Файл: Авдеев, Ю. Ф. Преддверие сказочного мира. (Космос, баллистика, человек).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 0
ко если эти тела предоставить самим себе, то через половину витка, описав вторые ветви критических траекторий, они снова сойдутся. Значит, для закрутки системы необходимо, сматывая трос, сблизить корабль и противовес. Скорость их вращения начнет увеличиваться, что приведет к возникновению центро бежных сил и, следовательно, искусственной тяжести. При разделении со скоростью 1 м/сек (в случае полета по орбите
ИСЗ |
высотой 200—300 км) потребуется трос |
длиной |
около |
4 км. |
Если длину троса уменьшить после этого |
в 10 раз |
(т. е. |
сократить его до длины 400 м), то за счет центробежных сил возникнет перегрузка, равная 1/200. Это, конечно, малая ве личина. Чтобы увеличить ее, потребуются либо большие ско рости разделения, либо дальнейшее сокращение конечной дли ны троса.
Ранее было показано, что при любом направлении отделе ния космонавта от корабля или какой-либо части корабля (в данном случае противовеса), за исключением случая строго бокового направления отделения, обязательно возникают со ставляющие относительной скорости движения, перпендику лярные прямой линии, соединяющей разделившиеся части. При насильственном сближении этих частей друг к другу с помощью троса за счет влияния указанных составляющих ско ростей система обязательно начнет вращаться в ту или инуюсторону. Чем меньше останется троса, тем выше будет ско рость вращения. Конечно, эта особенность относительного дви жения будет способствовать созданию искусственной тяжести, но одновременно усложнит процесс сближения кораблей. Если один из кораблей во время свободного полета взял на буксир летящий в стороне другой корабль, то это может привести к закрутке обоих кораблей вокруг их общего центра масс и -сде лать невозможным их сближение. Для ликвидации вращения могут потребоваться специальные ракетные двигатели.
Вам приходилось удить рыбу? Представьте себе, что вам удалось подцепить на крючок серебристого окунька. Как лу чик солнца, он трепещет и раскачивается на вытянутой леске. Возьмите теперь леску в руку и, не останавливая раскачива ние окуня, потяните его к себе. Раскачивание окуня увеличится и, если только он не сорвется с крючка, начнет наматываться на руку и в конце концов ударится о вас. Нечто аналогичное может произойти и при сближении кораблей с помощью троса и по этой причине операцию сближения необходимо произво дить со всей осторожностью. С точки зрения безопасности предпочтительнее может оказаться сложный двигатель, чем столь простой и, казалось бы, удобный трос.
222
Внимание! Вы падаете на потолок!
С такими словами обратился к читателям Б. Коган на стра ницах журнала «Наука и жизнь» № 7 за 1969 г., когда рассмат ривал вопрос о движении внутри корабля, вращающегося с по стоянной угловой скоростью с целью создания искусственной тяжести.
Мы уже упоминали, что создать искусственную силу тяже сти можно посредством вращения космического корабля во круг его оси. Все предметы, находящиеся в этом корабле, ока жутся под действием центробежной силы, прижимающей их к полу. Подбирая нужную скорость вращения, можно добиться, что центробежная сила будет иметь такую же величину, как и призычная в земных условиях сила тяжести.
Но вот вопрос, который наверняка заинтересует будущих астрономов: как будет выглядеть траектория падающего внут ри корабля тела? Например, астронавт выронил из рук ша рик — где он упадет, у ног или где-либо в ином месте. Не мо жет ли этот шарик ударить космонавта по голове? Вот на эти вопросы по существу и отвечает Б. Коган. Ход его рассужде ний выглядит так.
Способ создания искусственной силы тяжести с помощью центробежных сил хорошо известен. Он не раз описывался в научно-фантастической литературе и на первый взгляд позво ляет хорошо имитировать естественную земную тяжесть. Од нако это верно лишь до тех пор, пока тела, находящиеся в космическом корабле, неподвижны. Если же они начнут дви гаться, то окажутся под действием еще одной «искусственной» силы, порожденной вращением корабля, так называемой силы Кориолиса. Эта сила пропорциональна относительной скорости движущегося тела и направлена перпендикулярно вектору этой скорости. Поэтому сила Кориолиса может заметно изме нить траекторию тела, движущегося в космическом корабле. Изменение это настолько велико, что вместо падения на пол может получиться падение на стену или даже на потолок.
Пусть, например, шар падает из точки А внутри космиче ского корабля (рис. 68, а). Если бы на этот шар действовала только центробежная сила, то он двигался бы по «вертикали» AB и упал на пол в точке В. Однако на шар действует еще и сила Кориолиса FK. Двигаясь «вниз», шар одновременно сме щается вбок и закончит свое движение не в точке В, а в точ ке В].
Как велико расстояние В В і? Расчет показывает, что оно за висит от высоты h и радиуса R. При этом, если R не слишком
223
Рис . 68. Траектория падения тел внутри вращающе гося корабля.
велик, то это расстояние оказывается весьма заметным. На пример, если R равно 10 м и h = 1 м, то В В Хбудет равно 33 см, т. е. составит треть от высоты h. Если же увеличить h до 2 м, то расстояние В В і станет равным 106 см и превысит половину высоты падения. Эти цифры показывают, что сила Кориолиса может существенно исказить траекторию тела, падающего в космическом корабле.
