Силы ускорения в космическом полете. Ускорения парашютных прыжков
Обновлено: 14.05.2024
В беспредельной темноте черного неба светятся звезды, они кажутся очень близкими и какими-то не настоящими. Смотрю на высотомер — уже девятнадцать тысяч метров. На этой высоте падение происходит с наибольшей скоростью. Когда достиг высоты двенадцать тысяч метров, скорость уменьшилась, натяжные устройства высотного костюма ослабли. Свободно вздыхаю, выпрямляю тело и переворачиваюсь лицом вниз. Падать становится очень легко. Внизу Волга с ее многочисленными притоками. Хотя поверх высотного снаряжения надет морской спасательный жилет, купаться не хочется.
Из воспоминаний Е. Н. Андреева о штурме стратосферы, 1 ноября 1962 год
Уже послезавтра наступит День Космонавтики, и тогда же в стратосферу улетит зонд с нашим сервером и несколькими спутниковыми модемами на борту. В следующей статье мы расскажем о технической реализации нашего «Космического ЦОДа», а сегодня предлагаем вспомнить о некоторых свершениях прошлых лет — о парашютных прыжках из стратосферы.
Люди веками мечтали летать как птицы. Сейчас полетом в атмосфере уже никого не удивить, мы привыкли к этому. Полеты превратились в рутину и популярное развлечение. А начиналось всё с «летательных аппаратов легче воздуха» — аэростатов. В начале нашей эры началась история «китайских фонариков»: лёгких бумажных оболочек, поднимающихся в небо благодаря теплому воздуху от привязанной к ним свечи. Как и многие другие изобретения, эта идея использовалась в военных целях — для подачи сигналов войскам.
И только спустя много столетий в воздух поднялся человек. Знаменитые братья Монгольфье сконструировали воздушный шар, на котором люди впервые поднялись в воздух.
Прошло ещё больше века, «авиация легче воздуха» развилась в целую транспортную отрасль, а потом была вытеснена «аппаратами тяжелее воздуха». Но техническая мысль развивалась, и стремление перешагнуть пределы и подняться ещё выше привело к развитию стратонавтики — полётам на стратостатах на такие высоты, куда смогут забраться не все самолёты. В истории стратонавтики есть трагедии и триумфы не хуже, чем в авиации и космонавтике, у есть свои вехи.
В Эпоху Просвещения считалось, что выше 12 километров атмосфера заканчивается и начинается безвоздушное пространство. Современная наука выделяет в строении атмосферы множество слоёв, отличных по физическим свойствам и составу. Стратосферой называют промежуток высот от 11 до 50 км. Аппараты «легче воздуха», поднимающиеся в этот слой, называются стратостатами.
Первыми «Монгольфьерами стратосферы» стали ученые Огюст Пиккар и Пауль Кипфер. В 1930 году Пиккар сконструировал первый в истории стратостат под названием FNRS-1, что является аббревиатурой «Национального фонда для научных исследований» (Fonds National de la Recherche Scientifique). Вместе с Кипфером Пикар в 1931 году поднялся на высоту 15,7 км.
За свою долгую и насыщенную жизнь бельгиец совершил 27 полетов на стратостатах, изобрел батискаф и погрузился в Марианскую впадину на глубину почти 11 км.
После FNRS-1 полетами на невиданной высоте заинтересовались и в СССР. Напряжённая международная обстановка заставляла задумываться о высотной военной авиации, недоступной для истребителей того времени и зенитных орудий. Кроме того, у нас хотели исследовать недавно открытые космические лучи — естественно ионизирующее излучение, приходящее на Землю из космоса. Данных, которые получали с помощью беспилотных стратостатов, было недостаточно, и 30 сентября 1933 года взлетел первый советский пилотируемый стратостат — «СССР-1». Он поднялся на рекордную высоту в 19 км.
Солдаты выполняют роль балласта:
Героями, которые его пилотировали, были три летчика: Эрнст Бирнбаум, Константин Годунов и Георгий Прокофьев. Годунов работал начальником конструкторского бюро, которое создало оболочку стратостата, а Бирнбаум и Прокофьев служили в Красной армии и были опытными пилотами аэростатов. Эрнст продолжал летать и позднее, а во время Великой Отечественной войны он командовал аэростатами заграждения Москвы. Судьба Георгия была трагична, он покончил с собой в возрасте 36 лет.
