Человечество издревле задумывалось о том, как устроен окружающий мир. Почему растет трава, почему светит Солнце, почему мы не можем летать… Последнее, кстати, всегда особенно интересовало людей. Сейчас мы знаем, что причина всему - гравитация. Что это такое, и почему данное явление настолько важно в масштабах Вселенной, мы сегодня и рассмотрим.
Вводная часть
Ученые выяснили, что все массивные тела испытывают взаимное притяжение друг к другу. Впоследствии оказалось, что эта таинственная сила обуславливает и движение небесных тел по их постоянным орбитам. Саму же теорию гравитации сформулировал гениальный чьи гипотезы предопределили развитие физики на много веков вперед. Развил и продолжил (хотя и в совершенно другом направлении) это учение Альберт Эйнштейн - один из величайших умов минувшего века.
На протяжении столетий ученые наблюдали за притяжением, пытались понять и измерить его. Наконец, в последние несколько десятилетий поставлено на службу человечеству (в определенном смысле, конечно же) даже такое явление, как гравитация. Что это такое, каково определение рассматриваемого термина в современной науке?
Научное определение
Если изучить труды древних мыслителей, то можно выяснить, что латинское слово «gravitas» означает «тяжесть», «притяжение». Сегодня ученые так называют универсальное и постоянное взаимодействие между материальными телами. Если эта сила сравнительно слабая и действует только на объекты, которые движутся значительно медленнее то к ним применима теория Ньютона. Если же дело обстоит наоборот, следует пользоваться эйнштейновскими выводами.
Сразу оговоримся: в настоящее время сама природа гравитации до конца не изучена в принципе. Что это такое, мы все еще полностью не представляем.
Теории Ньютона и Эйнштейна
Согласно классическому учению Исаака Ньютона, все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массе, обратно пропорциональной квадрату того расстояния, которое пролегает между ними. Эйнштейн же утверждал, что тяготение между объектами проявляется в случае искривления пространства и времени (а кривизна пространства возможна только в том случае, если в нем имеется материя).
Мысль эта была очень глубокой, но современные исследования доказывают ее некоторую неточность. Сегодня считается, что гравитация в космосе искривляет только лишь пространство: время можно затормозить и даже остановить, но реальность изменения формы временной материи теоретически не подтверждена. А потому классическое уравнение Эйнштейна не предусматривает даже шанса на то, что пространство будет продолжать влиять на материю и на возникающее магнитное поле.
В большей степени известен закон гравитации (всемирного тяготения), математическое выражение которого принадлежит как раз-таки Ньютону:
\[ F = γ \frac[-1.2]{m_1 m_2}{r^2} \]
Под γ понимается гравитационная постоянная (иногда используется символ G), значение которой равно 6,67545×10−11 м³/(кг·с²).
Взаимодействие между элементарными частицами
Невероятная сложность окружающего нас пространства во многом связана с бесконечным множеством элементарных частиц. Между ними также существуют различные взаимодействия на тех уровнях, о которых мы можем только догадываться. Впрочем, все виды взаимодействия элементарных частиц между собой значительно различаются по своей силе.
Самые мощные из всех известных нам сил связывают между собой компоненты атомного ядра. Чтобы разъединить их, нужно потратить поистине колоссальное количество энергии. Что же касается электронов, то они «привязаны» к ядру только лишь обыкновенным Чтобы его прекратить, порой достаточно той энергии, которая появляется в результате самой обычной химической реакции. Гравитация (что это такое, вы уже знаете) в варианте атомов и субатомных частиц является наиболее легкой разновидностью взаимодействия.
Гравитационное поле в этом случае настолько слабо, что его трудно себе представить. Как ни странно, но за движением небесных тел, чью массу порой невозможно себе вообразить, «следят» именно они. Все это возможно благодаря двум особенностям тяготения, которые особенно ярко проявляются в случае больших физических тел:
- В отличие от атомных более ощутимо на удалении от объекта. Так, гравитация Земли удерживает в своем поле даже Луну, а аналогичная сила Юпитера с легкостью поддерживает орбиты сразу нескольких спутников, масса каждого из которых вполне сопоставима с земной!
- Кроме того, оно всегда обеспечивает притяжение между объектами, причем с расстоянием эта сила ослабевает с небольшой скоростью.
Формирование более-менее стройной теории гравитации произошло сравнительно недавно, и именно по результатам многовековых наблюдений за движением планет и прочими небесными телами. Задача существенно облегчалась тем, что все они движутся в вакууме, где просто нет других вероятных взаимодействий. Галилей и Кеплер - два выдающихся астронома того времени, своими ценнейшими наблюдениями помогли подготовить почву для новых открытий.
Но только великий Исаак Ньютон смог создать первую теорию гравитации и выразить ее в математическом отображении. Это был первый закон гравитации, математическое отображение которого представлено выше.
Выводы Ньютона и некоторых его предшественников
В отличие от прочих физических явлений, которые существуют в окружающем нас мире, гравитация проявляется всегда и везде. Нужно понимать, что термин «нулевая гравитация», который нередко встречается в околонаучных кругах, крайне некорректен: даже невесомость в космосе не означает, что на человека или космический корабль не действует притяжение какого-то массивного объекта.
Кроме того, все материальные тела обладают некой массой, выражающейся в виде силы, которая к ним была приложена, и ускорения, полученного за счет этого воздействия.
