Есть ли сила трения в космосе: Существует ли в космосе сила трения? Нога космонавта или колесо имеет сцепку с кораблём?
0 👁 1 815
Физики из университета Глазго обнаружили, что атом, путь которого лежит сквозь абсолютный вакуум, порождает противодействующую силу, подобную силе трения.
В вакууме сила трения возникать не должна: там просто нет частиц, которые могли бы породить её. Исследование физиков из Глазго доказывает, что возникновение такой силы в вакууме скорее подтверждает, чем опровергает, общую теорию относительности.
Вакуум никогда не бывает абсолютно пуст: в нём постоянно рождаются виртуальные пары частица-античастица, исчезающие в тот же миг. Однако в момент их возникновения возникает электромагнитное поле. Проходя через такое поле, атом возбуждается, а затем возвращается в невозбуждённое состояние, испуская фотон.
Расчёты группы физиков из Глазго показывают, как именно атом может перейти в возбуждённое состояние, а затем испустить фотон, проходя сквозь пустоту.
Если фотон излучается в направлении, противоположном движению атома, возникает сила, подобная силе трения, действие которой приводит к незначительному уменьшению скорости движения атома. По крайней мере, к такому выводу подталкивали учёных результаты экспериментов. Но такое заключение противоречило бы теории относительности.
По словам авторов исследования, они «неделями ломали головы, спрашивая себя, в здравом ли мы уме», — и в конце концов пришли к выводу, что все их результаты описываются знаменитой формулой E = mc
Наконец физики поняли, что их расчёты верны: испуская фотон, атом, проходящий через вакуум, теряет в массе. Потеря очень незначительна, но всё-таки очевидна — хотя массой в уравнении Эйнштейна описывается энергия, связывающая элементарные частицы в ядре (нейтроны и протоны). Обычно взаимодействия на ядерном уровне не учитываются в уравнениях, описывающих движение атома — слишком велика разница в энергии. Однако если предположить, что атом претерпевает крохотную потерю в массе, проходя через вакуум, то выходит, что в процессе движения уменьшается магнитный момент атома, а не его скорость, что не противоречит теории относительности. Скорость остаётся неизменной, как и предсказано Эйнштейном.
«Наши измерения подтверждают, что, проходя через вакуум, поглощая и испуская квант света, атом встречает воздействие силы, напоминающей силу трения, но эта сила являет собой изменение магнитного момента атома, следующее из изменения массы, и не связано со снижением скорости движения атома», — следует из работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
По материалам Популярная Механика
Вакуум никогда не бывает абсолютно пуст: в нём постоянно рождаются виртуальные пары частица-античастица, исчезающие в тот же миг. Однако в момент их возникновения возникает электромагнитное поле. Проходя через такое поле, атом возбуждается, а затем возвращается в невозбуждённое состояние, испуская фотон.
Расчёты группы физиков из Глазго показывают, как именно атом может перейти в возбуждённое состояние, а затем испустить фотон, проходя сквозь пустоту.
Если фотон излучается в направлении, противоположном движению атома, возникает сила, подобная силе трения, действие которой приводит к незначительному уменьшению скорости движения атома. По крайней мере, к такому выводу подталкивали учёных результаты экспериментов. Но такое заключение противоречило бы теории относительности.
По словам авторов исследования, они «неделями ломали головы, спрашивая себя, в здравом ли мы уме», — и в конце концов пришли к выводу, что все их результаты описываются знаменитой формулой E = mc2.
Наконец физики поняли, что их расчёты верны: испуская фотон, атом, проходящий через вакуум, теряет в массе. Потеря очень незначительна, но всё-таки очевидна — хотя массой в уравнении Эйнштейна описывается энергия, связывающая элементарные частицы в ядре (нейтроны и протоны). Обычно взаимодействия на ядерном уровне не учитываются в уравнениях, описывающих движение атома — слишком велика разница в энергии. Однако если предположить, что атом претерпевает крохотную потерю в массе, проходя через вакуум, то выходит, что в процессе движения уменьшается магнитный момент атома, а не его скорость, что не противоречит теории относительности. Скорость остаётся неизменной, как и предсказано Эйнштейном.
“Наши измерения подтверждают, что, проходя через вакуум, поглощая и испуская квант света, атом встречает воздействие силы, напоминающей силу трения, но эта сила являет собой изменение магнитного момента атома, следующее из изменения массы, и не связано со снижением скорости движения атома”, — следует из работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Видео дня. Звезда Playboy заявила о романе с мужем Ксении Бородиной
Так и хочется объяснить чарующее свободное перемещение космонавтов и вещей вокруг них тем, что их корабль или космическая станция далеко от Земли, а потому её сила притяжения близка к нулю. Вроде как именно это позволяет им, как показывается во множестве передач, зависать в центре помещения, эффектно перекидывать по прямой траектории из руки в руку какой-нибудь предмет или создавать парящие в воздухе водяные пузырьки, а потом ловить их ртом.
Однако сила тяжести на космических станциях не особо меньше той, которая действует на нас на Земле. Согласно закону всемирного тяготения.
G — это так называемая «гравитационная постоянная».
Её значение — 6,67408 × 10−11м³/кг⋅с².
В интересующем нас частном случае, M — масса Земли, m — масса какого-то тела (например, космического корабля или человека в нём), а r — расстояние между центром Земли и этим телом.
Правда, эта формула введена для тел, которые можно считать точечными, а если тело находится вблизи поверхности Земли, то Землю — ввиду её нехилых по сравнению с космическим кораблём размеров — вряд ли можно считать точечным телом, однако всё равно приблизительно такая сила будет притягивать это тело к Земле. Для интересующей нас оценки этой приближённой формулы вполне достаточно.
Так вот, как легко видеть, все величины, кроме расстояния от интересующего нас тела до Земли, сохраняются, и при отдалении этого тела. Из чего можно заключить, что отношение сил, с которыми Земля притягивает это тело в разных точках пространства, обратно пропорционально квадрату отношения расстояний от центра Земли до каждой из этих точек.
Большинство космических кораблей, запущенных человечеством, летает не особо далеко от Земли. Например, Международная Космическая Станция находится на орбите, отстоящей от поверхности Земли примерно на 400 километров. Радиус же Земли — приблизительно 6400 километров.
Подставив эти сведения в вышеприведённую формулу, получим
Иными словами, внутри МКС Земля притягивает тела всего на 10% слабее, чем на поверхности Земли.
А чтобы сила притяжения упала хотя бы вдвое, надо отлететь на 2650 километров. Так далеко люди пока что залетали только во время лунных экспедиций. Все же остальные пилотируемые полёты проходили существенно ближе к поверхности Земли, а потому сила тяжести, действующая на космонавтов во время полёта, даже до половины от земной не опускалась.
Впрочем, беспилотные искусственные спутники есть и на гораздо бо́льших расстояниях. Так, часть спутников GPS летает на расстоянии 20 000 километров от поверхности, а спутник, запущенный недавно в рамках проекта «Радиоастрон», будет в самой дальней точке своей орбиты на расстоянии 330 000 километров от центра Земли.
Причина невесомости, таким образом, явно заключена в чём-то другом, однако давайте сначала разберёмся с тем, что вообще такое «вес».
Несмотря на то, что в бытовых условиях люди зачастую отождествляют между собой «массу», «вес» и «силу тяжести» — это три различные физические величины.
Правда, масса может поменяться при смене системы отсчёта, но при малых скоростях тела относительно точки отсчёта этим эффектом можно пренебречь.
Сила тяжести — это та сила, с которой нас притягивает некоторое массивное тело (чаще всего им подразумевается Земля).
В отличие от массы, сила тяжести — величина переменная. Чем дальше от земной поверхности, тем меньше сила тяжести. Но самое главное, это вообще две разных физических величины — масса и сила.
Даже единицы измерения у них разные: масса измеряется в килограммах, а сила — в ньютонах.
Наконец, вес — это та сила, с которой тело давит на опору или тянет за подвес.
Когда вы просто так стоите на Земле, то ваш вес — сила, с которой вы давите на поверхность, — обуславливается лишь действующей на вас силой тяжести. Однако если вы, например, возьмёте на руки своего приятеля, то ваш вес возрастёт — на величину силы тяжести, действующей на приятеля. Ведь действительно после этого на Землю вы начнёте давить сильнее.
Так вот, «невесомость» — это именно что отсутствие веса: когда вы или любое другое тело давят на пол или на что-то ещё с нулевой силой.
Именно этим эффектом обусловлены и все те странные чувства, которые мы ощущаем в невесомости.
Наши стопы не давят на пол, а пол, соответственно, перестаёт давить на наши стопы. Наши внутренние органы не давят друг на друга. Каждая клетка организма перестаёт ощущать давление тех клеток, которые ранее находились «сверху» — дальше от земной поверхности, а потому мышцам уже не надо сопротивляться этому давлению. Вестибулярный аппарат перестаёт распознавать направление «вниз» и это вызывает чувство тревоги…
Ах да, в позапрошлом абзаце я не оговорился: почти все мы такое действительно постоянно ощущаем, хотя космонавтов среди нас очень мало. Дело в том, что для ощущения невесомости не обязательно лететь в космос — достаточно просто падать. Любой прыжок — это «невесомость». Те самые ощущения, хоть и очень кратковременные.
Ну а если хочется подольше, то можно прислушаться к своим чувствам, когда лифт начинает ехать вниз.
Так вот, в космических кораблях невесомость настаёт в те моменты времени, когда они падают — то есть движутся строго с ускорением свободного падения, обусловленного силой тяжести. В этот момент вместе с кораблём аналогичным образом движется и всё его содержимое, а также содержимое содержимого, поэтому никто ни на кого не давит. Всё имеет нулевой вес.
Причём космические корабли падают основную часть времени своего полёта — стоит выключить двигатель, как тут же начинается падение в сторону наиболее влиятельного по создаваемой им силе тяжести объекта.
Даже во время полётов на Луну каждый космический корабль почти всё время падал. В основном в сторону Земли, но, когда стало совсем близко до Луны — уже в её сторону.
Правда, это было своеобразное такое падение: падая на Землю, космический корабль продолжал лететь в сторону Луны — просто потому, что до того он набрал довольно большую скорость, которую всю дорогу снижала тянущая его к Земле сила, но так и не успела снизить скорость до нуля, чтобы потом начать двигать космический корабль в обратную сторону.
Впрочем, падение космических кораблей вблизи Земли ещё занимательнее: во время него они умудряются оставаться на одном и том же расстоянии от земной поверхности.
И вот как это можно себе представить.
Предположим, мы, стоя на земле, бросили камень параллельно её поверхности. Когда в нашем распоряжении лишь сила мышц, камень улетит на совсем небольшое расстояние. На нём кривизна поверхности Земли столь слабо ощутима, что её вообще можно считать плоскостью.
Но если мысленно выдать себе сверхсилу или воспользоваться каким-то из достижений цивилизации, то камень удастся зашвырнуть столь далеко, что кривизна Земли уже сыграет свою роль.
Как мы видим на первой картинке, в этом случае камень как бы «залетает за горизонт» — падает дальше, чем упал бы в случае с плоской Землёй. Но мы можем не останавливаться на достигнутом и швырнуть камень ещё сильнее — как на второй картинке. В эту точку мы бы точно не смогли попасть по прямой — поверхность Земли бы помешала.
