adsby.ru → Навколишній світ

Навіщо космічні апарати обертаються? Штучна гравітація перестає бути фантастикою Збільшити гравітацію

У космосі, хоча всі маси у Всесвіті підкоряються силі гравітації, як завжди, не відчувається «верха» та «низу», як на Землі, оскільки космічний корабельі все, що на борту, прискорюється гравітацією з однаковою швидкістю.

Якщо помістити людину в космос, подалі від гравітаційних впливів, які вони відчувають на поверхні Землі, він відчуває невагомість. Хоча всі маси Всесвіту продовжать притягувати його, вони продовжать притягувати і космічний корабель, тому людина плаватиме всередині. У серіалах та фільмах типу «Зоряний шлях», «Зоряні війни», «Бойовий крейсер „Галактика“ та багатьох інших нам завжди показують, як члени команди стабільно стоять на підлозі корабля незалежно від інших умов. Це потребувало б можливості створення штучної гравітації – але з урахуванням законів фізики в тому вигляді, в якому ми їх знаємо сьогодні, це дуже важке завдання.

Капітан Габріель Лорка на містку "Діскавері" під час симуляції битви з клінгонами. Усю команду притягує „вниз“ штучна гравітація – на сьогодні технологія в галузі наукової фантастики

З гравітацією пов'язаний важливий урок принципу еквівалентності: система відліку, що рівномірно прискорюється, не відрізняється від гравітаційного поля. Якщо ви перебуваєте в ракеті і не можете глянути назовні, у вас не буде способу зрозуміти, що відбувається: вас притискає вниз сила гравітації або рівномірне прискорення ракети в одному напрямку? Ця ідея призвела до формулювання загальної теорії відносності, і, більш ніж через сто років, це найправильніше з відомих нам опис гравітації і прискорення.

Ідентична поведінка м'яча, що падає на підлогу, в ракеті, що прискорюється, і на Землі демонструє принцип еквівалентності Ейнштейна

Є ще один трюк, який ми могли б використати: змусити корабель обертатись. Замість лінійного прискорення (розгінної сили ракети) можна отримати відцентрове, в якому людина на борту відчуватиме, як його притягує корпус корабля. Цим знаменитий фільм „2001: космічна одіссея“, і ця сила при достатньо великому кораблібула б невідмінна від гравітації.

Але це все. Три типи прискорення – гравітаційний, лінійний і обертальний – єдині у нашому розпорядженні сили, що надають гравітаційний вплив. І для тих, хто перебуває на борту космічного корабля, це велика, велика проблема.

Концепція космічної станції 1969 року, яку передбачалося збирати на орбіті із використаних щаблів програми „Аполло“. Станція мала обертатися навколо центральної осі і породжувати штучну гравітацію.

Чому? Тому що для подорожі в іншу зоряну систему доведеться прискорювати корабель шляхом туди, а після прибуття – уповільнювати. Якщо ви не зможете захиститися від цих прискорень, на вас чекає фіаско. Наприклад, щоб розігнатися до „імпульсної швидкості“ „Зоряного шляху“, до кількох відсотків від швидкості світла, довелося б витримати прискорення 4000 g протягом години. Це в 100 разів більше прискорення, яке запобігатиме струму крові у вашому тілі – дуже неприємна ситуація, як не крути.

Запуск шатла Колумбія в 1992 році показує, що прискорення ракети відбувається не миттєво, а триває тривалий час, багато хвилин. У космічного корабля прискорення мало бути набагато більшим, ніж може витримати людське тіло

Більше того, якщо ви не хочете бути невагомим під час довгого шляху, і наражатись на жахливі біологічні ефекти на кшталт втрати кісткової маси та космічної сліпоти, необхідно, щоб на ваше тіло діяла постійна сила. Для інших сил, окрім гравітації, це було б проблемою. Наприклад, для електромагнітного впливу можна було б помістити команду в провідну оболонку і це усувало всі зовнішні електромагнітні поля. А потім усередині можна було б влаштувати дві паралельні пластини та організувати постійне електричне поле, що змушувало б заряди рухатися у певному напрямку.

Ех, якби гравітація працювала так само.

Схематична діаграма конденсатора, дві паралельні провідні пластини якого мають однакові за величиною і різні по знаку заряди, що створює між ними електричне поле

Жодних „гравітаційних провідників“ не існує, і від гравітації не можна захиститися. Неможливо створити рівномірне гравітаційне поле між якими пластинами в певній ділянці простору. Причина в тому, що на відміну від електрики, що створюється позитивними та негативними зарядами, гравітаційний „заряд“ буває одного типу, маса-енергія. Сила гравітації завжди притягує, і з цим нічого не вдієш. Прийде робити все можливе з трьома доступними типамиприскорення – гравітаційним, лінійним та обертальним.

Переважна більшість кварків та лептонів Всесвіту складаються з матерії, але для кожного з них існують і частинки антиматерії, гравітаційні маси яких не визначені

Єдиним способом створити штучну гравітацію, здатну захистити вас від ефектів прискорення корабля і надати вам постійне тяжіння вниз без прискорення, було б відкрити новий тип негативної гравітаційної маси. У всіх відкритих нами частинок і античастинок маса позитивна, але це інерційні маси, тобто маси, що стосуються прискорення або створення частинок (тобто це m з рівнянь F = ma і E = mc 2). Ми показали, що інерційна та гравітаційна маси для всіх відомих частинок збігаються, але поки що не проводили достатньо ретельних перевірок для антиматерії та античастинок.

Колаборація ALPHA ближче за інші експерименти підійшла до вимірювання поведінки нейтральної антиматерії в гравітаційному полі

І в цій галузі експерименти йдуть прямо зараз! В експерименті ALPHA на ЦЕРН отримали антиводень - стабільну форму нейтральної антиматерії - і зараз працюють над ізоляцією її від інших частинок на низьких швидкостях. Якщо він виявиться досить чутливим, ми зможемо виміряти, в який бік антиматерія рухатиметься у гравітаційному полі. Якщо вона падатиме вниз, як і звичайна, тоді її гравітаційна маса більша за нуль, і її не можна використовувати для створення гравітаційного провідника. Але якщо вона падатиме вгору, це змінить все. Єдиний експериментальний результат раптово зробить штучну гравітацію фізично можливу.

