Зачем космические аппараты вращаются. Привет от Циолковского: как искусственная гравитация осваивает космос Почему тела в космосе не притягиваются

Как Вы думаете почему космонавты в космосе испытывают состояние невесомости? Есть большая вероятность что ответите не правильно.

На вопрос, почему предметы и космонавты в условиях космического корабля предстают в состоянии невесомости, многие люди дают такой ответ:

1. В космосе отсутствует сила тяжести, поэтому они ничего не весят.
2. Космос — это вакуум, а в вакууме нет силы тяжести.
3. Космонавты находятся слишком далеко от поверхности Земли, чтобы на них могла действовать сила её притяжения.

Все эти ответы неверны!

Главное, что нужно понимать это то, что в космосе ЕСТЬ сила тяжести. Это довольно распространенное ошибочное представление. Что удерживает Луну на её орбите вокруг Земли? Сила тяжести. Что удерживает Землю на орбите вокруг Солнца? Сила тяжести. Что не позволяет галактикам разлетаться в разные стороны? Сила тяжести.

Сила тяжести существует в космосе везде!

Если бы вы построили на Земле вышку высотой 370 км (230 миль), приблизительно как высота орбиты космической станции, то сила тяжести, действующая на вас наверху вышки, была бы почти такой же, как и на поверхности земли. Если бы вы решились сделать шаг с вышки, вы бы устремились к Земле точно так же, как это собирается сделать чуть позже в этом году Феликс Баумгартнер (Felix Baumgartner), когда предпримет попытку совершить прыжок с края космоса. (Конечно, при этом мы не учитываем низкие температуры, которые мгновенно начнут вас замораживать, или как отсутствие воздуха или аэродинамического сопротивления будет убивать вас, а падение сквозь слои атмосферного воздуха заставит все части вашего тела испытать на собственном опыте, что такое «содрать три шкуры». И к тому же, внезапная остановка также причинит вам массу неудобств).

Да, так почему же космическая орбитальная станция или спутники, находящиеся на орбите, не падают на Землю, и почему космонавты и окружающие их предметы внутри международной космической станции (МКС) или любого другого космического корабля кажутся плавающими?

Оказывается, все дело в скорости!

Космонавты, сама международная космическая станция (МКС) и другие объекты, находящиеся на земной орбите, не плавают, — на самом деле, они падают. Но они не падают на Землю из-за своей огромной орбитальной скорости. Вместо этого они «падают вокруг» Земли. Объекты на земной орбите должны двигаться со скоростью, по меньшей мере, 28,160 км/ч (17,500 миль в час). Поэтому, как только они ускоряются относительно Земли, сила притяжения Земли сразу же изгибает и уводит траекторию их движения вниз, и они никогда не преодолеют этот минимум сближения с Землей. Поскольку космонавты имеют такое же ускорение, как и космическая станция, они испытывают состояние невесомости.

Случается, что мы тоже можем испытать это состояние — кратковременно — на Земле, в момент падения. Приходилось ли вам бывать на аттракционе «американские горки», когда сразу после прохождения наивысшей точки («вершины горки»), когда тележка уже начинает катиться вниз, ваше тело поднимает c сидения? Если бы вы находились в лифте на высоте стоэтажного небоскреба, и произошел обрыв троса, то пока лифт падал, вы бы парили в невесомости в кабине лифта. Конечно, в этом случае финал оказался бы намного драматичнее.

И потом, вы, вероятно, слышали об аэроплане, обеспечивающем состояние невесомости («Vomit Comet») — аэроплан KC 135, который НАСА использует для создания кратковременных состояний невесомости, для тренировок космонавтов и проверки экспериментов или оборудования в условиях невесомости (zero-G), а также для осуществления коммерческих полетов в невесомости, когда самолет летит по параболической траектории, как в аттракционе «американские горки» (но с большими скоростями и на больших высотах), проходит через вершину параболы и устремляется вниз, то в момент падения самолета создаются условия невесомости. К счастью, самолет выходит из пикирования и выравнивается.

