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.
Впервые идея орбитальной станции, в которой гравитацию имитирует центробежная сила, возникающая за счет вращения станции, была высказана в 1928 году в книге австро-венгерского ракетного инженера Германа Поточника.
Эта идея сохранялась и в проектах орбитальных станций 1950-60-х годов. Например, американский конструктор Вернер фон Браун описал вращающуюся станцию диаметром 76 метров.
Инженеры полагали, что такую станцию можно будет построить к 1967 году. Затем должны были последовать полеты на Луну. Однако американское правительство решило сосредоточиться сразу на Луне, так что проект орбитальной станции фон Брауну пришлось отложить. Впоследствии он послужил прототипом станции в фильме «Космическая одиссея 2001 года».
В 1975 году студенты Стэнфордского университета представили в NASA проект «Стэнфордского тора». По их задумке вращающаяся орбитальная станция должна была иметь диаметр 1,8 километра, а внутри было достаточно места, чтобы создать комфортные условия для жизни.
Кроме перечисленных предлагались и другие проекты, но, когда дело наконец дошло до строительства, оказалось, что детали для станции в форме огромного колеса очень сложно доставлять и собирать на орбите, а кроме того, невесомость оказалась ценна для научных экспериментов.
Конечно, невесомость отрицательно сказывается на здоровье людей на станции, однако опыт таких космонавтов, как Валерий Поляков ( по длительности пребывания в космосе), показывает, что к невесомости можно приспособиться , сохранив работоспособность и здоровье.
«Первые длительные полеты породили довольно серьезные проблемы космонавтов со здоровьем. Однако в настоящее время эта проблема в основном решена. А раз она решена, зачем затруднять себе жизнь созданием станции с искусственной гравитацией? Вращение станции - серьезное неудобство для ее работы: масса экспериментов, которые хотелось бы проводить на орбитальной станции, либо затруднены, либо вообще невозможны», - считает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт.
В конечном счете проекты вращающихся орбитальных станций так и остались неосуществленными. Последний из них - Nautilus-X. Этот проект предполагал постройку станции с центрифугой, внутри которой должны были располагаться жилые отсеки, надувные отсеки со складскими помещениями, солнечные панели и двигатели. Станция должна была быть по космическим меркам дешевой - 3,7 миллиарда долларов (для сравнения: МКС - 150 миллиардов). В рамках проекта предполагалось отправить на МКС демонстрационный модуль с центрифугой. Однако дальше идеи дело не продвинулось, хотя, возможно, центрифуга на МКС все-таки появится - ее планируют разработать Институт медико-биологических проблем РАН и РКК «Энергия».
Впрочем, недавно частная компания, называющая себя консорциумом «Космические технологии», объявила , что собирается строить собственную орбитальную станцию с искусственной гравитацией, причем в рамках проекта планируется также строительство космодрома на Дальнем Востоке. Работы компания намеревается завершить к 2032 году.
Однако с учетом того, что на такие грандиозные планы нужны миллиарды долларов, проект выглядит чистым вздором. «Реализовать такой проект силами частной компании конечно же невозможно. Для этого нужны просто колоссальные деньги», - пояснил Эйсмонт.
Екатерина Боровикова
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 . 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:
- Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
- Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
- Случай, когда эти два типа управления реализуются одновременно (например, при сближении космических аппаратов).
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 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.
На Международной космической станции (МКС) появится модуль с центрифугой, создающей искусственную гравитацию, сообщили в Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ИМБП РАН).
"Мы воссоздали центрифугу малого радиуса. Была показана перспективность этого метода для моделирования искусственной гравитации… Центрифуга малого радиуса служит для создания искусственной гравитации на трансформируемом модуле, разрабатываемом в настоящее время РКК "Энергия", - сказал директор ИМБП Олег Орлов.
Роскосмос уже дал поручение "Энергии" на реализацию этого проекта, добавил он. "Надеемся на нашей базе сделать макет центрифуги, его отработать, чтобы затем его создать на базе трансформируемого модуля", – заявил Орлов. Такую центрифугу установят на надувном модуле, который сейчас разрабатывается в России по типу американского BEAM (Bigelow Expandable Activity Module) , пристыковавшегося к МКС в апреле.
Видео работы экспериментального образца центрифуги короткого радиуса:
"Еще Циолковский считал, что если будет сделана искусственная гравитация, то многие проблемы медицинского сопровождения космических полетов будут решены. В ИМБП РАН, где на сегодняшний день создана лучшая в мире система профилактики для космонавтов, основанная на физических тренировках, мы давно начали прорабатывать и новое направление – искусственную гравитацию. При коротких орбитальных полетах она была не столь востребована, – космонавтам хватало для тренировок мышц и костного каркаса обычной беговой дорожки, велоэргометра... Теперь же, когда появились планы по освоению дальнего космоса, создание искусственной гравитации стало актуальной задачей. Она может существенно дополнить, а то и вовсе заменить для космонавтов изматывающие физические тренировки на борту в течение годового, а может, еще более длительного полета.Первая серия исследований, в которых принимал участие Олег Орлов, была направлена на то, чтобы выяснить, какая вращающая система более комфортна для человека. Для этого была создана даже специальная крутящаяся комната.
"Вот мы сидим в комнате, она крутится, – вспоминает Орлов. – До какого-то момента нам хорошо, но потом нам не хочется не только выполнять какие-то действия, но даже разговаривать. О приеме пищи и речи идти не может, – такое сильное начинается головокружение. В итоге подобных экспериментов, подбирая разные скорости, мы выработали допустимые требования к таким системам. К примеру, знаем теперь, что самой оптимальной скоростью вращения такой комнаты будет 6 оборотов минуту. К 9-ти оборотам уже не всякий адаптируется, при 12-ти – практически каждый ломается. Эти испытания пока отложены, – у нас нет задачи создания вращающегося космического корабля. Но при необходимости мы можем исследования возобновить.
Наиболее реалистичным, по словам Орлова, для реализации уже на Международной космической станции оказался второй вариант искусственной гравитации, создаваемой центрифугой короткого радиуса. Человек может пользоваться ею периодически, например 2 часа в день или ночью крутиться в ней во время сна. Время вращения будет подбираться индивидуально в зависимости от длительности космического полета, особенностей организма и так далее. Вращаясь в камере, космонавт будет испытывать те же воздействия, что и на Земле, в обычных гравитационных условиях. Этого должно хватить, чтобы компенсировать часть неблагоприятных влияний.
Кстати, искусственная гравитация нужна не только в космосе, но и на Земле. Пребывание в условиях повышенной гравитации, когда создается сила тяжести больше, чем на на нашей планете, оказывает пользу при лечении сосудов нижних конечностей, ускоряет регенерацию костных тканей при переломах, есть эффективность и при вариантах гипертонической болезни".
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.
