Ngay cả một người không quan tâm đến không gian cũng đã từng xem một bộ phim về du hành vũ trụ hoặc đọc về những điều như vậy trong sách. Trong hầu hết các công việc như vậy, mọi người đi lại quanh tàu, ngủ bình thường và không gặp vấn đề gì về ăn uống. Điều này có nghĩa là những con tàu - hư cấu - có trọng lực nhân tạo. Hầu hết người xem đều coi đây là một điều gì đó hoàn toàn tự nhiên, nhưng hoàn toàn không phải vậy.
Lực hấp dẫn nhân tạo
Đây là tên của sự thay đổi (theo bất kỳ hướng nào) của trọng lực quen thuộc với chúng ta bằng cách áp dụng các phương pháp khác nhau. Và điều này không chỉ được thực hiện trong những tác phẩm tuyệt vời, mà còn trong những tình huống rất thực trên thế gian, thường là để thử nghiệm.
Về lý thuyết, việc tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo trông không quá khó. Ví dụ, nó có thể được tái tạo với sự trợ giúp của quán tính, chính xác hơn là lực ly tâm. Nhu cầu về sức mạnh này không phát sinh ngày hôm qua - nó đã xảy ra ngay lập tức, ngay khi một người bắt đầu mơ về những chuyến bay dài hạn vào không gian. Sự sáng tạotrọng lực nhân tạo trong không gian sẽ làm cho nó có thể tránh được nhiều vấn đề phát sinh trong thời gian dài ở trạng thái không trọng lượng. Cơ bắp của các phi hành gia yếu đi, xương kém chắc khỏe. Đi du lịch trong điều kiện như vậy trong nhiều tháng, bạn có thể bị teo một số cơ.
Vì vậy, ngày nay việc tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo là một nhiệm vụ tối quan trọng, việc khám phá không gian mà không có kỹ năng này đơn giản là không thể.
Nguyên liệu
Ngay cả những người chỉ biết vật lý ở cấp độ trong chương trình học ở trường cũng hiểu rằng lực hấp dẫn là một trong những quy luật cơ bản của thế giới chúng ta: tất cả các vật thể tương tác với nhau, trải qua lực hút / lực đẩy lẫn nhau. Cơ thể càng lớn thì lực hút của nó càng lớn.
Trái đất đối với thực tế của chúng ta là một vật thể rất lớn. Đó là lý do tại sao, không có ngoại lệ, tất cả cơ thể xung quanh cô ấy đều bị thu hút bởi nó.
Đối với chúng tôi, điều này có nghĩa là gia tốc rơi tự do, thường được đo bằng g, bằng 9,8 mét vuông trên giây. Điều này có nghĩa là nếu chúng tôi không có chỗ dựa dưới chân, chúng tôi sẽ rơi với tốc độ tăng 9,8 mét mỗi giây.
Như vậy, chỉ nhờ có trọng lực mà chúng ta có thể đứng, ngã, ăn uống bình thường, hiểu được đâu là lên, đâu là xuống. Nếu lực hấp dẫn biến mất, chúng ta sẽ ở trong tình trạng không trọng lực.
Các phi hành gia thấy mình trong không gian ở trạng thái bay bổng - rơi tự do đặc biệt quen thuộc với hiện tượng này.
Về mặt lý thuyết, các nhà khoa học biết cách tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo. Hiện hữumột số kỹ thuật.
Đại chúng
Phương án hợp lý nhất là làm cho con tàu vũ trụ lớn đến mức nó có lực hấp dẫn nhân tạo. Bạn sẽ có thể cảm thấy thoải mái trên tàu, vì định hướng trong không gian sẽ không bị mất.
Thật không may, phương pháp này với sự phát triển hiện đại của công nghệ là không thực tế. Để xây dựng một đối tượng như vậy đòi hỏi quá nhiều tài nguyên. Ngoài ra, nó sẽ cần một lượng năng lượng đáng kinh ngạc để nâng nó lên.
Tăng tốc
Dường như nếu bạn muốn đạt được g bằng trái đất, bạn chỉ cần tạo cho con tàu một hình phẳng (bệ) và làm cho nó chuyển động vuông góc với mặt phẳng với gia tốc mong muốn. Bằng cách này, lực hấp dẫn nhân tạo sẽ thu được và lý tưởng.
Tuy nhiên, thực tế phức tạp hơn nhiều.
