Ngày nay, có lẽ ngay cả một đứa trẻ nhỏ cũng biết về sự kiện không trọng lượng được quan sát thấy trong Không gian. Nhiều bộ phim khoa học viễn tưởng về Không gian đã góp phần phổ biến rộng rãi sự thật này. Tuy nhiên, trên thực tế, ít người biết tại sao trong Không gian lại có hiện tượng không trọng lượng và hôm nay chúng tôi sẽ cố gắng giải thích hiện tượng này.
giả thuyết sai
Hầu hết mọi người, sau khi nghe câu hỏi về nguồn gốc của tình trạng không trọng lượng, sẽ dễ dàng trả lời bằng cách nói rằng trạng thái như vậy xảy ra trong Không gian vì lý do lực hấp dẫn không tác dụng lên các vật thể ở đó. Và đây sẽ là một câu trả lời hoàn toàn sai lầm, vì lực hấp dẫn tác dụng trong Không gian, và chính lực này đã giữ tất cả các vật thể vũ trụ ở đúng vị trí của chúng, bao gồm Trái đất và Mặt trăng, Sao Hỏa và Sao Kim, chắc chắn sẽ quay quanh ngôi sao sáng tự nhiên của chúng ta. - mặt trời.
Khi nghe câu trả lời sai, mọi người có thể sẽ rút từ tay áo ra một con át chủ bài khác - sự vắng mặt của bầu khí quyển, chân không hoàn toàn được quan sát thấy trong Không gian. Tuy nhiên, câu trả lời này cũng sẽ không chính xác.
Tại sao lại có tình trạng không trọng lượng trong không gian?
Thực tế là cảm giác không trọng lượng mà các phi hành gia trải qua trên ISS phát sinh do sự kết hợp của nhiều yếu tố khác nhau.
Lý do cho điều này là ISS quay quanh Trái đất với tốc độ khủng khiếp vượt quá 28 nghìn km mỗi giờ. Tốc độ này ảnh hưởng đến thực tế là các phi hành gia trên trạm không còn cảm nhận được lực hấp dẫn của Trái đất và tạo ra cảm giác không trọng lượng so với con tàu. Tất cả điều này dẫn đến việc các phi hành gia bắt đầu di chuyển quanh nhà ga giống hệt như chúng ta thấy trong các bộ phim khoa học viễn tưởng.
Cách mô phỏng tình trạng không trọng lượng trên Trái đất
Điều thú vị là trạng thái không trọng lượng có thể được tái tạo một cách nhân tạo trong bầu khí quyển Trái đất, nhân tiện, điều này đang được các chuyên gia của NASA thực hiện thành công.
NASA có một chiếc máy bay như vậy trên bảng cân đối kế toán của mình với tên gọi Sao chổi Vomit. Đây là một chiếc máy bay hoàn toàn bình thường, dùng để huấn luyện phi hành gia. Chính anh ta là người có thể tái tạo lại các điều kiện ở trạng thái không trọng lượng.
Quá trình tạo lại các điều kiện đó như sau:
- Máy bay tăng mạnh độ cao, di chuyển theo quỹ đạo parabol đã định trước.
- Đạt đến điểm trên cùng của parabol thông thường, máy bay bắt đầu chuyển động đi xuống mạnh.
- Do sự thay đổi đột ngột trong quỹ đạo chuyển động, cũng như lực đẩy hướng xuống của máy bay, tất cả mọi người trên máy bay bắt đầu trải qua tình trạng không trọng lượng.
- Sau khi đạt đến một điểm hạ độ nhất định, máy bay sẽ điều chỉnh quỹ đạo và lặp lại quy trình bay hoặc hạ cánh trên bề mặt Trái đất.
Ngay cả một người không quan tâm đến không gian cũng ít nhất một lần 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 trong việc ăn uống. Điều này có nghĩa là những con tàu - hư cấu - này có trọng lực nhân tạo. Hầu hết người xem đều cảm nhận đây là một điều gì đó hoàn toàn tự nhiên, nhưng hoàn toàn không phải vậy.
Trọng lực nhân tạo
Đây là tên để thay đổi (theo bất kỳ hướng nào) lực hấp dẫn quen thuộc với chúng ta thông qua việc sử dụng các phương pháp khác nhau. Và điều này không chỉ được thực hiện trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng mà còn trong các tình huống rất thực tế trên trần thế, thường là trong các thí nghiệm.
Về lý thuyết, việc tạo ra trọng lực nhân tạo có vẻ không khó lắm. Ví dụ, nó có thể được tái tạo bằng quán tính, hay chính xác hơn là nhu cầu về lực này không xuất hiện ngày hôm qua - nó xảy ra ngay lập tức, ngay khi một người bắt đầu mơ về những chuyến bay dài vào vũ trụ. Việc tạo ra trọng lực nhân tạo trong không gian sẽ giúp tránh được nhiều vấn đề phát sinh trong thời gian không trọng lượng kéo dài. Cơ bắp của các phi hành gia yếu đi và xương trở nên yếu đi. Việc di chuyển trong điều kiện như vậy trong nhiều tháng có thể gây teo một số cơ.
Vì vậy, ngày nay việc tạo ra trọng lực nhân tạo là một nhiệm vụ vô cùng quan trọng; nếu không có kỹ năng này thì điều đó là không thể.
Vật chất
Ngay cả những người chỉ biết vật lý ở cấp độ chương trình học ở trường cũng hiểu rằng trọng lực là một trong những định luật cơ bản của thế giới chúng ta: tất cả các vật thể tương tác với nhau, trải qua lực hút/đẩy lẫn nhau. Cơ thể càng lớn thì lực hấp dẫn của nó càng cao.