Тут, впрочем, важна не только кривизна поверхности, а ещё и то, что у нас по мере полёта меняется направление, в котором сила тяжести тянет камень. Так, в точке броска сила тяжести тянула камень вдоль оси игрек, а при пересечении оси икс — уже вдоль оси икс: каждый раз примерно в сторону центра Земли.
Благодаря этим двум факторам мы можем подобрать такую силу броска (точнее, такую начальную скорость полёта камня), что камень будет падать вечно.
В одной из книг серии «Автостопом по галактике» рекомендовался именно такой способ полёта: «Вам надо натренироваться промахиваться мимо земли во время падения, и тогда вы на самом деле будете летать».
Эта шутка тем смешнее, что ни фига не шутка. Ведь ровно вот это самое и происходит с космическими кораблями и станциями на орбитах: они падают вечно, всё время «промахиваясь» мимо Земли, поскольку успевают во время падения пролететь «вдоль» поверхности достаточно много, чтобы её не зацепить, а нырнуть за горизонт.
Вот так и летают.
Точнее, вот так и падают вместе со всем содержимым, из-за чего всё содержимое, включая космонавтов, пребывает в невесомости.
Кстати, иногда на МКС невесомость всё-таки становится неполной.На 400 километрах атмосфера Земли довольно разрежена, но всё ещё есть. В результате станция теряет скорость из-за трения об атмосферу и потихоньку снижается. Поскольку же падение её на Землю — это совсем не то, о чём говорили большевики, её временами приходится поднимать на прежнее место при помощи её собственных реактивных двигателей или двигателей специально подосланных космических кораблей.
В эти моменты МКС движется с ускорением, отличным от создаваемого силой тяжести, а потому её содержимое ненадолго обретает вес.
Поднимающий станцию корабль, по сути, толкает низ станции в сторону её содержимого и этот низ с неизбежностью начинает давить на всё, что его касается. По третьему же закону Ньютона, касающееся «пола» содержимое толкает этот «пол» в обратную сторону. А это ведь и есть вес — сила давления на опору. Пусть и получается этот вес столь непривычным способом.
Впрочем, ровно по той же причине ваш вес ненадолго возрастает в стартующем по направлению вверх лифте.
Из рассуждений про брошенный камень видно, что для вечного полёта вокруг Земли достаточно лишь набрать нужную скорость, а после этого двигатели уже можно выключать — дальше оно будет «промахиваться» мимо Земли уже само по себе. Именно поэтому наши космические корабли именно так и летают: иначе никакого топлива не напасёшься.
Одновременно с тем данный эффект является ещё одним отличным доказательством того, что Земля всё-таки не плоская, а что-то типа шара: в ином случае невозможно было бы «зависнуть» над ней с отключёнными двигателями. Шах и мат, плоскоземельщики.
Однако миф о плоской Земле мы всё-таки разбирать не будем. Вместо него взглянем на ещё один миф, связанный с околопланетным движением.
Несмотря на кажущуюся простоту, трение остается дискуссионной и плохо изученной проблемой. В частности, отсутствие ясной взаимосвязи между трением на микро- и макроскопическом уровне не позволяет вывести фундаментальный закон, позволяющий одинаково правильно описывать это явление на разных масштабах. Команда ученых из Швейцарии и Испании, изучив взаимодействие кремниевой иглы атомно-силового микроскопа с ниобиевой пленкой, установила, что, когда ниобий становится сверхпроводящим, коэффициент трения для него уменьшается в три раза. Результаты проведенных исследований в дальнейшем могут прояснить природу возникновения трения и помочь в установлении универсального закона.
Трение присутствует в громадном количестве физических систем и играет центральную роль в явлениях, происходящих на самых разных уровнях — от нано- и микроустройств до землетрясений и других глобальными процессов. Несмотря на практическую и фундаментальную значимость трения и большое количество исследований, проводимых в этой области, истинные причины возникновения трения не поняты до сих пор.
Казалось бы, что сложного в таком обыденном явлении? Школьный курс физики гласит, что сила трения между двумя телами пропорциональна силе давления, которое они оказывают друг на друга, или силе реакции опоры. Безразмерный коэффициент пропорциональности — это коэффициент трения. Приведенное соотношение формально известно как закон Амонтона—Кулона, названный в честь ученых, получивших его экспериментальным путем в 1699-м и 1785 годах соответственно. Справедливости ради надо сказать, что на самом деле этот закон эмпирически вывел на три столетия раньше Леонардо да Винчи.
Трение на макро- и микроуровне
Закон Амонтона—Кулона подходит для описания силы трения между телами из разных материалов и разной геометрической формы, однако ничего по-настоящему фундаментального, что могло бы прояснить «истоки» трения, из него извлечь не получится. Более того, при продвижении в микроскопическую область закон Амонтона—Кулона перестает выполняться, потому что сила трения начинает зависеть от площади соприкасающихся поверхностей, от относительной скорости их движения и, помимо этого, уже нелинейным образом связана с силой реакции опоры.
Это можно проиллюстрировать следующим примером. Предположим, что по поверхности стола скользит книга (рис. 1a). Если «присмотреться» к контактирующим поверхностям книги и стола, то обнаружится, что кажущиеся гладкими поверхности на самом деле обладают микроскопическими впадинами и возвышенностями (рис. 1b). Получается, что истинный контакт двух тел происходит через множество микроскопических контактов или шероховатостей. В действительности контакт микроскопических шероховатостей — это взаимодействие группы атомов, каждая из которых может состоять из нескольких десятков, сотен и более атомов. Поэтому увеличение силы давления не только вовлекает в эти объединения новые атомы, что отражается в виде роста площади шероховатостей, но и провоцирует соприкосновение других шероховатостей. В конечном итоге происходит увеличение суммарной площади контактирующих поверхностей и, соответственно, увеличивается сила трения. Очевидно, что этот факт никак не учитывается в макроскопическом законе Амонтона—Кулона.
При скольжении книги по столу изучить в динамике силу трения очень сложно, поскольку невозможно проследить за поведением каждой шероховатости в отдельности из-за их большого количества. Поэтому было бы здорово для начала исследовать трение в системе, состоящей из одной или двух шероховатостей с маленькой силой реакции со стороны поверхности (чтобы не вызвать механическое разрушение шероховатости). Накопленный в ходе таких экспериментов материал мог бы помочь установить настоящий закон трения, который бы выполнялся не только в макро-, но и в микроскопических системах.
С изобретением в 1986 году атомно-силового микроскопа стало возможным исследовать поверхности материалов на недостижимых ранее масштабах. Теперь ученые могли получать изображения поверхностной структуры вещества с атомным разрешением и измерять силы порядка наноньютона и меньше. Вместе с этим стало понятно, что главный элемент атомно-силового микроскопа — кантилевер с микроскопической иглой на конце (рис. 1c) — при своем движении по поверхности вещества может служить реальной моделью возникновения трения в системе с одиночным контактом (шероховатостью) и с очень малой силой реакции опоры (рис. 2).
С этого момента исследование трения переместилось на атомарный уровень, а сама наука о силе трения получила приставку «нано-», превратившись в нанотрибологию.
Неконтактное трение
Дальше — больше. В конце 90-х годов прошлого века — начале нынешнего была опубликована серия экспериментальных работ, в которых было показано, что сила трения рождается не только при непосредственном соприкосновении двух тел, но и когда они разделены небольшим расстоянием, составляющим несколько нанометров. Такое неконтактное трение ученые измерили, наблюдая затухание колебаний кантилевера атомно-силового микроскопа, расположенного вблизи поверхности. Отсюда вопрос: как возникает неконтактное трение и как оно соотносится с «традиционным», контактным трением?
В неконтактном режиме тела в системе (игла микроскопа — поверхность) разделены промежутком, который не позволяет атомам, электронам или другим частицам с ненулевой массой перескакивать с одного объекта на другой, то есть никакого взаимодействия, а значит, и трения вроде быть не должно. Всё верно, однако никуда не делось электромагнитное поле, которое возникает из-за структурных неоднородностей объектов (в данном случае — иглы микроскопа и поверхности) в виде дефектов, создающих некомпенсированные электрические заряды. Это электростатическое трение. Свой вклад вносят также температурные и квантовые флуктуации электрических токов, возникающие при движении заряженных частиц. Это ван-дер-ваальсово трение (те же температурные и квантовые флуктуации ответственны за возникновение межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса). Электростатическое и ван-дер-ваальсово трение вместе образуют электронное трение.
Наконец, колебания иглы микроскопа возмущают близлежащие участки кристаллической решетки поверхности, генерируя на ее поверхности акустические волны. Эта разновидность трения называется фононное трение, поскольку переносчики этих акустических волн (или кванты колебаний кристаллической решетки) — квазичастицы фононы. Получается, неконтактное трение имеет двойную природу: электронное трение (электростатическое плюс ван-дер-ваальсово) и фононное.
Заметим, что контактное трение по своей сути не отличается от неконтактного и имеет те же две электронные и фононные составляющие. Но как соотносятся меду собой эти две компоненты? Равноправны ли они? Или одно слагаемое доминирует над другим? Поиском ответов на эти вопросы и занимаются сейчас на переднем крае нанотрибологии.
Трение и сверхпроводимость
Неожиданно оказалось, что прояснить ситуацию помогает явление сверхпроводимости.
Напомним, что главная и единственная причина, по которой металл оказывается сверхпроводником, заключается в формировании в нём пар из электронов проводимости, или куперовских пар, при температуре ниже определенного предела (критической температуры). Парное объединение электронов проводимости приводит к тому, что они начинают вести себя как единое целое. Иными словами, электроны теряют свою индивидуальность и формируют единый «организм». Благодаря этому единству электроны бездиссипативно, то есть без потерь энергии, двигаются через кристаллическую решетку, игнорируя ее сопротивление.
Значит, если электроны становятся невосприимчивы к препятствиям на своем пути, они не будут реагировать и на внешний раздражитель в виде иглы микроскопа. Следовательно, в системе «игла кантилевера — сверхпроводящая поверхность» вклад в трение будет давать лишь фононная часть, а электронная будет равна нулю. Из этого можно будет понять, насколько велика фононная компонента трения.
Разумеется, эксперименты подобного рода уже проводились, но, как это иногда бывает, вступали в противоречие друг с другом и грешили неточностями. Поэтому необходим был корректный эксперимент, который бы внес ясность в вопрос об изменении коэффициента трения при переходе вещества из нормального состояния в сверхпроводящее и прояснил бы вклад каждой из двух составляющих.
Такой эксперимент был проведен группой ученых из Швейцарии и Испании под руководством известного специалиста в области нанотрибологии Эрнста Мейера. Результаты своих исследований они опубликовали в статье Suppression of electronic friction on Nb films in the superconducting state, вышедшей в январском номере журнала Nature Materials (в открытом доступе статья находится здесь, PDF, 572 Кб). Ученые измеряли силу трения между острой кремниевой иглой атомно-силового микроскопа и пленкой ниобия (рис. 3). Очень чувствительный кантилевер с иглой совершал колебания на расстоянии, которое варьировалось практически от нуля до 3 нм. Сила трения измерялась в температурном диапазоне в 7 К вокруг критической температуры ниобия (9,2 К). Эксперимент проводился в условиях сверхвысокого вакуума (10–11 атм.).
