Вы можете не интересоваться космосом, но наверняка читали о нем в книгах, видели в фильмах и играх. В большинстве произведений, как правило, присутствует гравитация - мы не обращаем на нее внимания и воспринимаем как данность. Вот только это не так.

Массивные притягивают сильнее, меньшие - слабее.

Матчасть

Земля это как раз такой массивный объект. Поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, смартфон или компьютер - все притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и никогда не задумываемся о такой мелочи.

Главное следствие притяжения Земли для нас - ускорение свободного падения, также известное как g. Оно равно 9,8 м/с². Любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 метров скорости каждую секунду.

Благодаря этому эффекту мы ровно стоим на ногах, различаем «верх» и «низ», роняем вещи, и так далее. Убери притяжение Земли - и все привычные действия перевернутся с ног на голову.

Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Они заново учатся пить, ходить, справлять базовые нужды.

Вот несколько примеров.

При этом в упомянутых фильмах, сериалах, играх и прочей фантастике гравитация на космических кораблях «просто есть». Создатели даже не объясняют, откуда она там появилась - а если и объясняют, то неубедительно. Какие-то «генераторы гравитации», принцип работы которых неизвестен. Это никак не отличается от «просто есть» - лучше вообще не объяснять в таком случае. Так честнее.

Теоретические модели искусственной гравитации

Создать искусственную гравитацию можно несколькими способами.

Много массы

Первый (и самый «правильный») вариант - увеличить корабль, сделать его очень массивным. Тогда гравитационное взаимодействие будет обеспечивать требуемый эффект.

Но нереальность данного способа очевидна: для такого корабля нужно очень много материи. Да и с равномерностью распределения гравитационного поля нужно что-то делать.

Постоянное ускорение

Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g?

Таким образом нужный эффект будет достигнут - но есть несколько проблем.

Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никуда не пропадет.

Во-вторых, проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Наши физические законы гласят: ускоряться вечно нельзя. Теория относительности же говорит обратное.

Даже если корабль периодически будет менять направление, для обеспечения искусственной гравитации он должен постоянно куда-то лететь. Никаких зависаний вблизи планет. Если корабль остановится, то гравитация пропадет.

Так что и такой вариант нам не подходит.

Карусель-карусель

А вот тут уже начинается самое интересное. Все знают, как работает карусель - и какие эффекты испытывает человек в ней.

Всё, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. Со стороны карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса. Вполне себе «гравитация».

Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси . Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике.

При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. Поделив силу на массу, мы получим искомое ускорение.

Высчитывается все это по незамысловатой формуле:

A=ω²R,

где a - ускорение, R - радиус вращения, а ω - угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду (радиан это примерно 57,3 градуса).

Что нам нужно для нормальной жизни на воображаемом космическом крейсере? Комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чье производное выдаст в итоге 9,8 м/с².

Нечто подобное мы видели в ряде произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика, сериал «Вавилон 5», «Интерстеллар» Нолана, роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена, вселенная игр Halo.

Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g - все логично. Однако и в этих моделях существуют проблемы.

Проблемы «карусели»

Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на примере «Космической одиссеи». Радиус корабля составляет примерно 8 метров - для достижения ускорения, равного g, требуется угловая скорость примерно в 1,1 рад/с. Это примерно 10,5 оборотов в минуту.

При таких параметрах в силу вступает «эффект Кориолиса» - на разной «высоте» от пола на движущиеся тела действует разная сила. И зависит она от угловой скорости.

Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем вращать корабль слишком быстро, поскольку это приведет к внезапным падениям и проблемам с вестибулярным аппаратом. А с учетом формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля.

Поэтому модель «Космической одиссеи» отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями в «Интерстелларе», хотя там с цифрами уже все не так очевидно.

Вторая проблема находится с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом, примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким образом он вращается с вполне удовлетворительной скоростью для того, чтобы человек не заметил эффект Кориолиса.

Казалось бы - все сходится, но и тут есть проблема. Один оборот займет 9 дней, что создаст огромные перегрузки при таком диаметре кольца. Для этого нужен очень крепкий материал. На данный момент человечество не может произвести такую прочную конструкцию - не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и еще все построить.

В случае с Halo или «Вавилоном 5» все предыдущие проблемы вроде отсутствуют: и скорость вращения достаточная, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль реально (гипотетически).

Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему - момент импульса.

Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси сложно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А значит, лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело. Но эта проблема решаема.

Как должно быть

Называется это решение «цилиндр О’Нила»: берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенные вдоль оси и вращающиеся каждый в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, и проблем с направлением корабля в нужном сторону быть не должно.

