При какой максимальной гравитации может выжить человек?
В романе Курта Воннегута «Балаган или конец одиночества» сила гравитации постоянно менялась, то придавливая все живое к земле, то даруя удивительную легкость. Если представить, что нечто подобное произойдет в реальности, то первым вопросом будет «какую максимальную гравитацию выдерживает человеческое тело?» В 2015 году силач и актер «Игры престолов» побил тысячелетний рекорд, сделав пять шагов с 650-килограммовым бревном на спине. Для большинства из нас это был просто необыкновенный пример героической силы. Для ученых этот подвиг означал сокрушительный предел гравитационного притяжения, которое любой смертный мог когда-либо надеяться выдержать. В 2018 году ученые из Загребского университета в Хорватии наконец ответили на вопрос о том, какую максимальную силу гравитации способен выдержать человек. По словам авторов исследования, эти знания пригодятся будущим астронавтам при колонизации других планет.
Возможно, человек и правда когда-нибудь отправиться на поиски планет, пригодных для жизни
Гравитация и тело человека
Человек освоил прямохождение около 3,6 миллионов лет назад. Наша походка формировалась под действием силы тяжести, эквивалентной примерно на 9,8 ньютонов на килограмм массы тела. Рассчитав крепость костей и мускулатуры, исследователи выяснили, что люди смогут передвигаться, пусть и с огромным трудом, на планетах, чья гравитация в 4 раза превышает гравитацию на Земле. В случае, если гравитация на экзопланете будет превышать земную в пять раз, человек не сможет даже пошевелиться.
Однако главной опасностью при такой силе тяжести окажется нагрузка на сердце – перекачивание крови в верхние отделы организма будет сильно затруднено, так как вся кровь прильет к нижним конечностям. В случае же, если гравитация превысит земную в десять раз, скелет сломается под тяжестью собственного тела.
К столь критической оценке исследователи пришли приняв во внимание тот факт, что наши кости – впечатляющие сооружения, если говорить о технике. На самом деле, одна только большеберцовая кость способна выдержать примерно 90-кратную земную гравитацию, прежде чем расколоться. Работая с цифрами о силе человеческой мускулатуры, исследователи определили, что находясь в хорошей физической форме и регулярно тренируясь мы довольно просто могли бы противостоять силе тяжести не более 5 g.
Если вам интересно, какое будущее ожидает нашу цивилизацию, подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте.
Хафтор Бьернссон также является гордым обладателем титула Самый сильный человек мира-2018
Но можно ли ходить при такой гравитации? С точки зрения физики, ходьба – это, по существу, цикл контролируемого падения, где качание каждой ноги предотвращает встречу лица с землей. Этот паттерн «падение-сброс-падение-сброс» заставляет наш центр масс качаться вверх и вниз, где сосредоточена большая часть работы. Вот почему физики разработали собственную модель так называемой «перевернутой маятниковой походки», учитывающую колебания центра масс человека и время его раскачивания ногами. Рекорд Бьернссона (игра престолов), составляющий пять шагов, устанавливает довольно хороший ориентир для верхних пределов того, чего может достичь человеческая походка.
Объединив массу бревна, вес и размер ноги Бьернссона, команда определила, что человек с таким же телосложением может медленно передвигаться по планете с гравитацией – или g – примерно в 4,6 раза больше земной. Наше сердце едва справляется с гравитацией около 5 g, выше которой мы начинаем терять сознание. Таким образом, похоже, эта цифра устанавливает абсолютную границу для любого вида человеческого исследования.
Как пишут сами авторы исследования, работа имеет ряд ограничений. Так, авторы не учитывали роль скафандров и любых дополнительных технологий, которые могут увеличить предел допустимой силы тяжести. Тем не менее, для долгосрочного пребывания на незнакомой планете это вряд ли это подойдет.
Гравитация на экзопланетах
Претендентом на самую большую экзопланету земного типа является экзопланета BD+20594b – планета, диаметром в половину диаметра Нептуна и примерно такой же массой. На ее поверхности гравитационное притяжение в три раза больше чем на Земле.
Так выглядит экзопланета земного типа BD+20594b. Представляете, какие там закаты?
