Штучна гравітація
Так називають зміну (у будь-яку сторону) звичної для нас тяжкості шляхом застосування різних способів. І робиться це не тільки у фантастичних творах, але і в цілком реальних земних ситуаціях, найчастіше, для експериментів.У теорії створення штучної гравітації виглядає не так складно. Наприклад, відтворити її можна за допомогою інерції, точніше, відцентрової сили. Потреба в цій силі виникла не вчора – сталося це відразу, як тільки людина почала мріяти про тривалих космічних перельотах. Створення штучної гравітації в космосі дасть можливість уникнути безлічі проблем, що виникають при тривалому перебуванні в невагомості. У космонавтів слабшають м'язи, кістки стають менш міцними. Подорожуючи в таких умовах місяці, можна отримати атрофію деяких м'язів. Таким чином, на сьогоднішній день створення штучної гравітації – завдання першорядної важливості, освоєння космосу без цього вміння просто неможливо.
Матчастину
Навіть ті, хто знають фізику лише на рівні шкільної програми, розуміють, що гравітація – один з фундаментальних законів нашого світу: всі тіла взаємодіють один з одним, випробовуючи взаємне тяжіння/відштовхування. Чим більше тіло, тим вище його сила тяжіння.Земля для нашої реальності - об'єкт дуже масивний. Саме тому всі без винятку тіла навколо до неї притягуються. Для нас це означає прискорення вільного падіння, яке прийнято вимірювати в g, рівне 9.8 метра за квадратну секунду. Це означає, що якщо б під ногами у нас не було опори, ми б падали зі швидкістю, щосекунди збільшується на 9.8 метра. Таким чином, тільки завдяки гравітації ми здатні стояти, падати, нормально їсти і пити, розуміти, де знаходиться верх, де низ. Якщо тяжіння зникне – ми опинимося в невагомості. Особливо добре знайомі з цим феноменом космонавти, виявляються в космосі в стані ширяння – вільного падіння. Теоретично вчені знають, як створити штучну гравітацію. Існує кілька методик.
Велика маса
Самий логічний варіант – зробити космічний корабель настільки великим, щоб на ньому виникала штучна гравітація. На кораблі можна буде почувати себе комфортно, оскільки не буде втрачена орієнтація у просторі. На жаль, цей спосіб при сучасному розвитку технологій нереальний. Щоб спорудити такий об'єкт, потрібно занадто багато ресурсів. Крім того, для його підйому буде потрібно неймовірна кількість енергії.Прискорення
Здавалося б, якщо потрібно досягти g, дорівнює земній, потрібно лише надати кораблю плоску (платформообразную) форму, і змусити його рухатися по перпендикуляру до площини з потрібне прискоренням. Таким шляхом буде отримана штучна гравітація, причому – ідеальна.Проте в реальності все набагато складніше. У першу чергу варто врахувати паливний питання. Для того, щоб станція постійно прискорювалася, необхідно мати безперебійне джерело живлення. Навіть якщо раптово з'явиться двигун, не викидає матерію, закон збереження енергії залишиться в силі. Друга проблема полягає в самій ідеї постійного прискорення. Згідно з нашим знанням і фізичним законам, неможливо прискорюватися до нескінченності. Крім того, такий транспорт не підходить для дослідницьких місій, оскільки він повинен постійно прискорюватися – летіти. Він не зможе зупинитися для вивчення планети, він навіть повільно пролетіти навколо неї не зможе – треба прискорюватися. Таким чином, стає ясно, що і така штучна гравітація нам поки що недоступна.
