Состояние невесомости тела на искусственном спутнике вызвано. Состояние невесомости. Как симулируют невесомость на Земле

Невесо"мость, состояние материального тела, при котором действующие на него внешние силы или совершаемое им движение не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга. Если тело покоится в поле тяжести Земли на горизонтальной плоскости, то на него действуют сила тяжести и направленная в противоположную сторону реакция плоскости, в результате чего возникают взаимные давления частиц тела друг на друга. Человеческий организм воспринимает такие давления как ощущение весомости. Аналогичный результат имеет место для тела, которое находится в лифте, движущемся по вертикали вниз с ускорением a ¹ g, где g - ускорение свободного падения. Но при а =g тело (все его частицы) и лифт совершают свободное падение и никаких взаимных давлений друг на друга не оказывают; в результате здесь имеет место явление Н. При этом на все частицы тела, находящегося в состоянии Н., силы тяжести действуют, но нет внешних сил, приложенных к поверхности тела (например, реакций опоры), которые могли бы вызвать взаимные давления частиц друг на друга. Подобное же явление наблюдается для тел, помещенных в искусственном спутнике Земли (или космическом корабле); эти тела и все их частицы, получив вместе со спутником соответствующую начальную скорость, движутся под действием сил тяготения вдоль своих орбит с равными ускорениями, как свободные, не оказывая взаимных давлений друг на друга, т. е. находятся в состоянии Н. Как и на тело в лифте, на них действует сила тяготения, но нет внешних сил, приложенных к поверхностям тел, которые могли бы вызвать взаимные давления тел или их частиц друг на друга.

Вообще тело под действием внешних сил будет в состоянии Н., если: а) действующие внешние силы являются только массовыми (силы тяготения); б) поле этих массовых сил локально однородно, т. е. силы поля сообщают всем частицам тела в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения; в) начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы (тело движется поступательно). Т. о., любое тело, размеры которого малы по сравнению с земным радиусом, совершающее свободное поступательное движение в поле тяготения Земли, будет, при отсутствии других внешних сил, находиться в состоянии Н. Аналогичным будет результат для движения в поле тяготения любых других небесных тел.

Вследствие значительного отличия условий Н. от земных условий, в которых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты искусственных спутников Земли, космических кораблей и их ракет-носителей, проблема Н. занимает важное место среди др. проблем космонавтики. Это наиболее существенно для систем, имеющих ёмкости, частично заполненные жидкостью. К ним относятся двигательные установки с ЖРД, рассчитанные на многократное включение в условиях космического полёта. В условиях Н. жидкость может занимать произвольное положение в ёмкости, нарушая тем самым нормальное функционирование системы (например, подачу компонентов из топливных баков). Поэтому для обеспечения запуска жидкостных двигательных установок в условиях Н. применяются: разделение жидкой и газообразной фаз в топливных баках с помощью эластичных разделителей (например, на АМС «Маринер»); фиксация части жидкости у заборного устройства системой сеток (ракетная ступень «Аджена»); создание кратковременных перегрузок (искусственной «тяжести») перед включением основной двигательной установки с помощью вспомогательных ракетных двигателей и др. Использование специальных приёмов необходимо и для разделения жидкой и газообразной фаз в условиях Н. в ряде агрегатов системы жизнеобеспечения, в топливных элементах системы энергопитания (например, сбор конденсата системой пористых фитилей, отделение жидкой фазы с помощью центрифуги). Механизмы космических аппаратов (для открытия солнечных батарей, антенн, для стыковки и т.п.) рассчитываются на работу в условиях Н.

Н. может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях (например, получение композиционных материалов с однородной структурой во всём объёме, получение тел точной сферической формы из расплавленного материала за счёт сил поверхностного натяжения и др.). Впервые эксперимент по сварке различных материалов в условиях Н. и вакуума был осуществлен при полёте советского космического корабля «Союз-6» (1969). Ряд технологических экспериментов (по сварке, исследованию течения и кристаллизации расплавленных материалов и т.п.) был проведён на американской орбитальной станции «Скайлэб» (1973).

