Космонавтика Кориолиса: корабль закручивает мозги экипажа

Привычный мир становится странным, если вы работаете во вращающейся комнате. Установка лаборатории Грэйбиля (фото с сайта nasa.gov).

От неудобств невесомости легко избавиться, закрутив корабль. Вот только появляется новая проблема: сила Кориолиса вносит свои правила в привычную обстановку. Брошенный предмет относит в бок; рука, резко протянутая к кнопке, сама отклоняется в сторону. И повседневный опыт подводит человека.

Фантасты, описывающие вращающиеся звездолёты и орбитальные станции, либо конструкции, в которых крутится только та часть, где обитают космонавты, не задумываются о силе Кориолиса. Ведь в повседневной жизни мы её не замечаем.

Но в кабине, вращающейся со скоростью, скажем, десять-двадцать оборотов в минуту, сила Кориолиса будет ощутимо влиять на происходящее.

Что, если адаптация к такой среде окажется не лучше, чем адаптация к невесомости? Может ли это приспособление оказаться достаточно надёжным, чтобы космонавты могли гарантированно и быстро выполнять все необходимые операции?

Поскольку создание кораблей с искусственной гравитацией, вызванной вращением кабины (или даже всего корабля), дело не такого уж далёкого будущего, нужно было ответить на эти вопросы.

Маленькое отступление. Эффект Кориолиса (а фактически — это проявление явления инерции во вращающейся системе отсчёта) ответственен за закручивание атмосферных левиафанов — циклонов, однако, вопреки широко распространённому заблуждению, не влияет на закручивающийся слив воды в ванной, так как в таком масштабе он ничтожно мал, по сравнению с другими силами, действующими на воду.

На самом деле направление слива задаётся рядом случайных факторов, вроде несимметричности самой ванной, возмущений, внесённых вытянутой пробкой, и тому подобным.

Некоторые проекты полёта на Марс предусматривают вращение всего корабля для создания искусственной силы тяжести (иллюстрация с сайта nasa.gov).

Чтобы «господин Кориолис» соизволил закрутить слив в точном соответствии с расположением лаборатории в северном или южном полушарии (о чём любят рассуждать энтузиасты опытов в ванной), нужно, чтобы ёмкость была большой (несколько метров), её геометрия почти идеальной, отверстие — маленьким, пробка должна аккуратно выдёргиваться вниз, а не вверх, вода же перед началом опыта должна отстояться без каких-либо возмущений целую неделю.

Так или иначе, а в кувыркающемся космическом корабле эффект Кориолиса будет проявляться сильно. Посчитайте, во сколько раз быстрее он будет вращаться вокруг своей оси, чтобы создалась ощутимая псевдогравитация по сравнению с суточным вращением планеты.

И вот недавно NASA запустило серию экспериментов, чтобы понять — как мозг адаптируется к этой странной среде.

Это выясняют Джеймс Лакнер (James Lackner) и Поль Дизио (Paul DiZio) из лаборатории пространственной ориентации Эштона Грэйбиля (Ashton Graybiel Spatial Orientation Laboratory), которая ведёт эту работу при поддержке офиса биологических и физических исследований NASA (Office of Biological and Physical Research).

Учёные наблюдают за добровольцами, работающими в специальной вращающейся комнате.

Кстати, не путайте это с широко известными опытами по воздействию на человека перегрузок. Здесь перегрузки были невелики, а вот влияние эффекта Кориолиса на обстановку — весьма заметно.

Лакнер и Дизио также разрабатывают учебные методики и приспособления, которые могли бы облегчить астронавтам переход из обычной среды во вращающуюся систему «искусственной гравитации» и снова назад — в невесомость.

Известно, как организм приспосабливается к невесомости и снова к тяготению при возвращении из космоса на Землю. А вот о переходе из системы, где сила Кориолиса незаметна в ту, где она играет большую роль, и наоборот — известно было мало.

Правда, уже в 1960-х годах проводились опыты, показавшие, что человек не слишком хорошо приспосабливается к вращающейся кабине.

Но нынешнее исследование выявило любопытную закономерность. Когда перед человеком, манипулирующим различными предметами и нажимающим на всевозможные кнопки, поставлена чёткая задача, мозг мобилизуется и начинает компенсировать «неправильную» обстановку, где всё плывёт вбок.

