Cum se creează imponderabilitate artificială pe pământ pentru a antrena astronauți?

1. Ei încarcă astronauții în avion și îl ridică la o înălțime uimitoare, apoi avionul coboară brusc și rezultatul este imponderabilitate.
2. foarte simplu=cad cu avionul de la 15.000 de metri la 3.000 pe un Tu-134 special convertit=-altii pur si simplu nu suporta=de aceea eu personal aleg doar acele companii care zboara exact asa...
3. Avionul trebuie să zboare de-a lungul unei traiectorii parabolice - imponderabilitate este creată timp de 30 de secunde...
4. În practică, în condiții terestre, se observă starea de imponderabilitate:

   în turnuri cu gravitate zero (structuri înalte în interiorul cărora cad liber containere cu echipamente de cercetare);
   în avioane care se deplasează pe traiectorii speciale (alunecări Kepler);
   folosind rachete sonore care se ridică în straturi rarefiate ale atmosferei, după care motoarele lor sunt oprite și intră în cădere liberă.
   O altă modalitate de a obține imponderabilitate în condiții terestre este scufundarea, adică scufundarea unui corp într-un lichid cu o densitate egală cu densitatea corpului. În acest caz, greutatea corpului este echilibrată de forța arhimediană, corpul devine imponderabil, dobândind capacitatea de a se mișca liber în orice direcție. Exact așa se antrenează cosmonauții la Centrul de Formare a Cosmonauților. Yu A. Gagarin pentru munca la stațiile spațiale. Este necesar, totuși, să ne amintim că hidrogravitatea diferă de adevărata imponderabilitate, în primul rând prin prezența rezistenței pe care o are corpul uman. mediu de apă.

   Un model specific al stării de imponderabilitate poate fi o anumită poziție a corpului uman în pat, în care partea superioară a corpului este situată sub linia orizontală - așa-numita poziție anti-ortostatică. În experimente special efectuate, unghiul de înclinare a corpului într-o poziție cu capul în jos a variat de la 4 la -30?. S-a dovedit că cu cât înclinația este mai mare, cu atât efectul imponderabilității pământești este mai puternic. Cercetătorii au ajuns la concluzia că șederea unei persoane de 15 minute la un unghi de -30? poate fi folosit ca test de anduranță în imponderabilitate.

5. La sol sunt piscine, în care se repetă munca în spațiul cosmic în costume spațiale Într-un avion care cade la vârf, sunt câteva secunde de imponderabilitate, la fel pentru antrenament.
6. Acesta va fi creat pe aeronave simulatoare, iar imponderabilitate va dura aproximativ 3-5 minute.
   http://www.atlasaerospace.net/zgrav.htm - uite aici
7. pe un plan special se ridică, apoi scade brusc și se creează imponderabilitate în avion pentru o perioadă scurtă de timp. dar mai ales antrenează-te sub apă cu echipament de scuba
8. Imponderabilitate va fi creată de coborârea bruscă a aeronavei
9. Un nou simulator, Antigravitator, creat la Centrul pentru Construcția Simulatoarelor și Formarea Personalului, vă permite să proiectați imponderabilitate.
   Simulatorul complex de activitate extravehiculară dezvoltat la Centrul de Construcție de Simulatoare și Pregătire a Personalului folosește principiul computer-electro-electromecanic al creării unui spațiu fără suport și a gravitației reduse (imponderabilitate). În el solutii tehnice utilizarea eforturilor musculare de către astronauți a fost redusă la minimum, de exemplu, pentru a muta podul simulatorului și căruciorul acestuia. Simulatorul asigură o reducere bruscă a eforturilor cosmonautului la transferul sarcinii utile, controlând și creând condiții de mișcare în șase grade de libertate. Parametrii care sunt setați la simulator vă permit să simulați gradul de gravitație și să creați condițiile oricărui mediu spațial.
   Se poate presupune că vorbim despre un tip de exoschelet.

Condițiile de imponderabilitate, reproduse pe aeronava laboratorului, sunt cele mai apropiate de condițiile unui zbor spațial real și permit ca majoritatea operațiunilor să fie efectuate în intervale de timp de o valoare dată - 25-30 de secunde. În perioada 1967-1979, astfel de zboruri au fost efectuate pe aeronave de laborator Tu-104A. Din 1980 până în prezent, zborurile cu gravitate zero au fost efectuate folosind aeronave de laborator IL-76 MDK.

Zborurile cu gravitate zero sunt efectuate de-a lungul unei traiectorii numită parabola Kepler. Prin urmare, ele sunt adesea numite „parabolice”. Metodologia pentru efectuarea unor astfel de zboruri de către piloții aeronavelor de laborator a fost atent elaborată. Zborurile parabolice se efectuează după cum urmează. În zona de zbor, aeronava zboară orizontal la o altitudine de șase mii de metri. Apoi avionul accelerează pentru a urca la un unghi de 45 de grade. În zborul în curbe, toți cei aflați la bord sunt supuși supraîncărcărilor de până la 2 g. Acest sentiment de greutate nu durează mult - aproximativ 15 secunde, în timp ce avionul urcă. La o altitudine de nouă mii de metri, pilotul îndepărtează aproape complet forța motorului, iar avionul continuă să zboare prin inerție. De îndată ce forța de inerție, opusă în direcție forței gravitației, devine egală cu aceasta ca mărime, atunci forța gravitațională din interiorul cabinei aeronavei de laborator devine egală cu zero. Prin urmare, greutatea oamenilor și a echipamentelor din interiorul aeronavei este zero și se află într-o stare de imponderabilitate. Acest lucru se întâmplă în partea de sus a parabolei Kepler. Apoi pilotul eliberează volanul și avionul începe o coborâre bruscă la tracțiunea minimă a motorului. Coborârea are loc în același unghi ca și urcarea. Gravitația zero poate dura 22-28 de secunde, în funcție de condițiile de zbor. După această perioadă de timp, echipajul maximizează forța motorului și mută vehiculul în zbor orizontal la o altitudine de șase mii de metri.