Можливість отримати штучну гравітацію спокуслива, але потребує існування негативної гравітаційної маси. Такою масою може стати антиматерія, але це поки що невідомо.

Якщо антиматерія матиме негативну гравітаційну масу, тоді зробивши стелю кімнати з антиматерії, а підлогу з матерії, ми зможемо створити штучне гравітаційне поле, що постійно притягує вас „вниз“. Побудувавши оболонку корабля з гравітаційного провідника, ми захистимо всіх усередині нього сил надвисокого прискорення, яке інакше було б смертельним. І, що найпрекрасніше, люди в космосі більше не страждатимуть від негативних фізіологічних ефектів, від порушення вестибулярного апарату до атрофії серцевого м'яза, які докучають сучасним космонавтам. Але доки ми не відкриємо частинку (або набір частинок) із негативною гравітаційною масою, штучну гравітацію можна буде отримати лише через прискорення.

— Чи правда, що в космосі немає тяжіння?

— НІ, правда: закон Всесвітнього тяжіння діє скрізь.

Чому ж тоді космонавти «літають» усередині свого корабля, пристібаються до ліжка на час сну і ловлять «чіпси, що літають» по всій каюті?

Вони відчувають невагомість тому, що рухаються по колу(навколо Землі) з величезною швидкістю (7,9 кілометрів на секунду); приблизно це можна продемонструвати, наливши в маленьке цебро води і сильно розкрутивши. Вода не виливатиметься, її притискатиме до денця «відцентровою силою», а точніше — силою інерції: оскільки інерція діє прямолінійно, а «заокруглення» траєкторії руху постійно змінює напрямок руху.

Саме інерція руху при круговій орбіті навколо Землі — і компенсує силу тяжкості. Якби космічний корабель не летів із цією швидкістю — а був нерухомим — він одразу звалився б на Землю — не важливо, що він знаходиться на відстані кілька сотень кілометрів від Землі: її сила тяжіння величезна і поширюється на дуже велике (теоретично — нескінченне) відстань. Якби з землі стирчала величезна вежа, заввишки 500 кілометрів (приблизно на такій висоті постійно рухається МКС), і ми стояли б на вершині цієї вежі — то не відчували б ніякої невагомості, а звичайне тяжіння Землі (хіба що трохи менше, ніж на поверхні).

Отже Космос, у цьому плані, нічим особливим не відрізняється; але тільки в космосі, де немає атмосфери, можна рухатися з такою величезною швидкістю, щоб можна було компенсувати земне тяжіння. А чи можливо якимось способом «отримати» невагомість на Землі? Це досить приємне відчуття, коли ніщо не змушує м'язи напружуватися. Коли можна парити, не торкаючись предметів, один раз відштовхнутися ногами — і пролетіти величезну відстань — причому швидко, швидше, ніж людина, що біжить! Напевно чудово було б відвідати якийсь спеціальний салон, де надають послуги «невагомості»!

Але на Землі з цим проблема. Вода відпадає: хоч людина у воді і може «не падати на дно», і в принципі може не спливати — а ніби «зависати» на місці — це все ж таки ніяка не невагомість. Якщо під водою довго перебувати вниз головою, то кров приллє до мозку так само, як і на суші. М'язи будуть так само напружені, як і в іншому місці Землі: на них діє така сама сила тяжіння, і органи тіла, у тому числі внутрішні, будуть мати звичайну вагу. Невагомість – це щось зовсім інше!

Мабуть, єдино можливий спосіб створити повну втрату ваги - це перебувати на бортушвидкознижуєтьсялітака. І те, тривалість такого ефекту не більше кількох хвилин. Можна, звичайно, просто підстрибнути — але тоді в невагомості тіло буде менше секунди. Під час затяжного стрибка з парашутом, невагомість хоч і триватиме довше — але не буде повною, через тертя, що сильно зросло, про повітря, яке до певної міри стане «твердим», як опора і тіло відчуває деяку вагу.

А чи існує хоча б теоретично спосіб отримати невагомість без

необхідності руху або падіння, в нерухомій лабораторії, причим необмежено довго?

Так, але суто теоретично: побудувати такий заклад уцентрі Землі! Так, у самому її центрі (у центрі мас), у надрах, у ядрі: вся маса земної куліперебуватиме зовні і надаватиме гравітаційний вплив на відвідувача такого «клубу» з усіх боків одночасно і з однаковою силою. Результуючий напрямок сили тяжіння дорівнюватиме НУЛЮ — людина(або будь-який предмет) зависне і нікуди не падатиме. Фактично, таке звичайно не можливе (в найближчі пару-трійку мільярдів років) — через величезний темпратури та колосального тиску в надрах Землі, але на якомусь іншому небесному тілі, В принципі ймовірно.

Ну а якщо все-таки на Землі, і трохи реальніший спосіб, ніж у земному ядрі?