По затуханию колебаний кантилевера — точнее, по скорости диссипации энергии — ученые определили, как меняется коэффициент трения между кремниевой иглой и ниобиевой пленкой в зависимости от температуры и расстояния между ними.
Уточним, что измеренный коэффициент трения — это не тот безразмерный коэффициент пропорциональности, фигурирующий в законе Амонтона—Кулона. Здесь это размерная величина (кг/с), являющаяся аналогом коэффициента затухания в уравнении, которое описывает колебания маятника с учетом существующего сопротивления (трение в точке подвеса маятника, сопротивление среды, в которой он колеблется и т. п.). Несмотря на эти различия в размерности не стоит думать, что проведенные эксперименты регистрировали какую-то «особую» силу трения. Обе характеристики в равной степени позволяют судить о характере силы трения при изменении температуры и расстояния.
Зависимость коэффициента трения от температуры показана на рис. 4. Приведенный график соответствует расстоянию между иглой и пленкой ниобия 0,5 нм.
Видно, что понижение температуры и переход ниобия в сверхпроводящее состояние (T/Tc < 1) вызывает приблизительно троекратное уменьшение коэффициента трения, имевшего в нормальном состоянии постоянное значение. На основании этого уменьшения авторы статьи делают вывод, что у вещества в сверхпроводящем состоянии трение возникает лишь за счет фононов, а электронный вклад начинает подавляться.
Чтобы выяснить, как с расстоянием меняется электронный и фононный вклад в трение, ученые измерили соответствующую зависимость коэффициента трения для пленки, находящейся сначала в нормальном состоянии, а затем в сверхпроводящем (при температуре около 5 К, то есть почти в два раза меньше Tc для ниобия).
Судя по тому, как быстро падает красная кривая (рис. 5), характеризующая зависимость коэффициента трения от расстояния для сверхпроводящего ниобия, и как относительно медленно ведет себя аналогичная зависимость (зеленая кривая) для нормального состояния, несложно понять, что доминирующей частью трения является его электронная компонента. Кроме того, если еще раз посмотреть на скорость уменьшения коэффициента трения с понижением температуры (рис. 4), то надо сказать, что электронное трение хоть и подавляется, но всё же вносит свою лепту в суммарное трение при температурах, близких к критической.
Таким образом, эксперименты со всей очевидностью доказывают, что трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы.
Источник: Marcin Kisiel, Enrico Gnecco, Urs Gysin, Laurent Marot, Simon Rast, Ernst Meyer. Suppression of electronic friction on Nb films in the superconducting state (полный текст — PDF, 572 Кб) // Nature Materials. 2011. V. 10. P. 119–122.
Юрий Ерин
Опыты американских физиков доказали, что загадочная сила бесконтактного трения возникает из-за шумов электрического поля, которые присутствуют даже внутри незаряженных тел.
Многие силы в природе — сила тяжести, электрические и магнитные силы — действуют не при непосредственном контакте тел, а на расстоянии. В отличие от них, сила трения работает иным образом: повседневный опыт показывает, что она возникает только между соприкасающимися телами.
Несколько лет назад было, впрочем, обнаружено, что существует новая разновидность силы трения, которая действует, даже если тела не касаются друг друга, а разделены небольшим зазором. При этом в самом зазоре нет ни воздуха, ни каких-либо иных молекул, которые могли бы мешать движению двух тел. Сила эта оказалась слабой, работе крупных механизмов она не мешает, но на результаты высокочувствительных экспериментов в микромире (например, на работу атомного силового микроскопа) она влияет существенно.
Понимание, откуда берется эта бесконтактная сила трения и от чего она зависит, нужно не только ради самой науки, но и для ряда технических приложений. Ситуация становится особенно беспокоящей в свете недавнего открытия, что еще одна сила, действующая в атомном масштабе, — сила Казимира — гарантированно принесет немало проблем будущим конструкторам наноустройств. Как описано в заметке Микромеханика перед лицом серьезных трудностей, эта сила будет неизбежно «склеивать» все движущиеся металлические детали механизма, мешая его работе.
Силу Казимира можно уменьшить, убрав металлические части, но даже в этом случае останется бесконтактная сила трения, мешающая работе наноустройства. Ответ на вопрос «Как подавить и эту силу?» может быть получен только после того, как станет понятно ее происхождение.
За прошедшие несколько лет предпринимались неоднократные попытки теоретически описать это явление (в России этим эффектом занимается А. И. Волокитин; см. краткое сообщение о его работах), но теории, дающей ответы на все вопросы, так и не появилось. Стало ясно, что для дальнейшего прогресса надо четко выяснить, чем именно цепляются тела, если они не касаются друг друга механически.
Ответ на этот вопрос и дала недавняя статья американских физиков S. Kuehn, R. Loring, J. Marohn, Physics Review Letters, 96, 156103 (20 April 2006). Их эксперименты показали, что ключевую роль играют диэлектрические флуктуации: беспорядочные колебания, «шумы» электрического поля, которые есть даже в незаряженном теле. Эти шумы порождают колебания электрического поля не только в самом теле, но и на некотором удалении от него, и именно за них может «уцепиться» второе тело.
Для доказательства этого американцы выточили сверхтонкую микроскопическую иглу, которую они в вакуумной камере закрепили с одного конца, оставив острие свободным. Если теперь по игле слегка «стукнуть», то она задрожит с определенной частотой, но из-за внутренних механических деформаций эта дрожь постепенно затухает с течением времени.
После этого к острию иглы подносилась атомарно гладкая полимерная пленка так, что между ними оставался зазор от нескольких до нескольких сотен нанометров. Опыты показали, что дрожание иглы при этом затухало быстрее — это и есть результат действия бесконтактной силы трения между иглой и пленкой, наблюдавшийся и ранее.
Новшество данного эксперимента состояло в том, что на кончике иглы наводился определенный электрический заряд. Оказалось, что сила бесконтактного трения усиливается при увеличении этого заряда — так, словно из всей иглы именно этот заряд «трется обо что-то». Авторы предположили, что это «что-то» и есть флуктуации электрического поля внутри полимерной пленки, которые ощущаются острием даже на некотором удалении от поверхности. Они провели серию опытов с неизменным зарядом, но разной мощностью электрических флуктуаций и обнаружили, что сила трения послушно изменялась в соответствии с этой мощностью.
Наконец, в качестве последнего аргумента, авторы вывели связь между силой трения и диэлектрической проницаемостью среды. Поскольку диэлектрическая проницаемость для использованных полимеров известна, они вычислили силу трения по этой формуле, сравнили ее с результатами эксперимента и обнаружили впечатляющее согласие.
По мнению авторов, их работа не только ставит точку в давней проблеме, но и открывает простор для дальнейших исследований. На основании результатов работы уже сейчас примерно понятно, что надо сделать, чтоб подавить или усилить эту силу трения. Наконец, бесконтактную силу трения можно использовать как новый способ измерения диэлектрических флуктуаций, которые, как известно из других исследований, имеют важное значения для целого ряда явлений — от резонансной теплопередачи в ближней зоне до структурной перестройки белковых молекул.
Игорь Иванов
Между двумя твердыми поверхностями может образовываться сеть из водородных связей, которая живет по своим особым законам. Измеряя зависимость силы трения от скорости, можно изучать плавление и рекристаллизацию этой сети.
Водородная связь занимает особое место среди всех типов химических связей. Она обеспечивается атомом водорода, расположенным между двумя электроотрицательными ионами (например, атомами кислорода), которые оттягивают на себя электронное облако. Если бы на месте водорода был любой другой атом, то потеря одного электрона не сильно изменила бы его размер. В случае водорода потеря электрона оборачивается катастрофой: вместо атома остается один лишь протон — частица размером в одну стотысячную размера атома. Атом водорода словно исчезает, и поэтому два электроотрицательных атома могут сильно приблизиться друг к другу. Это делает водородные связи, с одной стороны, довольно крепкими, а с другой стороны, очень подвижными и «маневренными»: они легко образуются, легко видоизменяются и восстанавливаются.
Может показаться, что сети из водородных связей должны неизбежно изучаться тонкими методами атомной физики. Тем неожиданнее оказался вывод исследователей из Калифорнийского университета в Беркли. В своей статье J. Chen et al., Physical Review Letters, 96, 236102 (15 June 2006) они утверждают, что многие свойства водородных связей можно изучать чуть ли не в школьной лаборатории, наблюдая за самой обычной силой трения!
На этот вывод авторы работы натолкнулись почти случайно. Их заинтересовал очень простой вопрос: как зависит сила трения между двумя телами от скорости скольжения. В школьном курсе физики говорится, что трение скольжения тела не зависит ни от скорости движения, ни он площади соприкосновения, а только от прижимающей силы и коэффициента трения. На самом деле, этот закон выполняется лишь приближенно. Например, давно известно, что при движении с высокими скоростями коэффициент трения изменяется из-за нагрева поверхности соприкосновения, что приводит к зависимости силы трения от скорости. Однако при скольжении с очень малыми скоростями такие эффекты не должны быть важны.
Американцы как раз и изучали, зависит ли сила трения от скорости при очень медленном движении (при скоростях от 0,1 до 200 миллиметров в час) и малых нагрузках (эквивалентных весу в доли микрограмма). Нагревом в таких условиях можно пренебречь, и если какая-то зависимость обнаружится, то ее происхождение будет совсем иным.
Зависимость силы трения от скорости действительно наблюдалась, причем в некоторых случаях она уменьшалась, а в некоторых — увеличивалась с увеличением скорости. Пытаясь понять, из-за чего так получается, авторы взглянули на список использованных веществ и поняли простую закономерность. Если в химической формуле веществ есть свободно торчащие островки, способные к образованию водородных связей, например, –OH или –NH2, то сила трения уменьшается с ростом скорости. Если же торчащие наружу островки химически насыщены и не могут образовывать водородные связи, то сила трения растет с увеличением скорости.
Для проверки этого предположения авторы взяли поверхность со свободными группами –NH2 и смазали ее капелькой соляной кислоты, которая привела к образованию химически насыщенных групп –NH3Cl. Водородные связи при скольжении тела по такой поверхности уже не могли образовываться, и зависимость силы трения от скорости послушно изменилась на противоположную.
Почему же водородные связи так влияют на силу трения? Между двумя неподвижными поверхностями образуется густая сеть из таких связей, мелкие детали которой зависят от конкретного расположения двух шероховатых поверхностей. Можно сказать, что в состоянии покоя на границе соприкосновения двух поверхностей возникает «двумерный кристалл» из водородных связей, которые дополнительно удерживают тело от проскальзывания. Если всё же произойдет сдвиг — связи разорвутся, но из-за своей высокой подвижности вскоре воссоединятся вновь. Это можно представить себе как резкое «плавление» кристалла из водородных связей, а затем его рекристаллизацию.
Если два тела скользят очень медленно, меньше скорости, с которой распространяется «волна рекристаллизации», то реорганизация водородных связей поспевает за смещением тела. При повышении скорости движения всё меньшее количество связей будет успевать восстанавливаться при скольжении. Сеть из водородных связей будет похожа уже не на кристалл, а скорее на двумерную жидкость, которая тем «жиже», чем больше скорость скольжения. Всё это приводит к тому, что дополнительная сила трения, возникающая из-за водородных связей, будет уменьшаться.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что типичная скорость «волны рекристаллизации» водородных связей — порядка нескольких миллиметров в час. Авторы считают, что еще более аккуратное измерение силы трения позволит не только уточнить это число, но и понять в деталях термодинамические свойства этого нового «сорта вещества» — сложной сетки водородных связей.