При радиусе корабля в 500 метров и более (как в «Вавилоне 5») все должно работать как надо.

Итог

Какие мы можем сделать выводы о реализации искусственной гравитации в космических кораблях?

Изо всех вариантов самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб, учитывая наше современные понимание законов физики, невозможно.

Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был незначительным для человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и «Вавилон 5».

Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила - две «бочки», вращающиеся в разном направлении для обеспечения нулевого суммарного момента импульса для системы. Это позволит адекватно управлять кораблем - вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями.

И до того момента, как мы сможем построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы фантасты уделяли больше внимания физической реалистичности в их произведениях.

Для находящихся в космосе объектов вращение - дело привычное. Когда две массы двигаются относительно друг друга, но не навстречу или друг от друга, их гравитационная сила создаёт крутящий момент . В итоге в Солнечной системе все планеты вращаются вокруг Солнца.

Но это то, на что человек не влиял. Зачем же вращаются космические аппараты? Чтобы стабилизировать положение, постоянно направлять приборы в нужную сторону и в будущем - для создания искусственной гравитации. Давайте разберём эти вопросы подробнее.

Стабилизация вращением

Когда мы смотрим на автомобиль, мы знаем, в какую сторону он едет. Управление им происходит благодаря взаимодействию с внешней средой - сцеплению колёс с дорогой. Куда поворачивают колёса - туда и весь автомобиль. Но если мы лишим его этого сцепления, если мы отправим машину на лысой резине кататься по льду, то она закружится в вальсе, что будет крайне опасно для водителя. Такой тип движения возникает редко на Земле, но в космосе это норма.

Б. В. Раушенбах, академик и лауреат Ленинской премии, писал в “Управлении движением космических аппаратов” о трёх основных типах задач управления движением космического аппарата:

1. Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
2. Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
3. Случай, когда эти два типа управления реализуются одновременно (например, при сближении космических аппаратов).

Вращение аппарата осуществляется для того, чтобы обеспечить стабильную позицию космического аппарата. Это наглядно демонстрирует эксперимент на видео ниже. Колесо, закреплённое на тросе, примет положение, параллельное полу. Но если это колесо предварительно раскрутить - оно сохранит своё вертикальное положение. И этому не будет мешать гравитация. И даже двухкилограммовый груз, закреплённый на втором конце оси, не очень сильно изменит картину.

Приспособленный к жизни в условиях земного притяжения организм умудряется выжить и без него. И не только выжить, но и активно работать. Но это маленькое чудо обходится не без последствий. Опыт, накопленный за десятилетия полётов человека в космос, показал: человек испытывает в космосе много нагрузок, которые оставляют след на теле и психике.

На Земле наш организм борется с гравитацией, которая тянет кровь вниз. В космосе этоа борьба продолжается, но сила гравитации отсутствует. Поэтому космонавты одутловаты. Внутричерепное давление растёт, растёт давление на глаза. Это деформирует зрительный нерв и влияет на форму глазных яблок. Снижается содержание плазмы в крови, и из-за уменьшения количества крови, которую нужно качать, атрофируются мышцы сердца. Дефект костной массы значителен, кости становятся хрупкими.

Чтобы побороть эти эффекты, люди на орбите вынуждены ежедневно заниматься физическими тренировками. Поэтому создание искусственной силы тяжести считают желательным для долговременных космических путешествий. Такая технология должна создать физиологически естественные условия для обитания людей на борту аппарата. Еще Константин Циолковский считал, что искусственная гравитация поможет решить многие медицинские проблемы полёта человека в космос.

Сама идея основана на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции, который гласит: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное достаточно малое тело - гравитационная или сила инерции».

У такой технологии есть недостатки. В случае с аппаратом небольшого радиуса разная сила будет воздействовать на ноги и на голову - чем дальше от центра вращения, тем сильнее искусственная гравитация. Вторая проблема - сила Кориолиса , из-за воздействия которой человека будет укачивать при движении относительно направления вращения. Чтобы этого избежать, аппарат должен быть огромным. И третий важный вопрос связан со сложностью разработки и сборки такого аппарата. При создании такого механизма важно продумать, как сделать возможным постоянный доступ экипажа к отсекам с искусственной гравитацией и как заставить этот тор двигаться плавно.

В реальной жизни такую технологию для строительства космических кораблей ещё не использовали. Для МКС предлагали надувной модуль с искусственной гравитацией для демонстрации прототипа корабля Nautilus-X. Но модуль дорог и создавал бы значительные вибрации. Делать всю МКС с искусственной гравитацией с текущими ракетами трудноосуществимо - пришлось бы собирать всё на орбите по частям, что в разы усложнило бы размах операций. А ещё эта искусственная гравитация перечеркнула бы саму суть МКС как летающей микрогравитационной лаборатории.