Слева: траектория пальца, тянущегося к кнопке на стене. Правая траектория – первое время работы во вращающейся комнате, в середине – после адаптации, слева – при возвращении в неподвижную среду. Справа: разброс точек попадания в серии испытаний — при неподвижной лаборатории, при вращении вправо и влево (иллюстрация с сайта graybiel.brandeis.edu).

Оказалось, что это очень интересный процесс. Сначала руки «не хотят» попадать туда, куда надо. Но всё сравнительно быстро приходит в норму.

Дизио, профессор психологии университета Брендиса (Brandeis University), которому (университету) принадлежит и лаборатория Грэйбиля, предполагает: «Когда явная цель присутствует, мозг диктует желательное движение мускулам более точно. Отклонения от этого движения обнаруживаются сенсорной системой обратной связи с большей готовностью».

Откуда у людей эта способность приспосабливаться к вращению?

Исследователи полагают, что слабые силы Кориолиса, не замечая того, человек всё-таки учитывает при вращении в пространстве собственного тела; когда резко оборачивается на окрик, когда прыгает, одновременно бросая мяч, или поворачивается вокруг оси, пытаясь в то же время дотянуться до чего-то рукой.

Эффект Кориолиса легко обнаружить, бросая мяч внутри вращающейся карусели. Для космонавтов/астронавтов проявление этой силы уже не будет забавой (фото с сайта nasa.gov).

В исследовании лаборатории Грэйбиля было немало удивительных открытий.

Например, выяснилось, что после некоторого времени, проведённого во вращающейся комнате, люди вообще переставали чувствовать силу Кориолиса. Мозг уже автоматически, незаметно для сознания, вводил поправки в движения тела так, что человеку казалось — всё в порядке.

И наоборот, после возвращения в нормальный мир некоторое время человеку казалось, что кто-то тянет его руки в сторону. Он не мог действовать нормально, словно эффект Кориолиса появлялся для испытуемого вновь, хотя тут-то его и не было.

Но стоило только совершить 10-20 попыток какого-нибудь целенаправленного движения, как мозги приходили в норму и «фантом Кориолиса» уходил.

Дизио и Лакнер установили, что человек хорошо приспосабливается к вращению своего жилища со скоростью до 25 оборотов в минуту, чего должно с избытком хватить для создания вращающихся станций и кораблей с искусственной гравитацией.

Далее экспериментаторы сделали оригинальный шаг — они заменили вращающуюся комнату роботом-манипулятором, который мягко отклонял запястье человека в одну сторону, пока испытуемый пробовал манипулировать предметами, нажимать кнопки или что-то бросать.

Лакнер (слева) и Дизио намерены подготовить почву для внедрения вращающихся кабин в космических кораблях (фото с сайта nasa.gov).

Оказалось, что в таком случае мозг также вырабатывают компенсирующую «политику», и со временем человек перестаёт замечать помеху.

Но стоило освободить его от связи с манипулятором — как фантомное давление в сторону появлялось в мозге.

Интересно также и то, что манипулятор можно было программировать на давление в различных направлениях и с различной силой.

Так исследователи изучали адаптацию человека к небольшой переменной силе Кориолиса, действующей на фоне какой-либо большей однонаправленной силы (например, силы, возникающей вследствие ускорения корабля при работе маршевых ионных двигателей).

Экспериментаторы установили, что и такое приспособление проходит успешно.

Но многие вопросы остаются пока без ответа. Насколько результаты опытов, основанных на движениях рук, применимы к координации более сложных движений всего тела?

Как на данный эффект влияет тяжесть предметов, которые нужно переносить? После первой адаптации и по прошествии времени, может ли человек повторно приспособиться к силе Кориолиса быстрее и легче, чем первый раз? Как лучше тренировать «закрученных» астронавтов для возвращения к обычной жизни?

Авторы исследования продолжают работу и усложняют опыты.

Кстати, по многочисленным проектам марсианской пилотируемой миссии, над которыми работают в США и в России, на борту корабля будет предусмотрена комната-центрифуга, для облегчения воздействия длительной невесомости и подготовки к высадке на Красную Планету.



NASA запустило корабль к Меркурию

3 августа 2004

Новый спутник NASA будет ловить самые большие взрывы во Вселенной

3 августа 2004

Российский «Союз» предполагается отправить к Луне

3 августа 2004

Аппарат Cassini нашёл на Титане фиолетовый туман

30 июля 2004

Китайских школьниц будут готовить к полёту в космос

29 июля 2004