Игорь Иванов
Космические силы Соединенных Штатов теперь обладают атакующей силой, хотя это может быть не та огромная система орбитального оружия, которую вы представляете.
Новая система вооружения, доставленная космическим силам, представляет собой массив типа помех, который может помешать военным или разведывательным бойцам получить доступ к своим военным спутникам. Эта функциональность позволяет космическим силам нейтрализовать орбитальные спутники за считанные минуты.
Как работает новое оружие
Технически это новое оружие называется Блок систем связи (CCS). Блок 10.2. Доставленные в 4-ю эскадрилью космического контроля недавно созданных космических сил, они являются долгожданным дополнением к возможностям военной отрасли.
Руководитель программы для новой системы вооружений, майор Сет Хорнер из Космических сил Соединенных Штатов, сказал это о новой CCS.
«Система счетной связи» — это переносная спутниковая система связи, которая обеспечивает возможность наземного отклонения спутниковой связи противника.С начала 2000-х годов в CCS происходили поэтапные обновления, в которые были включены новые методы, полосы частот, обновления технологий и уроки, извлеченные из предыдущих обновлений блоков. Это конкретное обновление включает в себя новые программные возможности для противодействия новым целям и угрозам противника ».
Более краткое определение того, что могут делать эти новые машины, состоит в том, что они являются помехами для мобильной спутниковой связи, которые можно подключать к самолетам или устанавливать на наземные транспорты. Приведенный ниже твит должен дать вам лучшее представление о том, как выглядят эти системы оружия.
SMC CCS B10.2 вводит «Силу» в Космические силы, достигая МОК, в понедельник, 9 марта, отмечая первую систему наступательного оружия, назначенную @SpaceForceDoD. 12 марта @PeteAFB запланирована церемония в честь этого исторического события. (Фото любезно предоставлено @ L3HarrisTech) pic.twitter.com/EoH9nxkfQ8
— SMC (@AF_SMC) 11 марта 2020 г.
Одно из самых больших потенциальных преимуществ использования CCS в качестве системы наступательного вооружения заключается в том, что теперь она дает США возможность блокировать способности врагов, чтобы получать предупреждения о поступающих ракетных ударах.
США #SpaceForce приобретает свое первое наступательное оружие, систему противодействия коммуникации #CCS, глушитель. Вот ссылка на объявление и видео о нем в действии. Https://t.co/gylonMdPtf#Spaceballs#NotStarWars#WarOfTheFuturepic.twitter.com/bATKUQfnka
— Фрэнк Юэ (@feyue) 17 марта 2020 года
Впервые система была разработана и внедрена в 2004 году, но с тех пор она постоянно совершенствуется, и теперь она достигла нового стандартного модуля Block 10.2, который получил Космические войска.Обновления системы с течением времени по существу позволяют ей блокировать больше частот, чем когда-либо раньше.
Теоретически понять, как работает новая система вооружений, просто, она блокирует сигналы, но понимание на самом деле является тщательно охраняемым секретом. В отчете о глобальных контрпространственных возможностях, в частности, говорится об CCS.
«Нет общедоступной информации о каких-либо технических характеристиках CCS, таких как диапазоны частот, уровни мощности и формы сигналов.Тем не менее, разумно сделать вывод, что CCS, вероятно, может подавлять большинство основных коммерческих частот (в частности, C и Ku) и наиболее распространенные военные частоты (X-диапазон) с возможными возможностями во все более популярном Ka-диапазоне. Кроме того, вполне вероятно, что CCS нацелена в основном на геостационарные спутники связи (COMSAT), учитывая, что в настоящее время они являются основным источником спутниковой связи. «- стр. 73, CCR
После получения системы космические силы предприняли серия тренировок и испытаний для обеспечения успешного развертывания систем нового оружия.
, СВЯЗАННЫЕ С: МИЛИТАРИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВА: КАК ВЫСТУПАЕТ «КОСМИЧЕСКАЯ СИЛА»?
Лейтенант полковник Уильям Сандерс сказал об успешных эксплуатационных испытаниях после поставки:
«Модернизированная система CCS меняет правила игры для развернутых сухопутных войск. Сегодня развернутые войска получают выгоду от аналогичной способности быстрого реагирования, обеспечивающей ежедневную оперативную поддержку. С оперативным принятием CCS мы можем применять более значительные эффекты для командования комбатантов.
Как и когда космические силы планируют использовать новую систему вооружения в бою? Они еще не совсем уверены, но они рады своим новым наступательным возможностям в качестве стратегического космического командования. Подполковник Стив Броган сказал, что «CCS является единственной наступательной системой в арсенале космических сил США. Это обновление помещает «силу» в Космические силы и имеет решающее значение для Космоса как области боевых действий ».
Как военные используют и используют спутники
Спутники, как вы уже, вероятно, уже поняли, являются важной частью коммуникационных возможностей современных военных сил.Спутники являются основой мировых систем связи.
Кто-то может подумать, что лучший способ уничтожить коммуникационные возможности противника — это просто сбить его спутник, но это не всегда так просто. Сбивание спутника создает значительную проблему мусора. Этот мусор может каскадироваться и непреднамеренно выводить больше спутников на орбиту. Не говоря уже о том, что взрыв спутника довольно дорогой и довольно постоянный.
Новая система вооружения CCS позволяет Космическим силам временно блокировать связь, гораздо более управляемый способ получить тот же эффект.
Еще одна проблема, связанная со сбиванием военных спутников, заключается в возможности их достижения. По сравнению со стандартными спутниками военные спутники движутся по орбите дальше, чтобы один единственный спутник достиг большей части Земли.
Это означает, что для того, чтобы добраться до этих спутников и уничтожить их, потребуется достаточно ракеты / ракеты. Глушение сигнала становится наиболее предпочтительным решением.
СВЯЗАННО: ВПЕРВЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИЛЫ США запускают ракету ATLAS 5
U.Теперь С. присоединяется к России в ее способности блокировать связь между землей и спутниками. Система российского оружия известна как Tirada-2S, и предполагается, что она довольно похожа на CCS космических сил США, по данным Popular Mechanics.
Учитывая, что в России уже была установлена система этого оружия, неудивительно, что Космические силы рады иметь в своем распоряжении CCS.
Китай также работает над созданием собственных спутниковых глушителей, но они публично не объявили ни о каком завершенном проекте.
Коэффициенты трения и трения
Сила трения — это сила, создаваемая поверхностью, когда объект перемещается по ней — или прикладывает усилие, чтобы перемещаться по ней.
Сила трения может быть выражена как
F f = μ N (1)
где
F f = сила трения (N, фунт)
μ = статический (μ с ) или кинетический (μ k ) коэффициент трения
N = нормальная сила между поверхностями (N, фунт)
Существует как минимум два типа сил трения
- кинетическая (скользящая) сила трения — когда объект движется
- статическая сила трения — когда объект прилагает усилие для перемещения
Для объекта, вытянутого или сдвинутого горизонтально, нормальная сила — N — это просто сила тяжести сила — или вес:
N = F г
= г (2)
где 90 003
F г = сила тяжести — или вес (Н, фунт)
м = масса объекта (кг, слизняки)
a г = ускорение свободного падения (9 ,81 м / сек = мкм a г (3)
Калькулятор силы трения
м — масса (кг, слизней )
а г — ускорение силы тяжести (9,81 м / с 2 , 32 фута / с 2 )
μ — коэффициент трения
Коэффициенты трения для некоторых общих материалов и комбинаций материалов
Материалы и комбинации материалов Условия поверхности Коэффициент трения 9000
Статический
— μ статический —Кинетический (скользящий)
— μ скользящий —901 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 всего 9 все 901 901 все 901 9 всего 901 все 901 901 901 971 все 9 всегда 901 9 всего 901 901 971 971 все 901 9 все 901 все 901 901 971 971 971 971 9 все 9 Сталь Алюминий Алюминий Чистый и сухой 1.05 — 1.35 1,4 Чистая и сухая 0,61 0,47 Алюминий Снег Мокрый 0 o C 0.4 Алюминий Снег Сухой 0 o C 0,35 Тормозной материал 2) Чугун Чистый и сухой 971 971 9171 материал 2) Чугун (мокрый) Чистый и сухой 0,2 Латунь Сталь Чистый и сухой 0.51 0,44 Латунь Сталь Смазка и смазка 0,19 Латунь Сталь Касторовое масло 901 9 971 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 901 971 971 901 971 971 901 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 971 939 939 939 939 939 939 939 939 939 939 923 гибкий присутствий быч Сухой0,3 Латунь Лед Чистый 0 o C 0,02 Латунь Ice Clean -80 o C 97115Кирпич Дерево Чисто и сухо 0,6 Бронза Сталь Смазывается и смазывается 0,16 971727171717171 0,22 Бронза — спеченная Сталь Смазка и смазка 0,13 Кадмий Кадмий Чистая и сухая 0.5 Кадмий Кадмий смазывает и Жирные 0,05 Кадмий Хром чистые и сухой 0,41 Кадмий Хрома смазывает и Жирные 0,34 Кадмий Мягкая сталь Чистая и сухая 0,46 Чугун Чугун Чистая и сухая 1.1 0,15 Чугун Чугун чистой и сухой 0,15 Чугун Чугун смазывают и Жирной 0,07 Чугун Дуб Чистый и сухой 0,49 Чугун Дуб Смазанный и жирный 0,075 Чугун Мягкая сталь 001 чистая971 9714 Чугун Мягкая сталь Чистая и сухая 0,23 Чугун Мягкая сталь Смазываемая и сальная 901 901 971 971 971 971 971 971 Все 901 971 071 97171 971 071 Асфальт Чистый и сухой 0.72 Автомобильная шина Трава Чистый и сухой 0,35 Углерод (твердый) Углерод Чистый чистый и 971727171 чистый16 углерода (жесткий) Carbon Lubricated и Жирной 0,12 — 0,14 Carbon Сталь Чистый и сухой 0,14 Carbon Сталь Смазанные и Жирные 0,11 — 0,14 Хром Хром Чистый и сухой 0,41 Хром Хром Смазанные и Жирные 0.34 Медно-свинцовый сплав Сталь Чистая и сухая 0,22 Медь Медь чистая и сухая 9 972 901 971 971 971 971 971 971 971 971 9717171 и жирный 0,08 Медь Чугун Чистый и сухой 1,05 0,29 Медь Мягкая сталь Чистый и сухой 530,36 Медь Мягкая сталь смазывают и Жирной 0,18 Медь Мягкая сталь Олеиновая кислота 0,18 Медь Стекло Чистый и сухие 0,68 