Вообще, BD+20594b довольно странная планета, поскольку масса большинства скалистых миров составляет менее 1,6 массы нашей планеты и гораздо меньший радиус, так что может и не стоит выбирать ее в качестве будущего дома человечества.
Авторы работы, опубликованной в журнале The Physics Teacher отмечают, что из 594 экзопланет, достаточно изученных для того, чтобы оценить на них силу тяжести, пригодными для человека являются 422 (если не принимать во внимание другие условия, которые могут быть и пострашнее гравитации). А как вы думаете, приземлятся ли люди когда-нибудь на эти далекие миры, по крайней мере в обозримом будущем? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Результаты нового исследования показали, что иммунитет каждого человека уникален так же, как отпечатки пальцев. После изучения антител к COVID-19 в крови здоровых и больных людей, ученые пришли к выводу, что существует самое настоящее иммунное разнообразие 🔬
Сейчас может показаться, что коронавирус прошел стороной и можно расслабиться. Но это не так — о нем просто стали чуть меньше говорить. Число новых зараженны…
Астрономы обнаружили одну из самых необычных на данный момент экзопланет. Она представляет собой газовый гигант, похожий на наш Юпитер, но при этом находится…
Если гравитация это не сила, то как она «притягивает» объекты?
Считается, что гравитация ответственна за все происходящее в нашей Вселенной – от падения яблока на голову Исаака Ньютона, до вращения сверхмассивных черных дыр в центрах далеких галактик. Обычно мы представляем гравитацию как силу, которая притягивает вещи к массивным объектам. В некоторых учебниках по физике, особенно начальных классов, можно встретить утверждения о том, что «гравитация Земли притягивает объекты к центру планеты». Но так ли это? Исследователи полагают, что ключом к разгадке тайны гравитации является термин «ускорение», а не «тяга». Дело в том, что гравитация вообще не притягивает объекты; скорее, она искривляет пространство-время, заставляя объекты следовать за создаваемыми ей изгибами, в результате чего они иногда ускоряются. В этой статье разбираемся чем на самом деле является гравитация.
Мы воспринимаем гравитацию, как силу, которая «притягивает» к себе объекты. Но так ли это?
Ньютоновская гравитация
В 1665-1667 годах в Англии бушевала бубонная чума. В этот период молодой ученый по имени Исаак Ньютон вернулся из Кембриджского университета на свою семейную ферму в Вулсторпе. Время, проведенное в изоляции, позволило ему познать физическую природу света: Ньютон провел множество экспериментов и пришел к выводу, что свет можно рассматривать как поток частиц, которые исходят от некого источника и двигаются по прямой до ближайшего препятствия.
Такая модель света называется корпускулярной; она легла в основу классической физики, без которой современных достижений науки просто не существовало бы.
Считается, что примерно в это же время Ньютон стал автором своего наиболее известного открытия – Всемирного закона тяготения. Он совершил концептуальный прорыв признав два различных вида движения – равномерное и ускоряющееся.
В усадьбе Вусторп Ньютон совершил свои величайшие открытия. Вот что самоизоляция с людьми делает!
Важно понимать, что для современников Ньютона гравитация была земной силой; она была ограничена объектами вблизи поверхности Земли. Но в семейном яблоневом саду Ньютон обнаружил, что гравитация – сила универсальная. Она простирается до самых планет, до Луны, звезд и дальше.
Сегодня, благодаря трудам еще одного великого ученого, мы знаем, что энергия буквально говорит пространству-времени, как изгибаться: согласно Общей теории относительности, сила тяжести возникает из-за искривления пространства и времени, а такие объекты, как Солнце и Земля, эту геометрию изменяют.
Гравитация Эйнштейна
Пытаясь разгадать величайшие тайны Вселенной Альберт Эйнштейн, которому на тот момент исполнилось 30 лет, понял, что пространство-время изгибает не сила, но масса. Изгибы, которые оставляют под собой массивные объекты, например Солнце, подсказывают энергии как двигаться.
Представить себе пространство-время можно в виде равномерно натянутой плотной ткани, в центр которой закинули бильярдный шар – точно так же, как изгибается ткань под давлением шара, изгибается и пространство-время под давлением массивных объектов.
Большой шар сильно искривляет пространство-время, заставляя меньший шар изменить свой курс и следовать за падением.
