В наше время космические полеты становятся реальностью и мы уже готовимся к полетам на Марс и к другим планетам Солнечной системы. Поэтому многие проблемы таких полетов требуют теоретического обоснования уке на этапе подготовки таких полетов.
При продолжительных полетах к удаленным небесным телам экипажи космических кораблей вынуждены будут продолжительное время находиться в состоянии невесомости.
Это состояние далеко не безвредно для человеческого организма и поэтому предполагалось, что при дальних перелетах нужно будет создавать искусственное тяготение за счет предания вращения космическому кораблю (рис.1). При этом возникающие центробежные силы прижмут космонавтов к внешним стенкам кабины (рис.2). Впервые эта идея была высказана в 1895 году К.Э. Циолковским: "...жилищу человека, хотя бы в ракете, надо сообщить вращательное движение, тогда вследствие центробежной силы образуется кажущаяся тяжесть желаемой величины, в зависимости от размеров жилища и скорости его вращения".
На любое тело в пространстве действуют гравитационные и инерционные силы. Гравитация является проявлением неотъемлемого свойства вещества, его универсальным качеством. Любое тело как бы обладает неким гравитационным зарядом, создающим поле тяготения, проявляющим себя дистанно. Физически механизм его нам неизвестен, поэтому его характеристики и закономерности распространения определяются только результатами наблюдений и измерений. Инерционные силы отражают явления, наблюдаемые при перемещении тел. Как гравитационные, так и инерционные силы - объемные, то есть действуют одинаково на все части физических тел, они рассчитываются по тем же формулам и измеряются одними и теми же единицами (ньютон, дина, килограмм-сила). Поэтому мы часто не делаем различия между ними при рассмотрении характера их взаимодействия на физические тела. Следствием такого положения вещей явилось провозглашение принципа эквивалентности, который утверждает: инертная и тяжелая массы неотличимы (эквивалентны). Однако такое утверждение вызывает существенные возражения.
Рассмотрим такой случай. Поместим волчок в бесконечном удалении от каких-либо материальных тел и постараемся решить вопрос, вращается он или нет. Если волчок вращается, то должны проявляться центробежные силы, которые будут зависеть от числа его оборотов. Но это возможно установить только относительно какой-то среды или координатной системы, которую можно считать неподвижной. Как же определить эту среду или координатную систему и что значит "неподвижная"?
Почти триста лет назад Ньютоном была предложена концепция неподвижного или абсолютного пространства: "Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным". Центром абсолютного пространства Ньютон считал Солнце, а координатные оси направлялись к трем "неподвижным звездам".
В дальнейшем эта концепция претерпела некоторые изменения и уточнения. Солнце перестали считать центром абсолютного пространства, поскольку было установлено, что оно тоже перемещается относительно других звездных систем, но ориентировка координатных осей относительно "неподвижных звезд" была сохранена.
Таким образом Вселенная уподобляется некоему гигантскому аквариуму, ограничивающему абсолютное пространство, а следовательно, так называемые "неподвижные координаты" должны быть параллельны стенкам этого гигантского аквариума, о чем мы модем судить по положению "неподвижных звезд".
Но какие звезды следует считать "неподвижными" и почему? Да и существуют ли вообще во Вселенной неподвижные звезды? Не вводим ли мы в ранг основополагающей истины наши субъективные восприятия и предположения? Наверное разумнее допустить, что не существует ни абсолютного пространства, ни неподвижных звезд. Но относительного каких тогда координатных осей можно судить о вращении волчка, как в этом случае оценивать понятие прямолинейности движения и как рассчитывать действующие центробежные силы? Ведь ответы на эти вопросы можно получить только предполагая существование некой реальной неподвижной среды, определяющей пространство, относительно которой осуществляются эти действия.
При решении практических задач, связанных с проявлением инерционных и центробежных сил мы обычно пользуемся координатными осями построенными относительно центров конкретных гравитационных масс, например, планет или звезд, но не обращаемся к концепциям абсолютного пространства и "неподвижных звезд". Обычно в качестве расчетной координатной системы мы используем систему, привязанную к нашей планете, принимая ее за неподвижную, не учитывая при этом ни ее перемещения в пространстве, ни вращения, ни движения по криволинейной орбите. Но все это в непосредственной близости от Земли, а если мы перемещаемся в космосе, то центробежные и инерционные силы рассчитываются относительно координат привязанных к Солнцу. Ну а если за пределами Солнечной системы?
Для выяснения этого вопроса обратимся к примеру. Предположим, что в пространстве существуют две планеты (А и В), отстоящие друг от друга на значительном расстоянии (рис. 3) и вращающихся в разные стороны. Допустим, что на полюсе планеты А мы разместили неподвижный (относительно планеты) волчок (поз. 1). 0н будет вращаться вместе с планетой А, но по опыту Земли мы знаем, что никакие центробежные силы проявляться не будут. Допустим, что за происходящим мы наблюдаем из точки С. Предположим, что не изменяя состояния волчка мы переместим его в поз. 2. По мнению наблюдателя в точке С он будет продолжать вращаться со скоростью, соответствующей скорости вращения планеты А.