Trái đất đối với thực tế của chúng ta là một vật thể rất lớn. Đó là lý do tại sao tất cả mọi người xung quanh cô, không có ngoại lệ, đều bị cô thu hút.
Đối với chúng tôi, điều này có nghĩa là, thường được đo bằng g, bằng 9,8 mét mỗi giây vuông. Điều này có nghĩa là nếu không có điểm tựa dưới chân, chúng ta sẽ rơi với tốc độ tăng thêm 9,8 mét mỗi giây.
Như vậy, chỉ nhờ trọng lực mà chúng ta mới có thể đứng, ngã, ăn uống bình thường, biết đâu là trên, đâu là dưới. Nếu trọng lực biến mất, chúng ta sẽ thấy mình không trọng lượng.
Các phi hành gia thấy mình ở trong không gian ở trạng thái bay lên—rơi tự do—đặc biệt quen thuộc với hiện tượng này.
Về mặt lý thuyết, các nhà khoa học đã biết cách tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo. Có một số phương pháp.
Khối lượng lớn
Lựa chọn hợp lý nhất là làm cho nó lớn đến mức trọng lực nhân tạo xuất hiện trên đó. Bạn sẽ có thể cảm thấy thoải mái trên con tàu vì khả năng định hướng trong không gian sẽ không bị mất.
Thật không may, phương pháp này không thực tế với sự phát triển của công nghệ hiện đại. Để xây dựng một đối tượng như vậy đòi hỏi quá nhiều tài nguyên. Ngoài ra, việc nâng nó sẽ cần một lượng năng lượng đáng kinh ngạc.
Sự tăng tốc
Có vẻ như nếu bạn muốn đạt được g tương đương với g trên Trái đất, bạn chỉ cần tạo cho con tàu một hình dạng phẳng (giống như bệ) và làm cho nó chuyển động vuông góc với mặt phẳng với gia tốc cần thiết. Bằng cách này, sẽ thu được trọng lực nhân tạo và lực hấp dẫn lý tưởng.
Tuy nhiên, trên thực tế mọi thứ phức tạp hơn nhiều.
Trước hết cần xem xét vấn đề nhiên liệu. Để trạm tăng tốc liên tục cần phải có nguồn điện liên tục. Ngay cả khi đột nhiên xuất hiện một động cơ không phun ra vật chất thì định luật bảo toàn năng lượng vẫn có hiệu lực.
Vấn đề thứ hai chính là ý tưởng về khả năng tăng tốc không đổi. Theo kiến thức và quy luật vật lý của chúng ta, không thể tăng tốc vô thời hạn.
Ngoài ra, phương tiện như vậy không phù hợp cho nhiệm vụ nghiên cứu vì nó phải liên tục tăng tốc - bay. Anh ta sẽ không thể dừng lại để nghiên cứu hành tinh này, thậm chí anh ta sẽ không thể bay chậm xung quanh nó - anh ta phải tăng tốc.
Vì vậy, rõ ràng là chúng ta vẫn chưa có được lực hấp dẫn nhân tạo như vậy.
băng chuyền
Mọi người đều biết vòng quay của băng chuyền ảnh hưởng đến cơ thể như thế nào. Vì vậy, một thiết bị trọng lực nhân tạo dựa trên nguyên lý này có vẻ thực tế nhất.
Mọi thứ nằm trong đường kính của băng chuyền đều có xu hướng rơi ra khỏi nó với tốc độ xấp xỉ bằng tốc độ quay. Hóa ra các vật thể chịu tác dụng của một lực hướng dọc theo bán kính của vật quay. Nó rất giống với trọng lực.
Vì vậy, cần phải có một con tàu có dạng hình trụ. Đồng thời, nó phải quay quanh trục của nó. Nhân tiện, trọng lực nhân tạo trên tàu vũ trụ, được tạo ra theo nguyên tắc này, thường được thể hiện trong các bộ phim khoa học viễn tưởng.
Một con tàu hình thùng quay quanh trục dọc của nó tạo ra lực ly tâm có hướng tương ứng với bán kính của vật. Để tính gia tốc thu được, bạn cần chia lực cho khối lượng.
Trong công thức này, kết quả tính toán là gia tốc, biến đầu tiên là tốc độ nút (được đo bằng radian trên giây), biến thứ hai là bán kính.
Theo đó, để có được g mà chúng ta quen thuộc, cần phải kết hợp chính xác bán kính vận chuyển không gian.
Vấn đề tương tự cũng được nêu rõ trong các bộ phim như Intersolah, Babylon 5, 2001: A Space Odyssey và những bộ phim tương tự. Trong tất cả các trường hợp này, trọng lực nhân tạo gần bằng gia tốc của trái đất do trọng lực.
Ý tưởng dù có hay đến đâu thì việc thực hiện nó cũng khá khó khăn.
Các vấn đề với phương pháp băng chuyền
Vấn đề rõ ràng nhất được nhấn mạnh trong A Space Odyssey. Bán kính của tàu sân bay vũ trụ là khoảng 8 mét. Để có được gia tốc 9,8, chuyển động quay phải diễn ra với tốc độ khoảng 10,5 vòng mỗi phút.
Ở những giá trị này, “hiệu ứng Coriolis” xuất hiện, bao gồm thực tế là các lực khác nhau tác dụng ở những khoảng cách khác nhau so với sàn. Nó phụ thuộc trực tiếp vào vận tốc góc.