Chiar și o persoană care nu este interesată de spațiu a văzut cel puțin o dată un film despre călătoriile în spațiu sau a citit despre astfel de lucruri în cărți. În aproape toate astfel de lucrări, oamenii se plimbă în jurul navei, dorm normal și nu au probleme cu mâncarea. Aceasta înseamnă că aceste nave - fictive - au gravitație artificială. Majoritatea telespectatorilor percep acest lucru ca pe ceva complet natural, dar nu este deloc așa.

Gravitația artificială

Acesta este numele pentru schimbarea (în orice direcție) a gravitației cu care suntem obișnuiți prin aplicare în diverse moduri. Și acest lucru se face nu numai în lucrări fantastice, dar și în situații pământești foarte reale, cel mai adesea pentru experimente.

În teorie, crearea gravitației artificiale nu pare atât de dificilă. De exemplu, poate fi recreat folosind inerția sau, mai precis, nevoia acestei forțe nu a apărut ieri - sa întâmplat imediat, de îndată ce o persoană a început să viseze zboruri spațiale pe termen lung. Crearea gravitației artificiale în spațiu va face posibilă evitarea multor probleme care apar în perioadele prelungite de imponderabilitate. Mușchii astronauților se slăbesc, iar oasele devin mai puțin puternice. Călătoria în astfel de condiții luni de zile poate provoca atrofia unor mușchi.

Astfel, astăzi crearea gravitației artificiale este o sarcină de o importanță capitală, fără această abilitate este pur și simplu imposibil.

Material

Chiar și cei care cunosc fizică doar la nivel curiculumul scolar, înțelegeți că gravitația este una dintre legile fundamentale ale lumii noastre: toate corpurile interacționează între ele, experimentând atracție/repulsie reciprocă. Cu cât corpul este mai mare, cu atât forța gravitațională este mai mare.

Pământul pentru realitatea noastră este un obiect foarte masiv. De aceea, toate trupurile din jurul ei, fără excepție, sunt atrase de ea.

Pentru noi, aceasta înseamnă, care se măsoară de obicei în g, egal cu 9,8 metri pe secundă pătrată. Asta înseamnă că dacă nu am avea suport sub picioare, am cădea cu o viteză care crește cu 9,8 metri în fiecare secundă.

Astfel, doar datorită gravitației suntem capabili să stăm în picioare, să cădem, să mâncăm și să bem în mod normal, să înțelegem unde este sus și unde este jos. Dacă gravitația dispare, ne vom găsi în imponderabilitate.

Cosmonauții care se găsesc în spațiu într-o stare de avânt — cădere liberă — sunt familiarizați în mod special cu acest fenomen.

Teoretic, oamenii de știință știu cum să creeze gravitația artificială. Există mai multe metode.

Masa mare

Cea mai logică opțiune este să o faci atât de mare încât să apară gravitația artificială pe ea. Te vei putea simți confortabil pe navă, deoarece orientarea în spațiu nu se va pierde.

Din păcate, această metodă este nerealistă cu dezvoltarea tehnologiei moderne. Pentru a construi un astfel de obiect este nevoie de prea multe resurse. În plus, ridicarea acestuia ar necesita o cantitate incredibilă de energie.

Accelerare

S-ar părea că, dacă doriți să obțineți un g egal cu cel de pe Pământ, trebuie doar să dați navei o formă plată (asemănătoare unei platforme) și să o faceți să se miște perpendicular pe plan cu accelerația necesară. În acest fel, se va obține gravitația artificială și gravitația ideală.

Cu toate acestea, în realitate totul este mult mai complicat.

În primul rând, merită să luați în considerare problema combustibilului. Pentru ca stația să accelereze constant, este necesar să existe o sursă de alimentare neîntreruptibilă. Chiar dacă apare brusc un motor care nu ejectează materie, legea conservării energiei va rămâne în vigoare.

A doua problemă este însăși ideea de accelerare constantă. Conform cunoștințelor noastre și a legilor fizice, este imposibil să accelerăm la infinit.

În plus, un astfel de vehicul nu este potrivit pentru misiuni de cercetare, deoarece trebuie să accelereze constant - să zboare. Nu se va putea opri pentru a studia planeta, nici măcar nu va putea zbura în jurul ei încet - trebuie să accelereze.

Astfel, devine clar că o astfel de gravitație artificială nu este încă disponibilă pentru noi.

Carusel

Toată lumea știe cum rotirea unui carusel afectează corpul. Prin urmare, un dispozitiv de gravitație artificială bazat pe acest principiu pare a fi cel mai realist.

Tot ceea ce se află în diametrul caruselului tinde să cadă din acesta cu o viteză aproximativ egală cu viteza de rotație. Se dovedește că corpurile sunt acționate de o forță îndreptată de-a lungul razei obiectului care se rotește. Este foarte asemănător cu gravitația.

Deci, este necesară o navă cu formă cilindrică. În același timp, trebuie să se rotească în jurul axei sale. Apropo, gravitația artificială pe o navă spațială, creată conform acestui principiu, este adesea demonstrată în filmele științifico-fantastice.

O navă în formă de butoi, care se rotește în jurul axei sale longitudinale, creează o forță centrifugă, a cărei direcție corespunde razei obiectului. Pentru a calcula accelerația rezultată, trebuie să împărțiți forța la masă.

În această formulă, rezultatul calculului este accelerația, prima variabilă este viteza nodale (măsurată în radiani pe secundă), a doua este raza.

Conform acesteia, pentru a obține g-ul cu care suntem obișnuiți, este necesară combinarea corectă a razei de transport spațial.

O problemă similară este evidențiată în filme precum Intersolah, Babylon 5, 2001: A Space Odyssey și altele asemenea. În toate aceste cazuri, gravitația artificială este aproape de accelerația pământului din cauza gravitației.

Oricât de bună ar fi ideea, este destul de dificil să o implementezi.

Probleme cu metoda caruselului

Cea mai evidentă problemă este evidențiată în A Space Odyssey. Raza „purtatorului spațial” este de aproximativ 8 metri. Pentru a obține o accelerație de 9,8, rotația trebuie să aibă loc cu o viteză de aproximativ 10,5 rotații în fiecare minut.

La aceste valori apare „efectul Coriolis”, care constă în faptul că diferite forțe acționează la distanțe diferite de podea. Depinde direct de viteza unghiulară.