0,53 Хлопок Хлопок Нити 0,3 Алмаз Алмаз Чистые и сухие 0.1 Алмазный Алмазный Lubricated и Жирной 0,05 — 0,1 Алмазный Металлы Чистый и сухой 0,1 — 0,15 Алмазный Metal Смазка и жирность 0,1 Гранат Сталь Чистая и сухая 0,39 Стекло Стекло Чистая и сухая 0.9 — 1,0 0,4 Стекло Стекло Смазка и жирность 0,1 — 0,6 0,09 — 0,12 Стекло Металл 00101 901 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 901 971 971 971 971 971 971 971 971 Стекло Металл Смазка и жирность 0,2 — 0,3 Стекло Никель Чисто и сухо 0.78 Стекло Никель смазывается и смазывается 0,56 Графит Сталь Чистая и сухая 9717271 971 971 971 971 971 971 9710,1 графит графит (в вакууме) чистый и сухой 0,5 — 0,8 графит графит чистый и сухой 0.1 Графит Графит смазывают и Жирной 0,1 пеньки веревки пиломатериалы чистой и сухой 0,5 Подкова Резина чистой и сухой 0,68 Подкова Бетон Чистый и сухой 0,58 Лед Лед Чистый 0 o C 0.1 0,02 Лед Лед Чистый -12 o C 0,3 0,035 Лед Лед Чистый -80 971 971 971 971 972 972 972 972 972 972 901 972 972 972 901 972 972 901 972 972 901 972 972 972 972 972 901 972 972 972 972 0972 972 Лед Древесина Чистая и сухая 0,05 Лед Сталь Чистая и сухая 0,03 97172 97172 97171 971 972 7272 ,0 Железный Железный Lubricated и Жирной 0,15 — 0,20 Lead Чугун Чистый и сухой 0,43 Кожа Дуб Parallel на зерно 0,61 0,52 Кожа Металл Чистая и сухая 0,4 Кожа Металл Смазка и жирность 0.2 Кожа Дерево Чисто и сухо 0,3 — 0,4 Кожа Чисто метал Чисто и сухо 0,6 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 97172 Чистые и сухие 0,6 0,56 Кожаное волокно Чугун Чистые и сухие 0,31 Кожаное волокно Алюминий Чистые и сухие 901 071.30магний магний чистые и сухой 0,6 магний магния смазывает и Жирные 0,08 магний Стали чистые и сухие 0,42 Магний Чугун Чистый и сухой 0,25 Кирпичный Кирпич Чистый и сухой 0.6 0,7 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 971 всего 901 901 971 всего лишь 901 901 971 951Смазка и смазка 0,28 0,12 Никель Мягкая сталь Чистая и сухая 0.64 Никель Мягкая сталь Смазка и смазывание 0,178 Нейлон Нейлон Чистый и сухой 901 901 901 901 901 901 971 901 971 901 971 901 971 901 971 901 971 901 971 901 971 901 971 901 971 971 901 971 971 901 971 971 901 971 971 901 971 901 971 971 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 Сухой 0,4 Нейлон Снег Мокрый 0 o C 0,4 Нейлон Снег Dry -10 o C 9013 Дуб Дуб (параллельное зерно) Чистый и сухой 0,62 0,48 Дуб Дуб (перекрестное зерно) 901 971 071 971 071 971 071 071 Дуб Дуб (перекрестное зерно) Смазанный и жирный 0,072 Бумага Чугун Чистый и сухой 0.20 Фосфористая бронза Сталь Чистая и сухая 0,35 Платина Платина чистая и сухая 901 971 971 971 971 971 971 971 97171 Жирные 0,25 Оргстекло Оргстекло Чистые и сухие 0,8 Оргстекло Оргстекло 0 Смазка и смазка.8 Оргстекло Сталь Чистая и сухая 0,4 — 0,5 Оргстекло Сталь смазываемая и жирная 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 999 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 901 Все 901 901 901 901 901 901 Все 901 901 901 901 901 Все 901 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 910 910 9 Чистый и сухой0,5 Полистирол Полистирол Смазанный и жирный 0,5 Полистирол Сталь Чистый и сухой 901 071.3 — 0,35Полистирол Сталь смазывают и Жирной 0,3 — 0,35 Полиэтилен Polytehylene чистой и сухой 0,2 Полиэтилен Сталь Чисто и сухо 0,2 Полиэтилен Сталь Смазка и жирность 0.2 Резина Резина Чистая и сухая 1.16 Резина Картон Чистая и сухая 0,5 — 0,8 971 971 971 972 972 972 972 972 972 972 и сухой 0,9 0,5 — 0,8 Резина Мокрый асфальт Чистый и сухой 0,25 — 0,75 Резина Сухой бетон 091 сухой 99171 99171 и чистый6 — 0,85 Резина Мокрый бетон Чистый и сухой 0,45 — 0,75 Шелк Шелк Чистый 901 901 901 901 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 Сухой 1,4 Серебро Серебро Смазанный и жирный 0,55 Сапфир Сапфир Чистый и сухой 0.2 Сапфир Сапфир Смазка и смазка 0,2 Серебро Серебро Серебро 971 971 7271 0,55 Кожа Металлы Чистые и сухие 0,8 — 1,0 Сталь Сталь Чистые и сухие 0.5 — 0,8 0,42 Сталь Сталь Смазка и смазка 0,16 Сталь Сталь Касторовое масло 901 901 901 901 901 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 9717171Стеариновая кислота 0,15 Сталь Сталь Легкое минеральное масло 0,23 Сталь Сталь Сало 0.11 0,084 Сталь Сталь Графит 0,058 Сталь Графит Чистая и сухая 9,21 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 901 971 971 901 971 971 901 971 901 971 971 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 901 Сухое0,26 Соломенное волокно Алюминий Чистое и сухое 0,27 Смолистое волокно Чугун Чистое и сухое 0.15 просмоленной волокна Алюминиевый чистой и сухой 0,18 политетрафторэтилена (ПТФЭ) (тефлон) политетрафторэтилена (ПТФЭ) чистой и сухой 0,04 0,04 политетрафторэтилен (ПТФЭ) политетрафторэтилен (ПТФЭ) смазывается и смазывается 0,04 политетрафторэтилен (ПТФЭ) сталь 071 сухая и чистая.05 — 0,2 политетрафторэтилена (ПТФЭ) Снег Влажные 0 О С 0,05 политетрафторэтилена (ПТФЭ) Снег Сухой 0 О С 0,02 Карбид вольфрама Сталь Чистая и сухая 0,4 — 0,6 Карбид вольфрама СтальСмазываемая и жирная 0.1 — 0,2 Карбид вольфрама Карбид вольфрама Чистый и сухой 0,2 — 0,25 Карбид вольфрама Карбид вольфрама 901 971 071 9011 9719011 071 9011 071 971 071 971 711 071 91 071 9011 971 необходимо 9011 971 0311 5311 Медь Чистая и сухая 0,35 Карбид вольфрама Железо Чистая и сухая 0.8 Олово Чугун Чисто и сухо 0,32 Шина сухое Дорога, сухо Чисто и сухо 1 511 Дорожная, мокрая Чистая и сухая 0,2 Воск, лыжный Снег Мокрый 0 o C 0,1 Воск лыжный Снег Snow C0.04 Воск лыжный Снег Сухой -10 o C 0.2 Дерево Чистый лес Чистый и сухой 901 901 939 951 9 9 991 9101 9 9 9 9 972 9 Влажная древесина Чистая и сухая 0,2 Древесина Чистая металлическая Чистая и сухая 0,2 — 0,6 Древесина 97171 971 ,2 Дерево Камень Чисто и сухо 0,2 — 0,4 Дерево Бетон чисто и сухо 0,62 901 901 972 901 972 972 972 972 972 972 Сухой 0,6 Древесина — вощеная Мокрый снег Чистая и сухая 0,14 0,1 Древесина — вощеная Сухой снег 97171 Чистая и сухая .04 Цинк Чугун Чистый и сухой 0,85 0,21 Цинк Цинк чистый и сухой 901 901 971 901 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 971 7171 Смазка0,04 Коэффициент кинетического или скользящего трения только при наличии относительного движения между поверхностями.
Примечание! Обычно считается, что статические коэффициенты трения выше, чем динамические или кинетические значения.Это очень упрощенное утверждение, вводящее в заблуждение относительно тормозных материалов. Для многих тормозных материалов указанный динамический коэффициент трения является «средним» значением, когда материал находится в диапазоне скоростей скольжения, поверхностных давлений и, что наиболее важно, рабочих температур. Если статическая ситуация рассматривается при том же давлении, но при температуре окружающей среды, то статический коэффициент трения часто значительно ниже, чем среднее указанное динамическое значение. Оно может составлять 40-50% от указанного динамического значения.
Кинетические (скользящие) и статические коэффициенты трения
Кинетические или скользящие коэффициенты трения используются с относительным движением между объектами. Статические коэффициенты трения используются для объектов без относительного движения. Обратите внимание, что статические коэффициенты несколько выше, чем кинетические или скользящие коэффициенты. Для начала движения требуется больше силы.
Пример. Сила трения
Деревянный ящик весом 100 фунтов проталкивается через бетонный пол.Коэффициент трения между объектом и поверхностью составляет 0,62 . Сила трения может быть рассчитана как
F f = 0,62 (100 фунтов)
= 62 (фунт)
Пример — автомобиль, тормоз, сила трения и необходимое расстояние до упора
Автомобиль массой 2000 кг едет со скоростью 100 км / ч по мокрой дороге с коэффициентом трения 0,2 .
Примечание! — Трение, необходимое для остановки автомобиля, равно кинетической энергии автомобиля.
Кинетическая энергия автомобиля составляет
E , кинетическая = 1/2 mv 2 (4)
, где
E , кинетическая = кинетическая энергия движущегося автомобиля (Дж)
м = масса (кг)
v = скорость (м / с)
E кинетическая = 1/2 (2000 кг) ((100 км / ч) (1000 м / км) / (3600 с / ч)) 2= 771605 J
Фрикционная работа (энергия) для остановки автомобиля может быть выражена как
Вт трение = F f d (5)
, где
Вт трение = работа трения, чтобы остановить автомобиль (Дж)
F f = сила трения (Н)
d = торможение (остановка ж) расстояние (м)
Поскольку кинетическая энергия автомобиля преобразуется в энергию трения (работа) — имеем выражение
E кинетическая = Вт трение (6)
Сила трения F f может быть рассчитана из (3)
F f = µм
= 0.2 (2000 кг) (9,81 м / с 2 )
= 3924 N
Расстояние остановки для автомобиля можно рассчитать, изменив (5) на
d = W трение / F f
= (771605 Дж) / (3924 Н)
= 197 м
Примечание! — так как масса автомобиля присутствует с обеих сторон экв.6 это отменяет. Расстояние остановки не зависит от массы автомобиля.
«Законы трения»
Сухие поверхности без смазки
- для низкого давления трение пропорционально нормальной силе между поверхностями. С ростом давления трение не будет расти пропорционально. При экстремальном давлении трение возрастет, а поверхности закроются.
- при умеренном давлении сила трения — и коэффициент — не зависят от площади поверхности в контакте, пока нормальная сила одинакова.С сильным трением давления рис и поверхности заклинивают.
- при очень низкой скорости между поверхностями трение не зависит от скорости трения. С увеличением скорости трение уменьшается.
Смазываемые поверхности
Сила трения
- практически не зависит от давления — нормальная сила — если поверхности залиты смазкой
Трение- изменяется со скоростью при низком давлении. При более высоком давлении минимальное трение при скорости 2 фут / с (0.7 м / с), и трение увеличивается примерно с квадратным корнем скорости впоследствии. Трение
- изменяется в зависимости от температуры
- для хорошо смазанных поверхностей трение практически не зависит от материала поверхности
Как правило, сталь на сухой стали статический коэффициент трения 0,8 падает до 0,4 при инициировании скольжения — и сталь на смазанной стали статический коэффициент трения 0,16 падает до 0,04, когда начинается скольжение.