Hóa ra trọng lực nhân tạo sẽ được tạo ra trong không gian, nhưng việc xoay cơ thể quá nhanh sẽ dẫn đến vấn đề với tai trong. Điều này lại gây ra rối loạn thăng bằng, các vấn đề với bộ máy tiền đình và những khó khăn khác - tương tự -.
Sự xuất hiện của trở ngại này cho thấy một mô hình như vậy cực kỳ không thành công.
Bạn có thể thử đi ngược lại, như họ đã làm trong tiểu thuyết “Thế giới nhẫn”. Ở đây con tàu được chế tạo theo hình một chiếc nhẫn, bán kính của nó gần bằng bán kính quỹ đạo của chúng ta (khoảng 150 triệu km). Ở 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 thực tế không phải vậy. Thực tế là một cuộc cách mạng hoàn toàn của cấu trúc này quanh trục của nó mất 9 ngày. Điều này cho thấy tải sẽ quá lớn. Để cấu trúc có thể chịu được chúng, cần phải 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 quá trình xây dựng.
Trong các trò chơi có chủ đề tương tự, như trong phim “Babylon 5”, những vấn đề này phần nào được giải quyết: tốc độ quay khá đủ, hiệu ứng Coriolis không đáng kể, theo giả thuyết 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 nó là xung lượng góc.
Con tàu quay quanh trục của nó biến thành một con quay hồi chuyển khổng lồ. Như bạn đã biết, việc buộc một con quay hồi chuyển lệch khỏi trục của nó là cực kỳ khó khăn do điều quan trọng là đại lượng của nó không rời khỏi hệ thống. Điều này có nghĩa là sẽ rất khó để đưa ra hướng cho đối tượng này. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết.
Giải pháp
Trọng lực nhân tạo trên trạm vũ trụ sẽ khả dụng khi Xi lanh 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. Họ nên xoay theo các hướng khác nhau. Kết quả của sự lắp ráp như vậy là xung lượng góc bằng không, do đó sẽ không có khó khăn gì trong việc điều khiển con tàu theo hướng cần thiết.
Nếu có thể chế tạo một con tàu có bán kính khoảng 500 mét thì nó sẽ hoạt động chính xác như bình thường. Đồng thời, trọng lực nhân tạo trong không gian sẽ khá thoải mái và phù hợp cho những chuyến bay dài trên tàu hoặc trạm nghiên cứu.
kỹ sư không gian
Những người tạo ra trò chơi biết cách tạo ra trọng lực nhân tạo. Tuy nhiên, trong thế giới giả tưởng này, trọng lực 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.
Trọng lực nhân tạo trên trạm vũ trụ được tạo ra bằng cách sử dụng một máy phát đặc biệt. Nó đồng đều và đẳng hướng trong phạm vi của máy phát. Vì vậy, trong thế giới thực, nếu bạn ở dưới một con tàu có lắp máy phát điện, bạn sẽ bị kéo về phía thân tàu. Tuy nhiên, trong trò chơi, anh hùng sẽ gục ngã cho đến khi rời khỏi chu vi của thiết bị.
Ngày nay, lực hấp dẫn nhân tạo trong không gian được tạo ra bởi một thiết bị như vậy là không thể tiếp cận được đối với con người. Tuy nhiên, ngay cả những nhà phát triển tóc bạc cũng không ngừng mơ về nó.
Máy phát điện hình cầu
Đây là một lựa chọn thiết bị thực tế hơn. Khi lắp đặt, trọng lực hướng về phía máy phát điện. Điều này giúp có thể tạo ra một trạm có trọng lực bằng với trạm hành tinh.
Máy ly tâm
Ngày nay, trọng lực 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 theo cách tương tự như ảnh hưởng của trọng lực - cơ thể không phân biệt được nguyên nhân gây ra gia tốc. Ví dụ: một người đi lên thang máy chịu tác dụng của quán tính. Qua con mắt của một nhà vật lý: sự đi lên của thang máy sẽ cộng thêm gia tốc của cabin vào gia tốc rơi tự do. Khi cabin trở lại trạng thái chuyển động đã đo, lượng cân nặng “tăng” sẽ biến mất, trả lại cảm giác bình thường.
Các nhà khoa học từ lâu đã quan tâm đến trọng lực nhân tạo. Máy ly tâm thường được sử dụng cho những mục đích này. Phương pháp này không chỉ phù hợp với tàu vũ trụ mà còn phù hợp với các trạm mặt đất nơi cần nghiên cứu tác động của trọng lực lên cơ thể con người.
Nghiên cứu về Trái đất, áp dụng vào...
Mặc dù nghiên cứu về lực hấp dẫn bắt đầu từ không gian nhưng nó là một ngành khoa học rất trần tục. Thậm chí ngày nay, những tiến bộ trong lĩnh vực này đã được ứng dụng, chẳng hạn như trong y học. Biết được liệu có thể tạo ra trọng lực nhân tạo trên một hành tinh hay không, nó có thể được sử dụng để điều trị các vấn đề về hệ cơ xương hoặc hệ thần kinh. Hơn nữa, việc nghiên cứu về 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 được các bác sĩ giám sát chặt chẽ. Trọng lực nhân tạo trong không gian lại là một vấn đề khác; ở đó không có người nào có thể giúp đỡ các phi hành gia trong trường hợp không lường trước được.
