حتى الشخص الذي ليس لديه اهتمام بالفضاء قد شاهد فيلمًا عن السفر إلى الفضاء أو قرأ عن مثل هذه الأشياء في الكتب. في جميع هذه الأعمال تقريبًا ، يتجول الناس حول السفينة وينامون بشكل طبيعي ولا يعانون من مشاكل في تناول الطعام. هذا يعني أن هذه السفن - الخيالية - لها جاذبية اصطناعية. ينظر معظم المشاهدين إلى هذا على أنه شيء طبيعي تمامًا ، لكنه ليس كذلك على الإطلاق.
الجاذبية الاصطناعية
هذا هو اسم التغيير (في أي اتجاه) للجاذبية المألوف لنا من خلال تطبيق طرق مختلفة. وهذا لا يتم فقط في الأعمال الرائعة ، ولكن أيضًا في المواقف الأرضية الحقيقية جدًا ، وغالبًا ما يتم إجراء التجارب.
من الناحية النظرية ، لا يبدو إنشاء الجاذبية الاصطناعية بهذه الصعوبة. على سبيل المثال ، يمكن إعادة إنشائه بمساعدة القصور الذاتي ، وبصورة أدق ، قوة الطرد المركزي. لم تنشأ الحاجة إلى هذه القوة بالأمس - لقد حدث ذلك على الفور ، بمجرد أن بدأ الشخص يحلم برحلات فضائية طويلة المدى. خلقستجعل الجاذبية الاصطناعية في الفضاء من الممكن تجنب العديد من المشاكل التي تنشأ أثناء البقاء لفترة طويلة في انعدام الوزن. تضعف عضلات رواد الفضاء ، وتصبح العظام أقل قوة. السفر في مثل هذه الظروف لشهور ، يمكن أن تصاب بضمور في بعض العضلات.
وبالتالي ، فإن إنشاء الجاذبية الاصطناعية اليوم هو مهمة ذات أهمية قصوى ، واستكشاف الفضاء بدون هذه المهارة هو ببساطة مستحيل.
المواد
حتى أولئك الذين يعرفون الفيزياء فقط على مستوى المناهج المدرسية يفهمون أن الجاذبية هي أحد القوانين الأساسية لعالمنا: تتفاعل جميع الأجسام مع بعضها البعض ، وتعاني من الانجذاب / النفور المتبادل. كلما كبر الجسم زادت قوة جاذبيته.
الأرض لواقعنا هي كائن ضخم للغاية. لهذا السبب ، بدون استثناء ، كل الأجساد من حولها تنجذب إليها.
بالنسبة لنا ، هذا يعني تسارع السقوط الحر ، والذي يُقاس عادةً بوحدة g ، أي ما يعادل 9.8 مترًا لكل ثانية مربعة. هذا يعني أنه إذا لم يكن لدينا دعم تحت أقدامنا ، فسوف نسقط بسرعة تزيد بمقدار 9.8 متر كل ثانية.
وهكذا ، فقط بفضل الجاذبية يمكننا الوقوف والسقوط والأكل والشرب بشكل طبيعي ، وفهم أين هو أعلى وأين هو أسفل. إذا اختفت الجاذبية ، فسنكون في حالة انعدام الجاذبية
رواد الفضاء الذين يجدون أنفسهم في الفضاء في حالة من الارتفاع - السقوط الحر معتادون بشكل خاص على هذه الظاهرة.
من الناحية النظرية ، يعرف العلماء كيفية إنشاء الجاذبية الاصطناعية. يوجدعدة تقنيات.
كتلة كبيرة
الخيار الأكثر منطقية هو جعل سفينة الفضاء كبيرة جدًا بحيث يكون لها جاذبية اصطناعية. سيكون من الممكن الشعور بالراحة على متن السفينة ، حيث لن يضيع الاتجاه في الفضاء.
لسوء الحظ ، هذه الطريقة مع التطور الحديث للتكنولوجيا غير واقعية. لبناء مثل هذا الكائن يتطلب الكثير من الموارد. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه سيتطلب قدرًا لا يُصدق من الطاقة لرفعه.
تسريع
يبدو أنك إذا كنت تريد تحقيق g يساوي الأرض ، فأنت تحتاج فقط إلى إعطاء السفينة شكلًا مسطحًا (منصة) وجعلها تتحرك عموديًا على الطائرة بالتسارع المطلوب. وبهذه الطريقة يتم الحصول على جاذبية اصطناعية ومثالية.
