Можно ли сыграть в хоккей в космосе? Разобрались вместе с физиком

Автор

Спортс’’ космический.

Космонавты давно адаптируют привычные виды спорта к условиям невесомости – пробовали играть и в гольф, и в бейсбол, и в бадминтон. Конечно, в точности повторить то, что показывают спортсмены на Земле, просто невозможно. А если мы говорим о хоккее, для игры в который нужны лед, коньки и грузная экипировка, то ситуация вообще кратно сложнее.

Хотя попытки сыграть в него в космосе предпринимались – пусть это и не тот хоккей, который мы привыкли видеть. Космонавт Александр Самокутяев вспоминал, как в 2015 году с коллегами открывал на МКС Ночную хоккейную лигу: «Перебрасывали друг другу шайбу. В космосе не так-то просто это сделать. Но мы справились».

Другой космонавт, Сергей Залетин, сам в детстве занимался хоккеем и следит за Кубком Гагарина. В том же 2015-м он рассказывал о другом формате хоккея в космосе: «Есть небольшое поле, намагниченная шайба… Нет, речь пока о настольном хоккее. Коньки в космосе, конечно, не надеваем».

В рамках Недели космоса в России мы вместе с Кинопоиском задумались: а что с большим хоккеем и можно ли все-таки сыграть в него в космосе? Спросили у кандидата физико-математических наук, доцента кафедры физического материаловедения МИСИС Евгении Александровны Шуваевой.

Почему в космосе не получится сыграть в хоккей?

Короткое объяснение Спортса’’:

В космосе нет достаточной гравитации, чтобы тела притягивались и удерживались, как на Земле. Если бы хоккеист нанес удар по шайбе, то и сам хоккеист, и шайба разлетелись бы в разные стороны – и летели бы бесконечно, потому что тормозящего трения тоже нет.

Объяснение физика:

– Если считать космос пространством между звездами с полным или почти полным отсутствием вещества, то есть состояние вакуума, то там нет достаточной гравитации для обеспечения сил притяжения между телами. Гравитационное взаимодействие довольно слабое. Тот факт, что те объекты, которые находятся на Земле, не разлетаются, обусловлен наличием планеты с очень большой массой.

Сила притяжения Земли Fт может быть рассчитана в соответствии с формулой для Закона всемирного тяготения (здесь Мз – масса Земли, которая составляет примерно 6×10 в 24-й степени кг; mч – масса человека, для простоты расчета пусть будет 60 кг; r – расстояние между центрами тяжести тел, если человек стоит на Земле, то это радиус планеты, что составляет примерно 6×10 в 6-й степеним):

Такой силы вполне хватает, чтобы не улетать с Земли и крепко на ней стоять.

Теперь оценим силу притяжения между шайбой и человеком в открытом космосе, где рядом нет ничего с достаточно большой массой. Оценка очень грубая, поскольку при таких условиях считать эти два объекта материальными точками нельзя, но нам просто нужен порядок величины силы взаимодействия. Пусть человек имеет ту же массу, что и в прошлой задаче (60 кг), масса шайбы – 0,2 кг, а расстояние для замаха клюшки между их центрами тяжести – 1 м:

Очевидно, что полученное значение чрезвычайно мало, чтобы удержать шайбу в поле гравитации человека. Притяжение будет ничтожным. Зато при ударе будет работать закон сохранения импульса (импульс p=m×v, где v – скорость тела) – сумма импульсов тел, образующих замкнутую систему, остается постоянной:

Если человек и шайба в начальный момент взаимодействия находились относительно друг друга в неподвижности, сразу после взаимодействия они приобретут скорости, противоположные друг другу по знаку – так, чтобы их суммарный импульс до и после взаимодействия оставался постоянным (0=mч×vч+mшайбы×vшайбы, значит: mч×vч = -mшайбы×vшайбы). Это значит, что человек с маленькой скоростью начнет улетать от точки соприкосновения с шайбой, а шайба от той же точки начнет улетать с большой скоростью. А поскольку все это происходит в открытом космосе, то никаких удерживающих сил вокруг нет – получается, ни шайбу, ни человека остановить нечем.

Даже если вокруг расставить людей, вероятность встречи шайба-человек и человек-человек довольно маленькая – невозможно точно рассчитать, куда полетит шайба, так как удар по шайбе, мне кажется, не получится с одним строго определенным направлением. Может, я чего-то особенного про принципы удара клюшкой не знаю, но ведь замах – криволинейный, движение кончика клюшки может иметь отличающиеся траектории.

Даже если мы расположим человека и шайбу на ледяной площадке диаметром, скажем, 60 м и высотой 1 м, то получим объект массой примерно 10×106 кг, силы притяжения этой площадки не хватит для удержания человека и шайбы на поверхности. Даже наоборот: взаимодействие ледяной площадки с шайбой приведет к дополнительному импульсу, который заставит эти два объекта разлететься.

На Земле хоккеист прижимается к ледяной площадке за счет силы тяжести. Поскольку лед очень гладкий, сила трения (она обеспечивается электростатическим взаимодействием между атомами на поверхности льда и коньком хоккеиста) довольно мала. Это позволяет катиться по поверхности льда, но не бесконечно – взаимодействие сил обеспечивает торможение. Но в отсутствие тяготения такого притяжения не будет достаточно для торможения – наоборот, легче «разлететься».

Возможно ли создать летательный аппарат, в котором можно сыграть в хоккей?

