אפילו אדם ללא עניין בחלל אי פעם ראה סרט על מסע בחלל או קרא על דברים כאלה בספרים. כמעט בכל עבודות כאלה, אנשים מסתובבים בספינה, ישנים כרגיל, ואינם חווים בעיות באכילה. זה אומר שלספינות האלה - בדיוניות - יש כוח משיכה מלאכותי. רוב הצופים תופסים את זה כמשהו טבעי לחלוטין, אבל זה בכלל לא.
כוח משיכה מלאכותי
זהו השם של השינוי (בכל כיוון) של כוח המשיכה המוכר לנו על ידי יישום שיטות שונות. וזה נעשה לא רק ביצירות פנטסטיות, אלא גם במצבים ארציים אמיתיים מאוד, לרוב לצורך ניסויים.
בתיאוריה, יצירת כוח הכבידה המלאכותי לא נראית כל כך קשה. לדוגמה, ניתן ליצור אותו מחדש בעזרת אינרציה, ליתר דיוק, כוח צנטריפוגלי. הצורך בכוח הזה לא התעורר אתמול - זה קרה מיד, ברגע שאדם התחיל לחלום על טיסות ארוכות טווח בחלל. יצירהכוח משיכה מלאכותי בחלל יאפשר להימנע מבעיות רבות המתעוררות במהלך שהייה ממושכת בחוסר משקל. שרירי האסטרונאוטים נחלשים, העצמות נעשות פחות חזקות. נסיעה בתנאים כאלה במשך חודשים, אתה יכול לקבל ניוון של כמה שרירים.
לכן, כיום יצירת כוח משיכה מלאכותי היא משימה בעלת חשיבות עליונה, חקר החלל ללא מיומנות זו פשוט בלתי אפשרי.
חומרים
אפילו מי שמכיר פיזיקה רק ברמת תוכנית הלימודים בבית הספר מבין שכוח המשיכה הוא אחד מחוקי היסוד של העולם שלנו: כל הגופים מקיימים אינטראקציה זה עם זה, חווים משיכה/דחייה הדדית. ככל שהגוף גדול יותר, כוח המשיכה שלו גדול יותר.
אדמה עבור המציאות שלנו היא אובייקט מסיבי מאוד. לכן, ללא יוצא מן הכלל, כל הגופים סביבה נמשכים אליו.
עבורנו המשמעות היא האצת הנפילה החופשית, הנמדדת בדרך כלל ב-g, שווה ל-9.8 מטר לשניה רבועה. זה אומר שאם לא הייתה לנו תמיכה מתחת לרגליים, היינו נופלים במהירות שעולה ב-9.8 מטר בכל שנייה.
לכן, רק הודות לכוח הכבידה אנחנו מסוגלים לעמוד, ליפול, לאכול ולשתות כרגיל, להבין איפה למעלה, איפה למטה. אם כוח המשיכה ייעלם, נהיה באפס כוח משיכה.
אסטרונאוטים שמוצאים את עצמם בחלל במצב של דאייה - נפילה חופשית מכירים במיוחד את התופעה הזו.
תאורטית, מדענים יודעים ליצור כוח משיכה מלאכותי. קיימיםמספר טכניקות.
מסה גדולה
האופציה ההגיונית ביותר היא להפוך את החללית לגדולה כל כך שיש לה כוח משיכה מלאכותי. ניתן יהיה להרגיש בנוח על הספינה, שכן ההתמצאות בחלל לא תאבד.
למרבה הצער, שיטה זו עם ההתפתחות המודרנית של הטכנולוגיה אינה מציאותית. כדי לבנות אובייקט כזה צריך יותר מדי משאבים. בנוסף, זה ידרוש כמות מדהימה של אנרגיה כדי להרים אותו.
Speed up
נראה שאם אתה רוצה להשיג g שווה לזה של כדור הארץ, אתה רק צריך לתת לספינה צורה שטוחה (פלטפורמה) ולגרום לה לנוע בניצב למישור בתאוצה הרצויה. בדרך זו תתקבל כוח משיכה מלאכותי, ואידיאלי.
