Comment l’apesanteur artificielle est-elle créée sur Terre pour entraîner les astronautes ?
- Ils chargent les astronautes dans l'avion et le soulèvent à une hauteur incroyable, puis l'avion descend brusquement et le résultat est l'apesanteur.
- très simple=chute avec l'avion de 15 000 mètres à 3 000 mètres sur un Tu-134 spécialement converti=-les autres ne peuvent tout simplement pas le supporter=c'est pourquoi je choisis personnellement uniquement les compagnies qui volent exactement comme ça...
- L'avion doit voler selon une trajectoire parabolique - l'apesanteur est créée pendant 30 secondes...
- En pratique, dans les conditions terrestres, l'état d'apesanteur s'observe :
dans des tours apesanteur (structures hautes à l'intérieur desquelles tombent librement des conteneurs contenant du matériel de recherche) ;
dans les avions se déplaçant le long de trajectoires spéciales (diapositives Kepler) ;
en utilisant des fusées-sondes qui s'élèvent dans les couches raréfiées de l'atmosphère, après quoi leurs moteurs sont éteints et ils entrent en chute libre.
Une autre façon d'atteindre l'apesanteur dans des conditions terrestres est l'immersion, c'est-à-dire immerger un corps dans un liquide de densité égale à la densité du corps. Dans ce cas, le poids du corps est équilibré par la force d'Archimède, le corps devient en apesanteur, acquérant la capacité de se déplacer librement dans n'importe quelle direction. C'est exactement ainsi que les cosmonautes s'entraînent au Centre d'entraînement des cosmonautes. Yu. A. Gagarine pour ses travaux sur les stations spatiales. Il faut cependant rappeler que l'hydropesanteur diffère de la véritable apesanteur, principalement par la présence de résistance que le corps humain possède. environnement aquatique.Un modèle spécifique de l'état d'apesanteur peut être une certaine position du corps humain au lit, dans laquelle la partie supérieure du corps est située en dessous de la ligne horizontale - la position dite anti-orthostatique. Dans des expériences spécialement menées, l'angle d'inclinaison du corps en position tête baissée variait de 4 à -30°. Il s'est avéré que plus l'inclinaison est grande, plus l'effet de l'apesanteur terrestre est fort. Les chercheurs ont conclu que le fait qu'une personne reste 15 minutes à un angle de -30 ? peut être utilisé comme test d’endurance en apesanteur.
- Il y a des piscines au sol, dans lesquelles ils répètent le travail dans l'espace en combinaison spatiale. Dans un avion tombant à son apogée, il y a plusieurs secondes d'apesanteur, de même pour l'entraînement.
- Celui-ci sera créé sur un avion simulateur et l’apesanteur durera environ 3 à 5 minutes.
http://www.atlasaerospace.net/zgrav.htm - regardez ici - sur un plan spécial, il monte, puis descend brusquement et l'apesanteur se crée dans l'avion pendant une courte période. mais je m'entraîne surtout sous l'eau avec du matériel de plongée
- L'apesanteur sera créée par la descente soudaine de l'avion
- Un nouveau simulateur, Antigravitator, créé au Centre de construction de simulateurs et de formation du personnel, permet de concevoir l'apesanteur.
Le simulateur d'activité extravéhiculaire complexe développé au Centre de construction de simulateurs et de formation du personnel utilise le principe informatique-électronique-électromécanique de création d'un espace sans support et d'une gravité réduite (apesanteur). En lui solutions techniques l'utilisation d'efforts musculaires par les astronautes a été réduite au minimum, par exemple pour déplacer le pont du simulateur et son chariot. Le simulateur assure une forte réduction des efforts du cosmonaute lors du transfert de la charge utile, en contrôlant et en créant les conditions de mouvement dans six degrés de liberté. Les paramètres définis sur le simulateur vous permettent de simuler le degré de gravité et de créer les conditions de n'importe quel environnement spatial.
On peut supposer que nous parlons d'un type d'exosquelette.
Les conditions d'apesanteur, reproduites sur les avions du laboratoire, sont les plus proches des conditions d'un vol spatial réel et permettent d'effectuer la plupart des opérations dans des intervalles de temps d'une valeur donnée - 25-30 secondes. Entre 1967 et 1979, ces vols ont été effectués sur des avions-laboratoires Tu-104A. De 1980 à nos jours, des vols en apesanteur ont été effectués à l'aide d'avions de laboratoire IL-76 MDK.
Les vols en apesanteur s'effectuent le long d'une trajectoire appelée parabole de Kepler. C’est pourquoi ils sont souvent appelés « paraboliques ». La méthodologie permettant d'effectuer de tels vols par les pilotes d'avions de laboratoire a été soigneusement élaborée. Les vols paraboliques sont effectués comme suit. Dans la zone de vol, l'avion vole horizontalement à une altitude de six mille mètres. L’avion accélère ensuite pour monter selon un angle de 45 degrés. En vol courbe, toutes les personnes à bord sont soumises à des surcharges pouvant atteindre 2 g. Cette sensation de lourdeur ne dure pas longtemps – environ 15 secondes, le temps que l'avion monte. À une altitude de neuf mille mètres, le pilote supprime presque complètement la poussée du moteur et l'avion continue de voler par inertie. Dès que la force d'inertie, de direction opposée à la force de gravité, lui devient égale en grandeur, alors la force de gravité à l'intérieur de la cabine de l'avion laboratoire devient égale à zéro. Par conséquent, le poids des personnes et des équipements à l’intérieur de l’avion est nul et ils sont en état d’apesanteur. Cela se produit au sommet de la parabole de Kepler. Ensuite, le pilote relâche le volant et l'avion entame une forte descente avec une poussée moteur minimale. La descente se fait selon le même angle que la montée. L'apesanteur peut durer 22 à 28 secondes selon les conditions de vol. Après cette période, l'équipage maximise la poussée du moteur et met le véhicule en vol horizontal à une altitude de six mille mètres.
Même une personne qui ne s'intéresse pas à l'espace a au moins une fois vu un film sur les voyages dans l'espace ou lu des articles sur ce sujet dans des livres. Dans presque tous ces travaux, les gens se promènent à bord du navire, dorment normalement et n'ont aucun problème à manger. Cela signifie que ces navires – fictifs – ont une gravité artificielle. La plupart des téléspectateurs perçoivent cela comme quelque chose de tout à fait naturel, mais ce n'est pas du tout le cas.
