В космосе нет гравитации
Первая ассоциация, возникающая при разговоре о космосе, — это, конечно же, невесомость. На ум сразу приходят космонавты, свободно летающие по кораблю и без малейшего усилия перемещающие тяжелые предметы.
Неверное представление о причинах возникновения невесомости породило весьма распространенный миф о том, что в космосе вовсе отсутствует гравитация. Но несколько простых размышлений помогут понять, что гравитация есть везде — и на околоземной орбите, и где-то на пути от Земли к Марсу, и в бескрайнем межзвездном пространстве.
В 1687 году Исаак Ньютон впервые выводит закон всемирного тяготения, из которого становится понятно, как притягивают друг друга физические тела. Но главное, что интересовало ученых в этом законе, —возможность описания движения небесных тел, а именно: планет, Луны, комет, астероидов и т. д. Однако закон тяготения в том виде, в котором его открыл Ньютон, оказался несовершенен — дальнейшее развитие он получил в общей теории относительности (далее — ОТО) А. Эйнштейна.
Но в нашем случае интересно другое — на какое расстояние ни отдалялись бы тела, их взаимное притяжение никогда не станет равным нулю. Тяготение будет сколько угодно малым, таким, что его невозможно будет измерить, но оно все-таки не станет нулевым. Это одно из основных свойств гравитации. Несмотря на то, что гравитационное воздействие является самым слабым из всех, оно не уничтожается и распространяется на бесконечные расстояния.
Выходит, что нас, жителей Земли, притягивают далекие звезды и планеты, находящиеся от нас на расстояниях в миллионы световых лет. Да, это так, но притяжение далеких солнц настолько мало, что неспособно сдвинуть даже атом, а о более крупных объектах и говорить не приходится. Но, опять же, необходимо сказать, что гравитация хоть и крайне мала, но не нулевая.
Поэтому нельзя говорить о том, что в космосе нет гравитации. Напротив — космос буквально «пропитан» гравитацией и в каждой точке космического пространства существует доля притяжения абсолютно всех тел, существующих во Вселенной.
Но тогда возникает вполне резонный вопрос: а почему тогда в космосе существует невесомость? Все достаточно просто и объясняется отнюдь не отсутствием гравитации. Если тело расположено на достаточно большом удалении от космических объектов (например, корабль, летящий к другим планетам), то сила притяжения этих космических тел будет слишком мала, и к тому же они будут примерно уравновешивать друг друга.
Есть здесь и другая причина. Движение космического корабля вокруг Земли — это буквально «побег от падения». В каждый момент времени корабль, а значит, и люди, в нем находящиеся, совершает два движения — быстрое движение вдоль поверхности Земли и падение на поверхность планеты. А сложение этих движений приводит к тому, что путь корабля просто-напросто искривляется, становится круговым или эллиптическим.
Чтобы понять это, необходимо привести некоторые цифры. Скорость корабля, летящего на низкой орбите (около 200-300 км), почти равна первой космической скорости и составляет около 8 км/с. То есть каждую секунду корабль успевает пролететь целых 8 км. Но за эту же секунду корабль приближается к Земле на 5 метров, и если бы наша планета была плоской, то через какое-то время неминуемо произошло бы столкновение. Но Земля круглая, и при этом ее поверхность каждые 8 км опускается на те же 5 метров.
Получается, что корабль буквально падает на Землю, но упасть не может, так как поверхность планеты «уходит» из-под корабля на то же расстояние, на какое он приблизился. Именно это падение и вызывает появление эффекта невесомости, ведь падает не только корабль, но все, что в нем находится, в том числе и люди. А при падении, как известно, тела перестают давить на свои опоры, происходит «потеря» веса, которую можно наблюдать в падающем лифте и в самолете, совершающем снижение по особой траектории.
Таким образом, гравитация есть в любой точке космического пространства, но лишь в непосредственной близости от крупных объектов (звезд, планет, астероидов, комет и т. д.), она проявляется в качестве сильного и заметного притяжения, такого, как на нашей Земле.
Источник
Где в космосе нет гравитации?
В нашей Солнечной системе существуют такие места, где почти полностью отсутствует сила тяжести и тела в таких местах могут оставаться миллиарды лет — это точки Лагранжа. Но как такое возможно и почему?
Что такое точки Лагранжа и сколько их?
Эти области были названы в честь известного математика Жозефа Луи Лагранжа, который впервые обнаружил их ещё в 1772 году. На самом деле в этих точках гравитация присутствует, но тела в них находятся в состоянии покоя. Это происходит из-за того, что гравитационные силы двух объектов с большой массой, в данных точках уравновешивают друг друга.
Точки Лагранжа чаще всего упоминаются при решении задачи о трёх телах, которые имеют круговые орбиты, но масса одного из них значительно меньше массы других двух тел. Если два больших тела вращаются вокруг общего центра масс и имеют постоянную угловую скорость, то в области этих тел существует пять точек, где третье тело с меньшей массой, может оставаться неподвижным относительно этих двух тел. Точки Лагранжа всегда лежат в плоскости орбит массивных тел.