Мабуть можна, але мало сподобається іншим земним жителям: розігнати швидкість обертання планетиприблизно у 17 разів! Доба на Землі триватиме близько півтори години (40 хвилин на день і приблизно стільки ж ніч). Зате — будь-де на екваторі буде справжня невагомість! Поверхня Землі, в екваторіальній частині, рухатиметься з тією ж швидкістю, з якою обертаються супутники, тобто з першої космічної; сила інерції на цій широті повністю компенсує земне тяжіння і можна буде літати! Але, літатимуть не лише люди, і в цьому є проблема…

Усі предмети: ключі, запальнички, головні убори, стільці, валізи, велосипеди, автомобілі — все буде не на землі — а там, де їм «заманеться». Дрібне каміння, середнє каміння, величезні камені будуть плавати в повітрі, зіштовхуватися, розлітатися, підлітати до землі, ударятися, потім відстрибувати, підніматися дуже високо, повертатися — загалом це такий переполох… Вся земля, загалом, не монолітна скеля, а накладені один на інший камені, піщинки, порошинки і таке інше. Все це більше не буде пригнічено до землі і переміщатиметься безладно. Від пилу нічого не буде видно. Будинки, до

котрі стоять на фундаменті, на 90 відсотків тримаються на тяжінні Землі, яке перестане мати місце. Цілі гори, які підпирає знизу земна мантія станутьвідриватися і відлітати. А вода? Ну звичайно ж, вода теж згорнеться в дрібні краплі або великі кулі і буде літати, прописана пилом. Причому води буде дуже багато — всі океани миттєво прихлинуть туди, де менша сила ваги. Разом з океанами прилетить все, з усієї планети, що зможе відірватисья: все опиниться на екваторі або в повітрі біля нього. Усю планету "роздмухує" на екваторі - і вона з кулі перетворитися на сильно сплюснутий еліпсоїд. Вогненно-рідка мантія з надр теж підніметься, за всім іншим. А повітря? Повітря величезним фонтаном викидатиметься в екваторіальній площині далеко в космос, частина потім повертатиметься на полюси — потім знову притікатиме до екватора і вириватиметься назовні. Ураган буде суцільний, безперервний і по-звірячому-сильний. У поєднанні з усіма легкими — середніми і важкими предметами, що літають у повітрі, напевно це буде суцільне пекло.

Так, за такого сценарію краще вже копати у бік ядра… Може все-таки є «нормальний» спосіб «спродукувати» невагомість? Щоб не чіпати цілу планету, а викопати бункер під якоюсь горою: гора зверху, близько: притягує вгору. А центр Землі далеко – притягує донизу. Адже можна досягти «балансу»?

Тоді доведеться «закопатися» до третини радіусу Землі, а гора має бути розміром з Місяць… Хоча… Треба, щоб гора була з такого матеріалу, щоб він був у сто тисяч разівщільніше за золото! Звичайна гора, вагою мільярд тонн — мала розмір кілька метрів. Ось таку «болванку» покласти на дах бункера — і буде перший у світі пансіонат, у якому пропонують розважитись у невагомості! Потрібно тільки добре зміцнити конструкцію стелі тому, що таке важке тіло таких маленьких розмірів — продавить усе на світі, і поступово зануриться в надра землі… І ще… Потрібно якось відламати мільярд тонн такої речовини від найближчої згаслої Білого Карликаі привезти його.

І все ж, якщо серйозніше: невже не існує жодного реального способу? використовувати анти-гравітацію, або заекранувати трохи тяжіння знизу, або увімкнути штучну гравітацію зверху? Потрібно підняти всього тіло людини, в кілька десятків кілограм, адже не потрібна для цього величезна енергія? Ліфт же піднімає, та й ноги щодня піднімають ого-го на яку висоту... Збільшити багаторазово власну вагу можна на центрифузі, або навіть на простій каруселі. Може можна так само легко якось зменшити? Це ж, в принципі, не суперечитиме закону збереження енергії? Анти-матерію вже давно отримали, може її можна якось використати?

Анти-матерія не дає анти-гравітації: за великим рахунком це та ж матерія, що тільки має протилежний електричний заряд. На гойдалках-каруселях можна отримати невагомість – але короткочасно; загалом той самий ефект, як і від звичайного «стрибка»: пів-секунди втрати ваги, а потім стільки ж навантаження. Спосіб створення довготривалої невагомості на Земліпоки що не відомий. Хоча, швидше за все, можливість має бути.

Може, хтось уже придумав? Напишіть коментар або запитайте у друзів у соц. мережах:

Гравітація – одна з фундаментальних сил Всесвіту. Він визначає світ, як ми знаємо, пов'язуючи космос разом. Без гравітації все буде постійно відходити від решти. Це такий основний будівельний блок фізики, що ми часто сприймаємо це як належне. Страшно думати, що станеться, якщо хтось просто поверне метафоричну гравітацію Землі. Ми були б викинуті з поверхні Землі до космосу через інерцію обертального руху Землі. Якби ми відключили гравітацію Сонця, нічого не вийшло б, якби сонячна системабула разом. Ми стали свідками хаосу в неймовірних масштабах, коли планети стикалися одна з одною, і метеори нападали на нас, як буря руйнувань.

Однак так само важливо, як і гравітація, є деякі сценарії, в яких певний ступінь контролю над ним був би надзвичайно корисним. Уявіть, що ви без літаків літаєте або перевозите важкі предмети майже без зусиль. В даний час астронавти зазнають безліч фізіологічних змін під час невагомих космічних подорожей, і більшість цих змін негативно впливають на них. Вони страждають від м'язової дистрофії, втрати кісткової маси, дезорієнтації та інших нульових ефектів. Тому міжзоряна подорож була б набагато легшою, якби гравітація могла бути синтезована штучно. Що відбувається, має спуститися, чи не так? Це факт? Чим більше ви, тим складніше ви падаєте? Правда чи вигадка?

Тепер погляньмо, наскільки ми близькі до фактичного використання сили тяжіння.

Визначення сили тяжіння

Як імітувати гравітацію?

Обертання приводило б у рух будь-який об'єкт усередині космічного корабля до основи і від центру обертання. Резистивна сила від основи корпусу діятиме як нормальна сила, що діє на нас земною поверхнеюпри стоянні. Відцентрова сила, що підштовхує нас до основи корпусу, діятиме як гравітаційна сила, яку Земля чинить на нас.

Однак є одна застереження. У цій системі штучні рівні дуже різняться залежно від відстані від центру обертання. Отже, штучна гравітація, яка випробовується на ногах, була б більшою, ніж у голови. Це може зробити рух та зміну положення тіла незручним. Однак цей ефект можна було б зменшити, якщо радіус судна був набагато більшим за висоту середньої людини.