Концепт надувного модуля с микрогравитацией для МКС.

Зато искусственная гравитация живёт в воображении фантастов. Корабль «Гермес» из фильма «Марсианин» имеет в центре вращающийся тор, который создаёт искусственную гравитацию для улучшения состояния экипажа и снижения воздействия невесомости на организм.

Национальное аэрокосмическое агентство США разработало шкалу уровней готовности технологии TRL из девяти уровней: с первого по шестой - развитие в рамках научно-исследовательских работ, с седьмого и выше - опытно-конструкторские работы и демонстрация работоспособности технологий. Технология из фильма «Марсианин» соответствует пока лишь третьему или четвёртому уровню.

В научно-фантастической литературе и фильмах есть много применений этой идеи. В серии романов Артура Кларка «Космическая Одиссея» описывался «Discovery One» в форме гантели, смысл которой - отделить ядерный реактор с двигателем от жилой зоны. Экватор сферы содержит в себе «карусель» диаметром 11 метров, вращающуюся со скоростью около пяти оборотов в минуту. Эта центрифуга создаёт уровень гравитации, равный лунному, что должно предотвращать физическую атрофию в условиях микрогравитации.

«Discovery One» из «Космической Одиссеи»

В аниме-сериале Planetes космическая станция ISPV-7 имеет огромные помещения с привычной земной гравитацией. Жилая зона и зона для растениеводства размещены в двух торах, вращающихся в разных направлениях.

Даже твёрдая фантастика игнорирует огромную стоимость такого решения. Энтузиасты взяли для примера корабль «Элизиум» из одноимённого фильма. Диаметр колеса – 16 километров. Масса - около миллиона тонн. Отправка грузов на орбиту стоит 2700 долларов за килограмм, SpaceX Falcon позволит сократить эту цифру до 1650 долларов за килограмм. Но придётся осуществить 18382 запуска, чтобы доставить такое количество материалов. Это 1 триллион 650 миллиардов американских долларов - почти сто годовых бюджетов НАСА.

До реальных поселений в космосе, где люди могут наслаждаться привычными 9,8 м/с² ускорения свободного падения, ещё далеко. Возможно, повторное использование частей ракет и космические лифты позволят приблизить такую эпоху.