Gravité artificielle
C'est le nom pour changer (dans n'importe quelle direction) la gravité à laquelle nous sommes habitués en appliquant de diverses façons. Et cela se fait non seulement dans œuvres fantastiques, mais aussi dans des situations terrestres bien réelles, le plus souvent à des fins d'expérimentation.
En théorie, créer une gravité artificielle ne semble pas si difficile. Par exemple, il peut être recréé en utilisant l'inertie, ou plus précisément, le besoin de cette force ne s'est pas fait sentir hier - cela s'est produit immédiatement, dès qu'une personne a commencé à rêver de vols spatiaux à long terme. Créer une gravité artificielle dans l'espace permettra d'éviter de nombreux problèmes qui surviennent lors d'un séjour prolongé en apesanteur. Les muscles des astronautes s'affaiblissent et leurs os deviennent moins solides. Voyager dans de telles conditions pendant des mois peut provoquer une atrophie de certains muscles.
Ainsi, aujourd’hui, la création d’une gravité artificielle est une tâche d'une importance primordiale, sans cette compétence, c'est tout simplement impossible.
Matériel
Même ceux qui ne connaissent la physique qu'au niveau programme scolaire, comprenez que la gravité est l'une des lois fondamentales de notre monde : tous les corps interagissent les uns avec les autres, expérimentant une attraction/répulsion mutuelle. Plus le corps est grand, plus sa force gravitationnelle est élevée.
La Terre pour notre réalité est un objet très massif. C'est pourquoi tous les corps qui l'entourent, sans exception, sont attirés par elle.
Pour nous, cela signifie, qui est généralement mesuré en g, égal à 9,8 mètres par seconde carrée. Cela signifie que si nous n’avions aucun support sous nos pieds, nous tomberions à une vitesse qui augmente de 9,8 mètres chaque seconde.
Ainsi, ce n'est que grâce à la gravité que nous sommes capables de nous tenir debout, de tomber, de manger et de boire normalement, de comprendre où est le haut et où est le bas. Si la gravité disparaît, nous nous retrouverons en apesanteur.
Les cosmonautes qui se retrouvent dans l’espace en état d’envol – chute libre – connaissent particulièrement ce phénomène.
Théoriquement, les scientifiques savent créer une gravité artificielle. Il existe plusieurs méthodes.
Grande masse
L'option la plus logique est de le rendre si grand qu'une gravité artificielle apparaisse dessus. Vous pouvez vous sentir à l'aise sur le navire car vous ne perdrez pas votre orientation dans l'espace.
Malheureusement, cette méthode est irréaliste compte tenu du développement technologique moderne. Construire un tel objet nécessite trop de ressources. De plus, le soulever nécessiterait une quantité d’énergie incroyable.
Accélération
Il semblerait que si l'on souhaite obtenir un g égal à celui de la Terre, il suffit de donner au navire une forme plate (en forme de plate-forme) et de le faire se déplacer perpendiculairement au plan avec l'accélération requise. De cette manière, on obtiendra une gravité artificielle, et en plus une gravité idéale.
Cependant, en réalité, tout est beaucoup plus compliqué.
Tout d’abord, il convient de considérer la question du carburant. Pour que la station accélère constamment, il est nécessaire de disposer d'une alimentation électrique sans interruption. Même si un moteur apparaît soudainement qui n’éjecte pas de matière, la loi de conservation de l’énergie restera en vigueur.
Le deuxième problème est l’idée même d’accélération constante. D’après nos connaissances et les lois physiques, il est impossible d’accélérer indéfiniment.
De plus, un tel véhicule n'est pas adapté aux missions de recherche, puisqu'il doit constamment accélérer - voler. Il ne pourra pas s'arrêter pour étudier la planète, il ne pourra même pas la contourner lentement - il devra accélérer.
Ainsi, il devient clair qu’une telle gravité artificielle n’est pas encore disponible pour nous.
Carrousel
Tout le monde sait comment la rotation d’un carrousel affecte le corps. Par conséquent, un dispositif de gravité artificielle basé sur ce principe semble être le plus réaliste.
Tout ce qui se trouve dans le diamètre du carrousel a tendance à en tomber à une vitesse approximativement égale à la vitesse de rotation. Il s'avère que les corps sont soumis à l'action d'une force dirigée le long du rayon de l'objet en rotation. C'est très similaire à la gravité.
Il faut donc un navire de forme cylindrique. En même temps, il doit tourner autour de son axe. À propos, la gravité artificielle sur un vaisseau spatial, créée selon ce principe, est souvent démontrée dans les films de science-fiction.
Un navire en forme de tonneau, tournant autour de son axe longitudinal, crée une force centrifuge dont la direction correspond au rayon de l'objet. Pour calculer l’accélération résultante, vous devez diviser la force par la masse.
Dans cette formule, le résultat du calcul est l'accélération, la première variable est la vitesse nodale (mesurée en radians par seconde), la seconde est le rayon.
Selon cela, pour obtenir le g auquel nous sommes habitués, il faut combiner correctement le rayon de transport spatial.
Un problème similaire est mis en évidence dans des films tels que Intersolah, Babylon 5, 2001 : L'Odyssée de l'espace, etc. Dans tous ces cas, la gravité artificielle est proche de l’accélération terrestre due à la gravité.
Aussi bonne que soit l’idée, il est assez difficile de la mettre en œuvre.
Problèmes avec la méthode carrousel
Le problème le plus évident est mis en évidence dans A Space Odyssey. Le rayon du « porteur spatial » est d’environ 8 mètres. Pour obtenir une accélération de 9,8, la rotation doit s'effectuer à une vitesse d'environ 10,5 tours par minute.
A ces valeurs, apparaît « l'effet Coriolis », qui consiste dans le fait que différentes forces agissent à différentes distances du sol. Cela dépend directement de la vitesse angulaire.
Il s'avère qu'une gravité artificielle sera créée dans l'espace, mais une rotation trop rapide du corps entraînera des problèmes au niveau de l'oreille interne. Ceci, à son tour, provoque des troubles de l'équilibre, des problèmes avec l'appareil vestibulaire et d'autres difficultés similaires.
