Зачем космические аппараты вращаются
Для находящихся в космосе объектов вращение — дело привычное. Когда две массы двигаются относительно друг друга, но не навстречу или друг от друга, их гравитационная сила создаёт крутящий момент. В итоге в Солнечной системе все планеты вращаются вокруг Солнца.
Но это то, на что человек не влиял. Зачем же вращаются космические аппараты? Чтобы стабилизировать положение, постоянно направлять приборы в нужную сторону и в будущем — для создания искусственной гравитации. Давайте разберём эти вопросы подробнее.
Стабилизация вращением
Когда мы смотрим на автомобиль, мы знаем, в какую сторону он едет. Управление им происходит благодаря взаимодействию с внешней средой — сцеплению колёс с дорогой. Куда поворачивают колёса — туда и весь автомобиль. Но если мы лишим его этого сцепления, если мы отправим машину на лысой резине кататься по льду, то она закружится в вальсе, что будет крайне опасно для водителя. Такой тип движения возникает редко на Земле, но в космосе это норма.
- Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
- Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
- Случай, когда эти два типа управления реализуются одновременно (например, при сближении космических аппаратов).
Пример такого вращения приводит Роберт Фрост, инструктор и оператор в НАСА: это автоматическая межпланетная станция «Юнона», запущенная в 2011 году для исследования Юпитера и вышедшая на орбиту планеты 5 июля 2016 года. Вращение — один из способов ориентации и стабилизации, основным преимуществом которого является экономичность. Стоит раскрутить аппарат один раз, и затем можно будет крутиться столетиями, не используя лишнее топливо и не заботясь об управлении аппаратом с помощью электроники. Если электроника аппарата откажет — «Юнона» сохранит вращение.
Сохранение направления для приборов
По видеороликам заметить сложно, но Международная космическая станция постоянно вращается по Y-оси со скоростью 4 градуса в минуту. Такая угловая скорость выбрана, чтобы синхронизировать вращение станции вокруг своей оси с её вращением вокруг Земли. Антенны смотрят GPS-спутники и спутники связи, а из окон наблюдения за Землёй желательно видеть планету, чтобы снимать её. Вращение и ускорение также используются для того, чтобы избегать столкновений с космическим мусором.
Некоторые космические аппараты используют вращение для теплового контроля, чтобы не перегревать одну сторону, что может привести к поломкам. Международная космическая станция так не делает, в отличие от других аппаратов, которые равномерно прогреваются.
На видео ниже можно рассмотреть, как станция сохраняет свою ориентацию относительно Земли.
При межпланетных перелётах на первый план выступают моменты сил, создаваемые давлением солнечного света, и это давление может помогать аппарату поддерживать нужную ориентацию. Космические аппараты «Венера» и «Марс» использовали следующую схему ориентации: после того, как система управления придавала аппарату нужное положение относительно Солнца, корпусу сообщалось вращение вокруг собственной оси. Затем его движение вокруг центра масс происходило под действием двух эффектов: эффекта волчка и момента сил, создаваемого давлением солнечного света. Аппарат приобретал свойства флюгера. Такая сложная схема позволяла обеспечить постоянное направление солнечных батарей к Солнцу.
Космический аппарат «Венера-3»
Создание искусственной гравитации
Концепт Nautilus-X.
Приспособленный к жизни в условиях земного притяжения организм умудряется выжить и без него. И не только выжить, но и активно работать. Но это маленькое чудо обходится не без последствий. Опыт, накопленный за десятилетия полётов человека в космос, показал: человек испытывает в космосе много нагрузок, которые оставляют след на теле и психике.
На Земле наш организм борется с гравитацией, которая тянет кровь вниз. В космосе этоа борьба продолжается, но сила гравитации отсутствует. Поэтому космонавты одутловаты. Внутричерепное давление растёт, растёт давление на глаза. Это деформирует зрительный нерв и влияет на форму глазных яблок. Снижается содержание плазмы в крови, и из-за уменьшения количества крови, которую нужно качать, атрофируются мышцы сердца. Дефект костной массы значителен, кости становятся хрупкими.
