Центробежное тяготение

Материал из Викитропов
Перейти к навигации Перейти к поиску
Если вас всегда удивляли округлые циклопические космостанции, то вы по правильному адресу зашли!

Как так-то?! В космос вышли, а гравитонами не могут насытить нежные человеческие ткани! Никакой вам искусственной гравитации, говорят, братцы. Выкручивайтесь как-нибудь так.
И остаётся простое решение, известное ещё Ньютону. Если хорошенько раскрутить какую-нибудь штукенцию, то всё, что на ней есть, полетит к краю. А если эта штукенция ещё и летает в бескрайних просторах космической невесомости, то мы получим наш троп.

Действительно, получить центрифужную (или центробежную) силу тяжести вполне возможно уже сейчас, ну вы гляньте хотя бы на, эм, центрифуги! Это относительно дёшево, а техническая простота зашкаливает: использовать такое во времена удержания антиматерии в магнитных полях кажется анахронизмом, но как-то так случилось, что не придумало человечество ещё по-настоящему искусственных гравитационных полей.

Троп нашёл применение в твёрдой научной фантастике. Хотя бы по причине, описанной выше: это реально и дёшево.

Пятиминутка реальности

При вращательном движении создается центростремительное ускорение (которое и заставляет тела двигаться по окружности, а не по прямой). Именно это ускорение и создает нужную нам «центробежную силу» и равно оно:

a = ω2R = v2⁄R
Для знакомых с английским языком крайне рекомендуется этот калькулятор.

где a — желаемое ускорение свободного падения, ω — частота вращения в рад/с, v — поступательная скорость обода в м/с, и R — радиус вращения. И тут мы переходим к проблемам центробежной гравитации (вполне решаемым, впрочем).

  • Во-первых, центробежная сила зависит от радиуса, а это значит у стоящего на ногах человека голова будет чуть легче ног. Чтобы разница не ощущалась — нужно увеличивать радиус вращения. Кроме того, сила тяжести будет зависеть от скорости не просто стенок, а объектов в центрифуге. Если мы будем двигаться против вращения достаточно быстро — взлетим. Но поскольку нам нужно радиус центрифуги побольше — скорость всё равно придется наращивать. Итак, в бублике двухкилометрового диаметра перепад гравитации «голова-ноги» будет меньше процента, а для создания привычных 9,8 м/с2 потребуется скорость обода бублика в 100 м/с — бегать можно в любую сторону, но при езде на мотоцикле разницу можно и заметить.
Проблема чаепития в центрифуге грамотно раскрыта в сериале The Expanse
  • К сожалению, все тот же эффект действует и на человеческие телодвижения: до адаптации возможны проблемы с базовой моторикой. Гораздо хуже то, что эти же силы действуют еще и на вестибулярный аппарат — и при достижении определенного критического значения вызывают тошноту и прочие неприятные эффекты. Точные цифры — довольно спорный вопрос, по одним данным крайне нежелательно вращение центрифуги быстрее 3-4 оборотов в минуту, что ограничит минимальный диаметр центрифуги 100—200 метров, по другим исследованиям все не так плохо — если центрифуга будет набирать обороты постепенно и не очень быстро, человек легко адаптируется и к 7-10 оборотам в минуту, что позволит делать сравнительно небольшие в диаметре (20 метров) обитаемые кольца. Конечно, совсем не обязательно стремиться к гравитации в 1g — возможно (и гораздо проще) сделать центрифуги на 0,7, 0,5 или даже 0,3g — в настоящее время наука еще не знает, какова минимально необходимая сила притяжения для предотвращения негативных последствий невесомости на организм в длительном полёте: у нас огромная база эмпирических наблюдений по полной невесомости (0g) и по земной гравитации (1g), однако почти ничего — по промежуточным вариантам. Авторам фантастических произведений это может дать пространство для допущений в рамках науки.
  • Если центрифуга — не на неподвижной орбитальной станции, а на космическом корабле, развернуть (ориентировать) корабль в сторону становится сложно из-за гироскопического стабилизирующего эффекта нашей огромной бандуры. А если центрифуга составляет большой процент от массы корабля — то становится значительным влияние гироскопической прецессии. Решений тут, по большому счету, два: либо мы делаем сразу две центрифуги, вращающиеся в противоположных направлениях, либо к ней необходим противовращающийся маховик той же массы.