Lưu ý đến tình trạng hoàn toàn không trọng lượng, người ta không thể tính đến một vệ tinh nằm ở quỹ đạo Trái đất thấp. Những vật thể này, mặc dù ở mức độ nhỏ, bị ảnh hưởng bởi trọng lực. Lực hấp dẫn sinh ra trong những trường hợp như vậy được gọi là trọng lực vi mô. Lực hấp dẫn thực sự chỉ được cảm nhận khi một phương tiện 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 trải nghiệm cảm giác không trọng lượng khi nhảy xa (trước khi mái che mở ra) hoặc khi máy bay hạ độ cao theo đường parabol. Những thí nghiệm như vậy thường được thực hiện ở Mỹ, 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, người ta đã biết liệu có thể tạo ra trọng lực nhân tạo hay không. Và họ không chỉ tạo ra nó mà còn thay đổi nó theo một cách nào đó. Một ví dụ nổi bật về việc giảm trọng lực nhân tạo là ngâm khô, ngâm. Để đạt được hiệu quả mong muốn, bạn cần đặt một lớp màng dày lên mặt nước. Người được đặt lên trên nó. Dưới sức nặng của cơ thể, cơ thể chìm xuống dưới nước, chỉ còn lại phần đầu ở phía trên. Mô hình này thể hiện môi trường trọng lực thấp, không cần hỗ trợ, đặc trưng của đại dương.
Không cần thiết phải đi vào không gian để trải nghiệm lực đối nghịch của tình trạng không trọng lượng - siêu trọng lực. Khi một tàu vũ trụ cất cánh và hạ cánh trong máy ly tâm, người ta không chỉ cảm nhận được mà còn nghiên cứu về tình trạng quá tải.
Xử lý trọng lực
Vật lý hấp dẫn cũng nghiên cứu tác động của tình trạng không trọng lượng lên cơ thể con người, cố gắng giảm thiểu hậu quả. Tuy nhiên, một số lượng lớn thành tựu của khoa học này cũng có thể hữu ích cho những cư dân bình thường trên hành tinh.
Các bác sĩ đặt nhiều hy vọng vào việc nghiên cứu hoạt động của các enzyme cơ trong bệnh cơ. Đây là căn bệnh nguy hiểm dẫn đến tử vong sớm.
Trong quá trình tập luyện thể chất tích cực, một lượng lớn enzyme creatine phosphokinase sẽ đi vào máu của một người khỏe mạnh. Nguyên nhân của hiện tượng này vẫn chưa rõ ràng; có lẽ tải trọng tác động lên màng tế bào khiến nó trở thành “lỗ hổng”. Bệnh nhân bị bệnh cơ có được tác dụng tương tự mà không cần tập thể dục. Quan sát của các phi hành gia cho thấy khi ở trạng thái không trọng lượng, dòng enzyme hoạt động vào máu giảm đi đáng kể. Phát hiện này cho thấy việc sử dụng phương pháp ngâm sẽ làm giảm tác động tiêu cực của các yếu tố dẫn đến bệnh cơ. Các thí nghiệm trên động vật hiện đang được thực hiện.
Việc điều trị một số bệnh đã được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu thu được từ nghiên cứu về trọng lực, bao gồm cả trọng lực nhân tạo. Ví dụ, việc điều trị bệnh bại não, đột quỵ và bệnh Parkinson được thực hiện thông qua việc sử dụng bộ quần áo chống căng thẳng. Nghiên cứu về tác dụng tích cực của đế khí nén gần như đã hoàn thành.
Chúng ta sẽ bay tới sao Hỏa?
Những thành tựu mới nhất của các phi hành gia mang lại hy vọng cho dự án thành hiện thực. Có kinh nghiệm trong việc cung cấp hỗ trợ y tế cho một người trong thời gian dài xa Trái đất. Các chuyến bay nghiên cứu lên Mặt trăng, nơi có lực hấp dẫn nhỏ hơn chúng ta 6 lần, cũng mang lại rất nhiều lợi ích. Giờ đây các phi hành gia và nhà khoa học đang đặt ra cho mình một mục tiêu mới - Sao Hỏa.
Trước khi xếp hàng mua vé đến Hành tinh Đỏ, bạn nên biết điều gì đang chờ đợi cơ thể ở giai đoạn đầu 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 phải dựa vào sức mình; đơn giản là không có nơi nào để chờ đợi sự giúp đỡ.
Nhiều yếu tố sẽ làm suy yếu sức mạnh của bạn: căng thẳng, bức xạ, thiếu từ trường. Thử nghiệm quan trọng nhất đối với cơ thể là sự thay đổi trọng lực. Trong cuộc hành trình, một người sẽ “làm quen” với một số mức độ hấp dẫn. Trước hết, đây là 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 trọng lực trên Sao Hỏa nhỏ hơn 40% so với Trái đất.
Làm thế nào để bạn đối phó với những tác động tiêu cực của tình trạng không trọng lượng trên một chuyến bay dài? Hy vọng rằng sự phát triển trong lĩnh vực trọng lực nhân tạo sẽ giúp giải quyết vấn đề này trong tương lai gần. Thí nghiệm trên chuột di chuyển trên Cosmos 936 cho thấy kỹ thuật này không giải quyết được mọi vấn đề.
Kinh nghiệm về hệ điều hành 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 có thể mang lại lợi ích lớn hơn nhiều cho cơ thể.