L’émergence de cet obstacle suggère qu’un tel modèle est extrêmement infructueux.
Vous pouvez essayer de partir du contraire, comme ils l'ont fait dans le roman "The Ring World". Ici, le navire a la forme d'un anneau dont le rayon est proche du rayon de notre orbite (environ 150 millions de km). A cette taille, sa vitesse de rotation est suffisante pour ignorer l'effet Coriolis.
On pourrait penser que le problème a été résolu, mais ce n’est pas du tout le cas. Le fait est qu'une révolution complète de cette structure autour de son axe prend 9 jours. Cela suggère que les charges seront trop importantes. Pour que la structure y résiste, il faut un matériau très résistant, dont nous ne disposons pas aujourd'hui. De plus, le problème réside dans la quantité de matériaux et dans le processus de construction lui-même.
Dans des jeux sur des thèmes similaires, comme dans le film « Babylon 5 », ces problèmes sont en quelque sorte résolus : la vitesse de rotation est tout à fait suffisante, l'effet Coriolis n'est pas significatif, il est hypothétiquement possible de créer un tel vaisseau.
Cependant, même de tels mondes présentent un inconvénient. Son nom est moment cinétique.
Le vaisseau, tournant autour de son axe, se transforme en un immense gyroscope. Comme vous le savez, il est extrêmement difficile de forcer un gyroscope à s'écarter de son axe car il est important que sa quantité ne quitte pas le système. Cela signifie qu'il sera très difficile de donner une direction à cet objet. Cependant, ce problème peut être résolu.
Solution
La gravité artificielle sur la station spatiale devient disponible lorsque le cylindre O'Neill vient à la rescousse. Pour créer cette conception, des navires cylindriques identiques sont nécessaires, reliés le long de l'axe. Ils doivent tourner dans des directions différentes. Le résultat d’un tel assemblage est un moment cinétique nul, il ne devrait donc y avoir aucune difficulté à donner au navire la direction requise.
S'il est possible de fabriquer un navire d'un rayon d'environ 500 mètres, il fonctionnera exactement comme il se doit. Dans le même temps, la gravité artificielle dans l’espace sera tout à fait confortable et adaptée aux longs vols à bord de navires ou de stations de recherche.
Ingénieurs spatiaux
Les créateurs du jeu savent créer une gravité artificielle. Cependant, dans ce monde fantastique, la gravité n’est pas l’attraction mutuelle des corps, mais une force linéaire conçue pour accélérer les objets dans une direction donnée. L’attraction ici n’est pas absolue ; elle change lorsque la source est redirigée.
La gravité artificielle sur la station spatiale est créée à l'aide d'un générateur spécial. Il est uniforme et équidirectionnel dans la portée du générateur. Alors, dans monde réel, si vous passiez sous un navire équipé d'un générateur, vous seriez tiré vers la coque. Cependant, dans le jeu, le héros tombera jusqu'à ce qu'il quitte le périmètre de l'appareil.
Aujourd’hui, la gravité artificielle dans l’espace créée par un tel dispositif est inaccessible à l’humanité. Cependant, même les développeurs aux cheveux gris n'arrêtent pas d'en rêver.
Générateur sphérique
Il s'agit d'une option d'équipement plus réaliste. Une fois installé, la gravité est dirigée vers le générateur. Cela permet de créer une station dont la gravité sera égale à celle planétaire.
Centrifuger
Aujourd’hui, la gravité artificielle sur Terre se retrouve dans divers appareils. Ils sont basés, pour la plupart, sur l'inertie, puisque cette force est ressentie par nous de la même manière que l'influence gravitationnelle - le corps ne distingue pas quelle cause provoque l'accélération. A titre d'exemple : une personne qui monte dans un ascenseur subit l'influence de l'inertie. À travers le regard d'un physicien : la montée de l'ascenseur ajoute l'accélération de la cabine à l'accélération de la chute libre. Lorsque l'habitacle revient à un mouvement mesuré, le « gain » de poids disparaît, retrouvant les sensations habituelles.
Les scientifiques s’intéressent depuis longtemps à la gravité artificielle. Une centrifugeuse est le plus souvent utilisée à ces fins. Cette méthode convient non seulement pour vaisseaux spatiaux, mais aussi pour les stations au sol où il faut étudier les effets de la gravité sur le corps humain.
Étudier sur Terre, postuler en...
Bien que l’étude de la gravité ait commencé dans l’espace, il s’agit d’une science très terrestre. Aujourd'hui encore, les progrès dans ce domaine ont trouvé leur application, par exemple en médecine. Sachant s’il est possible de créer une gravité artificielle sur une planète, on peut l’utiliser pour traiter des problèmes du système musculo-squelettique ou du système nerveux. De plus, l’étude de cette force s’effectue principalement sur Terre. Cela permet aux astronautes de mener des expériences tout en restant sous la surveillance étroite des médecins. La gravité artificielle dans l’espace est une autre affaire ; il n’y a personne là-bas qui puisse aider les astronautes en cas de situation imprévue.
Compte tenu de l’apesanteur totale, on ne peut pas prendre en compte un satellite situé en orbite terrestre basse. Ces objets, quoique dans une faible mesure, sont affectés par la gravité. La force de gravité générée dans de tels cas est appelée microgravité. La véritable gravité n’est ressentie que dans un véhicule volant à vitesse constante dans l’espace. Cependant, le corps humain ne ressent pas cette différence.
Vous pouvez faire l'expérience de l'apesanteur lors d'un saut en longueur (avant l'ouverture de la verrière) ou lors d'une descente parabolique de l'avion. De telles expériences sont souvent réalisées aux États-Unis, mais dans un avion, cette sensation ne dure que 40 secondes - c'est trop court pour une étude complète.
En URSS, dès 1973, on savait s’il était possible de créer une gravité artificielle. Et non seulement ils l'ont créé, mais ils l'ont également modifié d'une manière ou d'une autre. Un exemple frappant réduction artificielle de la gravité - immersion sèche, immersion. Pour obtenir l'effet souhaité, vous devez déposer un film épais à la surface de l'eau. La personne est placée dessus. Sous le poids du corps, le corps s'enfonce sous l'eau, ne laissant que la tête au-dessus. Ce modèle démontre l'environnement sans support et à faible gravité qui caractérise l'océan.