Лінійне прискорення: подорож у космічному роликовому каботажі

Збільшення швидкості, тобто. прискорення відбувається через сили тяжіння. Це основна причина, чому коли ми вільно падаємо, наша швидкість збільшується. Це прискорення можна моделювати як прискорюючого космічного корабля. Космічний апарат із постійним прискоренням по прямій призвів би до появи гравітаційного тяжіння у протилежному напрямку. Це призведе до того, що об'єкт буде прискорений, щоб випробувати силу, що його тягне назад. Якщо вам цікаво, наскільки комфортно це буде в постійному прискоренні, не турбуйтеся, тому що це ви відчуваєте весь час через гравітаційну тягу Землі, роликові підставки та спортивні автомобілі. Крім того, тіло не знатиме, що воно рухається, якщо немає прискорення. Думаю про це

Земля обертається близько 1700 кілометрів на годину на екваторі, але ми цього не відчуваємо, тому що ця швидкість є постійною і прискорення немає.

Лінійне прискорення в космічних польотах вимагатиме величезної кількості ракетного палива, тоді як стратегія обертання не вимагає постійного застосуваннясили. Проте, потрібне постійне лінійне прискорення, оскільки крім штучної гравітації воно теоретично може забезпечити відносно короткий час польоту навколо сонячної системи.

Магнетизм :

Існує метод, за допомогою якого ефекти гравітації можуть бути створені за допомогою діамагнетизму, але для цього потрібні надзвичайно сильні магнітні поля. З такими сильними магнітними полями сумнівно, що він колись буде безпечним для використання людьми. Експериментально жаби і навіть щури були левітовані проти гравітації Землі, але це дуже малий масштаб. Машини, що використовують діамагнітизм для імітації сили тяжіння, можуть бути використані для безпечного забезпечення умов низької тяжкості, а міцність подібна до тієї, що може мати місце при місячній або марсіанській гравітації.

Жива жаба, що левітує всередині магнітного поля

Пара-гравітація:

Передбачалося, що штучно змодельована гравітація в космічному апараті, який не є ні, що обертається, ні прискорюється, також відомий як «парагравітація», не існує, але в даний час немає підтвердженої техніки, яка може імітувати гравітацію, відмінну від механічного або магнітного прискорення. Тим не менш, Мерфі з Interstellar розібрався в цьому, тому що це було тяжко?

Крім вищезгаданих методів існують простіші методи, що дозволяють звести нанівець ефекти гравітації та отримати майже нульові умови. Ці величезні людські центрифуги з довгою рукою, що обертається, які ми бачимо в мультфільмах і фільмах, насправді дуже корисні при підготовці астронавтів до високим умовампід час запуску.

Нейтральна плавучість – ще одна техніка, в якій люди навчаються вирішувати проблеми низького рівня, виконуючи прості завдання у моделюваному середовищі плавального басейну.

Нейтральна плавучість не є невагомістю, оскільки ми все ще можемо відчувати напрямок тяжіння під водою, але це дуже близько наближається до умов космічного польоту.

Б.В. Раушенбах, соратник Корольова, розповів про те, як у того виникла ідея створення штучної тяжкості на космічному кораблі: наприкінці зими 1963 року головного конструктора, який розчищав доріжку від снігу біля свого будиночка на вулиці Останкінській, можна сказати, осяяло. Не дочекавшись понеділка, він зателефонував Раушенбаху, який жив неподалік, і незабаром вони разом почали «розчищати дорогу» до космосу для тривалих польотів.
Ідея, як найчастіше буває, виявилася простою; вона і повинна бути простою, інакше на практиці може нічого не вийти.

Для повноти картини. Березень 1966, американці на "Джеміні-11":

О 11:29 "Джеміні-11" був відстикований від "Аджени". Почалося найцікавіше: як поведуться два об'єкти, пов'язані тросом? Спочатку Конрад намагався ввести зв'язку у гравітаційну стабілізацію – щоб ракета висіла внизу, корабель угорі та трос був натягнутий.
Проте відійти на 30 м, не порушивши сильних вагань, не вдалося. Об 11:55 перейшли до другої частини експерименту – «штучна вага». Конрад ввів зв'язку у обертання; Трос спочатку натягнувся по кривій лінії, але через 20 хв випростався і обертання стало цілком правильним. Конрад довів його швидкість до 38 ° / хв, а після вечері до 55 ° / хв, створивши тяжкість на рівні 0,00078g. «На дотик» це не відчувалося, але речі потихеньку осіли на дно капсули. О 14:42 після трьох годин обертання штир був відстрілений, і «Джеміні» пішов від ракети.

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версіяроботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Цілі та завдання дослідження

Метою моєї науково дослідницької роботиє розгляд такої фундаментальної взаємодії як гравітація, її явищ та проблема космічних поселень зі штучним тяжінням, розгляд особливостей використання різного видудвигунів для створення штучної гравітації, розвиток уявлень про життя в космосі в умови штучної гравітації та вирішення проблем, що виникають під час створення цього проекту, інтеграція патентів передових технологій до вирішення проблем штучної гравітації.

Актуальність дослідження.

Космічні поселення є видом космічних станцій, на яких людина змогла б проживати протягом тривалого часу або навіть все життя. Для створення таких поселень потрібно продумати всі необхідні умови для оптимальної життєдіяльності - систему життєзабезпечення, штучну силу тяжкості, захист від космічних впливів тощо. І хоча реалізувати всі умови досить складно, низка письменників-фантастів та інженерів вже створила кілька проектів, за якими, можливо, в майбутньому буде створено дивовижні космічні поселення.

Значимість та новизна дослідження.