Примеры

Литература

  • «Врач космического корабля» Гарри Гаррисона — космический корабль «Иоганн Кеплер», на котором происходит действие повести, представляет собой «баскетбольный мяч и барабан, связанные топливопроводом», если пользоваться аналогией, приведённой одним из персонажей. В шаре находятся реакторный отсек и машинное отделение, а во вращающемся вокруг центральной оси барабане — несколько палуб, с гравитацией от 1 «же» на нижней (внешней) палубе и до негерметичного трюма с нулевой гравитацией в центре. Никаких эффектов гироскопа Гаррисон не упоминает. Зато есть момент, когда главный герой вручную корректирует ось вращения, смещенную после столкновения с метеороидом.
  • «Вспомни о Флебе» Иэна Бэнкса — обыграно нестандартно. События части романа происходят на громадной Орбитали — астроинженерной конструкции в разы больше планеты, но в разы меньше Мира-Кольца. Центробежное тяготение неотличимо от настоящего, что играет с одним из персонажей злую шутку. Включив антигравитационный ранец, он уверенно прыгает в окно надстройки многоэтажного океанского лайнера… Шмяк! Нет гравитационного поля, ранцу не от чего отталкиваться!
  • «Звёзды — холодные игрушки» С. Лукьяненко — на станции Дельта при помощи вращения корпуса создается мизерная гравитация. Главный герой, побывавший на более совершенных кораблях Чужих, видит в этом натуральный вариант для бедных.
  • «Игра Эндера» О. С. Карда — субверсия. Детям, тренирующимся на космической станции, говорят, что тяготение на станции создаётся её вращением, а в боевых отсеках невесомость просто потому, что они не вращаются вместе со станцией. Но дети быстро находят дыры в этом объяснении и приходят к выводу, что, видимо, уже изобретены и используются гравигенераторы. Так и есть.
  • «Как рыбы в воде» Айзека Азимова — эталон, хранить вечно. На Пятом космическом поселении возникла проблема с рекламой: это место работы, но не дом — из-за побочных явлений силы Кориолиса. Частоту вращения — и силу — можно уменьшить, но уменьшится и тяжесть, и тогда космонавтам нужны постоянные тренировки. А чтобы тренировки разрекламировать, модельера попросили спроектировать новые крылья… Он сконструировал дельфиний костюм, который использует мускульные усилия всего тела, чтобы передавать их на крылья-плавники, тем самым не перегружая мышцы рук.
  • «Лучший экипаж Солнечной» О. Дивова — каждый космолёт (в книге описываются лишь боевые, ибо это история о межпланетной войне, но не указано, что на гражданских по-другому) состоит из «неподвижной» внешней оболочки (броня, там же находятся пушки, двигатели, реакторы и прочее, и прочее), вращающейся внутренней рабочей зоны (где, собственно, и сидят бравые астронавты — за исключением бригады техников, лазающих по любым закоулкам) — и центрального ствола («разгруженной зоны»), где проходят некоторые коммуникации — и где таки невесомость. Как на активные манёвры (типа «развернуться на маневровых вокруг поперечной оси и ударить ради торможения запущенными на полную мощь маршевыми») боевых кораблей влияет эффект гироскопа, в книге не указано — однако вращение является единственным способом обеспечить гравитацию на корабле любого размера от дестроера («эсминца») до мегадестроера (способного в одиночку раздолбать вдребезги и напополам целую эскадру).
  • «Марсианин» Э. Вейра — межпланетный корабль Гермес использует такой подход для поддержания здоровья космонавтов. Как и в Пасынках Вселенной, в центральной рубке гравитации почти нет, а вот в удалённых спальнях можно комфортно отдыхать.