Их классифицируют и обозначают латинской буквой «L». Точки L1, L2 и L3 называют коллинеарными, а L4 и L5 — треугольными.
Где находятся точки Лагранжа и какое у них практическое применение?
Место нахождения точек Лагранжа не зависит от типа небесных тел, то есть точки всегда имеют одинаковое расположение в пространстве относительно них.
Первая точка Лагранжа всегда находится между двумя массивными телами, ближе к телу с меньшей массой. Вторая точка находится за менее массивным телом, а третья точка Лагранжа разместилась на значительном расстоянии за телом, имеющим большую массу. Эти три коллинеарные точки можно найти в любой системе из двух тел, применив определенные формулы.
Источник
Заблуждение: причина невесомости на орбите — отсутствие гравитации
Согласно закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу, и сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратна пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть выражение «отсутствие гравитации» вообще не имеет смысла. На высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли — там, где летают пилотируемые корабли и космические станции — сила притяжения Земли очень велика и практически не отличается от силы гравитации вблизи поверхности.
Если бы существовала техническая возможность сбросить некий предмет с башни высотой километров 300, он бы начал падать вертикально и с ускорением свободного падения, точно так же, как он падал бы с высоты небоскреба или с высоты человеческого роста. Таким образом, во время орбитальных полетов сила земного притяжения не отсутствует и не ослабевает в значимых масштабах, а компенсируется. Точно так же, как для водных судов и аэростатов, сила притяжения земли компенсируется архимедовой силой, а для крылатых летательных аппаратов — подъемной силой крыла.
Да, но вот самолет-то летит и не падает, а пассажиру внутри салона не летают как космонавты на МКС. При обычном полете пассажир прекрасно ощущает свой вес, и от падения на землю его удерживает не непосредственно подъемная сила, а сила реакции опоры. Лишь во время аварийного или искусственно вызванного резкого снижения человек вдруг чувствует, что перестает давить на опору. Возникает невесомость. Почему? А потому что если потеря высоты происходит с ускорением, близким к ускорению свободного падения, то опора больше не мешает пассажиру падать — она и сама падает.
Источник
Как создать гравитацию в космосе и почему её нет на МКС?
Космос таит в себе множество загадок, и мы лишь начали изучать его. И одной из проблем, которые предстоит решить в будущем, является гравитация. А что с ней не так, спросите вы?
А её нет! Вернее, не так. Гравитация есть всегда, мы испытываем её от Земли, Луны, Солнца, других звёзд и даже центра нашей галактики. Но сила притяжения, которая подходит нам, есть только на Земле.
И когда мы полетим на другие планеты или будем бороздить космос, как быть с гравитацией? Нужно создавать её искусственно.
Почему нам нужна определённая сила гравитации?
На Земле все организмы приспособились к силе притяжения, равной 9.8 м/с^2. Если она будет больше, то растения не смогут расти вверх, а мы постоянно будем испытывать давление, из-за чего наши кости будут ломаться, а органы разрушаться. А если она будет меньше, то у нас начнутся проблемы с доставкой питательных веществ в крови, ростом мышц и т.д.
Когда мы будем осваивать колонии на Марсе и Луне, то столкнёмся с проблемой пониженной гравитации. Наши мышцы частично атрофируются, приспособившись к местной силе притяжения. Но по возвращении на Землю у нас начнутся проблемы с хождением, перетаскиванием предметов и даже с дыханием. Именно настолько всё зависит от гравитации.
И у нас уже есть пример того, как это происходит — Международная Космическая Станция.
Космонавты на МКС и почему там нет гравитации
Те, кто посещает МКС, должны тренироваться на беговых дорожках и тренажёрах каждый день. Всё потому, что за время пребывания их мышцы теряют «хватку». В условиях невесомости не надо поднимать своё тело, можно расслабиться. Именно так думает организм.
На МКС нет гравитации не потому, что она находится в космосе. Расстояние от неё до Земли всего 400 километров, и сила притяжения на таком расстоянии лишь чуть-чуть меньше, чем на поверхности планеты. Но МКС не стоит на месте — она вращается по земной орбите. Она буквально постоянно падает на Землю, но её скорость настолько высока, что не даёт ей упасть. Именно поэтому космонавты и находятся в состоянии невесомости.
И всё же. Почему на МКС нельзя создать гравитацию? Это бы облегчило жизнь космонавтов в разы. Ведь они вынуждены тратить по несколько часов в день на физические упражнения только для поддержания формы.
Как создать искусственную гравитацию?