Следующий советский эксперимент — стратостат «Осоавиахим-1», — носил имя общественно-политической организации «Общества содействия обороне, авиационному и химическому строительству», несколько инженеров которого и разработали аппарат.
Уже традиционно одним из пилотов стратостата был его главный конструктор, инженер Андрей Васенко. У команды была амбициозная научная программа, которой руководил академик Абрам Иоффе. В полете планировали исследовать космические лучи, изучать состав атмосферы и магнитное поле Земли. Кроме этого, на борту решили поставить биологический эксперимент и доукомплектовали «экипажем» из мух-дрозофил. За научные эксперименты на борту отвечал второй пилот, физик Илья Усыскин, выпускник Ленинградского политеха. Командиром экипажа был военный пилот Павел Федосеенко, имевший многолетний опыт полетов на аэростатах, командовавший воздухоплавательным отрядом в Гражданскую войну и закончивший факультет дирижаблестроения Военно-воздушной академии. «Осоавиахим-1» поставил мировой рекорд, достигнув высоты 22 км над уровнем моря, но полёт закончился трагедией: экипаж стравил слишком много газа из баллона, и когда стало вечереть, остатки газа охладились, стратостат стал быстро снижаться, а на высоте 2 км оторвался от баллона и разбился.
Еще одним, относительно удачным экспериментом был стратостат «СССР-1-бис».
Командиром экипажа был Кристап Зилле, опытный военный пилот-воздухоплаватель, начальник штаба 4-го воздушного дивизиона. Вторым пилотом был военный инженер Юрий Прилуцкий, а научной работой должен был заниматься профессор Государственной геофизической обсерватории Александр Вериго. Стратостат не зря назвали «СССР-1-бис»: оболочка баллона и гондола у него были как у первого советского стратостата, но ещё он был оснащён спасательным парашютом. Научная программа обещала быть насыщенной, среди оборудования были астрономические приборы: спектрограф и прибор для изучения яркости неба; аппаратура для аэрофотосъемки; электрометры Гессе, две камеры Вильсона, термометры, барометр и два высотомера. Снаружи гондолы висели сосуды для взятия проб воздуха и множество других приборов. Хотя трагедии, подобной «Осоавиахим-1», удалось избежать, полностью успешной миссию назвать нельзя. Поднявшись на высоту в 16 километров, экипаж выполнил научную программу и стал снижаться, но скорость оказалась слишком большой, произошла утечка водорода, сброс балласта положение не улучшил. Пилоты решили не использовать парашют гондолы, потому что посадка с его помощью получилась бы слишком жёсткой и научное оборудование могло не выдержать. Вместо этого они решили облегчить гондолу, выпрыгнув из нее с парашютами сами. На высоте 3,5 километра выпрыгнул Вериго, затем, на высоте 2 километров — Прилуцкий. Зилле остался один; сбросив весь оставшийся балласт он довёл скорость снижения до приемлемой. Тем не менее, решив перестраховаться, перед посадкой он выбрался из гондолы, зацепившись за лестницу на её внешней стороне. Но предосторожность оказалась излишней, стратостат совершил мягкую посадку, научные приборы и оставшийся пилот не пострадали.
Все последующие советские эксперименты заканчивались неудачно и даже трагически.
Летом 1934 года сгорел при старте «СССР-2», к счастью, никто не пострадал.
Не выполнил свою миссию и стратостат «СССР-3». В состав его экипажа входили: полковник Прокофьев, бригадный инженер Семенов и военный инженер 2-го ранга Прилуцкий. Прокофьев изначально был командиром Опытного-испытательного воздухоплавательного дивизиона, но был снят с должности после аварии на полигоне. Запуск много раз переносили, в итоге стратостат взлетел осенью 1937 года, но баллон порвался на высоте меньше километра. Гондола упала, экипаж получил тяжелые ранения, после которых пилоты несколько месяцев восстанавливались в больнице.
Летом 1938 года из-за отказа системы жизнеобеспечения погиб экипаж стратостата-обсерватории «ВВА-1», названного в честь Военно-воздушной академии имени Жуковского. При посадке, с уже мертвым экипажем, стратостат упал на высоковольтную ЛЭП и загорелся.
