Kan vi simulera gravitation?

Anonim

Att skapa gravitation utan massa är som att skapa apelsin utan gul; det kan inte göras. Av denna anledning kan man inte skapa gravitation, utan bara simulera den genom att utsätta astronauten för krafter som efterliknar dess effekt. Ett sätt att göra detta är att placera en astronaut i en berg-och dalbana.

Acceleration är nyckel

Einstein hade en epiphany. Han insåg att utan ett fönster skulle mannen inte kunna skilja huruvida hissen faller under påverkan av jordens gravitation eller helt enkelt flyter i tomt utrymme, helt isolerat i universets mest avlägsna hörn: i båda fallen skulle han känna viktlös. Detta är kärnan i Einsteins uppseendeväckande upptäckter: allt är relativt

.

och acceleration är nyckeln.

I Einsteins egna ord: "Det finns inget experiment som du kan göra för att skilja mellan effekterna av ett enhetligt gravitationsfält och för likformig acceleration." Med andra ord skulle en astronaut inte kunna särskilja den nedåtgående dragkraft som upplevs i ett rymdskepp accelererar uppåt vid 9, 8 m / s² från den kraft med vilken jorden drar astronauten på dess yta. På så sätt simulerar effekten, medan rymdskeppet inte skapar gravitation. Om det inte var för linjär acceleration, skulle du inte kännas fast på din plats eller tryckas i motsatt riktning för accelerationen när bergbanan raser nerför en sluttning.

Medan linjärt accelererande ett rymdskepp är ett smutsigt sätt att simulera tyngdkraften, låt oss inte glömma att det uppnås på bekostnad av bränsle. Kom ihåg att boostersna inte kan lätta på för ett ögonblick, för i det ögonblicket, enligt Newtons första lag om rörelse, kommer rymdskeppet att börja resa med konstant hastighet. Med ingen acceleration blir passagerarna viktlösa. Således, om boosterna avfyras periodiskt, måste astronauterna förvänta sig en obehaglig åktur i vilka korta viktperioder är klämda mellan abrupta perioder av viktlöshet.

Centrifugalkraften

På samma sätt som centrifugalkraften tappar vattnet till hinkens yta, kan det också sticka passagerarna i ett roterande rymdskepp till dess sidor och yta. Om du undrar varför uthålligheten var rasande i filmen Interstellar gjorde det så att simulera gravitationen med den centrifugalkraft som härrörde i processen. Majoriteten av NASAs gravitationssimulerande prototyper "rullar" framåt eller "snurrar" på plats. Så

.

. vad är haken?

Acceleration, som nämnts, är nyckeln. Rotations- eller vinkelacceleration är en produkt av radie eller avståndet mellan en passagerare och rotationsaxeln, såväl som vinkelhastigheten. Dessa två variabler erbjuder oss två begränsningar.

Med tanke på att hastigheten är konstant, för en stor radie är accelerationen stor, liksom den simulerade tyngdkraften, men att bygga ett stort rymdskepp är dyrt. Å andra sidan, med tanke på att radien är konstant och företrädesvis liten, för en stor vinkelhastighet, blir den gravitation som simuleras inte lika fördelad. Om planet är för litet, kommer även de minsta skillnaderna i avstånd att skapa märkbara effekter. För ett litet rymdskepp är gravitationen runt sitt huvud, på grund av dess avstånd från axeln, större än tyngdkraften runt ens fötter!

(Foto Credit: Interstellar)

Problemen slutar dock inte där. Säkert några rymdskeppshus maskiner som är farliga att röra sig. Med detta sagt, bidrar stationära föremål till friktion. Ingenjörer är därför skyldiga att konstruera maskiner eller känsliga instrument på ett sådant sätt att de kan rotera och fortfarande förbli intakta. Dessutom skulle inte plötsligt snurra stör ett rymdskepps omlopp? Motåtgärder skulle kräva att rymdskeppet ska spendera bränsle, så hela projektet kan visa sig vara skrattsamt ineffektivt.

Förhoppningsvis kommer ingenjörerna att inom den närmaste framtiden framgångsrikt bestämma rymdskepparnas optimala storlek och hastighet för att simulera tyngdkraften över långa planeten-till-planet distanser. Kanske kommer de att upptäcka en helt ny teknik för att göra det. Men varför måste NASA eller SpaceX spendera miljarder dollar på cartwheeling rymdskepp? Är det absolut nödvändigt? Eller är det en meningslös extravagans?

Varför är simulerad gravitation viktigt?

(Foto Kredit: Star trek)

I en serie av 18 försök som utfördes på två män och två kvinnor i en miljö utan gravitation, fann Spacelab Life Sciences att deras vita blodcellsvar och muskelmassa minskade. Om det inte var tillräckligt, minskade blodvolymen med bara 10% inom bara 24 timmar av viktlöshet. Och om det inte ens var tillräckligt, fortsatte effekterna av långvarig viktlöshet att besvära dem även efter att de återvände till jorden: när vätskor sipprade till sin underkropp steg deras hjärtfrekvens, så individer drabbades av blodtryck och minskad förmåga att träna.

Med tanke på farorna med långvarig viktlöshet, om det någonsin kommer att bli ett bemannat uppdrag till Mars, skulle simulerad gravitation vara oumbärlig för deltagarnas hälsa. Tekniker som är så sofistikerade, som Back to the Futures självbindande skor, är ofta först tänkta i science fiction. Men precis som Nike nyligen uppdaterade självbindande skor hoppas vi att NASA och SpaceX snart kommer att uppdatera simulerad tyngdkraft. Om inte med ett cartwheeling rymdskepp, kanske med en multimillion meter lång, interplanetär berg-och dalbana?