Карусель
Кожен знає, як обертання каруселі впливає на тіло. Тому пристрій штучної гравітації за цим принципом видається найбільш реальним. Все, що знаходиться в діаметрі каруселі, прагне випасти з неї зі швидкістю, приблизно рівною швидкості обертання. Виходить, що на тіла діє сила, спрямована вздовж радіуса обертового об'єкта. Це дуже схоже на гравітацію. Отже, потрібно корабель, що має циліндричну форму. При цьому він повинен обертатися навколо своєї осі. Між іншим, штучна гравітація на космічному кораблі, створена за цим принципом, досить часто демонструється в науково-фантастичних фільмах. Бочкоподібний корабель, обертаючись навколо поздовжньої осі, створює відцентрову силу, напрямок якої відповідає радіусу об'єкта. Щоб обчислити отримується прискорення, потрібно розділити сили на масу. Знає фізику людям порахувати це буде зовсім не складно: a = ?2R. У цій формулі результат розрахунків – прискорення, перша змінна – вузлова швидкість (вимірюється в кількості радіан на секунду), друга – радіус. Згідно з цим, для отримання звичної нам g, необхідно грамотно поєднувати кутову швидкість і радіус космічного транспорту. Подібна проблема висвітлена в таких фільмах, як «Интерсолах», «Вавілон 5», «2001 рік: Космічна одіссея» та їм подібних. У всіх цих випадках штучна гравітація наближена до земного прискорення вільного падіння.Як би не була хороша ідея, реалізувати її досить складно.
Проблеми методу «карусель»
Сама очевидна проблема висвітлена в «Космічної одіссеї». Радіус «космічного перевізника» становить близько 8 метрів. Для того щоб отримати прискорення в 9.8 обертання повинно відбуватися зі швидкістю, приблизно, 10.5 обороту щохвилини. При зазначених величинах проявляється «ефект Коріоліса», який полягає в тому, що на різному видаленні від підлоги діє різна сила. Вона безпосередньо залежить від кутової швидкості. Виходить, штучна гравітація в космосі буде створена, однак занадто швидке обертання корпусу призведе до проблем з внутрішнім вухом. Це, в свою чергу, викликає порушення рівноваги, проблеми з вестибулярним апаратом та інші аналогічні – труднощі. Виникнення цієї перепони говорить про те, що подібна модель вкрай невдала. Можна спробувати піти від зворотного, як надійшли в романі «Світ-Кільце». Тут корабель виконаний у формі кільця, радіус якого наближений до радіуса нашої орбіти (близько 150 млн км). При такому розмірі швидкості його обертання цілком достатньо, щоб ігнорувати ефект Коріоліса. Можна припустити, що проблема вирішена, однак це зовсім не так. Справа в тому, що повний оборот цієї конструкції навколо своєї осі займає 9 днів. Це дає можливість припустити, що навантаження виявляться занадто великі. Для того щоб конструкція їх витримала, необхідний дуже міцний матеріал, яким на сьогоднішній день ми не маємо. Крім того, проблемою є кількість матеріалу і безпосередньо процес побудови. В іграх подібної тематики, як і у фільмі «Вавилон 5», ці проблеми якимось чином вирішені: цілком достатня швидкість обертання, ефект Коріоліса не суттєвий, гіпотетично створити такий корабель можливо. Однак навіть такі світи мають недолік. Звати його – момент імпульсу. Корабель, обертаючись навколо осі, перетворюється у величезний гіроскоп. Як відомо, змусити гіроскоп відхилитися від осі вкрай складно завдяки моменту імпульсу. Важливо, щоб його кількість не покидало систему. Це означає, що напрямок цього об'єкту буде дуже складно. Однак таку проблему вирішити можна.Рішення проблеми
Штучна гравітація на космічній станції стає доступною, коли на допомогу приходить «циліндр о'ніла». Для створення цієї конструкції необхідні однакові циліндричні кораблі, які з'єднують вздовж осі. Обертатися вони повинні в різні сторони. Результатом такої збірки є нульовий момент імпульсу, тому не повинно виникнути труднощів з доданням кораблю необхідного напрямку. Якщо можливо зробити корабель радіусом близько 500 метрів, то він буде працювати саме так, як і повинен. При цьому штучна гравітація в космосі буде цілком комфортною і придатною для тривалих перельотів на кораблях або дослідних станціях.