עם זאת, המציאות הרבה יותר מסובכת.
קודם כל, כדאי לשקול את נושא הדלק. על מנת שהתחנה תאיץ כל הזמן, יש צורך בהספק אל פסק. גם אם יופיע לפתע מנוע שאינו מוציא חומר, חוק שימור האנרגיה יישאר בתוקף.
הבעיה השנייה היא עצם הרעיון של האצה מתמדת. לפי הידע והחוקים הפיזיקליים שלנו, אי אפשר להאיץ עד אינסוף.
בנוסף, רכבים כאלה אינם מתאימים למשימות מחקר, שכן עליהם להאיץ כל הזמן - לעוף. הוא לא יוכל לעצור כדי לחקור את כוכב הלכת, הוא אפילו לא יוכל לעוף סביבו לאט - הוא צריך להאיץ.
אזלפיכך, מתברר שכוח משיכה מלאכותי שכזה עדיין אינו זמין עבורנו.
Carousel
כולם יודעים איך סיבוב הקרוסלה משפיע על הגוף. לכן, נראה שמכשיר כבידה מלאכותי לפי עיקרון זה הוא המציאותי ביותר.
כל מה שנמצא בקוטר הקרוסלה נוטה ליפול ממנה במהירות השווה בערך למהירות הסיבוב. מסתבר שכוח פועל על הגוף, המכוון לאורך רדיוס העצם המסתובב. זה מאוד דומה לכוח המשיכה.
אז, אתה צריך ספינה שיש לה צורה גלילית. במקביל, עליו להסתובב סביב צירו. אגב, כוח משיכה מלאכותי על ספינת חלל, שנוצרה על פי עיקרון זה, מוצג לעתים קרובות בסרטי מדע בדיוני.
ספינה בצורת חבית, המסתובבת סביב ציר האורך, יוצרת כוח צנטריפוגלי שכיוונו מתאים לרדיוס העצם. כדי לחשב את התאוצה המתקבלת, עליך לחלק את הכוח במסה.
לאנשים שיודעים פיזיקה לא יהיה קשה לחשב זאת: a=ω²R.
בנוסחה זו, תוצאת החישוב היא התאוצה, המשתנה הראשון הוא מהירות הצמתים (נמדד ברדיאנים לשנייה), השני הוא הרדיוס.
לפי זה, על מנת להשיג את ה-g הרגיל, יש צורך לשלב נכון את המהירות הזוויתית ורדיוס הובלת החלל.
בעיה זו מכוסה בסרטים כמו "אינטרסול", "בבילון 5", "2001: אודיסיאה בחלל" וכדומה. בכל המקרים הללוכוח הכבידה המלאכותי קרוב להאצת הנפילה החופשית של כדור הארץ.
לא משנה כמה טוב הרעיון, די קשה ליישם אותו.
בעיות בשיטת הקרוסלה
הבעיה הברורה ביותר מודגשת באודיסיאה בחלל. רדיוס "נושא החלל" הוא כ-8 מטרים. על מנת לקבל תאוצה של 9.8, הסיבוב חייב להתרחש בקצב של כ-10.5 סיבובים בכל דקה.
בערכים המצוינים בא לידי ביטוי "אפקט קוריוליס", המורכב מכך שכוחות שונים פועלים במרחקים שונים מהרצפה. זה תלוי ישירות במהירות הזוויתית.
מסתבר שתיווצר כוח משיכה מלאכותי בחלל, אבל סיבוב מהיר מדי של המארז יוביל לבעיות באוזן הפנימית. זה, בתורו, גורם לחוסר איזון, בעיות במנגנון הוסטיבולרי ובעיות דומות אחרות.
הופעתו של מחסום זה מעידה על כך שמודל כזה אינו מוצלח ביותר.
אתם יכולים לנסות ללכת מההפך, כפי שעשו ברומן "טבעת העולם". כאן הספינה עשויה בצורה של טבעת, שרדיוס שלה קרוב לרדיוס מסלולנו (כ-150 מיליון ק"מ). בגודל הזה, מהירות הסיבוב שלו מספיקה כדי להתעלם מאפקט קוריוליס.