Trước hết, cần quan tâm đến vấn đề nhiên liệu. Để nhà ga không ngừng tăng tốc, cần phải có nguồn điện liên tục. Ngay cả khi một động cơ đột ngột xuất hiện mà không phóng ra vật chất, định luật bảo toàn năng lượng sẽ vẫn có hiệu lực.
Vấn đề thứ hai là ý tưởng về gia tốc không đổi. Theo kiến thức và quy luật vật lý của chúng ta, không thể tăng tốc đến vô cùng.
Ngoài ra, những phương tiện như vậy không thích hợp cho các nhiệm vụ nghiên cứu, vì chúng phải liên tục tăng tốc - bay. Anh ta sẽ không thể dừng lại để nghiên cứu hành tinh, thậm chí sẽ không thể từ từ bay quanh nó - anh ta cần phải tăng tốc.
Vì vậyDo đó, rõ ràng là lực hấp dẫn nhân tạo đó vẫn chưa có sẵn cho chúng ta.
Băng chuyền
Ai cũng biết vòng quay của băng chuyền ảnh hưởng đến cơ thể như thế nào. Do đó, một thiết bị trọng lực nhân tạo theo nguyên tắc này dường như là thực tế nhất.
Mọi thứ có trong đường kính của băng chuyền đều có xu hướng rơi ra khỏi nó với tốc độ xấp xỉ bằng tốc độ quay. Nó chỉ ra rằng một lực tác dụng lên cơ thể, hướng dọc theo bán kính của vật thể quay. Nó rất giống với trọng lực.
Vì vậy, bạn cần một con tàu có dạng hình trụ. Đồng thời, nó phải quay quanh trục của nó. Nhân tiện, trọng lực nhân tạo trên một con tàu vũ trụ, được tạo ra theo nguyên tắc này, thường được chiếu trong các bộ phim khoa học viễn tưởng.
Con tàu hình cái thùng, quay quanh trục dọc, tạo ra lực ly tâm, hướng tương ứng với bán kính của vật thể. Để tính gia tốc thu được, bạn cần chia lực cho khối lượng.
Sẽ không khó để những người biết vật lý tính toán điều này: a=ω²R.
Trong công thức này, kết quả của phép tính là gia tốc, biến đầu tiên là tốc độ nút (đo bằng radian trên giây), biến thứ hai là bán kính.
Theo đó, để có được g thông thường, cần phải kết hợp chính xác vận tốc góc và bán kính của vận chuyển trong không gian.
Vấn đề này được đề cập trong các bộ phim như "Intersol", "Babylon 5", "2001: A Space Odyssey" và những bộ phim tương tự. Trong tất cả các trường hợp nàylực hấp dẫn nhân tạo gần với gia tốc rơi tự do của Trái đất.
Ý tưởng dù hay đến đâu thì việc thực hiện nó cũng khá khó khăn.
Sự cố của phương pháp băng chuyền
Vấn đề rõ ràng nhất được nhấn mạnh trong A Space Odyssey. Bán kính của "tàu sân bay" là khoảng 8 mét. Để có gia tốc 9,8, chuyển động quay phải xảy ra với tốc độ xấp xỉ 10,5 vòng mỗi phút.
Tại các giá trị được chỉ định, "Hiệu ứng Coriolis" được hiển thị, bao gồm thực tế là các lực khác nhau tác động ở các khoảng cách khác nhau so với sàn. Nó phụ thuộc trực tiếp vào vận tốc góc.
Hóa ra là trọng lực nhân tạo trong không gian sẽ được tạo ra, nhưng việc xoay vỏ quá nhanh sẽ dẫn đến các vấn đề với tai trong. Điều này sẽ gây ra sự mất cân bằng, các vấn đề với bộ máy tiền đình và các vấn đề tương tự khác.
Sự xuất hiện của rào cản này cho thấy rằng một mô hình như vậy là cực kỳ không thành công.
Bạn có thể thử đi ngược lại, như họ đã làm trong cuốn tiểu thuyết "The World-Ring". Ở đây con tàu được chế tạo dưới dạng một chiếc nhẫn, bán kính gần bằng bán kính quỹ đạo của chúng ta (khoảng 150 triệu km). Với kích thước này, tốc độ quay của nó đủ để bỏ qua hiệu ứng Coriolis.
Bạn có thể cho rằng vấn đề đã được giải quyết, nhưng hoàn toàn không phải như vậy. Thực tế là một vòng quay hoàn chỉnh của cấu trúc này quanh trục của nó mất 9 ngày. Điều này làm cho nó có thể giả định rằng tải sẽ quá lớn. Đểviệc xây dựng chống lại chúng, cần có một loại vật liệu rất bền mà ngày nay chúng ta không có sẵn. Ngoài ra, vấn đề là số lượng vật liệu và bản thân quá trình xây dựng.