Геннадий Бражник, 23 апреля 2011
Смотря на Мир, открой глаза... (древнегреческий эпос)
Как создать искусственную Гравитацию?
Пятидесятилетие освоения космоса, отмечаемое в этом году, показало огромный потенциал человеческого интеллекта в вопросе познания окружающей Вселенной. Международная космическая станция (МКС) - пилотируемая орбитальная станция - совместный международный проект, в котором участвуют 23 страны,
убедительно доказывает заинтересованность национальных программ в вопросах освоения как ближнего, так и дальнего космического пространства. Это относится как к научно-технической, так и к коммерческой стороне рассматриваемого вопроса. Вместе с тем, основным вопросом, стоящим на пути массового освоения космического пространства является проблема невесомости или отсутствие гравитации на существующих космических объектах. "Гравитация (всемирное тяготение, тяготение) - универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами. В приближении малых скоростей и слабого гравитационного взаимодействия описывается теорией тяготения Ньютона, в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна" - такое определение дает современная наука этому явлению. Природа гравитации в настоящее время не выяснена. Теоретические разработки в рамках разных гравитационных теорий не находят своего экспериментального подтверждения, что наводит на мысль о преждевременном утверждении научной парадигмы по природе гравитационного взаимодействия, как одного из четырех фундаментальных взаимодействий. В соответствии с теорией тяготения Ньютона, гравитационная сила Земного притяжения определяется выражением F=m x g, где m -масса тела, а g - ускорение свободного падения. "Ускорение свободного падения g - ускорение, придаваемое телу в вакууме силой тяжести, то есть геометрической суммой гравитационного притяжения планеты (или другого астрономического тела) и инерциальных сил, вызванных ее вращением. В соответствии со вторым законом Ньютона, ускорение свободного падения равно силе тяжести, воздействующей на объект единичной массы. Значение ускорения свободного падения для Земли обычно принимают равным 9,8 или 10 м/с╡. Стандартное („нормальное") значение, принятое при построении систем единиц, g = 9,80665 м/с╡, а в технических расчетах обычно принимают g = 9,81 м/с╡. Значение g было определено как „среднее" в каком-то смысле ускорение свободного падения на Земле, примерно равно ускорению свободного падения на широте 45,5° на уровне моря. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьируется от 9,780 м/с╡ на экваторе до 9,832 м/с╡ на полюсах." Эта научная неопределенность вызывает и ряд вопросов, связанных с гравитационной постоянной в Общей теории относительности. Является ли она настолько постоянной, если в условиях земного притяжения мы имеем такой разброс параметров. Основными доводами практически всех гравитационных теорий является следующее: "Ускорение свободного падения состоит из двух слагаемых: гравитационного ускорения и центростремительного ускорения. Отличия обусловлены: центростремительным ускорением в системе отсчета, связанной с вращающейся Землей; неточностью формулы из-за того, что масса планеты распределена по объему, который имеет геометрическую форму, отличную от идеального шара (геоид); неоднородностью Земли, что используется для поиска полезных ископаемых по гравитационным аномалиям." На первый взгляд достаточно убедительные аргументы. При более детальном рассмотрении, становится очевидным, что эти аргументы не объясняют физическую природу явления. В системе отсчета Земли, связанной с центростремительным ускорением в каждой географической точке находятся все компоненты измерения ускорения свободного падения. Поэтому одинаковому воздействию, включая и распределенную массу Земли, и гравитационные аномалии подвергаются как объект измерения, так и измеряемая аппаратура. Следовательно, результат измерения должен быть постоянным, но этого не происходит. Кроме того, неопределенность ситуации вызывают и теоретические расчетные значения ускорения свободного падения на высоте полета МКС - g=8,8 м/с(2). Фактическое значение локальной гравитации на МКС определяются в пределах 10(−3)...10(−1) g, что и определяет невесомость. Неубедительно выглядят и заявления о том, что МКС движется с первой космической скоростью и находится как бы в состоянии свободного падения. А как же тогда геостационарные спутники? При таком расчетном значении g они давно упали бы на Землю. Кроме того, массу любого тела можно определить как количественную и качественную характеристику собственного электрического заряда. Все эти рассуждения приводят к заключению, что природа земной гравитации не зависит от соотношения масс взаимодействующих объектов, а определяется кулоновскими силами электрического взаимодействия поля тяготения Земли. Если мы летим в горизонтальном полете на самолете, на высоте десяти км, то законы гравитации выполняются полностью, но при таком же полете на МКС на высоте 350 км гравитация практически отсутствует. Это означает, что в пределах этих высот существует механизм, позволяющий определиться гравитации, как силе взаимодействия материальных тел. И значение этой силы определяется законом Ньютона. Для человека массой 100кг, сила гравитационного притяжения на уровне земли, без учета атмосферного давления, должна составлять F= 100 х 9,8= 980 н. В соответствии с существующими данными атмосфера Земли представляет собой электрически неоднородную структуру, слоистость которой определяет ионосфера. "Ионосфера (или термосфера) - часть верхней атмосферы Земли, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца. Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно увеличивается с удалением от Земли. В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F. Слой D В области D (60-90 км) концентрация заряженных частиц составляет Nmax~ 10(2)-10(3) см−3 - это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60-100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь). Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток. Слой Е Область Е (90-120 км) характеризуется плотностями плазмы до Nmax~ 10(5) см−3. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение, к тому же рекомбинация ионов в этом слое идет очень быстро и ночью плотность ионов может упасть до 10(3) см−3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.). Спорадически на высотах 100-110 км возникает слой ES, очень тонкий (0,5-1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (ne~10(5) см−3), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы. Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн. Слой F Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130-140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150-200 км. В дневное время также наблюдается образование „ступеньки" в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F1 (150-200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн. Выше лежащую часть слоя F до 400 км называют слоем F2. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума - N ~ 10(5)-10(6) см−3. На больших высотах преобладают более легкие ионы кислорода (на высоте 400- 1000 км), а еще выше - ионы водорода (протоны) и в небольших количествах - ионы гелия." Две основные современные теории атмосферного электричества были созданы в середине ХХ века английским ученым Ч. Вильсоном и советским ученым Я. И. Френкелем. Согласно теории Вильсона, Земля и ионосфера играют роль обкладок конденсатора, заряжаемого грозовыми облаками. Возникающая между обкладками разность потенциалов приводит к появлению электрического поля атмосферы. По теории Френкеля, электрическое поле атмосферы объясняется всецело электрическими явлениями, происходящими в тропосфере, - поляризацией облаков и их взаимодействием с Землей, а ионосфера не играет существенной роли в протекании атмосферных электрических процессов. Обобщение этих теоретических представлений электрического взаимодействия в атмосфере подразумевает рассмотрение вопроса гравитации Земли с точки зрения электростатики. На основании приведенных общеизвестных фактов, можно определить значения гравитационного электрического взаимодействия материальных тел в условиях земного притяжения. Для этого рассмотрим следующую модель. Любое материальное энергетическое тело, находясь в электрическом поле, будет осуществлять определенное кулоновское взаимодействие. В зависимости от внутренней организации электрического заряда, оно будет или притягиваться к одному из электрических полюсов, или находится в состоянии равновесия в пределах этого поля. Степень электрического заряда каждого тела определяется собственной концентрацией свободных электронов (для человека концентрацией эритроцитов). Тогда модель гравитационного взаимодействия земного притяжения можно представить в виде сферического конденсатора, состоящего из двух концентрических полых сфер, радиусы которых определяются радиусом Земли и высотой ионосферного слоя F2. В этом электрическом поле находится человек, или другое материальное тело. Электрический заряд поверхности Земли - отрицательный, ионосферы - положительный по отношению к Земле. Электрический заряд человека по отношению к поверхности Земли - положительный, следовательно, кулоновская сила взаимодействия на поверхности будет всегда притягивать человека к Земле. Наличие ионосферных слоев, подразумевает, что общая электрическая емкость такого конденсатора определяется суммарной емкостью каждого слоя при последовательном подключении: 1/Собщ = 1/С(E)+1/С(F)+1/С(F2). Поскольку проводится ориентировочный инженерный расчет, будем учитывать основные энергетические ионосферные слои, для которых возьмем следующие исходные данные: слой Е - высота 100км, слой F- высота 200км, слой F2-высота 400км. Рассмотрение слоя D и спорадического слоя Es, образующихся в ионосфере в процессе повышенной или пониженной солнечной активности, для простоты рассмотрения учитывать не будем. На рис. 1 показана схема распределения ионосферных слоев атмосферы Земли и электрическая принципиальная схема рассматриваемого процесса.
В электрической схеме на рис 1.а представлено последовательное соединение трех конденсаторов, к которым подведено постоянное напряжение Еобщ. В соответствии с законами электростатики распределение электрических зарядов на пластинах каждого конденсатора С1,С2 и С3 показано условно +/-. На основании этого распределения электрических зарядов возникает в сети локальные напряженности поля, направления которых противоположно общему прикладываемому напряжению. На этих участках сети движение электрических зарядов будет осуществляться в противоположную сторону, относительно Еобщ. На рис 1.б показана схема ионосферных слоев атмосферы Земли, которая полностью описывается электрической схемой последовательного соединения конденсаторов. Силы кулоновского взаимодействия между ионосферными слоями обозначены как Fg. По уровню концентрации электрических зарядов, верхний слой ионосферы F2 является электрически положительным по отношению к поверхности земли. В силу того, что частицы солнечного ветра, обладающие разной кинетической энергией, проникают на всю глубину атмосферы, суммарная сила кулоновского взаимодействия каждого слоя будет определяться векторной суммой общей силы тяготения Fg общ и силой тяготения отдельного ионосферного слоя. Формула расчета емкости сферического конденсатора имеет вид: С= 4х(пи)х е(а)х r1xr2/(r2-r1), где С - емкость сферического конденсатора; r1 - радиус внутренней сферы, равный сумме радиуса Земли 6 371,0 км и высоте нижнего ионосферного слоя; r2 - радиус внешней сферы, равный сумме радиуса Земли и высоте верхнего ионосферного слоя; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Тогда округленные расчетные значения для емкости каждого ионосферного слоя будут иметь следующие значения: С(Е)=47 мкФ, С(F)=46 мкФ, С(F2)=25 мкФ. Общая суммарная емкость ионосферы, с учетом основных слоев будет составлять порядка 12 мкФ. Расстояние между ионосферными слоями гораздо меньше радиуса Земли, следовательно, расчет кулоновской силы, действующей на заряд можно провести по формуле плоского конденсатора: Fg= е(а) х A x U(2) /(2xd(2)), где A - площадь пластины (пи х (Rз+ h)(2)); U - напряжение; d - расстояние между слоями; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Тогда расчетные значения сил кулоновского взаимодействия каждого ионосферного слоя будут иметь следующие значения: Fg(E)= 58х10(-9)х U(2); Fg(F)= 59х10(-9)х U(2); Fg(F1)= 15х10(-9)х U(2); Fgобщ= 3,98х10(-9)х U(2). Определим значение атмосферного напряжения для тела массой 100 кг. Расчетная формула будет иметь следующий вид: F=m x g= Fg(E) + Fgобщ. Подставляя известные значения в эту формулу, получаем величину U= 126 КВ. Следовательно, силы кулоновского взаимодействия ионосферных слоев будут определяться следующими величинами: Fg(E)= 920н; Fg(F)= 936н; Fg(F1)= 238н; Fgобщ= 63н. Пересчитав ускорения свободного падения каждого ионосферного слоя, с учетом Ньютоновского взаимодействия, получим следующие значения: g(E)= +9,83 м/с(2); g(F)= -8,73 м/с(2); g(F1)= - 1,75 м/с(2). Следует отметить, что данные расчетные значения не учитывают собственные параметры атмосферы, а именно давление и сопротивление среды, обусловленные концентрацией молекул кислорода и азота в каждом слое ионосферы. В результате ориентировочного инженерного расчета полученное значение g(F1)= -1,75 м/с(2) которое хорошо согласуется с фактическим значением локальной гравитации на МКС - 10(−3)...10(−1) g. Расхождения в результатах связаны с тем, что крутильные весы, используемые для измерения ускорения свободного падения, не откалиброваны в область отрицательных значений - современная наука этого и не предполагала. Для создания искусственной гравитации необходимо выполнить два условия. Создать электрически изолированную систему в соответствии с требованием теоремы Гаусса, а именно обеспечить циркуляцию вектора напряженности электрического поля по замкнутой сфере и обеспечить внутри этой сферы напряженность электрического поля, необходимую для создания силы кулоновского взаимодействия величиной 1000 н. Расчет величины напряженности поля можно провести по формуле: F= е(а) х A x Е(2) /2, где A - площадь пластины; Е - напряженность электрического поля; е(а)=е(0)х е -абсолютная диэлектрическая проницаемость, где е(0)=8,85х10(-12) Фм, е ~ 1. Подставляя данные в формулу, для 10 кв.м получим значение напряженности электрического поля, равную Е= 4,75 х 10(6) В/м. Если высота помещения составляет три метра, то для обеспечения расчетной напряженности необходимо подать постоянное напряжение на пол-потолок величиной U= E x d = 14,25 МВ. При силе тока в 1 А, необходимо обеспечить сопротивление пластин такого конденсатора величиной 14,25 МОм. Изменяя величину напряжения, можно получить разные параметры гравитации. Порядок расчетных величин показывает, что разработка систем искусственной гравитации является реальным делом. Правы были древние греки: "Смотря на мир, открой глаза...". Только такой ответ можно дать по случаю природы земной гравитации. Уже 200 лет как человечество активно изучает законы электростатики, включая закон Кулона и теорему Гаусса. Формула сферического конденсатора практически освоена уже давно. Осталось только открыть глаза на окружающий мир и начать ее применять для объяснения, казалось бы невозможного. А вот когда мы все поймем, что искусственная гравитация это реальность, тогда и вопросы коммерческого использования космических полетов станут актуальными и окажутся прозрачными для понимания.
г. Москва, апрель 2011г. Бражник Г.Н.

