يمكننا محاكاة الجاذبية؟

طريقة عمل غرفة بدون جاذبية (أبريل 2019).

Anonim

إن خلق الجاذبية بدون كتلة يشبه خلق اللون البرتقالي بدون الأصفر. لا يمكن القيام به. لهذا السبب ، لا يمكن للمرء أن يخلق الجاذبية ، بل يقوم فقط بمحاكاته بإخضاع رائد الفضاء للقوى التي تحاكي تأثيره. إحدى الطرق للقيام بذلك هي أن نجلس رائد فضاء في السفينة الدوارة.

التسارع هو مفتاح

كان آينشتاين عيد الغطاس. أدرك أنه بدون نافذة ، لن يتمكن الرجل من تمييز ما إذا كان المصعد يقع تحت تأثير جاذبية الأرض أو أنه يتحرك ببساطة في مساحة خالية ، معزول تمامًا في أقصى ركن بعيد من الكون: في كلتا الحالتين ، سيشعر انعدام الوزن. هذا هو جوهر اكتشافات أينشتاين المذهلة: كل شيء نسبي

.

والتسارع هو المفتاح.

في كلمات آينشتاين الخاصة: "لا توجد تجربة يمكنك القيام بها للتمييز بين تأثيرات مجال جاذبية موحد وعملية تسارع موحدة". وبعبارة أخرى ، لن يتمكن رائد فضاء من التمييز بين قوة السحب المتجهة لأسفل في مركبة فضائية. تسارع إلى الأعلى بسرعة 9.8 م / ث² من القوة التي تسحب بها الأرض رائد الفضاء على سطحه. بهذه الطريقة ، في حين أن سفينة الفضاء لا تخلق الجاذبية ، فإنها تحاكي التأثير. إذا لم تكن تسارع خطي ، فلن تشعر بأنك معلقة على مقعدك أو تدفع في الاتجاه المعاكس للتسارع عندما تتسابق السفينة الدوارة على منحدر.

بينما تسارع خطرة سفينة الفضاء هو وسيلة أنيقة لمحاكاة الجاذبية ، دعونا لا ننسى أنه يتحقق على حساب الوقود. تذكر أن المعززات لا يمكن أن تخفف حتى ولو للحظات ، لأنه في هذه اللحظة بالذات ، وفقا لقانون نيوتن الأول للحركة ، ستبدأ المركبة بالسفر بسرعة ثابتة. بدون تسارع ، يصبح الركاب عديمات الوزن. وبالتالي ، إذا تم إطلاق المعززات بشكل متقطع ، يجب على رواد الفضاء أن يتوقعوا قيادة غير مريحة حيث يتم ضغط فترات قصيرة من الثقل بين فترات انعدام الوزن الفجائية.

قوة الطرد المركزي

وبنفس الطريقة ، تسحب قوة الطرد المركزي الماء على سطح الدلو ، كما يمكنها أيضًا تثبيت ركاب سفينة فضائية دوّارة على جانبيها وسطحها. إذا كنت تتساءل عن سبب التحمل في فيلم Interstellar ، فإنه يقوم بذلك لمحاكاة الجاذبية مع قوة الطرد المركزي المشتقة في العملية. إن غالبية النماذج الأولية لمحاكاة الجاذبية في وكالة ناسا هي "لف" أو "دوران" في المكان. وبالتالي

.

. ما هو الصيد؟

التسارع ، كما ذكر ، هو المفتاح. التسارع الدوراني أو الزاوي هو نتاج نصف قطر أو المسافة بين الراكب ومحور الدوران ، بالإضافة إلى مربع السرعة الزاوية. هذان المتغيران يقدمان لنا قيدين.

وبالنظر إلى أن السرعة ثابتة ، بالنسبة إلى نصف قطر كبير ، يكون التسارع كبيرًا ، كما هو الحال مع الجاذبية المحاكاة ، ولكن إنشاء مركبة فضائية كبيرة أمر مكلف. من ناحية أخرى ، مع الأخذ بعين الاعتبار أن نصف القطر ثابت وثابت على نحو مفضل ، بالنسبة لسرعة زاويّة كبيرة ، فإن الجاذبية المحاكية لن تكون موزعة بالتساوي. إذا كانت الطائرة صغيرة جدًا ، فحتى أصغر اختلافات في المسافة ستنتج تأثيرات ملحوظة. بالنسبة لسفينة الفضاء الصغيرة ، فإن الجاذبية حول رأس الشخص ، نظرًا لبعدها عن المحور ، أكبر من الجاذبية حول القدمين!

(مصدر الصورة: Interstellar)

لكن المشاكل لا تنتهي هناك. بالتأكيد بعض سفن الفضاء آلات المنزل التي تشكل خطورة على التحرك. ومع ذلك ، تساهم الأجسام الثابتة في الاحتكاك. لذلك ، يُطلب من المهندسين بناء آلات أو أدوات دقيقة بطريقة تسمح لهم بالتناوب ولا تزال دون تغيير. علاوة على ذلك ، أليس من شأن الدوران المفاجئ أن يعطل مدار سفينة الفضاء؟ تتطلب التدابير المضادة من سفينة الفضاء أن تنفق الوقود ، لذلك قد يثبت أن المشروع بأكمله غير كفؤ.

نأمل ، في المستقبل القريب ، أن يحدد المهندسون بنجاح الحجم الأمثل وسرعة سفن الفضاء لمحاكاة الجاذبية على مسافات طويلة من كوكب إلى كوكب. ربما يكتشفون تقنية جديدة تمامًا لفعل ذلك. ومع ذلك ، فلماذا يجب على وكالة ناسا أم سبيس إكس إنفاق مليارات الدولارات على سفن الفضاء الحاملة للرواقي؟ هل هو ضروري للغاية؟ أم هو الإسراف بلا معنى؟

لماذا تعتبر الجاذبية المحاكاة مهمة؟

(Photo Credit: Star trek)

في سلسلة من 18 تجربة أجريت على رجلين وامرأتان في بيئة خالية من الجاذبية ، وجدت Spacelab Life Sciences أن استجابة خلايا الدم البيضاء وكتلة العضلات انخفضت. إذا لم يكن ذلك كافياً ، في غضون 24 ساعة فقط من انعدام الوزن ، انخفض حجم الدم لديهم بنسبة 10 ٪. وحتى لو لم يكن ذلك كافيًا ، فقد استمرت آثار انعدام الوزن لفترات طويلة في إزعاجهم حتى بعد عودتهم إلى الأرض: حيث تسربت السوائل إلى الجزء الأسفل من الجسم ، وارتفع معدل ضربات القلب ، لذا عانى الأشخاص من انخفاض في ضغط الدم وانخفاض القدرة للتمرين.

مع الأخذ في الاعتبار مخاطر استمرار انعدام الوزن ، إذا كان هناك أي وقت مضى ليكون مهمة مأهولة إلى المريخ ، سوف تكون جاذبية محاكاة لا غنى عنها لصحة المشاركين. غالباً ما يتم تصور تقنيات متطورة جداً ، مثل أحذية " العودة إلى المستقبل" الذاتية في الخيال العلمي. ومع ذلك ، وكما فعل نايكي في الآونة الأخيرة في الأحذية التي ترتدي نفسها بنفسها ، فإننا نأمل أن تقوم ناسا و SpaceX بتحقيق تأثير الجاذبية. إن لم يكن مع سفينة الفضاء cartwheeling ، ثم ربما مع السفينة الدوارة بين الكواكب طويلة ، الملايين؟