Вместо шара и ткани также можно представить себе автомобиль, который движется по извилистой дороге – когда автомобиль спускается с холма, то ускоряется. Массивные объекты во Вселенной подобны ускоряющемуся автомобилю – они создают экстремальные изгибы в пространстве-времени.
Интересно, что гравитация способна ускорять объекты, когда они входят (или приближаются) в глубокие гравитационные колодцы. Гравитационные колодцы – это концепция, согласно которой чем массивнее тело, тем глубже и больше порождаемый им гравитационный колодец.
Еще больше увлекательных статей о том, какие законы физикой управляют Вселенной и почему, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Гравитация и астероиды
Чтобы лучше понять, как работает гравитация и как она способна ускорять объекты, возьмем, к примеру, Землю и Луну. Земля – довольно массивный объект. По крайней мере, по сравнению с Луной. Это означает, что наша планета довольно сильно искривляет ткань пространства-времени.
Луна вращается вокруг нашей планеты из-за искривления пространства-времени, вызванного массой Земли. Выходит, она просто движется вдоль изгиба или нисходящего склона (в случае с автомобилем), который делает наша планета. В этом отношении на спутник Земли не действует какая-либо сила. Она просто следует определенному пути. Но почему в таком случае все астероиды и метеориты, пролетающие мимо нашей планеты, не попадают на орбиту?
Солнце и Луна искривляют ткань пространства-времени.
Причина, как полагают исследователи, кроется в пути, который проходит объект – он зависит от ряда факторов, таких как скорость, траектория и масса соответствующих объектов. Именно по этой причине каждый день сотни астрономов по всему миру наблюдают множество комет и астероидов, пролетающих мимо Земли и не попадающих на ее орбиту.
А если вам интересно, смогут ли люди когда-нибудь изобрести искусственную гравитацию, обязательно прочтите статью моего коллеги Владимира Кузнецова. В ней он подробно рассказывает о последних достижениях в этой области и о том, перестанет ли в скором будущем искусственная гравитация считаться атрибутом исключительно научной фантастики.
Антигравитация: скорее да, чем нет
Для вас не будет секретом и сакраментальным откровением, что вся современная наука вышла из научной фантастики? Сотовая связь и глобальные сети, голография и военные спутники, а так же многое другое сначала появились в горячем воображение, а уж затем переконвертировались в материальные эквиваленты. Тем интереснее для нас становятся давно описанные и известные явления, которые тем не менее современная наука не считает практически достижимыми. Речь идёт об антигравитации или так называемой нулевой гравитации. В 20 веке о таком явлении начали говорить вполне серьезно, когда был открыт квантовый мир. Ньютоновская физика показалась убогой и несовершенной по сравнению с миром элементарных частиц, где телепортация и антигравитация были такими же привычными явлениями как падение тела на землю в нашем мире макро параметров. Однако об использовании ранее не известных свойств на более крупных объектах, чем позитроны и электроны, вопрос даже не ставился.
Вообще осознать, что же такое гравитация, пытались многие и по-разному. В 19-м веке создавались теории гравитации на основе представления об эфире — универсальной среды, заполняющей всё пространство. Частицы эфира ударяют со всех сторон равномерно, но со стороны Земли часть из них задерживается, и нас поэтому подталкивают к Земле частицы с других направлений. Эта теория очень наглядна, но приводит к неразрешимой в её рамках проблеме с объяснением отсутствия нагрева планет вследствие бомбардировки частицами эфира. Тем не менее, эфирная теория жива до сих пор в некоторых кругах, далёких от академической науки.
В 20-м веке Эйнштейн попытался дать более глубокое объяснение гравитации, заменив понятие о поле гравитации понятием о кривизне пространства вблизи массивного тела. В кривом пространстве естественное движение тоже кривое, неравномерное, тела как бы естественно скатываются в пространственную яму и никаких полей вводить не надо. Эта идея создала благодатную почву для интеллектуальных игр физиков-теоретиков, изучающих звёзды и Вселенную, и они с увлечением играют в них уже почти сто лет. Эти игры принесли пользу астрономии, инициировав ряд открытий, самое интересное из которых — чёрные дыры, которые могут быть тоннелями в пространстве-времени, ведущими в другие миры. Некоторые наблюдаемые астрономические объекты по ряду признаков действительно похожи на чёрные дыры, но напрямую это доказать пока невозможно. Однако для земных практиков эта теория не дала ничего нового, по сравнению с представлениями Ньютона, ни в расчётах, ни в объяснениях, поскольку никаких иных возможностей искривлять пространство, кроме как с помощью очень больших масс, в теории Эйнштейна нет.