Se pare că gravitația artificială va fi creată în spațiu, dar rotirea prea rapidă a corpului va duce la probleme cu urechea internă. Aceasta, la rândul său, provoacă tulburări de echilibru, probleme cu aparatul vestibular și alte dificultăți - asemănătoare.

Apariția acestui obstacol sugerează că un astfel de model este extrem de nereușit.

Puteți încerca să mergeți de la opus, așa cum au făcut-o în romanul „Lumea inelului”. Aici nava este realizată în formă de inel, a cărui rază este apropiată de raza orbitei noastre (aproximativ 150 de milioane de km). La această dimensiune, viteza sa de rotație este suficientă pentru a ignora efectul Coriolis.

Ai putea presupune că problema a fost rezolvată, dar nu este deloc cazul. Cert este că o revoluție completă a acestei structuri în jurul axei sale durează 9 zile. Acest lucru sugerează că încărcările vor fi prea mari. Pentru ca structura sa le reziste este nevoie de un material foarte rezistent, pe care nu il avem la dispozitie astazi. În plus, problema este cantitatea de material și procesul de construcție în sine.

În jocurile cu teme similare, ca în filmul „Babylon 5”, aceste probleme sunt cumva rezolvate: viteza de rotație este destul de suficientă, efectul Coriolis nu este semnificativ, ipotetic este posibil să se creeze o astfel de navă.

Cu toate acestea, chiar și astfel de lumi au un dezavantaj. Numele său este moment unghiular.

Nava, rotindu-se în jurul axei sale, se transformă într-un giroscop imens. După cum știți, este extrem de dificil să forțați un giroscop să se abată de la axa sa din cauza faptului că este important ca cantitatea sa să nu părăsească sistemul. Aceasta înseamnă că va fi foarte dificil să dai direcție acestui obiect. Cu toate acestea, această problemă poate fi rezolvată.

Soluţie

Gravitația artificială de pe stația spațială devine disponibilă atunci când cilindrul O'Neill vine în ajutor. Pentru a crea acest design, sunt necesare nave cilindrice identice, care sunt conectate de-a lungul axei. Ar trebui să se rotească în direcții diferite. Rezultatul unui astfel de ansamblu este un moment unghiular zero, așa că nu ar trebui să existe nicio dificultate în a da navei direcția necesară.

Dacă este posibil să faci o navă cu o rază de aproximativ 500 de metri, atunci va funcționa exact așa cum ar trebui. În același timp, gravitația artificială în spațiu va fi destul de confortabilă și potrivită pentru zboruri lungi pe nave sau stații de cercetare.

Inginerii spațiali

Creatorii jocului știu să creeze gravitația artificială. Cu toate acestea, în această lume fantastică, gravitația nu este atracția reciprocă a corpurilor, ci o forță liniară menită să accelereze obiectele într-o direcție dată. Atracția aici nu este absolută; se schimbă atunci când sursa este redirecționată.

Gravitația artificială pe stația spațială este creată prin utilizarea unui generator special. Este uniform și echidirecțional în raza de acțiune a generatorului. Deci, în lumea reala, dacă ai ajunge sub o navă care avea instalat un generator, ai fi tras spre carenă. Cu toate acestea, în joc, eroul va cădea până când va părăsi perimetrul dispozitivului.

Astăzi, gravitația artificială în spațiu creată de un astfel de dispozitiv este inaccesibilă umanității. Cu toate acestea, chiar și dezvoltatorii cu părul gri nu încetează să viseze la asta.

Generator sferic

Aceasta este o opțiune de echipament mai realistă. Când este instalat, gravitația este direcționată către generator. Acest lucru face posibilă crearea unei stații a cărei gravitație va fi egală cu cea planetară.

Centrifuga

Astăzi, gravitația artificială pe Pământ se găsește în diferite dispozitive. Ele se bazează, în cea mai mare parte, pe inerție, deoarece această forță este resimțită de noi într-un mod similar cu influența gravitațională - corpul nu distinge cauza care provoacă accelerația. De exemplu: o persoană care urcă într-un lift experimentează influența inerției. Prin ochii unui fizician: ridicarea liftului adaugă accelerația cabinei la accelerația căderii libere. Când cabina revine la mișcarea măsurată, „creșterea” în greutate dispare, revenind la senzațiile obișnuite.

Oamenii de știință sunt de mult interesați de gravitația artificială. O centrifugă este folosită cel mai adesea în aceste scopuri. Această metodă este potrivită nu numai pentru nave spațiale, dar și pentru stațiile terestre unde este necesar să se studieze efectele gravitației asupra corpului uman.

Studiază pe Pământ, aplică în...

Deși studiul gravitației a început în spațiu, este o știință foarte terestră. Chiar și astăzi, progresele în acest domeniu și-au găsit aplicația, de exemplu, în medicină. Știind dacă este posibil să se creeze gravitație artificială pe o planetă, aceasta poate fi folosită pentru a trata probleme ale sistemului musculo-scheletic sau ale sistemului nervos. Mai mult, studiul acestei forțe se realizează în primul rând pe Pământ. Acest lucru face posibil ca astronauții să efectueze experimente rămânând în același timp sub atenția medicilor. Gravitația artificială în spațiu este o altă problemă; acolo nu există oameni care să-i ajute pe astronauți în cazul unei situații neprevăzute.

Ținând cont de imponderabilitate completă, nu se poate lua în considerare un satelit situat pe orbită joasă a Pământului. Aceste obiecte, deși într-o mică măsură, sunt afectate de gravitație. Forța gravitațională generată în astfel de cazuri se numește microgravitație. Gravitația reală este experimentată doar într-un vehicul care zboară cu o viteză constantă în spațiul cosmic. Cu toate acestea, corpul uman nu simte această diferență.

Puteți experimenta imponderabilitate în timpul unui salt în lungime (înainte de deschiderea baldachinului) sau în timpul unei coborâri parabolice a aeronavei. Astfel de experimente sunt adesea efectuate în SUA, dar pe un avion această senzație durează doar 40 de secunde - aceasta este prea scurtă pentru un studiu complet.