Trong các game có chủ đề tương tự, như trong phim "Babylon 5", những vấn đề này bằng cách nào đó đã được giải quyết: tốc độ quay khá vừa đủ, hiệu ứng Coriolis không đáng kể, theo giả thuyết là có thể tạo ra một con tàu như vậy..
Tuy nhiên, ngay cả những thế giới như vậy cũng có một nhược điểm. Tên của anh ấy là động lượng.
Con tàu, quay quanh trục của nó, biến thành một con quay hồi chuyển khổng lồ. Như bạn đã biết, việc làm cho con quay bị lệch khỏi trục do momen động lượng là điều vô cùng khó khăn. Điều quan trọng là số lượng của nó không rời khỏi hệ thống. Điều này có nghĩa là bạn sẽ rất khó để định hướng cho đối tượng này. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết.
Giải quyết vấn đề
Lực hấp dẫn nhân tạo trên một trạm vũ trụ sẽ khả dụng khi "hình trụ O'Neill" đến giải cứu. Để tạo ra thiết kế này, cần có những con tàu hình trụ giống hệt nhau, được kết nối dọc theo trục. Chúng nên xoay theo các hướng khác nhau. Kết quả của sự lắp ráp này là mô men động lượng bằng không, vì vậy sẽ không có khó khăn gì trong việc đưa con tàu đi theo hướng mong muốn.
Nếu có thể làm một con tàu với bán kính khoảng 500 mét, thì nó sẽ hoạt động đúng như mong muốn. Đồng thời, trọng lực nhân tạo trong không gian sẽ khá thoải mái và thích hợp cho những chuyến bay dài trên tàu hoặc trạm nghiên cứu.
Kỹ sư vũ trụ
Cách tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo đã được những người sáng tạo ra trò chơi biết đến. Tuy nhiên, trong thế giới tưởng tượng này, lực hấp dẫn không phải là lực hút lẫn nhau của các vật thể, mà là một lực tuyến tính được thiết kế để tăng tốc các vật thể theo một hướng nhất định. Sự hấp dẫn ở đây không phải là tuyệt đối, nó thay đổi khi nguồn được chuyển hướng.
Lực hấp dẫn nhân tạo trên trạm vũ trụ được tạo ra bằng cách sử dụng một máy phát điện đặc biệt. Nó là đồng nhất và đều hướng trong khu vực của máy phát điện. Vì vậy, trong thế giới thực, nếu bạn bị một con tàu có lắp máy phát điện đâm vào, bạn sẽ bị kéo vào thân tàu. Tuy nhiên, trong trò chơi, anh hùng sẽ ngã xuống cho đến khi anh ta rời khỏi chu vi của thiết bị.
Ngày nay, trọng lực nhân tạo trong không gian, được tạo ra bởi một thiết bị như vậy, nhân loại không thể tiếp cận được. Tuy nhiên, ngay cả những nhà phát triển tóc bạc cũng không ngừng mơ về nó.
Máy tạo hình cầu
Đây là phiên bản thực tế hơn của thiết bị. Khi được lắp đặt, trọng lực có hướng đối với máy phát điện. Điều này giúp bạn có thể tạo ra một trạm, trọng lực của trạm này sẽ ngang bằng với hành tinh.
Máy ly tâm
Ngày nay, lực hấp dẫn nhân tạo trên Trái đất được tìm thấy trong nhiều thiết bị khác nhau. Phần lớn, chúng dựa trên quán tính, vì lực này được chúng ta cảm nhận tương tự như hiệu ứng trọng trường - cơ thể không phân biệt được đâu là nguyên nhân gây ra gia tốc. Ví dụ: một người đi lên trong thang máy chịu tác dụng của quán tính. Qua con mắt của một nhà vật lý học: nâng một thang máy tăng thêm gia tốc rơi tự do gia tốc của ô tô. Khi trở vềcabin để chuyển động đo được "tăng" trọng lượng biến mất, trả lại cảm giác bình thường.
Các nhà khoa học từ lâu đã quan tâm đến lực hấp dẫn nhân tạo. Máy ly tâm được sử dụng cho những mục đích này thường xuyên nhất. Phương pháp này không chỉ phù hợp với tàu vũ trụ mà còn phù hợp với các trạm mặt đất, trong đó nó được yêu cầu nghiên cứu tác động của trọng lực lên cơ thể con người.
