Исследовательская работа "Искусственная гравитация"

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

«Бодеевская средняя общеобразовательная школа»

Лискинского района Воронежской области

Учебно-исследовательская работа

на тему

«Искусственная гравитация»

Выполнил:

учащийся IX класса

Муковнин Митрофан

Руководитель:

Милосердова

Ирина Борисовна

Бодеевка, 2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

С древних времен человек хотел освоить небо. Оно таило в себе тайны, и, поэтому, еще до нашей эры астрономы стали искать ответы на вопрос: «Как устроена наша Вселенная?» Эти поиски продолжаются и сейчас. В школе мы знакомимся с теориями Птолемея и Николая Коперника, узнаем об открытиях Тихо Браге, изучаем историю российской космонавтики, основоположником которой является Константин Эдуардович Циолковский. Чтобы идеи Циолковского воплотились в жизнь, чтобы человек смог начать осваивать космическое пространство, должен был появиться конструктор космических кораблей. Им стал Сергей Павлович Королев. Благодаря ему, 60 лет назад был запущен первый космический спутник, а потом и человек «шагнул в космос».

Сейчас полеты человека в космос стали рядовым событием, и космонавты и ученые мечтают о длительных полетах к планетам и звездам. Но существуют причины, которые мешают это сделать. Одна из них – невесомость. Помочь уменьшить влияние невесомости могла бы искусственная гравитация.

В своей работе я решил выяснить, существуют ли способы создания искусственной гравитации. Для достижения цели я поставил следующие задачи.

- изучить теоретический материал по данному вопросу;

- выяснить, какую роль играет искусственная гравитация для космонавтов;

- узнать, какие способы создания искусственной гравитации предлагают ученые.

Гипотеза: на космическом корабле можно создать искусственную гравитацию.

Объект исследования: искусственная гравитация.

Предмет исследования: способы создания искусственной гравитации для совершения длительного полёта в космос.

Для выполнения работы я использовал следующие методы: теоретический анализ и обобщение научной литературы и периодических изданий, синтез, обобщение.

1. УСЛОВИЯ ЖИЗНИ НА ОРБИТЕ

Чтобы выяснить значение искусственной гравитации для человека, надо знать условия жизни космонавта на орбите.

Основной отсек космической станции состоит из двух цилиндров разного диаметра, соединенных между собой конусом. В малом цилиндре располагаются рабочие места космонавтов и центральный пульт управления кораблем. В конусе находится оборудование для спортивных тренировок и медицинского контроля за здоровьем экипажа. В большом цилиндре расположен холодильник, хранятся запасы воды и пищи. Здесь же оборудованы спальные места космонавтов. За стенкой основного отсека располагается негерметизируемый отсек с корректирующей двигательной установкой. С ее помощью космонавты по необходимости меняют положение станции в пространстве. [1]

Спальные места космонавтов оборудованы персональным спальным мешком, который пристегивается ремнем.

Пища космонавтов мелко расфасована, чтобы не оставлять крошек. На столе, за которым едят, множество резиночек для закрепления продуктов. Космическая пища довольно разнообразная (рацион тщательно продумывается в Институте медико-биологических проблем), однако в основном сублимированная либо консервированная. Пищу космонавты выбирают себе сами из специального меню. Непосредственно перед полетом они проводят дегустацию и составляют список пожеланий по поводу того, что хотят есть в космосе. Меню российских космонавтов выглядит приблизительно следующим образом:

• Первый завтрак: бисквит, чай с лимоном или кофе.

• Второй завтрак: свинина (говядина), сок, хлеб.

• Обед: куриный бульон, чернослив с орехами, сок (или суп молочный с овощами, мороженое и шоколад).

• Ужин: свинина с картофельным пюре, печенье, сыр, молоко.

Экипировка космонавта состоит из скафандра, который используют только при выведении станции на орбиту, во время стыковки или расстыковки, посадки. В остальное время космонавты носят более удобную одежду: комбинезоны, длинные футболки, рубашки. Для пошива одежды обычно используют натуральный хлопок. На рабочих костюмах космонавтов можно обнаружить множество карманов, которые расположены на точно выверенных местах. Например, нагрудные косые встречные карманы на комбинезонах появились в результате того, что космонавты постоянно стремились засунуть что-нибудь себе за пазуху, чтобы эти вещи не разлетались по всей станции. Другие карманы, широкие на нижней части голени, появились в связи с тем, что человеку в невесомости удобнее всего находиться в позе эмбриона. Вместо обуви используются специальные носки.

Невесомость делает космический быт тяжелым. Первые космонавты надевали подгузники. Их используют и сейчас, но лишь при выходе в открытый космос и во время взлёта-приземления. Затем пытались оборудовать аналоги душевых кабин, но в условиях невесомости вода не стекает по телу, сворачиваясь в крупные капли. Поэтому вместо мытья водой в космосе применяют специальные гели и влажные полотенца. Каждое из влажных полотенец пригодно в течение трех дней. На второй или третий день оно уже не такое мокрое, поэтому на него аккуратно наносится немного воды. После каждого использования полотенце необходимо повесить возле вентиляционной решетки, чтобы скопившаяся на нем влага, испаряясь, быстрее отправилась на переработку.