Особенно существенно учитывать своеобразие условий Н. при полёте обитаемых космических кораблей: условия жизни человека в состоянии Н. резко отличаются от привычных земных, что вызывает изменения ряда его жизненных функций. Так, Н. ставит центральную нервную систему и рецепторы многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечно-суставного аппарата, кровеносных сосудов) в необычные условия функционирования. Поэтому Н. рассматривают как специфический интегральный раздражитель, действующий на организм человека и животного в течение всего орбитального полёта. Ответом на этот раздражитель являются приспособительные процессы в физиологических системах; степень их проявления зависит от продолжительности Н. и в значительно меньшей степени от индивидуальных особенностей организма.

С наступлением состояния Н. у некоторых космонавтов возникают вестибулярные расстройства. Длительное время сохраняется чувство тяжести в области головы (за счёт усиленного притока крови к ней). Вместе с тем адаптация к Н. происходит, как правило, без серьёзных осложнений: в Н. человек сохраняет работоспособность и успешно выполняет различные рабочие операции, в том числе те из них, которые требуют тонкой координации или больших затрат энергии. Двигательная активность в состоянии Н. требует гораздо меньших энергетических затрат, чем аналогичные движения в условиях весомости. Если в полёте не применялись средства профилактики, то в первые часы и сутки после приземления (период реадаптации к земным условиям) у человека, совершившего длительный космический полёт, наблюдается следующий комплекс изменений. 1) Нарушение способности поддерживать вертикальную позу в статике и динамике; ощущение тяжести частей тела (окружающие предметы воспринимаются как необычно тяжёлые; наблюдается растренированность в дозировании мышечных усилий). 2) Нарушение гемодинамики при работе средней и высокой интенсивности; возможны предобморочные и обморочные состояния после перехода из горизонтального положения в вертикальное (ортостатические пробы). 3) Нарушение процессов обмена веществ, особенно водно-солевого обмена, что сопровождается относительным обезвоживанием тканей, снижением объёма циркулирующей крови, уменьшением содержания в тканях ряда элементов, в частности калия и кальция. 4) Нарушение кислородного режима организма при физических нагрузках. 5) Снижение иммунобиологической резистентности. 6) Вестибуло-вегетативные расстройства. Все эти сдвиги, вызванные Н., - обратимы. Ускоренное восстановление нормальных функций может быть достигнуто с помощью физиотерапии и лечебной физкультуры, а также применением лекарственных препаратов. Неблагоприятное влияние Н. на организм человека в полёте можно предупредить или ограничить с помощью различных средств и методов (мышечная тренировка, электростимуляция мышц, отрицательное давление, приложенное к нижней половине тела, фармакологические и др. средства). В полёте продолжительностью около 2 месяцев (второй экипаж на американской станции «Скайлэб», 1973) высокий профилактический эффект был достигнут главным образом благодаря физической тренировке космонавтов. Работа высокой интенсивности, вызывавшая учащение пульса до 150-170 ударов в мин., выполнялась на велоэргометре в течение 1 часа в сутки. Восстановление функции кровообращения и дыхания наступало у космонавтов через 5 суток после приземления. Изменение обмена веществ, стато-кинетические и вестибулярные расстройства были выражены слабо.

Эффективным средством, вероятно, явится создание на борту космического аппарата искусственной «тяжести», которую можно получить, например, выполняя станцию в виде большого вращающегося (т. е. движущегося не поступательно) колеса и располагая рабочие помещения на его «ободе». Вследствие вращения «обода» тела в нём будут прижиматься к его боковой поверхности, которая будет играть роль «пола», а реакция «пола», приложенная к поверхностям тел, и будет создавать искусственную «тяжесть». Создание на космических кораблях даже небольшой искусственной «тяжести» может обеспечить предупреждение неблагоприятного влияния Н. на организм животных и человека.

Для решения ряда теоретических и практических задач космической медицины широко применяют лабораторные методы моделирования Н., в том числе ограничение мышечной активности, лишение человека привычной опоры по вертикальной оси тела, снижение гидростатического давления крови, что достигается пребыванием человека в горизонтальном положении или под углом (голова ниже ног), длительным непрерывным постельным режимом или погружением человека на несколько часов или суток в жидкую (так называемую иммерсионную) среду.

Лит.: Какурин Л. И., Катковский Б. С., Некоторые физиологические аспекты длительной невесомости, в кн.: Итоги науки. Серия Биология, в. 8, М., 1966; Медико-биологические исследования в невесомости, М., 1968; Физиология в космосе, пер. с англ., М., 1972.

С. М. Тарг, Е. Ф. Рязанов, Л. И. Какурин.