Однако, давайте вернемся к нашей вышке. Если бы вместо обыкновенного шага с вышки вы совершили прыжок с разбега, ваша энергия, направленная вперед, отнесла бы вас далеко от вышки, вместе с тем, сила тяжести снесла бы вас вниз. Вместо того, чтобы приземлиться у основания вышки, вы бы приземлились на расстоянии от неё. Если бы при разбеге вы увеличили скорость, вы смогли бы прыгнуть дальше от вышки, прежде чем достигли бы земли. Ну, а если бы вы могли бегать так же быстро, как движется по орбите вокруг Земли космический корабль многоразового использования и МКС, со скоростью 28,160 км/ч (17,500 миль в час), то дуговая траектория вашего прыжка сделала бы круг вокруг Земли. Вы бы находились на орбите и испытывали состояние невесомости. Но вы бы падали, не достигая поверхности Земли. Правда, скафандр и запасы воздуха, пригодного для дыхания, вам все же понадобились бы. А если бы вы могли бегать со скоростью примерно 40,555 км/ч (25,200 миль в час), вы бы выпрыгнули сразу за пределы Земли и начали вращаться вокруг Солнца.

Согласно закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу, и сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратна пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть выражение «отсутствие гравитации» вообще не имеет смысла. На высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли — там, где летают пилотируемые корабли и космические станции — сила притяжения Земли очень велика и практически не отличается от силы гравитации вблизи поверхности.

Если бы существовала техническая возможность сбросить некий предмет с башни высотой километров 300, он бы начал падать вертикально и с ускорением свободного падения, точно так же, как он падал бы с высоты небоскреба или с высоты человеческого роста. Таким образом, во время орбитальных полетов сила земного притяжения не отсутствует и не ослабевает в значимых масштабах, а компенсируется. Точно так же, как для водных судов и аэростатов, сила притяжения земли компенсируется архимедовой силой, а для крылатых летательных аппаратов — подъемной силой крыла.

Да, но вот самолет-то летит и не падает, а пассажиру внутри салона не летают как космонавты на МКС. При обычном полете пассажир прекрасно ощущает свой вес, и от падения на землю его удерживает не непосредственно подъемная сила, а сила реакции опоры. Лишь во время аварийного или искусственно вызванного резкого снижения человек вдруг чувствует, что перестает давить на опору. Возникает невесомость. Почему? А потому что если потеря высоты происходит с ускорением, близким к ускорению свободного падения, то опора больше не мешает пассажиру падать — она и сама падает.

spaceref.com Понятно, что когда самолет прекратит резкое снижение, или, к несчастью, упадет на землю, тут-то и станет ясно, что гравитация никуда не девалась. Ибо в земных и околоземных условиях эффект невесомости возможен только во время падения. Собственно продолжительным падением и является орбитальный полет. Космическому кораблю, двигающемуся по орбите с первой космической скоростью, мешает упасть на Землю сила инерции. Взаимодействие гравитации и инерции имеет название «центробежной силы», хотя в реальности такой силы не существует, это в некотором роде фикция. Аппарат стремится двигаться по прямой (по касательной к околоземной орбите), но земная гравитация постоянно «закручивает» траекторию движения. Здесь эквивалентом ускорения свободного падения является так называемое центростремительное ускорение, в результате которого меняется не значение скорости, а ее вектор. И поэтому скорость корабля остается неизменной, а направление движение постоянно меняется. Поскольку и корабль, и космонавт движутся с одной и той же скоростью и с тем же самым центростремительным ускорением, космический аппарат не может выступать в качестве опоры, на которую давит вес человека. Вес — это возникающая в поле сил тяжести сила воздействия тела на опору препятствующую падению, А корабль, как и резко снижающийся самолет, падать не мешает.

Вот поэтому совершенно неправильно говорить об отсутствии земной гравитации или о наличии «микрогравитации» (как принято в англоязычных источниках) на орбите. Напротив, притяжение земли является одним из главных факторов возникающего на борту феномена невесомости.

Об истинной микрогравитации можно говорить лишь в применении к полетам в межпланетном и межзвездном пространстве. Вдали от крупного небесного тела действие сил притяжения отдаленных звезд и планет будет настолько слабым, что возникнет эффект невесомости. О том, как с этим бороться, мы не раз читали в фантастических романах. Космические станции в виде тора (баранки) станут раскручиваться вокруг центральной оси и создавать имитацию гравитации с помощью центробежной силы. Правда, чтобы создать эквивалент земного притяжения, придется задать тору диаметр более 200 м. Есть и другие проблемы, связанные с искусственной гравитацией. Так что все это дело отдаленного будущего.