В научной фантастике давно создан концепт подобного космического корабля. Это огромное кольцо, которое должно постоянно вращаться вокруг своей оси. В результате этого центробежная сила «выталкивает» космонавта в сторону от центра вращения, и он будет воспринимать это как гравитацию.
Но проблемы возникают, когда мы сталкиваемся с этим на практике. Во-первых, нужно учесть силу Кориолиса — силу, возникающую при движении по кругу. Без этого нашего космонавта будет постоянно укачивать, а это не очень весело. В таком случае нужно ускорить вращение кольца на корабле до 2 оборотов в секунду, а это очень много, космонавту будет очень нехорошо. Чтобы решить эту проблему, нужно увеличить радиус кольца до 224 метров. Корабль размером в полкилометра! Мы уже недалеко от Звёздных Войн.
Вместо создания земной гравитации сначала мы создадим корабль с пониженной гравитацией, в котором останутся тренажёры. И лишь потом мы будем строить корабли с огроменными кольцами для сохранения гравитации.
Кстати, на МКС как раз собираются строить модули для создания гравитации. Сегодня учёные из Роскосмоса и NASA готовятся к отправке центрифуг на МКС, необходимых для создания искусственной гравитации там. Космонавтам больше не придётся тратить много времени на физические упражнения!
Проблема с гравитацией при больших ускорениях
Если мы хотим полететь к звёздам, то для путешествия к ближайшей Альфа Центавра А со скоростью в 99% от скорости света займёт 4.2 года. Но чтобы разогнаться до этой скорости, потребуется огромное ускорение. А значит, и огромные перегрузки, примерно в 1000-4000 раз больше земного притяжения. Такое не выдержать никому, и космический корабль с вращающимся кольцом должен быть просто гигантским, в сотни километров. Построить такое можно, но нужно ли?
К сожалению, мы до сих пор не до конца понимаем, как работает гравитация. И пока не придумали, как избежать эффекта таких перегрузок. Будем исследовать, проверять, изучать.
Понравилась статья? Ставь палец вверх и подписывайся на мой канал — там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, технологии,изобретения и многое другое. Читай меня в телеграме ( Будни Учёного 2.0 ) и в Яндекс.Дзене ( Мир науки )!
Источник
Почему на МКС не создали искусственную гравитацию?
Иногда меня спрашивают о том, какие способы создания искусственной гравитации на космических кораблях существуют, а также нередко задают вопрос о том, почему на международной космической станции до сих пор не создана искусственная сила тяжести. Давайте разберемся в этих вопросах.
Способы создания искусственной силы тяжести
Вращение вокруг собственной оси.
В этом случае эффект силы тяжести создает центробежная сила. Идея в том, что космический корабль должен представлять собой вращающееся вокруг своей оси кольцо. Вы могли видеть такой космический корабль в фильме Марсианин .
Отрывок из фильма «Марсианин»
Недостатком этого способа является то, что либо масштабы конструкции должны быть огромны, либо скорость вращения — весьма велика. Второй вариант непрактичен, так как люди находясь в быстро вращающейся камере будут испытывать сильный дискомфорт из-за разницы сил инерции действующих на разные части их тела.
Для обеспечения комфортного пребывания людей на корабле с такой силой тяжести необходимо, чтобы кольцо было не менее 200-250 метров в диаметре.
Замена гравитации ускорением
Данный вид создания искусственной гравитации показан в телесериале «Пространство». Идея в том, что космический корабль должен всегда двигаться с постоянным ускорением. Если корабль будет двигаться с постоянным ускорением в 9.8 м/с2, то его пассажиры будут испытывать вполне комфортную силу тяжести такую же как на Земле направленную в сторону противоположную тяге двигателей.
Недостатком этого метода является высокий расход топлива и поэтому его практическая нереализуемость по этой причине. Кроме того при торможении сила тяжести будет направлена в противоположную сторону, поэтому вероятно корабль должен проектироваться так, чтобы при необходимости потолок мог превращаться в пол. Когда же корабль будет двигаться без ускорения, на корабле будет невесомость.
Почему на МКС не сделали искусственную гравитацию?
Отказ от создания искусственной гравитации обусловлен крайней дороговизной и сложностью такого проекта, при том, что его практическая ценность мала.
Для создания искусственной гравитации, одно только вращающееся кольцо должно иметь достаточно большие размеры (как вся МКС), а следовательно и массу, которую нужно вывести на орбиту, а потом еще и провести весьма сложные сборочные работы там, при этом сборка такой конструкции будет гораздо сложнее строительства самой МКС.
В наше время даже создание станции масштабов МКС считается слишком дорогим, а создание кольца вообще непозволительная роскошь. Удобство космонавтов не стоит десятков миллиардов долларов, и строительство кольца целесообразно только для длительных (многолетних) перелётов по Солнечной системе, которые сейчас не планируются.
Ставьте палец вверх если хотите видеть в своей ленте больше статей о космосе!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал в телеграме . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос.
Источник