirski brodovi rotiraju? Da biste stabilizirali položaj, stalno usmjeravajte instrumente u pravom smjeru i u budućnosti - stvarajte umjetnu gravitaciju. Pogledajmo ova pitanja detaljnije.

Rotacijska stabilizacija

Kada pogledamo auto, znamo u kom pravcu ide. Kontroliše se kroz interakciju sa spoljašnjim okruženjem – prianjanje točkova za cestu. Gde se točkovi okreću, ceo auto ide tamo. Ali ako mu oduzmemo ovo prianjanje, ako pošaljemo auto na ćelavim gumama da se kotrlja po ledu, onda će se vrtjeti u valceru, što će biti izuzetno opasno za vozača. Ova vrsta kretanja se retko dešava na Zemlji, ali je norma u svemiru.

B.V. Rauschenbach, akademik i dobitnik Lenjinove nagrade, pisao je u "Kontrola kretanja svemirske letjelice" o tri glavna tipa problema kontrole kretanja svemirski brod:

1. Dobivanje željene putanje (kontrola kretanja centra mase),
2. Kontrola orijentacije, odnosno dobijanje željenog položaja tela letelice u odnosu na spoljne orijentire (kontrola rotacionog kretanja oko centra mase);
3. Slučaj kada se ove dvije vrste upravljanja sprovode istovremeno (na primjer, kada se svemirske letjelice približavaju jedna drugoj).

Rotacija uređaja se vrši kako bi se osigurala stabilna pozicija letjelice. Ovo je jasno demonstrirano eksperimentom u videu ispod. Točak pričvršćen na sajlu zauzet će položaj paralelan s podom. Ali ako se ovaj kotač prvo okreće, on će zadržati svoj okomiti položaj. A gravitacija se neće umiješati u ovo. Čak ni teret od dva kilograma pričvršćen za drugi kraj osovine neće mnogo promijeniti sliku.

Organizam prilagođen životu u uslovima gravitacije uspeva da preživi i bez nje. I ne samo da preživi, ​​već i da aktivno radi. Ali ovo malo čudo ne bez posledica. Iskustvo nagomilano decenijama ljudskih svemirskih letova pokazalo je da čovjek doživljava veliki stres u svemiru, što utiče i na psihu.

Na Zemlji, naše tijelo se bori protiv gravitacije, koja vuče krv. U svemiru se ova borba nastavlja, ali nema gravitacijske sile. Zato su astronauti napuhani. Povećava se intrakranijalni pritisak, a povećava se i pritisak na oči. Ovo deformiše optički nerv i utiče na oblik očnih jabučica. Sadržaj plazme u krvi se smanjuje, a zbog smanjenja količine krvi koju treba pumpati dolazi do atrofiranja srčanih mišića. Defekt koštane mase je značajan i kosti postaju krhke.

Kako bi se borili protiv ovih efekata, ljudi u orbiti su prisiljeni svakodnevno vježbati. Stoga se stvaranje umjetne gravitacije smatra poželjnim dugoročno Svemirsko putovanje. Takva tehnologija bi trebala stvoriti fiziološki prirodne uslove za život ljudi na uređaju. Konstantin Ciolkovsky je također vjerovao da će umjetna gravitacija pomoći u rješavanju mnogih medicinskih problema ljudskih svemirskih letova.

Sama ideja se zasniva na principu ekvivalencije između gravitacione sile i sile inercije, koji glasi: „Sile gravitacione interakcije su proporcionalne gravitacionoj masi tela, dok su sile inercije proporcionalne inercijskoj masi. tijela. Ako su inercijska i gravitacijska masa jednake, onda je nemoguće razlučiti koja sila djeluje na dato prilično malo tijelo - gravitacijska ili inercijska sila.”

Ova tehnologija ima nedostatke. U slučaju uređaja s malim radijusom, različite sile će utjecati na noge i glavu - što je dalje od centra rotacije, to je jača umjetna gravitacija. Drugi problem je Coriolisova sila, zbog čijeg uticaja će se osoba ljuljati kada se kreće u odnosu na smjer rotacije. Da bi se to izbjeglo, uređaj mora biti ogroman. I treće važno pitanje odnosi se na složenost razvoja i sklapanja takvog uređaja. Prilikom kreiranja takvog mehanizma važno je razmotriti kako omogućiti posadi stalan pristup odjeljcima s umjetnom gravitacijom i kako učiniti da se ovaj torus nesmetano kreće.

IN pravi zivot Ova tehnologija još nije korištena za izgradnju svemirskih brodova. Za ISS je predložen modul na naduvavanje sa umjetnom gravitacijom kako bi se demonstrirao prototip svemirske letjelice Nautilus-X. Ali modul je skup i stvorio bi značajne vibracije. Izrada čitavog ISS-a sa veštačkom gravitacijom sa sadašnjim raketama je teško izvodljiva - sve bi se moralo sklopiti u orbiti u delovima, što bi u velikoj meri otežalo obim operacija. A ova umjetna gravitacija negirala bi samu suštinu ISS-a kao leteće mikrogravitacijske laboratorije.

Koncept mikrogravitacionog modula na naduvavanje za ISS.

Ali umjetna gravitacija živi u mašti pisaca naučne fantastike. Hermesov brod iz filma Marsovac ima rotirajući torus u centru, koji stvara umjetnu gravitaciju kako bi poboljšao stanje posade i smanjio efekte bestežinskog stanja na tijelo.

Američka Nacionalna vazduhoplovna agencija razvila je skalu nivoa spremnosti TRL tehnologije od devet nivoa: od prvog do šestog - razvoj u okviru istraživačko-razvojnog rada, od sedmog i više - razvojni rad i demonstracija performansi tehnologije. Tehnologija iz filma “Marsovac” do sada odgovara samo trećem ili četvrtom nivou.

Postoje mnoge primjene ove ideje u naučnofantastičkoj literaturi i filmovima. U seriji romana A Space Odyssey Arthura C. Clarkea, Discovery One je opisano kao oblikovano kao bučica, čija je svrha bila da odvoji nuklearni reaktor sa motorom iz stambenog naselja. Ekvator sfere sadrži "vrtuljak" prečnika 11 metara, koji se okreće brzinom od oko pet obrtaja u minuti. Ova centrifuga stvara nivo gravitacije jednak Mesečevom, što bi trebalo da spreči fizičku atrofiju u uslovima mikrogravitacije.

"Discovery One" iz "A Space Odyssey"

U anime seriji Planetes, svemirska stanica ISPV-7 ima ogromne prostorije sa uobičajenom Zemljinom gravitacijom. Stambeni prostor i prostor za biljnu proizvodnju smješteni su u dva tora koji se rotiraju u različitim smjerovima.

Čak i teška naučna fantastika zanemaruje ogromnu cijenu takvog rješenja. Entuzijasti su za primjer uzeli brod “Elysium” iz istoimenog filma. Prečnik točkova je 16 kilometara. Težina - oko milion tona. Slanje tereta u orbitu košta 2.700 dolara po kilogramu. SpaceX Falcon će smanjiti ovu cifru na 1.650 dolara po kilogramu. Ali morat će se izvršiti 18.382 lansiranja da bi se isporučila ova količina materijala. To je 1 trilion 650 milijardi američkih dolara - skoro stotinu godišnjih budžeta NASA-e.

Prava naselja u svemiru, u kojima ljudi mogu uživati ​​u uobičajenom ubrzanju od 9,8 m/s² zbog gravitacije, još su daleko. Možda će ponovno korištenje raketnih dijelova i svemirskih dizala približiti takvo doba.