Штучна гравітація є перспективним напрямокм для досліджень, адже вона забезпечить довготривале перебування у космосі та можливість далеких космічних перельотів. Побудова космічних поселень може дати кошти на подальших досліджень; якщо запустити програму космічного туризму, що буде дуже дорогим задоволенням, космічні корпорації отримають додатковий потік фінансування, і дослідження можна буде проводити у всіх напрямках, не обмежуючись можливостями.

Гравітація. Гравітаційні явища. Гравітація.

Гравітація - один із чотирьох типів фундаментальних взаємодій, або іншими словами - така сила тяжіння, спрямована до центру маси будь-якого об'єкта та до центру мас скупчення об'єктів; що більше маса, то вище гравітація. При віддаленні від об'єкта сила тяжіння до нього прагне нуля, але у ідеальних умовах не зникає ніколи. Тобто, якщо уявити абсолютний вакуум без жодної зайвої частинки будь-якого походження, то в цьому просторі будь-які об'єкти, які мають хоч нескінченно малу масу, за відсутності будь-яких інших зовнішніх силбудуть притягуватися один до одного на будь-якій нескінченно далекій відстані.

При мінімальних швидкостях гравітація описується механікою Ньютона. А при швидкостях, порівнянних зі швидкістю світла, гравітаційні явища описуються СТО.

А. Ейнштейна.

У рамках механіки Ньютона гравітація описується законом всесвітнього тяжіння, Який говорить, що два точкових (або сферичних) тіла притягуються один до одного з силою прямо пропорційною добутку мас цих тіл, обернено пропорційною квадрату відстані між ними і діючою вздовж прямої, що з'єднує ці тіла.

У наближенні великих швидкостей гравітація пояснюється СТО, яка має два постулати:

Принцип відносності Ейнштейна, який говорить про те, що природні явищаоднаково протікають у всіх інерційних системах відліку.

Принцип сталості швидкості світла, який говорить про те, що швидкість світла у вакуумі постійна (суперечить закону складання швидкостей).

Для опису гравітації розроблено особливе розширення теорії відносності, у якому допускається кривизна простору-часу. Тим не менш, динаміка навіть у рамках СТО може включати гравітаційну взаємодію, поки потенціал гравітаційного поля набагато менший. Слід зазначити, що СТО перестає працювати у масштабах всього Всесвіту, вимагаючи заміни на ЗТО.

Гравітаційні явища.

Найяскравішим гравітаційним явищем вважається тяжіння. Також існує інше явище, пов'язане з гравітацією – невагомість.

Завдяки гравітаційним силамми ходимо по землі, і наша планета існує, як і весь Всесвіт. Але що станеться, якщо ми покинемо планету? Ми відчуватимемо одне з яскравих гравітаційних явищ - невагомість. Невагомість - такий стан тіла, при якому на нього не діють ніякі сили крім гравітаційних, або скомпенсовані ці сили.

Астронавти, які перебувають на МКС, перебувають у стані невагомості, що негативно позначається на їхньому здоров'ї. При переході з умов земної гравітації до умов невагомості (насамперед при виході космічного корабля на орбіту), у більшості космонавтів спостерігається реакція організму, звана синдромом космічної адаптації. При тривалому (більшому тижні) перебування людини в космосі відсутність гравітації починає викликати в організмі певні зміни, які мають негативний характер. Перший і найочевидніший наслідок невагомості - стрімке атрофування м'язів: мускулатура фактично вимикається з діяльності людини, в результаті погіршуються всі Фізичні характеристикиорганізму. Крім того, наслідком різкого зменшення активності м'язових тканин є скорочення споживання організмом кисню, і через надлишок гемоглобіну може знизитися діяльність кісткового мозку, що синтезує його. Також є підстави вважати, що обмеження рухливості порушує фосфорний обмін у кістках, що призводить до зниження їхньої міцності.

Для того, щоб позбутися негативних ефектів невагомості, необхідно створити штучне тяжіння в космосі.

Штучна гравітація та космічні поселення. Ранні дослідження XX ст.

Ціолковський запропонував теорію ефірних поселень, які були тором, який повільно обертається навколо своєї осі. Але тоді такі ідеї були утопією і всі його проекти залишилися на ескізах.

Перший опрацьований проект було запропоновано австрійським ученим Германом Нордрунгом у 1928 році. Це також була станція у формі тора, що включає житлові модулі, електрогенератор і астрономічний обсерваторний модуль.

Наступний проект був запропонований Вернером фон Брауном, провідним спеціалістом американської космічної програми, він також був тороподібною станцією, де люди жили б і працювали в приміщеннях, з'єднаних в один великий коридор. Проект Вернера був одним із пріоритетних напрямів НАСА до появи проекту Skylab у 60-х.

Skylab – перша та єдина національна орбітальна станція США, призначалася для технологічних, астрофізичних, медико-біологічних досліджень, а також для спостереження Землі. Запущена 14 травня 1973, прийняла три експедиції на кораблях «Аполлон» з травня 1973 по лютий 1974, зійшла з орбіти і зруйнувалася 11 липня 1979 року.

Далі в 1965 році Американським космічним товариством було висунуто припущення, що ідеальною формою для космічних поселень буде тор, оскільки всі модулі розташовані разом, сила тяжіння матиме максимальну величину. Проблема штучної гравітації була багато в чому вирішеною.

Наступним проект висунув Джерард О'Нілл, він припускав створення колоній, для яких пропонується використовувати два гігантські розміри циліндра, ув'язнених у раму і обертаються в різні боки. Ці циліндри обертаються навколо своєї осі зі швидкістю близько 0,53 обороту на хвилину, рахунок чого у колонії створюється звична в людини сила тяжкості.

У 1975 р. Паркер висунув проект створення колонії діаметром 100 м і завдовжки 1 км, віддаленої відстань близько 400 000 км від Землі та Місяця і розрахованого на 10 000 людина. Обертання навколо поздовжньої осі зі швидкістю 1 обороту за 21 секунду створить у ньому близьку до земної гравітацію.