Концепт станции 1969 года, которая должна была собираться на орбите из отработанных этапов программы «Аполлон». Станция должна была вращаться на своей центральной оси для создания искусственной гравитации

Почему? Потому что если вы хотите отправиться в другую звездную систему, вам нужно будет ускорить ваш корабль, чтобы туда добраться, а затем замедлить его по прибытии. Если вы не сможете оградить себя от этих ускорений, вас ждет катастрофа. Например, чтобы ускориться до полного импульса в «Звездном пути», до нескольких процентов световой скорости, придется испытать ускорение в 4000 g. Это в 100 раз больше ускорения, которое начинает препятствовать кровотоку в теле.

Запуск космического шаттла «Колумбия» в 1992 году показал, что ускорение протекает на протяжении длительного периода. Ускорение космического корабля будет во много раз выше, и человеческое тело не сможет с ним справиться

Если вы не хотите быть невесомым во время длительного путешествия - чтобы не подвергать себя ужасному биологическому износу вроде потери мышечной и костной массы - на тело постоянно должна действовать сила. Для любой другой силы это вполне легко сделать. В электромагнетизме, например, можно было бы разместить экипаж в проводящей кабине, и множество внешних электрических полей просто исчезли бы. Можно было бы расположить две параллельные пластины внутри и получить постоянное электрическое поле, выталкивающее заряды в определенном направлении.

Если бы гравитация работала таким же образом.

Такого понятия, как гравитационный проводник, просто не существует, как и возможности оградить себя от гравитационной силы. Невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, например, между двумя пластинами. Почему? Потому что в отличие от электрической силы, генерируемой положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного заряда, и это масса-энергия. Гравитационная сила всегда притягивает, и от нее никуда не скрыться. Вы можете лишь использовать три типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное.

Подавляющее большинство кварков и лептонов во Вселенной состоит из материи, но у каждого из них существуют и античастицы из антиматерии, гравитационные массы которых не определены

Единственный способ, с помощью которого можно было бы создать искусственную гравитацию, которая защитит вас от последствий ускорения вашего корабля и обеспечит вам постоянную тягу «вниз» без ускорения, будет доступен, если вы откроете частицы отрицательной гравитационной массы. Все частицы и античастицы, которые мы нашли до сих пор, обладают положительной массой, но эти массы инерциальны, то есть о них можно судить только при создании или ускорении частицы. Инерционная масса и гравитационная масса одинаковы для всех частиц, которые мы знаем, но мы никогда не проверяли свою идею на антиматерии или античастицах.

В настоящее время проводятся эксперименты именно по этой части. Эксперимент ALPHA в ЦЕРН создал антиводород: стабильную форму нейтральной антиматерии, и работает над изолированием ее от всех других частиц. Если эксперимент будет достаточно чувствительным, мы сможем измерить, как античастица попадает в гравитационное поле. Если падает вниз, как и обычное вещество, то у нее положительная гравитационная масса и ее можно использовать для строительства гравитационного проводника. Если падает в гравитационном поле вверх, это все меняет. Один лишь результат, и искусственная гравитация может внезапно стать возможной.

Возможность получения искусственной гравитации невероятно манит нас, но основана на существовании отрицательной гравитационной массы. может быть такой массой, но мы пока этого не доказали

Если антиматерия имеет отрицательную гравитационную массу, то при создании поля из обычного вещества и потолка из антивещества, мы могли бы создать поле искусственной гравитации, которое всегда тянуло бы вас вниз. Создав гравитационно-проводящую оболочку в виде корпуса нашего космического корабля, мы защитили бы экипаж от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае стали бы смертельными. И что самое крутое, люди в космосе не испытывали бы больше негативных физиологических эффектов, которые сегодня преследуют астронавтов. Но пока мы не найдем частицу с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет получаться только за счет ускорения.

О том факте, что в Космосе наблюдается невесомость, сегодня знает, пожалуй, даже маленький ребенок. Такому широкому распространению данного факта послужили многочисленные фантастические фильмы про Космос. Однако в действительности, почему в Космосе невесомость, знают немногие, и сегодня мы постараемся дать объяснение данному явлению.