În URSS, în 1973, ei știau dacă era posibil să se creeze gravitația artificială. Și nu numai că l-au creat, dar l-au și schimbat într-un fel. Un exemplu izbitor reducerea artificială a gravitației - imersie uscată, imersie. Pentru a obține efectul dorit, trebuie să plasați o peliculă groasă pe suprafața apei. Persoana este așezată deasupra. Sub greutatea corpului, corpul se scufundă sub apă, lăsând doar capul în vârf. Acest model demonstrează mediul fără suport, cu gravitate scăzută, care caracterizează oceanul.

Nu este nevoie să mergeți în spațiu pentru a experimenta forța opusă a imponderabilității - hipergravitația. Când o navă spațială decolează și aterizează într-o centrifugă, supraîncărcarea poate fi nu numai simțită, ci și studiată.

Tratament gravitațional

Fizica gravitațională studiază și efectele imponderabilității asupra corpului uman, încercând să minimizeze consecințele. in orice caz un numar mare de Realizările acestei științe pot fi utile și locuitorilor obișnuiți ai planetei.

Medicii își pun mari speranțe în cercetarea comportamentului enzimelor musculare în miopatie. Aceasta este o boală gravă care duce la moarte timpurie.

În timpul activității fizice active sângele persoana sanatoasa este furnizat un volum mare de enzimă creatin fosfokinază. Motivul acestui fenomen este neclar, poate că sarcina afectează membrana celulară în așa fel încât devine „sără”. Pacienții cu miopatie obțin același efect fără exerciții fizice. Observațiile astronauților arată că în imponderabilitate fluxul de enzimă activă în sânge este redus semnificativ. Această descoperire sugerează că utilizarea imersiei se va reduce impact negativ factori care conduc la miopatie. ÎN acest moment se fac experimente pe animale.

Tratamentul unor boli este deja efectuat folosind date obținute din studiul gravitației, inclusiv gravitația artificială. De exemplu, tratamentul paraliziei cerebrale, al accidentelor vasculare cerebrale și al bolii Parkinson se realizează prin utilizarea costumelor de stres. Cercetările asupra efectelor pozitive ale suportului, pantoful pneumatic, au fost aproape finalizate.

Vom zbura pe Marte?

Ultimele realizări ale astronauților dau speranță pentru realitatea proiectului. Există experiență în furnizarea de asistență medicală unei persoane în timpul unei șederi lungi departe de Pământ. Zborurile de cercetare către Lună, a cărei forță gravitațională este de 6 ori mai mică decât a noastră, au adus și ele o mulțime de beneficii. Acum astronauții și oamenii de știință își stabilesc un nou obiectiv - Marte.

Înainte de a sta la coadă pentru un bilet la Planeta Roșie, ar trebui să știți ce așteaptă corpul deja la prima etapă a lucrării - pe drum. În medie, drumul către planeta deșertică va dura un an și jumătate - aproximativ 500 de zile. Pe parcurs va trebui să te bazezi doar pe propriile forțe, pur și simplu nu există unde să aștepți ajutor.

Mulți factori îți vor submina puterea: stresul, radiațiile, lipsa camp magnetic. Cel mai important test pentru organism este schimbarea gravitației. În timpul călătoriei, o persoană va „face cunoștință” cu mai multe niveluri de gravitație. În primul rând, acestea sunt supraîncărcări în timpul decolării. Apoi - imponderabilitate în timpul zborului. După aceasta - hipogravitația la destinație, deoarece gravitația pe Marte este mai mică de 40% din cea a Pământului.

Cum faci față efectelor negative ale imponderabilității pe un zbor lung? Se speră că evoluțiile în domeniul gravitației artificiale vor ajuta la rezolvarea acestei probleme în viitorul apropiat. Experimentele pe șobolani care călătoresc pe Cosmos 936 arată că această tehnică nu rezolvă toate problemele.

Experiența OS a arătat că utilizarea complexelor de antrenament care pot determina sarcina necesară pentru fiecare astronaut în mod individual poate aduce beneficii mult mai mari organismului.

Deocamdată, se crede că nu numai cercetătorii vor zbura pe Marte, ci și turiștii care doresc să înființeze o colonie pe Planeta Roșie. Pentru ei, cel puțin pentru prima dată, senzațiile de a fi în imponderabilitate vor depăși toate argumentele medicilor despre pericolele șederii prelungite în astfel de condiții. Cu toate acestea, în câteva săptămâni vor avea nevoie și de ajutor, motiv pentru care este atât de important să putem găsi o modalitate de a crea gravitație artificială pe nava spațială.

Rezultate

Ce concluzii se pot trage despre crearea gravitației artificiale în spațiu?

Dintre toate opțiunile luate în considerare în prezent, structura rotativă pare cea mai realistă. Cu toate acestea, cu înțelegerea actuală a legilor fizice, acest lucru este imposibil, deoarece nava nu este un cilindru gol. Există suprapuneri în interior care interferează cu implementarea ideilor.

În plus, raza navei trebuie să fie atât de mare încât efectul Coriolis să nu aibă un efect semnificativ.

Pentru a controla așa ceva, aveți nevoie de cilindrul O'Neill menționat mai sus, care vă va oferi posibilitatea de a controla nava. În acest caz, șansele de a utiliza un astfel de design pentru zborurile interplanetare, oferind echipajului un nivel confortabil de gravitație sunt crescute.

Înainte ca omenirea să reușească să-și îndeplinească visele, aș dori să văd puțin mai mult realism și mai mult mai multe cunoștințe legile fizicii.

