حتی کسی که هیچ علاقه ای به فضا ندارد تا به حال فیلمی در مورد سفرهای فضایی دیده یا در مورد چنین چیزهایی در کتاب ها خوانده است. تقریباً در تمام این گونه آثار، افراد در کشتی قدم می زنند، به طور معمول می خوابند و با غذا خوردن مشکلی ندارند. این بدان معناست که این کشتی‌های - تخیلی - گرانش مصنوعی دارند. اکثر بینندگان این را چیزی کاملاً طبیعی می دانند، اما اصلاً اینطور نیست.
گرانش مصنوعی
این نام تغییر (در هر جهت) گرانش است که با اعمال روش های مختلف برای ما آشناست. و این نه تنها در کارهای خارق‌العاده، بلکه در موقعیت‌های زمینی بسیار واقعی، اغلب برای آزمایش انجام می‌شود.
در تئوری، ایجاد گرانش مصنوعی چندان دشوار به نظر نمی رسد. به عنوان مثال، می توان آن را با کمک اینرسی، به طور دقیق تر، نیروی گریز از مرکز بازسازی کرد. نیاز به این قدرت دیروز بوجود نیامد - بلافاصله اتفاق افتاد، به محض اینکه فرد شروع به رویای پروازهای فضایی طولانی مدت کرد. ایجادگرانش مصنوعی در فضا این امکان را فراهم می کند تا از بسیاری از مشکلاتی که در طول اقامت طولانی مدت در بی وزنی به وجود می آیند جلوگیری شود. ماهیچه های فضانوردان ضعیف می شود، استخوان ها قوی تر می شوند. با ماهها مسافرت در چنین شرایطی ممکن است دچار آتروفی برخی از عضلات شوید.
بنابراین، امروزه ایجاد گرانش مصنوعی یک کار بسیار مهم است، اکتشاف فضایی بدون این مهارت به سادگی غیرممکن است.
مواد
حتی کسانی که فیزیک را فقط در سطح برنامه درسی مدرسه می دانند، می دانند که گرانش یکی از قوانین اساسی دنیای ما است: همه بدن ها با یکدیگر تعامل دارند و جاذبه / دافعه متقابل را تجربه می کنند. هر چه بدن بزرگتر باشد، نیروی جذب آن بیشتر است.
زمین برای واقعیت ما یک جرم بسیار عظیم است. به همین دلیل است که بدون استثنا، تمام بدن های اطراف او جذب آن می شوند.
برای ما، این به معنای شتاب سقوط آزاد است که معمولاً با گرم اندازه گیری می شود، برابر با 9.8 متر بر ثانیه. این بدان معناست که اگر زیر پاهایمان تکیه گاه نداشتیم، با سرعتی می افتادیم که در هر ثانیه 9.8 متر افزایش می یابد.
بنابراین، تنها به لطف نیروی جاذبه می توانیم به طور معمول بایستیم، بیفتیم، بخوریم و بنوشیم، بفهمیم کجا بالاست، کجا پایین است. اگر گرانش ناپدید شود، در گرانش صفر خواهیم بود.
فضانوردانی که خود را در فضا در حالت اوج گرفتن - سقوط آزاد می بینند به ویژه با این پدیده آشنا هستند.
از نظر تئوری، دانشمندان می دانند چگونه گرانش مصنوعی ایجاد کنند. وجود داشته باشدچندین تکنیک.
توده بزرگ
منطقی ترین گزینه این است که سفینه فضایی را آنقدر بزرگ کنیم که گرانش مصنوعی داشته باشد. احساس راحتی در کشتی امکان پذیر خواهد بود، زیرا جهت گیری در فضا از بین نخواهد رفت.
متاسفانه این روش با پیشرفت مدرن تکنولوژی غیرواقعی است. ساخت چنین شیئی به منابع بسیار زیادی نیاز دارد. علاوه بر این، برای بلند کردن آن به انرژی باورنکردنی نیاز دارد.
افزایش سرعت
به نظر می رسد که اگر می خواهید به g برابر با زمین برسید، فقط باید به کشتی شکلی صاف (سکوی) بدهید و آن را عمود بر هواپیما با شتاب مورد نظر حرکت دهید. به این ترتیب گرانش مصنوعی و ایده آل به دست می آید.
با این حال، واقعیت بسیار پیچیده تر است.