Летом 1940 года сразу после старта разрушился «Осоавиахим-2». Высота была совсем небольшой и пилоты отделались ушибами.
После такой серии неудач идея стратонавтики была окончательно дискредитирована в глазах руководства СССР и эксперименты была надолго прекращены. Новый период строительства советских стратостатов начался через много лет, с началом космической эпохи, для отработки новых технологий. Стратостат «Волга», был запущен в 1962 году для испытания посадки спускаемого аппарата космического корабля, прыжка из него и катапультирования.
Экипаж состоял из двух испытателей-парашютистов. Стратостат поднялся на высоту 28,6 километра, Евгений Андреев катапультировался и успешно приземлился, а Пётр Долгов выпрыгнул с парашютом, но погиб из-за разгерметизации скафандра.
За океаном тоже не остались в стороне от покорения стратосферы.
В 1933-1934 годах Жан Пикар, брат-близнец Огюста Пикара, живший в США, построил стратостат «Век прогресса» (Century of Progress). В первом полете он поднялся на высоту 17,5 километра. Что любопытно, спонсором полёта был сам Генри Форд. Во втором полете Жан взял с собой жену Жаннет Ридлон, которая стала первой женщиной-стратонавтом. Летом 1934-го учёные Орвиль Андерсон, Альберт Стивенс и Вильям Кепнер взлетели на стратостате Explorer I. На высоте 18 километров оболочка порвалась и экипаж выпрыгнул с парашютами, все приземлились благополучно.
На следующий год та же Андерсон и Стивенс взлетели на стратостате Explorer II. Полёт прошел успешно, они поставили рекорд высоты в 22 066 метров, который продержался больше 20 лет.
Помимо традиционных стратостатов с герметичными гондолами, в конце 1950-х годов американцы проводили чрезвычайно рискованные полеты в открытых кабинах, испытывая скафандры пилотов самолетов и космонавтов, а также отрабатывали высотные прыжки с парашютом. Испытания проводили в рамках проектов Excelsior, в которых участвовал вышеупомянутый Джозеф Киттингер.
Киттингер выполнил три прыжка, едва не погибнув в первом из них. Осенью 1959 года, поднявшись на высоту 23 300 метров, он выпрыгнул из гондолы, но неисправность стабилизирующего парашюта ввела его в дикий штопор с частотой вращения 2 оборота в секунду и перегрузками до 22g. Пилот потерял сознание и спасся только благодаря автоматической системе, которая раскрыла аварийный парашют. Второй прыжок был с высоты 22 760 метров. В ходе третьего прыжка 1960-м произошла незначительная разгерметизация скафандра и Киттингер травмировал руку, но при этом поставил целый набор рекордов: высота — 31 300 метров; скорость падения 988 км/ч и время падения — 4 минуты 36 секунд.
Параллельно с чисто военными испытаниями Man High и Excelsior проходили и научные полеты по программе Strato Lab. Основными задачами были астрономические наблюдения и исследования космических лучей. С 1956-го по 1961-й было выполнено 9 полетов на высоты от 12 000 метров до рекордных на то время 34 668 метров. В одном из полётов пилот Альфред Майксел впервые провёл астрономическое наблюдение в телескоп, закрепленный в гондоле стратостата ONR STRATOLAB на высоте 12 километров. Следующий телескоп, который полетел в гондоле аппарата STRATOLAB HIGH IV для изучения Марса, поднялся на высоту 24 689 метров.
Этот рекорд высотного наблюдения через телескоп был побит только орбитальным Хабблом.
Один из научных полетов по программе Stargazer осуществил всё тот же Джозеф Киттингер. Зимой 1962 года он с астрономом Уильямом Уайтом поднялись на высоту 19 километров и больше 15 часов вели астрономические наблюдения.
Прошло ещё полвека и уникальные исследования превратились в развлечение и рекламу. В 2010 году компания Red Bull спонсировала амбициозный проект по затяжному прыжку из стратосферы в качестве рекламной акции своей торговой марки.
Для проекта выбрали знаменитого спортсмена-экстремала Феликса Баумгартнера, австрийского скай-скейтера и бейсджампера, который уже много лет сотрудничал с компанией.