Gennady Brazhnik, 23 aprilie 2011
Privind lumea, deschide-ți ochii... (epopeea greacă veche)
Cum se creează gravitația artificială?
Cea de-a 50-a aniversare a explorării spațiului, sărbătorită anul acesta, a arătat potențialul enorm al inteligenței umane în înțelegerea Universului înconjurător. Stația Spațială Internațională (ISS) - cu echipaj stație orbitală- un proiect internațional comun la care participă 23 de țări,
dovedește în mod convingător interesul programelor naționale pentru dezvoltarea atât a celor apropiate, cât și a celor îndepărtate spațiul cosmic. Acest lucru se aplică atât laturii științifice, tehnice și comerciale a problemei luate în considerare. În același timp, principala problemă care stă în calea explorării în masă a spațiului este problema imponderabilității sau absența gravitației asupra obiectelor spațiale existente. "Gravitatie ( gravitația universală, gravitația) este interacțiunea fundamentală universală dintre toate corpurile materiale. În aproximarea vitezelor mici și a interacțiunii gravitaționale slabe, este descrisă de teoria gravitației lui Newton, în cazul general este descrisă de teoria relativității generale a lui Einstein” - aceasta este definiția dată de stiinta moderna acest fenomen. Natura gravitației este în prezent neclară. Evoluțiile teoretice din cadrul diferitelor teorii gravitaționale nu își găsesc confirmarea experimentală, ceea ce sugerează aprobarea prematură a paradigmei științifice privind natura interacțiunii gravitaționale, ca una dintre cele patru interacțiuni fundamentale. În conformitate cu teoria gravitației a lui Newton, forța gravitațională de atracție a Pământului este determinată de expresia F=m x g, unde m este masa corpului și g este accelerația gravitației. „Accelerația gravitației g este accelerația transmisă unui corp în vid de forța gravitației, adică suma geometrică a atracției gravitaționale a unei planete (sau a altui corp astronomic) și a forțelor inerțiale cauzate de rotația sa. În conformitate cu a doua lege a lui Newton, accelerația gravitației este egală cu forța gravitațională, unitatea de masă care acționează asupra unui obiect valoarea standard („normală”) adoptată la construirea sistemelor de unități este g = 9,80665 m/s╡, iar în calculele tehnice se ia de obicei g = 9,81 m/s╡. Valoarea lui g a fost definită ca „medie” într-un anumit sens accelerație datorată gravitației pe Pământ, aproximativ egală cu accelerația datorată gravitației la latitudinea 45,5° la nivelul mării depinde de latitudine, ora din zi și alți factori. Variază de la 9,780 m/s╡ la ecuator la 9,832 m/s╡ la poli.” Această incertitudine științifică ridică și o serie de întrebări legate de constanta gravitațională în Teoria generală relativitatea. Este atât de constant dacă în condițiile gravitației avem o astfel de împrăștiere de parametri. Principalele argumente ale aproape tuturor teoriilor gravitaționale sunt următoarele: „Accelerația gravitațională este formată din două componente: accelerația gravitațională și accelerația centripetă faptul că masa planetei este distribuită pe un volum care are o formă geometrică diferită de o sferă ideală (geoid) eterogenitatea Pământului, care este folosită pentru căutarea mineralelor prin anomalii gravitaționale”. La prima vedere, acestea sunt argumente destul de convingătoare. Cu mai mult considerație detaliată, devine evident că aceste argumente nu explică natura fizica fenomene. În cadrul de referință al Pământului asociat cu accelerația centripetă în fiecare punct geografic sunt localizate toate componentele măsurării accelerației în cădere liberă. Prin urmare, atât obiectul de măsurare, cât și echipamentul măsurat sunt supuse aceleiași influențe, inclusiv masa distribuită a Pământului și anomaliile gravitaționale. Prin urmare, rezultatul măsurării ar trebui să fie constant, dar nu este cazul. În plus, incertitudinea situației este cauzată de valorile teoretice calculate ale accelerației căderii libere la altitudinea de zbor a ISS - g=8,8 m/s(2). Valoarea reală a gravitației locale pe ISS este determinată în intervalul 10(−3)...10(−1) g, ceea ce determină imponderabilitate. Declarații că ISS se mișcă de la prima viteza de evacuare și se află într-o stare de cădere liberă. Dar atunci ce rămâne cu sateliții geostaționari? La această valoare calculată de g, ar fi căzut pe Pământ cu mult timp în urmă. În plus, masa oricărui corp poate fi definită ca o caracteristică cantitativă și calitativă a propriei sarcini electrice. Toate aceste considerații conduc la concluzia că natura gravitației Pământului nu depinde de raportul dintre masele obiectelor care interacționează, ci este determinată de forțele Coulomb ale interacțiunii electrice ale câmpului gravitațional al Pământului. Dacă zburăm într-un zbor orizontal cu un avion, la o altitudine de zece km, atunci legile gravitației sunt pe deplin îndeplinite, dar în timpul aceluiași zbor pe ISS la o altitudine de 350 km, practic nu există gravitație. Aceasta înseamnă că în cadrul acestor înălțimi există un mecanism care permite ca gravitația să fie determinată ca forță de interacțiune a corpurilor materiale. Iar valoarea acestei forțe este determinată de legea lui Newton. Pentru o persoană care cântărește 100 kg, forța de atracție gravitațională la nivelul solului, excluzând presiunea atmosferică, ar trebui să fie F = 100 x 9,8 = 980 N. În conformitate cu datele existente, atmosfera Pământului este o structură neomogenă din punct de vedere electric, a cărei stratificare este determinată de ionosferă. „Ionosfera (sau termosfera) este o parte a atmosferei superioare a Pământului care este puternic ionizată din cauza iradierii razelor cosmice care provin în principal de la Soare. Ionosfera este formată dintr-un amestec de atomi și molecule neutre (în principal azot N2 și. oxigen O2) și plasmă cvasineutră (numărul particulelor încărcate negativ este doar aproximativ egal cu numărul celor încărcate pozitiv Gradul de ionizare devine semnificativ deja la o altitudine de 60 de kilometri și crește constant cu distanța de la Pământ densitatea particulelor încărcate N, straturile D, E și F se disting în stratul D În regiunea D (60-90 km) concentrația de particule încărcate este Nmax ~ 10(2)-10(3) cm. −3 - aceasta este o regiune de ionizare slabă. Principala contribuție la ionizarea acestei regiuni este adusă de razele X solare, de asemenea, un rol mic: meteoriții care arde la altitudini de 60-100 km razele, precum și particulele energetice ale magnetosferei (aduse în acest strat în timpul furtunilor magnetice). Stratul D se caracterizează și printr-o scădere bruscă a gradului de ionizare pe timp de noapte. Stratul E Regiunea E (90-120 km) se caracterizează prin densități de plasmă de până la Nmax~ 10(5) cm−3. În acest strat, se observă o creștere a concentrației de electroni în timpul zilei, deoarece principala sursă de ionizare este radiația solară cu unde scurte și, de asemenea, recombinarea ionilor din acest strat. stratul merge foarte repede și noaptea densitatea ionică poate scădea la 10(3) cm−3. Acest proces este contracarat de difuzia sarcinilor din regiunea F, situata deasupra, unde concentratia ionilor este relativ mare, si de sursele nocturne de ionizare (radiatia geocorona a Soarelui, meteori, raze cosmice etc.). Sporadic, la altitudini de 100-110 km, apare un strat ES, foarte subtire (0,5-1 km), dar dens. O caracteristică a acestui substrat este concentrația mare de electroni (ne~10(5) cm−3), care au un impact semnificativ asupra propagării undelor radio medii și chiar scurte reflectate din această regiune a ionosferei. Stratul E, datorită concentrației relativ mari de purtători de curent liber, joacă rol importantîn propagarea undelor medii și scurte. Stratul F Regiunea F se numește acum întreaga ionosferă peste 130-140 km. Formarea maximă a ionilor se realizează la altitudini de 150-200 km. În timpul zilei, se observă, de asemenea, formarea unui „pas” în distribuția concentrației de electroni cauzată de radiația ultravioletă solară puternică. Regiunea acestui pas este numită regiunea F1 (150-200 km). unde radio scurte. Partea superioară a stratului F până la 400 km se numește stratul F2. Aici densitatea particulelor încărcate ajunge la maxim - N ~ 10(5)-10(6) cm−3 Predomină ionii de oxigen (la o altitudine de 400-1000 km), și chiar mai sus - ionii de hidrogen (protoni) și în cantități mici - ionii de heliu." Cele două teorii moderne ale electricității atmosferice au fost create la mijlocul secolului al XX-lea de savantul englez Charles