Таким образом, силы гравитации пропорциональны массе объектов. В числовом отношении их можно выразить, получив произведение масс обоих рассматриваемых тел. Данная сила строго подчиняется обратной зависимости от квадрата расстояния между объектами. Все прочие взаимодействия совершенно иначе зависят от расстояний между двумя телами.
Масса как краеугольный камень теории
Масса объектов стала особым спорным пунктом, вокруг которого выстроена вся современная теория гравитации и относительности Эйнштейна. Если вы помните Второй то наверняка знаете о том, что масса является обязательной характеристикой любого физического материального тела. Она показывает, как будет вести себя объект в случае применения к нему силы вне зависимости от ее происхождения.
Так как все тела (согласно Ньютону) при воздействии на них внешней силы ускоряются, именно масса определяет, насколько большим будет это ускорение. Рассмотрим более понятный пример. Представьте себе самокат и автобус: если прикладывать к ним совершенно одинаковую силу, то они достигнут разной скорости за неодинаковое время. Все это объясняет именно теория гравитации.
Каково взаимоотношение массы и притяжения?
Если говорить о тяготении, то масса в этом явлении играет роль совершенно противоположную той, которую она играет в отношении силы и ускорения объекта. Именно она является первоисточником самого притяжения. Если вы возьмете два тела и посмотрите, с какой силой они притягивают третий объект, который расположен на равных расстояниях от первых двух, то отношение всех сил будет равно отношению масс первых двух объектов. Таким образом, сила притяжения прямо пропорциональна массе тела.
Если рассмотреть Третий закон Ньютона, то можно убедиться, что он говорит точно о том же. Сила гравитации, которая действует на два тела, расположенных на равном расстоянии от источника притяжения, прямо зависит от массы данных объектов. В повседневной жизни мы говорим о силе, с которой тело притягивается к поверхности планеты, как о его весе.
Подведем некоторые итоги. Итак, масса тесно связана и ускорением. В то же время именно она определяет ту силу, с которой будет действовать на тело притяжение.
Особенности ускорения тел в гравитационном поле
Эта удивительная двойственность является причиной того, что в одинаковом гравитационном поле ускорение совершенно различных объектов будет равным. Предположим, что у нас есть два тела. Присвоим одному из них массу z, а другому - Z. Оба объекта сброшены на землю, куда свободно падают.
Как определяется отношение сил притяжения? Его показывает простейшая математическая формула - z/Z. Вот только ускорение, получаемое ими в результате действия силы притяжения, будет абсолютно одинаковым. Проще говоря, ускорение, которое тело имеет в гравитационном поле, никак не зависит от его свойств.
От чего зависит ускорение в описанном случае?
Оно зависит только (!) от массы объектов, которые и создают это поле, а также от их пространственного положения. Двойственная роль массы и равное ускорение различных тел в гравитационном поле открыты уже относительно давно. Эти явления получили следующее название: «Принцип эквивалентности». Указанный термин еще раз подчеркивает, что ускорение и инерция зачастую эквивалентны (в известной мере, конечно же).
О важности величины G
Из школьного курса физики мы помним, что ускорение свободного падения на поверхности нашей планеты (гравитация Земли) равно 10 м/сек.² (9,8 разумеется, но для простоты расчетов используется это значение). Таким образом, если не принимать в расчет сопротивление воздуха (на существенной высоте при небольшом расстоянии падения), то получится эффект, когда тело приобретает приращение ускорения в 10 м/сек. ежесекундно. Так, книга, которая упала со второго этажа дома, к концу своего полета будет двигаться со скоростью 30-40 м/сек. Проще говоря, 10 м/с - это «скорость» гравитации в пределах Земли.
Ускорение свободного падения в физической литературе обозначается буквой «g». Так как форма Земли в известной степени больше напоминает мандарин, чем шар, значение этой величины далеко не во всех ее областях оказывается одинаковым. Так, у полюсов ускорение выше, а на вершинах высоких гор оно становится меньше.
Даже в добывающей промышленности не последнюю роль играет именно гравитация. Физика этого явления порой позволяет сэкономить много времени. Так, геологи особенно заинтересованы в идеально точном определении g, поскольку это позволяет с исключительной точностью производить разведку и нахождение залежей полезных ископаемых. Кстати, а как выглядит формула гравитации, в которой рассмотренная нами величина играет не последнюю роль? Вот она:
Обратите внимание! В этом случае формула гравитации подразумевает под G «гравитационную постоянную», значение которой мы уже приводили выше.
В свое время Ньютон сформулировал вышеизложенные принципы. Он прекрасно понимал и единство, и всеобщность но все аспекты этого явления он описать не мог. Эта честь выпала на долю Альберта Эйнштейна, который смог объяснить также принцип эквивалентности. Именно ему человечество обязано современным пониманием самой природы пространственно-временного континуума.
Теория относительности, работы Альберта Эйнштейна
Во времена Исаака Ньютона считалось, что точки отсчета можно представить в виде каких-то жестких «стержней», при помощи которых устанавливается положение тела в пространственной системе координат. Одновременно предполагалось, что все наблюдатели, которые отмечают эти координаты, будут находиться в едином временном пространстве. В те годы это положение считалось настолько очевидным, что не делалось никаких попыток его оспорить или дополнить. И это понятно, ведь в пределах нашей планеты никаких отклонений в данном правиле нет.