אפשר להניח שהבעיה נפתרה, אבל זה בכלל לא כך. העובדה היא שסיבוב שלם של המבנה הזה סביב הציר שלו לוקח 9 ימים. זה מאפשר להניח שהעומסים יהיו גדולים מדי. כדיהבנייה עמדה בהם, יש צורך בחומר חזק מאוד, שאין לנו היום ברשותנו. בנוסף, הבעיה היא בכמות החומר ובתהליך הבנייה עצמו.
במשחקים בעלי נושא דומה, כמו בסרט "בבילון 5", הבעיות הללו נפתרות איכשהו: מהירות הסיבוב מספיקה למדי, אפקט הקוריוליס אינו משמעותי, ניתן באופן היפותטי ליצור ספינה כזו.
עם זאת, אפילו לעולמות כאלה יש חסרון. השם שלו הוא מומנטום.
הספינה, מסתובבת סביב ציריה, הופכת לג'ירוסקופ ענק. כידוע, קשה מאוד לגרום לג'ירוסקופ לסטות מהציר בגלל התנע הזוויתי. חשוב שהכמות שלו לא תצא מהמערכת. זה אומר שיהיה קשה מאוד לקבוע את הכיוון לאובייקט זה. עם זאת, ניתן לפתור בעיה זו.
פתרון בעיות
כוח הכבידה המלאכותי בתחנת חלל הופך זמין כאשר "גליל אוניל" יבוא להצלה. כדי ליצור עיצוב זה, יש צורך בספינות גליליות זהות, המחוברות לאורך הציר. הם צריכים להסתובב בכיוונים שונים. התוצאה של הרכבה זו היא תנע זוויתי אפס, ולכן לא אמור להיות קושי לתת לספינה את הכיוון הרצוי.
אם אפשר לעשות ספינה ברדיוס של כ-500 מטר, אז זה יעבוד בדיוק כמו שצריך. יחד עם זאת, כוח הכבידה המלאכותי בחלל יהיה נוח למדי ומתאים לטיסות ארוכות בספינות או בתחנות מחקר.
מהנדסי חלל
איך ליצור כוח משיכה מלאכותי ידוע ליוצרי המשחק. עם זאת, בעולם הפנטזיה הזה, כוח המשיכה אינו משיכה הדדית של גופים, אלא כוח ליניארי שנועד להאיץ עצמים בכיוון נתון. האטרקציה כאן אינה מוחלטת, היא משתנה כאשר המקור מופנה מחדש.
כוח הכבידה המלאכותי בתחנת החלל נוצר באמצעות גנרטור מיוחד. הוא אחיד ושווה כיווני באזור הגנרטור. אז, בעולם האמיתי, אם תיפגע מספינה שמותקן בה גנרטור, תימשך אל גוף הספינה. עם זאת, במשחק, הגיבור ייפול עד שיעזוב את היקף המכשיר.
כיום, כוח הכבידה המלאכותי בחלל, שנוצר על ידי מכשיר כזה, אינו נגיש לאנושות. עם זאת, אפילו מפתחים אפורים לא מפסיקים לחלום על זה.
גנרטור כדורי
זו גרסה מציאותית יותר של הציוד. כאשר מותקן, לכוח הכבידה יש כיוון לכיוון הגנרטור. זה מאפשר ליצור תחנה שכוח המשיכה שלה יהיה שווה לפלנטרית.
Centrifuge
היום, כוח הכבידה המלאכותי על כדור הארץ נמצא במכשירים שונים. הם מבוססים, לרוב, על אינרציה, שכן כוח זה מורגש אצלנו בדומה להשפעות כבידה - הגוף אינו מבחין מה גורם לתאוצה. כדוגמה: אדם העולה במעלית חווה את השפעת האינרציה. דרך עיניו של פיזיקאי: הרמת מעלית מוסיפה להאצת הנפילה החופשית את האצת המכונית. עם שובובקתות לתנועה מדודה "עלייה" במשקל נעלמת, ומחזירה את התחושות הרגילות.