Il n’est pas nécessaire d’aller dans l’espace pour expérimenter la force opposée de l’apesanteur : l’hypergravité. Lorsqu’un vaisseau spatial décolle et atterrit dans une centrifugeuse, la surcharge peut non seulement être ressentie, mais aussi étudiée.
Traitement par gravité
La physique gravitationnelle étudie également les effets de l’apesanteur sur le corps humain, en essayant d’en minimiser les conséquences. Cependant un grand nombre de Les acquis de cette science peuvent également être utiles aux habitants ordinaires de la planète.
Les médecins placent de grands espoirs dans la recherche sur le comportement des enzymes musculaires dans la myopathie. Il s'agit d'une maladie grave entraînant une mort précoce.
Pendant une activité physique active, le sang personne en bonne santé un grand volume de l'enzyme créatine phosphokinase est fourni. La raison de ce phénomène n’est pas claire ; peut-être que la charge agit sur la membrane cellulaire de telle manière qu’elle devient « trouée ». Les patients atteints de myopathie obtiennent le même effet sans exercice. Les observations des astronautes montrent qu'en apesanteur, le flux d'enzymes actives dans le sang est considérablement réduit. Cette découverte suggère que le recours à l'immersion réduira impact négatif facteurs conduisant à la myopathie. DANS ce moment des expériences sont menées sur des animaux.
Le traitement de certaines maladies est déjà réalisé à l'aide de données issues de l'étude de la gravité, y compris la gravité artificielle. Par exemple, le traitement de la paralysie cérébrale, des accidents vasculaires cérébraux et de la maladie de Parkinson est effectué grâce à l'utilisation de combinaisons anti-stress. Les recherches sur les effets positifs du support, le sabot pneumatique, sont presque terminées.
Allons-nous voler vers Mars ?
Les dernières réalisations des astronautes laissent espérer la réalité du projet. Il existe une expérience dans la fourniture d'un soutien médical à une personne lors d'un long séjour loin de la Terre. Les vols de recherche vers la Lune, dont la force gravitationnelle est 6 fois inférieure à la nôtre, ont également apporté de nombreux bénéfices. Désormais, les astronautes et les scientifiques se fixent un nouvel objectif : Mars.
Avant de faire la queue pour un billet pour la Planète rouge, vous devez savoir ce qui attend le corps dès la première étape des travaux - en route. En moyenne, le chemin vers la planète désertique prendra un an et demi, soit environ 500 jours. En chemin, vous ne devrez compter que sur vos propres forces ; il n'y a tout simplement nulle part où attendre de l'aide.
De nombreux facteurs vont miner votre force : le stress, les radiations, le manque de champ magnétique. Le test le plus important pour le corps est le changement de gravité. Au cours du voyage, une personne va « se familiariser » avec plusieurs niveaux de gravité. Tout d'abord, ce sont des surcharges lors du décollage. Ensuite - l'apesanteur pendant le vol. Après cela - l'hypogravité à destination, puisque la gravité sur Mars est inférieure à 40 % de celle de la Terre.
Comment gérer les effets négatifs de l’apesanteur sur un long vol ? On espère que les progrès dans le domaine de la gravité artificielle contribueront à résoudre ce problème dans un avenir proche. Des expériences sur des rats voyageant à bord de Cosmos 936 montrent que cette technique ne résout pas tous les problèmes.
L'expérience du système d'exploitation a montré que l'utilisation de complexes d'entraînement capables de déterminer individuellement la charge requise pour chaque astronaute peut apporter des avantages bien plus importants au corps.
Pour l'instant, on pense que non seulement les chercheurs s'envoleront vers Mars, mais aussi les touristes souhaitant établir une colonie sur la planète rouge. Pour eux, au moins dans un premier temps, les sensations d'apesanteur l'emporteront sur tous les arguments des médecins sur les dangers d'un séjour prolongé dans de telles conditions. Cependant, dans quelques semaines, ils auront également besoin d’aide, c’est pourquoi il est si important de pouvoir trouver un moyen de créer une gravité artificielle sur le vaisseau spatial.
Résultats
Quelles conclusions peut-on tirer sur la création d’une gravité artificielle dans l’espace ?
Parmi toutes les options actuellement envisagées, la structure tournante semble la plus réaliste. Cependant, avec la compréhension actuelle des lois physiques, cela est impossible, puisque le navire n'est pas un cylindre creux. Il y a des chevauchements à l’intérieur qui interfèrent avec la mise en œuvre des idées.
De plus, le rayon du navire doit être si grand que l'effet Coriolis n'a pas d'effet significatif.
Pour contrôler quelque chose comme ça, vous avez besoin du cylindre O'Neill mentionné ci-dessus, qui vous donnera la possibilité de contrôler le vaisseau. Dans ce cas, les chances d'utiliser une telle conception pour des vols interplanétaires tout en offrant à l'équipage un niveau de gravité confortable sont augmentées.
Avant que l'humanité ne réussisse à réaliser ses rêves, j'aimerais voir un peu plus de réalisme et plus plus de connaissances lois de la physique.
Gennady Brajnik, 23 avril 2011
En regardant le monde, ouvrez les yeux... (épopée grecque antique)
Comment créer une gravité artificielle ?