У 1977 р. науковим співробітником Дослідницького центру Еймса (НАСА) Річардом Джонсоном та професором Чарльзом Холброу з Університету Колгейта вийшла робота «Космічні поселення», в якій розглядалися перспективні дослідження поселень у формі тора.

У 1994 році під керівництвом д-ра Родні Гелловея за участю наукових співробітників та лаборантів Лабораторії Філіпса та Лабораторії Сандія, а також інших дослідницьких центрів ВПС США та Космічного дослідницького центру Аризонського університету було складено об'ємне керівництво для проектування космічних поселень у формі.

Сучасні дослідження.

Одним з сучасних проектівв області космічних поселень є Стенфордський тор, який є прямим нащадком ідей Вернера фон Брауна.

Стенфордський тор був запропонований НАСА протягом літа 1975 студентами Стенфордського університету з метою осмислити проект майбутніх космічних колоній. Пізніше Джерард О’Ніл представив свій «Острів Один» або «Сферу Бернала» як альтернативу тору. «Стенфордський тор», тільки в більш детальній версії, що є концепцією кільцеподібної космічної станції, що обертається, був представлений Вернером фон Брауном, а також австрійським інженером словенського походження Германом Поточником.

Він є тор діаметром близько 1,8 кілометра (для проживання 10 тисяч осіб, як описувалося в роботі 1975 року) і обертається навколо своєї осі (оборот за хвилину), створюючи на кільці штучну гравітацію в 0,9 - 1 g за рахунок відцентрової сили.

Сонячне світло надходить усередину через систему дзеркал. Кільце з'єднується зі маточкою через «спиці» -коридори для руху людей та вантажів до осі та назад. Ступиця – вісь обертання станції – найкраще підходить для стикувального вузла прийому космічних кораблів, оскільки штучна гравітація тут незначна: тут знаходиться нерухомий модуль, пристикований до осі станції.

Внутрішній простір тора є житловим, він досить великий для створення штучної екосистеми, природного оточення і всередині подібно до довгої вузької льодовикової долині, чиї кінці, зрештою, згинаються вгору, щоб сформувати коло. Населення живе тут в умовах, подібних до густонаселеного передмістя, причому, всередині кільця є відділення для заняття сільським господарством, та житлова частина. (Додаток 1)

Космічні поселення та штучна гравітація у культурі. Elysium

Світи-кільця, якими вони представлені, наприклад, у фантастичному бойовику Елізіум або відеогрі Halo, є, мабуть, одними з найцікавіших ідей для космічних станцій майбутнього. В «Елізіумі» станція знаходиться близько до Землі і, якщо ігнорувати її розміри, має певну частку реалістичності. Проте найбільша проблема тут полягає у її «відкритості», що вже лише на вигляд — чиста фантастика.

"Можливо, найспірнішим питанням щодо станції "Елізіум" є її відкритість для космічного середовища".

«У фільмі показано, як космічний корабель просто сідає на галявину після того, як прилітає з відкритого космосу. Тут немає жодних стикувальних шлюзів тощо. Адже така станція має бути повністю ізольована від зовнішнього середовища. В іншому випадку атмосфера тут довго не затримається. Можливо, відкриті ділянки станції можна буде захистити якимось невидимим полем, яке дозволить сонячному світлу проникати всередину та підтримувати життя у висаджених тут рослинах та деревах. Але поки що це лише фантастика. Таких технологій немає».

Сама ідея станції у формі кілець чудова, але поки що нереалізована.

Star Wars

Майже кожен любитель науково-фантастичних фільмів знає, що таке «Зірка смерті». Це така велика сіра та кругла космічна станція з кіноепопеї. Зоряні війни», що зовні дуже нагадує Місяць. Це міжгалактичний знищувач планет, який по суті сам є штучною планетою, що складається зі сталі та населеної штурмовиками.

Чи можемо ми насправді побудувати таку штучну планету і борознити на ній простори галактики? Теоретично — так. Тільки на це знадобиться неймовірна кількість людських та фінансових ресурсів.

Питання будівництва «Зірки смерті» порушувалося навіть американським Білим будинком, після того, як суспільство надіслало відповідну петицію для розгляду. Офіційна відповідь влади гласила, що тільки на сталь для будівництва потрібно 852 000 000 000 000 000 доларів.

Але навіть якщо питання фінансів не було б пріоритетним, то людство не має технологій, щоб відтворити «Зірку смерті», оскільки необхідна величезна кількість енергії для її руху.

(Додаток 2)

Проблеми реалізації проекту космічних поселень.

Космічні поселення є перспективним напрямом у космічній галузі майбутнього, але як завжди є труднощі, які необхідно подолати для виконання цього завдання.

Початкові капітальні витрати;

Внутрішні системижиттєзабезпечення;

створення штучної сили тяжіння;

Захист від ворожих зовнішніх умов:

від радіації;

забезпечення тепла;

від сторонніх об'єктів;

Вирішення проблем штучної гравітації та космічних поселень.

Початкові капітальні витрати - цю проблему можна вирішити спільно, якщо люди відкладуть свої особисті амбіції і працюватимуть на благо великої мети. Адже лише від нас залежить майбутнє людства.

Внутрішні системи життєзабезпечення - вже зараз на МКС присутні системи для повторного використання води, але цього мало, за умови достатності місця на орбітальній станції можна знайти місце для оранжереї в якій будуть рости рослини, що виділяють максимум кисню, також має місце створення гідропонічних лабораторій для вирощування ГМО, які зможуть постачати продовольство все населення станції.

Створення штучної сили тяжіння не така вже й складна задача, як доставка величезної кількості палива необхідного для обертання станції.