  • «Мир-Кольцо» Ларри Нивена — угадаете, как на этом Кольце получают гравитацию? Именно путём вращения кольца. Поскольку кольцо астрономически огромное, всех проблем центробежного тяготения удается избежать, и оно становится практически неотличимо от истинной гравитации.
  • «Пасынки Вселенной» Р. Хайнлайна — чем дальше от центра корабля (или мира — не все обитатели помнят, что они вообще-то летят в космосе), тем сильнее гравитация. Мьюты живут почти в полной невесомости.
  • «Пространство» Дж. Кори — корабли летают с постоянным ускорением, а при отсутствии оного экипаж пользуется магнитными ботинками. А вот на станциях используется активно, умудрились раскрутить даже астероид Церера — попробуйте на досуге посчитать, какая для этого нужна энергия.
  • «Проект „Аве Мария“» Энди Уира — заглавный звездолёт фактически представляет собой одну большую центрифугу-трансформер для создания сабжа. По прилёте к месту назначения, после отключения двигателей, он расстыковывается на двигательный и обитаемый отсеки, соединённые тросами регулируемой длины, после чего эта система раскручивается. Такой дизайн позволяет получить центрифугу с достаточно большим радиусом, чтобы не беспокоиться об эффекте Кориолиса, и при этом сохранить вменяемые размеры корабля, без монструозных жёстких обручей или гантелей. Ну а если надо куда-то лететь, то можно затормозить вращение, смотать тросы и состыковать отсеки обратно. Понадобилась она из-за того, что научное оборудование, без которого миссия была бы бессмысленна, не рассчитано на работу в невесомости, и разработчики решили, что проще и быстрее построить центрифугу, чем делать космическую версию каждого научного прибора. Опять же, общий уровень новизны ниже и точек отказа меньше. В принципе, так и получилось, но нештатные ситуации всё же были, в частности, главгерою пришлось на себе испытать, что бывает, если центрифуга крутится слишком быстро и при этом имеет слишком маленький радиус.
  • «Прыжок в ничто» А. Беляева — вначале «Ковчег» раскручивали как юлу: концы корабля описывают круги, и в них появляется слабенькая сила тяжести, середина оставалась в невесомости. Потом собрали мусор (пустые топливные канистры), привязали к кораблю длинным тросом, и при помощи реактивного ранца в скафандре один из космонавтов закрутил груз вокруг корабля; сам «Ковчег», соответственно, начал тоже описывать круги как стакан, который перемещают круговыми движениями по столу, при этом центробежное тяготение оказалось равномерно распределено по всей его длине. Это положительно сказалось и на оранжерее (источнике кислорода и пищи), соединённой с ним тросами и трубами для подачи воды и воздуха: растения в привычных условиях разобрались, где верх и низ, и стали расти нормально. Впрочем, через какое-то время криворукий пассажир полез к управлению и нечаянно включил двигатель на задний ход, в результате чего система из трёх тел распалась, а оранжерея от рывка получила повреждения, которые нельзя было исправить.
  • «Свидание с Рамой» А. Кларка — инопланетный звездолёт (скорее уже искусственный мир) Рама, полый внутри цилиндр, поддерживает гравитацию именно с помощью вращения. Однако из-за циклопических размеров и массы (по продольной оси он достигает десятков километров, толщина обшивки — тоже многие сотни метров) он и сам обладает пусть мизерной, но силой тяжести, добавляющей доли процента к «центробежному тяготению» и позволяющей кораблю землян худо-бедно, но сесть на передний торец Рамы.