Что такое невесомость? Парящие чашки, возможность летать и ходить по потолку, с легкостью перемещать даже самые массивные предметы — таково романтическое представление об этом физическом понятии.

Если спросить космонавта, что такое невесомость, он поведает, как сложно бывает в первую неделю на борту станции и как долго по возвращении приходится восстанавливаться, привыкая к условиям земного притяжения. Физик же, скорее всего, опустит подобные нюансы и с математической точностью раскроет понятие при помощи формул и цифр.

Определение

Начнем наше знакомство с явлением с раскрытия научной сути вопроса. Невесомость физика определяет как такое состояние тела, когда его движение или же внешние силы, воздействующие на него, не приводят к взаимному давлению частиц друг на друга. Последнее возникает всегда на нашей планете, когда какой-либо предмет перемещается или покоится: на него давит сила тяжести и противоположно направленная реакция поверхности, на которой объект расположен.

Исключение из этого правила — случаи то есть падения со скоростью, которое придает телу сила тяжести. В таком процессе отсутствует давление частиц друг на друга, появляется невесомость. Физика говорит, что на таком же принципе основано состояние, возникающее в космических кораблях и иногда в самолетах. Невесомость появляется в этих аппаратах, когда они движутся с постоянной скоростью в любом направлении и при этом находятся в состоянии свободного падения. Искусственный спутник или доставляется на орбиту при помощи ракеты-носителя. Она придает им определенную скорость, которая сохраняется после выключения аппаратом собственных двигателей. Корабль при этом начинает перемещаться только под действием силы тяжести и возникает невесомость.

Дома

Последствия полетов для астронавтов этим не ограничиваются. После возвращения на Землю им приходится в течение некоторого времени адаптироваться обратно к силе тяжести. Что такое невесомость для космонавта, завершившего полет? Прежде всего это привычка. Сознание еще какой-то период отказывается принять факт наличия силы тяжести. В результате нередки случаи, когда космонавт вместо того, чтобы поставить чашку на стол, просто отпускал ее и осознавал ошибку, только услышав звон разбитой об пол посуды.

Питание

Одна из непростых и одновременно интересных задач для организаторов пилотируемых полетов — обеспечение космонавтов легко усваиваемой организмом под воздействием невесомости едой в удобной форме. Первые опыты не вызывали особого энтузиазма среди членов экипажей. Показателен в этом плане случай, когда американский астронавт Джон Янг вопреки строгим запретам пронес на борт сэндвич, есть который, правда, не стали, чтобы не нарушать устав еще больше.

На сегодняшний день с разнообразием на проблем нет. Перечень блюд, доступных для российских космонавтов, насчитывает 250 пунктов. Иногда грузовой корабль, стартующий к станции, доставляет свежее блюдо, заказанное кем-то из команды.

Основу рациона составляют Все жидкие блюда, напитки, а также пюре упаковываются в алюминиевые тубы. Тара и оболочка продуктов продумывается таким образом, чтобы избежать появления крошек, парящих в невесомости и могущих попасть кому-то в глаз. Например, печенье делается достаточно маленьким и покрытым оболочкой, тающей во рту.

Знакомая обстановка

На станциях, подобных МКС, все условия стараются довести до привычных земных. Это и национальные блюда в меню, и необходимое как для функционирования организма, так и для нормальной работы аппаратуры движение воздуха, и даже обозначение пола и потолка. Последнее имеет, скорее, психологическую значимость. Космонавту в невесомости все равно, в каком положении работать, однако выделение условного пола и потолка снижает риск потери ориентации и способствует более быстрой адаптации.

Невесомость — одна из тех причин, почему в космонавты берут далеко не всех. Адаптация по прибытии на станцию и после возвращения на Землю сравнима с акклиматизацией, усиленной в несколько раз. Человек со слабым здоровьем такой нагрузки может не выдержать.

О том факте, что в Космосе наблюдается невесомость, сегодня знает, пожалуй, даже маленький ребенок. Такому широкому распространению данного факта послужили многочисленные фантастические фильмы про Космос. Однако в действительности, почему в Космосе невесомость, знают немногие, и сегодня мы постараемся дать объяснение данному явлению.