Wilson și de savantul sovietic Ya I. Frenkel. Conform teoriei lui Wilson, Pământul și ionosfera joacă rolul plăcilor unui condensator încărcat de nori de tunet. Diferența de potențial care apare între plăci duce la apariția unui câmp electric în atmosferă. Conform teoriei lui Frenkel, câmpul electric al atmosferei se explică în întregime prin fenomene electrice care au loc în troposferă - polarizarea norilor și interacțiunea lor cu Pământul, iar ionosfera nu joacă un rol semnificativ în cursul proceselor electrice atmosferice. Generalizarea acestor concepte teoretice de interacțiune electrică în atmosferă implică luarea în considerare a problemei gravitației Pământului din punctul de vedere al electrostaticei. Pe baza faptelor general cunoscute de mai sus, este posibil să se determine valorile interacțiunii electrice gravitaționale a corpurilor materiale în condiții de gravitație. Pentru a face acest lucru, luați în considerare următorul model. Orice corp de energie material, aflat într-un câmp electric, va efectua o anumită interacțiune Coulomb. Depinzând de organizare internă sarcină electrică, fie va fi atras de unul dintre polii electrici, fie va fi într-o stare de echilibru în acest câmp. Gradul de sarcină electrică a fiecărui corp este determinat de propria sa concentrație de electroni liberi (la om, concentrația de globule roșii). Apoi modelul de interacțiune gravitațională a atracției pământului poate fi reprezentat sub forma unui condensator sferic format din două sfere goale concentrice, ale căror raze sunt determinate de raza Pământului și de înălțimea stratului ionosferic F2. Există o persoană sau un alt corp material în acest câmp electric. Sarcina electrică a suprafeței Pământului este negativă, ionosfera este pozitivă în raport cu Pământul. Sarcina electrică a unei persoane în raport cu suprafața Pământului este pozitivă, prin urmare, forța de interacțiune Coulomb de la suprafață va atrage întotdeauna o persoană pe Pământ. Prezența straturilor ionosferice implică faptul că capacitatea electrică totală a unui astfel de condensator este determinată de capacitatea totală a fiecărui strat atunci când este conectat în serie: 1/Tot = 1/C(E)+1/C(F)+1/C (F2). Deoarece se efectuează un calcul ingineresc aproximativ, vom lua în considerare principalele straturi ionosferice energetice, pentru care vom lua următoarele date inițiale: stratul E - înălțime 100 km, stratul F - înălțime 200 km, stratul F2 - înălțime 400 km. km. Pentru simplitate, nu vom lua în considerare stratul D și stratul sporadic Es format în ionosferă în timpul activității solare crescute sau scăzute. În fig. Figura 1 prezintă o diagramă a distribuției straturilor ionosferice ale atmosferei Pământului și o diagramă a circuitului electric a procesului luat în considerare.
Circuitul electric din Fig. 1.a prezintă o conexiune în serie a trei condensatoare, cărora le este furnizată o tensiune constantă Etotal. În conformitate cu legile electrostaticii, distribuția sarcini electrice pe plăcuțele fiecărui condensator C1, C2 și C3 este afișat condiționat +/-. Pe baza acestei distribuții a sarcinilor electrice, în rețea apar intensități locale ale câmpului, ale căror direcții sunt opuse tensiunii generale aplicate. În aceste secțiuni ale rețelei, mișcarea sarcinilor electrice va fi în sens invers, față de Total. Figura 1.b prezintă o diagramă a straturilor ionosferice ale atmosferei Pământului, care este complet descrisă de un circuit electric conexiune serială condensatoare. Forțele de interacțiune Coulomb între straturile ionosferice sunt denumite Fg. În funcție de nivelul de concentrare al sarcinilor electrice, strat superior ionosfera F2 este electric pozitiv față de suprafața pământului. Datorită faptului că particulele de vânt solar, care au diferite energie kinetică, pătrunde în toată adâncimea atmosferei, se va determina forța totală a interacțiunii Coulomb a fiecărui strat suma vectoriala forța gravitațională totală Fg totală și forța gravitațională a unui strat ionosferic separat. Formula de calcul a capacității unui condensator sferic este: C = 4x(pi)x e(a)x r1xr2/(r2-r1), unde C este capacitatea condensatorului sferic; r1 este raza sferei interioare, egală cu suma razei Pământului 6.371,0 km și înălțimea stratului ionosferic inferior; r2 este raza sferei exterioare, egală cu suma razei Pământului și înălțimea stratului ionosferic superior; e(a)=e(0)x e - constantă dielectrică absolută, unde e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Atunci valorile calculate rotunjite pentru capacitatea fiecărui strat ionosferic vor avea următoarele valori: C(E)=47 uF, C(F)=46 uF, C(F2)=25 uF. Capacitatea totală totală a ionosferei, ținând cont de straturile principale, va fi de aproximativ 12 μF. Distanța dintre straturile ionosferice este mult mai mică decât raza Pământului, prin urmare, calculul forței Coulomb care acționează asupra sarcinii poate fi efectuat folosind formula unui condensator plat: Fg= e(a) x A x U (2) /(2xd(2)), unde A este plăcile de suprafață (pi x (Rз+ h)(2)); U - tensiune; d - distanta dintre straturi; e(a)=e(0)x e - constantă dielectrică absolută, unde e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Atunci valorile calculate ale forțelor de interacțiune Coulomb ale fiecărui strat ionosferic vor avea următoarele valori: 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). Să determinăm valoarea stresului atmosferic pentru un corp care cântărește 100 kg. Formula de calcul va avea următoarea formă: F=m x g= Fg(E) + Fgtot. Înlocuind valori cunoscuteîn această formulă, obținem valoarea U = 126 kV. În consecință, forțele de interacțiune coulombiană ale straturilor ionosferice vor fi determinate de următoarele valori: Fg(E)= 920n; Fg(F)= 936n; Fg(F1)= 238n; Fgtotal= 63n. După ce am recalculat accelerația de cădere liberă a fiecărui strat ionosferic, ținând cont de interacțiunea newtoniană, obținem următoarele valori: g(E)= +9,83 m/s(2); g(F)= -8,73 m/s(2); g(F1)= - 1,75 m/s(2). Trebuie remarcat faptul că aceste valori calculate nu iau în considerare parametrii intrinseci ai atmosferei, și anume presiunea și rezistența mediului, cauzate de concentrația de molecule de oxigen și azot în fiecare strat al ionosferei. Ca rezultat al unui calcul ingineresc aproximativ, valoarea obținută g(F1) = -1,75 m/s(2) care este în bună concordanță cu valoarea reală a gravitației locale pe ISS - 10(−3)...10 (−1) g. Discrepanțele în rezultate se datorează faptului că balanța de torsiune utilizată pentru măsurarea accelerației gravitației nu este calibrată pe zonă. valori negative- știința modernă nu se aștepta la asta. Pentru a crea gravitația artificială, trebuie îndeplinite două condiții. Creați un sistem izolat electric în conformitate cu cerințele teoremei Gauss, și anume, asigurați circulația vectorului intensității câmpului electric într-o sferă închisă și asigurați în interiorul acestei sfere intensitatea câmpului electric necesară pentru a crea o forță de interacțiune Coulomb de 1000 N. Intensitatea câmpului poate fi calculată folosind formula: F= e(a) x A x E(2) /2, unde A este aria plăcii; E - intensitatea câmpului electric; e(a)=e(0)x e - constanta dielectrica absoluta, unde e(0)=8.85x10(-12) fm, e ~ 1. Inlocuind datele in formula, pentru 10 mp obtinem valoarea lui intensitatea câmpului electric, egală cu E = 4,75 x 10(6) V/m. Dacă înălțimea camerei este de trei metri, atunci pentru a asigura tensiunea calculată este necesar să se aplice o tensiune constantă la podea-tavan cu o valoare de U = E x d = 14,25 MV. Cu un curent de 1 A, este necesar să se asigure o rezistență a plăcilor unui astfel de condensator de 14,25 MOhm. Prin schimbarea tensiunii, puteți obține diferiți parametri gravitaționali. Ordinul de mărime al calculelor arată că dezvoltarea sistemelor gravitaționale artificiale este o posibilitate reală. Grecii antici aveau dreptate: „Privind lumea, deschide ochii...”. Numai un astfel de răspuns poate fi dat cu privire la natura gravitației pământului. De 200 de ani, omenirea studiază activ legile electrostaticii, inclusiv legea lui Coulomb și teorema lui Gauss. Formula pentru un condensator sferic a fost practic stăpânită de mult timp. Tot ce rămâne este să-ți deschizi ochii lumeași începe să-l folosești pentru a explica ceea ce pare imposibil. Dar când vom înțelege cu toții că gravitația artificială este o realitate, atunci problemele utilizării comerciale a zborurilor spațiale vor deveni relevante și vor fi transparente pentru înțelegere.
Moscova, aprilie 2011 Brazhnik G.N.

