Даже если вам не особо интересна тема космоса, шансы на то, что вы видели его в фильмах, читали о нем в книгах или играли в игры, где космическая тема занимала бы важное место, весьма высоки. При этом в большинстве из произведений есть один момент, который, как правило, воспринимается как нечто само собой разумеющееся — гравитация на космическом корабле. Но так ли это просто и очевидно, как кажется на первый взгляд?
Для начала немного матчасти. Если не углубляться в физику дальше школьного курса (а его нам сегодня будет вполне достаточно), то гравитация — это фундаментальное взаимодействие тел, благодаря которому все они притягивают друг друга. Более массивные притягивают сильнее, менее массивные — слабее.
Матчасть
В нашем случае важно следующее. Земля является массивным объектом, поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, компьютер, с которого вы это читаете — все это притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и фактически никогда не задумываемся о таких, казалось бы, мелочах. Главным следствием притяжения Земли для нас является ускорение свободного падения, также известное как g, и равное 9,8 м/с². Т.е. любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 м/с скорости каждую секунду.
Именно благодаря этому эффекту мы можем ровно стоять на ногах, иметь понятия «верх» и «низ», ронять вещи на пол, etc. В действительности очень многие виды человеческой активности бы сильно видоизменились, если бы забрать притяжение Земли.
Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Им приходится заново учиться делать очень много вещей, начиная от того, как они пьют, заканчивая походами по различным физиологическим нуждам. Вот несколько примеров.
При этом во множестве фильмов, сериалов, игр и прочих произведений Sci-Fi искусства гравитация на космических кораблях «просто есть». Ее воспринимают как должное и зачастую даже не удосуживаются объяснять. А если и объясняют, то как-то неубедительно. Чем-то вроде «генераторов гравитации», принцип работы которых мистичен чуть больше, чем полностью, так что фактически такой подход мало отличается от «гравитация на корабле просто есть». Как мне кажется, не объяснять совсем как-то честнее.
Теоретические модели искусственной гравитации
Но все это вовсе не значит, что искусственную гравитацию никто не пытается объяснить совсем. Если порассуждать, то достичь ее можно несколькими способами.
Много массы
Первый и самый «правильный» вариант — это сделать корабль очень массивным. «Правильным» же такой способ можно считать потому, что именно гравитационное взаимодействие будет обеспечивать необходимый эффект.
При этом нереальность данного способа, думаю, очевидна. Для такого корабля нужно будет очень много материи. Да и с распределением гравитационного поля (а нам оно нужно равномерное) надо будет что-то решать.
Постоянное ускорение
Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g? Таким образом нужный эффект несомненно будет достигнут.
Но есть несколько очевидных проблем. Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никто не отменял.
Вторая проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Во-первых, согласно нашим нынешним представлениям о физических законах, ускоряться вечно нельзя. Теория относительности сильно против. Во-вторых, даже если кораблю и менять направление периодически, то для обеспечения искусственной гравитации ему постоянно нужно будет куда-то лететь. Т.е. ни о каких зависаниях вблизи планет не может быть и речи. Корабль будет вынужден вести себя как землеройка, которая если остановится, то умрет. Так что такой вариант нам не подходит.
Карусель-карусель
А вот тут уже начинается самое интересное. Уверен, что каждый из читающих представляет себе, как работает карусель и какие эффекты может испытывать человек, в ней находящийся. Все, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. С точки зрения карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса. Вполне себе «гравитация».
Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси. Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике, так что мир Sci-Fi не так и безнадежен в плане объяснения искусственной гравитации.
Итак, еще немного физики. При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. В результате несложных вычислений (поделив силу на массу) мы получаем искомое ускорение. Считается все это дело по незамысловатой формуле:
a=ω²R,
где a — ускорение, R — радиус вращения, а , ω — угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду. Радиан это примерно 57,3 градуса.
Что же нам нужно получить для нормальной жизни на нашем воображаемом космическом крейсере? Нам необходима такая комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чтобы их произведение давало в итоге 9,8 м/с².
Нечто подобное мы могли видеть во множестве произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика, сериал «Вавилон 5», нолановский «Интерстеллар», роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена, вселенная Halo и другие. Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g, так что все получается вполне логичным. Однако и в этих моделях существуют проблемы.
Проблемы в «карусели»
Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на «Космической одиссее». Радиус корабля составляет примерно 8 метров. Несложными вычислениями получаем, что для достижения ускорения равного g потребуется угловая скорость в примерно 1,1 рад/с, что равняется примерно 10,5 оборотам в минуту.
[WPGP gif_id=»30248″ width=»600″]
При таких параметрах получается, что в силу вступает эффект Кориолиса. Если не углубляться в технические подробности, то проблема в том, что на разной «высоте» от пола на движущиеся тела будет действовать разная сила. И зависит она от угловой скорости. Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем себе позволить вращать корабль слишком быстро, поскольку это чревато проблемами, начиная от внезапных неинтуитивных падений, заканчивая проблемами с вестибулярным аппаратом. А с учетом вышеупомянутой формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля. Поэтому модель космической одиссеи отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями из «Интерстеллара», хотя там с цифрами все не так очевидно.
Вторая проблема находится, так сказать, с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким образом, получается, что вращается он с вполне удовлетворительной скоростью, чтобы эффект Кориолиса был незаметен для человека. Все, казалось бы, сходится, но есть и одно но. Чтобы создать такую конструкцию понадобится невероятно крепкий материал, который должен будет выдержать огромные нагрузки, ведь один оборот должен занимать около 9 дней. Как обеспечить достаточную прочность такой конструкции человечеству неизвестно. Не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и все это дело построить.
В случае с Halo или «Вавилон 5» все предыдущие проблемы вроде как бы отсутствуют. И скорость вращения достаточная для того, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль в принципе реально (хотя бы теоретически). Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему — момент импульса.
Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси, как известно, довольно сложно. Все именно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А это значит, что лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело. Но и эта проблема решаема.
Как должно быть
Называется это решение «цилиндр О’Нила». Конструкция его довольно проста. Мы берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенных вдоль оси, каждый из которых вращается в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, а, значит, проблем с направлением корабля в нужном направлении быть не должно. При радиусе корабля примерно в 500 м (как в Вавилоне 5) или больше все должно работать как надо.
Итого
Итак, какие же мы можем сделать выводы о том, как должна быть реализована искусственная гравитация в космических кораблях? Из всех реализаций, что предложены в различного рода произведениях, самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб (как часто рисуют в различном Sci-Fi), учитывая наши современные понимания законов физики, не представляется возможным
Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был достаточно незначительным, чтобы не влиять на человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и Вавилон 5.
Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила — две «бочки», вращающиеся в разном направлении, чтобы обеспечить нулевой суммарный момент импульса для системы. Это позволит осуществлять адекватное управление кораблем.
Итого мы имеем вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями. И до того момента, как мы сможем реально построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы создатели игр, фильмов, книг и других произведений о космосе уделяли бы больше внимания физической реалистичности.
Мы обитаем в Яндекс.Дзене, попробуй. Есть канал в Telegram. Подпишись, нам будет приятно, а тебе удобно 👍 Meow!
