В космосе нет гравитации: так ли это на самом деле
Часто в новостях или в сети можно увидеть астронавтов на орбите. Они легко делают акробатические трюки, летают и крутятся вокруг собственной оси. Это объясняют тем, что в космосе нулевая гравитация. Так ли это на самом деле? Читайте на Техно24.
Ответ на этот вопрос однозначен – нет, в космосе есть гравитация. Где бы вы ни оказались – на борту Международной космической станции, возле Плутона или за пределами Галактики – гравитация вас не покинет. Почему МКС не падает на Землю?
Новогодняя трапеза в 61-й экспедиции МКС / Фото NASA
Почему Международная космическая станция не падает на Землю
На самом деле она постоянно падает на Землю. Но из-за высокой скорости движения постоянно промазывает.
Разбираемся, почему так происходит
- Если вы бросите камень, то он упадет на Землю под действием гравитации.
- Но если вы очень сильный и сможете кинуть камень с большей скоростью, то он пролетит гораздо дальше.
- А если вы Геркулес, то сможете бросить его еще сильнее. Но камень не полетит прямо. На него будет действовать гравитация Земли, поэтому его траектория движения будет постоянно наклоняться, повторяя очертание земного шара. В конечном итоге булыжник пролетит через половину планеты и упадет.
- И если вы сильнее Геркулеса, то бросили камень с такой силой, что придали ему скорость 7,9 километра в секунду. Такая скорость называется первой космической. Камень полетел и сразу начал падать, огибая земной шар. Но поскольку скорость его очень высока, он никогда на нее не упадет.
Эта аналогия с камнем справедлива только тогда, если объект находится в космосе. Чем ближе к земной поверхности – тем плотнее атмосфера, которая не позволит ни камню, ни Международной космической станции двигаться с высокой скоростью долго. На высоте орбиты МКС плотность атмосферы почти не ощутима, поэтому станция летает там, почти не задействуя двигатели.
Экипаж станции постоянно находится в состоянии свободного падения, что мы называем невесомостью. Такого состояния можно достичь и на Земле. Для этого используют специальные самолеты.
Невесомость в самолете: смотреть видео онлайн
Насколько слабее гравитация на высоте орбиты Международной космической станции
Сила гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Проще говоря, на высоте 400 километров земная гравитация на 10% слабее гравитации на поверхности планеты.
Если бы мы построили башню высотой 400 километров, то на ее верхушке человек весом 100 килограммов весил бы 90 килограммов. И если бы человек прыгнул с нее, то упал бы на Землю, а не полетел, как МКС. Ведь скорость движения МКС – 7,9 километра в секунду.
Почему в космосе нет гравитации
В сериалах и фильмах типа «Звёздный путь», «Звёздные войны», «Боевой крейсер „Галактика“ и множестве других нам всегда показывают, как члены команды стабильно стоят на полу корабля вне зависимости от прочих условий. Это потребовало бы возможности создания искусственной гравитации – но с учётом законов физики в том виде, в котором мы их знаем сегодня, это слишком трудная задача.
С гравитацией связан важный урок принципа эквивалентности: равномерно ускоряющаяся система отсчёта неотличима от гравитационного поля. Если вы находитесь в ракете и не можете выглянуть наружу, у вас не будет способа понять, что происходит: вас придавливает „вниз“ сила гравитации или равномерное ускорение ракеты в одном направлении? Эта идея привела к формулированию общей теории относительности, и, спустя более чем сто лет, это самое правильное из известных нам описание гравитации и ускорения.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол, в ускоряющейся ракете и на Земле демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна
Есть ещё один трюк, который мы могли бы использовать: заставить корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (разгонной силы ракеты) можно получить центробежное, в котором человек на борту будет чувствовать, как его притягивает корпус корабля. Этим знаменит фильм „2001: космическая одиссея“, и эта сила при достаточно большом корабле была бы неотличима от гравитации.
Но это и всё. Три типа ускорения – гравитационное, линейное и вращательное – единственные в нашем распоряжении силы, оказывающие гравитационное воздействие. И для находящихся на борту космического корабля это большая, большая проблема.
Концепция космической станции 1969 года, которую предполагалось собирать на орбите из использованных ступеней программы „Аполло“. Станция должна была вращаться вокруг центральной оси и порождать искусственную гравитацию
Почему? Потому, что для путешествия в иную звёздную систему придётся ускорять корабль по пути туда, а по прибытию – замедлять. Если вы не сможете защититься от этих ускорений, вас ждёт фиаско. К примеру, чтобы разогнаться до „импульсной скорости“ „Звёздного пути“, до нескольких процентов от скорости света, пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвратит ток крови в вашем теле – весьма неприятная ситуация, как ни крути.
Запуск шатла Колумбия в 1992 году показывает, что ускорение ракеты происходит не мгновенно, а длится достаточно долгое время, много минут. У космического корабля ускорение должно было быть гораздо большим, чем может выдержать человеческое тело
Более того, если вы не хотите быть невесомым во время долгого пути, и подвергаться ужасным биологическим эффектам вроде потери костной массы и космической слепоты, необходимо, чтобы на ваше тело действовала постоянная сила. Для других сил, кроме гравитации, это не было бы проблемой. К примеру, для электромагнитного воздействия можно было бы поместить команду в проводящую оболочку и это устраняло бы все внешние электромагнитные поля. А потом внутри можно было бы устроить две параллельные пластины и организовать постоянное электрическое поле, заставлявшее бы заряды двигаться в определённом направлении.