Эйнштейн доказал, что точность измерения окажется действительно значимой, если гипотетические часы движутся значительно медленнее скорости света. Проще говоря, если один наблюдатель, движущийся медленнее скорости света, будет следить за двумя событиями, то они произойдут для него единовременно. Соответственно, для второго наблюдателя? скорость которого такая же или больше, события могут происходить в различное время.
Но как сила гравитации связана с теорией относительности? Раскроем этот вопрос подробно.
Связь между теорией относительности и гравитационными силами
В последние годы сделано огромное количество открытий в области субатомных частиц. Крепнет убеждение, что мы вот-вот найдем окончательную частицу, дальше которой наш мир дробиться не может. Тем настойчивее становится потребность узнать, как именно влияют на мельчайшие «кирпичики» нашего мироздания те фундаментальные силы, которые были открыты еще в прошлом веке, а то и раньше. Особенно обидно, что сама природа гравитации до сих пор не объяснена.
Именно поэтому после Эйнштейна, который установил «недееспособность» классической механики Ньютона в рассматриваемой области, исследователи сосредоточились на полном переосмыслении полученных ранее данных. Во многом пересмотру подверглась и сама гравитация. Что это такое на уровне субатомных частиц? Имеет ли она хоть какое-то значение в этом удивительном многомерном мире?
Простое решение?
Сперва многие предполагали, что несоответствие тяготения Ньютона и теории относительности можно объяснить довольно просто, проведя аналогии из области электродинамики. Можно бы было предположить, что гравитационное поле распространяется наподобие магнитного, после чего его можно объявить «посредником» при взаимодействиях небесных тел, объяснив многие несоответствия старой и новой теории. Дело в том, что тогда бы относительные скорости распространения рассматриваемых сил оказались значительно ниже световой. Так как связаны гравитация и время?
В принципе, у самого Эйнштейна почти получилось построить релятивистскую теорию на основе именно таких взглядов, вот только одно обстоятельство помешало его намерению. Никто из ученых того времени не располагал вообще никакими сведениями, которые бы могли бы помочь определить «скорость» гравитации. Зато имелось немало информации, связанной с перемещениями больших масс. Как известно, они как раз-таки являлись общепризнанным источником возникновения мощных гравитационных полей.
Большие скорости сильно влияют на массы тел, и это ничуть не похоже на взаимодействие скорости и заряда. Чем скорость выше, тем больше масса тела. Проблема в том, что последнее значение автоматически бы стало бесконечным в случае движения со скоростью света или выше. А потому Эйнштейн заключил, что существует не гравитационное, а тензорное поле, для описания которого следует использовать намного больше переменных.
Его последователи пришли к выводу, что гравитация и время практически не связаны. Дело в том, что само это тензорное поле может действовать на пространство, но на время повлиять не в состоянии. Впрочем, у гениального физика современности Стивена Хокинга есть другая точка зрения. Но это уже совсем другая история...
Гравитация - самая таинственная сила во Вселенной. Ученые не знают до конца ее природы. Именно она удерживает на орбитах планеты Солнечной системы. Это сила, возникающая между двумя объектами и зависящая от массы и расстояния.
Гравитацию называют силой притяжения или тяготения. С помощью нее планета или другое тело тянет объекты к своему центру. Сила тяжести удерживает планеты на орбите вокруг Солнца.
Что еще делает гравитация?
Почему вы приземляетесь на землю, когда вскакиваете, а не уплываете в космос? Почему предметы падают, когда вы их бросаете? Ответ — невидимая сила тяжести, которая тянет объекты друг к другу. Земная гравитация — это то, что держит вас на земле и заставляет вещи падать.
Все, что имеет массу, имеет гравитацию. Мощь гравитации зависит от двух факторов: массы предметов и расстояния между ними. Если взять в руки камень и перо, с одинаковой высоты отпустить их, оба предмета упадут на землю. Тяжелый камень упадет быстрее пера. Перо еще повисит в воздухе, потому что оно легче. Объекты с большей массой имеют большую силу притяжения, которая становится слабее с расстоянием: чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их гравитационное тяготение.
Гравитация на Земле и во Вселенной
Во время полета самолета люди в нем остаются на местах и могут передвигаться как на земле. Так происходит из-за траектории полета. Существует специально разработанные самолеты, в которых на определенной высоте отсутствует гравитация, образуется невесомость. Самолет выполняет специальный маневр, масса предметов меняется, они ненадолго поднимаются в воздух. Через несколько секунд гравитационное поле восстанавливается.
Рассматривая силу гравитации в Космосе, у земного шара она больше большинства планет. Достаточно посмотреть движение космонавтов при высадке на планеты. Если по земле мы ходим спокойно, то там космонавты как бы парят в воздухе, но не улетают в космос. Это значит, что у данной планеты тоже есть сила тяготения, просто несколько иная, чем у планеты Земля.
Сила притяжения Солнца настолько велика, что удерживает девять планет, многочисленные спутники, астероиды и планеты.
Гравитация играет важнейшую роль в развитии Вселенной. При отсутствии силы тяготения, не было бы звезд, планет, астероидов, черных дыр, галактик. Интересно, что черных дыр на самом деле не видно. Ученые определяют признаки черной дыры по степени мощности гравитационного поля в определенной области. Если оно очень сильное с сильнейшим колебанием, это говорит о существовании черной дыры.
Миф 1. В космосе отсутствует гравитация
Просматривая документальные фильмы о космонавтах, кажется, что они парят над поверхностью планет. Так происходит из-за того, что на других планетах гравитация ниже, чем на Земле, поэтому космонавты идут как бы паря в воздухе.