Чтобы побороть эти эффекты, люди на орбите вынуждены ежедневно заниматься физическими тренировками. Поэтому создание искусственной силы тяжести считают желательным для долговременных космических путешествий. Такая технология должна создать физиологически естественные условия для обитания людей на борту аппарата. Еще Константин Циолковский считал, что искусственная гравитация поможет решить многие медицинские проблемы полёта человека в космос.
Сама идея основана на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции, который гласит: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное достаточно малое тело — гравитационная или сила инерции».
У такой технологии есть недостатки. В случае с аппаратом небольшого радиуса разная сила будет воздействовать на ноги и на голову — чем дальше от центра вращения, тем сильнее искусственная гравитация. Вторая проблема — сила Кориолиса, из-за воздействия которой человека будет укачивать при движении относительно направления вращения. Чтобы этого избежать, аппарат должен быть огромным. И третий важный вопрос связан со сложностью разработки и сборки такого аппарата. При создании такого механизма важно продумать, как сделать возможным постоянный доступ экипажа к отсекам с искусственной гравитацией и как заставить этот тор двигаться плавно.
В реальной жизни такую технологию для строительства космических кораблей ещё не использовали. Для МКС предлагали надувной модуль с искусственной гравитацией для демонстрации прототипа корабля Nautilus-X. Но модуль дорог и создавал бы значительные вибрации. Делать всю МКС с искусственной гравитацией с текущими ракетами трудноосуществимо — пришлось бы собирать всё на орбите по частям, что в разы усложнило бы размах операций. А ещё эта искусственная гравитация перечеркнула бы саму суть МКС как летающей микрогравитационной лаборатории.
Концепт надувного модуля с микрогравитацией для МКС.
Зато искусственная гравитация живёт в воображении фантастов. Корабль «Гермес» из фильма «Марсианин» имеет в центре вращающийся тор, который создаёт искусственную гравитацию для улучшения состояния экипажа и снижения воздействия невесомости на организм.
Национальное аэрокосмическое агентство США разработало шкалу уровней готовности технологии TRL из девяти уровней: с первого по шестой — развитие в рамках научно-исследовательских работ, с седьмого и выше — опытно-конструкторские работы и демонстрация работоспособности технологий. Технология из фильма «Марсианин» соответствует пока лишь третьему или четвёртому уровню.
В научно-фантастической литературе и фильмах есть много применений этой идеи. В серии романов Артура Кларка «Космическая Одиссея» описывался «Discovery One» в форме гантели, смысл которой — отделить ядерный реактор с двигателем от жилой зоны. Экватор сферы содержит в себе «карусель» диаметром 11 метров, вращающуюся со скоростью около пяти оборотов в минуту. Эта центрифуга создаёт уровень гравитации, равный лунному, что должно предотвращать физическую атрофию в условиях микрогравитации.
«Discovery One» из «Космической Одиссеи»
В аниме-сериале Planetes космическая станция ISPV-7 имеет огромные помещения с привычной земной гравитацией. Жилая зона и зона для растениеводства размещены в двух торах, вращающихся в разных направлениях.
Даже твёрдая фантастика игнорирует огромную стоимость такого решения. Энтузиасты взяли для примера корабль «Элизиум» из одноимённого фильма. Диаметр колеса – 16 километров. Масса — около миллиона тонн. Отправка грузов на орбиту стоит 2700 долларов за килограмм, SpaceX Falcon позволит сократить эту цифру до 1650 долларов за килограмм. Но придётся осуществить 18382 запуска, чтобы доставить такое количество материалов. Это 1 триллион 650 миллиардов американских долларов — почти сто годовых бюджетов НАСА.
До реальных поселений в космосе, где люди могут наслаждаться привычными 9,8 м/с² ускорения свободного падения, ещё далеко. Возможно, повторное использование частей ракет и космические лифты позволят приблизить такую эпоху.
Почему мы не чувствуем как вращается земля? Что представляли о планете и окружающем мире древние люди
При катании на американских горках аттракцион, вращение намного медленнее, но организм реагирует на изменение положения тошнотой.