Hiện tại, người ta tin rằng không chỉ các nhà nghiên cứu sẽ bay tới Sao Hỏa mà còn cả những khách du lịch muốn thiết lập thuộc địa trên Hành tinh Đỏ. Đối với họ, ít nhất là lần đầu tiên, cảm giác không trọng lượng sẽ lấn át mọi lý lẽ của các bác sĩ về sự nguy hiểm khi ở lâu trong điều kiện như vậy. Tuy nhiên, trong một vài tuần nữa, họ cũng sẽ cần sự giúp đỡ, đó là lý do tại sao việc tìm ra cách tạo ra trọng lực nhân tạo trên tàu vũ trụ lại 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 phương án hiện đang được xem xét, cấu trúc xoay trông thực tế nhất. Tuy nhiên, với sự hiểu biết hiện nay về các định luật vật lý thì điều này là không thể, vì con tàu không phải là một hình trụ rỗng. Có sự chồng chéo bên trong cản trở việc thực hiện ý tưởng.
Ngoài ra, bán kính của tàu phải lớn đến mức hiệu ứng Coriolis không có tác dụng đáng kể.
Để điều khiển những thứ như thế này, bạn cần có xi lanh O'Neill được đề cập ở trên, nó sẽ cho bạn khả năng điều khiển con tàu. Trong trường hợp này, cơ hội sử dụng thiết kế như vậy cho các chuyến bay liên hành tinh đồng thời mang lại cho phi hành đoàn mức trọng lực thoải mái sẽ tăng lên.
Trước khi nhân loại thành công trong việc biến ước mơ của mình thành hiện thực, tôi muốn thấy chủ nghĩa hiện thực hơn một chút và thậm chí nhiều kiến thức hơn về các định luật vật lý trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng.
Bạn nghĩ tại sao các phi hành gia lại cảm thấy không trọng lượng trong không gian? Khả năng cao là bạn sẽ trả lời sai.
Khi được hỏi tại sao các vật thể và phi hành gia lại xuất hiện trong trạng thái không trọng lượng trong tàu vũ trụ, nhiều người đưa ra câu trả lời như sau:
1. Không có lực hấp dẫn trong không gian nên chúng không có trọng lượng.
2. Không gian là chân không và trong chân không không có trọng lực.
3. Các phi hành gia ở quá xa bề mặt Trái đất để có thể bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của nó.
Tất cả những câu trả lời này đều sai!
Điều chính bạn cần hiểu là có lực hấp dẫn trong không gian. Đây là một quan niệm sai lầm khá phổ biến. Điều gì giữ Mặt trăng ở quỹ đạo quanh Trái đất? Trọng lực. Điều gì giữ cho Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời? Trọng lực. Điều gì ngăn cản các thiên hà bay ra xa nhau theo các hướng khác nhau? Trọng lực.
Trọng lực tồn tại ở mọi nơi trong không gian!
Nếu bạn xây dựng một tòa tháp trên Trái đất cao 370 km (230 dặm), xấp xỉ độ cao quỹ đạo của trạm vũ trụ, lực hấp dẫn tác dụng lên bạn ở đỉnh tháp sẽ gần giống như ở bề mặt Trái đất. . Nếu bạn bước ra khỏi tòa tháp, bạn sẽ hướng về Trái đất, giống như Felix Baumgartner dự định thực hiện vào cuối năm nay khi anh ấy cố gắng nhảy từ rìa không gian. (Tất nhiên, điều này không tính đến nhiệt độ lạnh sẽ khiến bạn cóng ngay lập tức hoặc việc thiếu không khí hoặc lực cản khí động học sẽ giết chết bạn như thế nào và việc rơi qua các lớp không khí trong khí quyển sẽ buộc mọi bộ phận trên cơ thể bạn phải trải qua cảm giác như thế nào. tận mắt cảm giác “xé ba lớp da” “Và bên cạnh đó, việc dừng xe đột ngột cũng sẽ gây cho bạn rất nhiều bất tiện).
Đúng vậy, vậy tại sao trạm vũ trụ hoặc các vệ tinh trên quỹ đạo không rơi xuống Trái đất và tại sao các phi hành gia và môi trường xung quanh họ bên trong Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) hoặc bất kỳ tàu vũ trụ nào khác dường như lơ lửng?
Hóa ra tất cả là về tốc độ!
Các phi hành gia, Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) và các vật thể khác trên quỹ đạo Trái đất không trôi nổi—trên thực tế, chúng rơi xuống. Nhưng chúng không rơi xuống Trái đất do tốc độ quỹ đạo cực lớn. Thay vào đó, chúng "rơi quanh" Trái đất. Các vật thể trên quỹ đạo Trái đất phải di chuyển với tốc độ ít nhất 28.160 km/h (17.500 mph). Do đó, ngay khi chúng tăng tốc so với Trái đất, lực hấp dẫn của Trái đất ngay lập tức uốn cong và đưa quỹ đạo của chúng đi xuống, và chúng không bao giờ vượt qua được mức tiếp cận tối thiểu này với Trái đất. Vì các phi hành gia có gia tốc giống như trạm vũ trụ nên họ trải qua trạng thái không trọng lượng.
Điều xảy ra là chúng ta cũng có thể trải nghiệm trạng thái này - trong thời gian ngắn - trên Trái đất, vào thời điểm rơi. Bạn đã bao giờ đi tàu lượn siêu tốc mà ngay sau khi vượt qua điểm cao nhất (“đỉnh của tàu lượn siêu tốc”), khi xe bắt đầu lăn xuống, cơ thể bạn nhấc lên khỏi ghế chưa? Nếu bạn đang ở trong thang máy ở độ cao của một tòa nhà chọc trời hàng trăm tầng và dây cáp bị đứt thì khi thang máy đang rơi, bạn sẽ lơ lửng trong tình trạng không trọng lượng trong cabin thang máy. Tất nhiên, trong trường hợp này cái kết sẽ kịch tính hơn nhiều.
