Проблема штучної гравітації

Останнім часом з’явилося багато робіт, в яких автори аналізують можливі наслідки тривалого перебування людини в незвичному для неї стані невагомості. Обговорюється, природно, і проблема створення штучної гравітації на космічному кораблі (під гравітацією розуміється дія сил тяжіння). В умовах Землі людина відчуває невагомість, як відомо, лише при вільному падінні або при польоті на літаку по параболічній траєкторії (траєкторія Кеплера), коли прискорення руху дорівнює прискоренню сили тяжіння. Всі інші способи, наприклад, занурення людини в рідину, дозволяють лише частково відтворити деякі зміни у функціях організму, які виникають при невагомості.

Часто поняття невагомості і нульового гравітаційного поля ототожнюють. Насправді ж між ними є принципове розходження, яке можна пояснити наступним чином. Нульове гравітаційне поле (або нульова гравітація) можливо лише в окремих точках космічного простору, де сили тяжіння двох або декількох небесних тіл взаємно врівноважуються. В таких точках невагомість статична. Будь-яке тіло поміщене в таку точку космічного простору, нічого не буде важити.

Динамічна невагомість може виникнути в будь-яких інших точках гравітаційного поля, коли сила тяжіння врівноважується відцентровою силою. Невагомість цього роду виникає, наприклад, при обертанні штучного супутника Землі по круговій або еліптичній орбіті.

Американський вчений Е. Джонс наводить деякі розрахунки, що відносяться до польоту космічного корабля з Землі на Місяць. Обрана автором траєкторія польоту має довжину 384 тисячі кілометрів. Приблизно через сім годин після старту корабель сягає другої космічної швидкості і летить з цією швидкістю протягом п’яти годин, поки не потрапить у сферу тяжіння Місяця. На відстані 350 тисяч кілометрів від Землі корабель проходить точку статичної невагомості. На останньому етапі польоту тривалістю близько семи годин різниця гравітаційних сил Землі і Місяця буде складати лише тисячні частки сили нашого звичного земного тяжіння.

З цього прикладу випливає, що в міжпланетному польоті на людину можуть діяти лише незначні гравітаційні сили, і вона практично буде відчувати стан статичної невагомості.

Дослідження впливу невагомості, проведені при польотах американських космонавтів, показали, що організм людини може пристосовуватися до стану відносно короткочасної невагомості. Люди можуть перебувати в ній без суттєвих порушень в системах організму. Однак це пристосування не у всіх випадках достатньо цілком. Крім того, вчені поки не знають, як перенесе людина тривалу невагомість — тижні, місяці. Є підстави думати, що в таких випадках можливі вегетативно-вестибулярні розлади, які приймуть форму хвороби заколисування.

Різке зниження м’язової діяльності і зменшення потреби в енергії можуть привести в тривалому космічному польоті до м’язової адинамії. Невагомість різко знижує навантаження на серцево-судинну систему, оскільки відпадає потреба в м’язовій роботі і полегшується робота серця по переміщенню крові в кров’яному руслі. Це, в свою чергу, викликає зміну обмінних процесів. Наслідком всього цього буде зменшення потоку інформації, що надходить в мозкові центри від кістково-м’язового апарату і внутрішніх органів. А це може позначитися на нервово-психічних реакціях космонавта.

Різкі зміни умов гравітації можуть мати особливо шкідливий вплив на організм, ослаблений адинамією, при поверненні космонавта на Землю і вході в щільні шари атмосфери.

Відзначено, що у американських космонавтів Шепарда, Гріссома та Гленна на етапі переходу від стану невагомості до перевантажень спостерігалося різке почастішання пульсу, підвищення температури і кров’яного тиску. У Карпентера ці явища були найбільш тривалими. Тривала невагомість, мабуть, буде знижувати працездатність космонавтів і внаслідок того, що при такому стані стає важчим пересування по космічному кораблю, ведення ремонтно-монтажних робіт, пов’язаних з застосуванням інструментів. Невагомість створює ряд проблем, що ускладнюють обслуговування корабля, вона робить непридатними відкриті контейнери та камери для зберігання предметів. З-за неї в кабіні корабля будуть вільно плавати пил, бруд і т. д. В цілому невагомість може створити серйозні труднощі під час польоту людини на Місяць, Марс, Венеру та інші планети.

Починаючи з К. Е. Ціолковського (1911), багато вчених (Оберт, Браун та інші) вважали, що найкращим захистом космонавта від несприятливої дії невагомості може служити штучна гравітація.

Щоб зрозуміти сутність штучної гравітації, слід мати на увазі, що на людину, коли вона йде на землі, крім сил, дію яких вона чітко відчуває (наприклад, сила тяжіння, сила тертя, тощо), діють сили, які настільки малі, що вона їх не помічає. До них відносяться відцентрова і кориолисова сили інерції. Причиною виникнення цих сил є обертання Землі.

Припустимо, що основою, на якій стоїть людина, є не Земля, а внутрішня стінка космічного корабля. Якщо цей корабель буде обертатися навколо осі симетрії, то на людину буде діяти відцентрова сила, яка притисне її до підлоги, так само як сила тяжіння притискає людину до Землі. Всі частини людського тіла знайдуть вагу, так само як і всі предмети, що знаходяться на космічному кораблі.

Подивимося, однак, чи все буде так, як на Землі. Виявляється, що ні. Величина відцентрової сили залежить від радіуса обертання. А голова і руки людини, що стоїть на «підлозі» кабіни космічного корабля, ближче до осі обертання, ніж ноги. Отже, відцентрова сила, що заміняє в даному випадку силу тяжіння, буде безперервно зростати в напрямку від голови до ніг. Тому рухати ногами буде важче, ніж головою і руками. Цю різницю величин відцентрової сили, що діє на голову і ноги людини, називають гравітаційним градієнтом.

Чим менше радіус обертання, тим відчутніше для людини цей градієнт. Однак поки немає ніяких експериментальних даних про дію гравітаційного градієнта. Деякі дослідники (Пенн, Діл та інші) вважають, що різниця величин відцентрової сили, що діє на голову і ноги людини (в розрахунку на одиницю маси), не повинна перевищувати 15 відсотків максимальної величини цієї сили. Тоді, якщо прийняти, що зріст людини дорівнює 1,8 метра, радіус обертання кабіни космічного корабля повинен бути не менше 12 метрів.

Припустимо тепер, що людина не стоїть на місці, а йде по космічному кораблю. Тоді, крім відцентрової сили, на неї почне діяти кориолисова сила інерції. Людина обов’язково відчує це, так як кутова швидкість обертання корабля набагато більше кутової швидкості обертання Землі.

Якщо людина піднімається по сходах всередині космічного корабля, то кориолисова сила інерції буде прагнути змістити вправо, якщо ж вона опускається, то кориолисова сила буде прагнути зрушити її вліво. Якщо ж людина буде рухатися в бік обертання корабля, то сила Кориолиса буде притискати її до підлоги, якщо ж вона буде рухатися проти обертання, то сила інерції буде прагнути її підняти. Тільки якщо людина буде переміщатися паралельно осі обертання корабля, вона буде позбавлена від дії цієї настільки незвичної для неї сили.

Автор: А. Волков.