Примерно несколько лет назад появились сообщения о возможном нарушении закона тяготения в масштабах Солнечной системы, когда были получены данные о необъяснимых изменениях характера движения 4-х космических зондов, добравшихся до краёв Солнечной системы. Исследователи из NASA обнаружили, что скорость зондов уменьшается быстрее, чем это следует из закона Ньютона, что свидетельствует о действии силы неизвестного происхождения. Одним из зондов является “Pioneer-10”, который был запущен к внешним планетам Солнечной системы в 1972 году, сейчас находится за Юпитером, но всё ещё доступен для радиосвязи с Землей. Изучая доплеровский сдвиг частоты радиосигнала, поступающего от зонда, учёные смогли рассчитать, сколь быстро корабль перемещается в пространстве. Его траектория тщательно отслеживается с 1980 года. Оказалось, что “Pioneer-10” снижает скорость гораздо быстрее, чем должен. Вначале предполагалось, что это может объясняться силой, возникающей при малых утечках газа, или же что корабль отклоняется от курса под действием гравитации невидимого тела, находящегося в Солнечной системе.
Затем анализ траектории другого корабля, “Pioneer-11”, запущенного в 1973 году, показал, что этот зонд также находится под действием той же загадочной силы. Именно тогда стало ясно, что учёные столкнулись с воздействием какой-то неизвестной науке силы: ведь “Pioneer-11” находился в противоположном от “Pioneer-10” конце Солнечной системы и поэтому то же неизвестное тело не могло на него влиять. Кроме того, существует предположение, что та же сила воздействовала на корабль “Галилео” на его пути к Юпитеру и на зонд “Улисс”, когда тот совершал полёт вокруг Солнца. Зонд может изменить свою скорость только за счёт выбросов вещества, например, вследствие испарения чего-либо из него. Однако учёт возможных явлений такого рода не дал удовлетворительного количественного объяснения эффекта, и единственным объяснением остаётся изменение силы притяжения. Оппоненты возражают, что изменение гравитации должно было бы сказаться и на движении дальних планет, чего явно не наблюдается.
Данных о количественных значениях отклонений от закона Ньютона в широкой прессе не сообщалось, но, скорее всего, речь может идти о небольших поправках к закону тяготения, так что на проблему антигравитации на Земле это вряд ли окажет влияние. Прямые измерения сил притяжения между массивными шарами в нормальных земных условиях проводились неоднократно, и формула Ньютона подтверждена с высокой точностью.
Некоторое время назад сообщалось о попытках обнаружить антигравитацию в масштабах галактик (мегамир). Дело в том, что астрономами давно установлен факт разбегания галактик друг от друга. По гипотезе Большого взрыва, основанной на теории Эйнштейна, такое разбегание обусловлено раздуванием пространства-времени, начавшегося с момента образования Вселенной. Это похоже на презерватив с рисунком: его надувают и детали рисунка разбегаются. Но есть и более физическая гипотеза, основанная на предположении о существовании в космосе энергии, вызывающей антигравитацию. Области с такой энергией должны быть расположены между галактиками и не наблюдаются непосредственно, но должны оказывать расталкивающее действие на галактики и вызывать искривление путей проходящих вблизи лучей света.
Подтверждение существования антигравитации в космосе было бы, конечно, великим научным открытием, хотя говорить о влиянии его на земную технологию проблематично, поскольку масштабы расстояний на Земле совсем другие.