Le cinquantième anniversaire de l’exploration spatiale, célébré cette année, a montré l’énorme potentiel de l’intelligence humaine dans la compréhension de l’Univers qui l’entoure. Station spatiale internationale (ISS) - habitée station orbitale- un projet international commun auquel participent 23 pays,
prouve de manière convaincante l'intérêt des programmes nationaux pour le développement des pays proches et lointains. Cosmos. Cela s'applique à la fois aux aspects scientifiques, techniques et commerciaux de la question considérée. Dans le même temps, le principal obstacle à l’exploration spatiale de masse est le problème de l’apesanteur ou de l’absence de gravité sur les objets spatiaux existants. "La gravité ( gravité universelle, gravitation) est l’interaction fondamentale universelle entre tous les corps matériels. Dans l’approximation des faibles vitesses et des faibles interactions gravitationnelles, elle est décrite par la théorie de la gravité de Newton, dans le cas général elle est décrite par la théorie de la relativité générale d’Einstein » - c’est la définition donnée par science moderne Ce phénomène. La nature de la gravité n’est actuellement pas claire. Les développements théoriques dans le cadre de diverses théories gravitationnelles ne trouvent pas leur confirmation expérimentale, ce qui suggère l'approbation prématurée du paradigme scientifique sur la nature de l'interaction gravitationnelle, comme l'un des quatre interactions fondamentales. Conformément à la théorie de la gravité de Newton, la force gravitationnelle de l'attraction terrestre est déterminée par l'expression F=m x g, où m est la masse du corps et g est l'accélération de la gravité. "L'accélération de la gravité g est l'accélération conférée à un corps dans le vide par la force de gravité, c'est-à-dire la somme géométrique de l'attraction gravitationnelle d'une planète (ou autre corps astronomique) et des forces d'inertie provoquées par sa rotation. Conformément à la deuxième loi de Newton, l'accélération de la gravité est égale à la force de gravité, unité de masse agissant sur un objet. La valeur de l'accélération de la gravité pour la Terre est généralement considérée comme étant de 9,8 ou 10 m/s╡. La valeur standard (« normale ») adoptée lors de la construction de systèmes d’unités est g = 9,80665 m/s╡, et dans les calculs techniques, g = 9,81 m/s╡ est généralement prise. La valeur de g a été définie comme l'accélération « moyenne » en quelque sorte due à la gravité sur Terre, approximativement égale à l'accélération due à la gravité à 45,5° de latitude au niveau de la mer. L'accélération réelle due à la gravité à la surface de la Terre. dépend de la latitude, de l'heure de la journée et d'autres facteurs. Elle varie de 9,780 m/s╡ à l'équateur à 9,832 m/s╡ aux pôles." Cette incertitude scientifique soulève également un certain nombre de questions liées à la constante gravitationnelle dans Théorie générale relativité. Est-ce si constant si, dans les conditions de gravité, nous avons une telle dispersion de paramètres. Les principaux arguments de presque toutes les théories gravitationnelles sont les suivants : « L'accélération gravitationnelle se compose de deux composantes : l'accélération gravitationnelle et l'accélération centripète. Les différences sont dues à : l'accélération centripète dans le référentiel associée à l'inexactitude de la formule en rotation ; le fait que la masse de la planète est répartie sur un volume qui a une forme géométrique différente d'une sphère idéale (géoïde) ; l'hétérogénéité de la Terre, qui sert à rechercher des minéraux par anomalies gravitationnelles. À première vue, ce sont des arguments assez convaincants. Avec plus examen détaillé, il devient évident que ces arguments n'expliquent pas nature physique phénomènes. Dans le référentiel terrestre associé à l'accélération centripète dans chaque point géographique tous les composants de la mesure de l'accélération de chute libre sont localisés. Par conséquent, l'objet de mesure et l'équipement mesuré sont soumis à la même influence, y compris la masse distribuée de la Terre et les anomalies gravitationnelles. Par conséquent, le résultat de la mesure devrait être constant, mais ce n’est pas le cas. De plus, l'incertitude de la situation est causée par les valeurs théoriques calculées de l'accélération de la chute libre à l'altitude de vol de l'ISS - g=8,8 m/s(2). La valeur réelle de la gravité locale sur l'ISS est déterminée dans la plage de 10(−3)...10(−1) g, ce qui détermine l'apesanteur. Déclarations selon lesquelles l'ISS se déplace dès le premier vitesse d'échappement et est en chute libre. Qu’en est-il alors des satellites géostationnaires ? À cette valeur calculée de g, ils seraient tombés sur Terre depuis longtemps. De plus, la masse de tout corps peut être définie comme une caractéristique quantitative et qualitative de sa propre charge électrique. Toutes ces considérations conduisent à la conclusion que la nature de la gravité terrestre ne dépend pas du rapport des masses des objets en interaction, mais est déterminée par les forces coulombiennes de l'interaction électrique du champ gravitationnel terrestre. Si nous effectuons un vol horizontal sur un avion, à une altitude de dix km, alors les lois de la gravité sont pleinement satisfaites, mais lors du même vol sur l'ISS à une altitude de 350 km, il n'y a pratiquement aucune gravité. Cela signifie qu'à l'intérieur de ces hauteurs, il existe un mécanisme qui permet de déterminer la gravité comme la force d'interaction des corps matériels. Et la valeur de cette force est déterminée par la loi de Newton. Pour une personne pesant 100 kg, la force d'attraction gravitationnelle au niveau du sol, hors pression atmosphérique, devrait être F = 100 x 9,8 = 980 N. Conformément aux données existantes, l'atmosphère terrestre est une structure électriquement inhomogène dont la stratification est déterminée par l'ionosphère. « L'ionosphère (ou thermosphère) est une partie de la haute atmosphère terrestre qui est fortement ionisée en raison de l'irradiation par les rayons cosmiques provenant principalement du Soleil. L'ionosphère est constituée d'un mélange d'atomes et de