قبل از هر چیز، ارزش توجه به موضوع سوخت را دارد. برای اینکه ایستگاه دائماً شتاب بگیرد، باید یک منبع تغذیه بدون وقفه وجود داشته باشد. حتی اگر موتوری به طور ناگهانی ظاهر شود که ماده را خارج نمی کند، قانون بقای انرژی به قوت خود باقی خواهد ماند.
مشکل دوم همان ایده شتاب ثابت است. بر اساس دانش و قوانین فیزیکی ما، شتاب تا بی نهایت غیرممکن است.
علاوه بر این، چنین وسایل نقلیه ای برای مأموریت های تحقیقاتی مناسب نیستند، زیرا آنها باید دائماً شتاب دهند - پرواز کنند. او نمی تواند برای مطالعه این سیاره متوقف شود، او حتی نمی تواند به آرامی در اطراف آن پرواز کند - او باید شتاب بگیرد.
پسبنابراین، روشن می شود که چنین گرانش مصنوعی هنوز در دسترس ما نیست.
چرخ و فلک
همه می دانند که چرخش چرخ فلک چگونه بر بدن تأثیر می گذارد. بنابراین، یک دستگاه گرانش مصنوعی با توجه به این اصل به نظر واقعی ترین است.
هر چیزی که در قطر چرخ و فلک باشد با سرعتی تقریباً برابر با سرعت چرخش از آن خارج می شود. معلوم می شود که نیرویی بر روی جسم وارد می شود که در امتداد شعاع جسم در حال چرخش هدایت می شود. این بسیار شبیه به جاذبه است.
بنابراین، شما به کشتی ای نیاز دارید که شکل استوانه ای داشته باشد. در عین حال باید حول محور خود بچرخد. به هر حال، گرانش مصنوعی در یک سفینه فضایی، که بر اساس این اصل ایجاد شده است، اغلب در فیلم های علمی تخیلی نشان داده می شود.
کشتی بشکه ای شکل که حول محور طولی می چرخد، نیروی گریز از مرکز ایجاد می کند که جهت آن با شعاع جسم مطابقت دارد. برای محاسبه شتاب حاصل، باید نیرو را بر جرم تقسیم کنید.
برای افرادی که فیزیک می دانند محاسبه این امر دشوار نخواهد بود: a=ω²R.
در این فرمول، نتیجه محاسبه شتاب است، متغیر اول سرعت گره (بر حسب رادیان بر ثانیه اندازه گیری می شود)، دومین متغیر شعاع است.
بر این اساس، برای به دست آوردن g معمول، باید سرعت زاویه ای و شعاع حمل و نقل فضایی را به درستی ترکیب کرد.
این مشکل در فیلم هایی مانند «Intersol»، «Babylon 5»، «2001: A Space Odyssey» و مواردی از این دست پوشش داده شده است. در تمام این مواردگرانش مصنوعی نزدیک به شتاب سقوط آزاد زمین است.
هرچقدر هم که ایده خوب باشد، اجرای آن بسیار دشوار است.
مشکلات روش چرخ و فلک
واضح ترین مشکل در ادیسه فضایی برجسته شده است. شعاع "حامل فضایی" حدود 8 متر است. برای به دست آوردن شتاب 9.8، چرخش باید با سرعت تقریباً 10.5 دور در هر دقیقه اتفاق بیفتد.
در مقادیر نشان داده شده، "اثر کوریولیس" آشکار می شود، که شامل این واقعیت است که نیروهای مختلف در فواصل مختلف از کف عمل می کنند. مستقیماً به سرعت زاویه ای بستگی دارد.
به نظر می رسد که گرانش مصنوعی در فضا ایجاد می شود، اما چرخش خیلی سریع کیس منجر به مشکلاتی در گوش داخلی می شود. این به نوبه خود باعث عدم تعادل، مشکلات دستگاه دهلیزی و سایر مشکلات مشابه می شود.
ظهور این مانع نشان می دهد که چنین مدلی بسیار ناموفق است.
می توانید سعی کنید از نقطه مقابل حرکت کنید، همانطور که در رمان "حلقه جهان" انجام دادند. در اینجا کشتی به شکل حلقه ای ساخته شده است که شعاع آن نزدیک به شعاع مدار ما (حدود 150 میلیون کیلومتر) است. در این اندازه، سرعت چرخش آن برای نادیده گرفتن اثر کوریولیس کافی است.