מדענים התעניינו זה מכבר בכוח הכבידה המלאכותי. הצנטריפוגה משמשת למטרות אלו לרוב. שיטה זו מתאימה לא רק לחלליות, אלא גם לתחנות קרקע שבהן נדרש לחקור את השפעת כוח המשיכה על גוף האדם.
למד על כדור הארץ, הגשת בקשה ב…
למרות שחקר הכבידה התחיל מהחלל, זהו מדע ארצי מאוד. גם היום, הישגים בתחום זה מצאו את יישומם, למשל, ברפואה. לדעת אם אפשר ליצור כוח משיכה מלאכותי על הפלנטה, אפשר להשתמש בו כדי לטפל בבעיות במנגנון המוטורי או במערכת העצבים. יתר על כן, חקר הכוח הזה מתבצע בעיקר על כדור הארץ. זה מאפשר לאסטרונאוטים לערוך ניסויים תוך שהם נשארים תחת תשומת לב רבה של רופאים. דבר נוסף הוא כוח הכבידה המלאכותי בחלל, אין שם אנשים שיכולים לעזור לאסטרונאוטים במקרה של מצב בלתי צפוי.
בהינתן חוסר משקל מוחלט, אי אפשר לקחת בחשבון לוויין במסלול נמוך של כדור הארץ. עצמים אלה, אם כי במידה מועטה, מושפעים מכוח הכבידה. כוח הכבידה שנוצר במקרים כאלה נקרא מיקרו-כבידה. כוח הכבידה האמיתי נחווה רק במכשיר שטס במהירות קבועה בחלל החיצון. עם זאת, גוף האדם אינו מרגיש את ההבדל הזה.
ניתן לחוות חוסר משקל במהלך קפיצה לרוחק (לפני פתיחת החופה) או במהלך ירידה פרבולית של המטוס. ניסויים כאלהלעתים קרובות מבוים בארה ב, אבל במטוס התחושה הזו נמשכת רק 40 שניות - זה קצר מדי למחקר מלא.
בברית המועצות עוד ב-1973 ידעו אם אפשר ליצור כוח משיכה מלאכותי. ולא רק יצר אותו, אלא גם שינה אותו באיזשהו אופן. דוגמה חיה לירידה מלאכותית בכבידה היא טבילה יבשה, טבילה. כדי להשיג את האפקט הרצוי, אתה צריך לשים סרט צפוף על פני המים. האדם מונח מעליו. מתחת למשקל הגוף, הגוף שוקע מתחת למים, רק הראש נשאר מעל. מודל זה מדגים את תמיכת כוח הכבידה הנמוכה שנמצאת באוקיינוס.
אין צורך לצאת לחלל כדי להרגיש את ההשפעה של הכוח ההפוך של חוסר משקל - כבידה יתר. כאשר ממריאים ומנחיתים חללית, בצנטריפוגה, אפשר לא רק להרגיש את עומס היתר, אלא גם ללמוד אותו.
טיפול כוח משיכה
פיזיקת כבידה חוקרת, בין היתר, את ההשפעה של חוסר משקל על גוף האדם, בשאיפה למזער את ההשלכות. עם זאת, מספר רב של הישגים של מדע זה יכולים להיות שימושיים לתושבי כדור הארץ הרגילים.
רופאים תולים תקוות גדולות במחקר על ההתנהגות של אנזימי שריר במיופתיה. זוהי מחלה קשה המובילה למוות מוקדם.
עם תרגילים גופניים פעילים, כמות גדולה של האנזים קריאטינופוספוקינאז נכנסת לדמו של אדם בריא. הסיבה לתופעה לא ברורה, אולי העומס פועל על קרום התא בצורה כזו שהוא"מחורר". חולים עם מיופתיה מקבלים את אותו האפקט ללא פעילות גופנית. תצפיות באסטרונאוטים מראות שבחוסר משקל זרימת האנזים הפעיל לדם מופחתת משמעותית. גילוי זה מצביע על כך שהשימוש בטבילה יפחית את ההשפעה השלילית של גורמים המובילים למיאופתיה. ניסויים בבעלי חיים מתבצעים כעת.