Итак, кажется, что существующая физика гравитации ставит жирный крест на попытках разработки любых идей антигравитации. Не случайно, в солидных академических научных сообществах проекты по антигравитации до сих пор относятся к той же категории, что и проекты создания вечных двигателей. Эта аналогия не случайна. Действительно, если бы простыми средствами удалось научиться включать и выключать гравитацию, то легко построить генератор, который получает энергию просто из гравитационного поля Земли: берём массивный груз, соединённый стержнем с осью электрогенератора, выключаем гравитацию, поднимаем груз на большую высоту и включаем гравитацию, груз падает и крутит ротор генератора, потом цикл повторяется. Поскольку гравитационное поле определяется только массой Земли и не может измениться, здесь явно просматривается неисчерпаемый энергетический ресурс. А ничего неисчерпаемого в природе, как учит опыт, не бывает. Значит, допущение возможности простого управления гравитацией противоречит закону сохранения энергии, который является краеугольным камнем науки. Так что задаром управлять гравитацией невозможно. Но находятся индивиды, которые пытаются это опровергнуть.
Во второй половине 20-го века изобретатели перешли на эксперименты с вращающимися электромагнитными полями. Из появившихся в печати сообщений на эту тему можно выделить три работы: Джона Сёрла, Юрия Баурова и Евгения Подклетнова, — поскольку они, во-первых, попали в серьёзные научные журналы и, во-вторых, эти работы продолжаются и в настоящее время, несмотря на скандалы и резкую критику.
В 1946 году Джон Сёрл объявил об открытии им фундаментальной природы магнетизма. Он обнаружил, что добавление небольшой компоненты переменного тока радиочастоты (
10 MГц) в процессе изготовления постоянных ферритовых магнитов придаёт им новые и неожиданные свойства, а именно, при взаимодействии таких магнитов возникали непонятные силы, приводящие к необычным движениям системы магнитов. Сёрл разработал генератор из этих магнитов и начал с ним эксперименты. Генератор был испытан на открытом воздухе и приводился в движение небольшим двигателем. Он производил необычно высокий электростатический потенциал порядка миллиона вольт (по его утверждению), что проявлялось через электростатические разряды вблизи генератора.
Однажды произошло неожиданное. Генератор, не переставая вращаться, стал подниматься вверх, отсоединился от двигателя и взмыл на высоту около 50 футов. Здесь он немного завис, скорость его вращения стала возрастать, и он начал испускать вокруг себя розоватое свечение, свидетельствующее об ионизации воздуха. Находящийся рядом с исследователем радиоприёмник самопроизвольно включился, видимо, из-за мощных разрядов. В конце концов генератор разогнался до большой скорости и скрылся из вида, вероятно, отправившись в космос. Во всяком случае, его падения не обнаружили.
С 1952 года Сёрл с группой сотрудников изготовили и испытали более 10 генераторов, самый большой из которых был дисковидной формы и достигал 10 м в диаметре. Публиковать свои исследования в научных изданиях Сёрл отказался, но согласился сотрудничать с японским профессором Сейко Шиничи и предоставил ему описание основных моментов технологии изготовления магнитов. В 1984 году о работах Сёрла сообщил немецкий научно-популярный журнал “Raum & Zait”. В настоящее время Сёрл находится на пенсии и проектами, судя по всему, не занимается.
Идеи Сёрла привлекли энтузиастов в разных странах, в том числе, и в России, где их разрабатывают в частном порядке несколько исследовательских групп, хотя официальная наука от комментариев воздерживается. Поэтому довольно неожиданным было появление в 2000 году в солидном научном физическом журнале “Письма в ЖТФ” сообщения В.В. Рощина, С.М. Година из института высоких температур РАН, Москва, под названием “Экспериментальное исследование физических эффектов в динамической магнитной системе”. Они описали разработанный ими вариант генератора Сёрла и полученные на нём необычные результаты и странные эффекты. Одним из результатов было уменьшение на 35% веса установки, масса которой составляет 350 кг. Позже авторы выпустили книгу с подробным описанием экспериментов и своей собственной теорией явления. Какой-либо информации о продолжении этой работы найти не удалось.
