Физика: выводы, допущения, источники
Здесь выведена каждая формула, которую использует сайт. Если вывод вызывает сомнения, на странице «Проверка» он сравнивается с численным экспериментом, а код открыт.
Содержание: откуда тяжесть · трос с массой · продольные колебания · поперечные волны · качание кораблей · яблоко · переход по тросу · кольцо · орбита · комфорт · численная модель · источники
1. Откуда берётся тяжесть
В инерциальной системе отсчёта никакой центробежной силы нет. Человек на полу вращающегося отсека движется по окружности, и пол толкает его к оси с силой \(m\omega^2 r\). Эту силу реакции опоры он и ощущает как вес, направленный «вниз» — от оси.
Во вращающейся системе отсчёта (угловая скорость \(\vec\omega\) постоянна) закон Ньютона приобретает две фиктивные силы:
Центробежная зависит только от положения, Кориолиса — от скорости относительно отсека. Именно она делает искусственную тяжесть «неправильной»: падающие предметы отклоняются, бегущий против вращения легчает, а повороты головы вызывают укачивание.
Все модели сайта считают в инерциальной системе, где сил инерции нет, и только потом переводят картинку во вращающуюся. Поэтому Кориолис и центробежная сила в них не «заложены», а получаются.
2. Трос с массой: натяжение, сечение, удлинение
Корабль массы \(M\) подвешен к тросу за нос; нос на радиусе \(R_a\), центр масс корабля — на \(R_{\text{цм}} = R_a + a\). В стационарном вращении центр масс корабля движется по окружности, поэтому трос тянет корабль к оси с силой
Элемент троса длиной \(dx\) на радиусе \(x\) (погонная масса \(\rho A\)) тоже движется по окружности: разность натяжений по его концам равна центростремительной силе:
Максимум натяжения — на оси. Выбираем сечение так, чтобы там напряжение было равно допускаемому \(\sigma_{\text{доп}} = \eta\sigma/n\), где \(\sigma\) — прочность волокна, \(n\) — запас прочности, \(\eta\) — какая доля прочности волокна реализуется в канате:
Про η. Канат слабее волокна: часть нитей нагружена неравномерно, концевые заделки (сплесни) теряют ещё 10–20 %. Например, у плетёных канатов из Dyneema SK78 диаметром 32 мм разрывная нагрузка 88,3 т при массе 0,567 кг/м (паспорт DYNICE 78). В пересчёте на массу это ~1,5 ГПа, то есть η ≈ 0,45 от прочности волокна 3,4 ГПа. Поэтому по умолчанию η = 0,5.
Упругое удлинение половины троса (\(E\) — модуль Юнга):
3. Продольные колебания: корабли «подпрыгивают» на тросе
По симметрии середина троса неподвижна, и каждая половина — пружина жёсткости \(k = EA/l_0\) с грузом \(M\) на конце, где \(l_0 = R_a - \Delta L_{1/2}\) — длина половины троса без нагрузки (\(dT/dr = EA/l_0\); если взять растянутую длину \(R_a\), ошибка порядка деформации \(\varepsilon\) того же размера, что и добавка \(3\omega^2\)). Сила натяжения проходит через ось, поэтому момент импульса корабля \(h = Mr^2\dot\varphi\) сохраняется. Эффективная потенциальная энергия радиального движения и её вторая производная в равновесии:
Масса троса учитывается по Рэлею: при линейном профиле скоростей кинетическая энергия пружины равна энергии трети её массы на конце, т. е. \(M \to M + m_{\text{троса}}/6\). Для параметров по умолчанию период около 0,8 с, а добавка \(3\omega^2\) меняет частоту меньше чем на 1 %. Затухание определяется внутренним трением троса и в космосе очень мало: если нужно гасить колебания, это делает лебёдка (на странице модели есть режим «лебёдка держит тяжесть» — это регулятор натяжения, который работает как демпфер).
Провис и рывок. Трос не сопротивляется сжатию. Если размах колебаний расстояния между кораблями больше статического удлинения \(2\Delta L_{1/2}\), трос на часть периода провисает, а затем дёргается. Пик натяжения при рывке заметно больше рабочего — это одна из главных причин закладывать запас прочности.
4. Поперечные волны
Натянутый трос — струна. Скорость поперечной волны и частоты мод (концы закреплены массивными кораблями):
Колебания в плоскости вращения чуть медленнее: смещение \(y\) поперёк троса в этой плоскости центробежная сила \(\omega^2 y\) раскачивает, так что \(\omega_n^2 \to \omega_n^2 - \omega^2\). Колебания поперёк плоскости вращения этой поправки не имеют. Для дискретной модели из \(N\) бусин массы \(m\) с шагом \(h\) \(\omega_n = 2\sqrt{T/mh}\,\sin(n\pi/2N)\) — именно это сравнивается с симуляцией. Поскольку трос в ~1000 раз легче кораблей, волны на корабли почти не влияют.