Процесс чистки зубов отличается тем, что воду нельзя просто выплюнуть: сделать это можно только в салфетку. Также допустимо проглотить эту воду: космическая зубная паста при попадании внутрь вреда здоровью не нанесет. Бритье осуществляется практически так же, как и на Земле, за исключением того, что и лицо, и бритву затем очищают не водой, а влажными салфетками. А для мытья головы астронавты используют специальный шампунь, не требующий ополаскивания водой, — его легко удалить с волос при помощи обычных сухих полотенец. [5]

Космический туалет работает по принципу пылесоса. В унитаз вмонтированы мощные воздушные насосы. Все отходы сортируются и какое-то время хранятся на борту в контейнерах. Затем эти контейнеры перегружаются на грузовые космические корабли «Прогресс», которые сгорают при входе в верхние слои атмосферы. Из-за невесомости стирка на борту невозможна, поэтому использованные предметы гардероба космонавтов тоже помещают в грузовой корабль «Прогресс». [8]

У космонавтов есть оружие. В служебной инструкции космонавтам разрешается использовать пистолет для защиты от опасных зверей и криминальных элементов, добычи пищи охотой и подачи световых сигналов в случае приземления в безлюдной местности.

2. ИСКУССТВЕННАЯ ГРАВИТАЦИЯ

2.1. Понятие искусственной гравитации

Создание искусственной гравитации необходимо для совершения длительных полетов, так как при продолжительном нахождении в невесомости у космонавтов появляются проблемы со здоровьем. Искусственная гравитация - это изменение (уменьшение или увеличение) ощущаемой силы тяжести с помощью искусственных способов. [4]

Искусственная гравитация на космическом корабле позволит космонавту ощущать привычное для него земное притяжение. Однако особой необходимости в создании ускорения, равного g=9,8 м\с² нет, так как уровень гравитации в три — четыре раза меньший земного (0,25-0,3 g), переносится человеком вполне нормально. [10]

Впервые эксперимент по искусственной гравитации в космосе в середине 60-ых годов поставил Сергей Павлович Королев. Это был управляемый космический корабль в связке (через трос) с грузовым кораблём (см.рис.1). Эту систему раскрутили, достигнув силы лунного и земного притяжения, трос был длиной более километра. Эксперимент был поставлен только однажды. Предложенная конструкция была бы достаточно эффективной в плане экспериментов, поскольку позволяла регулировать силу тяжести путём изменения длины троса. В плане полётов к другим планетам с наведённой силой тяжести, тросовая конструкция также возможна. [9]

Рис.1

2.2 Способы создания искусственной гравитации

В настоящее время учеными предложены, пока еще теоретические, методы создания искусственной гравитации.

Ускорение

Если сделать корабль плоской формы (платформообразной) и заставить его двигаться по перпендикуляру к плоскости с ускорением, равным ускорению свободного падения, то будет получена искусственная гравитация. Но здесь имеются трудности, не имеющие сейчас решения - это топливный вопрос. Для того чтобы станция постоянно ускорялась, необходимо иметь бесперебойный источник питания. Вторая проблема заключается в идее постоянного ускорения. Такой корабль не подойдет для исследовательских заданий, потому что он должен постоянно ускоряться – лететь. Он не сможет остановиться для изучения планеты, он даже медленно пролететь вокруг нее не сможет – надо ускоряться. Даже если корабль периодически будет менять направление, для обеспечения искусственной гравитации он должен постоянно куда-то лететь. Если корабль остановится, то гравитация пропадет. Поэтому такая искусственная гравитация нам пока недоступна. [2]

Центробежная сила

Идея искусственной гравитации за счет вращения в настоящее время самая распространенная. Она основывается на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции, который говорит о том, что мы ощущаем приблизительно одинаково ускорение движения, не отличая причину, которая его вызвала: гравитация или же силы инерции.

Если создать космический корабль, вращающийся вокруг своей оси, возникающая при этом центробежная сила будет, как-бы, «выталкивать» космонавта в сторону от центра вращения, и он сможет запросто стоять на «полу». Чем быстрее будет вращаться корабль, и чем дальше от центра будет находиться космонавт, тем сильнее будет искусственная гравитация. Сила притяжения F =mg, равнодействующая сила F =ma, a=ω²r, значит F=mω²r, где m — масса космонавта, ω – угловая скорость вращения, r — расстояние от центра вращения (радиус). Физиологические возможности человеческого организма накладывают вполне определенное ограничение на величину допустимой угловой скорости. Многочисленными экспериментами на центрифугах выявлено, что уже при скорости, большей 4 об/мин, у испытуемых возможно нарушение нормального функционирования вестибулярного аппарата. [10]

При угловой скорости 4 об/мин можно получить ускорение 9,8 м\с² при радиусе 54 м. Если учесть, что человек может нормально переносить и меньшее ускорение силы тяжести, то можно уменьшить и радиус корабля. При центростремительном ускорении в одну треть от земного ускорения силы тяжести, радиус корабля будет равен 16 м.