Миф 2. Все приближающиеся к черной дыре тела разрываются
Черные дыры обладают мощной силой и образуют мощные гравитационные поля. Чем ближе объект к черной дыре, тем сильнее становятся приливные силы и мощность притяжения. Дальнейшее развитие событий зависит от массы объекта, размера черной дыры и расстояния между ними. Черная дыра имеет массу прямо противоположную ее размеру. Интересно, что чем больше размер дыры, тем слабее приливные силы и наоборот. Таким образом, не все объекты разрываются при попадании в поле черной дыры.
Миф 3. Искусственные спутники могут обращаться вокруг Земли вечно
Теоретически можно так сказать, если бы не влияние второстепенных факторов. Многое зависит от орбиты. На низкой орбите спутник вечно летать не сможет из-за атмосферного торможения, на высоких орбитах он может находиться в неизменном состоянии довольно долго, но здесь вступают в силу гравитационные силы других объектов.
Если бы из всех планет существовала только Земля, спутник притягивался бы к ней и практически не менял траекторию движения. Но на высоких орбитах объект окружает множество планет, больших и малых, каждая со своей силой тяготения.
В этом случае спутник бы постепенно отходил от своей орбиты и двигался хаотично. И, вполне вероятно, что по прошествии какого-то времени, он рухнул бы на ближайшую поверхность или перешел на другую орбиту.
Некоторые факты
- В некоторых уголках Земли сила гравитации имеет более слабую силу, чем на всей планете. Например, в Канаде, в районе Гудзонова залива сила притяжения ниже.
- Когда космонавты возвращаются из космоса на нашу планету, в самом начале им сложно приспособиться к гравитационной силе земного шара. Иногда это занимает несколько месяцев.
- Самой мощной силой гравитации среди космических объектов обладают черные дыры. Одна черная дыра размером с мячик имеет силу больше, чем любая планета.
Несмотря на непрекращающееся изучение силы притяжения, гравитация остается нераскрытой. Это означает, что научные знания остаются ограниченными и человечеству предстоит познать много нового.
Даже человек, не интересующийся космосом, хоть раз видел фильм о космических путешествиях или читал о таких вещах в книгах. Практически во всех подобных произведениях люди ходят по кораблю, нормально спят, не испытывают проблем с приемом пищи. Это означает, что на этих - выдуманных - кораблях имеется искусственная гравитация. Большинство зрителей воспринимает это как нечто совершенно естественное, а ведь это совсем не так.
Искусственная гравитация
Так называют изменение (в любую сторону) привычной для нас гравитации путем применения различных способов. И делается это не только в фантастических произведениях, но и во вполне реальных земных ситуациях, чаще всего, для экспериментов.
В теории создание искусственной гравитации выглядит не так сложно. К примеру, воссоздать ее можно при помощи инерции, точнее, Потребность в этой силе возникла не вчера - произошло это сразу, как только человек начал мечтать о длительных космических перелетах. Создание искусственной гравитации в космосе даст возможность избежать множества проблем, возникающих при продолжительном нахождении в невесомости. У космонавтов слабеют мускулы, кости становятся менее прочными. Путешествуя в таких условиях месяцы, можно получить атрофию некоторых мышц.
Таким образом, на сегодняшний день создание искусственной гравитации - задача первостепенной важности, без этого умения просто невозможно.
Матчасть
Даже те, кто знают физику лишь на уровне школьной программы, понимают, что гравитация - один из фундаментальных законов нашего мира: все тела взаимодействуют друг с другом, испытывая взаимное притяжение/отталкивание. Чем больше тело, тем выше его сила притяжения.
Земля для нашей реальности - объект очень массивный. Именно поэтому все без исключения тела вокруг к ней притягиваются.
Для нас это означает которое принято измерять в g, равное 9.8 метра за квадратную секунду. Это значит, что если бы под ногами у нас не было опоры, мы бы падали со скоростью, ежесекундно увеличивающейся на 9.8 метра.
Таким образом, только благодаря гравитации мы способны стоять, падать, нормально есть и пить, понимать, где находится верх, где низ. Если притяжение исчезнет - мы окажемся в невесомости.
Особенно хорошо знакомы с этим феноменом космонавты, оказывающиеся в космосе в состоянии парения - свободного падения.
Теоретически ученые знают, как создать искусственную гравитацию. Существует несколько методик.
Большая масса
Самый логичный вариант - сделать настолько большим, чтобы на нем возникала искусственная гравитация. На корабле можно будет чувствовать себя комфортно, поскольку не будет потеряна ориентация в пространстве.
К сожалению, этот способ при современном развитии технологий нереален. Чтобы соорудить такой объект, требуется слишком много ресурсов. Кроме того, для его подъема потребуется невероятное количество энергии.
Ускорение
Казалось бы, если требуется достичь g, равного земному, нужно всего лишь придать кораблю плоскую (платформообразную) форму, и заставить его двигаться по перпендикуляру к плоскости с нужным ускорением. Таким путем будет получена искусственная гравитация, причем - идеальная.
Однако в реальности все гораздо сложнее.
В первую очередь стоит учесть топливный вопрос. Для того чтобы станция постоянно ускорялась, необходимо иметь бесперебойный источник питания. Даже если внезапно появится двигатель, не выбрасывающий материю, закон сохранения энергии останется в силе.