شما ممکن است تصور کنید که مشکل حل شده است، اما به هیچ وجه اینطور نیست. واقعیت این است که چرخش کامل این سازه حول محور خود 9 روز طول می کشد. این باعث می شود که فرض کنیم بارها بیش از حد بزرگ هستند. به منظور. واسه اینکه. برای اینکهساخت و ساز در برابر آنها مقاومت کرد، یک ماده بسیار قوی مورد نیاز است که ما امروز در اختیار نداریم. علاوه بر این، مشکل مقدار مواد و خود فرآیند ساخت است.
در بازی هایی با موضوع مشابه، مانند فیلم "Babylon 5"، این مشکلات به نوعی حل می شود: سرعت چرخش کاملاً کافی است، اثر کوریولیس قابل توجه نیست، به طور فرضی امکان ایجاد چنین کشتی وجود دارد..
با این حال، حتی چنین دنیاهایی دارای یک اشکال هستند. نام او شتاب است.
کشتی که حول محور خود می چرخد به یک ژیروسکوپ بزرگ تبدیل می شود. همانطور که می دانید، انحراف ژیروسکوپ از محور به دلیل تکانه زاویه ای بسیار دشوار است. مهم است که مقدار آن از سیستم خارج نشود. این بدان معنی است که تعیین جهت برای این شی بسیار دشوار خواهد بود. با این حال، این مشکل قابل حل است.
حل مشکل
جاذبه مصنوعی در ایستگاه فضایی زمانی در دسترس می شود که "سیلندر اونیل" به نجات برسد. برای ایجاد این طرح، کشتی های استوانه ای یکسان مورد نیاز است که در امتداد محور به هم متصل می شوند. آنها باید در جهات مختلف بچرخند. نتیجه این مونتوم مومنتوم زاویه ای صفر است، بنابراین برای دادن جهت دلخواه به کشتی نباید مشکلی وجود داشته باشد.
اگر بتوان یک کشتی با شعاع حدود 500 متر ساخت، دقیقاً همانطور که باید کار می کند. در عین حال، گرانش مصنوعی در فضا برای پروازهای طولانی در کشتی ها یا ایستگاه های تحقیقاتی کاملا راحت و مناسب خواهد بود.
مهندسین فضایی
نحوه ایجاد جاذبه مصنوعی برای سازندگان بازی شناخته شده است. با این حال، در این دنیای فانتزی، گرانش جاذبه متقابل اجسام نیست، بلکه نیرویی خطی است که برای شتاب دادن به اجسام در جهت معین طراحی شده است. جذابیت در اینجا مطلق نیست، زمانی که منبع تغییر مسیر دهد تغییر می کند.
جاذبه مصنوعی در ایستگاه فضایی با استفاده از یک ژنراتور ویژه ایجاد می شود. در ناحیه ژنراتور یکنواخت و هم جهت است. بنابراین، در دنیای واقعی، اگر با کشتی‌ای که ژنراتور نصب شده است مورد اصابت قرار بگیرید، به سمت بدنه کشیده می‌شوید. با این حال، در بازی، قهرمان تا زمانی که از محیط دستگاه خارج شود، سقوط می کند.
امروزه گرانش مصنوعی در فضا که توسط چنین وسیله ای ایجاد شده است، برای بشر غیرقابل دسترس است. با این حال، حتی توسعه دهندگان موهای خاکستری نیز از رویاپردازی در مورد آن دست بر نمی دارند.
ژنراتور کروی
این یک نسخه واقعی تر از تجهیزات است. هنگام نصب، گرانش جهتی به سمت ژنراتور دارد. این امکان ایجاد ایستگاهی را فراهم می کند که گرانش آن برابر با سیاره ای باشد.
سانتریفیوژ
امروزه گرانش مصنوعی روی زمین در دستگاه های مختلف یافت می شود. آنها عمدتاً بر اساس اینرسی هستند، زیرا این نیرو مشابه اثرات گرانشی توسط ما احساس می شود - بدن تشخیص نمی دهد که چه چیزی باعث شتاب می شود. به عنوان مثال: شخصی که در آسانسور بالا می رود، اثر اینرسی را تجربه می کند. از نگاه یک فیزیکدان: بلند کردن آسانسور به شتاب سقوط آزاد شتاب ماشین می افزاید. پس از بازگشتکابین به یک حرکت اندازه گیری شده "افزایش" وزن ناپدید می شود و احساسات معمول را برمی گرداند.