Ошибочные гипотезы

Большинство людей, услышав вопрос о происхождении невесомости, легко дадут на него ответ, сказав, что такое состояние испытывается в Космосе по той причине, что сила притяжения там не действует на тела. И это будет в корне неверный ответ, поскольку в Космосе сила притяжения действует, и именно она удерживает все космические тела на своих местах, включая Землю и Луну, Марс и Венеру, которые неизбежно вращаются вокруг нашего естественного светила – Солнца.

Услышав, что ответ неверный, люди наверняка достанут из рукава другой козырь – отсутствие атмосферы, полный вакуум, наблюдаемый в Космосе. Однако и этот ответ не будет верным.

Почему в Космосе невесомость

Дело в том, что та невесомость, которую испытывают на себе космонавты, находящиеся на МКС, возникает по причине целой совокупности всевозможных факторов.

Причиной тому является то, что МКС вращается вокруг Земли по орбите с огромной скоростью, превышающей 28 тысяч километров в час. Такая скорость влияет на тот факт, что астронавтами на станции перестает ощущаться Земное притяжение, и относительно корабля создается ощущение невесомости. Все это и приводит к тому, что космонавты начинают передвигаться по станции именно так, как мы это видим в фантастических фильмах.

Как симулируют невесомость на Земле

Интересно, что состояние невесомости можно искусственно воссоздать в пределах Земной атмосферы, чем, кстати, успешно занимаются специалисты из НАСА.

На балансе NASA присутствует такое летательное средство, как Vomit Comet. Это вполне обычный аэроплан, который используется для тренировки астронавтов. Именно он способен воссоздавать условия пребывания в состоянии невесомости.

Сам процесс воссоздания подобных условий выглядит следующим образом:

1. Аэроплан резко набирает высоту, двигаясь по заранее запланированной параболической траектории.
2. Достигая верхней точки условной параболы, аэроплан начинает резкое движение вниз.
3. За счет резкого изменения траектории движения, а также устремления летательного аппарата вниз, все пребывающие на борту люди начинают находиться в условиях невесомости.
4. Достигая определенной точки снижения, аэроплан выравнивает свою траекторию, и повторяет процедуру полета, либо же садится на поверхность Земли.

"США не смогут обойтись без России в космосе"

На разрабатываемом в России новом модуле МКС будет установлена центрифуга для создания искусственной . "Мы воссоздали центрифугу малого радиуса. Была показана перспективность этого метода для моделирования искусственной гравитации. Данная центрифуга служит для создания искусственной гравитации на трансформируемом модуле, разрабатываемом в настоящее время РКК "Энергия", — сообщил журналистам директор Института медико-биологических проблем РАН Олег Орлов.

Мнением по этому поводу с сайт поделился космонавт, первый человек, вышедший в открытый космос (18 марта 1965 года), дважды Герой Советского Союза Алексей Леонов.

— Какие проблемы создает невесомость, и не пропадет ли вместе с ней космическая романтика? Почему с невесомостью нужно бороться?

— Самое страшное, что ожидает человека, попавшего на просторы космоса, это как раз невесомость. Человек, пролетавший месяц в невесомости, если не будет специально готовиться к спуску, просто погибнет при возвращении на землю.

После первого полета длительностью 18 суток Виталий Севастьянов и Андриян Николаев вернулись и не могли стоять. Более того, костная ткань стала мягкой. Как рассказывал Виталий, ноги превратились в "рыбьи хвосты", они гнулись!

Весь человеческий организм, сколько он существует, рассчитан на эксплуатацию в земной гравитационной постоянной. И если убрать гравитацию, организм не понятно, как себя будет вести, начиная от вестибулярного аппарата, и заканчивая сердечно-сосудистой системой, костно-мышечной тканью. Поэтому каждый день космонавты вынуждены тратить много времени на занятия на тренажерах типа трек-бана, лодки, постоянно ходить в нагрузочном костюме, который держит мышцы в тонусе.

Вспомним последний полет Корниенко — год пролетали, вернулись и своими ногами пошли. А Николаев и Севастьянов после 18 суток стоять не могли. Руки шлемофон не держали, такие ослабшие были.

Юра Романенко пролетал год, в космосе занимался физическими упражнениями, выполнял все рекомендации. В результате через год, когда он вернулся, оказалось, что его физическое состояние, которое объективно оценивается с помощью исследований костно-мышечной ткани, стало лучше, чем до полета.