Кино

  • «Дальний космос» («Stowavay») — трейлер фильма обфыркали за наличие в корабле гравитации и отсутствие «кольца», а зря — гравитация здесь создается путем привязывания корабля за веревочку к сброшенному разгонному блоку и раскручиванию вокруг общей оси. Сам Скотт Мэнли консультировал.
  • «Космическая Одиссея 2001» — Кубрик активно эксплуатирует троп с операторской точки зрения (и, надо отметить, вращающееся под музыку вальса «Голубой Дунай» Штрауса гигантское «колесо» орбитальной станции — одно из самых великолепных зрелищ в кинофантастике). Плюс, не стоит забывать, что обе космические станции в фильме используют центробежную гравитацию. А там, где такой гравитации нет (например, в шаттлах) — Кубрик даёт крупным планом космическую спецобувь на «липучках».

Телесериалы

  • «Вавилон-5» — земляне в отличие от многих других цивилизаций не владеют технологиями искусственной гравитации, поэтому их корабли и станции, включая собственно «Вавилон-5», полностью или частично вращаются. В некоторых сериях это оказывается важно для сюжета.

Аниме и манга

  • Cowboy Bebop — крупные корабли и космические станции, показанные в сериале, пользуются именно центробежным ускорением для создания силы тяжести. Своя центрифуга есть и у «Бибопа», корабля героев: все жилые отсеки расположены внутри вращающейся части корпуса, а ангар и складские помещения находятся в невесомости, что очень удобно для переноса массивных грузов.
  • Gundam — почти во всех сеттингах космические колонии представляют собой различные вращающиеся конструкции многокилометровых размеров. Также центробежные генераторы тяготения установлены на крупных космических кораблях с большой автономностью. К примеру, в «Зете» на «Юпитрисе» Юпитерианского энергетического флота стоит традиционное кольцо-центрифуга, а на «Аргаме» из AEUG установлена гораздо более занятная конструкция с двумя плечами, вращающимися поперёк оси корабля. На их законцовках установлены жилые отсеки для экипажа, а перед боестолкновением плечи складываются внутрь бронекорпуса. Таким образом, большая часть «Аргамы» всегда находится в невесомости, включая склады и ангар, что очень удобно для обслуживания многотонных мобильных доспехов. Только в таймлайне Post Disaster центрифуги не нужны, поскольку «реакторы Ахаба», местные волшебные двигатели, среди прочих преимуществ представляют и бесплатную искусственную гравитацию.

Настольные игры

  • BattleTech — несмотря на то, что человечество в рамках сеттинга смогло разработать технологию сверхсветового перемещения, его успехи в создании искусственной гравитации оказались гораздо более скромными: на звездолётах и орбитальных станциях сила тяготения есть только на пафосно называемых «гравитационных палубах», которые представляют собой именно что вращающиеся сегменты конструкции. При этом такой «роскошью» могут похвастаться только наиболее крупные межзвёздные корабли — всякая мелочь вынуждена использовать сильное ускорение, чтобы создать псевдогравитацию и не дать мышцам и костям экипажа и пассажиров превратиться в кисель из-за постоянной невесомости.

Видеоигры

  • Elite — судя по названию станции «Кориолис», крутятся они именно что по заветам дедушки Кларка, что усложняет стыковку. В версиях под более простые компьютеры стыковочный автомат работает закадрово, под IBM — вы можете откинуться на спинку и насладиться его работой под всё тот же кубриковский «Дунай».
  • Galactic Civilization 2 — до определённой поры (до открытия искусственной гравитации), станции будут использовать троп.
  • IXION — «Тиккун», «Протагор» и «Этеменанки», имея конструкцию Стэнфордского тора, использовали центробежное тяготение для обеспечения искусственной гравитации.
  • Kerbal Space Program — в ванильной игре можно сделать центрифугу самому, но нужна она лишь для красоты и для избавления от лишних FPS, так как здоровье кербалов в стоке не моделируется, у них есть только два состояния «живой» и «мёртвый», и они могут пребывать в невесомости неограниченное время без вреда для себя. В модах есть готовые центрифуги на любой вкус.
  • Mass Effect совершенно неожиданно использует тему статьи для центрального объекта трилогии — Цитадели! Если верить лору, хоть везде и используется искусственная гравитация, на Цитадели благодаря центробежной достигается комфортный для разных видов перепад от 1g до 0,3g.
  • «Космические рейнджеры» — судя по всему, гравитоны используются активно для захвата грузов и гравитационного оружия, но станции и в 3000+ годах продолжают поддерживать искусственную гравитацию по рецептам предков.

Реальная жизнь

  • Существует проект космического корабля Nautilus-X, где предполагается создание «гравитации» от 0,11 до 0,69 g в «спальном» модуле именно за счет вращения оного. Правда, денег туда ухнуто уже много, а результата, судя по всему, так и нет.
Внешние ссылки
TV Tropes Centrifugal Gravity
Источник — https://wikitropes.ru/w/index.php?title=Центробежное_тяготение&oldid=368281