Представьте, что вы находитесь внутри автомобиля или другого механизма, который вращается так быстро, что сила прижимает ваше тело к стене или сиденью. По мере того, как вы вращаетесь все быстрее и быстрее, давление, прижимающее вас к стене, увеличивается (и, наоборот, уменьшается по мере замедления вращения). Вес ощущается так же, как сила гравитации, которая удерживает ваше тело на земле.
Если вы похожи на большинство людей, ваш самый драматический опыт с этим типом силы вращения, вероятно, связан с аттракционом в парке развлечений - в частности, с классической поездкой на роторе, которая доставила много радости (и, да, рвота) с тех пор, как середина 19 века.
Но горстка людей, в том числе астронавты и военные летчики, испытывают то же самое явление в центрифуге, предназначенной для людей, машине, которая вращается для создания этих высоких «перегрузок», также называемых ускорением. Они испытывают эту перегрузку на борту высокопроизводительного самолета во время высокоскоростных разворотов, во время запусков в космос и когда космические корабли резко замедляются при входе в атмосферу Земли.
Что такое искусственная гравитация?
В самом прямом смысле этот тип вращения создает гравитацию, если быть точным, искусственную гравитацию. Он придает вес вашему телу - вес, который ваши кости и мышцы не могут отличить от веса, который Земля или другая планета дает из-за своей огромной массы.
Поэтому на протяжении десятилетий писатели-фантасты представляли себе вращающиеся космические корабли, которые создают искусственную гравитацию для астронавтов во время самых длительных фаз космических полетов. Это фазы, когда они не являются сверхтяжелыми из-за того, что корабль ускоряется для набора скорости или замедляется в атмосфере, но невесомыми из-за того, что корабль движется по инерции, что сводит на нет влияние гравитации.
Двумя примерами такой искусственной гравитации в научной фантастике являются фильм 2015 года «Марсианин» и эпопея 1968 года «2001: Космическая одиссея». «Марсианин» представляет собой межпланетный корабль «Гермес» с большой секцией в форме колеса, которая вращается во время своего путешествия между Землей и Марсом. Когда камера приближается, вы замечаете, что «верх» для астронавтов внутри «Гермеса» всегда направлен к центру колеса, а «низ», «пол», - это обод. Космическая станция V в «2001: Космическая одиссея» - это вращающаяся станция, создающая искусственную гравитацию, равную гравитации Луны.
Помимо простого комфорта, есть веские причины, по которым нам нужна искусственная гравитация в дальних космических миссиях. Во-первых, в невесомости наши тела изменяются таким образом, что это может быть вредно, когда астронавты прибывают в пункт назначения, например на Марс, или возвращаются на Землю. Кости теряют минеральный состав (они размягчаются, становятся уязвимыми для переломов); мышцы атрофируются (сморщиваются и ослабевают); жидкости смещаются к голове, а также выводятся из организма, вызывая изменения в сердечно-сосудистой системе и легких; нервная система выведена из строя; а в последние годы исследователи космической медицины обнаружили у некоторых астронавтов то, что может быть необратимым повреждением глаз. Добавьте к этому исследование, предполагающее, что гравитация может потребоваться людям для нормальной беременности в космосе, и кажется очевидным, что любой космический корабль, перевозящий людей вокруг Солнечной системы, либо должен вращаться, либо иметь какую-то часть корабля, которая это делает..
Исследования искусственной гравитации
НАСА и другие изучают эту возможность?
Ответ - да. С 1960-х годов ученые НАСА рассматривали возможность создания искусственной гравитации посредством вращения. Тем не менее, усилия, финансирование и общий энтузиазм то усиливались, то угасали на протяжении десятилетий. Был всплеск исследований в 1960-х годах, когда НАСА работало над отправкой человека на Луну (бюджет НАСА в то время составлял почти 5 процентов от бюджета всего федерального правительства - в 10 раз больше, чем сегодня).
Хотя НАСА не уделяло особого внимания исследованиям искусственной гравитации за последние полвека, ученые как внутри космического агентства, так и за его пределами изучают целый ряд ситуаций. Мыши, вращающиеся в небольшой центрифуге на борту Международной космической станции, выжили без проблем, а люди, привязанные к Земле, учатся адаптироваться во вращающихся комнатах. Один из них находится в Лаборатории пространственной ориентации Эштона Грейбила в Университете Брандейса, а в Институте аэрокосмической медицины DLR в Кельне, Германия, находится центрифуга с коротким рукавом DLR, модуль 1. Это единственный в своем роде центрифуга в мире, исследующий эффекты измененной гравитации, особенно в том, что касается рисков для здоровья, возникающих в условиях микрогравитации.
Почему у нас нет вращающихся космических кораблей?
Но если необходимость в искусственной гравитации так очевидна, зачем заниматься исследованиями в космосе или на Земле? Почему бы инженерам просто не заняться проектированием вращающихся кораблей, таких как «Гермес»?
Ответ в том, что искусственная гравитация требует компромисса, потому что все это вращение создает проблемы. Как и в Rotor Ride, быстрое движение головой во время вращения вызывает тошноту. Вращение также влияет на жидкость во внутреннем ухе и любых других частях тела, которые вы двигаете, когда находитесь во вращающейся среде.
И что тошнота, дезориентация и проблемы с движением ухудшаются, чем быстрее вы вращаетесь (количество оборотов в минуту [об/мин]). Но количество создаваемой искусственной гравитации зависит как от числа оборотов, так и от размера того, что вращается.
Чтобы испытать определенное количество гравитации - например, половину обычного количества, которое вы чувствуете на Земле - длина радиуса вращения (расстояние от вас, стоящего на полу, до центра того, что вращается) определяет, как быстро вам нужно вращаться. Постройте корабль в форме колеса радиусом 738 футов (225 метров), и вы получите полную земную гравитацию (известную как 1G), вращающуюся со скоростью всего 1 об/мин. Это достаточно медленно, поэтому ученые уверены, что никого не будет тошнить или дезориентировать.
Не считая того, что пол немного искривлен, все на борту такого корабля выглядело бы вполне нормально. Но строительство и запуск такой огромной конструкции в космос повлечет за собой многочисленные инженерные проблемы.
Это означает, что НАСА и любые другие космические агентства или организации, которые могут отправить людей вокруг Солнечной системы в будущем, должны довольствоваться меньшей гравитацией, более быстрым вращением (больше оборотов в минуту) - или и тем, и другим. Поскольку на Луне нет лаборатории, где гравитация на поверхности составляет около 16 процентов от земной, что делает ее прекрасным местом для исследования эффектов низкой гравитации, а не невесомости, просто недостаточно данных, чтобы понять, как это сделать. людям может понадобиться много гравитации для долгосрочных космических миссий или космических колоний. Такие данные необходимы, как и данные о том, сколько вращения люди могут разумно выдержать, и это является причиной продолжающихся исследований искусственной гравитации.
Вот это круто
Университет Колорадо в Боулдере изучает способы проектирования вращающихся систем, которые могли бы поместиться в помещении будущей космической станции или лунной базы. Астронавты могли заползать в эти комнаты всего на несколько часов в день, чтобы получить свою дневную дозу гравитации.