После двух тренировочных прыжков (с высот 21 818 и 29 610 метров), 14 октября 2012 Баумгартнер поднялся на высоту, ставшую очередным рекордом пилотируемых полетов на стратостате — 39 километров. Кроме этого, он поставил ещё несколько рекордов во время прыжка: скорость свободного падения выше скорости звука — 1357,6 километров в час, и самое большое расстояние, которое человек пролетел в свободном полете — 36 402,6 метров. Видео прыжка транслировалось в прямом эфире и его наблюдали 8 миллионов зрителей.
Второй развлекательный прыжок не заставил себя ждать. Алан Юстас, вице-президент компании Google, 24 октября 2014 года прыгнул с еще большей высоты 41 419 метров. В отличие от всех предыдущих полётов, конструкторы решили обойтись без гондолы и прицепить скафандр прямо к баллону, а на максимальной высоте отстрелить его пиропатроном. Это дало большую экономию в весе и позволило подняться выше.
Судя по тому, что других прыжков пока не планируется, мысли богатых любителей экзотики заняты ещё более необычными развлечениями — суборбитальными полетами, которые планируют в скором времени предложить несколько компаний.
Перегрузки и их действие на человека в разных условиях
В авиационной и космической медицине перегрузкой считается показатель величины ускорения, воздействующего на человека при его перемещении. Он представляет собой отношение равнодействующей перемещающих сил к массе тела человека.
Перегрузка измеряется в единицах, кратных весу тела в земных условиях. Для человека, находящегося на земной поверхности, перегрузка равна единице. К ней приспособлен человеческий организм, поэтому для людей она незаметна.
Если какому-либо телу внешняя сила сообщает ускорение 5 g, то перегрузка будет равна 5. Это значит, что вес тела в данных условиях увеличился в пять раз по сравнению с исходным.
При взлете обычного авиалайнера пассажиры в салоне испытывают перегрузку в 1,5 g. По международным нормам предельно допустимое значение перегрузок для гражданских самолетов составляет 2,5 g.
В момент раскрытия парашюта человек подвергается действию инерционных сил, вызывающих перегрузку, достигающую 4 g. При этом показатель перегрузки зависит от воздушной скорости. Для военных парашютистов он может составлять от 4,3 g при скорости 195 километров в час до 6,8 g при скорости 275 километров в час.
Реакция на перегрузки зависит от их величины, скорости нарастания и исходного состояния организма. Поэтому могут возникать как незначительные функциональные сдвиги (ощущение тяжести в теле, затруднение движений и т.п.), так и очень тяжелые состояния. К ним относятся полная потеря зрения, расстройство функций сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной систем, а также потеря сознания и возникновение выраженных морфологических изменений в тканях.
С целью повышения устойчивости организма летчиков к ускорениям в полете применяют противоперегрузочные и высотно-компенсирующие костюмы, которые при перегрузках создают давление на область брюшной стенки и нижние конечности, что приводит к задержке оттока крови в нижнюю половину тела и улучшает кровоснабжение головного мозга.
Для повышения устойчивости к ускорениям проводятся тренировки на центрифуге, закаливание организма, дыхание кислородом под повышенным давлением.
При катапультировании, грубой посадке самолета или приземлении на парашюте возникают значительные по величине перегрузки, которые могут также вызвать органические изменения во внутренних органах и позвоночнике. Для повышения устойчивости к ним используются специальные кресла, имеющие углубленные заголовники, и фиксирующие тело ремнями, ограничителями смещения конечностей.
Перегрузкой также является проявление силы тяжести на борту космического судна. Если в земных условиях характеристикой силы тяжести является ускорение свободного падения тел, то на борту космического корабля в число характеристик перегрузки также входит ускорение свободного падения, равное по величине реактивному ускорению по противоположному ему направлению. Отношение этой величины к величине называется "коэффициентом перегрузки" или "перегрузкой".
На участке разгона ракеты-носителя перегрузка определяется равнодействующей негравитационных сил — силы тяги и силы аэродинамического сопротивления, которая состоит из силы лобового сопротивления, направленной противоположно скорости, и перпендикулярной к ней подъемной силы. Эта равнодействующая создает негравитационное ускорение, которое определяет перегрузку.