Вторая проблема заключается в самой идее постоянного ускорения. Согласно нашим знаниям и физическим законам, невозможно ускоряться до бесконечности.
Кроме того, такой транспорт не подходит для исследовательских миссий, поскольку он должен постоянно ускоряться - лететь. Он не сможет остановиться для изучения планеты, он даже медленно пролететь вокруг нее не сможет - надо ускоряться.
Таким образом, становится ясно, что и такая искусственная гравитация нам пока недоступна.
Карусель
Каждый знает, как вращение карусели воздействует на тело. Поэтому устройство искусственной гравитации по этому принципу кажется наиболее реальным.
Все, что находится в диаметре карусели, стремится выпасть из нее со скоростью, примерно равной скорости вращения. Выходит, что на тела действует сила, направленная вдоль радиуса вращающегося объекта. Это очень похоже на гравитацию.
Итак, требуется корабль, имеющий цилиндрическую форму. При этом он должен вращаться вокруг своей оси. Между прочим, искусственная гравитация на космическом корабле, созданная по этому принципу, достаточно часто демонстрируется в научно-фантастических фильмах.
Бочкообразный корабль, вращаясь вокруг продольной оси, создает центробежную силу, направление которой соответствует радиусу объекта. Чтобы вычислить получаемое ускорение, требуется разделить силу на массу.
В этой формуле результат расчетов - ускорение, первая переменная - узловая скорость (измеряется в количестве радиан в секунду), вторая - радиус.
Согласно этому, для получения привычной нам g, необходимо грамотно сочетать и радиус космического транспорта.
Подобная проблема освещена в таких фильмах, как «Интерсолах», «Вавилон 5», «2001 год: Космическая одиссея» и подобных им. Во всех этих случаях искусственная гравитация приближена к земному ускорению свободного падения.
Как бы ни была хороша идея, реализовать ее достаточно сложно.
Проблемы метода «карусель»
Самая очевидная проблема освещена в «Космической одиссее». Радиус «космического перевозчика» составляет порядка 8 метров. Для того чтобы получить ускорение в 9.8, вращение должно происходить со скоростью, примерно, 10.5 оборота ежеминутно.
При указанных величинах проявляется «эффект Кориолиса», который заключается в том, что на различном удалении от пола действует разная сила. Она напрямую зависит от угловой скорости.
Выходит, искусственная гравитация в космосе создана будет, однако слишком быстрое вращение корпуса приведет к проблемам с внутренним ухом. Это, в свою очередь, вызывает нарушения равновесия, проблемы с вестибулярным аппаратом и прочие - аналогичные - трудности.
Возникновение этой преграды говорит о том, что подобная модель крайне неудачная.
Можно попробовать пойти от обратного, как поступили в романе «Мир-Кольцо». Тут корабль выполнен в форме кольца, радиус которого приближен к радиусу нашей орбиты (порядка 150 млн км). При таком размере скорости его вращения вполне достаточно, чтобы игнорировать эффект Кориолиса.
Можно предположить, что проблема решена, однако это совсем не так. Дело в том, что полный оборот этой конструкции вокруг своей оси занимает 9 дней. Это дает возможность предположить, что нагрузки окажутся слишком велики. Для того чтобы конструкция их выдержала, необходим очень крепкий материал, которым на сегодняшний день мы не располагаем. Кроме того, проблемой является количество материала и непосредственно процесс постройки.
В играх подобной тематики, как и в фильме «Вавилон 5», эти проблемы каким-то образом решены: вполне достаточна скорость вращения, эффект Кориолиса не существенен, гипотетически создать такой корабль возможно.
Однако даже такие миры имеют недостаток. Зовут его - момент импульса.
Корабль, вращаясь вокруг оси, превращается в огромный гироскоп. Как известно, заставить гироскоп отклониться от оси крайне сложно благодаря Важно, чтобы его количество не покидало систему. Это означает, что задать направление этому объекту будет очень сложно. Однако такую проблему решить можно.
Решение проблемы
Искусственная гравитация на космической станции становится доступной, когда на помощь приходит «цилиндр О’Нила». Для создания этой конструкции необходимы одинаковые цилиндрические корабли, которые соединяют вдоль оси. Вращаться они должны в разные стороны. Результатом такой сборки является нулевой момент импульса, поэтому не должно возникнуть трудностей с приданием кораблю необходимого направления.
Если возможно сделать корабль радиусом порядка 500 метров, то он будет работать именно так, как и должен. При этом искусственная гравитация в космосе будет вполне комфортной и пригодной для длительных перелетов на кораблях или исследовательских станциях.
Space Engineers
Как создать искусственную гравитацию, известно создателям игры. Впрочем, в этом фантастическом мире гравитация - это не взаимное притяжение тел, но линейная сила, призванная ускорить предметы в заданном направлении. Притяжение тут не абсолютно, оно изменяется при перенаправлении источника.
Искусственная гравитация на космической станции создается путем использования специального генератора. Она равномерна и равнонаправленна в зоне действия генератора. Так, в реальном мире, попав под корабль, в котором установлен генератор, вы бы были притянуты к корпусу. Однако в игре герой будет падать до тех пор, пока не покинет периметр действия устройства.
На сегодняшний день искусственная гравитация в космосе, созданная таким устройством, для человечества недоступна. Однако даже убеленные сединами разработчики не перестают мечтать о ней.