Конечно, у вас сразу возникнет вопрос: а что это за таинст венная сила Кориолиса, откуда она берется, когда ее необхо димо учитывать и где можно наблюдать ее проявление в при роде? Понять причину возникновения этой силы можно на рас сматриваемом примере падения шарика в космическом кораб ле. Пусть до начала падения шарик находился в руке у космо навта, т. е. на расстоянии г от центра корабля. В то же время ноги космонавта будут опираться о пол в окрестности точки В. Следовательно, вращаясь вместе с кораблем, ноги космонавта будут иметь большую скорость движения, чем шарик, посколь ку они расположены дальше от центра корабля. Когда шарик начинает падать «вниз», то скорость его, соответствующая ско рости точки А, будет меньше скорости точки В. Значит, за вре мя падения точка В вместе с вращающимся корпусом кораб-
224
ля переместится на большее расстояние от исходного 'положе ния, чем падающий шарик. -Вот по этой причине и возникло от клонение шарика на расстояние ВВ\ от вертикали. Космонавт, обнаруживший это отклонение, может формально считать, что причиной отклонения послужила некая фиктивная, или «искус ственная» сила, направленная по перпендикуляру — высоте AB. Эту силу в механике и называют силой Кориолиса.
Сила Кориолиса проявляется также при движении по по верхности земного шара, обладающего определенной угловой скоростью благодаря суточному вращению. Пусть, например, вдоль меридиана проходит поезд в направлении -на север в се верном полушарии. Значит, но мере перемещения на север он переходит из -областей больших линейных скоростей вращения Земли в меньшие. Уравнивание этих скоростей производится силой Кориолиса, направленной касательно земной поверхно сти, т. е. поезд оказывает на правый рельс большее давление, чем на левый. Существованием силы Кориолиса объясняется размывание реками в северном полушарии правого, а в юж ном — левого берегов, возникновение северо-восточных пасса тов в северном полушарии и т. д. Но Земля вращается с нич тожной угловой скоростью по -сравнению с кораблем и поэтому эти эффекты выражены слабо. Например, тело, находящееся на широте Москвы и падающее с высоты 50 м, отклоняется от вертикали на запад всего на 3 миллиметра.
Но вернемся к повествованию Б. Когана.
При дальнейшем увеличении h отклонение В В і быстро воз^ растает, а траектория падающего шара сильно искривляется (рис. 68, б ). Например, при /? = 10 м и /і = 6 лі траектория шара будет изображаться'кривой 1, а отклонение от «вертикали» до стигнет 11,3 м (если измерять его вдоль криволинейного пола корабля). Если же увеличить h до 7,8 м, то шар -будет двигать ся по кривой 2 и придет в точку, лежащую над тем местом, от куда он -начал двигаться. Можно сказать, что этот шар падает не на пол, а на потолок. Наконец, если падение шара начнется с высоты 8,7 м, то он будет двигаться по траектории 3, которая, хотя и приводит его на пол, делает это весьма своеобразным -способом.
Кривые, показанные на рис. 68, б, изображают траектории тела, начинающего падать из состояния покоя. Если же сооб щить этому телу -начальную скорость, то его траектория станет несколько иной. Пусть, например, шару, начинающему движе ние из точки А, сообщена относительная скорость Ѵо, направ ленная так, как показано на рис. 68, в. Тогда характер его тра
ектории будет зависеть от величины этой скорости, |
причем |
15 Ю. Ф. Авдеев |
225 |
наиболее интересен тот случай, когда Ѵ0 = со • ОА (со — угло вая скорость вращения корабля). В этом случае шар будет двигаться по окружности 1, т. е. вообще не упадет на пол («ли шится» своего искусственного веса). Если же скорость Ѵо бу дет немного больше или немного меньше, то шар станет дви гаться по спиральной траектории 2, постепенно приближаясь к полу.
Необычные траектории будут возникать и при других на правлениях начальной скорости (если эта скорость не слишком велика). Две таких траектории показаны на рис. 68, г, первая из них получается, когда начальная скорость направлена «вверх», а вторая — когда она направлена «под углом» (и име ет подходящую величину). Траектория 2 очень далека от тех, какие мы привыкли видеть в земных условиях.
Все эти странные траектории представляются такими лишь наблюдателю, находящемуся внутри корабля. Если же глядеть на них «со стороны», т. е. находясь в системе координат, участ вующей только в поступательном движении корабля, то они будут казаться прямолинейными. Действительно, так как в этой системе нет ни центробежной силы, ни силы Кориолиса, то тело, предоставленное самому себе, движется здесь по инер ции — прямолинейно и равномерно. В частности, оно может быть в этой системе неподвижным, и тогда наблюдателю, на ходящемуся во вращающемся корабле, будет казаться, что оно движется по окружности. Именно в этом случае получается траектория 1, показанная на рис. 68, г.
Таким образом, во вращающемся космическом корабле си ла Кориолиса проявляется достаточно сильно. Только что опи санные траектории падения шарика будут одинаковыми неза висимо от угловой скорости вращения корабля, ибо одновре менно с ее изменением будет также изменяться и центробеж ная сила, и время падения шарика.
Любопытно, наконец, отметить, что если космонавт, стоя на полу космического корабля лицом в направлении его вра щения, будет наклоняться, то сила Кориолиса начнет опроки дывать космонавта назад. Если же перед наклоном он стоял лицом в направлении оси вращения, то после наклона эта же сила будет стремиться повернуть его на полу. При относитель но небольших размерах корабля и высокой угловой скорости его вращения силы Кориолиса могут достичь заметных вели чин и это потребует от обитателей космического корабля вы работки определенных навыков в координации своих движе ний. Иначе очень просто оказаться на полу.
226