Cosmonautica,

Operă științifico-fantastică

Pentru obiectele din spațiu, rotația este un lucru comun. Când două mase se mișcă una față de cealaltă, dar nu spre sau departe una de cealaltă, forța lor gravitațională este . Ca urmare, în sistem solar toate planetele se învârt în jurul soarelui.

Dar acesta este ceva pe care omul nu l-a influențat. De ce se rotesc navele spațiale? Pentru a stabiliza poziția, îndreptați în mod constant instrumentele în direcția corectă și în viitor - pentru a crea gravitație artificială. Să ne uităm la aceste întrebări mai detaliat.

Stabilizarea rotației

Când ne uităm la o mașină, știm în ce direcție merge. Este controlat prin interacțiunea cu mediul extern - aderența roților la drum. Unde se rotesc roțile, toată mașina merge acolo. Dar dacă îl lipsim de această aderență, dacă trimitem mașina pe cauciucuri chele să se rostogolească pe gheață, atunci se va învârti într-un vals, ceea ce va fi extrem de periculos pentru șofer. Acest tip de mișcare apare rar pe Pământ, dar este norma în spațiu.

B.V. Rauschenbach, academician și laureat al Premiului Lenin, a scris în „Spacecraft Motion Control” despre trei tipuri principale de probleme de control al mișcării nava spatiala:

1. Obținerea traiectoriei dorite (controlul mișcării centrului de masă),
2. Controlul orientării, adică obținerea poziției dorite a corpului navei spațiale în raport cu reperele externe (controlul mișcării de rotație în jurul centrului de masă);
3. Cazul în care aceste două tipuri de control sunt implementate simultan (de exemplu, când navele spațiale se apropie una de cealaltă).