потерянных в космосе (без снаряжения)? Вот что случилось быПол Саттер — научный сотрудник Астрономической обсерватории Триеста и приглашенный ученый в Центре космологии и физики астрономических частиц Государственного университета штата Огайо. Саттер также является хозяином подкастов Ask a Spaceman и RealSpace, а также серии YouTube Space In Your Face. Он написал эту статью для «Экспертные голоса Space.com: Op-Ed & Insights ».
Вы пошли и сделали это.Вы оказались «разнесены»: выброшены из шлюза капсулы или космической станции без скафандра. Паникуя, вы отчаянно пытаетесь вернуть себя в безопасное место. Как долго вы должны найти источник как воздуха, так и давления воздуха?
Оповещение о спойлере: не долго. Твист окончание: дольше, чем вы думаете.
Взорвано не в пропорции
Прежде всего, вы не собираетесь взрываться, и ваша кровь не собирается кипеть. То, что снаружи нет нулевого давления, не означает, что ваше тело внезапно теряет сплоченность.Возможно, вы заметили особенно полезный орган, который покрывает вас с головы до ног — вы знаете, кожа. Это действительно делает большую работу по сохранению ваших внутренностей внутри. Он немного эластичен, но не очень, и он прекрасно способен предотвратить выплескивание ваших кишок по всему пространству. Это также поддерживает ваше кровяное давление на достаточно высоком уровне, чтобы кровь не кипела. [Наши любимые моменты фильма «Гравитация»: астронавты, космические корабли и космический мусор (О, Боже!)]
Но то, что вы не взорвитесь, не означает, что вы не надуете.Азот, растворенный в кровотоке у поверхности кожи, будет собираться в маленькие пузырьки. Эти пузырьки расширяются, вдыхая вас вдвое больше, начиная с ваших рук и ног и двигаясь внутрь. Это настоящая вещь: это называется эбуллизмом. Конечно, вы будете выглядеть как худшее животное из воздушных шаров за всю историю, и вы будете чувствовать себя довольно несчастным, но вы не будете мертвы … по крайней мере, не сразу. Оставленные без контроля, надутые пузырьки вызовут значительное повреждение тканей, но другие вещи убьют вас в первую очередь.
Охлаждение
Температура, а точнее, ее отсутствие, вас тоже не сразу поймет. Причина, по которой вы можете получить гипотермию так быстро от теплой воды, не в температуре самой воды, а в том, что вода действительно очень хорошо проводит и отводит тепло от вас. Любое тепло, которое вырабатывает ваш организм, высасывается. Вот почему аквалангисты носят гидрокостюмы: чтобы задержать слой воды и не дать ему унести это драгоценное тепло тела.В вакууме нет конвекции и проводимости. Это только оставляет радиацию. Каждый человек светится в инфракрасном спектре излучением тепла мощностью около 100 Вт. Раньше лампочка была идеальной аналогией для выработки энергии человеком, пока мы все не переключились на КЛЛ и светодиоды. Но вы все еще понимаете. Обычно мы не замечаем всю эту потерянную энергию: пеленая в изолирующем слое воздуха и нагретая солнцем над нашими головами и землей под нашими ногами, наша тепловая мощность более чем соответствует тепловой нагрузке нашей окружающей среды.Мы можем счастливо излучать весь день. [Футуристический скафандр Z-2 НАСА: как это работает (инфографика)]
В космосе вам нечего изолировать, так что в конечном итоге вы замерзнете. Но, к счастью, эта потеря 100 Вт тепла не так уж велика по сравнению с массой тела. Вы когда-нибудь замечали, сколько времени требуется, чтобы кипятить кастрюлю с водой, или сколько времени требуется, чтобы куча снега растаяла? В космическом вакууме вы не превратитесь в эскимо в ближайшее время.
Если вы являетесь экспертом по темам — исследователем, лидером бизнеса, автором или новатором — и хотите внести свой отзыв, напишите нам здесь.(Фото предоставлено SPACE.com)В конечном итоге вас обречает ваша предательская кровеносная система. В космосе нет воздуха (это часть определения), что означает, что кислорода нет. Но твоя кровь не знает этого. Он проезжает мимо ваших легких, готов взять еще один автостопщик O2 и продолжает движение — с пассажиром или без него. Ваше сердце продолжает биться, и эта лишенная кислорода кровь идет туда, куда должна идти.
Например, твой мозг.
Утечка мозгов
Из-за недостатка кислорода ваш интеллектуальный блок переходит в режим отключения для экономии энергии.Примерно через 15 секунд после выхода из шлюза вы теряете сознание. Ты еще не труп, хотя. Если какой-нибудь хороший (космический) Самаритянин вернет вас в безопасное место через минуту или две, у вас все будет хорошо. Вроде, как бы, что-то вроде. Я имею в виду, что все это кипит и замерзшая кожа. Да, и дополнительный неприятный солнечный ожог от всего этого сырого нефильтрованного ультрафиолетового излучения. Но это можно пережить, если немного неудобно.
К сожалению, если вы останетесь в космосе после 2-минутной отметки, все ваши другие органы также должны будут отключиться от недостатка кислорода, что в медицинских кругах называется «мертвым».«
И ради Армстронга, , а не , задерживает дыхание. Я не биолог, но я почти уверен, что клапаны и трубки, которые составляют ваше горло, не предназначались для того, чтобы удерживать воздух с атмосферным давлением против чистого вакуума. Если вы попытаетесь глубоко вдохнуть, то испытаете то же самое, что и аквалангисты, если они слишком быстро поднимаются из глубоководья: разрыв легких —
Брутто, я знаю, но никто не сказал, что расстояние будет Будьте красивы.
Узнайте больше, послушав эпизод «Как долго вы сможете выжить в космосе без костюма?» на подкасте «Спросите космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http: // www.askaspaceman.com. Спасибо Адаму Динеру за замечательный вопрос, который вдохновил эту работу. Задайте свой вопрос в Твиттере, используя #AskASpaceman или следуя @PaulMattSutter.
Следите за всеми вопросами и дебатами Expert Voices и станьте частью обсуждения в Facebook, Twitter и Google+. Выраженные взгляды принадлежат автору и не обязательно отражают взгляды издателя. Эта версия статьи была первоначально опубликована на Space.com.
,Стоит ли? Затраты и выгоды от освоения космоса
С тех пор, как Солнце зашло в эпоху Аполлона и распался Советский Союз (положив конец холодной войне), возник вопрос о том, когда речь идет об освоении космоса.
В последние годы он стал еще более актуальным в связи с новыми предложениями об отправке космонавтов на Луну и на Марс.
«Учитывая огромные затраты, действительно ли исследование космоса
того стоит?»Посмотрим правде в глаза, освоение космоса не совсем дешево! Чтобы отправить даже одну роботизированную миссию в космос требуется эквивалент миллионов долларов, а миллиарды долларов — для отправки астронавтов на орбиту.
Если вы хотите отправить исследователей даже в самые близкие небесные тела, есть вероятность, что затраты составят сотни миллиардов.
СВЯЗАННЫЕ: ПРОГРАММЫ КОСМИЧЕСКОГО МИРА
Справедливости ради, исследование космоса, других небесных тел Солнечной системы и Вселенной в целом также имеет неисчислимые преимущества. Проблема в том, что наиболее очевидные преимущества в значительной степени нематериальные. Как вы оцениваете научное знание, вдохновение или расширение наших границ в долларах?
Источник: NASA на The Commons / FlickrКак насчет Земли?
Для тех, кто обсуждает ценность освоения космоса, часто возникает вопрос о том, сколько у нас проблем на Земле.Как утверждается, между изменением климата, голодом, перенаселением и слабым развитием у нас дома достаточно проблем, и они должны иметь приоритет над изучением и / или установлением человеческого присутствия в других мирах.
СВЯЗАННЫЕ: 10 ПУТЕЙ ЧЕЛОВЕКА ВЛИЯЮТ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
Например, в недавней статье Амитаи Эциони — советник администрации Картера — опроверг некоторые аргументы в пользу колонизации Марса и других планет в Солнечной системе (как выдвинуто светилами, такими как Стивен Хокинг и Элон Маск).Обращаясь к аргументу, что человечество должно было сделать это, чтобы выжить в долгосрочной перспективе, Эциони писал:
«[З], которые требуют засухи, пожары, жаркое лето и тающие ледники, не является спасением от Земли , но удвоение усилий по его спасению … Необходимы крупные технологические прорывы, которые позволят защитить Землю при поддержании здорового уровня экономической активности … Чтобы сделать такие прорывы, нам нужна большая концентрация ресурсов для исследований и разработок , талант и лидерство, все из которых в дефиците.Следовательно, любое серьезное стремление к Марсу неизбежно приведет к стремлению спасти Мать-Землю ».
Хотя в этих аргументах есть определенная логика, они, тем не менее, подвержены трем основным предположениям / ошибкам. Сначала , похоже, они построенный на идее, что исследование космоса и решение многих проблем, с которыми мы сталкиваемся здесь на Земле, являются взаимоисключающими, а не взаимодополняющими
Одним из величайших преимуществ космического полета человека и освоения космоса является способность изучать Землю с орбиты.Это позволило нам узнать беспрецедентную информацию о климате и погодных системах нашей планеты, не говоря уже о том, что мы можем измерить эти системы и влияние, которое человеческое агентство продолжает оказывать на них.
Это также привело к пониманию того, что наша планета представляет собой единую синергетическую и саморегулирующуюся сложную систему, известную как гипотеза Гайи. Первоначально предложенная известными учеными Джеймсом Лавлоком и Линн Маргулис в 1970-х годах, эта научная теория является одним из краеугольных камней, на которых основано современное экологическое движение.
Второе , есть предположение, что направление средств на исследования космоса и связанные с космосом предприятия лишит другие усилия (такие как решение проблемы изменения климата, уменьшение бедности, кормление голодающих и т. Д.) Жизненно важных ресурсов.
Еще раз, тот же тип «или / или» рассуждения в игре, без очевидного места для «и». Когда вы приступите прямо к этому, нет никаких оснований (кроме поверхностной логики) думать, что деньги, потраченные на научные исследования в космосе, означают, что будет меньше денег на решение проблем здесь, дома.
Источник: Министерство энергетики США / Wikimedia Commons
Более того, нет абсолютно никакой гарантии, что деньги , а не , потраченные на исследование космоса, будут автоматически перенаправлены на решение социальных, экономических и экологических проблем. Несмотря на то, что аргумент обращается к определенному чувству заботы о человечности и социальной справедливости, он не рожден разумом.
Третий , если спор сводится к вопросу о том, как лучше расходовать ресурсы в других местах, зачем выделять исследование космоса? Почему не то, что еще дороже и имеет меньше очевидных преимуществ.Почему не что-то вроде военных расходов?
По данным Стокгольмского международного института исследований проблем мира, в 2014 году примерно 1,8 триллиона долларов США было выделено на военные расходы по всему миру. Могли ли эти деньги быть лучше потрачены на гуманитарную помощь, борьбу с крайней нищетой или содействие переходу на возобновляемую энергию во всем мире?
Чтобы быть более конкретным, давайте взглянем на боевой самолет F-35 Lightning II пятого поколения, который начал разрабатываться в 1992 году.Согласно оценкам, составленным в 2016 году, стоимость доставки этого истребителя с чертежной доски на закупки вооруженными силами США и других стран обошлась более чем в 1,5 триллиона долларов.