Даже если вам не особо интересна тема космоса, шансы на то, что вы видели его в фильмах, читали о нем в книгах или играли в игры, где космическая тема занимала бы важное место, весьма высоки. При этом в большинстве из произведений есть один момент, который, как правило, воспринимается как нечто само собой разумеющееся - гравитация на космическом корабле. Но так ли это просто и очевидно, как кажется на первый взгляд?

Для начала немного матчасти. Если не углубляться в физику дальше школьного курса (а его нам сегодня будет вполне достаточно), то гравитация - это фундаментальное взаимодействие тел, благодаря которому все они притягивают друг друга. Более массивные притягивают сильнее, менее массивные - слабее.

Матчасть

В нашем случае важно следующее. Земля является массивным объектом, поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, компьютер, с которого вы это читаете - все это притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и фактически никогда не задумываемся о таких, казалось бы, мелочах. Главным следствием притяжения Земли для нас является ускорение свободного падения , также известное как g , и равное 9,8 м/с². Т.е. любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 м/с скорости каждую секунду.

Именно благодаря этому эффекту мы можем ровно стоять на ногах, иметь понятия «верх» и «низ», ронять вещи на пол, etc. В действительности очень многие виды человеческой активности бы сильно видоизменились, если бы забрать притяжение Земли.

Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Им приходится заново учиться делать очень много вещей, начиная от того, как они пьют, заканчивая походами по различным физиологическим нуждам. Вот несколько примеров.