Естественное вращение планеты вокруг собственной оси не влечет никаких видимых последствий для человеческого организма. У некоторых людей может возникнуть вопрос, почему мы не чувствуем вращения земли. Ответ на него заключается в том, что одновременно вращаются атмосфера, океаны.
Все это находится в единой системе, которая остается неподвижно относительно ее обитателей, но двигается относительно других небесных тел.
Вращение планеты — на что влияет?
Постоянное перемещение планеты вокруг собственной оси сопровождается такими явлениями как смена дня и ночи, смена времен года.
Один оборот вокруг собственной оси занимает календарный год. Вокруг солнца Земля оборачивается за 24 часа.
Вся человеческая жизнь поделена на эти временные промежутки. Вращение земли определяет периоды сна и бодрствования.
Следовательно нам позволяет поддерживать организм в тонусе. Любые отклонения, нарушения в режиме, могут вызывать негативные последствия для здоровья.
Вращение Земли вокруг оси оказывает с одной стороны определяющее воздействие на жизнь всех форм жизни, обитающих на планете.
Человек не замечает данное вращение на физическом уровне, не видит движение планеты.
История рассмотрения вопроса древними людьми
Представления о планете, окружающем мире у людей в разные эпохи менялись.
Древние люди не путешествовали, на протяжении веков не покидали своих мест, у них отсутствовали современные телескопы и другие изобретения.
В своих предположениях они опирались на зрение, собственное мышление. Люди вели достаточно простой образ жизни, что создавало предпосылки для примитивной картины мира.
- Индейцы полагали, что земля круглая, располагается на черепахи и слонах.
- Древние евреи представляли планету сплошной равниной, на окраинах которой допускалось наличие гор.
- Гомер в «Одиссее» и «Илиаде» описывает представления древних греков о Земле. Слегка выпуклый диск, окруженный со всех сторон Океаном, перемещается по небосводу из меди. На западе он спускается в океанскую пучину. Солнце поднимается из Океана с постоянной стороны, также перемещается по медному небосклону.
- Пифагор первым высказал предположение о том, что Земля имеет форму шара. Первый путешественник, совершивший кругосветное плавание, Фернан Магеллан подтвердил его гипотезу.
Факт вращение планеты вокруг собственной оси и вокруг Солнца был доказан значительно позднее. Средневековые ученые и астрономы Коперник, Галилей занималась доказательством этого неопровержимого факта, за что им приходилось претерпевать гонения церкви.
Другие ученые также занимались исследование данного вопроса, сегодня вращение Земли никто уже не оспаривает. Об этом знают даже дети.
Снимки из Космоса, видеоролики позволяют убедиться в наличии вращения Земли по орбите собственными глазами.
Почему мы не чувствуем вращения
Другой вопрос, почему люди не ощущают это движение. Вода остается на поверхности, люди не падают, никак не ощущают свое перемещение в пространстве.
Ответит на вопрос поможет теория относительности. Существуют разные системы отсчета, физические законы в которых сохраняются в рамках одной системы координаты. Перемещение в пространстве рассматривается по-другому при переходе в другую систему отсчета.
Вращение Земли можно сравнить с ездой на поезде, когда движение практически не ощущается. Земля и поезд, как известно, используются в качестве систем отсчета в физике. Находящийся в движущемся вагоне пассажир имеет одну систему отсчета, стоящий на станции человек — другую.
Стоящие на перроне человек наблюдает неподвижную платформу и отправляющийся от станции поезд. Находящийся внутри поезда пассажир неподвижен, в движении находится окружающий его мир. Находящиеся в поезде и на перроне люди остаются на месте. В первом случае двигается мир, во втором — поезд.
Вращение Земли воспринимается также, единственное отличие заключается в масштабах явления. Находящиеся внутри системы отсчета планеты люди пребывают в неподвижности, когда стоят на поверхности земли.
Живые организмы не чувствуют вращения земного шара. Вращение планеты заметно только при рассмотрении ее из космоса.