molécules neutres (principalement de l'azote N2 et de l'azote). oxygène O2) et plasma quasi neutre (le nombre de particules chargées négativement n'est qu'approximativement égal au nombre de particules chargées positivement). Le degré d'ionisation devient déjà significatif à une altitude de 60 kilomètres et augmente régulièrement avec la distance de la Terre. la densité des particules chargées N, les couches D, E et F se distinguent dans l'ionosphère Couche D Dans la région D (60-90 km), la concentration de particules chargées est Nmax ~ 10(2)-10(3) cm. −3 - c'est une région de faible ionisation. La principale contribution à l'ionisation de cette région est apportée par les rayons X solaires. Des sources supplémentaires de faible ionisation jouent également un petit rôle : les météorites brûlant à des altitudes de 60 à 100 km. des rayons, ainsi que des particules énergétiques de la magnétosphère (apportées dans cette couche lors des orages magnétiques). La couche D se caractérise également par une forte diminution du degré d'ionisation la nuit. Couche E La région E (90-120 km) est caractérisée par des densités de plasma allant jusqu'à Nmax~ 10(5) cm−3. Dans cette couche, une augmentation de la concentration électronique est observée pendant la journée, puisque la principale source d'ionisation est le rayonnement solaire à ondes courtes, ainsi que la recombinaison des ions dans cette couche. la couche va très rapidement et la nuit, la densité ionique peut chuter jusqu'à 10(3) cm−3. Ce processus est contrecarré par la diffusion de charges depuis la région F, située au-dessus, où la concentration d'ions est relativement élevée, et par des sources d'ionisation nocturnes (rayonnement géocorone du Soleil, météores, rayons cosmiques, etc.). Sporadiquement, à des altitudes de 100-110 km, apparaît une couche ES, très fine (0,5-1 km), mais dense. Une caractéristique de cette sous-couche est la forte concentration d’électrons (ne~10(5) cm−3), qui ont un impact significatif sur la propagation des ondes radio moyennes et même courtes réfléchies par cette région de l’ionosphère. La couche E, en raison de la concentration relativement élevée de porteurs de courant libres, joue rôle important dans la propagation des ondes moyennes et courtes. Couche F La région F est désormais appelée l'ensemble de l'ionosphère au-dessus de 130 à 140 km. La formation maximale d'ions est atteinte à des altitudes de 150 à 200 km. Pendant la journée, on observe également la formation d'une « étape » dans la distribution de la concentration électronique provoquée par le puissant rayonnement ultraviolet solaire. La région de cette étape est appelée région F1 (150-200 km). Elle affecte de manière significative la propagation des électrons. ondes radio courtes. La partie supérieure de la couche F jusqu'à 400 km est appelée couche F2. Ici, la densité des particules chargées atteint son maximum - N ~ 10(5)-10(6) cm−3. les ions oxygène prédominent (à une altitude de 400-1000 km), et même plus haut - les ions hydrogène ( protons) et en petites quantités - les ions hélium." Les deux principales théories modernes de l'électricité atmosphérique ont été créées au milieu du XXe siècle par le scientifique anglais Charles Wilson et le scientifique soviétique Ya I. Frenkel. Selon la théorie de Wilson, la Terre et l'ionosphère jouent le rôle de plaques d'un condensateur chargé par les nuages d'orage. La différence de potentiel apparaissant entre les plaques conduit à l'apparition d'un champ électrique dans l'atmosphère. Selon la théorie de Frenkel, le champ électrique de l'atmosphère s'explique entièrement par des phénomènes électriques se produisant dans la troposphère - la polarisation des nuages et leur interaction avec la Terre, et l'ionosphère ne joue pas un rôle important au cours des processus électriques atmosphériques. Généraliser ces concepts théoriques de l'interaction électrique dans l'atmosphère implique de considérer la question de la gravité terrestre du point de vue de l'électrostatique. Sur la base des faits généralement connus ci-dessus, il est possible de déterminer les valeurs de l'interaction électrique gravitationnelle des corps matériels dans des conditions de gravité. Pour ce faire, considérons le modèle suivant. Tout corps énergétique matériel, étant dans un champ électrique, réalisera une certaine interaction coulombienne. En fonction de la organisation interne charge électrique, elle sera soit attirée vers l'un des pôles électriques, soit être en état d'équilibre au sein de ce champ. Le degré de charge électrique de chaque corps est déterminé par sa propre concentration d'électrons libres (pour l'homme, la concentration de globules rouges). Ensuite, le modèle d'interaction gravitationnelle de l'attraction terrestre peut être représenté sous la forme d'un condensateur sphérique constitué de deux sphères creuses concentriques dont les rayons sont déterminés par le rayon de la Terre et la hauteur de la couche ionosphérique F2. Il y a une personne ou un autre corps matériel dans ce champ électrique. La charge électrique de la surface terrestre est négative, l'ionosphère est positive par rapport à la Terre. La charge électrique d'une personne par rapport à la surface de la Terre est positive, par conséquent, la force coulombienne d'interaction à la surface attirera toujours une personne vers la Terre. La présence de couches ionosphériques implique que la capacité électrique totale d'un tel condensateur est déterminée par la capacité totale de chaque couche lorsqu'elle est connectée en série : 1/Tot = 1/C(E)+1/C(F)+1/C (F2). Puisqu'un calcul d'ingénierie approximatif est en cours, nous prendrons en compte les principales couches énergétiques de l'ionosphère, pour lesquelles nous prendrons les données initiales suivantes : couche E - hauteur 100 km, couche F - hauteur 200 km, couche F2 - hauteur 400 km. Par souci de simplicité, nous ne considérerons pas la couche D et la couche sporadique Es formées dans l’ionosphère lors d’une activité solaire accrue ou diminuée. En figue. La figure 1 montre un schéma de la répartition des couches ionosphériques de l’atmosphère terrestre et un schéma électrique du processus considéré.
