§43. Проблема ускорения

 

Кроме вопросов, связанных с явлениями, возникающими при больших скоростей, имеются также вопросы, связанные с достижением таких скоростей. В связи с чем рассмотрим вопросы, связанные с неинерциальными системами отсчета. В частности, в связи с реализацией космических программ возникают как минимум два вопроса.

1. Компенсация перегрузок. При реализации межпланетных программ важной задачей будет совершение межпланетных полетов в по возможности более короткие сроки. В связи с чем возникает задача быстрого достижения высоких скоростей. то есть движения космических кораблей с высокими ускорениями. Однако возникающие перегрузки способны нанести биологический ущерб космонавтам. Поэтому приходится выбирать между перегрузками и длительным временем полета.

Для примера проведем расчет. Возьмем для примера самый крайний случай: когда космический корабль до середины траектории постоянно ускоряется, а на второй половине траектории постоянно замедляется. Будем также считать, что наша траектория самая короткая, т.е. прямолинейная. Пусть общее растояние полета - S, тогда длина трассы ускорения составляет S/2, и такова же будет длина трассы замедления. Пусть величина ускорения (равно как и величина отрицательного ускорения на участке замедления) равно ускорению свободного падения g (величину которого для оценочных расчетов возьмем примерно равной 10 м/с²). Связь между временем ускорения (замедления) и длиной траектории в этом случае будет выражаться известной формулой: S₁=gt₁²/2 (где S₁ и t₁ - это половина длины полета и половина общего времени). Тогда время ускорения (замедления) будет равно t₁ = Ö(2S₁/g), а общее время будет равно t = 2Ö(S/g).

Например, для случая полета к Луне, расстояние до которой равно 384400 км:

t = 2Ö(384400000 / 10) = 2Ö38440000 = 12400 сек =  3 часа 27 минут. Это время еще приемлемое, но и то для пассажирских рейсов может показаться чрезмерным. Максимально достигаемая скорость при этом будет равна v = gt/2 = 62 км/сек.

Или для случая полета к Марсу. Минимальное расстояние между Землей и Марсом составляет 50 млн км (50 млрд м). Время полета в этом случае составит: t = 2Ö(50000000000 / 10) = 2Ö5000000000 =  141400 сек = 1,62 суток. Такая величина может быть очень хороша для исследовательских рейсов (особенно по контрасту с нынешними проектами, где время полета исчисляется сотнями суток), но уже никуда не годится для будущих регулярных транспортных рейсов. Надо сказать, что в этом случае максимально достигаемая скорость будет равна v = gt/2 = 700 км/сек, что составляет лишь 0,23% от скорости света.

Отметим, однако, что в этих примерах мы имели дело лишь с крайними случаями. В случае тех же полетов к Марсу в большинстве случаев придется иметь дело с более далекими расстояниями, кроме того, траектория полетов далеко не всегда будет прямолинейной. Кроме того, исходя из особенностей технологии запуска и приземления космических аппаратов, более целесообразны взлет и посадка с ускорением, значительно большим, чем g и достижение еще более высоких скоростей, а на большей части траектории - полет с высокой скоростью (возможно, приближающейся к световой, а на дальних трассах в Солнечной системе и на будущих межзвездных трассах - и на сверхсветовой). При этом ускорение при взлете и при посадке должно будет превышать ускорение свободного падения во много раз (возможно, на порядки), и необходимо продумать механизмы компенсации этого ускорения[1].

2. Компенсация силы тяжести. При разработке межпланетных проектов (например, при планировании строительства лунных баз) необходимо принимать во внимание, что сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. В связи с чем могут возникнуть проблемы: например, те, кто будет долго жить на лунных базах (или, тем более, если родятся там), для них будет естественным образом жизни нахождение в поле тяжести, в 6 раз меньшим, чем на Земле, и к жизни на Земле такие люди будут уже не приспособлены. Это создаст проблемы при контактах между колонистами с разных планет. Поэтому необходимо разработать механизм, как обеспечить на лунных базах земную силу тяжести.