טיפול במחלות מסוימות כבר מתבצע היום באמצעות נתונים שהתקבלו מחקר כוח המשיכה, כולל מלאכותי. לדוגמה, שיתוק מוחין, שבץ מוחי, פרקינסון מטופלים באמצעות חליפות עומס. מחקר על ההשפעה החיובית של התמיכה - הנעל הפנאומטית כמעט הושלמה.
האם נטוס למאדים?
ההישגים האחרונים של אסטרונאוטים נותנים תקווה למציאות הפרויקט. יש ניסיון של תמיכה רפואית לאדם במהלך שהייה ארוכה הרחק מכדור הארץ. גם טיסות מחקר לירח, שבהן כוח הכבידה קטן פי 6 משלנו, הביאו הרבה יתרונות. כעת אסטרונאוטים ומדענים מציבים לעצמם יעד חדש - מאדים.
לפני שאתם עומדים בתור לכרטיס לכוכב האדום, כדאי שתדעו למה הגוף מצפה כבר בשלב הראשון של העבודה - בדרך. בממוצע, הדרך לכוכב המדבר תיקח שנה וחצי - כ-500 ימים. בדרך, תצטרכו לסמוך רק על הכוח שלכם, פשוט אין איפה לחכות לעזרה.
גורמים רבים יערערו את החוזק: מתח, קרינה, חוסר בשדה מגנטי. המבחן החשוב ביותר לגוף הוא השינוי בכוח המשיכה. במהלך המסע "מתוודע" אדםמספר רמות כבידה. קודם כל, מדובר בעומסי יתר בזמן ההמראה. ואז - חוסר משקל במהלך הטיסה. לאחר מכן, תת-כבידה ביעד, שכן כוח הכבידה על מאדים הוא פחות מ-40% מכדור הארץ.
איך מתמודדים עם ההשפעות השליליות של חוסר משקל בטיסה ארוכה? יש לקוות שהתפתחויות בתחום יצירת כוח הכבידה המלאכותי יסייעו בפתרון בעיה זו בעתיד הקרוב. ניסויים על חולדות המטיילות ב-Kosmos-936 מראים שהטכניקה הזו לא פותרת את כל הבעיות.
ניסיון במערכת ההפעלה הראה שהשימוש במתחמי אימון שיכולים לקבוע את העומס הדרוש עבור כל אסטרונאוט בנפרד יכול להביא הרבה יותר יתרונות לגוף.
עד כה מאמינים שלא רק חוקרים יטוסו למאדים, אלא גם תיירים שרוצים להקים מושבה על הכוכב האדום. מבחינתם, לפחות בהתחלה, התחושות של חוסר משקל יעלו על כל הטיעונים של הרופאים על הסכנות שבחשיפה ממושכת למצבים כאלה. עם זאת, גם הם יזדקקו לעזרה בעוד מספר שבועות, ולכן כל כך חשוב להיות מסוגלים למצוא דרך ליצור כוח משיכה מלאכותי על ספינת חלל.
תוצאות
אילו מסקנות ניתן להסיק לגבי יצירת כוח משיכה מלאכותי בחלל?
בין כל האפשרויות הנבדקות כעת, המבנה המסתובב נראה הכי ריאליסטי. עם זאת, עם ההבנה הנוכחית של חוקים פיזיקליים, זה בלתי אפשרי, מכיוון שהספינה אינה גליל חלול. בתוכו יש חפיפות שמפריעות להגשמת רעיונות.
בנוסף, הרדיוס של הספינה צריך להיות כזהגדול כך שלאפקט קוריוליס אין השפעה משמעותית.
כדי לשלוט במשהו כזה, אתה צריך את הגליל של אוניל שהוזכר לעיל, שייתן לך את היכולת לשלוט בספינה. במקרה זה, הסיכוי להשתמש בעיצוב דומה לטיסות בין-כוכביות עם מתן רמת כבידה נוחה לצוות עולה.
לפני שהאנושות תצליח להגשים את חלומותיה, הייתי רוצה לראות קצת יותר ריאליזם ועוד יותר ידע על חוקי הפיזיקה במדע בדיוני.