Но продолжим перемещение волчка к планете В. Когда он ее достигнет, сохраняя свое первоначальное состояние, то есть продолжая вращаться совместно с планетой А, то окажется, что он вращается относительно планеты В с суммарным числом оборотов (обороты планеты А + обороты планеты В). В соответствии с нашим земным опытом можно утверждать, что в этом случае проявятся в волчке центробежные силы, причем значительные по величине (удвоенное вращение). Как же объяснить происходящее, что повлияло на изменение величины центробежных сил, хотя состояние волчка оставалось неизменным?
Объяснение следует искать в изменении характера влияния на волчок гравитационных полей планет А и В. На рисунке 4 приведены графики изменения этих полей. На первом графике показаны раздельно их величины и указано различное направление их действия. В результате этого они частично взаимно уничтожают друг друга. На втором графике приводится результирующая диаграмма взаимодействия гравитационных сил.
В средней точке (О) между планетами А и В результирующий гравитационный вектор будет равен нулю. Видимо именно этот параметр является определяющим существование инерционных и центробежных сил.
Итак, если мы отказываемся от признания существования единого, неподвижного пространства, подобного уже упомянутому аквариуму, то необходимо найти ту среду, при перемещении относительно которой возникают инерционные и центробежные силы. На основании всего сказанного можно предположить, что такой локальной средой является результирующее внешнее гравитационное поле в данной точке пространства, при перемещении и вращении тел в котором, проявляются инерционные и центробежные силы, причем как вторичные. Интенсивность их будет соответствовать интенсивности результативного гравитационного поля в данной точке пространства в данный момент.
Вне гравитационного пространства поля, повидимому, инерционные силы вообще никак не проявляются. Поэтому если волчок вращать в области, где отсутствуют внешние гравитационные поля (например, точка О на рисунке 4), то никакие центробежные и инерционные силы проявляться не будут. Следовательно, единого "неподвижного" пространства во Вселенной не существует. Доказать это утверждение экспериментально пока невозможно, так как ни на нашей планете, ни в доступном для нас ее окружении нет областей, которые находились бы вне внешних гравитационных полей, то есть в районах, где результирующий гравитационный вектор был бы равен нулю, а создавать искусственно гравитационные поля мы пока не умеем.
Однако косвенные подтверждения этого теоретического вывода могут быть получены экспериментально без особого труда. Для этого достаточно провести измерения центробежных сил с помощью пружинных весов на летающих в космосе спутниках, и сопоставить полученные результаты с показаниями таких же весов при тех же оборотах в земных условиях. Поскольку результирующие гравитационные векторы на поверхности Земли и в Космосе не будут совпадать, то и показания весов должны быть несколько отличными.
Так, при удалении ракеты всего на два земных радиуса от поверхности планеты (около 13 тыс. км.), сила земного тяготения, а следовательно и центробежная, сила должны уменьшиться примерно в 10 раз, а при увеличении этого расстояния до 40 тысяч километров, интенсивность гравитационных и инерционных сил сократится уже в 50 раз. Поэтому если в этих условиях создать на космическом корабле условия аналогичные земным, то нужно будет заставить его вращаться с громадным числом оборотов, что не может не отразиться на условиях работы экипажа, ему будет очень трудно наблюдать за звездным небом и всем происходящем в космосе вокруг корабля.
В результате перемещения гравитационных масс в пространстве относительно друг друга, их результирующие (суммарные) гравитационные векторы могут изменяться во времени как по величине так и по направлению. Не исключено, что во Вселенной существуют зоны, где суммарный гравитационный вектор будет равен нулю и где инерционные силы проявляться вообще не будут. Здесь теряют смысл такие понятия как скорость, ускорение, вращение. Попавшие в эти зоны тела оказываются как бы вне пространства и времени. Такие зоны вероятно все время перемещаются в космосе в результате постоянного взаимодействия источников гравитации.
Поиск зон с нулевым результирующим гравитационным вектором в пространстве связан с решением задачи гравитационных взаимодействий нескольких тел. Пока эта задача в общем виде еще не решена. В 1772 году Лагранж предложил несколько частных случаев решения задач о взаимодействии трех тел в пространстве. В соответствии с этими исследованиями теоретически найденные им зоны принято было называть центрами либрации, или точками Лагранжа, однако практически эти зоны не были обнаружены, если не считать некоторые локальные туманности в районах, которые примерно соответствуют центрам либрации.
Исходя из изложенного, можно предположить, что для каждой точки пространства в данный момент существует только одна координатная система, которая может рассматриваться как "абсолютная" или "неподвижная". В ее основу должен быть положен результирующий, суммарный гравитационный вектор являющийся геометрической суммой всех гравитационных сил, действующих на тело в данной точке пространства в данный момент.