Space Engineers
Як створити штучну гравітацію, відомо творцям гри. Втім, в цьому фантастичному світі гравітація – це не взаємне тяжіння тіл, але лінійна сила, покликана прискорити предмети в заданому напрямку. Тяжіння тут не абсолютно, воно змінюється при перенаправленні джерела. Штучна гравітація на космічній станції створюється шляхом використання спеціального генератора. Вона рівномірна і равнонаправленна в зоні дії генератора. Так, в реальному світі, потрапивши під корабель, в якому встановлений генератор, ви б були притягнуті до корпусу. Однак у грі герой буде падати до тих пір, поки не покине периметр дії пристрою. На сьогоднішній день штучна гравітація в космосі, створена таким пристроєм, для людства недоступна. Однак навіть побілені сивинами розробники не перестають мріяти про неї.Сферичний генератор
Це більш реалістичний варіант обладнання. При його установці гравітація має напрямок до генератора. Це дає можливість створити станцію, гравітація якої буде дорівнює планетарної.Центрифуга
Сьогодні штучна гравітація на Землі зустрічається в різних пристроях. Засновані вони, здебільшого, на інерції, оскільки ця сила відчувається нами аналогічно гравітаційному впливу – організм не розрізняє, яка причина викликає прискорення. Як приклад: людина, що піднімається в ліфті, відчуває на собі вплив інерції. Очима фізика: підйом ліфта додає до прискорення вільного падіння прискорення кабіни. При поверненні кабіни до розміреного руху «надбавка» у вазі зникає, повертаючи звичні відчуття. Вчених давно цікавить штучна гравітація. Центрифуга використовується для цих цілей найчастіше. Цей метод підходить не тільки для космічних кораблів, але і для наземних станцій, в яких потрібно вивчати вплив гравітації на людський організм.Вивчити на Землі, застосовувати в
Хоча вивчення гравітації почалося з космосу, це дуже земна наука. Навіть на сьогоднішній день досягнення в цій сфері знайшли своє застосування, наприклад, в медицині. Знаючи, можливо створити штучну гравітацію на планеті, можна використовувати її для лікування проблем з руховим апаратом або нервової системи. Більш того, вивченням цієї сили займаються передусім на Землі. Це дає змогу космонавтам проводити експерименти, залишаючись під пильною увагою лікарів. Інша річ штучна гравітація в космосі, там немає людей, здатних допомогти космонавтам при виникненні непередбаченої ситуації. Маючи на увазі повну невагомість, не можна брати в розрахунок супутник, що знаходиться на навколоземній орбіті. На ці об'єкти, нехай і в малій мірі, впливає земне тяжіння. Силу тяжіння, що утворюється в таких випадках, називають микрогравитацией. Реальну гравітацію відчувають тільки в апараті, що летить з постійною швидкістю у відкритому космосі. Втім, людський організм цю різницю не відчуває. Випробувати на собі невагомість можна при затяжному стрибку (до того, як купол розкриється) або під час параболічного зниження літака. Такі експерименти часто ставлять в США, але в літаку це відчуття триває лише 40 секунд – це занадто мало для повноцінного вивчення. В СРСР ще в 1973 році знали, чи можна створити штучну гравітацію. І не просто створювали її, але і в деякому роді змінювали. Яскравий приклад штучного зменшення сили тяжіння – сухе занурення, імерсія. Для досягнення необхідного ефекту потрібно покласти щільну плівку на поверхню води. Чоловік розміщується поверх неї. Під вагою тіла організм занурюється під воду, нагорі залишається лише голова. Ця модель демонструє безопорность зі зниженою гравітацією, яка характерна для океану. Немає необхідності вирушати у космос, щоб відчути на собі вплив протилежної невагомості сили – умов гіпергравітації При зльоті і посадці космічного корабля, в центрифузі перевантаження можна не тільки відчути, але й вивчити.