Люди находятся в состоянии едущих в поезде пассажиров. Признаки перемещения в пространстве отсутствуют. Атмосфера Земли перемещается с той же скоростью, что и люди. Движение планеты не влияет на ее обитателей.
Между ездой в поезде и «путешествием» на планете существует определенное отличие. Изменение скорости движения поезда сопровождается кратковременным силовым воздействием на тело человека.
Сила рассчитывается просто — массу тела необходимо умножить на ускорение. При нулевом ускорении, когда поезд перемещается с неизменной скоростью, ускорение равняется нулю, сила также отсутствует.
При ускорении или замедлении движения ускорение меняется, на тело начинается действовать сила. Данное физическое явление проявляется особенно заметно при попытках встать или сесть в период изменения скорости движения поезда. При резком торможении тело сидящего человека также может заметно наклоняться.
Поезда меняют скорость часто, поэтому сила воздействия на тело особенно заметна. Земля двигается с одинаковой скоростью постоянно.
Любые изменения скорости ее вращения по орбите также отражались бы на людях. О том, что планета меняет свое местоположение свидетельствуют смена дня и ночи, перемещение Солнца и Луны, других небесных тел.
Вращение планеты вызывает силу Кориолиса, пол ее воздействием возникают инерционные движения влево в южном полушарии и вправо в северном полушарии.
Эффекты центробежной силы
При следовании круговому движению планеты к телу (человека) должна прилагаться сила. В противном случае под воздействием инерции тело перемещалось быть по прямой линии.
Речь в данном случае ведется о силе тяжести, которая может быть рассмотрена как следующие понятия:
- сила тяжести (отвечающая за ускорение 9,81 м/с2), она возникает под воздействием массы Земли, притягивает все расположенные на поверхности планеты тела к ее центру;
- центробежная сила (отвечает за ускорение 0,02 м/с2), возникает под воздействием вращения Земли и стремится вытолкнуть предметы с ее поверхности.
Центробежный эффект слабее силы тяжести (0,02 м/с меньше 9, 81 м/с), именно поэтому люди не чувствуют, как вращается Земля.
Небесная сфера: понятие, элементы, отвесная линия, суточное вращение, системы координат
Из статьи вы узнаете: что такое небесная сфера, как она устроена, что такое отвесная линия и какие понятия с ней связаны, как происходит суточное вращение и какие сферические системы координат существуют. А также, как меняется вид звездного неба в зависимости от времени года, суток и места вашего расположения.
Что такое небесная сфера
Долгое время люди считали Землю плоским диском, и что все небесные тела вращаются вокруг него по небесному куполу. Времена невежества давно прошли, а с полетом в космос не осталось никаких сомнений, что земля имеет форму шара. Но понятие купола трансформировалось в термин “небесная сфера”.
Небесная сфера – это шар неограниченного размера, на него спроецированы все видимые звезды. В центре находится наблюдатель, от которого и строится вся сфера вне зависимости от того, находится ли он на Земле или на борту космической станции. Такая проекция призвана упрощать решение астрономических задач.
Каждый элемент в космосе спроецирован на небесной сфере земли. Зачастую астрономы используют разные координатные системы для решения разных задач, но все они схожи. Наука, изучающая расположение звезд на сфере носит название сферической астрономии и включает в себя особые виды механики и тригонометрии, которые были разработаны специально для работы с поверхностью шара, а не плоскостями, как большинство тригонометрических наук.
Элементы небесной сферы
Небесная сфера включает в себя не только расположение всех светил, но и многие ориентиры, с помощью которых ученые могут четко определять, измерять и прогнозировать движение звезд. Важно понимать, что в большинстве расчетов сфера представляет собой лишь чертеж, на котором обозначены многие условные обозначения, рассмотренные ниже.
Отвесная линия и связанные с ней понятия
Для того чтобы ориентироваться по небесной сфере, на ней существует собственная координатная сетка, но вместо осей ординат и абсцисс на ней есть круги высот и альмукантараты.
Суточное вращение небесной сферы и связанные с ним понятия
Вместе круги светил и суточные параллели образуют еще одну систему координат, называемую экваториальной.