Học trên Trái đất, đăng ký tại…
Mặc dù nghiên cứu về lực hấp dẫn bắt đầu từ không gian, nhưng nó là một khoa học rất trần tục. Thậm chí ngày nay, những thành tựu trong lĩnh vực này đã được tìm thấy ứng dụng của chúng, ví dụ, trong y học. Biết được liệu có thể tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo trên hành tinh hay không, người ta có thể sử dụng nó để điều trị các vấn đề với bộ máy vận động hoặc hệ thần kinh. Hơn nữa, việc nghiên cứu lực này được thực hiện chủ yếu trên Trái đất. Điều này giúp các phi hành gia có thể tiến hành các thí nghiệm trong khi vẫn ở dưới sự giám sát chặt chẽ của các bác sĩ. Một điều nữa là lực hấp dẫn nhân tạo trong không gian, không có người nào ở đó có thể giúp các phi hành gia trong trường hợp không lường trước được.
Do hoàn toàn không trọng lượng, người ta không thể tính đến một vệ tinh ở quỹ đạo thấp của Trái đất. Những vật thể này, dù ở mức độ nhỏ, đều bị tác động bởi lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn được tạo ra trong những trường hợp như vậy được gọi là vi trọng lực. Lực hấp dẫn thực chỉ được trải nghiệm trong một thiết bị bay với tốc độ không đổi trong không gian vũ trụ. Tuy nhiên, cơ thể con người không cảm nhận được sự khác biệt này.
Bạn có thể cảm thấy không trọng lượng khi nhảy xa (trước khi vòm máy bay mở ra) hoặc khi máy bay hạ xuống theo hình parabol. Thí nghiệm như vậythường được dàn dựng ở Hoa Kỳ, nhưng trên máy bay, cảm giác này chỉ kéo dài 40 giây - quá ngắn cho một nghiên cứu đầy đủ.
Ở Liên Xô vào năm 1973, họ biết liệu có thể tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo hay không. Và không chỉ tạo ra nó, mà còn thay đổi nó theo một cách nào đó. Một ví dụ sinh động về sự giảm trọng lực nhân tạo là ngâm khô, ngâm nước. Để đạt được hiệu quả mong muốn, bạn cần phủ một lớp màng dày đặc lên bề mặt nước. Người được đặt trên đầu trang của nó. Dưới sức nặng của cơ thể, cơ thể chìm dưới nước, chỉ còn lại phần đầu ở trên. Mô hình này thể hiện sự hỗ trợ trọng lực thấp được tìm thấy trong đại dương.
Không cần phải đi vào không gian để cảm nhận tác dụng của lực đối nghịch của phi trọng lượng - siêu trọng lực. Khi cất cánh và hạ cánh tàu vũ trụ, trong máy ly tâm, bạn không chỉ có thể cảm nhận được sự quá tải mà còn có thể nghiên cứu nó.
Điều trị trọng lực
Nghiên cứu vật lý hấp dẫn, trong số những thứ khác, tác động của không trọng lượng lên cơ thể con người, tìm cách giảm thiểu hậu quả. Tuy nhiên, một số lượng lớn các thành tựu của khoa học này có thể hữu ích cho những cư dân bình thường trên hành tinh.
Các bác sĩ đặt nhiều hy vọng vào nghiên cứu về hoạt động của các enzym cơ trong bệnh cơ. Đây là một căn bệnh nghiêm trọng dẫn đến tử vong sớm.
Với các bài tập thể dục tích cực, một lượng lớn enzyme creatinophosphokinase đi vào máu của một người khỏe mạnh. Lý do cho hiện tượng này không rõ ràng, có lẽ tải trọng tác động lên màng tế bào theo cách mà nó"nước hoa". Bệnh nhân bị bệnh cơ cũng có được hiệu quả tương tự mà không cần tập thể dục. Các quan sát của các phi hành gia cho thấy rằng trong trạng thái không trọng lượng, dòng chảy của enzym hoạt tính vào máu bị giảm đáng kể. Khám phá này cho thấy việc sử dụng phương pháp ngâm mình sẽ làm giảm tác động tiêu cực của các yếu tố dẫn đến bệnh cơ. Thử nghiệm trên động vật hiện đang được tiến hành.