Эх, если бы гравитация работала так же.
Схематическая диаграмма конденсатора, две параллельные проводящие пластины которого имеют одинаковые по величине и разные по знаку заряды, что создаёт между ними электрическое поле
Никаких „гравитационных проводников“ не существует, и от гравитации нельзя защититься. Невозможно создать равномерное гравитационное поле между какими-нибудь пластинами в определённом участке пространства. Причина в том, что в отличие от электричества, создаваемого положительными и отрицательными зарядами, гравитационный „заряд“ бывает одного типа, масса-энергия. Сила гравитации всегда притягивает, и с этим ничего нельзя поделать. Придётся делать всё возможное с тремя доступными типами ускорения – гравитационным, линейным и вращательным.
Подавляющее большинство кварков и лептонов Вселенной состоят из материи, но для каждого из них существуют и частицы антиматерии, гравитационные массы которых не определены
Единственным способом создать искусственную гравитацию, способную защитить вас от эффектов ускорения корабля и придать вам постоянное притяжение „вниз“ без ускорения, было бы открыть новый тип отрицательной гравитационной массы. У всех открытых нами частиц и античастиц масса положительна, но это инерциальные массы, то есть, массы, имеющие отношение к ускорению или созданию частиц (то есть, это m из уравнений F = ma и E = mc2). Мы показали, что инерциальная и гравитационная массы для всех известных частиц совпадают, но пока не проводили достаточно тщательных проверок для антиматерии и античастиц.
Коллаборация ALPHA ближе других экспериментов подошла к измерению поведения нейтральной антиматерии в гравитационном поле
И в этой области эксперименты идут прямо сейчас! В эксперименте ALPHA на ЦЕРН получили антиводород — стабильную форму нейтральной антиматерии — и сейчас работают над изоляцией её от всех других частиц на низких скоростях. Если он окажется достаточно чувствительным, мы сможем измерить, в какую сторону антиматерия будет двигаться в гравитационном поле. Если она будет падать вниз, как и обычная, тогда её гравитационная масса больше нуля, и её нельзя использовать для создания гравитационного проводника. Но если она будет падать вверх, это изменит всё. Единственный экспериментальный результат внезапно сделает искусственную гравитацию физически возможной.
Возможность получить искусственную гравитацию соблазнительна, но она требует существования отрицательной гравитационной массы. Такой массой может стать антиматерия, но это пока неизвестно
Если у антиматерии будет отрицательная гравитационная масса, тогда сделав потолок комнаты из антиматерии, а пол из материи, мы сможем создать искусственное гравитационное поле, постоянно притягивающее вас „вниз“. Построив оболочку корабля из гравитационного проводника, мы защитим всех внутри него от сил сверхвысокого ускорения, которое иначе было бы смертельным. И, что самое прекрасное, люди в космосе больше не будут страдать от отрицательных физиологических эффектов, от нарушения вестибулярного аппарата до атрофии сердечной мышцы, досаждающих современным космонавтам. Но пока мы не откроем частицу (или набор частиц) с отрицательной гравитационной массой, искусственную гравитацию можно будет получить только через ускорение.
masterok
В научно-фантастических фильмах, где корабль летит к далекой галактике, экипаж внутри в большинстве случаев находится не в невесомости, а спокойно передвигается по полу. Это возможно благодаря работающей системе искусственной гравитации, которая создает силу притяжения.
Но существуют ли подобные технологии в реальной жизни?
Как создать искусственную гравитацию?
Существует два способа создания искусственной гравитации. Однако реализовать их довольно тяжело с технической точки зрения.
Первый метод основан на центробежной силе, которая преобразовывается в притяжение. Для этого космический корабль должен быть выполнен в виде круга и постоянно вращаться. В момент передвижения модули, установленные на кольце, будут притягиваться к центру. Из-за этого внутри помещений будет создаваться искусственная гравитация.
Второй метод основан на ускорении. Пока корабль проходит первую половину пути, он должен постоянно увеличивать скорость, а на втором промежутке дистанции развернуться и приступить к торможению. За счет такого способа передвижения в помещениях будет создаваться искусственная гравитация.
А можно ли как то по другому?
Уже давно известно, что сила гравитации неотделима от инерции. Например, когда человек едет в автомобиле или летит в самолете, он перемещается в пространстве не находясь в невесомости. Это возможно благодаря тому, что внутри транспортного средства за счет инерции возникает искусственная гравитация, которая прижимает человека к полу и спинке сиденья.
Однако эта сила возникает естественным путем, без использования специальных технологий. Дело в том, что в современном мире не существует систем, способных создавать искусственную гравитацию. Подобные генераторы можно повстречать лишь в научно-фантастических фильмах. Единственная возможность человечества получить гравитацию искусственным путем – это воспользоваться одним из двух вышеописанных методов. Однако они требуют больших финансовых затрат и сложны с точки зрения реализации. Поэтому на данный момент не существует ни одного космического корабля, который использует их.