دانشمندان از دیرباز به جاذبه مصنوعی علاقه مند بوده اند. اغلب برای این منظور از سانتریفیوژ استفاده می شود. این روش نه تنها برای فضاپیماها، بلکه برای ایستگاه های زمینی نیز مناسب است که در آنها بررسی اثر گرانش بر بدن انسان مورد نیاز است.
مطالعه روی زمین، درخواست در…
اگرچه مطالعه گرانش از فضا شروع شد، اما این یک علم بسیار پیش پا افتاده است. امروزه نیز دستاوردها در این زمینه کاربرد خود را پیدا کرده اند، مثلاً در پزشکی. با دانستن اینکه آیا امکان ایجاد گرانش مصنوعی در این سیاره وجود دارد، می توان از آن برای درمان مشکلات دستگاه حرکتی یا سیستم عصبی استفاده کرد. علاوه بر این، مطالعه این نیرو در درجه اول در زمین انجام می شود. این امکان را برای فضانوردان فراهم می کند تا آزمایشاتی را انجام دهند و در عین حال تحت نظر پزشکان باشند. چیز دیگر گرانش مصنوعی در فضا است، هیچ فردی در آنجا وجود ندارد که بتواند در صورت بروز یک موقعیت پیش بینی نشده به فضانوردان کمک کند.
با توجه به بی وزنی کل، نمی توان ماهواره ای را در مدار پایین زمین در نظر گرفت. این اجسام، هر چند به میزان کمی، تحت تأثیر جاذبه قرار دارند. نیروی گرانش ایجاد شده در چنین مواردی را ریزگرانش می گویند. گرانش واقعی فقط در دستگاهی که با سرعت ثابت در فضای بیرونی پرواز می کند تجربه می شود. با این حال، بدن انسان این تفاوت را احساس نمی کند.
می توانید در طول پرش طول (قبل از باز شدن سایبان) یا هنگام فرود سهموی هواپیما، بی وزنی را تجربه کنید. چنین آزمایشاتیاغلب در ایالات متحده اجرا می شود، اما در هواپیما این احساس تنها 40 ثانیه طول می کشد - این برای یک مطالعه کامل بسیار کوتاه است.
در اتحاد جماهیر شوروی در سال 1973 آنها می دانستند که آیا امکان ایجاد گرانش مصنوعی وجود دارد یا خیر. و نه تنها آن را ایجاد کرد، بلکه به نوعی آن را تغییر داد. یک مثال واضح از کاهش مصنوعی گرانش غوطه وری خشک، غوطه وری است. برای رسیدن به اثر مورد نظر، باید یک فیلم متراکم روی سطح آب قرار دهید. فرد در بالای آن قرار می گیرد. زیر وزن بدن، بدن زیر آب فرو می‌رود، فقط سر آن بالا می‌ماند. این مدل پشتیبانی گرانشی کم موجود در اقیانوس را نشان می‌دهد.
نیازی به رفتن به فضا نیست تا اثر نیروی متضاد بی وزنی - جاذبه زیاد - را احساس کنید. هنگام برخاستن و فرود یک فضاپیما، در سانتریفیوژ، نه تنها می توانید بار اضافی را احساس کنید، بلکه آن را نیز مطالعه کنید.
درمان جاذبه
فیزیک گرانشی، در میان چیزهای دیگر، تأثیر بی وزنی بر بدن انسان را مطالعه می کند و به دنبال به حداقل رساندن پیامدهای آن است. با این حال، تعداد زیادی از دستاوردهای این علم می تواند برای ساکنان عادی کره زمین مفید باشد.
پزشکان امید زیادی به تحقیق در مورد رفتار آنزیم های عضلانی در میوپاتی دارند. این یک بیماری جدی است که منجر به مرگ زودرس می شود.
با تمرینات بدنی فعال، مقدار زیادی از آنزیم کراتینوفسفوکیناز وارد خون یک فرد سالم می شود. دلیل این پدیده مشخص نیست، شاید بار بر روی غشای سلولی به گونه ای عمل می کند که" سوراخ می کند". بیماران مبتلا به میوپاتی بدون ورزش همین اثر را دارند. مشاهدات فضانوردان نشان می دهد که در شرایط بی وزنی، جریان آنزیم فعال در خون به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. این کشف نشان می دهد که استفاده از غوطه وری تأثیر منفی عوامل منجر به میوپاتی را کاهش می دهد. آزمایش روی حیوانات در حال حاضر در حال انجام است.