Rotirea dispozitivului este efectuată pentru a asigura o poziție stabilă a navei spațiale. Acest lucru este demonstrat clar de experimentul din videoclipul de mai jos. Roata atașată la cablu va lua o poziție paralelă cu podeaua. Dar dacă această roată este mai întâi rotită, își va păstra poziția verticală. Și gravitația nu va interfera cu asta. Și chiar și o sarcină de două kilograme atașată la cel de-al doilea capăt al osiei nu va schimba prea mult imaginea.

Un organism adaptat vieții în condiții de gravitație reușește să supraviețuiască fără el. Și nu numai pentru a supraviețui, ci și pentru a lucra activ. Dar asta mic miracol nu fara consecinte. Experiența acumulată de-a lungul deceniilor de zboruri în spațiu uman a arătat că o persoană se confruntă cu mult stres în spațiu, care afectează și psihicul.

Pe Pământ, corpul nostru luptă cu gravitația, care trage sângele în jos. În spațiu, această luptă continuă, dar nu există forță gravitațională. De aceea astronauții sunt umflați. Crește presiunea intracraniană, iar presiunea asupra ochilor crește. Aceasta deformează nervul optic și afectează forma globilor oculari. Conținutul de plasmă din sânge scade, iar din cauza scăderii cantității de sânge care trebuie pompat, mușchii inimii se atrofiază. Defectul de masă osoasă este semnificativ și oasele devin fragile.

Pentru a combate aceste efecte, oamenii aflați pe orbită sunt nevoiți să facă mișcare zilnic. Prin urmare, crearea gravitației artificiale este considerată de dorit pe termen lung calatoria in spatiu. O astfel de tehnologie ar trebui să creeze condiții fiziologic naturale pentru ca oamenii să trăiască la bordul dispozitivului. De asemenea, Konstantin Tsiolkovsky credea că gravitația artificială ar ajuta la rezolvarea multor probleme medicale ale zborului spațial uman.

Ideea însăși se bazează pe principiul echivalenței dintre forța gravitațională și forța de inerție, care afirmă: „Forțele de interacțiune gravitațională sunt proporționale cu masa gravitațională a corpului, în timp ce forțele de inerție sunt proporționale cu masa inerțială. a corpului. Dacă masele inerțiale și gravitaționale sunt egale, atunci este imposibil să distingem ce forță acționează asupra unui anumit corp destul de mic - forța gravitațională sau inerțială.”

Această tehnologie are dezavantaje. În cazul unui dispozitiv cu o rază mică, diferite forțe vor afecta picioarele și capul - cu cât mai departe de centrul de rotație, cu atât gravitația artificială este mai puternică. A doua problemă este forța Coriolis, datorită influenței căreia o persoană va fi legănată atunci când se mișcă în raport cu direcția de rotație. Pentru a evita acest lucru, dispozitivul trebuie să fie uriaș. Și a treia întrebare importantă este legată de complexitatea dezvoltării și asamblarii unui astfel de dispozitiv. Atunci când se creează un astfel de mecanism, este important să se ia în considerare modul de a face posibil ca echipajul să aibă acces constant la compartimentele de gravitație artificială și cum să facă acest torus să se miște fără probleme.

ÎN viata reala Această tehnologie nu a fost încă folosită pentru construcția de nave spațiale. Un modul gonflabil cu gravitație artificială a fost propus pentru ISS pentru a demonstra prototipul navei spațiale Nautilus-X. Dar modulul este scump și ar crea vibrații semnificative. Realizarea întregii ISS cu gravitație artificială cu rachete actuale este dificil de implementat - totul ar trebui asamblat pe orbită în părți, ceea ce ar complica foarte mult domeniul de aplicare al operațiunilor. Și această gravitație artificială ar anula însăși esența ISS ca laborator de microgravitație zburătoare.

Conceptul unui modul gonflabil de microgravitație pentru ISS.

Dar gravitația artificială trăiește în imaginația scriitorilor de science fiction. Nava Hermes din filmul The Martian are în centru un tor rotativ, care creează gravitație artificială pentru a îmbunătăți starea echipajului și a reduce efectele imponderabilitatii asupra corpului.

Agenția Națională Aerospațială a SUA a dezvoltat o scară de niveluri de pregătire a tehnologiei TRL de nouă niveluri: de la primul la al șaselea - dezvoltare în cadrul activității de cercetare și dezvoltare, de la al șaptelea și mai sus - munca de dezvoltare și demonstrarea performanței tehnologiei. Tehnologia din filmul „Marțianul” de până acum corespunde doar nivelului al treilea sau al patrulea.

Există multe utilizări ale acestei idei în literatura și filmele științifico-fantastice. În seria de romane A Space Odyssey a lui Arthur C. Clarke, Discovery One a fost descrisă ca având forma unei gantere, al cărei scop era separarea. reactor nuclear cu motor din zona rezidentiala. Ecuatorul sferei conține un „carusel” cu un diametru de 11 metri, care se rotește cu o viteză de aproximativ cinci rotații pe minut. Această centrifugă creează un nivel de gravitație egal cu cel al Lunii, care ar trebui să prevină atrofia fizică în condiții de microgravitație.

„Discovery One” din „A Space Odyssey”

În seria anime Planetes, stația spațială ISPV-7 are camere uriașe cu gravitația obișnuită a Pământului. Zona de locuit și zona de creștere sunt situate în doi tori care se rotesc în direcții diferite.

Chiar și ficțiunea hard science-fiction ignoră costul enorm al unei astfel de soluții. Entuziaștii au luat ca exemplu nava „Elysium” din filmul cu același nume. Diametrul roții este de 16 kilometri. Greutate - aproximativ un milion de tone. Trimiterea mărfurilor pe orbită costă 2.700 USD pe kilogram, SpaceX Falcon va reduce această cifră la 1.650 USD pe kilogram. Dar 18.382 de lansări vor trebui efectuate pentru a livra această cantitate de materiale. Este vorba de 1 trilion 650 de miliarde de dolari SUA - aproape o sută de bugete anuale ale NASA.

Așezările reale din spațiu, unde oamenii se pot bucura de accelerația obișnuită de 9,8 m/s² datorită gravitației, sunt încă departe. Poate că reutilizarea pieselor de rachetă și a ascensoarelor spațiale va aduce o astfel de eră mai aproape.