Ее коэффициент на участке разгона составляет несколько единиц.
Если космическая ракета в условиях Земли будет двигаться с ускорением под действием двигателей или испытывая сопротивление среды, то произойдет увеличение давления на опору из-за чего возникнет перегрузка. Если движение будет происходить с выключенными двигателями в пустоте, то давление на опору исчезнет и наступит состояние невесомости.
При старте космического корабля на космонавта действует ускорение, величина которого изменяется от 1 до 7 g. По статистике, космонавты редко испытывают перегрузки, превышающие 4 g.
Способность переносить перегрузки зависит от температуры окружающей среды, содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, длительности пребывания космонавта в условиях невесомости до начала ускорения и т.д. Существуют и другие более сложные или менее уловимые факторы, влияние которых еще не до конца выяснено.
Под действием ускорения, превышающего 1 g, у космонавта могут появиться нарушения зрения. При ускорении 3 g в вертикальном направлении, которое длится более трех секунд, могут возникнуть серьезные нарушения периферического зрения. Поэтому в отсеках космического корабля необходимо увеличивать уровень освещенности.
При продольном ускорении у космонавта возникают зрительные иллюзии. Ему кажется, что предмет, на который он смотрит, смещается в направлении результирующего вектора ускорения и силы тяжести. При угловых ускорениях возникает кажущееся перемещение объекта зрения в плоскости вращения. Эта иллюзия называется окологиральной и является следствием воздействия перегрузок на органы внутреннего уха.
Многочисленные экспериментальные исследования, которые были начаты еще ученым Константином Циолковским, показали, что физиологическое воздействие перегрузки зависит не только от ее продолжительности, но и от положения тела. При вертикальном положении человека значительная часть крови смещается в нижнюю половину тела, что приводит к нарушению кровоснабжения головного мозга. Из-за увеличения своего веса внутренние органы смещаются вниз и вызывают сильное натяжение связок.
Чтобы ослабить действие высоких ускорений, космонавта помещают в космическом корабле таким образом, чтобы перегрузки были направлены по горизонтальной оси, от спины к груди. Такое положение обеспечивает эффективное кровоснабжение головного мозга космонавта при ускорениях до 10 g, а кратковременно даже до 25 g.
При возвращении космического корабля на Землю, когда он входит в плотные слои атмосферы, космонавт испытывает перегрузки торможения, то есть отрицательного ускорения. По интегральной величине торможение соответствует ускорению при старте.
Космический корабль, входящий в плотные слои атмосферы, ориентируют так, чтобы перегрузки торможения имели горизонтальное направление. Таким образом, их воздействие на космонавта сводится к минимуму, как и во время запуска корабля.
Перегрузки, испытываемые космонавтами в невесомости. Справка
При совершении космического полета космонавт подвергается воздействию ряда факторов: невесомость, перегрузки, шумы, вибрации, ограничение подвижности, изоляция, существование в замкнутом ограниченном пространстве и пр.
Ни одна профессиональная деятельность человека не связана с воздействием на него всех этих факторов в тех количественных соотношениях, как при полетах в космос. Так, состояние длительной невесомости, которое испытывает космонавт, не может быть испытано человеком в земных условиях.
В земных условиях человек может испытать только состояние кратковременной невесомости, например, если человек находится в лифте, движущемся по вертикали вниз с ускорением a = g. Где g - ускорение свободного падения, т.е. ускорение силы тяжести.
Как и сила тяжести, ускорение свободного падения зависит от широты места j и высоты его над уровнем моря Н. Приблизительно ускорение свободного падения = 978,049 (1 + 0,005288 sin2j - 0,000006 sin22 j - 0,0003086 Н. На широте Москвы на уровне моря g = 981,56 см/сек.
Но при а = g - тело и лифт совершают свободное падение и никаких взаимных давлений друг на друга не оказывают, в результате организм воспринимает оказываемое на него давление как состояние невесомости.