لكن الواقع أكثر تعقيدًا.
بادئ ذي بدء ، يجدر النظر في مسألة الوقود. لكي تتسارع المحطة باستمرار ، من الضروري أن يكون لديك مصدر طاقة غير منقطع. حتى لو ظهر محرك فجأة لا يخرج مادة ، فإن قانون الحفاظ على الطاقة سيظل ساري المفعول.
المشكلة الثانية هي فكرة التسارع المستمر. وفقًا لمعرفتنا وقوانيننا الفيزيائية ، من المستحيل التسريع إلى اللانهاية.
بالإضافة إلى ذلك ، هذه المركبات ليست مناسبة للمهام البحثية ، حيث يجب أن تتسارع باستمرار - تطير. لن يكون قادرًا على التوقف لدراسة الكوكب ، ولن يكون قادرًا على الطيران ببطء حوله - إنه بحاجة إلى الإسراع.
هكذاوهكذا يتضح أن هذه الجاذبية الاصطناعية ليست متاحة لنا بعد.
دائري
يعلم الجميع كيف يؤثر دوران الكاروسيل على الجسم. لذلك ، يبدو أن جهاز الجاذبية الاصطناعية وفقًا لهذا المبدأ هو الأكثر واقعية.
كل شيء في قطر الدائرة يميل إلى السقوط منه بسرعة تساوي تقريبًا سرعة الدوران. اتضح أن قوة تؤثر على الجسم ، موجهة على طول نصف قطر الجسم الدوار. إنه مشابه جدًا للجاذبية.
إذن أنت بحاجة إلى سفينة ذات شكل أسطواني. في نفس الوقت ، يجب أن تدور حول محورها. بالمناسبة ، غالبًا ما تظهر الجاذبية الاصطناعية على مركبة فضائية ، والتي تم إنشاؤها وفقًا لهذا المبدأ ، في أفلام الخيال العلمي.
سفينة على شكل برميل ، تدور حول المحور الطولي ، تخلق قوة طرد مركزي ، يتوافق اتجاهها مع نصف قطر الجسم. لحساب التسارع الناتج ، تحتاج إلى قسمة القوة على الكتلة.
لن يكون من الصعب على الأشخاص الذين يعرفون الفيزياء حساب هذا: أ=ω²R.
في هذه الصيغة ، نتيجة الحساب هي التسارع ، المتغير الأول هو السرعة العقدية (تقاس بالراديان في الثانية) ، والثاني هو نصف القطر.
وفقًا لهذا ، من أجل الحصول على g المعتاد ، من الضروري الجمع بشكل صحيح بين السرعة الزاوية ونصف قطر النقل الفضائي.
تمت تغطية هذه المشكلة في أفلام مثل "Intersol" و "Babylon 5" و "2001: A Space Odyssey" وما شابه. في كل هذه الحالاتالجاذبية الاصطناعية قريبة من تسارع السقوط الحر للأرض.
مهما كانت الفكرة جيدة ، من الصعب تنفيذها
مشاكل طريقة العرض الدائري
المشكلة الأكثر وضوحًا تم تسليط الضوء عليها في A Space Odyssey. نصف قطر "حاملة الفضاء" حوالي 8 أمتار. من أجل الحصول على تسارع 9.8 ، يجب أن يحدث الدوران بمعدل 10.5 دورة تقريبًا كل دقيقة.
عند القيم المشار إليها ، يتجلى "تأثير كوريوليس" ، والذي يتمثل في حقيقة أن قوى مختلفة تعمل على مسافات مختلفة من الأرض. يعتمد بشكل مباشر على السرعة الزاوية.
اتضح أنه سيتم إنشاء جاذبية اصطناعية في الفضاء ، لكن الدوران السريع جدًا للحالة سيؤدي إلى مشاكل في الأذن الداخلية. وهذا بدوره يسبب اختلالات ومشاكل بالجهاز الدهليزي ومشاكل أخرى مشابهة.
ظهور هذا الحاجز يوحي بأن مثل هذا النموذج غير ناجح للغاية.
يمكنك محاولة الذهاب من العكس كما فعلوا في رواية "الحلقة العالمية". هنا تتكون السفينة على شكل حلقة نصف قطرها قريب من نصف قطر مدارنا (حوالي 150 مليون كيلومتر). بهذا الحجم ، سرعة دورانه كافية لتجاهل تأثير كوريوليس.
قد تفترض أن المشكلة قد تم حلها ، لكنها ليست كذلك على الإطلاق. الحقيقة هي أن الدوران الكامل لهذا الهيكل حول محوره يستغرق 9 أيام. هذا يجعل من الممكن افتراض أن الأحمال ستكون كبيرة جدًا. بغرضصمد البناء أمامهم ، هناك حاجة إلى مادة قوية جدًا ، والتي لا نملكها تحت تصرفنا اليوم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المشكلة تكمن في كمية المواد وعملية البناء نفسها.
في الألعاب ذات الموضوع المماثل ، كما في فيلم "Babylon 5" ، يتم حل هذه المشكلات بطريقة ما: سرعة الدوران كافية تمامًا ، وتأثير كوريوليس ليس كبيرًا ، ومن الممكن افتراضيًا إنشاء مثل هذه السفينة
ومع ذلك ، حتى هذه العوالم لها عيب. اسمه زخم
تتحول السفينة التي تدور حول محورها إلى جيروسكوب ضخم. كما تعلم ، من الصعب للغاية جعل الجيروسكوب ينحرف عن المحور بسبب الزخم الزاوي. من المهم ألا تترك كميتها النظام. هذا يعني أنه سيكون من الصعب للغاية تحديد اتجاه هذا الكائن. ومع ذلك ، يمكن حل هذه المشكلة.
حل المشكلة
الجاذبية الاصطناعية في محطة فضائية تصبح متاحة عندما تأتي "أسطوانة أونيل" للإنقاذ. لإنشاء هذا التصميم ، يلزم وجود سفن أسطوانية متطابقة ، متصلة على طول المحور. يجب أن تدور في اتجاهات مختلفة. نتيجة هذا التجمع هي صفر زخم زاوي ، لذلك يجب ألا تكون هناك صعوبة في تحديد الاتجاه المطلوب للسفينة.
إذا كان من الممكن إنشاء سفينة نصف قطرها حوالي 500 متر ، فستعمل تمامًا كما ينبغي. في الوقت نفسه ، ستكون الجاذبية الاصطناعية في الفضاء مريحة جدًا ومناسبة للرحلات الطويلة على متن السفن أو محطات الأبحاث.
مهندسو الفضاء
يعرف مبدعو اللعبة كيفية إنشاء الجاذبية الاصطناعية. ومع ذلك ، في هذا العالم الخيالي ، لا تعتبر الجاذبية نقطة جذب متبادلة للأجسام ، ولكنها قوة خطية مصممة لتسريع الأشياء في اتجاه معين. الجاذبية هنا ليست مطلقة ، إنها تتغير عند إعادة توجيه المصدر.
يتم إنشاء الجاذبية الاصطناعية على المحطة الفضائية باستخدام مولد خاص. إنه موحد ومتساوي الاتجاه في منطقة المولد. لذلك ، في العالم الحقيقي ، إذا صدمتك سفينة بها مولد كهربائي ، فسوف يتم سحبك إلى الهيكل. ومع ذلك ، في اللعبة ، سيسقط البطل حتى يغادر محيط الجهاز.
اليوم ، الجاذبية الاصطناعية في الفضاء ، التي تم إنشاؤها بواسطة مثل هذا الجهاز ، لا يمكن للبشرية الوصول إليها. ومع ذلك ، حتى المطورين ذوي الشعر الرمادي لا يتوقفون عن الحلم به.
مولد كروي
هذه نسخة أكثر واقعية من المعدات. عند التثبيت ، يكون للجاذبية اتجاه نحو المولد. هذا يجعل من الممكن إنشاء محطة ، تكون جاذبيتها مساوية للمحطة الكوكبية.
جهاز طرد مركزي
اليوم ، توجد الجاذبية الاصطناعية على الأرض في أجهزة مختلفة. إنها تستند ، في معظمها ، إلى القصور الذاتي ، لأن هذه القوة نشعر بها بشكل مشابه لتأثيرات الجاذبية - لا يميز الجسم ما الذي يسبب التسارع. كمثال: الشخص الذي يصعد في المصعد يعاني من تأثير القصور الذاتي. بعيون عالم فيزيائي: رفع المصعد يزيد من تسارع السقوط الحر تسارع السيارة. عند عودتهالكابينة لحركة محسوبة تختفي "الزيادة" في الوزن ، وتعيد الأحاسيس المعتادة.
لطالما اهتم العلماء بالجاذبية الاصطناعية. يتم استخدام أجهزة الطرد المركزي لهذه الأغراض في أغلب الأحيان. هذه الطريقة مناسبة ليس فقط للمركبات الفضائية ، ولكن أيضًا للمحطات الأرضية التي يلزم فيها دراسة تأثير الجاذبية على جسم الإنسان.
دراسة على الأرض ، تقدم في…
على الرغم من أن دراسة الجاذبية بدأت من الفضاء ، إلا أنها علم عادي جدًا. حتى اليوم ، وجدت الإنجازات في هذا المجال تطبيقها ، على سبيل المثال ، في الطب. معرفة ما إذا كان من الممكن إنشاء جاذبية اصطناعية على الكوكب ، يمكن للمرء استخدامها لعلاج مشاكل الجهاز الحركي أو الجهاز العصبي. علاوة على ذلك ، يتم إجراء دراسة هذه القوة بشكل أساسي على الأرض. هذا يجعل من الممكن لرواد الفضاء إجراء التجارب بينما يظلون تحت الاهتمام الوثيق من الأطباء. شيء آخر هو الجاذبية الاصطناعية في الفضاء ، فلا يوجد أشخاص هناك يمكنهم مساعدة رواد الفضاء في حالة حدوث موقف غير متوقع.
نظرًا لانعدام الوزن الكلي ، لا يمكن للمرء أن يأخذ في الاعتبار قمرًا صناعيًا في مدار أرضي منخفض. تتأثر هذه الأجسام ، وإن كان ذلك إلى حد ضئيل ، بالجاذبية. تسمى قوة الجاذبية المتولدة في مثل هذه الحالات بالجاذبية الصغرى. يتم اختبار الجاذبية الحقيقية فقط في جهاز يطير بسرعة ثابتة في الفضاء الخارجي. لكن جسم الانسان لا يشعر بهذا الاختلاف
يمكنك الشعور بانعدام الوزن أثناء القفز الطويل (قبل فتح المظلة) أو أثناء الهبوط المكافئ للطائرة. مثل هذه التجاربغالبًا ما يتم تنظيمه في الولايات المتحدة الأمريكية ، ولكن على متن طائرة ، يستمر هذا الشعور 40 ثانية فقط - وهذا قصير جدًا لإجراء دراسة كاملة.
في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في عام 1973 كانوا يعرفون ما إذا كان من الممكن إنشاء جاذبية اصطناعية. ولم تقم بإنشائها فحسب ، بل غيرتها أيضًا بطريقة ما. من الأمثلة الحية على الانخفاض المصطنع في الجاذبية الغمر الجاف والغطس. لتحقيق التأثير المطلوب ، تحتاج إلى وضع فيلم كثيف على سطح الماء. يتم وضع الشخص فوقها. تحت ثقل الجسم ، يغرق الجسم تحت الماء ، ويبقى الرأس فقط في الأعلى. يوضح هذا النموذج دعم الجاذبية المنخفض الموجود في المحيط.
ليست هناك حاجة للذهاب إلى الفضاء لتشعر بتأثير القوة المعاكسة لانعدام الوزن - الجاذبية المفرطة. عند إقلاع وهبوط مركبة فضائية ، في جهاز طرد مركزي ، لا يمكنك الشعور بالحمل الزائد فحسب ، بل يمكنك أيضًا دراسته.
علاج الجاذبية
دراسات فيزياء الجاذبية ، من بين أمور أخرى ، تأثير انعدام الوزن على جسم الإنسان ، سعيًا لتقليل العواقب. ومع ذلك ، فإن عددًا كبيرًا من إنجازات هذا العلم يمكن أن يكون مفيدًا لسكان الكوكب العاديين.
يضع الأطباء آمالا كبيرة على البحث في سلوك إنزيمات العضلات في الاعتلال العضلي. هذا مرض خطير يؤدي إلى الموت المبكر.
مع التمارين البدنية النشطة ، تدخل كمية كبيرة من إنزيم الكرياتينوفوسفوكيناز إلى دم الشخص السليم. سبب هذه الظاهرة غير واضح ، فربما يعمل الحمل على غشاء الخلية بطريقة تجعله كذلك"يثقب". المرضى الذين يعانون من اعتلال عضلي يحصلون على نفس التأثير دون ممارسة الرياضة. تظهر ملاحظات رواد الفضاء أنه في حالة انعدام الوزن ينخفض تدفق الإنزيم النشط إلى الدم بشكل كبير. يشير هذا الاكتشاف إلى أن استخدام الغمر سيقلل من التأثير السلبي للعوامل المؤدية إلى اعتلال عضلي. تجري الاختبارات على الحيوانات حاليًا.
