Gravitatia artificială (uneori denumită pseudogravitatie) este crearea unei forțe inerțiale care imită efectele unei forțe gravitaționale, de obicei prin rotație.
Gravitatia artificială sau gravitația de rotație este, prin urmare, apariția unei forțe centrifuge într-un cadru de referință rotativ (transmiterea accelerației centripetale prin forță normală în cadrul de referință care nu se rotește), spre deosebire de forța experimentată în accelerația liniară, care prin principiul echivalenței, nu se distinge de gravitație.
Într-un sens mai general, „gravitația artificială” se poate referi, de asemenea, la efectul accelerației liniare, de ex. cu ajutorul unui motor rachetă.
Gravitația simulată în rotație a fost utilizată în simulări pentru a ajuta astronauții să se antreneze în condiții extreme. Gravitația simulată a fost propusă ca o soluție în zborul spațial uman la efectele adverse asupra sănătății cauzate de lipsa de greutate prelungită.
Cu toate acestea, nu există aplicații practice actuale în spațiul exterior de gravitație artificială pentru om, din cauza preocupărilor cu privire la mărimea și costul unei nave spațiale necesare pentru a produce o forță centripetă utilă, comparabilă cu forța câmpului gravitațional de pe Pământ (g).
Forta centripeta
Gravitatia artificială poate fi creată folosind o forță centripetă. O forță centripetă îndreptată spre centrul virajului este necesară pentru ca orice obiect să se deplaseze pe o cale circulară. În contextul unei stații spațiale rotative, forța normală oferită de coca navei spațiale este cea care acționează ca forță centripetă.
Astfel, forța „gravitațională” resimtita de către un astronaut, este forța centrifugă percepută în cadrul rotativ de referință ca îndreptată „în jos”, spre scaun. În conformitate cu Legea a treia a lui Newton, valoarea mică a g (accelerația „descendentă” percepută este egală ca mărime și opusă în direcție accelerației centripetale).
Mecanism
Din punct de vedere al subiectilor (astronauti) care se rotesc cu habitatul, gravitația artificială prin rotație se comportă în anumite moduri în mod similar cu gravitația normală, dar cu următoarele diferențe:
- Forța centrifugă variază cu distanța: Spre deosebire de gravitația reală, care atrage spre un centru al planetei, forța centrifugă aparenta simțită de observatorii din habitat împinge radial spre exterior din centru și presupune o rată de rotație fixă (viteză unghiulară constantă), astfel, forța centrifuga este direct proporțională cu distanța de centrul habitatului.
- Cu o rază de rotație mică, cantitatea de gravitatie resimțită la nivelul capului ar fi semnificativ diferită de cea resimțită la picioarele cuiva. Acest lucru ar putea face mișcarea și schimbarea poziției corpului foarte dificila. În conformitate cu fizica implicată, rotațiile mai lente sau razele de rotație mai mari ar reduce sau elimina această problemă.
- În mod similar, viteza liniară a habitatului ar trebui să fie semnificativ mai mare decât viteza relativă cu care un astronaut își va schimba poziția în interiorul acestuia. În caz contrar, mișcarea în direcția de rotație va crește gravitația resimțită (în timp ce se mișcă în direcția opusă) până la punctul la care ar putea să creeze probleme.
- Efectul Coriolis dă o forță aparentă care acționează asupra obiectelor care se mișcă în raport cu un cadru de referință rotativ. Această forță aparentă acționează în unghi drept față de mișcare și axa de rotație și tinde să curbeze mișcarea în sens opus cu spinul habitatului.
- Dacă un astronaut din interiorul unui mediu gravitațional artificial rotativ se deplasează spre sau departe de axa de rotație, va simți o forță care îi împinge spre sau departe de direcția de rotire. Aceste forțe acționează asupra urechii interne și pot provoca amețeli, greață și dezorientare. Lungirea perioadei de rotație (viteza de rotire mai lentă) reduce forța Coriolis și efectele acesteia.
- În general, se crede că la 2 rpm sau mai puțin, nu vor apărea efecte adverse din partea forțelor Coriolis, deși s-a dovedit ca oamenii se pot adapta la viteze de până la 23 rpm. Nu se știe încă dacă expunerile foarte lungi la niveluri ridicate ale forțelor Coriolis pot crește probabilitatea de a obișnui organismul celui supus la aceste forte. Efectele inducătoare de greață ale forțelor Coriolis pot fi, de asemenea, atenuate prin reținerea mișcării capului.
Această formă de gravitație artificială presupune probleme suplimentare de inginerie:
- Energia cinetică și impulsul unghiular: Învârtirea în sus (sau în jos) a părților sau a întregului habitat necesită energie, în timp ce impulsul unghiular trebuie să fie conservat. Acest lucru ar necesita un sistem de propulsie și un propulsor consumabil, sau ar putea fi obținut fără a cheltui masa, de un motor electric și o contragreutate, cum ar fi o altă zonă de habitat care se învârte în direcția opusă.
- Este nevoie de o rezistență suplimentară în structură pentru ca aceasta sa nu se desprinda din cauza rotirii. Cu toate acestea, cantitatea de structură necesară pentru a menține o atmosferă respirabilă (10 tone forță pe metru pătrat la 1 atmosferă) este relativ modestă pentru majoritatea structurilor.