Le circuit électrique de la figure 1.a montre une connexion en série de trois condensateurs, auxquels une tension constante Etotal est fournie. Conformément aux lois de l'électrostatique, la distribution charges électriques sur les plaques de chaque condensateur C1, C2 et C3 il est indiqué conditionnellement +/-. Sur la base de cette répartition des charges électriques, des intensités de champ locales apparaissent dans le réseau, dont les directions sont opposées à la tension globale appliquée. Dans ces tronçons du réseau, le mouvement des charges électriques se fera en sens inverse, par rapport au Total. La figure 1.b montre un schéma des couches ionosphériques de l'atmosphère terrestre, entièrement décrites par un circuit électrique. connexion série condensateurs. Les forces d'interaction coulombiennes entre les couches ionosphériques sont désignées par Fg. Selon le niveau de concentration des charges électriques, couche supérieure L'ionosphère F2 est électriquement positive par rapport à la surface terrestre. Étant donné que les particules du vent solaire, qui ont des caractéristiques différentes énergie cinétique, pénétrer dans toute la profondeur de l'atmosphère, la force totale de l'interaction coulombienne de chaque couche sera déterminée somme vectorielle la force gravitationnelle totale Fg totale et la force gravitationnelle d’une couche ionosphérique distincte. La formule pour calculer la capacité d'un condensateur sphérique est : C = 4x(pi)x e(a)x r1xr2/(r2-r1), où C est la capacité du condensateur sphérique ; r1 est le rayon de la sphère intérieure, égal à la somme du rayon de la Terre 6 371,0 km et de la hauteur de la couche ionosphérique inférieure ; r2 est le rayon de la sphère extérieure, égal à la somme du rayon de la Terre et de la hauteur de la couche ionosphérique supérieure ; e(a)=e(0)x e - constante diélectrique absolue, où e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Ensuite, les valeurs calculées arrondies pour la capacité de chaque couche ionosphérique auront la valeurs suivantes : C (E)=47 µF, C(F)=46 µF, C(F2)=25 µF. La capacité totale totale de l'ionosphère, en tenant compte des couches principales, sera d'environ 12 μF. La distance entre les couches ionosphériques est bien inférieure au rayon de la Terre, donc le calcul de la force coulombienne agissant sur la charge peut être effectué à l'aide de la formule d'un condensateur plat : Fg= e(a) x A x U (2) /(2xd(2)), où A est la surface des plaques (pi x (Rз+ h)(2)) ; U - tension ; d - distance entre les couches ; e(a)=e(0)x e - constante diélectrique absolue, où e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Ensuite, les valeurs calculées des forces d'interaction coulombiennes de chaque couche ionosphérique auront les valeurs suivantes : Fg (E)= 58x10(-9)x U(2) ; Fg(F)= 59x10(-9)xU(2); Fg(F1)= 15x10(-9)xU(2); Fgtot = 3,98x10(-9)x U(2). Déterminons la valeur du stress atmosphérique pour un corps pesant 100 kg. La formule de calcul aura la forme suivante : F=m x g= Fg(E) + Fgtot. Remplacement valeurs connues dans cette formule, on obtient la valeur U = 126 kV. Par conséquent, les forces d'interaction coulombienne des couches ionosphériques seront déterminées par les valeurs suivantes : Fg(E)= 920n ; Fg(F)= 936n; Fg(F1)= 238n; Fgtotal= 63n. Après avoir recalculé l'accélération de chute libre de chaque couche ionosphérique, en tenant compte de l'interaction newtonienne, nous obtenons les valeurs suivantes : g(E)= +9,83 m/s(2) ; g(F)= -8,73 m/s(2); g(F1)= - 1,75 m/s(2). Il est à noter que ces valeurs calculées ne tiennent pas compte des paramètres intrinsèques de l'atmosphère, à savoir la pression et la résistance de l'environnement, provoquées par la concentration de molécules d'oxygène et d'azote dans chaque couche de l'ionosphère. À la suite d'un calcul technique approximatif, la valeur obtenue g(F1) = -1,75 m/s(2), ce qui est en bon accord avec la valeur réelle de la gravité locale sur l'ISS - 10(−3)...10 (−1) g. Les écarts dans les résultats sont dus au fait que la balance de torsion utilisée pour mesurer l'accélération de la gravité n'est pas calibrée pour la zone valeurs négatives- la science moderne ne s'y attendait pas. Pour créer une gravité artificielle, deux conditions doivent être remplies. Créer un système électriquement isolé conformément à l'exigence du théorème de Gauss, à savoir assurer la circulation du vecteur d'intensité du champ électrique dans une sphère fermée et fournir à l'intérieur de cette sphère l'intensité du champ électrique nécessaire pour créer une force d'interaction coulombienne de 1000 N. L'intensité du champ peut être calculée à l'aide de la formule : F= e(a) x A x E(2) /2, où A est la surface de la plaque ; E - intensité du champ électrique ; e(a)=e(0)x e - constante diélectrique absolue, où e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. En substituant les données dans la formule, pour 10 m², nous obtenons la valeur de l'intensité du champ électrique, égale à E = 4,75 x 10(6) V/m. Si la hauteur de la pièce est de trois mètres, alors pour garantir la tension calculée, il est nécessaire d'appliquer une tension constante au sol-plafond avec une valeur de U = E x d = 14,25 MV. Avec un courant de 1 A, il faut assurer une résistance des armatures d'un tel condensateur de 14,25 MOhm. En modifiant la tension, vous pouvez obtenir différents paramètres de gravité. L’ordre de grandeur des calculs montre que le développement de systèmes gravitaires artificiels est une réelle possibilité. Les Grecs de l’Antiquité avaient raison : « En regardant le monde, ouvrez les yeux… ». Seule une telle réponse peut être donnée concernant la nature de la gravité terrestre. Depuis 200 ans maintenant, l’humanité étudie activement les lois de l’électrostatique, notamment la loi de Coulomb et le théorème de Gauss. La formule d'un condensateur sphérique est pratiquement maîtrisée depuis longtemps. Il ne reste plus qu'à ouvrir les yeux sur le monde et commencez à l'utiliser pour expliquer ce qui semble impossible. Mais lorsque nous comprendrons tous que la gravité artificielle est une réalité, alors les questions de l'utilisation commerciale des vols spatiaux deviendront pertinentes et claires pour la compréhension.
Moscou, avril 2011 Brajnik G.N.
Pour les objets dans l’espace, la rotation est une chose courante. Lorsque deux masses se déplacent l’une par rapport à l’autre, mais sans se rapprocher ou s’éloigner l’une de l’autre, leur force gravitationnelle est . En conséquence, dans système solaire toutes les planètes tournent autour du soleil.
Mais c’est quelque chose que l’homme n’a pas influencé. Pourquoi les vaisseaux spatiaux tournent-ils ? Pour stabiliser la position, dirigez constamment les instruments dans la bonne direction et, à l'avenir, pour créer une gravité artificielle. Examinons ces questions plus en détail.
Stabilisation rotationnelle
Quand nous regardons une voiture, nous savons dans quelle direction elle va. Il est contrôlé par l'interaction avec l'environnement extérieur - l'adhérence des roues à la route. Là où les roues tournent, toute la voiture y va. Mais si on le prive de cette adhérence, si on envoie la voiture sur des pneus chauves rouler sur la glace, alors elle partira en valse, ce qui sera extrêmement dangereux pour le conducteur. Ce type de mouvement se produit rarement sur Terre, mais constitue la norme dans l’espace.B.V. Rauschenbach, académicien et lauréat du prix Lénine, a écrit dans « Spacecraft Motion Control » sur trois principaux types de problèmes de contrôle de mouvement. vaisseau spatial:
- Obtention de la trajectoire souhaitée (contrôle du mouvement du centre de masse),
- Contrôle d'orientation, c'est-à-dire obtention de la position souhaitée du corps de l'engin spatial par rapport aux repères externes (contrôle du mouvement de rotation autour du centre de masse) ;
- C'est le cas lorsque ces deux types de contrôle sont mis en œuvre simultanément (par exemple, lorsque des engins spatiaux se rapprochent).