Сферический генератор
Это более реалистичный вариант оборудования. При его установке гравитация имеет направление к генератору. Это дает возможность создать станцию, гравитация которой будет равна планетарной.
Центрифуга
Сегодня искусственная гравитация на Земле встречается в различных устройствах. Основаны они, большей частью, на инерции, поскольку эта сила ощущается нами аналогично гравитационному воздействию - организм не различает, какая причина вызывает ускорение. Как пример: человек, поднимающийся в лифте, испытывает на себе воздействие инерции. Глазами физика: подъем лифта добавляет к ускорению свободного падения ускорение кабины. При возвращении кабины к размеренному движению «прибавка» в весе исчезает, возвращая привычные ощущения.
Ученых давно интересует искусственная гравитация. Центрифуга используется для этих целей чаще всего. Этот метод подходит не только для космических кораблей, но и для наземных станций, в которых требуется изучать воздействие гравитации на человеческий организм.
Изучить на Земле, применять в…
Хотя изучение гравитации началось из космоса, это очень земная наука. Даже на сегодняшний день достижения в этой сфере нашли свое применение, например, в медицине. Зная, возможно ли создать искусственную гравитацию на планете, можно использовать ее для лечения проблем с двигательным аппаратом или нервной системы. Более того, изучением этой силы занимаются прежде всего на Земле. Это дает возможность космонавтам проводить эксперименты, оставаясь под пристальным вниманием врачей. Другое дело искусственная гравитация в космосе, там нет людей, способных помочь космонавтам при возникновении непредвиденной ситуации.
Имея в виду полную невесомость, нельзя брать в расчет спутник, находящийся на околоземной орбите. На эти объекты, пусть и в малой степени, воздействует земное притяжение. Силу тяжести, образующуюся в таких случаях, называют микрогравитацией. Реальную гравитацию испытывают только в аппарате, летящем с постоянной скоростью в открытом космосе. Впрочем, человеческий организм эту разницу не ощущает.
Испытать на себе невесомость можно при затяжном прыжке (до того, как купол раскроется) или во время параболического снижения самолета. Такие эксперименты часто ставят в США, но в самолете это ощущение длится только 40 секунд - это слишком мало для полноценного изучения.
В СССР еще в 1973 году знали, можно ли создать искусственную гравитацию. И не просто создавали ее, но и в некотором роде изменяли. Яркий пример искусственного уменьшения силы тяжести - сухое погружение, иммерсия. Для достижения необходимого эффекта требуется положить плотную пленку на поверхность воды. Человек размещается поверх нее. Под тяжестью тела организм погружается под воду, наверху остается лишь голова. Эта модель демонстрирует безопорность с пониженной гравитацией, которая характерна для океана.
Нет необходимости отправляться в космос, чтобы ощутить на себе воздействие противоположной невесомости силы - гипергравитации. При взлете и посадке космического корабля, в центрифуге перегрузку можно не только ощутить, но и изучить.
Лечение гравитацией
Гравитационная физика изучает в том числе и воздействие невесомости на организм человека, стремясь минимизировать последствия. Однако большое количество достижений этой науки способно пригодиться и обычным жителям планеты.
Большие надежды медики возлагают на исследования поведения мышечных ферментов при миопатии. Это тяжелое заболевание, ведущее к ранней смерти.
При активных физических занятиях в кровь здорового человека поступает большой объем фермента креатинофосфокиназы. Причина этого явления неясна, возможно, нагрузка воздействует на мембрану клеток таким образом, что она «дырявится». Больные миопатией получают тот же эффект без нагрузок. Наблюдения за космонавтами показывают, что в невесомости поступление активного фермента в кровь значительно снижается. Такое открытие позволяет предположить, что применение иммерсии позволит снизить негативное воздействие приводящих к миопатии факторов. В данный момент проводятся опыты на животных.
Лечение некоторых болезней уже сегодня проводится с использованием данных, полученных при изучении гравитации, в том числе искусственной. К примеру, проводится лечение ДЦП, инсультов, Паркинсона путем применения нагрузочных костюмов. Практически закончены исследования положительного воздействия опоры - пневматического башмака.
Полетим ли на Марс?
Последние достижения космонавтов дают надежду на реальность проекта. Имеется опыт медицинской поддержки человека при длительном нахождении вдали от Земли. Много пользы принесли и исследовательские полеты к Луне, сила гравитации на которой в 6 раз меньше нашей родной. Теперь космонавты и ученые ставят перед собой новую цель - Марс.
Прежде чем вставать в очередь за билетом на Красную планету, следует знать, что ожидает организм уже на первом этапе работы - в пути. В среднем дорога к пустынной планете займет полтора года - около 500 суток. Рассчитывать в пути придется только на свои собственные силы, помощи ждать просто неоткуда.
Подтачивать силы будут множество факторов: стресс, радиация, отсутствие магнитного поля. Самое главное же испытание для организма - изменение гравитации. В путешествии человек «ознакомится» с несколькими уровнями гравитации. В первую очередь это перегрузки при взлете. Затем - невесомость во время полета. После этого - гипогравитация в месте назначения, т. к. сила тяжести на Марсе менее 40% земной.
Как справляются с отрицательным воздействием невесомости в длительном перелете? Есть надежда, что разработки в области создания искусственной гравитации помогут решить этот вопрос в недалеком будущем. Опыты на крысах, путешествующих на «Космос-936» показывают, что этот прием не решает всех проблем.