Термины, связанные с понятием “Отвесная линия” и “Вращение небесной сферы”
Так как небесный экватор и истинный горизонт – это два круга, у них есть всего 2 точки пересечения. Они называются точками запада и востока. Небесные светила всегда восходят из-за горизонта возле точки востока, а заходят возле точки запада.
Годовое движение Солнца по небесной сфере
Солнце движется на небесной сфере по определенной траектории, называемой эклиптикой. Она образует круг, который отклонен от небесного экватора на 23 градуса.
В точках равноденствия эклиптика пересекает небесный экватор. Они называются точками весеннего и осеннего равноденствия, так как через них солнце переходит из северного полушария в южное и наоборот. Обе точки равноденствия соединены прямой, проходящей через центр сферы, называемой линией равноденствия.
Если провести от центра линии равноденствия прямую, перпендикулярную плоскости небесного экватора, то она отметит на небесной сфере еще две важные точки – летнего и зимнего солнцестояния.
Чаще всего на схемах и моделях точки равноденствия и солнцестояния обозначаются зодиакальными символами, которые соответствовали созвездиям, в которых размещены отметки на сфере:
- Весеннее равноденствие – Овен;
- Осеннее равноденствие – Весы;
- Зимнее солнцестояние – Козерог;
- Летнее солнцестояние – Рак
Сферические системы координат
На поверхности небесной сферы проблематично пользоваться классической трехмерной системой координат. Для этого была разработана специальная система небесных координат, с помощью которой астрономы могут фиксировать и описывать положение всех наблюдаемых небесных тел. Две первичные координаты определяются двумя дугами, а третья (расстояние до объекта) часто может быть неизвестна.
Известно, что сферические системы начали применяться еще около 2500 лет назад. Первым описал поведение геометрических фигур и их взаимодействие на поверхности шара Евклид. В последствии его труды стали использоваться физиками и астрономами по всему миру и получили название “Евклидова геометрия”.
Горизонтальная система координат
Чаще всего используется, когда центр небесной сферы находится на поверхности земли для определения положения какого-либо тела на небе. Для получения координат не требуется сложных расчетов и они могут быть получены при помощи простого телескопа на азимутальной установке. Благодаря своей простоте и распространенности, используется большинством астрономических программ для записи положений звезд.
Согласно этой координатной системе, точка отсчета находится в центре небесной сферы и в качестве основной использует плоскость истинного горизонта. Первая координата обычно определяется либо по высоте необходимой точки, либо по ее зенитному расстоянию. Вторая координата определяется азимутом.
Разберем эти термины подробнее:
- Высота (h) – это дуга, проведенная под прямым углом от точки пересечения горизонта с небесной сферой до светила. Единица измерения – угол между отрезками от светила до центра сферы и от центра сферы до точки пересечения линии высоты с горизонтом. Измеряется в градусах от 90 до -90.
- Зенитное расстояние (z) может быть измерено несколькими способами. Во-первых, как угол между отвесной линией и точкой пересечения небесной сферы с радиусом, соединяющим светило и центр сферы. Во-вторых как расстояние от зенита до светила. Также, как и высота измеряется в градусах, но в диапазоне от 0 до 180, где 0 – это точка зенита, а 180 – надира.
- Азимут (А) – это угол дуги, проведенной от южной точки до круга светила. Отсчитывается азимут всегда к западу и измеряется в диапазоне от 0 до 360 градусов, но в некоторых научных документах можно встретить и диапазон от 180 до -180. Не стоит путать астрономический азимут с навигационным, так как последний отсчитывается по направлению к северу.
Координаты светил на небесной сфере постоянно изменяются как вследствие вращения самой сферы, так и из-за причин от нее не зависящих. Так, например, приведенные выше измерения меняются естественно, в результате суточного вращения, но такие показатели, как, например, склонение, или прямое восхождение остаются постоянными вне зависимости от вращения сферы. Они могут меняться лишь под воздействием внешних сил.
Экваториальная система координат № 1
Для использования этой системы требуется специальная установка с телескопом, называемая экваториальной. Наиболее распространено ее применение для определения точного времени движения небесных тел.