Un organisme adapté à la vie dans des conditions de gravité parvient à survivre sans elle. Et pas seulement pour survivre, mais aussi pour travailler activement. Mais ça petit miracle non sans conséquences. L'expérience accumulée au fil des décennies de vols spatiaux habités a montré qu'une personne subit beaucoup de stress dans l'espace, ce qui affecte également le psychisme.
Sur Terre, notre corps combat la gravité, qui fait descendre le sang. Dans l’espace, cette lutte continue, mais il n’y a pas de force gravitationnelle. C'est pourquoi les astronautes sont gonflés. La pression intracrânienne augmente et la pression sur les yeux augmente. Cela déforme le nerf optique et affecte la forme des globes oculaires. La teneur en plasma du sang diminue et, en raison de la diminution de la quantité de sang à pomper, les muscles cardiaques s'atrophient. Le défaut de masse osseuse est important et les os deviennent fragiles.
Pour lutter contre ces effets, les personnes en orbite sont obligées de faire de l’exercice quotidiennement. Par conséquent, la création d’une gravité artificielle est considérée comme souhaitable à long terme. voyage dans l'espace. Une telle technologie devrait créer des conditions physiologiquement naturelles permettant aux personnes de vivre à bord de l’appareil. Konstantin Tsiolkovsky pensait également que la gravité artificielle aiderait à résoudre de nombreux problèmes médicaux liés aux vols spatiaux habités.
L’idée elle-même repose sur le principe d’équivalence entre la force gravitationnelle et la force d’inertie, qui stipule : « Les forces d’interaction gravitationnelle sont proportionnelles à la masse gravitationnelle du corps, tandis que les forces d’inertie sont proportionnelles à la masse d’inertie. du corps. Si les masses d'inertie et de gravitation sont égales, il est alors impossible de distinguer quelle force agit sur un corps donné plutôt petit : la force gravitationnelle ou la force d'inertie.
Cette technologie présente des inconvénients. Dans le cas d'un appareil à petit rayon, différentes forces affecteront les jambes et la tête : plus on s'éloigne du centre de rotation, plus la gravité artificielle est forte. Le deuxième problème est la force de Coriolis, sous l'influence de laquelle une personne sera secouée lorsqu'elle se déplace par rapport au sens de rotation. Pour éviter cela, l'appareil doit être énorme. Et la troisième question importante est liée à la complexité de développement et d’assemblage d’un tel dispositif. Lors de la création d'un tel mécanisme, il est important de réfléchir à la manière de permettre à l'équipage d'avoir un accès constant aux compartiments de gravité artificiels et de faire en sorte que ce tore se déplace en douceur.
DANS vrai vie Cette technologie n’a pas encore été utilisée pour la construction de vaisseaux spatiaux. Un module gonflable à gravité artificielle a été proposé pour l'ISS afin de démontrer le prototype du vaisseau spatial Nautilus-X. Mais le module coûte cher et créerait des vibrations importantes. Il est difficile de réaliser l'ensemble de l'ISS avec une gravité artificielle avec les fusées actuelles - tout devrait être assemblé en orbite en plusieurs parties, ce qui compliquerait grandement la portée des opérations. Et cette gravité artificielle nierait l’essence même de l’ISS en tant que laboratoire volant en microgravité.
Concept d'un module gonflable en microgravité pour l'ISS.
Mais la gravité artificielle vit dans l’imagination des écrivains de science-fiction. Le vaisseau Hermès du film Le Martien a un tore rotatif au centre, qui crée une gravité artificielle pour améliorer la condition de l'équipage et réduire les effets de l'apesanteur sur le corps.
L'Agence nationale aérospatiale des États-Unis a développé une échelle de niveaux de préparation technologique TRL de neuf niveaux : du premier au sixième - développement dans le cadre de travaux de recherche et développement, à partir du septième et au-dessus - travaux de développement et démonstration des performances technologiques. La technologie du film « Le Martien » ne correspond jusqu’à présent qu’au troisième ou quatrième niveau.
Il existe de nombreuses utilisations de cette idée dans la littérature et les films de science-fiction. Dans la série de romans A Space Odyssey d'Arthur C. Clarke, Discovery One a été décrit comme ayant la forme d'un haltère, dont le but était de séparer réacteur nucléaire avec moteur du quartier résidentiel. L'équateur de la sphère contient un « carrousel » d'un diamètre de 11 mètres, tournant à une vitesse d'environ cinq tours par minute. Cette centrifugeuse crée un niveau de gravité égal à celui de la Lune, ce qui devrait empêcher l’atrophie physique en conditions de microgravité.
"Découverte 1" de "L'Odyssée de l'espace"
Dans la série animée Planetes, la station spatiale ISPV-7 possède d'immenses pièces avec la gravité terrestre habituelle. La zone de vie et la zone de culture sont situées dans deux tores tournant dans des directions différentes.
Même la science-fiction dure ignore le coût énorme d’une telle solution. Les passionnés ont pris comme exemple le navire « Elysium » du film du même nom. Le diamètre des roues est de 16 kilomètres. Poids - environ un million de tonnes. L'envoi de marchandises en orbite coûte 2 700 dollars par kilogramme ; SpaceX Falcon réduira ce chiffre à 1 650 dollars par kilogramme. Mais 18 382 lancements devront être effectués pour livrer cette quantité de matériels. Cela représente 1 650 milliards de dollars américains, soit près d'une centaine de budgets annuels de la NASA.
De véritables colonies dans l’espace, où les gens pourraient profiter de l’accélération habituelle de 9,8 m/s² due à la gravité, sont encore loin. Peut-être que la réutilisation des pièces de fusées et des ascenseurs spatiaux rapprochera une telle ère.