5. Качание кораблей
Корабль висит на тросе за нос, поэтому может поворачиваться относительно троса (тангаж). Модель: трос невесомый и нерастяжимый, длина \(2R_a\); корабли одинаковые, \(M\) и \(I\) — масса и момент инерции относительно центра масс, \(a\) — расстояние от носа до центра масс. Угол троса \(\varphi\), угол каждого корабля относительно троса \(\psi_{1,2}\). Внешних моментов нет, и центр масс системы неподвижен.
Симметричная мода (\(\psi_1 = \psi_2 = \psi\), середина троса на месте)
Центр масс корабля \(\vec r = R_a\vec e(\varphi) + a\,\vec e(\varphi+\psi)\), лагранжиан на один корабль:
\(\varphi\) — циклическая координата, её импульс сохраняется. Линеаризуем около \(\psi = 0,\ \dot\varphi = \omega\) с обозначениями \(P = MR_a^2,\ K = MR_a a\). Из сохранения импульса \(\delta\dot\varphi = -\dot\psi\,(J+K)/(P+J+2K)\), из уравнения для \(\psi\):
Антисимметричная мода (\(\psi_1 = -\psi_2 = \psi\))
Чтобы центр масс системы оставался на месте, середина троса смещается вбок на \(-a\sin\psi\). Тогда оба центра масс кораблей лежат на линии троса на расстоянии \(r = R_a + a\cos\psi\) от оси, и
Эффективный потенциал \(p_\varphi^2/4(Mr^2+I)\) растёт при уменьшении \(r\), т. е. при отклонении \(\psi\). Отсюда
Смысл: при длинном тросе центр масс корабля почти не может сместиться вбок (трос качается вместе с ним), и корабль поворачивается вокруг своего центра масс. Восстанавливающий момент создаёт натяжение \(T_a\), приложенное к носу на плече \(a\psi\): \(\Omega^2 \approx T_a a / I\). Обе моды в несколько раз быстрее вращения (периоды 3–5 с для параметров по умолчанию). Для экипажа это значит, что после толчка «вертикаль» на палубе качается с таким периодом, а затухания почти нет.
6. Яблоко
Отпущенный предмет летит в инерциальной системе по прямой со скоростью \(\vec V = \vec v' + \vec\omega\times\vec r_0\). Чтобы получить картину изнутри, координаты поворачиваются на \(-\omega t\): \(x' = x\cos\omega t + y\sin\omega t,\ y' = -x\sin\omega t + y\cos\omega t\). Момент удара ищется бисекцией.
Точные решения для предмета, отпущенного из покоя на высоте \(h\) над полом радиуса \(R\) (\(r_0 = R - h\), \(\theta = \omega t\)):
Знак: предмет отстаёт (падает против вращения), потому что рука ближе к оси и движется медленнее пола. На Земле падающее с башни тело отклоняется на восток — вершина башни дальше от оси, чем основание.
7. Переход по тросу
Во вращающейся системе, ось x вдоль троса, ось y по вращению. Чтобы двигаться по закону \(x(t)\), нужно прикладывать силу
Работа подъёма от \(R_a\) до оси \(W = \tfrac12 m\omega^2R_a^2\). Прогиб троса под поперечной силой \(F\) в точке \(s\) пролёта \(\ell\): \(\delta = F s(\ell - s)/(T\ell)\) (струна без изгибной жёсткости). Изменение скорости вращения — из сохранения момента импульса \(\omega(x) = L/(I_{\text{сист}} + mx^2)\).
8. Кольцо
Дуга кольца \(R\,d\theta\) с погонной массой \(\lambda\) движется по окружности; центростремительную силу дают натяжения по её концам:
Натяжение не зависит от радиуса при заданной скорости обода. При заданной тяжести \(v = \sqrt{gR}\), поэтому \(T = \lambda g R\). Силовой пояс несёт груз и сам себя: \(\sigma_{\text{доп}}A_b = (\lambda + \rho_b A_b)v^2\). Гермооболочка трубы радиуса \(a\) под давлением \(p\): кольцевое напряжение \(pa/t\) (напряжение вдоль трубы вдвое меньше, мы им не пользуемся — это запас). Спицы и ступица не учитываются: кольцо держит само себя, спицы нужны для доступа и жёсткости.
9. Поведение на орбите
Приливные силы. Разница гравитационного ускорения на размере системы \(r\) порядка \(3n^2 r\), где \(n\) — орбитальная угловая скорость (\(n \approx 1{,}13\cdot10^{-3}\) с⁻¹ на высоте 400 км). Для \(r = 76\) м это \(3\cdot10^{-4}\) м/с² — в 30 000 раз меньше рабочей тяжести.
Прецессия оси вращения. Момент гравитационного градиента \(\vec\tau = 3n^2\,\hat o\times(\mathbf I\hat o)\), \(\hat o\) — направление на центр Земли. Для осесимметричного тела (ось \(\hat a\), моменты \(I_a, I_t\)) усреднение по орбите (\(\langle\hat o\hat o^T\rangle = \tfrac12(1 - \hat k\hat k^T)\), \(\hat k\) — нормаль к орбите) даёт
Гантель, вращающаяся поперёк своей оси, в среднем по вращению имеет \(I_t = I_a/2\) (как и тонкое кольцо), поэтому \(\Omega_p = -\tfrac34(n^2/\omega)\cos\beta\): ось медленно поворачивается вокруг нормали к орбите в обратную сторону. Для 4 об/мин на низкой орбите период ~1 месяц, для 2 об/мин — ~2 недели. Если ось нужно держать (например, на Солнце), это постоянная, хотя и небольшая работа двигателей. Проверка интегрирует уравнения Эйлера с этим моментом.