Và sau đó, bạn có thể đã nghe nói về máy bay không trọng lực ("Vomit Comet") - máy bay KC 135, được NASA sử dụng để tạo ra trạng thái không trọng lượng ngắn hạn, để đào tạo phi hành gia và thử nghiệm các thí nghiệm hoặc thiết bị trong môi trường không trọng lực. (zero-G), cũng như đối với các chuyến bay thương mại trong môi trường không trọng lực, khi máy bay bay theo quỹ đạo parabol, giống như khi đi tàu lượn siêu tốc (nhưng ở tốc độ cao và ở độ cao lớn), đi qua đỉnh của parabol và lao xuống thì lúc máy bay rơi xuống, điều kiện được tạo ra là không trọng lượng. May mắn thay, chiếc máy bay lao ra khỏi chỗ lặn và thăng bằng.
Tuy nhiên, hãy quay trở lại tòa tháp của chúng ta. Nếu thay vì bước một bước bình thường từ tháp, bạn thực hiện một cú nhảy chạy, năng lượng hướng về phía trước sẽ đưa bạn ra xa tháp, đồng thời trọng lực sẽ đẩy bạn xuống. Thay vì hạ cánh ở chân tháp, bạn sẽ hạ cánh ở khoảng cách xa với nó. Nếu bạn tăng tốc độ khi cất cánh, bạn sẽ có thể nhảy xa hơn khỏi tòa tháp trước khi chạm đất. Chà, nếu bạn có thể chạy nhanh như tàu con thoi có thể tái sử dụng và ISS quay quanh Trái đất, với tốc độ 28.160 km/h (17.500 mph), thì cung nhảy của bạn sẽ vòng quanh Trái đất. Bạn sẽ ở trên quỹ đạo và trải nghiệm trạng thái không trọng lượng. Nhưng bạn sẽ rơi mà không chạm tới bề mặt Trái đất. Đúng vậy, bạn vẫn cần một bộ đồ du hành vũ trụ và nguồn cung cấp không khí thoáng khí. Và nếu bạn có thể chạy với tốc độ khoảng 40.555 km/h (25.200 mph), bạn sẽ nhảy ngay ra ngoài Trái đất và bắt đầu quay quanh Mặt trời.
"Mỹ sẽ không thể đối phó nếu không có Nga trong không gian"
Một máy ly tâm sẽ được lắp đặt trên mô-đun ISS mới đang được phát triển ở Nga để tạo ra mô-đun nhân tạo. Oleg Orlov, giám đốc Viện: “Chúng tôi đã tái tạo được một máy ly tâm bán kính nhỏ. Lời hứa về phương pháp mô phỏng trọng lực nhân tạo này đã được chứng minh. về các vấn đề y tế và sinh học của Viện Hàn lâm Khoa học Nga, nói với các phóng viên.
Nhà du hành vũ trụ, người đầu tiên bước ra ngoài vũ trụ (18/3/1965), hai lần Anh hùng Liên Xô, Alexei Leonov, đã chia sẻ quan điểm của mình về vấn đề này với trang này.
— Tình trạng không trọng lượng sẽ tạo ra những vấn đề gì và liệu sự lãng mạn trong không gian có biến mất cùng với nó không? Tại sao bạn cần phải chiến đấu với tình trạng không trọng lượng?
“Điều tồi tệ nhất đang chờ đợi một người ở trong không gian bao la chính là tình trạng không trọng lượng. Một người đã bay trong một tháng trong môi trường không trọng lực, nếu không chuẩn bị đặc biệt cho việc hạ cánh, sẽ đơn giản chết khi trở về trái đất.
Sau chuyến bay đầu tiên kéo dài 18 ngày, Vitaly Sevastyanov và Andriyan Nikolaev trở về và không thể đứng vững. Hơn nữa, mô xương trở nên mềm mại. Như Vitaly đã nói, đôi chân của anh ấy biến thành “đuôi cá”, uốn cong!
Toàn bộ cơ thể con người, miễn là nó còn tồn tại, được thiết kế để hoạt động theo hằng số hấp dẫn của trái đất. Và nếu bạn loại bỏ trọng lực, cơ thể không hiểu nó sẽ hoạt động như thế nào, bắt đầu từ bộ máy tiền đình và kết thúc ở hệ thống tim mạch và mô cơ xương. Vì vậy, hàng ngày, các phi hành gia buộc phải dành nhiều thời gian tập luyện trên các thiết bị mô phỏng như đường ray, thuyền và liên tục mặc bộ đồ chịu lực để giữ cơ bắp ở trạng thái tốt.
Hãy nhớ lại chuyến bay cuối cùng của Kornienko - họ đã bay suốt một năm, quay trở lại và bước đi trên đôi chân của chính mình. Nhưng Nikolaev và Sevastyanov không thể đứng vững sau 18 ngày. Tay tôi không thể cầm được tai nghe, yếu quá.
Yura Romanenko đã bay trong một năm, tập thể dục trong không gian và làm theo mọi khuyến nghị. Kết quả là một năm sau, khi anh trở về, hóa ra tình trạng thể chất của anh được đánh giá khách quan qua các nghiên cứu về mô cơ xương khớp đã tốt hơn trước chuyến bay.
Để cảm thấy thoải mái, bạn cần phải ở trên một khu phức hợp khổng lồ, nơi do chuyển động quay, trọng lực nhân tạo được tạo ra ít nhất là 1,5 g hoặc 1 g (trọng lực của trái đất là 9,8 g), để một người có thể di chuyển bằng chính đôi chân của mình và không bơi". Khả năng kỹ thuật cho phép điều này được thực hiện.
