Загадка падающей кошки и фундаментальная физика - Грегори Гбур

Исследователи из ВВС в перерывах между тренировками астронавтов проекта «Меркурий» использовали «Рвотную комету» как место для испытания различных стратегий маневрирования. В частности, было опробовано большое количество чисто инженерных решений — с переменным успехом. К примеру, в период полета в невесомости испытуемые пробовали ходить по потолку C-131B в магнитных ботинках. Настройка и подбор силы магнитов, при которых ходить с ними было бы легко, потребовали преодоления значительных трудностей. Если магниты были слишком слабыми, испытуемые могли легко оттолкнуться от металлической поверхности; если слишком сильными, люди оказывались, по существу, приклеенными к одному месту на потолке. Для передвижения вне космического корабля в будущем было предложено пневматическое реактивное устройство, состоящее из емкости со сжатым воздухом, надеваемой на спину как рюкзак и соединенной шлангом с ручным соплом, которое можно направить в любую сторону, чтобы обеспечить тягу. Военный персонал в скафандрах с этими устройствами с виду очень походил на охотников за привидениями из одноименного фильма. Чтобы избежать беспорядочного кувыркания в невесомости, исследователи попытались привлечь на свою сторону закон сохранения момента импульса: испытуемые несли на себе вращающиеся диски в качестве гироскопов, которые должны были стабилизировать их ориентацию. Как велосипед сохраняет вертикальное положение, пока крутятся колеса, так и гироскопы должны были не позволить астронавтам беспорядочно закувыркаться.

Но, помимо этого, астронавты должны были получить возможность контролировать свое движение при отсутствии какого бы то ни было специального оборудования. В этом плане большой интерес представлял скорее механизм, при помощи которого кошки переворачиваются, а не физиология этого переворота. В начале 1960-х гг. исследователи из Университета Дейтона совместно с одним из ученых авиабазы Райт-Паттерсон определили несколько стратегий, которые астронавты могли бы использовать для изменения своей ориентации при помощи исключительно телесных движений. В 1962 г. они опубликовали результаты своих исследований в захватывающем техническом отчете под заголовком «Невесомый человек: техники самоповорота». В этом документе авторы привели девять методов, при помощи которых астронавты могут менять свою ориентацию в пространстве, по несколько методов на каждую ось вращения. Вращение вокруг оси Z — это вращение вокруг позвоночника, который исполняет роль центральной оси, это вращение фигуристки на льду. Вращение вокруг оси Y — это вращение в том направлении, в каком делаются кувырки вперед и назад. Наконец, вращение вокруг оси X — это переворот вбок, переворот в том направлении, в каком делается «колесо».

Названия методов причудливы и выбирались таким образом, «чтобы космическому персоналу их было удобно быстро называть и легко понимать». Вот полный список этих маневров:

• (Z.1) «кошачий рефлекс»

• (Z.2) «сгибайся и крутись»

• (Z.3) «лассо»

• (Z.4) «вертушка»

• (X.1) «сигнальный флаг»

• (X.2) «потянись и повернись»

• (X.3) «сгибайся и крутись»

• (Y.1) «двойная вертушка»

• (Y.2) «наклон»

Описание этих маневров рисует для нас интересные картины поведения астронавтов в невесомости. «Двойная вертушка», к примеру, описывается так: «Это непрерывное вращательное движение было с успехом продемонстрировано во время полетов с нулевой силой тяжести. Процедура очень проста. Нужно, подогнув ноги и вытянув руки прямо в стороны параллельно оси Y, одновременно делать руками вращательные конусообразные движения».

Наибольший интерес для наших целей представляют два первые пункта в этом списке. В самом деле, тот факт, что первым в нем значится «кошачий рефлекс», очевидно указывает на значимость кошачьей способности к перевороту в представлении исследователей. Из описания ясно, что, по мнению исследователей, этот рефлекс функционирует согласно первоначальному описанию Марея, как «подожмись и поворачивайся», когда кошка произвольно меняет момент инерции отдельных частей тела. Вот как они описали эту технику для человека:

Вторая техника в списке, «сгибайся и крутись», представляет собой, по существу, человеческий вариант кошачьего рефлекса переворачивания в представлении Радемакера и тер Браака в 1930-е гг. Вы можете проделать этот маневр и сами. Начиная с положения стоя прямо, согните верхнюю часть тела в сторону и поднимите руки в стороны. Затем поверните верхнюю часть тела вперед, сохраняя изгиб, пока оно не окажется согнутым в противоположную сторону. Опустив после руки и выпрямившись, вы обнаружите, что повернулись на некоторый небольшой угол в направлении, противоположном тому, в котором вы скручивали свое тело. Вы можете проделать этот маневр, медленно и аккуратно, даже стоя на полу, и при правильном выполнении вы почувствуете стремление ноги повернуться относительно пола. Модель Радемакера и тер Браака получила название «сложись и крутись» (то же, что «сгибайся и крутись», но в более гибком кошачьем варианте) именно благодаря этой работе ВВС.

«Сгибайся и крутись» стоит в списке сразу в двух местах — как маневр по оси Z и по оси X, поскольку обеспечивает небольшой поворот относительно обеих осей. С небольшими модификациями эту технику можно использовать так, чтобы подчеркнуть то или другое направление поворота. Неясно, пользовался ли кто-то из астронавтов этими техниками и преподавали ли их астронавтам во время тренировок. Возможно, им было проще самим придумать для себя органичные движения во время полетов на «Невесомом чуде».

Гибкость человеческого тела обеспечивает свободу для самых разных вращений, но эта же гибкость может вызвать проблемы. Представьте себе астронавта в открытом космосе с ракетным ранцем, отрегулированным так, чтобы посылать человека прямо вперед. Если этот астронавт вытянет одну руку в сторону, центр его массы слегка сместится в эту же сторону и он начнет не только двигаться вперед, но и вращаться. Прежде чем разрешить астронавтам самостоятельно передвигаться в пространстве вне космического корабля, необходимо было понять, как изменения в положении тела могут повлиять на его движение и устойчивость. С этой целью были разработаны подробные математические модели человека, в которых каждая секция тела рассматривалась как цилиндр, шар, эллипсоид или параллелепипед. Результатом обсуждения этих моделей стало одно из самых романтичных описаний человеческого тела, когда-либо преданных бумаге:

Результаты исследований, посвященных маневрированию в невесомости, первоначально предполагалось проверить в космосе во время полета корабля «Джемини-9» 5 июня 1966 г., и сделать это должен был астронавт Юджин Сернан, снабженный специальной ракетной установкой для маневрирования. Но, поскольку при подготовке к выходу Сернан перенапрягся, стекло его шлема запотело и испытание пришлось отменить. В результате первый опыт свободной (беспривязной) внекорабельной деятельности (ВКД) был реализован лишь много позже, 7 февраля 1984 г., когда астронавт Брюс Маккэндлесс испытал более сложную установку для маневрирования (MMU). Эта установка, внешне очень напоминавшая высокотехнологичное кресло, имела 24 сопла, которые можно было активировать с подлокотника пилота, чтобы регулировать вращение, ориентацию и тягу.