Решение этих проблем было бы абсолютно простым в случае, если бы был абсолютно верен принцип эквивалентности. В этом случае можно было бы решить обе эти проблемы простыми техническими средствами. Например, в качестве "дна" базы можно было бы использовать устройство, создающее центробежную силу. Возможен был бы и достаточно фантастический вариант: большое количество космических кораблей, регулярно связывающих лунную базу с Землей, своим большим ускорением создают поправки в поле тяжести. Однако в принципе эквивалентности есть серьезный изъян: в то время как гравитационное поле передется через пространство, то сила инерции, пусть даже и эквивалентная этому полю, ожет передаваться только через опору или подвес. Таким образом, возникает новая физическая задача.

Что касается компенсации ускорения космических кораблей, то можно предложить два технических приема. Первый - это уже описанный в двух предыдущих параграфах импульсный принцип. Если, например, один раз в секунду в течение 0,01 сек будут совершаться импульсы ускорения по 1000g, то фактическое ускорение корабля будет составлять 10g, а его биологическое действие, вероятно, будет значительно меньше. В одной из гипотез, посвящённых конструкции «летающих тарелок» в воздушном пространстве, описывается такой механизм: «сделать удары по воздуху более короткими, но более частыми, амплитуду колебаний свести к минимуму». Подробные расчеты данного механизма приведены в соответствующей главе учебного курса "Космонавтика"

Второй механизм компенсации ускорения состоит в том, что если капсулу с пассажирами корабля поместить в жидкость, плотность которой в точности равна средней плотности этой капсулы, то пассажиры не будут ощущать толчков ускорения. Иллюстрацией к этому явлению может служить опыт со свечой. Плотность газа в пламени меньше, чем плотность окружающего воздуха, поэтому при движении свечи с ускорением пламя отклоняется не в сторону, противоположную движению, как это должно быть, а в направлении движения (аналогичным образом будут вести себя воздушные шары, которые легче воздуха). Если бы плотность пламени или шаров была бы равна плотности воздуха, то они бы никак не реагировали на ускорение. Аналогичный прием используется при тренировке космонавтов в гидробассейнах на явление невесомости.

Вообще говоря, в современной физике неинерциальных систем нагромождено много неопределенности, усугубленной общей теорией относительности (например, никто не догадался экспериментально проверить следующее: если электрический заряд падает в гравитационном поле с ускорением свободного падения, то будет ли он испускать электромагнитное излучение, как ускоренное тело, или же не будет в силу принципа эквивалентности, т.к. неподвижный заряд, находящийся в поле тяжести, не излучает). Также нет определенности в вопросе о том, является ли ускорение абсолютной или относительной величиной при переходе от одной системы отсчета к другой. С одной стороны, скорость относительно, а ускорение – это производная скорости. С другой стороны – ускорение есть проявление физических сил, которые носят абсолютный характер, вытекающий из законов сохранения. Этот вопрос является дискуссионным между конкурирующими течениями. Автор «релятивистской теории гравитации» А.Логунов писал: «согласно РТГ пространство-время описывается псевдоевклидовой геометрией (пространство Минковского), а поэтому имеют место все законы сохранения энергии-импульса и момента количества движения. Принцип относительности Пуанкаре строго выполняется, а следовательно, ускорение имеет абсолютный смысл. В ОТО ситуация другая. Эйнштейн в 1929 г. писал: “Исходным пунктом теории служит утверждение, что не существует физически выделенного состояния движения, т. е. не только скорость, но и ускорение не имеет абсолютного смысла»

 Необходимо с учетом всех сделанных выше выводов навести порядок в теории ускоренного движения.

В продолжение темы:
В лаборатории достигнуто ускорение твердого теда в 10 млрд g

 

к оглавлению