- Dacă părțile structurii nu se învârt în mod intenționat, frecarea și cuplurile similare vor determina convergența vitezei de rotire (precum și determinarea rotirii părților staționare), necesitând utilizarea motoarelor și a puterii pentru a compensa pierderile cauzate de frecare. .
- interfață traversabilă între părțile stației care se învârte una față de cealaltă necesită etanșe axiale mari.
Flux de spațiu echipat
Provocările inginerești ale creării unei nave spațiale rotative sunt relativ modeste cu oricare altă abordare propusă. Modelele teoretice ale navei spațiale care folosesc gravitația artificială au un număr mare de variante cu probleme și avantaje intrinseci.
Formula forței centripete presupune că raza de rotație crește odată cu pătratul perioadei rotative a navei spațiale, deci o dublare a perioadei necesită o creștere de patru ori a razei de rotație. De exemplu, pentru a produce o gravitație standard, ɡ0 = 9.80665 m / s2 cu o perioadă de 15 secțiuni a navei spațiale, raza de rotație ar trebui să fie de 56 m (184 ft), în timp ce o perioadă de 30 s ar trebui să fie 224 m (735 ft).
Pentru a reduce masa, suportul de-a lungul diametrului nu poate consta în altceva decât un cablu care leagă două secțiuni ale navei spațiale. Printre soluțiile posibile se numără un modul de habitat și o contragreutate formata din oricare altă parte a navei spațiale, în mod alternativ, putand fi atașate două module locuibile cu o greutate similară.
Oricare ar fi designul ales, ar fi necesar ca nava spațială să dețină anumite mijloace pentru a transfera rapid balastul dintr-o secțiune în alta, în caz contrar, chiar și mici schimbări de masă ar putea provoca o schimbare substanțială în axa navei spațiale, ceea ce ar duce la un pericol. O soluție posibilă ar fi ingineria sistemului de instalații sanitare pentru navele spațiale pentru a servi acest scop, folosind apă de băut și / sau apă uzată ca balast.
Nu se știe încă dacă expunerea la o gravitație ridicată pentru perioade scurte este la fel de benefică pentru sănătate ca expunerea continuă la gravitația normală. De asemenea, nu se cunoaște cât de eficiente ar fi nivelurile scăzute ale gravitației pentru combaterea efectelor adverse asupra sănătății.
Greutatea artificială la 0,1 g și o perioadă rotativă a navei spațiale de 30s, ar necesita o rază de numai 22 m (72 ft). De asemenea, la o rază de 10 m, o perioadă de puțin peste 6s, ar fi necesară pentru a produce o gravitație standard (gravitația ar fi cu 11% mai mare la picioare decat in zona soldurilor de ex.).
Dacă o expunere scurtă la o gravitație ridicată poate anula efectele nocive ale inpoderabilitatii, atunci o centrifugă mică ar putea fi utilizată ca zonă de exercițiu.
Beneficii pentru sănătate
Greutatea artificială a fost sugerată pentru călătoria interplanetară către Marte
Greutatea artificială a fost sugerată ca o soluție la diferitele riscuri pentru sănătate asociate cu circulația spațială. În 1964, programul spațial sovietic prevedea că un om nu poate supraviețui mai mult de 14 zile în spațiu din cauza că inima și vasele de sânge nu ar fi în măsură să se adapteze condițiilor lipsite de greutate.
În cele din urmă, această teamă s-a dovedit a fi nefondată, deoarece zborurile spațiale au durat până la 437 de zile consecutive, cu misiuni la bordul Stației Spațiale Internaționale care durează de obicei 6 luni. Cu toate acestea, problema siguranței umane în spațiu a lansat o investigație privind efectele fizice ale expunerii prelungite la lipsa de greutate.
În Iunie 1991, un zbor al Spacelab Life Sciences 1 a efectuat 18 experimente pe doi bărbați și două femei pe o perioadă de nouă zile. Într-un mediu fără gravitație, s-a ajuns la concluzia că răspunsul celulelor albe din sânge și masa musculară a scăzut.
În plus, în primele 24 de ore petrecute într-un mediu fără greutate, volumul de sânge a scăzut cu 10%. Perioadele lungi fără greutate pot cauza umflarea creierului și probleme ale vederii. La întoarcerea pe pământ, efectele nedorite ale lipsei de greutate prelungite continuă să afecteze corpul uman, deoarece lichidele se adună înapoi in corpul inferior, ritmul cardiac crește, apare o scădere a tensiunii arteriale și există o capacitate redusă de exercițiu.
Gravitatia artificială, datorită capacității sale de a imita comportamentul gravitației asupra corpului uman a fost sugerată ca una dintre cele mai cuprinzătoare maniere de combatere a efectelor fizice inerente mediilor fără greutate. Alte măsuri care au fost sugerate ca tratamente simptomatice includ exerciții, dietă și purtarea unor costume.
Cu toate acestea, critica acestor metode constă în faptul că acestea nu elimină pe deplin problemele de sănătate și necesită o varietate de soluții pentru a rezolva toate efectele negative. Gravitatia artificială, în schimb, ar îndepărta lipsa de greutate inerentă deplasării în spațiu.
Prin implementarea gravitației artificiale, călătorii spațiali nu ar trebui să experimenteze niciodată efectele secundare asociate. În special într-o călătorie modernă de șase luni pe Marte, expunerea la gravitație artificială este sugerată fie într-o formă continuă, fie intermitentă pentru a preveni debilitarea extremă a astronauților în timpul călătoriei.