Состояние космической невесомости имеет отличия от состояния невесомости в земных условиях, что вызывает изменения ряда его жизненных функций в организме человека. Так, невесомость ставит центральную нервную систему и рецепторы многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечно-суставного аппарата, кровеносных сосудов) в необычные условия функционирования. Поэтому невесомость рассматривают как специфический интегральный раздражитель, действующий на организм человека и животного в течение всего орбитального полета. Ответом на этот раздражитель являются приспособительные процессы в физиологических системах; степень их проявления зависит от продолжительности невесомости и в значительно меньшей степени от индивидуальных особенностей организма.
С наступлением состояния невесомости у космонавта могут возникнуть вестибулярные расстройства, длительное время сохраняется чувство тяжести в области головы (за счет усиленного притока крови к ней). Вместе с тем адаптация к невесомости происходит, как правило, без серьезных осложнений: человек сохраняет работоспособность и успешно выполняет различные рабочие операции, в том числе те из них, которые требуют тонкой координации или больших затрат энергии. Двигательная активность в состоянии невесомости требует гораздо меньших энергетических затрат, чем аналогичные движения в условиях весомости.
Если в полете не применяются средства профилактики, то в первые часы и сутки после приземления (период реадаптации к земным условиям) у человека, совершившего длительный космический полет, наблюдается следующий комплекс изменений:
1. Нарушение процессов обмена веществ, особенно водно-солевого обмена, что сопровождается относительным обезвоживанием тканей, снижением объема циркулирующей крови, уменьшением содержания в тканях ряда элементов, в частности калия и кальция;
2. Нарушение кислородного режима организма при физических нагрузках;
3. Нарушение способности поддерживать вертикальную позу в статике и динамике; ощущение тяжести частей тела (окружающие предметы воспринимаются как необычно тяжелые; наблюдается растренированность в дозировании мышечных усилий);
4. Нарушение гемодинамики при работе средней и высокой интенсивности; возможны предобморочные и обморочные состояния после перехода из горизонтального положения в вертикальное;
5. Снижение иммунобиологической резистентности (ослабление иммунитета);
вестибуловегетативные расстройства.
Нарушения работы организма человека, вызванные невесомостью, обратимы. Ускоренное восстановление нормальных функций может быть достигнуто с помощью физиотерапии и лечебной физкультуры, а также применением лекарственных препаратов. Неблагоприятное влияние невесомости на организм человека в полете можно предупредить или ограничить с помощью различных средств и методов (мышечная тренировка, электростимуляция мышц, отрицательное давление, приложенное к нижней половине тела, фармакологические и др. средства).
Другим фактором, оказывающим значительное влияние на человеческий организм при совершении космического полета, являются перегрузки.
Перегрузки космонавт испытывает при старте и возвращении космического корабля.
При старте на космонавта действует ускорение, величина которого изменяется от 1 до 7 g. Другими словами, вес космонавта во время запуска корабля как бы увеличивается в семь раз.
Человек легче всего переносит перегрузки, действующие в горизонтальной плоскости, хуже - в вертикальной. Однако способность переносить перегрузки (величина допустимых перегрузок) у разных людей различна и зависит от ряда факторов, например от скорости нарастания перегрузки, температуры окружающей среды, содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, длительности пребывания космонавта в условиях невесомости до начала ускорения и даже от эмоционального состояния космонавта. Существуют, несомненно, и другие более сложные или менее уловимые факторы, влияние которых еще не совсем выяснено.
Перегрузки, связанные с ускорением, вызывают значительное ухудшение функционального состояния организма человека: замедляется ток крови в системе кровообращения, снижаются острота зрения и мышечная активность.
Под действием ускорения, превышающего 1 g, у космонавта могут появиться нарушения зрения. При ускорении 3 g в вертикальном направлении, длящемся более 3 секунд, могут возникнуть серьезные нарушения периферического зрения.
С увеличением перегрузок острота зрения уменьшается, поэтому в отсеках космического корабля необходимо увеличивать уровень освещенности. При продольном ускорении у космонавта возникают зрительные иллюзии. Ему кажется, что предмет, на который он смотрит, смещается в направлении результирующего вектора ускорения и силы тяжести.
При угловых ускорениях возникает кажущееся перемещение объекта зрения в плоскости вращения. Эта так называемая окологиральная иллюзия является следствием воздействия перегрузок на полукружные каналы (органы внутреннего уха).