1. Є кілька шляхів вирішення проблеми.
  1. 1. Якщо потрібно порівняти ефективність різних типівдвигунів, інженери зазвичай говорять про питомий імпульс. Питома імпульс визначається як зміна імпульсу на одиницю маси витраченого палива. Таким чином, чим ефективніший двигун, тим менше палива потрібне для виведення ракети в космос. Імпульс, своєю чергою, є результатом дії сили протягом певного часу. Хімічні ракети, хоч і мають дуже великий потяг, працюють лише кілька хвилин, тому характеризуються дуже низьким питомим імпульсом. Іонні двигуни, здатні працювати роками, можуть мати високий питомий імпульс за дуже низької тяги.

Використовувати стандартний підхід та застосувати до вирішення проблеми реактивні двигуни. Розрахунки показують, що при використанні будь-якого відомого реактивного двигуна будуть потрібні величезні кількості палива, щоб утримувати станцію хоча б рік.

Питомий імпульс I (ЗРД) = 4,6

Питома імпульс I (РДТТ) = 2,65

Питома імпульс I (ЕРД) = 10

Питомий імпульс I (Плазмовий двигун) = 290

Така витрата палива за 1 рік, отже, використовувати реактивні двигуни нерозумно.

Розглянемо елементарний випадок.

Нехай у нас є карусель, яка є нерухомою. Тоді, якщо ми закріпимо n число однополярних електромагнітів по краю каруселі так, щоб сила їхньої взаємодії була максимальною, отримаємо наступне: якщо ми включимо електромагніт №1 так що він буде діяти на електромагніт №2 з силою в x разів більше, ніж другий діє на перший, то згідно з III законом Ньютона сила дії електромагніту №1 на №2 з боку №2 буде компенсована силою реакції опори каруселі, що виведе карусель зі стану спокою. Тепер виключимо №1, піднімемо силу №2 до №1 і включимо №3 із силою, що дорівнює №2 на попередньому етапі і якщо продовжувати цю процедуру, то досягнемо обертання каруселі. Застосувавши цей спосіб до космічної станції ми отримаємо вирішення проблеми штучної гравітації.

(Додаток 3).

Захист від ворожих умов середовища

патентовласник Ребеко Олексій Геннадійович

Винахід відноситься до методів та засобів захисту екіпажу та обладнання від іонізуючого випромінювання (заряджених частинок високої енергії) при космічних польотах. Згідно винаходу навколо космічного апарату створюють захисне статичне електричне або магнітне поле, яке локалізують в просторі між двома вкладеними один в одного замкнутими поверхнями, що не торкаються. Захищений простір космічного апарату обмежено внутрішньою поверхнею, а зовнішня поверхня ізолює апарат і простір, що захищається від міжпланетної плазми. Форма поверхонь може бути довільною. При використанні електричного захисного поля на вказаних поверхнях утворюють заряди однієї величини та протилежного знака. У такому конденсаторі електричне поле зосереджено у просторі між поверхнями-обкладками. У разі магнітного поля поверхнями пропускають струми протилежного напрямку, а співвідношення сили струмів підбирають так, щоб мінімізувати значення залишкового поля зовні. Бажана форма поверхонь у цьому випадку – тороїдальна, для забезпечення суцільного захисту. Під дією сили Лоренца заряджені частинки рухатимуться по криволінійних траєкторіях, що відхиляють, або замкнутим орбітам між поверхнями. Можливе одночасне застосування електричного та магнітного поля між поверхнями. При цьому в простір між поверхнями може бути поміщений матеріал для поглинання заряджених частинок: наприклад, рідкий водень, вода або поліетилен. Технічний результат винаходу спрямований на створення надійного, суцільного (геометрично безперервного) захисту від космічної радіації, на спрощення конструкції засобів захисту та зниження енерговитрат на підтримку захисного поля.

патентовласникВідкрите акціонерне товариство "Ракетно-космічна корпорація "Енергія" ім. С.П. Корольова"

Система терморегулювання космічного апарату та орбітальної станції, що містить замкнуті контури охолодження та обігріву, пов'язані через, принаймні, один проміжний рідинно-рідинний теплообмінник, системи управління та вимірювання, клапанно-розподільчу та дренажно-заправну арматуру, при цьому контур обігріву , газорідинні та змійникові теплообмінники та термоплати, а в контурі охолодження послідовно встановлені, принаймні, один спонукач циркуляції, регулятор витрати рідини, один вихід якого підключений через перший зворотний клапан до входу змішувача потоків теплоносія, а інший через другий зворотний клапан - до входу радіаційного теплообмінника, вихід якого підключений до другого входу змішувача потоків, вихід змішувача потоків пов'язаний з'єднувальним трубопроводом з теплоприймальною порожниною проміжного рідинно-рідинного теплообмінника, вихід з якої підключений до спонукача циркуляції, на сполучному трубопроводі встановлені датчики температури, електрично пов'язані через систему управління рідини, яка відрізняється тим, що в контур охолодження додатково введені два електронасосні агрегати, причому вхід першого електронасосного агрегату через фільтр підключений до виходу теплоносія з теплоприймальної порожнини проміжного рідинно-рідинного теплообмінника, а його вихід підключений до другого зворотного клапана і паралельно, через фільтр другого електронасосного агрегату, вихід якого підключений до першого зворотного клапана, при цьому кожен електронасосний агрегат забезпечений датчиком перепаду тиску, а на трубопроводі, що з'єднує вихід змішувача потоків з теплоприймальною порожниною рідинно-рідинного теплообмінника, встановлено додатковий датчик температури, електрично пов'язаний через систему управління з першим електронасосним агрегатом.

Існує безліч способів захисту від сторонніх тіл.