ν=4 об\мин=4\60 об\с=1\15 об\с,

ω=2π ν, ω=2*3,14*1\15=0,42 рад\с,

mg= mω²r, g= ω²r, отсюда r=g\ ω², r=54 м.

При этом способе возникают проблемы, которые заключаются в том, что искусственная сила притяжения зависит от расстояния от центра вращения, значит, для небольшого радиуса сила гравитации будет значительно отличаться для головы и ног космонавта, что может сильно затруднить передвижение. При движении космонавта относительно направления движения будет возникать сила Кориолиса, эффект которой заключается в том, что на различном удалении от пола будет действовать разная сила. В условиях действия этой силы космонавта будет постоянно укачивать. Чтобы избавиться от этого эффекта, нужно соблюдать определенную частоту вращения станции для получения искусственной гравитации с ускорением g (как на Земле) - 2 об\мин и меньше. Радиус вращения при этом должен быть равен 224 метрам, то есть диаметр космического корабля должен быть равным почти полкилометра.

Если предположить, что эта проблема решится и корабль приобретет достаточную скорость вращения и эффект Кориолиса не будет сильно проявляться, то может появиться другой недостаток – момент импульса. Корабль, вращаясь вокруг оси, станет подобием гироскопа, который трудно заставить отклониться от оси из-за момента импульса. Это означает, что задать направление этому объекту будет очень сложно. В этом случае решить проблему можно с помощью конструкции из двух одинаковых цилиндрических кораблей, которые соединяют вдоль оси (цилиндр О’Нила). Вращаться они должны в разные стороны. Результатом такой сборки является нулевой момент импульса, поэтому не должно возникнуть трудностей с приданием кораблю необходимого направления. Созданная таким способом искусственная гравитация в космосе будет вполне комфортной и пригодной для длительных перелетов на кораблях. [6]

В статье бельгийского профессора Андре Фузфа в журнале Physical Review приведено математическое теоретическое обоснование метода создания гравитационных полей при помощи магнитных полей. Основой математического аппарата выдвинутой теории являются наблюдения, показывающие, что сильные магнитные поля искажают пространственно-временной континуум практически так же, как и гравитационные поля. Теоретическое устройство, своего рода генератор искусственного гравитационного поля, основано на технологиях электромагнитов со сверхпроводящими обмотками, технологиях, использующихся в Большом андронном коллайдере, самом большом и мощном на сегодняшний день ускорителе частиц. Используя такой генератор, можно будет реализовать на практике некоторые из технологий, являющиеся сейчас лишь предметом научной фантастики, к примеру, гравитационные двигатели и коммуникации на основе гравитационных волн. При помощи таких коммуникационных технологий можно будет держать прямую связь между двумя точками в разных уголках земного шара или находящихся на разных планетах, невзирая на расстояния и наличие препятствий любого рода между этими точками. [7]

Таким образом, познакомившись с различными предложениями по созданию искусственной гравитации, можно сделать выводы, что данная проблема является актуальной, и ее решение позволит осуществлять длительные космические полеты. Изо всех вариантов самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ИСКУССТВЕННОЙ ГРАВИТАЦИИ

Искусственную гравитацию можно будет использовать в медицине. 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 искусственной гравитации 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, болезни Паркинсона путем применения нагрузочных костюмов. Практически закончены исследования положительного воздействия опоры – пневматического башмака. [3]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучая теоретический материал, я выяснил, что искусственная гравитация играет огромную роль в развитии космонавтики. Для того чтобы преодолеть большое расстояние в космосе, необходимо создать человеку благоприятные условия. Как только человек попадает в космос, его организм начинает перестраиваться из-за влияния невесомости: слабеют мышцы, нарушается кровообращение и работа вестибулярного аппарата. Преодолеть эти трудности можно путем создания искусственной гравитации. Учёные предлагают несколько способов создания искусственной гравитации: ускорение, центробежная сила, магнитное поле. В настоящее время все эти способы разработаны только теоретически.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Гонтарук Т.Н. Я познаю мир. Дет.энцикл.: Космос. – М.:АСТ, 1996. – 448 с.

2. Гравитация. URL:http://beardycast.com/2015/12/13/tbbt/000113122015-gravity/ (дата обращения 15.02.2018)

3.Искусственная гравитация и способы ее создания. URL: http://fb.ru/article/274686/iskusstvennaya-gravitatsiya-i-sposobyi-ee-sozdaniya (дата обращения 01.03.2018)

4.Искусственная сила тяжести. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ (дата обращения 15.02.2018)

5.Личная гигиена в космосе: как и чем моются космонавты.  URL: http://www.mhealth.ru/life/knowledge/ (дата обращения 15.02.2018)

7.Способы создания искусственной гравитации. URL: https://www.dailytechinfo.org/ (дата обращения 16.02.2018)

8.Условия жизни на орбите. URL: https://fishki.net (дата обращения 26.02.2018)

9.URL: https://lektsii.org/ (дата обращения 28.02.2018)

10.URL: http://www.astronaut.ru/bookcase/books/kamanin5/text/ (дата обращения 11.03.2018)

13