Чтобы ослабить действие высоких ускорений, космонавта помещают в космическом корабле таким образом, чтобы перегрузки были направлены по горизонтальной оси.
Такое положение обеспечивает эффективное кровоснабжение головного мозга космонавта при ускорениях до 10 g, а кратковременно даже до 25 g.
Путешествуем по космосу с ускорением 1g
Автору поста @Nekripssa в комментариях напомнили, что время полёта для межгалактических путешественников будет сокращаться тем эффективнее, чем ближе их скорость к скорости света, не все поняли эту идею, и даже пост нескольколетней давности
сомневающимся не помог. И вот я решил наконец сделать то, что всё откладывал на потом - вбить в Excel формулы из статьи Википедии "Релятивистски равноускоренное движение" и посчитать гипотетический полёт космолёта, который стартует от Земли и улетает от неё с комфортным для человека ускорением g = 9.8 м/с2.
Результаты расчётов получились настолько любопытными, что я решил запилить отдельный пост, который и представляю вашему вниманию. Надеюсь, что я нигде не ошибся в расчётах, что подтверждается совпадением с числами (из книги 1970 года), которые представлены в другой вики-статье "Межзвёздный полёт".
Сразу оговорюсь - с точки зрения существующих у человечества космических двигателей всё нижеописанное (то есть тяга 1g длительностью в годы), увы, фантастика. Но помечтать о таких вещах, которые напоминают наши земные условия в смысле динамики/ускорения, мне кажется, полезно, чтобы просто почувствовать, насколько любопытно наше с вами пространство: при малых скоростях оно кажется нам линейным в пространственном и временном смыслах, но при околосветовых скоростях начинаются натуральные чудеса.
Итак, мы летим на нашем космолёте в сторону выбранной звезды/галактики с ускорением g. При этом мы испытываем вес, равный привычному нам земному, и значит мы даже в отсутствие специальных тренажёров уберегаем себя от опасности "эффекта Николаева" - фатальных последствий длительного пребывания человеческого организма в невесомости.
Если бы ускорение с точки зрения неподвижного наблюдателя было линейным, то с ускорением g мы бы набрали скорость света чуть менее чем за 1 год. Но поскольку речь идёт о постоянном ускорении лишь с точки зрения космонавтов, то с неподвижной точки зрения чем ближе скорость приближается к скорости света, тем ускорение становится меньше.
Через один "неподвижный" год после старта корабль разгонится до скорости 215 тыс. км/с (72% от скорости света), а на самом корабле к тому моменту пройдёт 0.88 года, то есть почти на полтора месяца меньше, чем 1 год. К тому моменту корабль преодолеет 0.42 "неподвижных" световых года.
Через ещё один "неподвижный" год скорость корабля дорастёт до 270 тыс. км/с (90% скорости света), у путешественников пройдёт 0.55 года, и общее время путешествия составит 1.43 года. Они будут уже в 1.25 световых годах от Земли.
И так далее - чем ближе путешественники с неподвижной точки зрения к скорости света, тем сильнее замедляется бортовое время. Через 10 "неподвижных" лет после старта скорость корабля почти дорастёт до скорости света (99.5%), а бортовые часы покажут время полёта 2.94 года. Космолёт будет уже на расстоянии 9.08 световых лет, и далее каждый "неподвижный" год добавляет длине путешествия почти 1 световой год, а бортовое время всё более замедляется: например с 10 до 11 лет на Земле пройдёт год, а на корабле - только 1 месяц.
Через 100 "неподвижных" лет (когда, к слову, умрут все земные современники наших космонавтов) на борту пройдёт 5.17 года (расстояние = 99.04 световых года), через 3000 лет (толщина Млечного пути) - 8.46 бортовых года, а через 100000 лет (диаметр Млечного пути) - 11.86 бортовых года.
Только представьте себе, что при всех немыслимых космических расстояниях вы, пусть теоретически, могли бы в течение своей жизни успеть слетать до любой звезды, которую вы видите на ночном небе. Вообразите себе, насколько хитрая матрёшка - наше пространство, которое так спокойно сжимается в сторону вашего ускорения. И ведь никаких диких ускорений и времён - всё сообразно нашим земным условиям.
