# Физика центрифуг: почему мы до сих пор не создали искусственную гравитацию? Источник: https://www.youtube.com/watch?v=b3D7QlMVa5s Канал: Cool Worlds Опубликовано: 09.01.2019 --- 20% мышечной массы теряют астронавты всего за одну неделю пребывания в условиях невесомости [1:09]. Ежедневно экипаж МКС тратит минимум два часа на изнурительные тренировки, чтобы замедлить атрофию мышц и потерю 1% костной массы в месяц [1:27]. Без искусственной гравитации длительные космические миссии и колонизация других миров остаются биологически невозможными для человека. ## 🚀 Физика ускорения: от Эйнштейна до ионных двигателей [[JUMP:02:13]] Альберт Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, согласно которому инерционная и гравитационная массы равны [2:41]. Внутри корабля, летящего с постоянным ускорением в 1g, человек будет ощущать ту же силу, что и на поверхности Земли. Физически невозможно отличить гравитационное поле от линейного ускорения с помощью внутренних экспериментов [2:56]. Однако современные технологии не позволяют поддерживать такое ускорение в течение месяцев или лет. Ионный двигатель NSTAR на аппарате Dawn обеспечивал рекордное постоянное ускорение, но оно составляло лишь **10 миллионных долей g** [3:30]. Этого недостаточно для поддержания здоровья экипажа. Единственным проверенным физическим способом создания гравитации сегодня остается вращение [3:42]. Центробежная сила, возникающая при повороте или вращении объекта, имитирует притяжение. В орбитальной станции пол будет представлять собой внутреннюю стенку вращающегося цилиндра [5:03]. ## 🏗️ Гигантские проекты: цилиндр О’Нилла и тор Стэнфорда [[JUMP:05:43]] В 1976 году физик Джерард О’Нилл предложил концепцию колонизации космоса в книге «Высокий рубеж» [5:52]. Его проект **O’Neill Cylinder** представляет собой конструкцию диаметром 8 километров и длиной до 32 километров [6:06]. Внутренняя поверхность такой станции обеспечила бы 770 квадратных километров жилой площади. Основные характеристики и проблемы цилиндра О’Нилла: * Масса конструкции достигает нескольких миллиардов тонн [6:36]. * Стоимость запуска материалов с Земли превысила бы мировой ВВП в тысячу раз [6:53]. * Реализация возможна только при развитии добычи ресурсов на Луне и астероидах [7:11]. Альтернативный проект, **Stanford Torus**, разработали в 1975 году во время летнего семинара в Стэнфордском университете под руководством О’Нилла [8:15]. Это вращающееся кольцо диаметром 1 километр [9:15]. Оно в 100 раз легче цилиндра О’Нилла, что значительно снижает затраты на строительство [9:30]. На центральном узле станции центробежные силы минимальны, что удобно для стыковки кораблей и промышленного производства [10:04]. ## 📏 Поиск «золотой середины» в размерах станции [[JUMP:10:23]] Инженеры могут менять два параметра: радиус вращения (R) и скорость вращения (omega) [11:09]. Для снижения стоимости выгодно уменьшать радиус, но тогда приходится вращать станцию быстрее. Слишком быстрое вращение затрудняет стыковку и требует огромной энергии [11:58]. Исследование, которое провели Харрис и коллеги, показало нижний предел гравитации [12:14]. Ускорение ниже **0,15g** (лунная гравитация) лишает человека чувства баланса и понимания, где верх, а где низ [12:30]. Верхний предел комфорта ограничен 1g, так как при 4g человек теряет сознание [12:30]. Минимально допустимый радиус станции составляет **17 метров** [13:19]. При меньших размерах возникнет слишком большая разница в силе тяжести между головой и ногами космонавта. Это приведет к дискомфорту и нарушению кровообращения. ## 🌪️ Коварный эффект Кориолиса [[JUMP:13:36]] В отличие от линейного ускорения, вращающаяся станция создает побочный эффект — силу Кориолиса [13:52]. Она проявляется только при движении внутри вращающейся системы координат. Любой предмет, брошенный вертикально, будет отклоняться в сторону по кривой траектории [15:58]. Влияние эффекта Кориолиса на обитателей: * **Вертикальное движение:** Ходьба вдоль оси вращения безопасна. * **Тангенциальное движение:** Ходьба по направлению вращения увеличивает вес человека, а против движения — уменьшает [18:15]. * **Радиальное движение:** Подъем по лестнице или прыжок вызывают эффект опрокидывания [20:08]. По данным Нести, люди не ощущают изменения вертикального ускорения, если оно составляет менее 5% от земного [19:08]. Однако при подъеме или вставании возникает ложное ощущение наклона пола. Если астронавт встает со скоростью 30 сантиметров в секунду, наклон может превысить 8%, что приведет к падению [21:28]. ## 🤢 «Канальная болезнь» и пределы адаптации [[JUMP:21:34]] Наибольшую проблему представляет воздействие на вестибулярный аппарат. Поворот головы во вращающейся среде вызывает неравномерное давление жидкости во внутреннем ухе [22:11]. Это провоцирует тошноту и головокружение, известные как «канальная болезнь» [22:41]. Грейбил и другие исследователи проводили опыты в комнатах с медленным вращением на Земле [23:01]. Они установили следующие лимиты: 1. Ниже **2 оборотов в минуту (rpm):** Человек адаптируется легко. 2. От 2 до 6 rpm: Требуется несколько дней для привыкания. 3. Выше 6 rpm: Большинство людей не могут адаптироваться и страдают от постоянной тошноты [23:24]. Однако земные эксперименты искажены гравитацией планеты. На Земле сила Кориолиса толкает человека вбок, а в космосе она будет действовать вверх или вниз [24:41]. Теодор Холл предполагает, что в космосе люди смогут переносить вращение со скоростью **10 rpm** и выше [26:30]. Это позволило бы строить гораздо более компактные и дешевые станции. ## 🏗️ Стабильность и современные концепции [[JUMP:27:01]] Форма станции критически важна для её устойчивости. Цилиндр О’Нилла вращается вокруг малой оси, что делает его склонным к кувыркам (эффект Джанибекова) при малейшем смещении масс внутри [28:40]. Чтобы избежать катастрофического кувыркания, О’Нилл предлагал использовать два цилиндра, вращающихся в противоположных направлениях [29:10]. Тор Стэнфорда лишен этой проблемы, так как вращается вокруг главной оси [29:28]. В 2011 году Холдерман и Хендерсон представили проект **Nautilus-X** [29:49]. Это надувной тор, который можно было бы прикрепить к МКС для проверки искусственной гравитации. Стоимость демонстратора оценивалась в **100 миллионов долларов** [30:05]. Кирк Соренсен в 2005 году предложил еще более простой вариант: жилой модуль, соединенный тросом с противовесом [30:18]. Изменяя длину троса, можно регулировать силу гравитации, подобно тому как фигурист управляет скоростью вращения, прижимая или вытягивая руки [30:32]. Пока ни один из этих проектов не получил финансирования, и сроки создания полноценной системы искусственной гравитации остаются неопределенными [30:48].