Використовувати нестандартні двигуни, такі як електромагнітний прискорювач зі змінним питомим імпульсом;

Обернути астероїд пластиковим сонячним вітрилом, що відбиває, використовуючи вкриту алюмінієм плівку типу PET;

«Пофарбувати» або посипати об'єкт діоксидом титану (білий колір) або сажею (чорний), щоб викликати ефект Ярковськогота змінити його траєкторію;

Вчений-планетолог Юджин Шумейкер у 1996 році запропонував випускати хмара пари на шляху об'єктадля його обережного уповільнення. Нік Забо в 1990 році намалював схожий задум, «аеродинамічний гальмування комети»: комета або льодова конструкція націлюється на астероїд, після чого ядерні вибухивипаровують лід та формується тимчасова атмосфера на шляху астероїда;

Прикріпити до астероїда важкий баласт, щоб за допомогою усунення центру тяжіння змінити його траєкторію;

Використати лазерну абляцію;

Використовувати ударно-хвильовий випромінювач;

Ще один «безконтактний» метод був нещодавно запропонований вченими Ц. Бомбарделі та Дж. Пелез з Технічного університетуМадрид. У ньому пропонується використовувати іонну гарматуз низькою дивергенцією, спрямовану на астероїд з корабля, що знаходиться поруч. Кінетична енергія, що передається через іони, що доходять до поверхні астероїда, як і у випадку з гравітаційним буксиром створить слабку, але постійну силу, здатну відхилити астероїд, і при цьому буде використовуватися більш легкий корабель.

Підрив ядерного пристрою над, або під поверхнею астероїда є потенційним варіантом відображення загрози. Оптимальна висота вибуху залежить від складу та розміру об'єкта. У разі загрози з боку купи уламків, щоб уникнути їхнього розсіювання, пропонується зробити радіаційну імплозію, тобто підрив над поверхнею. При вибуху енергія, що вивільнилася, у вигляді нейтронів і м'яких рентгенівських випромінювань (які не проникають крізь речовину) перетворюється на тепло при досягненні поверхні об'єкта. Тепло перетворює речовину об'єкта на викид, і він зійде з траєкторії, наслідуючи третій закон Ньютона, викид попрямує в один бік, а об'єкт — на протилежний.

Електромагнітна катапульта- це автоматична система, що знаходиться на астероїді, що випускає речовину, з якої він складається, в космос. Тим самим він повільно зрушується та втрачає масу. Електромагнітна катапульта повинна працювати як система з низьким питомим імпульсом: використовувати багато палива, але мало енергії.

Сенс полягає в тому, що якщо використовувати речовину астероїда як паливо, то кількість палива не така важлива, як кількість енергії, яка, найімовірніше, буде обмежена.

Ще один можливий спосіб - розташувати електромагнітну катапульту на Місяці, націливши її на навколоземний об'єкт, для того, щоб скористатися орбітальною швидкістю природного супутниката його необмеженим запасом «кам'яних куль».

Висновок.

Проаналізувавши подану інформацію стає зрозуміло, що штучна гравітація — це цілком реальне явище, яке матиме широке застосування в космічній галузі, як тільки ми подолаємо всі труднощі, пов'язані з цим проектом.

Космічні поселення я бачу у тому вигляді, який запропонував фон Браун: тороподібні світи з оптимальним використанням простору та із застосуванням передових технологій для забезпечення тривалої життєдіяльності, а саме:

Використання передових технологій для забезпечення потреб станції:

Гідропоніка
- Рослини не потрібно багато поливати. Води витрачається набагато менше, ніж при вирощуванні на ґрунті на городі. Незважаючи на це, при правильному доборі мінеральних речовин та компонентів рослини не пересихатимуть чи гнитимуть. Це відбувається за рахунок отримання достатньої кількості кисню.
  
  Великим плюсом є те, що такий метод дозволяє захистити рослини від багатьох хвороб та шкідників. Самі рослини не вбиратимуть у себе шкідливі речовини з ґрунту.
  
  Відтак буде максимальна врожайність, що повністю покриє потреби мешканців станції.

Регенерація води

Конденсація вологи із повітря.

Очищення використаної води.

Переробка урини та твердих відходів.

За енергозабезпечення відповідатиме кластер ядерних реакторів, які будуть екрановані згідно з патентом № 2406661 адаптованого на витіснення радіоактивних частинок за межі станції.

Завдання зі створення космічних поселень важке, але здійсненне. Я сподіваюся, що в найближчому майбутньому, зважаючи на швидкий розвиток науки і техніки, всі необхідні передумови для створення та розвитку космічних поселень на основі штучної гравітації будуть виконані. Мій посильний внесок у цю потрібну справу буде оцінено. Майбутнє людства лежить у освоєнні космосу та переходу на новий, перспективніший, екологічно чистий виток спіралі розвитку людства.

Програми

Додаток 1. Стенфордський тор

Додаток 2. Зірка смерті, Елізіум.

Додаток 3. Схема обертального руху.

Рівнодійна сил у першому наближенні (тільки взаємодія магнітів). У результаті станція здійснює обертальний рух. Що нам і потрібне.

Список літератури

АЛЯКРИНСЬКИЙ. Людина живе у космосі. Невагомість: плюс чи мінус?

Барер, М. Ракетні двигуни.

Добровольський, М. Рідкісні ракетні двигуни. Основи проектування.

Дорофєєв, А. Основи теорії теплових ракетних двигунів

Матвєєв. Механіка та теорія відносності: Підручник для студентів вузів.

М'якішів. Молекулярна фізиката термодинаміка.

М'якішів. фізика. Механіка.

М'якішів. фізика. Електродинаміка.

Рассел, Д. Гідропоніка.

Санько. Астрономічний словник.

Сивухін. Загальний курсфізики.

Фейнман. Фейнманівські лекції з гравітації.

Ціолковський. Праці з ракетної техніки.

Шилейка. В океані енергія.

Голубєв І.Р. та Новіков Ю.В. Довкіллята її охорона

Захлібний О.М. Книга для читання з охорони навколишнього середовища

Звєрєв І. Охорона природи та екологічне вихованняшколярів.

Іванов А.Ф. Фізичний експеримент із екологічним змістом.

Кисельов С.В. Демонстрація парникового ефекту.

Інтернет ресурси:

https://ua.wikipedia.org/wiki/Заголовна_сторінка

http://www.roscosmos.ru

http://allpatents.ru