Ошибочные гипотезы

Большинство людей, услышав вопрос о происхождении невесомости, легко дадут на него ответ, сказав, что такое состояние испытывается в Космосе по той причине, что сила притяжения там не действует на тела. И это будет в корне неверный ответ, поскольку в Космосе сила притяжения действует, и именно она удерживает все космические тела на своих местах, включая Землю и Луну, Марс и Венеру, которые неизбежно вращаются вокруг нашего естественного светила – Солнца.

Услышав, что ответ неверный, люди наверняка достанут из рукава другой козырь – отсутствие атмосферы, полный вакуум, наблюдаемый в Космосе. Однако и этот ответ не будет верным.

Почему в Космосе невесомость

Дело в том, что та невесомость, которую испытывают на себе космонавты, находящиеся на МКС, возникает по причине целой совокупности всевозможных факторов.

Причиной тому является то, что МКС вращается вокруг Земли по орбите с огромной скоростью, превышающей 28 тысяч километров в час. Такая скорость влияет на тот факт, что астронавтами на станции перестает ощущаться Земное притяжение, и относительно корабля создается ощущение невесомости. Все это и приводит к тому, что космонавты начинают передвигаться по станции именно так, как мы это видим в фантастических фильмах.

Как симулируют невесомость на Земле

Интересно, что состояние невесомости можно искусственно воссоздать в пределах Земной атмосферы, чем, кстати, успешно занимаются специалисты из НАСА.

На балансе NASA присутствует такое летательное средство, как Vomit Comet. Это вполне обычный аэроплан, который используется для тренировки астронавтов. Именно он способен воссоздавать условия пребывания в состоянии невесомости.

Сам процесс воссоздания подобных условий выглядит следующим образом:

1. Аэроплан резко набирает высоту, двигаясь по заранее запланированной параболической траектории.
2. Достигая верхней точки условной параболы, аэроплан начинает резкое движение вниз.
3. За счет резкого изменения траектории движения, а также устремления летательного аппарата вниз, все пребывающие на борту люди начинают находиться в условиях невесомости.
4. Достигая определенной точки снижения, аэроплан выравнивает свою траекторию, и повторяет процедуру полета, либо же садится на поверхность Земли.

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие притяжения Землёй давит на неподвижную (относительно Земли) горизонтальную подставку или натягивает нить подвеса. Вес тела равен силе тяжести.

Поскольку опора или подвес в свою очередь действуют на тело, то характерный признак весомости - наличие в теле деформаций, вызванных его взаимодействием с опорой или подвесом.

При свободном падении тел деформации в них отсутствуют, тела в этом случае находятся в состоянии невесомости . На рисунке изображена установка, с помощью которой можно это обнаружить. Установка состоит из пружинных весов, к которым подвешен груз. Вся установка может двигаться по направляющим вниз и вверх.

Если весы с грузом свободно падают, то указатель весов стоит на нуле, значит, пружина весов при этом не деформирована.

Разберём это явление, пользуясь законами движения. Допустим, что груз, подвешенный на пружине, движется вниз с ускорением а. На основании второго закона Ньютона мы можем сказать, что на него действует сила, которая равна разности сил Р и F, где Р - сила тяжести, a F - сила упругости пружины, приложенные к грузу. Итак,

ma = Р - F или ma = mg - F

F = m (g - a)

При свободном падении груза а = g и, следовательно,

F - m (g - а) = 0

Это указывает на отсутствие в пружине (и в грузе) упругих деформаций.

Состояние невесомости имеет место не только при свободном падении, но и при любом свободном полёте тела, когда на него действует только одна сила тяжести. В этом случае частицы тела не действуют на опору или подвес и не получают под влиянием тяготения к Земле ускорения относительно этой опоры или подвеса.

Если установку, изображённую на рисунке, резким рывком за верёвку заставить свободно двигаться вверх, то указатель весов при таком движении будет стоять на нуле. И в этом случае весы и груз, двигаясь вверх с одинаковым ускорением, не взаимодействуют друг с другом.

Итак, если на тела действует лишь одна сила тяжести, то они находятся в состоянии невесомости, характерный признак которого - отсутствие у них деформаций и внутренних напряжений.

Состояние невесомости не следует смешивать с состоянием тела, находящегося под действием уравновешенных сил. Так, если тело находится внутри жидкости, вес которой в объёме тела равен весу тела, то сила тяжести уравновешивается выталкивающей силой, Но тело будет давить на жидкость (как на опору), вследствие чего напряжения, вызванные в нём силой тяжести, не исчезнут, а значит, оно не будет находиться в состоянии невесомости.