Любое физическое тело находится под гравитационным воздействием множества других тел. Влияние этих источников гравитации различно и зависит от массы тел и их гравитационной плотности. Так, например, в Солнечной системе основным источником гравитационных воздействий является Солнце. Его воздействие в сотни тысяч раз превосходит подобные влияния от других планет системы (не говоря уже о спутниках). Поэтому можно считать, что Солнце создает как бы единую гравитационную среду в определенном участке Вселенной, за счет чего вся Солнечная система может рассматриваться как нечто единое целое.
В таблице 1 приводятся средние значения величин солнечной гравитации действующей на Физические тела находящиеся на поверхности планет Солнечной системы.
| Расстояние от Солнца в миллионах км | Солнечное тяготение в м/сек2 | Соответствует планете Солнечной системы |
|---|---|---|
| 50 | 0,0534 | Меркурий |
| 100 | 0,0133 | Венера |
| 150 | 0,00053 | Земля |
| 200 | 0,0003 | Марс |
| 750 | 0,00002 | Юпитер |
| 1500 | 0,000005 | Сатурн |
| 3000 | 0,000001 | Уран |
Каждое физическое тело, находясь в зоне действия внешних гравитационных полей, является вместе с тем источником и некоторого собственного поля, которое по величине на близких расстояниях от поверхности тела может значительно превысить внешние поля. Примером этого может служить воздействие гравитационного поля нашей планеты на предметы, находящиеся на ее поверхности. В этих условиях земное тяготение оказывается в 1600 раз сильнее солнечного, хотя масса Солнца в 335.000 раз превосходит массу Земли, и уже на расстоянии в 260.000 километров от земной поверхности гравитационное воздействие Солнца становится больше земного, хотя расстояние от нашей звезды до Земли составляет около 150 миллионов километров.
В таблице 2 приводятся данные об изменении силы земного тяготения; ее физические тела в зависимости удаления их от центра нашей планеты.
| Расстояние от центра Земли в км | Земное тяготение в м/сек2 | Доля от тяготения существующего на поверхности Земли |
|---|---|---|
| 6.400 | 9,81 | 1,0 |
| 12.800 | 2,4 | 0,25 |
| 25.600 | 0,6 | 0,0625 |
| 35.400 | 0,28 | 0,03 |
| 64.000 | 0,096 | 0,01 |
| 128.000 | 0,0025 | 0,00026 |
| 260.000 | 0,00053 | 0,000054 |
| 640.000 | 0,0001 | 0,00001 |
| у Марса | 0,0000000016 | ------ |
| у Венеры | 0,000000006 | ------ |
Итак, при оценке числа оборотов космического корабля для создания необходимого искусственного тяготения предполагается исходить из наших земных параметров. Но центробежные силы зависят не только от геометрических размеров конструкции и числа ее оборотов, но и от интенсивности внешнего гравитационного поля, а оно при дальних космических перелетах будет непрерывно изменяться по мере удаления от материнской планеты и особенно от центральной звезды планетарной системы. По мере удаления от источника внешнего гравитационного поля необходимо будет непрерывно увеличивать обороты вращения корабля для достижения желаемого эффекта, а на существенных расстояниях от источника гравитации вращение вообще будет бесполезным.
Создание искусственного тяготения равного 9,81 м/сек2 за счет вращения кольцеобразного корабля диаметром в 30 метров потребует осуществлять вращение:
Исходя из изложенного можно утверждать, что создание искусственной гравитации на космических объектах за счет их вращения возможно, но только в пределах действия внешних гравитационных полей небесных тел, то есть в непосредственной близости от Земли, Солнца или других планет.
Но вместе с тем признание того, что инерционные силы являются производными от гравитационных и существенно сокращаются по мере удаления от источников внешних гравитационных полей позволяют внести весьма существенные коррективы в расчеты продолжительности полетов к далеким планетам.
Обычно при таких расчетах исходят из того, что при разгоне и торможении космический корабль не должен перемещаться с ускорениями, превышающими ускорение силы тяжести у поверхности Земли ( g = 9,81 м/сек2 ), так как в противном случае экипаж будет испытывать вредные и даже опасные перегрузки.
Это совершенно справедливо когда корабль перемещается в зоне действия мощных внешних гравитационных полей, но по мере удаления от этой зоны интенсивность инерционных сил будет сокращаться, а в зонах, где результирующий гравитационный вектор будет близок к нулю, инерционные силы практически не будут проявляться вообще. Но в этих условиях космонавты подвергнутся другой опасности. При отсутствии внешнего гравитационного поля, а следовательно и всяких гравитационных и инерционных воздействий, осложнятся или станут вообще невозможными обменные процессы протекающие в организме, что не может не отразиться на состоянии экипажа.
Если к этому еще добавить, что гравитационная плотность среды определяет еще и скорость течения времени, и что с увеличением гравитационной плотности ускоряется и течение времени и наоборот, то совершенно четко проявляются серьезные трудности с которыми столкнется человечество при дальнейших попытках освоения и исследования космического пространства и других планет и небесных тел.
ФОМИН ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Академик Российской Народной Академии Наук
и Международной Академии Геронтологии