Другое направление исследований в области преодоления силы тяжести связано с Ю.А. Бауровым. Более 20 лет назад, занимаясь анализом астрономических данных, он выдвинул гипотезу о существовании в нашей галактике фундаментального векторного потенциала. Как известно из физики, векторный потенциал — это ненаблюдаемая непосредственно физическая величина, градиент которой (то есть пространственная неоднородность) проявляется как магнитное поле. Используя магнитные системы, создающие большой собственный векторный потенциал, и ориентируя его относительно потенциала Вселенной, можно получить силы большой величины и использовать их для преодоления тяготения. По этой гипотезе в космосе должно существовать выделенное направление, и максимальные силовые эффекты должны наблюдаться именно в этом направлении. Бауров поставил несколько экспериментов в подтверждение своей теории, которые описал в 1998 году в изданной им книге “Структура физического пространства и новый способ получения энергии”. По-видимому, это единственное из всех направлений исследований, в котором используется не противоречащая научным положениям здравая идея. О продолжении данных исследований также ничего не известно.
Последняя из работ по антигравитации, ставшая сенсационной, связана с именем уехавшего в Финляндию в 90-е годы российского физика Евгения Подклетного. Он занимался изучением свойств сверхпроводников и в 1992 году экспериментировал с установкой, в которой использовался диск из сверхпроводящей керамики, охлаждаемый жидким азотом и раскрученный до скорости пяти тысяч оборотов в минуту. В одном из опытов Подклетнов заметил, что струйка дыма от сигареты его коллеги неожиданно более резко поднималась к потолку над диском. Последующие измерения зафиксировали уменьшение веса на 2% у любых предметов, помещённых над диском. Экранировка гравитации обнаруживалась даже на следующем этаже лаборатории. К сожалению, все последующие попытки повторить опыты Подклетнова провалились. Скандал, возникший вокруг нечаянной сенсации, стоил Подклетнову научной карьеры, а многочисленным последователям — немалых выброшенных на ветер денег. NASA потратила 600 тысяч долларов на создание собственной установки, но в конце концов её эксперты заявили, что методика российского учёного была изначально порочна.
Тем не менее, энтузиасты этого направления антигравитации остаются. Как сообщило агентство BBC, со ссылкой на альманах Jane’s Defence Weekly, американская фирма Boeing вплотную занялась работами Подклетнова для того, чтобы самостоятельно решить, насколько можно верить разнообразным слухам и газетным уткам. Дело в том, что у эффекта Подклетного имеется некоторое теоретическое обоснование. Ещё в 1989 году американская исследовательница доктор Нинг Ли, работающая в Центре космических полётов им. Маршалла, теоретически предсказала, что хорошо раскрученный сверхпроводник, помещённый в мощное магнитное поле, может стать источником гравитационного поля, причём сила этого поля будет достаточна для измерений в лабораторных условиях. В 1997 году Нинг Ли начала разработку установки, которая должна стать самым крупным в мире генератором антигравитации. Диск в её агрегате будет иметь в диаметре не менее 33 см и толщину 12,7 мм. Сам же Подклетнов, по информации немецкой газеты “Sueddeutsche Zeitung”, работает над новым прибором, который не экранирует, а отражает гравитацию, причём делает это в импульсном режиме. По его мнению, импульсный генератор гравитации скоро “будет способен опрокинуть книгу на расстоянии одного километра”. Он прогнозирует появление небольших летательных аппаратов нового типа. В общем, история с Подклетновым пока продолжается.
Осторожно исследуя исторические данные можно предположить, что антигравитация в природе скорее существует, чем наоборот, но её механизм пока совершенно не ясен. Состояние дел с экспериментами по управлению весом объектов ни в какой степени не является удовлетворительным. Довольно удивительно также, что, несмотря на многочисленность случаев свидетельств левитации, полноценного изучения этого феномена, по-видимому, никому сделать не удалось, что позволяет скептикам обоснованно сомневаться в реальности существования данного явления. Но на это можно привести следующую аналогию с шаровой молнией. Ещё лет 50 назад учёные скептически относились к свидетельствам очевидцев, полагая, что это некоторого рода зрительные феномены, возникающие во время грозы. Теперь количество наблюдений перешло некоторый порог, и уже никто не сомневается в существовании феномена. Но это ничего не изменило — по-прежнему полностью нет объяснения природы феномена и никому не удалось провести строгое экспериментальное его изучение! Профессор Капица попытался моделировать шаровую молнию в лаборатории, и даже вначале у него получались правдоподобные плазменные шарики, но продолжения этих работ не последовало, и загадка природных шаровых молний остаётся неразгаданной.