Устойчивость вращения. И гантель, и кольцо вращаются вокруг оси наибольшего момента инерции. Внутреннее трение (плескание воды, движение людей) такое вращение стабилизирует. Вращение вокруг оси наименьшего момента при трении неустойчиво — так в 1958 году «Эксплорер-1» перешёл из вращения вокруг длинной оси в кувыркание.
10. Комфорт
- Скорость вращения. Классическое ограничение 1–2 об/мин (исследования NASA/Стэнфорда 1970-х) пересмотрено в обзоре Globus & Hall (2017): до 4 об/мин приемлемо после адаптации от нескольких часов до суток, до 6 об/мин — для постоянных жителей, с тренировкой. Главный источник укачивания — повороты головы поперёк оси вращения (перекрёстное ускорение Кориолиса на вестибулярный аппарат).
- Градиент тяжести голова — ноги равен \(h/r\): 3 % при радиусе 56 м.
- Кориолис при ходьбе \(2\omega v\): при 4 об/мин и 1 м/с — 9 % веса вбок; бег против вращения уменьшает вес в \((1 - v/\omega R)^2\) раз.
- Плоский пол. В корабле пол — плоскость, а не дуга. У стены «вертикаль» наклонена на \(\operatorname{arctg}(w/R)\): 4,6° для полуширины 4,5 м и радиуса 56 м.
11. Численная модель троса
- Система отсчёта — инерциальная, движение в плоскости вращения.
- Корабли — твёрдые тела: центр масс, угол, угловая скорость. Трос крепится к носу; сила на носу даёт и ускорение центра масс, и момент.
- Трос — N отрезков (по умолчанию 24) с сосредоточенными массами в узлах. Отрезок работает только на растяжение, натяжение по Кельвину–Фойгту: \(T = k(d - l) + \beta k(\dot d - \dot l)\), \(k = EA/l\). Демпфирование подобрано так, чтобы гасить только самые высокие (численные) моды; колебания кораблей им почти не затухают.
- Старт — из точного равновесия дискретной модели: натяжения отрезков из баланса сил узлов, затем длины без нагрузки \(l = h/(1 + T/EA)\). Половины крайних отрезков присоединены к кораблям.
- Лебёдка меняет длины всех отрезков пропорционально. Масса выпущенного троса при этом не меняется — упрощение, допустимое, пока трос в тысячу раз легче кораблей.
- Интегратор — скоростной Верле (симплектический, второго порядка) с постоянным шагом из условия устойчивости для продольной волны (\(\Delta t \approx 0{,}35\,l/c\), около 0,1 мс). Для центральных парных сил он сохраняет момент импульса точно, а энергия колеблется с ошибкой \(O(\Delta t^2)\) без дрейфа; обе вещи проверяются. (Первая версия использовала метод Эйлера первого порядка — проверка энергии поймала, что при дроблении шага он неустойчив.)
- Не учтено: движение вне плоскости, орбита и приливы, гибкость кораблей, плескание топлива, изгибная жёсткость троса.
12. Источники
- В. В. Белецкий, Е. М. Левин. Динамика космических тросовых систем. М.: Наука, 1990. Англ. изд.: Dynamics of Space Tether Systems, AAS Advances in the Astronautical Sciences, vol. 83, 1993. Базовый учебник по динамике тросов.
- M. P. Cartmell, D. J. McKenzie. A review of space tether research. Progress in Aerospace Sciences 44(1), 2008, 1–21. doi:10.1016/j.paerosci.2007.08.002
- K. D. Kumar. Review of dynamics and control of nonelectrodynamic tethered satellite systems. J. Spacecraft and Rockets 43(4), 2006, 705–720. doi:10.2514/1.5479 — управление длиной троса для гашения колебаний.
- A. Globus, T. Hall. Space Settlement Population Rotation Tolerance. NSS Space Settlement Journal, 2017. PDF
- T. Hall. SpinCalc — калькулятор параметров вращающихся сред. artificial-gravity.com
- NASA. Gemini XI Artificial Gravity Experiment, 14 сентября 1966. nasa.gov; пресс-кит миссии: NTRS
- Toyobo. ZYLON (PBO fiber) Technical Information, 2023. PDF — прочность и модуль Zylon, сравнение с арамидом и СВМПЭ.
- DSM Dyneema. Creep resistance of UHMWPE fiber. PDF — ползучесть, почему SK78, а не SK75.
- P. C. Hughes. Spacecraft Attitude Dynamics. Wiley, 1986 (Dover, 2004) — гравитационный градиент, устойчивость вращения.