Чтобы чувствовать себя комфортно, надо находиться на борту гигантского комплекса, где за счет вращения создана искусственная гравитация, минимум на 1,5g или 1g (земная составляет 9,8g), чтобы человек мог передвигаться собственными ногами, а не "плыть". Технические возможности позволяют это делать.

У данной центрифуги обязательно должно быть плечо, кресло, где будет сидеть человек. Для вращения необходимо 3 метра минимум, итого диаметр 6 метров. Для этого должна быть совершенно другая конструкция космической станции. Это гигантское колесо, диаметром метров 200, у которого по периферии находятся различные рабочие помещения. Колесо, как от телеги, посередине — втулка, в которую входит ось. Вот гравитация у этой втулки — нулевая, там полностью невесомость. Это место, куда может прилететь корабль, какой-то транспорт, что угодно. А идти потом по спицам на периферию. Надо создать минимум 0,2g, чтобы образовалось зеркало жидкости. А это можно сделать только лишь при перегрузке. Уже 0,1g достаточно, чтобы человек мог ходить там вниз головой, как угодно.

Если мы хотим иметь на орбите малые расходы и при этом создать комфортные условия, надо создавать такую станцию, торовую конструкцию, на которой можно находиться сколько угодно времени, и год, и два.

За подробностями сайт также обратилась к научному сотруднику Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН Александру Смолеевскому.

— В нашем обывательском понимании центрифуга — это достаточно большое сооружение. На МКС есть место, чтобы разместить такое?

— Речь идет о центрифуге короткого радиуса. То есть, это не та большая центрифуга, которую обычно показывают, это более компактный вариант. Технология может рассматриваться, как новое средство профилактики длительного воздействия невесомости на организм, на мышцы и костный аппарат. Искусственная гравитация может эти неприятные эффекты компенсировать без трудоемких физических тренировок.

— Это тренажер или более масштабное явление?

— Это именно центрифуга, которая позволяет в пассивном варианте компенсировать негативное влияние невесомости. Тренажер все-таки подразумевает активное участие человека, напряжение мышц, волевые усилия. Таковы как раз те тренажеры, которые сейчас находятся на МКС. А это средство более удобное для профилактики.

О конструкции центрифуги сайт дал уточнения пресс-секретарь Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН Олег Волошин:

— Центрифуга короткого радиуса имеет принципиальные отличия от обычной центрифуги. У обычной, на которой на Земле обычно тренируются космонавты, человек находится на дальнем плече и вращается как бы целиком, если так можно выразиться.

Центрифуга короткого радиуса поэтому так и называется, что имеет всего около 2,5 метра плечо, но человек там размещается, голова его находится практически около центральной оси, а ноги — на дистальном конце. Это принципиальное отличие.

Такая центрифуга вращается с меньшей скоростью, чем центрифуга ЦПК, и у нее совсем другие задачи. То есть если центрифуга большая, классическая, она рассчитана на то, чтобы научить человека сопротивляться перегрузкам. Эта центрифуга короткого радиуса решает задачу другого плана.

То есть принципиальное отличие заключается в том, что человек там лежит головой к центру оси вращения, а ноги находятся на дальнем конце. Это делается не для тренировок космонавта при перегрузке, а для того, чтобы дать хоть какую-то нагрузку, гравитацию. Предполагается, что космонавт будет находиться там сколько-то минут в день. Это как нагрузочный костюм Чибиса — космонавт надевает его на какое-то время, работает и выполняет процедуры, связанные с необходимыми физиологическими воздействиями. Так же человек будет работать и на центрифуге короткого радиуса.

Наземный вариант, который у нас стоит, решает задачу определить правильные циклы, как это делать и в каком режиме лучше работать.

— Когда разработка появится на МКС?

— Пока не понятно, есть задание, но сроки я не могу сказать. Любой тренажер занимает некое пространство, и когда планируется объем станции, то, естественно, тренажер ставится на какой-то отведенный участок, а центрифуга — достаточно громоздкий объект. Сильно сомневаюсь, что ее можно будет поставить на уже летающем модуле. Его предстоит собрать на Земле вместе с центрифугой. И соответственно уже в самом модуле должно быть отведено пространство.

Представьте себе детские качели шириной около 5 метров. Центр оси как бы посередине вот этих качелей. Вот примерно такая конструкция у центрифуги. Она занимает достаточно большую комнату, порядка 8 метров. Нужно место для воздуха, ведь когда она вращается, то будет перемешивать воздух.