Ну вот, скажем, Полярная звезда - 430 световых лет. Половину расстояния мы разгоняемся за 6 бортовых лет, половину расстояния - тормозим тоже за 6 лет, затем обратная дорога, итого дорога туда-сюда займёт 24 бортовых года. Да, Землю мы узнаем с трудом, ведь на ней пройдет 860 лет, зато привезём потомкам прикольные фоточки Полярной звезды и её спутников, а они повеселятся (если ещё будет кому веселиться) с наших фотоаппаратов и престарелой техники.
Напоследок, чтобы всё это не осталось голым текстом, давайте я приведу несколько графиков.
Первый график - зависимость бортового времени от "неподвижного" времени:
Как видно, нижняя ось сама напросилась в логарифмический масштаб, и график получился почти линейным (k - тысяч, M - миллионов, G - миллиардов; расстояние в световых годах немного не совпадает с нижней осью, но мы этим пренебрегаем). Этак если фантазировать, то и всю Вселенную пересечь уже не такая проблема (правда, я смутно представляю, что астрофизики думают про "края" Вселенной и линейность этого процесса).
И ещё один график - динамика разгона до скорости света:
Ну тут всё ожидаемо - вначале почти линейный разгон, а потом - асимптотическое приближение к скорости света.
Интересная задача по физике
Прочитайте о прыжке человека из стратосферы и ответьте на вопрос. «14 октября 2012 года австрийский парашютист Феликс Баумгартнер преодолел звуковой барьер и два других мировых рекорда во время прыжка с края космоса. И теперь вы можете испытать это на себе. …Свободное падение Баумгартнера в герметичном костюме с высоты 39 км в стратосфере над Нью-Мексико, США, позволило ему достичь скорости 1357,64 км/ч, прежде чем он раскрыл свой парашют после 4 минут 19 секунд свободного падения. …Австриец стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без включения двигателя во время подвига, а также побил рекорды по максимальному полету на воздушном шаре и прыжкам на большую высоту». Какую скорость развил бы Феликс Баумгартнер перед раскрытием парашюта, если пренебречь сопротивлением воздуха и зависимостью ускорения свободного падения от высоты? Ускорение свободного падения примите равным 9,8 м/с2.
"раскрыл свой парашют после 4 минут 19 секунд свободного падения"-т. е нужно найти, но я не в курсе, как ((( Подскажи, пожалуйста, чем сможешь
Кошачий Произвол! Просветленный (21596) Андрей Соколов, нужно просто найти информацию на какой высоте он раскрыл парашют.. тогда можно будет от этого отталкиваться.. если это считать то там учитывается сопротивление ветра крч просто так точно не расчитать зная высоту начальную и время. Цифра получится неверная.
V = 1357.64 км/ч = 1357.64*10^3/3600 = 377.1 м/с.
t = 4 мин. 19 с = 259 с.
Принимаем, что сопротивление воздуху реально приводило к постоянному уменьшению ускорения. Тогда Феликс ускорялся по формуле: а = V/t = 377.1/259 = 1.4559 = 1,46 м/с^2. — Довольно маленькое среднее ускорение.
«Пройденный» при этом путь: S° = 0.5*a*t^2 = 0.5*1.46*259^2 = 48969.13 = ~49 км. — Это больше, чем начальная высота спуска. Очевидно, что часть пути он падал с постоянной скоростью.
Так что определить, на какой высоте был раскрыт парашют, НЕЛЬЗЯ. Придётся ПРИНЯТЬ, что ЭТО было на высоте, с которой он замедлялся бы до V = 0 не сильней, чем а = 2g = 19,6 м/с^2. Значит, Н° = 0.5*19.6*(t°)^2 = [[ где 19,6*t° = 377 ==> t° = 377/19.6 = 19,2 c ]] = 0.5*19.6*(19.2)^2 = 3612.672 = ~ 3,6 км. — Примем: Н° = 4 км
Тогда Феликс пролетел бы путь h = 39 - 4 = 35 км с ускорением g.
Время t” этого падения: h = 0.5*9.8*(t”)^2 ==>. t” = sqrt(35000/(0.5*9.8) = 84,5 c.
Скорость к достижению высоты Н° = 4 км оказалась бы:
V = g*t” = 9.8*84.5 = 828 м/с.
Читайте также: