Для активного освоения космического пространства нужно решить ряд критических проблем, одной из которых является отсутствие силы тяжести в космосе.
Воздействие невесомости на человеческий организм вызывает очень много негативных эффектов, начиная от потери мышечной массы и заканчивая угнетением иммунной системы. При современных методах освоения космического пространства пилотируемый полёт на Марс может оказаться билетом в один конец.
Создание силы тяжести на космическом корабле решит сразу огромный ряд проблем и сделает путешествия на любые расстояния в пределах Солнечной системы «комфортными».
Согласно уравнениям Эйнштейна, гравитация — это не сила, а лишь эффект, возникающий в результате искривления пространство-времени.
Возможно потому, что гравитация не является отдельным взаимодействием, квантовая теория гравитации до сих пор не построена.
Свойства нашего мира таковы, что пространство-время возмущается, если воздействовать на него какой-либо энергией или массой. Именно таким образом рождаются гравитация, замедление времени и прочие физические эффекты.
Также, можно воздействовать чистой энергией. Например, теория создания искусственных управляемых чёрных дыр основана на Кугельблиц-эффекте, при котором чёрная дыра создается путём концентрации света в единице объёма.
Как-нибудь поговорим о Кугельблиц-двигателе, в одной из следующих статей.
Так как гравитация является следствием искривления пространства-времени, возникающая в результате этого сила тяжести будет являться следствием постоянного движения в этом искривлённом пространстве-времени. Отсюда делаем два вывода:
1. управление гравитацией, то есть силой тяжести, возможно при локальном искривлении пространства-времени (как это теоретически сделать и сколько энергии это потребует, я описал в предыдущей статье о способе сверхсветового передвижения);
2. управление гравитацией можно симулировать путём построения инерциальных систем с возможностью управления величиной силы тяжести (так как в основе действия гравитации лежит банальное движение объекта по своей линейной траектории).
Первый способ оставим нашим потомкам, так как там ещё много нерешённых фундаментальных проблем, а вот второй способ является осуществимым даже с нынешним технологическим развитием человечества.
При вращении любого тела в инерциальной системе отсчёта возникает одна из сил инерции, называемая центростремительным ускорением. Например, сила трения, удерживающая объект на поверхности вращающегося тела, будет центростремительной. Всё потому, что сила инерции – это математически введённая сила, служащая для выполнения законов механики Ньютона.
Вспоминаем три закона Ньютона.
Следовательно, согласно законам Ньютона, при вращении тела возникает сила, которая равна по величине центростремительной силе, но при этом направлена в противоположную сторону. Она будет воздействовать на нас, прижимая к периферии вращающегося тела и создавая иллюзию гравитационного притяжения. Именно совокупность этих сил инерции называют центробежной силой.
Так стразу становится понятно, о каком эффекте идёт речь, и это не требует от читателя (слушателя) знаний дифференциальных уравнений движения.
Именно центробежную силу можно отнести к полному аналогу гравитационной силе, проявляющейся на Земле, как сила тяжести (сила тяготения). При этом, изменяя параметры центробежной силы, можно управлять силой тяжести в широком диапазоне. Закон сохранения импульса не потребует постоянного ускорения или замедления вращения. Для создания искусственной силы тяжести достаточно раскрутить цилиндрический объект до расчётной скорости вращения и далее просто поддерживать её, затрачивая минимальное количество энергии. Законы Ньютона будут постоянно обеспечивать созданную силу тяжести.
Именно подобный метод создания силы тяжести мы и возьмём за основу для проектирования систем с «искусственной гравитацией».
Для начала обратимся к исследованиям вестибулярного аппарата человека. Как оказалась, мы восприимчивы к различным эффектам вращения, в особенности, к силе Кориолиса. В частном случае её влияние на человека выражается нарушением функционирования вестибулярного аппарата. Самые знакомые эффекты - это дезориентация, головокружение, тошнота. Экспериментально выявлено, что воздействие на человека вращения с частотой более 4 об/мин приводит к проявлению первых симптомов нарушения функций вестибулярного аппарата.
Проектируемая установка должна вращаться менее 4 об/мин.
Теперь можно рассчитать размеры установки для создания силы тяжести, равной земной, с учётом физиологии человека. За основу возьмём тор, бублик.
Так как создаваемая сила тяжести прямо исходит из законов Ньютона, то ими и воспользуемся для расчёта. В данном случае используем третий закон Ньютона (где сила действия равна противодействию).
