Центробежная сила
Thursday, 28 July 2005 12:50![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
andrzejnСотни, если не тысячи фантастов вслед за Циолковским изображали в своих произведениях гигантские космические корабли и орбитальные станции, в которых подобие тяготения создаётся центробежными силами за счёт вращения корпуса корабля. И почти все допускали в своих описаниях одну и ту же ошибку.
Вот один из классических примеров (А. Кларк. "Свидание с Рамой"):
Центробежная сила отличается от гравитации тем, что это не поле, действующее по всему пространству. Искусственное центробежное "тяготение" действует только на предметы, каким-то образом увлекаемые вращающимся корпусом и движущиеся по окружности вместе с ним. Только так! Иными словами, пока вы стоите на внутренней поверхности Рамы (или подпрыгиваете, но не очень высоко) - вас прижимает к ней. Когда вы висите во внутреннем пространстве - не важно, возле оси или вдали от неё - вы находитесь в невесомости. Вращение корпуса влияет на вас только опосредованно, через движение слоёв воздуха, увлекаемых корпусом. Но воспринимать вы это будете просто как ветер в невесомости, а не как тяготение. Да и на поверхности, кстати, ощущение будет отличаться от гравитационного - не равномерное притяжение к поверхности всех частей тела, а всего лишь давление поверхности на подошвы.
Кстати, в сооружениях типа Рамы - одна большая вращающаяся полость - будут постоянно дуть кориолисовы ветры из-за того, что при одинаковой угловой скорости вращения линейная скорость воздуха на разном расстоянии от центра должна быть разной, а в газовой среде добиться подобной равномерности нереально. Возле оси будет крутиться непрерывный продольный вихрь.
Когда же фантасты начинают рассказывать о медленно растущей центробежной силе в вакууме, это вообще не поддаётся научному обоснованию.
Вот один из классических примеров (А. Кларк. "Свидание с Рамой"):
Сначала она шла строго по прямой, постепенно перемещаясь вдоль оси Рамы. Отдалившись на двести-триста метров, Джимми бросил педали; странно было видеть аппарат явно аэродинамических форм недвижно висящим в воздухе Такое случилось, пожалуй, впервые за всю историю авиации, разве что в ограниченных масштабах тот же эффект наблюдался на самых крупных космических станциях.Заметили, в чём дело? Нет?
- Ну и как, слушается? - осведомился Нортон.
- Маневренность неплохая, устойчивость так себе. Но я догадался, в чем дело, - здесь "Стрекоза" ничего не весит. Лучше спуститься километром ниже...
- Постой, постой, а не опасно ли это?
Потеряв высоту, Джимми утратит главное свое преимущество. Пока он держится точно на оси, он - и "Стрекоза" вместе с ним - остаются полностью невесомыми. Он может зависнуть на месте, не затрачивая усилий, может при желании даже поспать. Но едва он сдвинется с оси вращения Рамы, вновь неизбежно проявится действие центробежной силы. И потому, если он не сумеет держаться на заданной высоте, он будет падать - и в то же время набирать вес. Процесс пойдет с нарастающей скоростью и закончится скорее всего катастрофой.
Центробежная сила отличается от гравитации тем, что это не поле, действующее по всему пространству. Искусственное центробежное "тяготение" действует только на предметы, каким-то образом увлекаемые вращающимся корпусом и движущиеся по окружности вместе с ним. Только так! Иными словами, пока вы стоите на внутренней поверхности Рамы (или подпрыгиваете, но не очень высоко) - вас прижимает к ней. Когда вы висите во внутреннем пространстве - не важно, возле оси или вдали от неё - вы находитесь в невесомости. Вращение корпуса влияет на вас только опосредованно, через движение слоёв воздуха, увлекаемых корпусом. Но воспринимать вы это будете просто как ветер в невесомости, а не как тяготение. Да и на поверхности, кстати, ощущение будет отличаться от гравитационного - не равномерное притяжение к поверхности всех частей тела, а всего лишь давление поверхности на подошвы.
Кстати, в сооружениях типа Рамы - одна большая вращающаяся полость - будут постоянно дуть кориолисовы ветры из-за того, что при одинаковой угловой скорости вращения линейная скорость воздуха на разном расстоянии от центра должна быть разной, а в газовой среде добиться подобной равномерности нереально. Возле оси будет крутиться непрерывный продольный вихрь.
Когда же фантасты начинают рассказывать о медленно растущей центробежной силе в вакууме, это вообще не поддаётся научному обоснованию.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: Thursday, 28 July 2005 11:41 (UTC)no subject
Date: Thursday, 28 July 2005 11:52 (UTC)no subject
Date: Thursday, 28 July 2005 12:14 (UTC)про силу, которая действует только на подошвы: а сами подошвы на ноги не давят разве?
короче, фантасты правы, а уж циолковский и подавно.
no subject
Date: Thursday, 28 July 2005 12:32 (UTC)Если станция заполнена воздухом - да, наблюдателя понесёт ветром и вполне может вмазать в стену. Вот здесь я судить не возьмусь, гидродинамику мы в институте изучали чересчур бегло. Но сильно подозреваю, что законы движения там хитрее, чем просто линейное увеличение центробежной силы - предметы из вихрей выбрасываются отнюдь не сразу, и чаинки в стакане чая не раскручиваются к краям.
Да, с давлением на подошвы я погорячился. Стоящий на поверхности человек неподвижен в неинерциальной системе отсчёта, связанной со станцией, так что ощущения будут отличаться от "настоящей" гравитации только на кориолисову силу. Но это уже совсем другой разговор.
Циолковский - прав, а вот фантасты - когда как :)
no subject
Date: Thursday, 28 July 2005 12:59 (UTC)как это у классика - подпрыгиваете и делаете паузу
no subject
Date: Thursday, 28 July 2005 13:22 (UTC)"Стрекоза" же стартовала с оси. Всё, что ей нужно было погасить - это вращение вокруг собственной продольной оси. Здесь тоже были бы свои проблемы из-за осевого кориолисова вихря, и эти проблемы можно было бы со вкусом описывать - но Кларк рассказал историю так, как будто самолётик летел в спокойном воздухе, неподвижном относительно поверхности цилиндра, и только центробежная сила линейно нарастала. Не верю.
И Кларк не один такой. Скажем, у Рейнольдса, которого я сейчас читаю, есть удачные описания (человек, сброшенный в шахту ускоряющегося корабля, спасается, переключая тягу корабельных двигателей) но когда дело доходит до вращающегося цилиндра, Рейнольдс не правдоподобнее Кларка.
no subject
Date: Thursday, 28 July 2005 22:08 (UTC)Понимаешь, станция, НЯП, движется. Если ты сошел с оси вращения, то у тебя есть некоторая скорость относительно станции, и в момент контакта со станцией (а он будет) сила будет. И, наверное, немаленькая.
НЯП, у Хайнлайна подобные штуки использовались. Но там говорилось про вес на трапах. А вот там вес будет. :?) И при движении от оси он как раз будет расти. :?)
no subject
Date: Friday, 29 July 2005 06:59 (UTC)Вес на трапах - это нормально. Сомнения у меня вызывает только гипотеза, что воздух внутри станции будет крутиться строго по законам твёрдого тела, да ещё и увлекать летающие предметы с той же силой, с какой их увлекают трапы и прочие крепления - а иначе не получится линейного нарастания центробежной силы по мере удаления от оси..
no subject
Date: Friday, 29 July 2005 07:21 (UTC)no subject
Date: Friday, 29 July 2005 15:49 (UTC)