يتم بالفعل علاج بعض الأمراض اليوم باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها من دراسة الجاذبية ، بما في ذلك الاصطناعية. على سبيل المثال ، يتم علاج الشلل الدماغي والسكتات الدماغية ومرض باركنسون باستخدام بدلات الحمل. بحث عن التأثير الإيجابي للدعم - الحذاء الهوائي أوشك على الانتهاء.
هل سنطير إلى المريخ؟
أحدث إنجازات رواد الفضاء تعطي الأمل لواقع المشروع. هناك خبرة في الدعم الطبي لشخص ما أثناء إقامته الطويلة بعيدًا عن الأرض. كما أن الرحلات البحثية إلى القمر ، والتي تكون فيها قوة الجاذبية أقل بست مرات من قوتنا ، قد جلبت أيضًا الكثير من الفوائد. الآن يضع رواد الفضاء والعلماء لأنفسهم هدفًا جديدًا - المريخ.
قبل أن تصطف في طابور تذكرة إلى الكوكب الأحمر ، يجب أن تعرف ما يتوقعه الجسم بالفعل في المرحلة الأولى من العمل - في الطريق. في المتوسط ، سيستغرق الطريق إلى كوكب الصحراء عامًا ونصف - حوالي 500 يوم. في الطريق ، سوف تضطر إلى الاعتماد فقط على قوتك الخاصة ، ببساطة لا يوجد مكان تنتظر فيه المساعدة.
العديد من العوامل ستقوض القوة: الإجهاد والإشعاع ونقص المجال المغناطيسي. أهم اختبار للجسم هو التغيير في الجاذبية. خلال الرحلة ، "يتعرف" الشخص علىعدة مستويات من الجاذبية. بادئ ذي بدء ، هذه حمولات زائدة أثناء الإقلاع. ثم - انعدام الوزن أثناء الرحلة. بعد ذلك ، قلة الجاذبية في الوجهة ، لأن الجاذبية على المريخ أقل من 40٪ من الأرض.
كيف تتعامل مع الآثار السلبية لانعدام الوزن على رحلة طويلة؟ من المؤمل أن تساعد التطورات في مجال خلق الجاذبية الاصطناعية في حل هذه المشكلة في المستقبل القريب. تظهر التجارب على الفئران التي تسافر على متن كوزموس -936 أن هذه التقنية لا تحل كل المشاكل.
تجربة نظام التشغيل أظهرت أن استخدام مجمعات التدريب التي يمكنها تحديد الحمل اللازم لكل رائد فضاء على حدة يمكن أن يجلب الكثير من الفوائد للجسم.
حتى الآن ، من المعتقد أن الباحثين لن يطيروا إلى المريخ فقط ، ولكن أيضًا السياح الذين يرغبون في إنشاء مستعمرة على الكوكب الأحمر. بالنسبة لهم ، على الأقل في البداية ، فإن الإحساس بانعدام الوزن سوف يفوق كل حجج الأطباء حول مخاطر التعرض المطول لمثل هذه الظروف. ومع ذلك ، سيحتاجون إلى المساعدة في غضون أسابيع قليلة أيضًا ، ولهذا السبب من المهم جدًا أن تكون قادرًا على إيجاد طريقة لإنشاء جاذبية اصطناعية على مركبة فضائية.
النتائج
ما هي الاستنتاجات التي يمكن استخلاصها حول إنشاء الجاذبية الاصطناعية في الفضاء؟
من بين جميع الخيارات التي يتم النظر فيها حاليًا ، يبدو الهيكل الدوار هو الأكثر واقعية. ومع ذلك ، مع الفهم الحالي للقوانين الفيزيائية ، فإن هذا مستحيل ، لأن السفينة ليست أسطوانة مجوفة. داخلها هناك تداخلات تتداخل مع تحقيق الأفكار.
بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون نصف قطر السفينة كذلككبير بحيث لا يكون لتأثير كوريوليس تأثير كبير.
للتحكم في شيء من هذا القبيل ، تحتاج إلى أسطوانة أونيل المذكورة أعلاه ، والتي ستمنحك القدرة على التحكم في السفينة. في هذه الحالة ، تزداد فرص استخدام تصميم مشابه للرحلات بين الكواكب مع تزويد الطاقم بمستوى مريح من الجاذبية.
قبل أن تنجح البشرية في تحقيق أحلامهم ، أود أن أرى المزيد من الواقعية والمزيد من المعرفة بقوانين الفيزياء في الخيال العلمي.
