Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:22 • sest 21:31 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 23:11 • Sest 05:11 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 06:38 • Síðdegis: 18:56 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 00:39 • Síðdegis: 12:46 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: í daglegu lífi

Er bráðlega hægt að nota gerviþyngdarafl svo að menn geti gengið á venjulegan hátt í geimskutlum?

Þorsteinn Vilhjálmsson

Mönnum er eðlilegast að hreyfa sig við yfirborð jarðar þar sem þyngdarhröðun er yfirleitt nokkurn veginn hin sama, eða um 9,8 m/s2. Sú stærð er oft táknuð með bókstafnum g. Þyngdarkrafturinn á tiltekinn hlut er síðan massinn sinnum þyngdarhröðunin:
Þ = m g
Þegar hlutur er kyrrstæður verkar þessi kraftur á hann en jafnframt annar jafnstór frá undirlagi eða öðrum hlut í kring. Þyngdarkrafturinn eða þyngdarhröðunin á viðkomandi stað ræður þrýstingi og ýmiss konar innri kröftum í hlutum, og sömuleiðis fallhraða þegar hlut er sleppt þannig að enginn annar kraftur sé að verki.

Þegar farartæki ná miklum hraða eða fara langt burt frá jörðinni koma fram ýmiss konar frávik frá þeirri þyngd og þeirri hröðun sem við eigum að venjast í vistarverum sem eru annaðhvort kyrrstæðar við yfirborð jarðar eða hreyfast með jöfnum hraða. Þessi frávik geta valdið mönnum og öðrum lífverum margvísilegum erfiðleikum. Mestu skipta eftirtalin frávik:
  • Hröðun (hraðabreyting á tímaeiningu) eldflauga eða geimferja (-skutla) getur orðið mjög mikil eftir flugtak á leiðinni út úr lofthjúpnum.
  • Eftir að slökkt er á hreyflum geimfarsins hreyfist það í frjálsu falli sem kallað er. Allt sem inni í því er hegðar sér þá eins og í þyngdarleysi, miðað við geimfarið.
  • Ef geimför fara til annarra hnatta er þyngdarhröðun og þyngdarkraftur þar yfirleitt allt annar en hér á jörðinni. Hann getur bæði verið margfalt meiri en hér en líka margfalt minni og jafnvel afar lítill, til dæmis á smástirni.
Hröðunin í flugtaki getur valdið verulegu álagi á lifandi og dauða hluti í farartækinu og er gagngert reynt að búa svo um að það valdi sem minnstum skaða. Til dæmis er ekki gert ráð fyrir að menn leggi í gönguferðir við þessar aðstæður. Innan geimferjunnar verkar þetta nákvæmlega eins og hún væri stödd í sterku þyngdarsviði sem kallað er, það er að segja á svæði þar sem þyngdarkraftur á kyrrstæða hluti væri mjög mikill. Hlutir sem sleppt er detta á gólfið með miklu meiri hröðun en hér á jörðinni. Ef maður stigi á venjulega baðvigt mundi hún sýna margfalt meiri þyngd en hann er vanur. Og þá er ástæðulaust að setja orðið ‘þyngd’ í gæsalappir því að þyngd er hvort sem er breytileg eftir stað og öðrum aðstæðum og samkvæmt almennu afstæðiskenningunni er þessi þyngd í rauninni ekkert öðruvísi í eðli sínu en önnur (sjá meðal annars Er massi hlutar ekki sama og þyngd hans? og Hvað er átt við með sveigðu tímarúmi og hvernig tengist það aðdráttarafli?)

Ekki er hægt að losna undan þessari tegund "ofþyngdar". Geimfarið þarf að komast á mikinn hraða til að ná nógu langt frá jörðinni og við kunnum ekki önnur ráð til þess en að gefa því þessa miklu hröðun. Ekkert "gerviþyngdarafl" eða “andþyngd” getur breytt því. Svipað má segja um "náttúrlegan" þyngdarkraft frá þeim hnetti sem geimfar eða geimfarar eru stödd á hverju sinni; þar verður engu um hnikað til langframa. Um þetta má lesa nánar í svari sama höfundar við spurningunni Er hægt að búa til andþyngdarafl?

Þegar geimfarið er í frjálsu falli úti í geimnum ríkir hins vegar nær algert þyngdarleysi í hreyfingu lausra hluta inni í því miðað við það sjálft. Þetta ástand er stundum kennt við örþyngd (microgravity). Ef líkami manns er lengi í því ástandi án þess að neitt sé að gert, þá dreifast vökvar óeðlilega um líkamann, blóðrás og bein ganga úr skorðum, steinefni tapast úr beinum og svo framvegis. Reynt er að mæta þessu með sérstökum líkamsæfingum sem kosta bæði tíma og álag á burðarvirki. Örþyngdin veldur líka ýmiss konar erfiðleikum í störfum manna í geimfarinu.

Hins vegar er hægt að beita sérstökum ráðum til þess að líkja eftir þyngdarkröftum inni í geimfarinu án þess að hreyfing þess sem heildar raskist. Hér er fyrst og fremst átt við það að láta geimfarið snúast með einhverjum hætti. Til að mynda má hugsa sér að hafa geimfarið í laginu eins og kleinuhring eða hringfeldi (torus) eins og hann er kallaður í stærðfræðinni. Geimfarið er síðan látið snúast um ás hornréttan á hringinn. Þetta var til dæmis gert í kvikmynd Stanley Kubricks, 2001.

Lausahlutir inni í geimfarinu leita yst í hringinn vegna tregðu sem kallað er, það er að segja vegna viðleitni sinnar til að fylgja beinni línu þegar engir kraftar verka. Þeir enda þá þar á "gólfinu" sem verkar á þá með nægum krafti til að þeir hreyfast í hring um leið og “kleinuhringurinn” snýst.

Hægt er að stýra stærð hringsins og snúningshraða þannig að "gerviþyngdin" sem þarna kemur fram verði eins og menn vilja hverju sinni. Til dæmis má stilla svo til að "þyngdarhröðunin" sé jöfn hröðuninni g við yfirborð jarðar sem áður var nefnd. Ef kleinuhringurinn er þokkalega stór, til dæmis 10-20 m í þvermál, gætu menn gengið eðlilega eftir þessu gólfi yst í honum, hlutir sem sleppt er mundu falla niður á gólfið og svo framvegis.

Þó að þetta kunni að virðast furðu einfalt eru samt ýmis ljón í veginum:
  • Geimfarið þarf að vera allstórt og snúast nokkuð ört. "Þyngdarhröðunin" er í hlutfalli við geislann (radíann) í hreyfingunni og snúningshraðann í öðru veldi. Til dæmis mundi 4ra metra geisli og 15 snúningar á mínútu gefa hröðunina g. Þessi stærð veldur kostnaði við það að koma geimfarinu á braut.
  • Snúningshreyfing geimfarsins sjálfs og hreyfing hlutanna inni í því veldur því að geimfarið þarf allt að vera miklu sterkara og efnismeira en ella, sem veldur aftur kostnaði.
  • Snúningsásinn getur tekið upp á því að vagga til og frá vegna truflana.
  • Til að fá jafnan og þægilegan snúning þarf að gæta þess að jafnvægi ríki í hleðslu geimfarsins.
  • Í geimförum eru yfirleitt ákveðnir hlutir sem menn vilja ekki láta snúast, svo sem búnaður til að taka við sólarorku og fjarskiptabúnaður. Þessa hluti þarf þá að einangra frá snúningi geimstöðvarinnar að öðru leyti.
  • Snúningur hentar engan veginn við allar aðstæður sem koma upp í geimferðum, til dæmis ekki þegar geimfarið kemur inn í lofthjúp og dregur úr ferð sinni með hemlun gagnvart loftinu, eða þegar tvö geimför mætast og tengjast.
  • "Gerviþyngdaraflið" er þrátt fyrir allt ekki eins og þyngdarkraftarnir sem við eigum að venjast, nema þá að geimfarið sé mjög stórt. Til dæmis er sýndarþyngd hluta í réttu hlutfalli við fjarlægð þeirra frá snúningsásnum og getur því verið mjög breytileg innan lítils svæðis. Hlutir detta ekki "beint" niður og það yrði til dæmis ankannalegt að hella vatni í fötu á gólfinu. Þyngd manna í gönguferðum mundi líka fara eftir því hvort þeir ganga með eða móti snúningnum.
Það verða sem sagt ekki öll vandamál leyst þó að mönnum takist að skapa gerviþyngd í geimferðum!

Heimild: Grein eftir Tamarack R. Czarnik, MD, á vefsetri Ohio-deildar Marsfélagsins, og aðrar greinar sem koma upp í leitarvélum undir 'artificial gravity'.

Um svipað efni

Höfundur

Þorsteinn Vilhjálmsson

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

Útgáfudagur

14.3.2001

Spyrjandi

Jóhann

Efnisorð

Tilvísun

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Er bráðlega hægt að nota gerviþyngdarafl svo að menn geti gengið á venjulegan hátt í geimskutlum?“ Vísindavefurinn, 14. mars 2001. Sótt 24. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=1379.

Þorsteinn Vilhjálmsson. (2001, 14. mars). Er bráðlega hægt að nota gerviþyngdarafl svo að menn geti gengið á venjulegan hátt í geimskutlum? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1379

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Er bráðlega hægt að nota gerviþyngdarafl svo að menn geti gengið á venjulegan hátt í geimskutlum?“ Vísindavefurinn. 14. mar. 2001. Vefsíða. 24. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1379>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Er bráðlega hægt að nota gerviþyngdarafl svo að menn geti gengið á venjulegan hátt í geimskutlum?
Mönnum er eðlilegast að hreyfa sig við yfirborð jarðar þar sem þyngdarhröðun er yfirleitt nokkurn veginn hin sama, eða um 9,8 m/s2. Sú stærð er oft táknuð með bókstafnum g. Þyngdarkrafturinn á tiltekinn hlut er síðan massinn sinnum þyngdarhröðunin:

Þ = m g
Þegar hlutur er kyrrstæður verkar þessi kraftur á hann en jafnframt annar jafnstór frá undirlagi eða öðrum hlut í kring. Þyngdarkrafturinn eða þyngdarhröðunin á viðkomandi stað ræður þrýstingi og ýmiss konar innri kröftum í hlutum, og sömuleiðis fallhraða þegar hlut er sleppt þannig að enginn annar kraftur sé að verki.

Þegar farartæki ná miklum hraða eða fara langt burt frá jörðinni koma fram ýmiss konar frávik frá þeirri þyngd og þeirri hröðun sem við eigum að venjast í vistarverum sem eru annaðhvort kyrrstæðar við yfirborð jarðar eða hreyfast með jöfnum hraða. Þessi frávik geta valdið mönnum og öðrum lífverum margvísilegum erfiðleikum. Mestu skipta eftirtalin frávik:
  • Hröðun (hraðabreyting á tímaeiningu) eldflauga eða geimferja (-skutla) getur orðið mjög mikil eftir flugtak á leiðinni út úr lofthjúpnum.
  • Eftir að slökkt er á hreyflum geimfarsins hreyfist það í frjálsu falli sem kallað er. Allt sem inni í því er hegðar sér þá eins og í þyngdarleysi, miðað við geimfarið.
  • Ef geimför fara til annarra hnatta er þyngdarhröðun og þyngdarkraftur þar yfirleitt allt annar en hér á jörðinni. Hann getur bæði verið margfalt meiri en hér en líka margfalt minni og jafnvel afar lítill, til dæmis á smástirni.
Hröðunin í flugtaki getur valdið verulegu álagi á lifandi og dauða hluti í farartækinu og er gagngert reynt að búa svo um að það valdi sem minnstum skaða. Til dæmis er ekki gert ráð fyrir að menn leggi í gönguferðir við þessar aðstæður. Innan geimferjunnar verkar þetta nákvæmlega eins og hún væri stödd í sterku þyngdarsviði sem kallað er, það er að segja á svæði þar sem þyngdarkraftur á kyrrstæða hluti væri mjög mikill. Hlutir sem sleppt er detta á gólfið með miklu meiri hröðun en hér á jörðinni. Ef maður stigi á venjulega baðvigt mundi hún sýna margfalt meiri þyngd en hann er vanur. Og þá er ástæðulaust að setja orðið ‘þyngd’ í gæsalappir því að þyngd er hvort sem er breytileg eftir stað og öðrum aðstæðum og samkvæmt almennu afstæðiskenningunni er þessi þyngd í rauninni ekkert öðruvísi í eðli sínu en önnur (sjá meðal annars Er massi hlutar ekki sama og þyngd hans? og Hvað er átt við með sveigðu tímarúmi og hvernig tengist það aðdráttarafli?)

Ekki er hægt að losna undan þessari tegund "ofþyngdar". Geimfarið þarf að komast á mikinn hraða til að ná nógu langt frá jörðinni og við kunnum ekki önnur ráð til þess en að gefa því þessa miklu hröðun. Ekkert "gerviþyngdarafl" eða “andþyngd” getur breytt því. Svipað má segja um "náttúrlegan" þyngdarkraft frá þeim hnetti sem geimfar eða geimfarar eru stödd á hverju sinni; þar verður engu um hnikað til langframa. Um þetta má lesa nánar í svari sama höfundar við spurningunni Er hægt að búa til andþyngdarafl?

Þegar geimfarið er í frjálsu falli úti í geimnum ríkir hins vegar nær algert þyngdarleysi í hreyfingu lausra hluta inni í því miðað við það sjálft. Þetta ástand er stundum kennt við örþyngd (microgravity). Ef líkami manns er lengi í því ástandi án þess að neitt sé að gert, þá dreifast vökvar óeðlilega um líkamann, blóðrás og bein ganga úr skorðum, steinefni tapast úr beinum og svo framvegis. Reynt er að mæta þessu með sérstökum líkamsæfingum sem kosta bæði tíma og álag á burðarvirki. Örþyngdin veldur líka ýmiss konar erfiðleikum í störfum manna í geimfarinu.

Hins vegar er hægt að beita sérstökum ráðum til þess að líkja eftir þyngdarkröftum inni í geimfarinu án þess að hreyfing þess sem heildar raskist. Hér er fyrst og fremst átt við það að láta geimfarið snúast með einhverjum hætti. Til að mynda má hugsa sér að hafa geimfarið í laginu eins og kleinuhring eða hringfeldi (torus) eins og hann er kallaður í stærðfræðinni. Geimfarið er síðan látið snúast um ás hornréttan á hringinn. Þetta var til dæmis gert í kvikmynd Stanley Kubricks, 2001.

Lausahlutir inni í geimfarinu leita yst í hringinn vegna tregðu sem kallað er, það er að segja vegna viðleitni sinnar til að fylgja beinni línu þegar engir kraftar verka. Þeir enda þá þar á "gólfinu" sem verkar á þá með nægum krafti til að þeir hreyfast í hring um leið og “kleinuhringurinn” snýst.

Hægt er að stýra stærð hringsins og snúningshraða þannig að "gerviþyngdin" sem þarna kemur fram verði eins og menn vilja hverju sinni. Til dæmis má stilla svo til að "þyngdarhröðunin" sé jöfn hröðuninni g við yfirborð jarðar sem áður var nefnd. Ef kleinuhringurinn er þokkalega stór, til dæmis 10-20 m í þvermál, gætu menn gengið eðlilega eftir þessu gólfi yst í honum, hlutir sem sleppt er mundu falla niður á gólfið og svo framvegis.

Þó að þetta kunni að virðast furðu einfalt eru samt ýmis ljón í veginum:
  • Geimfarið þarf að vera allstórt og snúast nokkuð ört. "Þyngdarhröðunin" er í hlutfalli við geislann (radíann) í hreyfingunni og snúningshraðann í öðru veldi. Til dæmis mundi 4ra metra geisli og 15 snúningar á mínútu gefa hröðunina g. Þessi stærð veldur kostnaði við það að koma geimfarinu á braut.
  • Snúningshreyfing geimfarsins sjálfs og hreyfing hlutanna inni í því veldur því að geimfarið þarf allt að vera miklu sterkara og efnismeira en ella, sem veldur aftur kostnaði.
  • Snúningsásinn getur tekið upp á því að vagga til og frá vegna truflana.
  • Til að fá jafnan og þægilegan snúning þarf að gæta þess að jafnvægi ríki í hleðslu geimfarsins.
  • Í geimförum eru yfirleitt ákveðnir hlutir sem menn vilja ekki láta snúast, svo sem búnaður til að taka við sólarorku og fjarskiptabúnaður. Þessa hluti þarf þá að einangra frá snúningi geimstöðvarinnar að öðru leyti.
  • Snúningur hentar engan veginn við allar aðstæður sem koma upp í geimferðum, til dæmis ekki þegar geimfarið kemur inn í lofthjúp og dregur úr ferð sinni með hemlun gagnvart loftinu, eða þegar tvö geimför mætast og tengjast.
  • "Gerviþyngdaraflið" er þrátt fyrir allt ekki eins og þyngdarkraftarnir sem við eigum að venjast, nema þá að geimfarið sé mjög stórt. Til dæmis er sýndarþyngd hluta í réttu hlutfalli við fjarlægð þeirra frá snúningsásnum og getur því verið mjög breytileg innan lítils svæðis. Hlutir detta ekki "beint" niður og það yrði til dæmis ankannalegt að hella vatni í fötu á gólfinu. Þyngd manna í gönguferðum mundi líka fara eftir því hvort þeir ganga með eða móti snúningnum.
Það verða sem sagt ekki öll vandamál leyst þó að mönnum takist að skapa gerviþyngd í geimferðum!

Heimild: Grein eftir Tamarack R. Czarnik, MD, á vefsetri Ohio-deildar Marsfélagsins, og aðrar greinar sem koma upp í leitarvélum undir 'artificial gravity'.

Um svipað efni...