Опыт ОС показал, что гораздо больше пользы для организма способно принести применение тренажерных комплексов, способных определить необходимую нагрузку для каждого космонавта индивидуально.
Пока считается, что на Марс полетят не только исследователи, но и туристы, желающие основать колонию на Красной планете. Для них, во всяком случае первое время, ощущения от нахождения в невесомости перевесят все доводы медиков о вреде длительного нахождения в таких условиях. Однако через несколько недель помощь потребуется и им, поэтому так важно суметь найти способ создать на космическом корабле искусственную гравитацию.
Итоги
Какие выводы можно сделать о создании искусственной гравитации в космосе?
Среди всех рассматриваемых в данный момент вариантов наиболее реалистично выглядит вращающаяся конструкция. Однако при нынешнем понимании физических законов это невозможно, поскольку корабль - это не полый цилиндр. Внутри него имеются перекрытия, мешающие воплощению идей.
Кроме того, радиус корабля должен быть настолько большим, чтобы эффект Кориолиса не оказывал существенного влияния.
Чтобы управлять чем-то подобным, требуется упомянутый выше цилиндр О’Нила, который даст возможность управлять кораблем. В этом случае повышаются шансы применения подобной конструкции для межпланетных перелетов с обеспечением команды комфортным уровнем гравитации.
До того как человечеству удастся претворить свои мечты в жизнь, хотелось бы видеть в фантастических произведениях чуточку большей реалистичности и еще большего знания законов физики.
Каждый человек в своей жизни не раз сталкивался с этим понятием, ведь гравитация это основа не только современной физики, но и ряда других смежных наук.
Изучением притяжения тел занимались многие учёные с античных времен, однако главное открытие приписывается Ньютону и описывается как известная каждому история с упавшим на голову фруктом.
Что такое гравитация простыми словами
Гравитация представляет собой притяжение между несколькими предметами во всей Вселенной. Природа явления бывает разной, так как определяется массой каждого из них и протяженностью между, то есть дистанцией.
Теория Ньютона была основана на том, что и на падающий фрукт, и на спутник нашей планеты действует одна и та же сила — притяжение к Земле. А не упал спутник на земное пространство именно из-за своей массы и удалённости.
Гравитационное поле
Гравитационное поле являет собой пространство, в рамках которого происходит взаимодействие тел по законам притяжения.
Эйнштейновская теория относительности описывает поле, как определенное свойство времени и пространства, характерно проявляющееся при появлении физических объектов.
Гравитационная волна
Это определенного рода изменения полей, которые образуются в результате излучения от движущихся объектов. Они отрываются от предмета и распространяются волновым эффектом.
Теории гравитации
Классической теорией является ньютоновская. Однако, она была несовершенна и впоследствии появились альтернативные варианты.
К ним относятся:
- метрические теории;
- неметрические;
- векторные;
- Ле-Сажа, который впервые описал фазы;
- квантовая гравитация.
Сегодня существует несколько десятков различных теорий, все они либо дополняют друг друга, либо рассматривают явления с другой стороны.
Стоит отметить: идеального варианта пока не существует, но постоянные разработки открывают больше вариантов ответов в отношении притяжения тел.
Сила гравитационного притяжения
Базовый расчет следующий – сила тяготения пропорциональна умножению массы тела на другую, между которыми она определяется. Эта формула выражена и так: сила обратно пропорциональна дистанции между объектами, возведенными в квадрат.
Гравитационное поле – потенциально, а значит сохраняется кинетическая энергия. Этот факт упрощает решение задач, в которых измеряется сила притяжения.
Гравитация в космосе
Несмотря на заблуждение многих, в космосе есть гравитация. Она ниже, чем на Земле, но все же присутствует.
Что касается космонавтов, которые на первый взгляд летают, то они в действительности находятся в состоянии медленного падения. Визуально, кажется, что их ничего не притягивает, но на практике они испытывают гравитацию.
Сила притяжения зависит от удаленности, но каким бы большим не было расстояние между объектами, они продолжат тянуться друг к другу. Взаимное притяжение никогда не будет равным нулю.
Гравитация в Солнечной системе
В солнечной системе не только Земля обладает гравитацией. Планеты, а также и Солнце, притягивают к себе объекты.
Так как сила определятся массой предмета, то наибольший показатель у Солнца. Например, если у нашей планеты показатель равен единице, то у светила показатель будет почти равен двадцати восьми.
Следующим, после Солнца, по тяжести является Юпитер , поэтому сила притяжения у него в три раза выше, чем у Земли. Наименьший параметр у Плутона.
Для наглядности обозначим так, в теории на Солнце среднестатистический человек весил бы примерно две тонны, а вот на самой маленькой планете нашей системы – всего четыре килограмма.
От чего зависит гравитация планеты
Гравитационная тяга, как уже указывалось выше – это мощь, с которой планета тянет к себе предметы, расположенные на ее поверхности.
Сила притяжения зависит от тяжести объекта, самой планеты и дистанции, находящейся между ними. Если много километров – гравитация низкая, но она все равно удерживает объекты на связи.
Несколько важных и увлекательных аспектов, связанных с гравитацией и ее свойствами, которые стоит объяснить ребенку:
- Явление все притягивает, но никогда не отталкивает – это отличает ее от других физических явлений.
- Не бывает нулевого показателя. Невозможно смоделировать ситуацию, в которой не действует давление, то есть не работает гравитация.