При этом во множестве фильмов, сериалов, игр и прочих произведений Sci-Fi искусства гравитация на космических кораблях «просто есть». Ее воспринимают как должное и зачастую даже не удосуживаются объяснять. А если и объясняют, то как-то неубедительно. Чем-то вроде «генераторов гравитации», принцип работы которых мистичен чуть больше, чем полностью, так что фактически такой подход мало отличается от «гравитация на корабле просто есть ». Как мне кажется, не объяснять совсем как-то честнее.

Теоретические модели искусственной гравитации

Но все это вовсе не значит, что искусственную гравитацию никто не пытается объяснить совсем. Если порассуждать, то достичь ее можно несколькими способами.

Много массы

Первый и самый «правильный» вариант - это сделать корабль очень массивным. «Правильным» же такой способ можно считать потому, что именно гравитационное взаимодействие будет обеспечивать необходимый эффект.

При этом нереальность данного способа, думаю, очевидна. Для такого корабля нужно будет очень много материи. Да и с распределением гравитационного поля (а нам оно нужно равномерное) надо будет что-то решать.

Постоянное ускорение

Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g ? Таким образом нужный эффект несомненно будет достигнут.

Но есть несколько очевидных проблем. Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никто не отменял.

Вторая проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Во-первых, согласно нашим нынешним представлениям о физических законах, ускоряться вечно нельзя. Теория относительности сильно против. Во-вторых, даже если кораблю и менять направление периодически, то для обеспечения искусственной гравитации ему постоянно нужно будет куда-то лететь. Т.е. ни о каких зависаниях вблизи планет не может быть и речи. Корабль будет вынужден вести себя как землеройка, которая если остановится, то умрет. Так что такой вариант нам не подходит.

Карусель-карусель

А вот тут уже начинается самое интересное. Уверен, что каждый из читающих представляет себе, как работает карусель и какие эффекты может испытывать человек, в ней находящийся. Все, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. С точки зрения карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса. Вполне себе «гравитация».

Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси . Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике, так что мир Sci-Fi не так и безнадежен в плане объяснения искусственной гравитации.

Итак, еще немного физики. При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. В результате несложных вычислений (поделив силу на массу) мы получаем искомое ускорение. Считается все это дело по незамысловатой формуле:

a=ω²R,

где a — ускорение, R — радиус вращения, а, ω — угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду. Радиан это примерно 57,3 градуса.

Что же нам нужно получить для нормальной жизни на нашем воображаемом космическом крейсере? Нам необходима такая комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чтобы их произведение давало в итоге 9,8 м/с².

Нечто подобное мы могли видеть во множестве произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика , сериал «Вавилон 5» , нолановский « » , роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена , вселенная и другие. Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g , так что все получается вполне логичным. Однако и в этих моделях существуют проблемы.

Проблемы в «карусели»

Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на «Космической одиссее» . Радиус корабля составляет примерно 8 метров. Несложными вычислениями получаем, что для достижения ускорения равного g потребуется угловая скорость в примерно 1,1 рад/с, что равняется примерно 10,5 оборотам в минуту.

При таких параметрах получается, что в силу вступает эффект Кориолиса . Если не углубляться в технические подробности, то проблема в том, что на разной «высоте» от пола на движущиеся тела будет действовать разная сила. И зависит она от угловой скорости. Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем себе позволить вращать корабль слишком быстро, поскольку это чревато проблемами, начиная от внезапных неинтуитивных падений, заканчивая проблемами с вестибулярным аппаратом. А с учетом вышеупомянутой формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля. Поэтому модель космической одиссеи отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями из «Интерстеллара» , хотя там с цифрами все не так очевидно.

Вторая проблема находится, так сказать, с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким образом, получается, что вращается он с вполне удовлетворительной скоростью, чтобы эффект Кориолиса был незаметен для человека. Все, казалось бы, сходится, но есть и одно но . Чтобы создать такую конструкцию понадобится невероятно крепкий материал, который должен будет выдержать огромные нагрузки, ведь один оборот должен занимать около 9 дней. Как обеспечить достаточную прочность такой конструкции человечеству неизвестно. Не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и все это дело построить.

Мир-Кольцо

В случае с Halo или «Вавилон 5» все предыдущие проблемы вроде как бы отсутствуют. И скорость вращения достаточная для того, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль в принципе реально (хотя бы теоретически). Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему - момент импульса.

Станция из Вавилона 5

Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси, как известно, довольно сложно. Все именно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А это значит, что лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело. Но и эта проблема решаема.

Как должно быть

Называется это решение «цилиндр О’Нила» . Конструкция его довольно проста. Мы берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенных вдоль оси, каждый из которых вращается в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, а, значит, проблем с направлением корабля в нужном направлении быть не должно. При радиусе корабля примерно в 500 м (как в Вавилоне 5) или больше все должно работать как надо.