Điều trị một số bệnh đã được thực hiện ngày nay bằng cách sử dụng dữ liệu thu được từ nghiên cứu trọng lực, bao gồm cả nhân tạo. Ví dụ, bại não, đột quỵ, Parkinson được điều trị bằng cách sử dụng các bộ quần áo tải trọng. Nghiên cứu về tác động tích cực của hỗ trợ - giày khí nén gần như đã hoàn thành.
Chúng ta sẽ bay đến sao Hỏa chứ?
Những thành tựu mới nhất của các phi hành gia mang đến hy vọng về tính hiện thực của dự án. Có kinh nghiệm hỗ trợ y tế cho một người trong thời gian xa Trái đất. Các chuyến bay nghiên cứu đến Mặt trăng, nơi mà lực hấp dẫn của chúng ta nhỏ hơn 6 lần, cũng đã mang lại rất nhiều lợi ích. Giờ đây, các phi hành gia và nhà khoa học đang đặt cho mình một mục tiêu mới - sao Hỏa.
Trước khi xếp hàng mua vé đến Hành tinh Đỏ, bạn nên biết cơ thể mong đợi điều gì ở giai đoạn đầu tiên của công việc - trên đường đi. Trung bình, con đường đến hành tinh sa mạc sẽ mất một năm rưỡi - khoảng 500 ngày. Trên đường đi, bạn sẽ chỉ có thể dựa vào sức lực của chính mình, đơn giản là không có nơi nào để chờ đợi sự giúp đỡ.
Nhiều yếu tố sẽ làm giảm sức mạnh: căng thẳng, bức xạ, thiếu từ trường. Thử nghiệm quan trọng nhất đối với cơ thể là sự thay đổi của trọng lực. Trong cuộc hành trình, một người "làm quen" vớimột số cấp độ của lực hấp dẫn. Trước hết, đây là những tình trạng quá tải trong quá trình cất cánh. Sau đó - không trọng lượng trong suốt chuyến bay. Sau đó, giảm trọng lực tại điểm đến, vì lực hấp dẫn trên sao Hỏa nhỏ hơn 40% so với Trái đất.
Làm thế nào để bạn đối phó với những tác động tiêu cực của việc không trọng lượng trong một chuyến bay dài? Hy vọng rằng những phát triển trong lĩnh vực tạo ra trọng lực nhân tạo sẽ giúp giải quyết vấn đề này trong tương lai gần. Các thí nghiệm trên chuột du hành trên Kosmos-936 cho thấy kỹ thuật này không giải quyết được tất cả các vấn đề.
Kinh nghiệm củaOS đã chỉ ra rằng việc sử dụng các tổ hợp huấn luyện có thể xác định tải trọng cần thiết cho từng phi hành gia riêng lẻ có thể mang lại nhiều lợi ích hơn cho cơ thể.
Cho đến nay người ta tin rằng không chỉ các nhà nghiên cứu sẽ bay đến sao Hỏa, mà còn cả những khách du lịch muốn thiết lập thuộc địa trên Hành tinh Đỏ. Đối với họ, ít nhất lúc đầu, cảm giác không trọng lượng sẽ vượt trội hơn tất cả các lập luận của các bác sĩ về sự nguy hiểm của việc tiếp xúc lâu với những điều kiện như vậy. Tuy nhiên, họ cũng sẽ cần trợ giúp trong vài tuần nữa, đó là lý do tại sao việc tìm ra cách tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo trên tàu vũ trụ là rất quan trọng.
Kết quả
Có thể rút ra kết luận gì về việc tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo trong không gian?
Trong số tất cả các tùy chọn hiện đang được xem xét, cấu trúc xoay trông giống thực tế nhất. Tuy nhiên, với hiểu biết hiện tại về các quy luật vật lý, điều này là không thể, vì con tàu không phải là một hình trụ rỗng. Bên trong nó có những chồng chéo cản trở việc hiện thực hóa các ý tưởng.
Ngoài ra, bán kính của tàu nênlớn nên hiệu ứng Coriolis không có tác dụng đáng kể.
Để điều khiển một thứ như thế này, bạn cần hình trụ O'Neill được đề cập ở trên, nó sẽ cung cấp cho bạn khả năng điều khiển con tàu. Trong trường hợp này, cơ hội sử dụng một thiết kế tương tự cho các chuyến bay liên hành tinh với việc cung cấp cho phi hành đoàn mức trọng lực thoải mái tăng lên.
Trước khi nhân loại thành công trong việc biến ước mơ của họ thành hiện thực, tôi muốn thấy một chút chủ nghĩa hiện thực hơn và thậm chí nhiều kiến thức hơn về các định luật vật lý trong khoa học viễn tưởng.