- Земля спадает со средней скоростью 11,2 километра в секунду, достигнув этой скорости можно покинуть притягивающий колодец планеты.
- Факт существования гравитационных волн не был доказан научно, это лишь догадка. Если когда-либо они станут видимыми, то человечеству откроются многие загадки космоса, связанные со взаимодействием тел.
В соответствии с теорией базовой относительности такого ученого, как Эйнштейн, гравитация представляет собой искривление базовых параметров существования материального мира, которое представляет собой основу Вселенной.
Гравитация – это взаимное притяжение двух объектов. Сила взаимодействия зависит от тяжести тел и дистанции между ними. Пока не все секреты явления раскрыты, но уже сегодня существует несколько десятков теорий, описывающих понятие и его свойства.
Сложность изучаемых объектов влияет на время исследования. В большинстве случаев просто берется зависимость массы и дистанции.
Гравитационная сила – это сила, с которой притягиваются друг к другу тела определённой массы, находящиеся на определённом расстоянии друг от друга.
Английский учёный Исаак Ньютон в 1867 г. открыл закон всемирного тяготения. Это один из фундаментальных законов механики. Суть этого закона в следующем: любые две материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Сила притяжения – первая сила, которую почувствовал человек. Это сила, с которой Земля воздействует на все тела, находящиеся на её поверхности. И эту силу любой человек ощущает как собственный вес.
Закон всемирного тяготения
Существует легенда, что закон всемирного тяготения Ньютон открыл совершенно случайно, гуляя вечером по саду своих родителей. Творческие люди постоянно находятся в поиске, а научные открытия - это не мгновенное озарение, а плод длительной умственной работы. Сидя под яблоней, Ньютон осмысливал очередную идею, и вдруг на голову ему упало яблоко. Ньютону было понятно, что яблоко упало в результате действия силы притяжения Земли. «Но почему не падает на Землю Луна? - задумался он. - Значит, на неё действует ещё какая-то сила, удерживающая её на орбите». Так был открыт знаменитый закон всемирного тяготения .
Учёные, изучавшие до этого вращение небесных тел, считали, что небесные тела подчиняются каким-то совершенно другим законам. То есть, предполагалось, что существуют совершенно разные законы притяжения на поверхности Земли и в космосе.
Ньютон объединил эти предполагаемые виды гравитации. Анализируя законы Кеплера, описывающие движение планет, он пришёл к выводу, что сила притяжения возникает между любыми телами. То есть, и на яблоко, упавшее в саду, и на планеты в космосе действуют силы, подчиняющиеся одному закону – закону всемирного тяготения.
Ньютон установил, что законы Кеплера действуют только в том случае, если между планетами существует сила притяжения. И эта сила прямо пропорциональна массам планет и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.
Сила притяжения рассчитывается по формуле F=G m 1 m 2 / r 2
m 1 – масса первого тела;
m 2 – масса второго тела;
r – расстояние между телами;
G – коэффициент пропорциональности, который называют гравитационной постоянной или постоянной всемирного тяготения .
Его значение определили экспериментально. G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг 2
Если две материальные точки с массой, равной единице массы, находятся на расстоянии, равном единице расстояния, то они притягиваются с силой, равной G .
Силы притяжения и есть гравитационные силы. Их называют ещё силами тяготения . Они подчинены закону всемирного тяготения и проявляются всюду, так как все тела имеют массу.
Сила тяжести
Гравитационная сила вблизи поверхности Земли – это сила, с которой все тела притягиваются к Земле. Её называют силой тяжести . Она считается постоянной, если расстояние тела от поверхности Земли мало по сравнению с радиусом Земли.
Так как сила тяжести, являющаяся гравитационной силой, зависит от массы и радиуса планеты, то на разных планетах она будет разной. Так как радиус Луны меньше радиуса Земли, то и сила притяжения на Луне меньше, чем на Земле в 6 раз. А на Юпитере, наоборот, сила тяжести в 2,4 раза больше силы тяжести на Земле. Но масса тела остаётся постоянной, независимо от того, где её измеряют.
Многие путают значение веса и силы тяжести, считая, что сила тяжести всегда равна весу. Но это не так.
Сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес, это и есть вес. Если убрать опору или подвес, тело начнёт падать с ускорением свободного падения под действием силы тяжести. Сила тяжести пропорциональна массе тела. Она вычисляется по формуле F = mg , где m – масса тела, g – ускорение свободного падения.
Вес тела может изменяться, а иногда и вообще исчезать. Представим себе, что мы находимся в лифте на верхнем этаже. Лифт стоит. В этот момент наш вес Р и сила тяжести F, с которой Земля притягивает нас, равны. Но как только лифт начал двигаться вниз с ускорением а , вес и сила тяжести уже не равны. Согласно второму закону Ньютона mg + P = ma . Р =m g - ma .
Из формулы видно, что наш вес при движении вниз уменьшился.
В момент, когда лифт набрал скорость и стал двигаться без ускорения, наш вес снова равен силе тяжести. А когда лифт стал замедлять своё движение, ускорение а стало отрицательным, и вес увеличился. Наступает перегрузка.
А если тело двигается вниз с ускорением свободного падения, то вес и вовсе станет равным нулю.
При a =g Р =mg-ma= mg - mg=0
Это состояние невесомости.
Итак, все без исключения материальные тела во Вселенной подчиняются закону всемирного тяготения. И планеты вокруг Солнца, и все тела, находящиеся у поверхности Земли.