Источник: Мастер сержант. Джон Р. Ниммо, старший | ВВС США / DVIDS.netРаспространение в течение двадцати четырех лет (1992-2016 гг.), Что в среднем составляет более 125 миллиардов долларов в год. Эти перерасходы были в основном вызваны очевидными недостатками конструкции и техническими сбоями, которые привели к потере нескольких самолетов во время испытаний.
Но, по мнению некоторых критиков, программа справилась, потому что фактически стала «слишком большой, чтобы ее убить». Если бы программа была прекращена несколько лет назад, могут ли миллиарды долларов налогоплательщиков, сэкономленные в результате, не быть направлены на решение социальных проблем? Просто скажу …
В качестве второго примера рассмотрим количество денег, которые ежегодно расходуются на субсидирование отрасли ископаемого топлива. По данным Международного энергетического агентства, стоимость глобальных субсидий на ископаемое топливо составила более 300 миллиардов долларов только в 2017 году.
Однако, согласно исследованию, проведенному Международным валютным фондом (МВФ) и Калифорнийским университетом в 2017 году, цена на самом деле намного выше. Как только вы рассмотрите все косвенные способы субсидирования ископаемого топлива — не говоря уже о затратах на борьбу с воздействием сжигания ископаемого топлива — общая стоимость составит колоссальные 5 триллионов долларов.
Мало того, что деньги , а не используются не только для решения насущной проблемы изменения климата, но и активно ее финансируют.Если бы некоторые из этих триллионов были бы направлены на финансирование солнечной, ветровой и других возобновляемых источников энергии, разве мы не увидели бы более быстрого сокращения выбросов углерода?
Чтобы быть справедливым, эти контраргументы также немного упрощены и отвлекают от вопроса. Но опять же, сам вопрос очень трудно ответить. Когда все сказано и сделано, нелегко взять семь десятилетий освоения космоса, оценить достижения и свести все к ответу да / нет.
Но между затратами на ресурсы и измеримыми выгодами, которые мы получаем от освоения космоса, должна быть возможна базовая оценка затрат / выгод.Итак, давайте посмотрим, что человечество приобрело, отправившись в космос за последние несколько десятилетий, начиная с самого начала …
Первые вылазки в космос
Советский Союз первым сделал это в космос, запустив свои спутник 1 спутник в 1957 году. За ним последовало несколько спутников, а также первые животные (например, собака Лайка), за которыми последовали первые мужчина и женщина в 1961 и 1963 годах. Это были космонавты Юрий Гагарин и Валентина Терешкова, которые прилетели в пространство в составе миссий Восток 1 и Восток 6, соответственно.
США последовали его примеру, создав НАСА в 1958 году и запустив первые американские спутники с программой Explorer . Вскоре после этого были проведены тестовые запуски (которые также включали животных), за которым последовал проект «Меркурий» и первые американские астронавты, отправленные в космос («Меркурий-семерка»).
С обеих сторон много времени и ресурсов ушло на разработку ракет и тестирование воздействия космического полета на больших и маленьких существ. И достижения, достигнутые в рамках каждой национальной космической программы, были неразрывно связаны с разработкой ядерного оружия.
Таким образом, может быть трудно провести различие между стоимостью некоторых из этих ранних проектов и общими военными расходами. Другой проблемой является сложность получения точной информации из ранних советских программ, которые держались не только в тайне от западных источников, но и от самих людей Советского Союза.
Тем не менее, для некоторых программ (в основном из НАСА) была проведена оценка государственных расходов. Поэтому, если мы рассмотрим виды достижений, которые были достигнуты в результате реализации программы, а затем взвесим их в сравнении с деньгами, которые потребовались, чтобы это произошло, мы можем построить приблизительный анализ затрат и выгод.
Проект Меркурий и Восток:
Согласно оценкам, проведенным Центральным разведывательным управлением США (ЦРУ) за период с 1965 по 1984 год, расходы советского правительства на космическую программу были сопоставимы с расходами США. Как говорится в отчете, который был составлен в 1985 году (и рассекречен в 2011 году):
«Мы оцениваем годовые долларовые затраты на программу (включая затраты на исследования и разработки, закупки, эксплуатацию и поддержку), выраженные в ценах 1983 года, выросли с эквивалента более 8 миллиардов долларов в 1965 году до более 23 миллиардов долларов в 1984 году, что в среднем составляет около 6 процентов в год.
Источник: NASA
С учетом цен 2019 года космическая программа Советского Союза стоила эквивалент 25,5 млрд. Долларов в 1965 году — к тому времени они уже отправили шесть космических миссий в космос в рамках программы «Восток» — и неуклонно росли в течение следующих нескольких десятилетий
К этому времени Советский Союз также провел несколько тестовых запусков и отправил множество спутников на орбиту в рамках программы «Спутник». Таким образом, хотя трудно оценить отдельные программы, было бы справедливо сказать, что $ 25.5 миллиардов в год — это цена, которую Советский Союз заплатил, чтобы стать первой страной, отправившей в космос искусственный объект и людей.
Для НАСА стоимость ранних космических полетов с экипажем легче оценить. Это началось с проекта «Меркурий», который официально работал с 1958 по 1963 год и позволил разместить первого американского астронавта в космосе. Это был не кто иной, как астронавт Алан Шепард, который был отправлен на орбиту 5 мая 1961 года в рамках миссии Freedom 7 .
Согласно оценкам затрат, сделанным к 1965 году (через два года после окончания программы), проект Mercury стоил американским налогоплательщикам примерно 277 миллионов долларов в течение пяти лет.С учетом инфляции это составляет 2,2 миллиарда долларов или 440 миллионов долларов в год.
Проект «Близнецы», который осуществлялся в 1961–1966 годах, отправил в космос еще несколько экипажей, используя двухступенчатые ракеты и космический корабль, способный отправить двух космонавтов за один полет. На основании оценки стоимости, составленной в 1967 году, эта программа обошлась налогоплательщикам в 1,3 миллиарда долларов — опять же, в течение пяти лет.
После корректировки на 2019 долларов это составляет 9,84 миллиарда долларов или 1,97 миллиарда долларов в год.На самом деле, эти две программы стоили налогоплательщикам более 12 миллиардов долларов за восемь лет (1958-1966). Это приводит нас к общему счету около 91 миллиарда долларов, или 11,375 миллиарда долларов в год.
«Гонка на Луну»
Но, безусловно, самое большое обязательство с точки зрения времени, энергии, денег и опыта — это программа Apollo. Эта программа требовала разработки ракет, космических кораблей и связанных с ними технологий, которые привели бы к первым в истории полетам с экипажем на Луну.
ОТНОСИТЕЛЬНО: ПОЧЕМУ ЭТО ТАК ДОЛЖНО ПОЛУЧИТЬ НАЗАД НА ЛУНУ?
Программа «Аполлон» началась всерьез в 1960 году с целью разработки космического корабля, способного вместить до трех астронавтов, и сверхтяжелой ракеты-носителя, способной вырваться из-под гравитации Земли и провести маневр транслунной инъекции.
Эти потребности были удовлетворены путем создания трехступенчатой ракеты Saturn V и космического корабля Apollo, состоящего из командного модуля (CM), служебного модуля (SM) и лунного посадочного модуля ( LM).
Цель высадки астронавтов на Луну к концу десятилетия потребовала самого внезапного всплеска творчества, технологических инноваций и самого большого выделения ресурсов, когда-либо сделанных государством в мирное время. Это также повлекло за собой огромную инфраструктуру поддержки, в которой работало 400 000 человек и более 20 000 промышленных предприятий и университетов.
И к тому времени, когда была выполнена последняя миссия Аполлона ( Аполлон 17 , в 1972 году), программа стоила довольно копейки. Согласно утвержденным НАСА слушаниям, проведенным на девяносто третьем конгрессе в 1974 году, программа «Аполлон» обошлась налогоплательщикам в 25,4 миллиарда долларов США.
с поправкой на инфляцию, которая составляет 130,23 млрд. долларов в 2019 году. Учитывая, что эти расходы были распределены в течение двенадцатилетнего периода (1960-1972 гг.), Это составляет среднегодовые расходы в размере долл. США 10.85 миллиардов в год.
Но учтите тот факт, что эти программы не существовали в вакууме, и много денег ушло на другие программы и дополнительную поддержку. С точки зрения общего бюджета НАСА, расходы на исследование космоса достигли максимума в 1965 году, с общим бюджетом около долларов США, 50 миллиардов долларов США (с поправкой на 2019 долларов США).
В то время Советский Союз также очень сильно бюджетировал. Если учесть математику, при росте в 6% в год Советский Союз потратил бы эквивалент около долларов США.От 5 млрд. до долл. США. 22,22 млрд. в год в период с 1965 года и когда в 1972 году была совершена последняя миссия «Аполлон».
Хотя в тот же период Советский Союз никогда не отправлял на Луну космонавтов, они отправили на орбиту еще много экипажей и несколько роботов исследовательские миссии на Луну (программы Луны и Лунохода) и других тел в Солнечной системе.
Цены «Космическая гонка»:
В любом случае, от 25,5 до 50 миллиардов долларов в год — это МНОГО денег! Для сравнения рассмотрим плотину Гувера, один из крупнейших инженерных достижений в истории.Строительство этой крупной гидроэлектростанции стоило приблизительно 49 миллионов долларов США в период между 1931 и 1936 годами. Это дает около 815 миллионов долларов США в течение пятилетнего периода, или 163 миллиона долларов США в год.
Короче говоря, за то, что они потратили только на программу Аполлона, американские налогоплательщики могли бы оплатить счет за 177 плотин Гувера. Подумайте об электричестве, которое могло бы обеспечить! Или, если использовать более точные статистические данные, правительство США выделило в 2019 году 89,6 млрд. Долл. США своему департаменту здравоохранения и социальных служб.
В этом отношении программа Apollo стоит примерно 14% от того, что правительство США ежегодно тратит на здоровье и благополучие миллионов своих граждан. Если бы такие деньги были вложены в расходы на здравоохранение, США значительно расширили бы свое медицинское страхование.
Сравнение немного грубое, но оно дает вам представление о том, насколько монументально дорого обходятся исследования космоса для всех тех, кто осмелился в них участвовать. Поэтому нужно спросить, какую пользу действительно принесли все эти расходы?
Помимо национального престижа и вдохновляющего фактора, какие ощутимые выгоды можно назвать оправданием всех потраченных денег?
Что из этого вышло ?:
Самым очевидным преимуществом космической эры было то, как она развивала знания человечества о космосе.Выведя на орбиту спутники и космические корабли с экипажем, ученые узнали много нового об атмосфере Земли, экосистемах Земли и привели к развитию спутниковой навигации (GPS).
Развертывание спутников также привело к революции в области коммуникационных технологий. С тех пор как Спутник-1 был запущен на орбиту в 1957 году, около сорока стран были развернуты в сорока странах для телекоммуникаций, телевидения, радиовещания, навигации и военных операций.
По состоянию на 2019 год Управление Организации Объединенных Наций по вопросам космического пространства (ЮНООСА) подсчитало, что на орбите Земли находилось 5074 спутника. А в ближайшие годы ожидается еще тысячи в рамках растущих рынков телекоммуникаций и спутникового интернета. В последнем случае эти спутники будут иметь важное значение для удовлетворения растущих потребностей в беспроводных услугах в развивающихся странах.