Máy ly tâm này phải có vai, ghế để người ngồi. Để xoay, bạn cần tối thiểu 3 mét, tổng đường kính là 6 mét. Để làm được điều này, trạm vũ trụ phải có một thiết kế hoàn toàn khác. Đây là một bánh xe khổng lồ, có đường kính 200 mét, với nhiều khu vực làm việc khác nhau xung quanh chu vi của nó. Bánh xe giống như một chiếc xe đẩy, ở giữa có một ống lót để lắp trục vào. Ở đây trọng lực ở trung tâm này bằng 0, hoàn toàn không có trọng lượng. Đây là nơi mà một con tàu, một loại phương tiện giao thông nào đó, bất cứ thứ gì đều có thể bay. Và sau đó đi dọc theo nan hoa ra ngoại vi. Cần tạo tối thiểu 0,2 g để hình thành gương lỏng. Và điều này chỉ có thể được thực hiện khi quá tải. Đã 0,1g là đủ để một người đi lộn ngược, muốn thế nào cũng được.
Nếu chúng ta muốn có chi phí thấp trên quỹ đạo, đồng thời tạo điều kiện thoải mái, chúng ta cần tạo ra một trạm như vậy, một cấu trúc hình xuyến, nơi bạn có thể ở bao lâu tùy thích, một hoặc hai năm.
Để biết chi tiết, trang web cũng đã liên hệ Nghiên cứu viên tại Viện Các vấn đề Y tế và Sinh học (IMBP) RAS Alexander Smoleevsky.
— Theo cách hiểu thông thường của chúng ta, máy ly tâm là một cấu trúc khá lớn. Có chỗ nào trên ISS để đáp ứng điều này không?
- Chúng ta đang nói về một máy ly tâm bán kính ngắn. Tức là đây không phải là máy ly tâm lớn thường được trưng bày, đây là phiên bản nhỏ gọn hơn. Công nghệ này có thể được coi là một phương tiện mới nhằm ngăn chặn những tác động lâu dài của tình trạng không trọng lượng lên cơ thể, cơ và xương. Trọng lực nhân tạo có thể bù đắp cho những tác động khó chịu này mà không cần rèn luyện thể chất tốn nhiều công sức.
— Đây là một hiện tượng mô phỏng hay một hiện tượng quy mô lớn hơn?
“Đây chính xác là một máy ly tâm cho phép bạn bù đắp một cách thụ động những tác động tiêu cực của tình trạng không trọng lượng. Trình mô phỏng vẫn bao hàm sự tham gia tích cực của một người, sự căng cơ và những nỗ lực có ý chí. Đây chính xác là những mô phỏng hiện có trên ISS. Và phương thuốc này thuận tiện hơn cho việc phòng ngừa.
Về thiết kế website máy ly tâm Oleg Voloshin, thư ký báo chí của Viện các vấn đề y sinh (IMBP) của Viện Hàn lâm Khoa học Nga, đã làm rõ:
— Máy ly tâm bán kính ngắn có những khác biệt cơ bản so với máy ly tâm thông thường. Trong cách thông thường mà các phi hành gia thường tập luyện trên Trái đất, một người ở vai xa và xoay như thể hoàn toàn, có thể nói như vậy.
Sở dĩ gọi như vậy là máy ly tâm bán kính ngắn vì nó chỉ có cánh tay khoảng 2,5m nhưng người ta đặt ở đó, đầu gần như ở gần trục trung tâm, còn chân thì ở đầu xa. Đây là một sự khác biệt cơ bản.
Máy ly tâm như vậy quay với tốc độ thấp hơn máy ly tâm CPC và nó có các nhiệm vụ hoàn toàn khác. Nghĩa là, nếu máy ly tâm lớn, cổ điển, nó được thiết kế để dạy một người chống lại tình trạng quá tải. Máy ly tâm bán kính ngắn này giải quyết một vấn đề khác.
Đó là, sự khác biệt cơ bản là người ở đó nằm quay đầu về phía tâm trục quay và hai chân ở phía xa. Điều này không được thực hiện để huấn luyện phi hành gia trong tình trạng quá tải mà để cung cấp ít nhất một số tải trọng, trọng lực. Người ta cho rằng phi hành gia sẽ ở đó vài phút mỗi ngày. Nó giống như bộ đồ chống căng thẳng của Chibis - phi hành gia mặc nó vào một lúc, làm việc và thực hiện các thủ tục liên quan đến các tác động sinh lý cần thiết. Một người cũng sẽ làm việc trên máy ly tâm bán kính ngắn.
Phiên bản mặt đất mà chúng tôi đã giải quyết vấn đề xác định chu kỳ chính xác, cách thực hiện và chế độ nào hoạt động tốt hơn.
— Khi nào sự phát triển sẽ xuất hiện trên ISS?
- Còn chưa rõ ràng, còn có nhiệm vụ, nhưng không thể nói thời gian. Bất kỳ trình mô phỏng nào cũng chiếm một số không gian và khi khối lượng của trạm được lên kế hoạch, thì tất nhiên, trình mô phỏng sẽ được đặt ở một số khu vực được chỉ định và máy ly tâm là một vật thể khá cồng kềnh. Tôi thực sự nghi ngờ rằng nó có thể được cài đặt trên một mô-đun đã bay. Nó sẽ phải được lắp ráp trên Trái đất cùng với một máy ly tâm. Và theo đó, không gian nên được phân bổ trong chính mô-đun.