درمان برخی از بیماری ها امروزه با استفاده از داده های به دست آمده از مطالعه گرانش، از جمله مصنوعی، در حال انجام است. به عنوان مثال، فلج مغزی، سکته مغزی، پارکینسون با استفاده از لباس های باردار درمان می شوند. تحقیق در مورد تأثیر مثبت ساپورت - کفش پنوماتیک تقریباً تکمیل شده است.
آیا به مریخ پرواز خواهیم کرد؟
آخرین دستاوردهای فضانوردان به واقعیت پروژه امید می دهد. تجربه حمایت پزشکی برای یک فرد در طول مدت طولانی دوری از زمین وجود دارد. پروازهای تحقیقاتی به ماه، که در آن نیروی گرانش 6 برابر کمتر از نیروی گرانش ما است، فواید زیادی نیز به همراه داشته است. اکنون فضانوردان و دانشمندان هدف جدیدی را برای خود تعیین می کنند - مریخ.
قبل از اینکه در صف خرید بلیط سیاره سرخ قرار بگیرید، باید بدانید که بدن از قبل در مرحله اول کار - در راه، چه انتظاراتی دارد. به طور متوسط، راه رسیدن به سیاره بیابان یک سال و نیم طول می کشد - حدود 500 روز. در راه، شما باید فقط به نیروی خود متکی باشید، به سادگی هیچ جایی برای انتظار کمک وجود ندارد.
عوامل بسیاری قدرت را تضعیف می کنند: استرس، تشعشع، عدم وجود میدان مغناطیسی. مهمترین آزمایش برای بدن تغییر گرانش است. در طول سفر، شخص «آشنایی» پیدا می کندچندین سطح گرانش اول از همه، اینها اضافه بار در هنگام برخاستن هستند. سپس - بی وزنی در طول پرواز. پس از آن، هیپوگرانشی در مقصد، زیرا گرانش در مریخ کمتر از 40 درصد زمین است.
چگونه با اثرات منفی بی وزنی در یک پرواز طولانی مقابله می کنید؟ امید است تحولات در زمینه ایجاد جاذبه مصنوعی به حل این موضوع در آینده نزدیک کمک کند. آزمایش‌ها روی موش‌هایی که در Kosmos-936 سفر می‌کنند نشان می‌دهد که این تکنیک همه مشکلات را حل نمی‌کند.
تجربه سیستم عامل نشان داده است که استفاده از مجموعه های آموزشی که می توانند بار لازم را برای هر فضانورد به صورت جداگانه تعیین کنند، می تواند مزایای بسیار بیشتری برای بدن به همراه داشته باشد.
تا کنون اعتقاد بر این است که نه تنها محققان به مریخ پرواز خواهند کرد، بلکه گردشگرانی نیز که می خواهند یک مستعمره در سیاره سرخ ایجاد کنند. برای آنها، حداقل در ابتدا، احساس بی وزنی بیشتر از تمام استدلال های پزشکان در مورد خطرات قرار گرفتن طولانی مدت در چنین شرایطی خواهد بود. با این حال، آنها نیز در عرض چند هفته به کمک نیاز خواهند داشت، به همین دلیل بسیار مهم است که بتوان راهی برای ایجاد گرانش مصنوعی در یک سفینه فضایی پیدا کرد.
نتایج
چه نتیجه گیری می توان در مورد ایجاد گرانش مصنوعی در فضا گرفت؟
در میان تمام گزینه هایی که در حال حاضر در نظر گرفته شده اند، ساختار چرخشی واقعی ترین به نظر می رسد. با این حال، با درک فعلی قوانین فیزیکی، این غیرممکن است، زیرا کشتی یک استوانه توخالی نیست. در داخل آن همپوشانی هایی وجود دارد که در تحقق ایده ها اختلال ایجاد می کند.
علاوه بر این، شعاع کشتی باید چنین باشدبزرگ به طوری که اثر کوریولیس اثر قابل توجهی ندارد.
برای کنترل چیزی شبیه به این، به سیلندر اونیل که در بالا ذکر شد نیاز دارید، که به شما توانایی کنترل کشتی را می دهد. در این صورت، شانس استفاده از طراحی مشابه برای پروازهای بین سیاره ای با فراهم کردن سطح گرانش راحت برای خدمه افزایش می یابد.
قبل از اینکه بشریت در تحقق رویاهای خود موفق شود، من دوست دارم کمی واقع گرایی بیشتر و حتی دانش بیشتری از قوانین فیزیک در داستان های علمی تخیلی ببینم.