В период с 2005 по 2017 год число людей во всем мире, имеющих доступ к Интернету, возросло с 1 миллиарда до более 3.5 миллиардов — от 16% до 48% населения. Еще более впечатляющим является то, что число людей в развитых странах, имеющих доступ к Интернету, возросло с 8% до более 41%. Ожидается, что ко второй половине этого столетия доступ в Интернет станет универсальным.
Развертывание спутников, командных миссий и космических станций, кульминацией которых стало создание Международной космической станции (МКС), также оказало революционное влияние на науки о Земле и наше понимание планеты в целом.
Как уже отмечалось, изучение Земли из космоса породило теорию о том, что все живые организмы взаимодействуют со своей средой, чтобы поддерживать и увековечивать условия жизни на планете — опять же, это известно как «гипотеза Гайи».«
Интересно, что эта теория стала результатом работы Лавлока с НАСА, где он помог разработать модели для оценки того, может ли жизнь существовать на Марсе. Благодаря этим исследованиям ученые не только получили ценное понимание того, как возникла жизнь. и эволюционировали здесь, на Земле.
Они также смогли создать модели, которые предсказывают, при каких условиях жизнь может существовать во внеземных средах. Это выходит за пределы местоположений в Солнечной системе (таких как Марс или в пределах спутников Европы, Ганимед, Энцелад, Титан и др.) и включает в себя внесолнечные планеты.
Помимо исторического подвига, подобного которому никогда не было (или с тех пор), миссии Аполлона также привели ко многим глубоким научным достижениям. Изучение лунных пород, которые астронавты Аполлона привезли с собой, привело ученых к выводу, что Земля и Луна когда-то были частью одной протопланеты.
Согласно этой теории, известной как гипотеза гигантского удара, система Земля-Луна является результатом столкновения, которое произошло примерно 4.5 миллиардов лет назад между Землей и объектом размером с Марс (названным Тейей). Это произошло всего через несколько миллионов лет после того, как Земля образовалась из протопланетного диска, окружавшего наше Солнце.
Развертывание космических телескопов также оказало значительное влияние на астрономию и космологию. Работая на орбите, эти телескопы не подвержены атмосферным искажениям и могут захватывать изображения далеких галактик и космических явлений, которые были бы невозможны при использовании наземных телескопов.
Например, космический телескоп Хаббла (HST) предоставил более миллиона наблюдений за 30 лет работы. Это позволило астрономам и астрофизикам узнать больше о Вселенной, измерив скорость, с которой она расширяется (что привело к теории Темной энергии), протестировав Обобщение относительности и обнаружив внеполярные планеты.
Это последнее направление исследований, которое с тех пор было принято такими космическими телескопами, как , Kepler, (KST), транзитным космическим спутником Exoplanet, космической обсерваторией Gaia и (скоро) космическим аппаратом Джеймса Уэбба (). Телескоп позволил ученым искать жизнь за пределами нашего мира, как никогда раньше!
Фактически, одна только миссия Kepler была ответственна за обнаружение почти 4000 кандидатов на внесолнечные планеты.Из них 49 планет были предназначены для последующих исследований, потому что они считаются хорошими кандидатами для обитаемости. Еще раз, поиски жизни там заставляют ученых хорошо понимать, как жизнь возникла здесь.
И затем есть способ, которым космическое путешествие объединило мир и облегчило международное сотрудничество. Когда Юрий Гагарин стал первым человеком, отправившимся в космос, он моментально стал героем, и не только в Советском Союзе. Говорят, что во время частых туров, которые он совершал после своего исторического полета, теплая манера Гагарина и его яркая улыбка «осветили тьму холодной войны».
То же самое верно и для Нила Армстронга, когда он стал первым человеком, ступившим на Луну. Его знаменитые слова: «Это один маленький шаг для человека, один гигантский скачок для человечества»: считается культовым далеко за пределами Соединенных Штатов. Вернувшись на Землю, он совершил поездку по Советскому Союзу в качестве почетного гостя и выступил с речью на 13-й ежегодной конференции Международного комитета по космическим исследованиям. Базз Олдрин оставил на Луне пакет памятных предметов, чтобы почтить память космонавтов и космонавтов, погибших в результате несчастных случаев на тренировках.В дополнение к Гриссому, Уайту и Чаффи (которые погибли в результате пожара 1967 года, поглотившего командный модуль «Аполлон 1 »), они также удостоились чести Владимира Комарова и Юрия Гагарина, погибших в 1967 и 1968 годах соответственно.
Собака Лайка, первая собака, отправившаяся в космос, также считается героем энтузиастов всего мира. Несмотря на то, что все эти события произошли во время холодной войны, то, как эти достижения объединили мир в праздновании, позволило немного оттаять.
У вас также есть совместные усилия, такие как Международная космическая станция (МКС), в создании которой участвовали 18 национальных космических агентств. Среди них НАСА, Роскосмос, Европейское космическое агентство (ЕКА), Канадское космическое агентство (CSA), Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) и другие.
Эти же страны регулярно вносят в экспедиции МКС как персонал, так и эксперименты. По состоянию на 2019 год 236 астронавтов посетили станцию (многие из них несколько раз), причем 149 из них были из США, 47 из России, 18 из ЕС, 9 из Японии, 8 из Канады и отдельные астронавты из широкого круга стран. Диапазон стран.
Но, конечно, выгоды от 70 лет космических путешествий выходят за рамки достижений науки и международного сотрудничества. Есть также неисчислимые технологические и коммерческие преимущества, которые явились результатом связанных с космосом государственных исследований и разработок.
В Соединенных Штатах эти преимущества каталогизированы НАСА Spinoff, которое было основано в 1973 году Программой передачи технологий НАСА, чтобы сообщать о том, как технологии, разработанные для космических полетов, стали доступны корпоративному сектору и широкой общественности.
Например, знаете ли вы, что финансируемые НАСА исследования привели к разработке светодиодов, портативных беспроводных пылесосов, микроволновых печей, технологии сублимационной сушки, вспененного материала, систем улучшения качества и анализа видео, компьютерного проектирования (CAD), встроенные веб-технологии (EWT) и программное обеспечение для визуализации и прогнозирования погоды?
ОТНОСИТЕЛЬНО: 23 GREAT NASA SPIN-OFF TECHNOLOGIES
Как насчет здоровья и медицинских достижений, таких как вспомогательные желудочковые устройства (VAD), протезы, системы безопасности пищевых продуктов, системы фильтрации воды и воздуха, а также магнитно-резонансная томография (МРТ) ? Это также улучшило наше понимание генетических нарушений, остеопороза и дегенеративных заболеваний.
Этот список можно продолжать и продолжать, но, чтобы его разбить, исследование, проведенное в 2002 году Институтом космической политики Университета имени Джорджа Вашингтона, показало, что в среднем НАСА возвращает американской общественности 7–21 долл. США через свою Программу передачи технологий. Это довольно значительный возврат инвестиций, особенно если учесть другие способы их окупаемости.
Что ждет нас в будущем?
Вопрос о том, стоит или нет исследование космоса, является разумным и необходимым.Но столь же верный вопрос, который стоит задать во время рассмотрения всего, что мы извлекли из него до сих пор: «было бы возможно иначе?»
Мы видели бы те же революции с точки зрения связи, вычислительной техники, транспорта, медицины, астрономии, астрофизики и планетарных наук? Пришли бы мы узнать как можно больше о нашем происхождении на этой планете? Понимаем ли мы, насколько взаимосвязаны жизнь и экосистемы сегодня?
Обдумывание этих двух вопросов является жизненно важным, поскольку мы вступаем в эру возобновленного освоения космоса, которая потребует аналогичных усилий с точки зрения времени, энергии, ресурсов и видения.Стоит также рассмотреть вопрос о том, сможем ли мы даже решить наши проблемы здесь, на Земле, не вкладывая средства в исследование космоса.
Заглядывая в следующее десятилетие и далее, НАСА, Роскомос, Китай, Индия, ЕС и многие другие космические агентства надеются исследовать поверхность Луны, создать там постоянный форпост, отправить астронавтов на Марс, исследовать внешние планеты планеты. Солнечная система и поиск жизни как в ближнем, так и в дальнем зарубежье.
Все это потребует больших денег, и неясно, на что будет похожа будущая бюджетная среда.И хотя бесчисленные инновации обещают сделать полет в космос более рентабельным и доступным (например, многоразовые ракеты и космические самолеты), в будущем мы можем столкнуться с некоторыми проблемами, и нам придется пойти на некоторые жертвы.
Но на данный момент, похоже, мы намерены сделать следующее поколение исследований. Согласно недавним опросам, проведенным Pew Research, большинство американцев (72%) считают, что для Соединенных Штатов важно быть лидером в освоении космоса.
Те же опросы показали, что 80% опрошенных американцев считают, что Международная космическая станция (МКС) была хорошей инвестицией для страны. На вопрос о роли, которую играют НАСА и NewSpace, опросы показали, что 65% американцев считают, что НАСА необходимо продолжать заниматься космическими исследованиями, а не оставлять все это частной промышленности.
Манасави Лингам, научный сотрудник Института теории и вычислений Гарвардского университета (ITC) Манасави Лингам, сообщил интересной технике по электронной почте, что преимущества непрерывного освоения космоса включают в себя: геологияg., узнав о других корках и мантиях) в астрономии (например, построение телескопа на Луне) и, возможно, даже в биологии (например, внеземная жизнь). «
Еще один способ получения выгоды от продолжения разведка — это расширение нашей ресурсной базы. «Здесь будет важно не чрезмерно эксплуатировать такие пояса астероидов, как Меркурий и т. д., все из которых имеют существенное изобилие металлов», — сказал Лингхам.
: « УРАВНЕНИЕ ДРЕЙКА И НЕПРЕРЫВНЫЙ ОПТИМИЗМ КАРЛА САГАНА
И, конечно, есть слова покойного и великого Карла Сагана, который мог многое сказать о преимуществах исследования:
«Мы отправились в путешествие к звездам с Вопрос, впервые сформулированный в детстве нашего вида и в каждом поколении, задавался заново с неослабным удивлением: что это за звезды? Разведка в нашей природе.Мы начинали как странники, и мы все еще странники. Мы достаточно долго задержались на берегах космического океана. Мы готовы наконец отплыть к звездам …
«Наши отдаленные потомки, благополучно расположенные во многих мирах Солнечной системы и за ее пределами, будут объединены общим достоянием, уважением к своей родной планете и зная, что, какой бы ни была другая жизнь, единственные люди во всей Вселенной приходят с Земли, они будут пристально смотреть и напрягаться, чтобы найти синюю точку в их небе.Они будут любить его не меньше за его мрачность и хрупкость. Они поразятся тому, насколько уязвимым было хранилище всего нашего потенциала, насколько опасным было наше детство, насколько скромны наши начинания, сколько рек мы должны были пересечь, прежде чем нашли свой путь ».
Учитывая, что можно получить и что мы упустим, если остановимся, затраты на освоение космоса кажутся бесконечно приемлемыми!
Источники:
.
Источник: Министерство энергетики США / Wikimedia Commons
Источник: Pixabay
Источник: НАСА
Источник: NASA
Источник: NASA
Источник: НАСА / JPL-Caltech / T. Pyle (SSC)
Источник: НАСА
Источник: NASA