- Имеем желаемую силу тяжести, которая придаёт телу ускорение свободного падения в 9,8м/с2;
- Имеем максимальную частоту вращения до 4 об/мин. Высчитаем размер установки через угловую скорость.
Сила тяжести будет соответствовать земной при вращении тора диаметром в 112 метров со скоростью 4 об/мин. (0,418 рад/сек).
Это минимальные размеры тора, где достигается безопасная скорость вращения. Для примера, ширина МКС – 109 метров.
Следующая проблема, стоящая перед конструированием подобной системы, – это перепад силы тяжести, ведь, условно, ноги будут притягиваться сильнее, чем голова.
В ходе подготовки экспедиций Аполлон (своё мнение о вопросе полёта на Луну я обосновывал тут) в США и в рамках Лунной программы в СССР рассчитывались разнообразные последствия и значения воздействия невесомости на человека. Дальнейшее изучение этого вопроса позволило вывести максимальное отклонение в силе гравитационного воздействия на физиологию человека. Оно оказалось в пределах всего 3%.
То есть максимальный перепад в силе тяжести должен быть не более 3%. Например, если на ступни ног воздействует сила, равная 1 G, то на голову должно быть воздействие не менее 0,97 G. Эти значения находятся очень близко друг к другу, что накладывает существенные ограничения в масштабировании системы искусственной гравитации.
В нашем торе диаметром 112 метров сила тяжести в 1 G будет только на периферии (у стенок корпуса тора). В двух метрах от стенок корпуса сила будет эквивалента 0,96 G, что неприемлемо. Для нормальной работы экипажа комфортный потолок должен быть не менее 3 метров.
Исходя из новых параметров, скорректируем расчёт.
Новая конструкция будет уже 412 метров в диаметре и вращаться со скоростью 2,08 об/мин.
Таким образом, в трёхметровой зоне от стенок тора будут созданы нормальные условия силы тяжести для человека с отклонением в 3% (0,97 G). Однако для полётов до ближайших планет (например, Марса) сила в 1 G будет избыточной. Учитывая физиологию человека, для его нормальной жизнедеятельности требуется гравитация не менее 0,3 G (2,943 м/с2). Можно взять силу гравитации Марса, она равна 0,378 G.
Сила тяжести на Марсе будет соответствовать скорости вращения проектируемой конструкции в 1,28 об/мин.
Однако размеры проектируемой конструкции не сильно изменятся, так как этому будет мешать максимальный 3% перепад в силе тяжести. Следовательно, минимальные размеры конструкции для создания искусственной силы тяжести должны быть не менее 412 метров в диаметре.
В такой конструкции можно создавать условия гравитации Земли, Венеры, Марса, всех космических спутников и карликовых планет.
Сегодня космонавты на МКС вынуждены интенсивно тренироваться не менее 2 часов (а иногда 4 часа) в день, чтобы уменьшить потерю массы, однако даже это не спасает от обшей деградации, и космонавт за 1 год теряет 25% костной и мышечной массы тела.
Изучением воздействий невесомости и гравитации на живые организмы занимается наука под названием “Гравитационная биология”.
Сегодня интенсивно исследуется влияние невесомости на человека, на его ДНК, на костную, мышечную, иммунную, лимфатическую и прочие системы. Уже можно сказать однозначно, что долговременное пребывание в невесомости окажет сильно негативный эффект на здоровье человека.
Лично мне видится решение проблем воздействия невесомости на человека не в сооружении вращающихся циклопических кораблей сложной конструкции для комфортного исследования и путешествия по Солнечной системе, а в разработке новых быстроходных двигателей и разработке различных методик, биологических стимуляторов для компенсации, или вовсе устранения негативных эффектов воздействия невесомости на человека.
А вращающиеся конструкции диаметром полкилометра и более с искусственной силой тяжести – это удел стационарных космических станций будущего.
Рекомендации:
Реальная фантастика: Путешествия быстрее скорости света
Реальная фантастика: Телепортация человека
Незнайки на Луне?
__________________________________________________________________________________________
Ссылки на источники, кликай на название:
Тут можно ознакомится с проектом по созданию искусственной силы тяжести на космическом корабле "Восход"
Гравитация — Сэр Мартин Риc (видео)
Почему гравитация ЗАМЕДЛЯЕТ ВРЕМЯ? (Хорошее визуальное объяснение)
Можно Ли Создать Искусственную Гравитацию?
Центрифуга короткого радиуса (ЦКР) как гидростатическая модель земной гравитации (исследование)
Исследование НАСА по устойчивости человеческого тела в космосе
Ссылки на дополнительные источники находятся в группе Вконтакте!