Итого

Итак, какие же мы можем сделать выводы о том, как должна быть реализована искусственная гравитация в космических кораблях? Из всех реализаций, что предложены в различного рода произведениях, самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб (как часто рисуют в различном Sci-Fi), учитывая наши современные понимания законов физики, не представляется возможным

Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был достаточно незначительным, чтобы не влиять на человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и Вавилон 5 .

Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила - две «бочки», вращающиеся в разном направлении, чтобы обеспечить нулевой суммарный момент импульса для системы. Это позволит осуществлять адекватное управление кораблем.

Итого мы имеем вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями. И до того момента, как мы сможем реально построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы создатели игр, фильмов, книг и других произведений о космосе уделяли бы больше внимания физической реалистичности.

Мы обитаем в Яндекс.Дзене , попробуй. Есть канал в Telegram . Подпишись, нам будет приятно, а тебе удобно 👍 Meow!

Невесомость негативно влияет на организм человека. Так, одним из последствий ее воздействия является быстрое атрофирование мышц и последующее снижение всех физических показателей организма. На МКС для решения этой проблемы установлены специальные тренажеры, на которых космонавты занимаются по несколько часов в день. Но тренажеры — это же скучно, гораздо интереснее было бы создать искусственную гравитацию.

Одним из способов создания искусственной гравитации, который то и дело вспоминается в работах фантастов и ученых, является создание космический станции, которая бы вращалась вокруг своей оси. Такое вращение привело бы к тому, что на космонавтов или жителей станции постоянно оказывала бы влияние центробежная сила, которую они бы ощущали как гравитационную силу. Подобных проектов очень много, чтобы быстро получить представление о том, что же это за станции, можно почитать несколько небольших статей из Википедии: эту , вот эту и эту .

Вращающаяся станция изнутри. Источник: Wikipedia Commons

Почему же эти решения не применяются на практике? Попробуем разобраться.

Идея искусственной гравитации за счет вращения основывается на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции; который гласит: если инертная масса и гравитационная масса равны, то невозможно отличить, какая сила действует на тело — гравитационная или сила инерции. Простыми словами: если создать космический корабль, вращающийся вокруг своей оси, возникающая при этом центробежная сила будет «выталкивать» космонавта всторону от центра вращения, и он сможет запросто стоять на «полу». Чем быстрее будет вращаться корабль, и чем дальше от центра будет находится космонавт, тем сильнее будет искусственная гравитация. Сила «притяжения» F будет равна:

F = m*v 2 /r , где m — масса космонавта, v — линейная скорость космонавта, r — расстояние от центра вращения (радиус).

Линейная же скорость равна v = 2π*R/T , где Т — время одного оборота.

Посмотрим, с какими же проблемами могут столкнуться разработчики вращающейся станции.

Как видно, искусственная сила притяжения прямо зависит от расстояния от центра вращения, получается, что для небольших r сила гравитации будет значительно отличаться для головы и ног космонавта, что может сильно затруднить передвижение. Но к этому можно будет приспособиться.

Гораздо сложнее приспособиться к воздействию силы Кориолиса, которая будет возникать каждый раз, когда наш космонавт будет двигаться относительно направления вращения (Сила Кориолиса, Wikipedia). В условиях действия этой силы космонавта будет постоянно укачивать, а это не так уж и весело. Чтобы избавиться от этого эффекта, частота вращения станции должна быть равной два оборота в минуту и менее, и тут возникает еще одна проблема — при частоте вращения в два оборота в минуту для получения искусственной гравитации в 1g (как на Земле) радиус вращения должен быть равен 224 метрам. Представьте себе космическую станцию в виде цилиндра с диаметром равным почти полкилометра! Построить конечно можно, но будет очень сложно и очень-очень дорого.

Однако работы в этом направлении уже ведутся пытались начать. Так в 2011 году НАСА предложило проект космической станции, один из модулей которой будет вращаться, обеспечивая искусственную гравитацию в 0,11-0,69g. Проект получил название «Наутилус-Х». Диаметр вращающегося модуля будет равен 9,1 либо 12 метров, а сам модуль будет служить спальным местом для 6 космонавтов.

Станцию планируется использовать как промежуточную базу для дальних космических перелетов. Одним из этапов осуществления проекта является тестирование вращающейся части на МКС, что обойдется НАСА в 150 миллионов долларов и три года работ. На постройку целой станции по проекту Наутилус-Х уйдет около 4 миллиардов.

Космические корабли с искусственной гравитацией не за горами , ребята!