Hãy tưởng tượng một chiếc xích đu dành cho trẻ em rộng khoảng 5 mét. Tâm của trục nằm ở giữa cú xoay này. Đây gần như là thiết kế của một máy ly tâm. Nó chiếm một căn phòng khá rộng, khoảng 8 mét. Bạn cần có chỗ cho không khí, vì khi nó quay, nó sẽ trộn lẫn không khí.
Theo định luật vạn vật hấp dẫn, mọi vật đều bị hút vào nhau và lực hấp dẫn tỉ lệ thuận với khối lượng của các vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Nghĩa là, cụm từ “thiếu trọng lực” chẳng có ý nghĩa gì cả. Ở độ cao vài trăm km so với bề mặt Trái đất - nơi bay của tàu vũ trụ và trạm vũ trụ có người lái - lực hấp dẫn của Trái đất rất mạnh và thực tế không khác gì lực hấp dẫn ở gần bề mặt.
Nếu về mặt kỹ thuật có thể thả một vật thể từ một tòa tháp cao 300 km, thì nó sẽ bắt đầu rơi theo phương thẳng đứng và với gia tốc rơi tự do, giống như nó rơi từ độ cao của một tòa nhà chọc trời hoặc từ độ cao của một người. Do đó, trong các chuyến bay quanh quỹ đạo, lực hấp dẫn không hề vắng mặt hoặc yếu đi đáng kể mà được bù đắp. Tương tự như đối với tàu thủy và khí cầu, lực hấp dẫn của trái đất được bù bằng lực Archimedean và đối với máy bay có cánh - bằng lực nâng của cánh.
Đúng, nhưng máy bay bay và không rơi, và hành khách bên trong cabin không bay như các phi hành gia trên ISS. Trong một chuyến bay bình thường, hành khách cảm nhận được trọng lượng của mình một cách hoàn hảo và thứ giúp anh ta không bị rơi xuống đất không phải là lực nâng trực tiếp mà là phản lực của mặt đất. Chỉ trong trường hợp khẩn cấp hoặc do sự suy giảm mạnh do nhân tạo, một người mới đột nhiên cảm thấy rằng mình ngừng gây áp lực lên chỗ dựa. Sự vô trọng lượng nảy sinh. Tại sao? Nhưng bởi vì nếu sự mất độ cao xảy ra với gia tốc gần bằng gia tốc rơi tự do, thì vật đỡ không còn ngăn được hành khách rơi nữa - chính cô ấy cũng rơi.
spaceref.com Rõ ràng là khi máy bay dừng lại và lao thẳng xuống, hoặc không may rơi xuống đất, thì rõ ràng là trọng lực vẫn chưa biến mất. Vì trong điều kiện trên mặt đất và gần Trái đất, hiệu ứng không trọng lượng chỉ có thể xảy ra khi rơi. Trên thực tế, một cú rơi dài là một chuyến bay theo quỹ đạo. Một tàu vũ trụ chuyển động trên quỹ đạo với vận tốc thoát ra ngoài bị lực quán tính ngăn không cho rơi xuống Trái đất. Sự tương tác giữa trọng lực và quán tính được gọi là “lực ly tâm”, mặc dù trên thực tế một lực như vậy không tồn tại nhưng về mặt nào đó nó chỉ là hư cấu. Thiết bị có xu hướng chuyển động theo đường thẳng (tiếp tuyến với quỹ đạo gần Trái đất) nhưng lực hấp dẫn của Trái đất liên tục “quay” quỹ đạo chuyển động. Ở đây, tương đương với gia tốc trọng trường là cái gọi là gia tốc hướng tâm, do đó không phải giá trị của tốc độ thay đổi mà là vectơ của nó. Và do đó, tốc độ của tàu không đổi nhưng hướng chuyển động liên tục thay đổi. Vì cả tàu vũ trụ và phi hành gia đều chuyển động với cùng tốc độ và với cùng gia tốc hướng tâm nên tàu vũ trụ không thể đóng vai trò là điểm tựa để chịu sức nặng của con người. Trọng lượng là lực của một vật tác dụng lên một giá đỡ phát sinh trong trường trọng lực và ngăn nó rơi xuống. Nhưng một con tàu, giống như một chiếc máy bay đang lao xuống mạnh, không ngăn được nó rơi xuống.
Đó là lý do tại sao hoàn toàn sai lầm khi nói về sự vắng mặt của lực hấp dẫn Trái đất hoặc sự hiện diện của “vi trọng lực” (như thông lệ trong các nguồn tiếng Anh) trên quỹ đạo. Ngược lại, trọng lực của trái đất là một trong những yếu tố chính gây nên hiện tượng không trọng lượng xảy ra trên tàu.
Chúng ta chỉ có thể nói về vi trọng lực thực sự khi áp dụng cho các chuyến bay trong không gian liên hành tinh và giữa các vì sao. Ở xa một thiên thể lớn, lực hấp dẫn của các ngôi sao và hành tinh ở xa sẽ yếu đến mức phát sinh hiệu ứng không trọng lượng. Chúng tôi đã đọc nhiều lần trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng về cách giải quyết vấn đề này. Các trạm vũ trụ ở dạng hình xuyến (vô lăng) sẽ quay quanh một trục trung tâm và tạo ra mô phỏng trọng lực bằng lực ly tâm. Đúng vậy, để tạo ra lực hấp dẫn tương đương, bạn sẽ phải cho hình xuyến có đường kính hơn 200 m. Có những vấn đề khác liên quan đến trọng lực nhân tạo. Vì vậy, tất cả điều này là một vấn đề của tương lai xa.