Короткое объяснение Спортса’’:

Теоретически – да. Но в нем нужно добиться появления силы тяжести, что возможно, к примеру, если разгонять и тормозить корабль. Для самого корабля потребуются уникальные материалы, чтобы он не нагревался.

Объяснение физика:

– В принципе обеспечение в космическом аппарате силы тяжести теоретически возможно. Еще Циолковский предложил решение: если создать ситуацию вращения корабля, это приведет к возникновению центробежной силы, ускорение будет направлено к центру вращающегося объекта – при достаточно большой угловой частоте вращения возникнет достаточное притяжение объектов к центру корабля.

В этом решении есть две неприятности. Во-первых, зависимость центробежной силы от расстояния от центра вращения. Во-вторых, кориолисова сила, которая будет приводить к отклонению движения объектов, что неизбежно во вращающейся системе. Даже на Земле сила Кориолиса вызывает отклонение от вертикали свободно падающего тела к востоку (в первом приближении). Ну, может быть, к этим неприятностям хоккеисты и приспособятся.

Другой вариант обеспечения притяжения между льдом и хоккеистами с шайбой – хитрая ситуация разгон-торможение космического корабля. Так в момент торможения возникнет вес тел, прижимающихся к поверхности в корабле – например, к ледяной площадке. Такое ускорение а при торможении должно иметь значение, близкое к ускорению свободного падения 10 м/с2 – значит, чтобы улететь с Земной орбиты, надо превзойти вторую космическую скорость (v0=11,2 км/с), а потом ускоряться, прибавляя по 10 м/с за каждую секунду. Тогда, поскольку v=v0+a×t, при полете с таким ускорением примерно за три месяца будет достигнута скорость света. Впрочем, это, конечно, уже из области бреда. Не очень понятно, чем обеспечить такое ускорение, а потом торможение с таким ускорением обратного знака.

Какие прорывы нужны в науке, чтобы сделать такой корабль и добиться нужных условий?Наверное, что-то из области уникальных материалов для реактивных двигателей, для топлива, для самого корабля. При первоначальном вылете из поля действия гравитации Земли корабль попадет в поле действия других космических объектов – прежде всего, Солнца, которое будет притягивать и облучать одновременно. Это значит, что корабль станет как минимум нагреваться за счет солнечного излучения до чрезвычайно опасных для жизни температур.

Плюс это излучение совсем не безопасно с точки зрения радиоактивности. Земля обладает собственным магнитным полем, что позволяет защищать нас от действия так называемого солнечного ветра. Значит, нужны специфические ферромагнитные материалы для космического корабля, которые обеспечивали бы отклонение заряженных частиц от него.

Чего из условий добиться сложнее всего?

Короткое объяснение Спортса’’:

Главное – обеспечение притяжения и скольжения по поверхности. Со льдом проблем быть не должно – в открытом космосе и так холодно. Чтобы в корабле лед не таял (при прохождении через него энергия света может преобразоваться в тепловую), корабль можно сделать с зеркальной поверхностью, чтобы как раз отражать свет.

Объяснение физика:

– Наверное, самое сложное – обеспечить притяжение и скольжение хоккеиста и шайбы по определенной поверхности. Кстати, в космосе уже есть решения, связанные со сложностями обеспечения притяжения человека к поверхности корабля. Гравитационное взаимодействие слишком слабое, но можно взять магнитное и/или электростатическое, тогда притяжение обеспечить вполне реально. Уже разработаны ботинки на магнитной подошве, которые позволяют ходить по поверхности стального космического корабля.

Наверное, вместо льда можно было бы использовать стальное поле для хоккея, а вместо коньков с острым краем – ботинки с магнитной подошвой, но с не очень большими значениями магнитных свойств, чтобы магнитное взаимодействие между подошвой хоккеиста и полем стало сродни взаимодействию льда с коньком. Сделать и шайбу из ферромагнетика, тогда она будет притягиваться полем и не улетит в произвольном направлении.

– Допустим, мы создали корабль с искусственной гравитацией. Насколько там возможно сделать холодную зону, чтобы был лед?

– Если говорить об открытом космосе, где сплошной вакуум, то это место, где температура близка к абсолютному нулю температур. Если в градусах Цельсия, это -273,15 °С (округлять ни в коем случае нельзя, ибо меньшей температуры даже теоретически не существует).

Температура – мера кинетической энергии атомов и молекул. Грубо говоря, она показывает, как «шевелятся» атомы. А если атомов нет, то и шевелиться нечему. Если мы в такое место разместим лед, ему будет комфортно. Правда, может начаться испарение, которое через какое-то время приведет к исчезновению этого самого льда.

Есть нюанс. В открытом космосе нет препятствий для распространения светового и другого типа электромагнитного излучения. Если свет попадет на поверхность твердого непрозрачного для него тела, энергия света преобразуется в тепловую энергию в теле, заставив сильнее колебаться его атомы. Это приведет к нагреву, а, следовательно, и к таянию льда и испарению.

Если тело оптически полностью прозрачно, свет пройдет через тело, не оставив в нем своего воздействия. Лед не полностью прозрачен для всех видов излучения, но часть будет пропускать точно, поэтому быстрого таяния ему не грозит. Можно, наверное, сделать поверхность космического корабля зеркальной, тогда весь свет будет отражаться, а нагревания корабля и того, что внутри, не произойдет. Тогда, наоборот, необходимо подготовить такое инженерное решение, которое обеспечит внутри комфортную для человека температуру, так как при абсолютном нуле лед чувствует себя хорошо, а вот живой человек при -60 °С уже может дышать с трудом и недолго.