Рассмотрим теперь невесомость тел на искусственных спутниках Земли. При свободном полёте спутника по орбите вокруг Земли сам спутник и все тела, находящиеся на нём, в системе отсчёта, связанной с центром массы Земли или с «неподвижными» звёздами, движутся с одинаковым в каждый данный момент времени ускорением. Величина этого ускорения определяется действующими на них силами тяготения к Земле (силы тяготения к другим космическим телам можно не учитывать, они очень малы). От массы тела, как мы видели, это ускорение не зависит. При этих условиях между спутником и всеми находящимися на нём телами (а также и между их частицами), взаимодействия, обусловленного тяготением к Земле, не будет. Это значит, что при свободном полёте спутника все находящиеся в нём тела будут в состоянии невесомости.

Не закреплённые в корабле-спутнике тела, сам космонавт свободно парят внутри спутника; жидкость, налитая в сосуд, не давит на дно и стенки сосуда, поэтому она не вытекает через отверстие в сосуде; отвесы (и маятники) покоятся в любом положении, в котором их остановили.

Космонавту, чтобы удержать руку или ногу в наклонном положении, не требуется никакого усилия. У него исчезает представление о том, где «верх» и где «низ».

Если сообщить какому-нибудь телу скорость относительно кабины спутника, то оно будет двигаться прямолинейно и равномерно, пока не столкнётся с другими телами.

Чтобы ликвидировать возможные опасные последствия действия состояния невесомости на жизнедеятельность живых организмов, и прежде всего человека, учёные разрабатывают различные способы создания искусственной «тяжести», например путём придания, будущим межпланетным станциям вращательного движения вокруг центра тяжести. Сила упругости стенок будет создавать необходимое центростремительное ускорение , и вызывать деформации в соприкасающихся с ними телах, подобные тем, которые они имели в условиях Земли.

Весом тела Р называют силу с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или растягивает нить подвеса . Вес тела не следует путать с его массой. Масса измеряется в килограммах, а вес как и любая сила в ньютонах. Масса это скалярная величина (не имеет направления), вес – векторная(имеет направление).

Вес тела численно равен силе тяжести, если оно находится на покоящейся относительно Земли опоре или подвешено на нити, неподвижной относительно Земли (т.е в инерциальной системе отсчёта). Если же опора или подвес вместе с телом будут ускоренно двигаться вверх или вниз, то вес тела будет отличаться от силы тяжести, т.е. Р≠ mg.

Силу N, действующую на данное тело со стороны опоры перпендикулярно к его поверхности, называют силой нормальной реакции опоры .

Если тело лежит на непод­вижной опоре, то на него действуют две силы: сила реакции опоры и сила тяжести (рис. 2.5).

На основании второго закона Ньютона , а так как тело покоится, то его ускорение . Следовательно, и . Значит модули этих сил равны: N=mg. Вес тела Р - это сила, противодейст­вующая, согласно третьему закону Ньютона, силе нормального давле­ния N. Тогда N=P и P = mg.

Если же опора или подвес вместе с телом будут ускоренно двигаться вверх или вниз, то вес тела будет отличаться от силы тяжести.

Рассмотрим три случая.

· Если опора или подвес вместе с телом будут двигаться вверх равноускоренно или

вниз равнозамедленно (ускорение в обоих случаях направлено вверх, а> 0), то

P = m (g+а ),

т.е. вес тела больше силы тяжести Р > mg. Состояние тела, при котором его вес превышает силу тяжести, называют перегрузкой .

Количественно перегрузку характеризуют отношением , которое обозначают буквой n и называют коэффициентом перегрузки .

Чем меньше время действия перегрузки, тем большую по величине перегрузку способен выдержать человек. Так, установлено, что человек находясь в вертикальном положении, достаточно хорошо переносит перегрузки от 8g за 3с до 5g за 12-15 с. При мгновенном действии, когда они длятся менее 0,1 с, человек способен переносить двадцатикратные и даже большие перегрузки.

На участке разгона ракеты-носителя коэффициент перегрузки составляет несколько единиц.

· Если опора или подвес вместе с телом будут двигаться вниз равноускоренно или вверх равнозамедленно (ускорение в обоих случаях направлено вниз, а< 0), то

P = m (g-а ),

т.е. вес тела меньше силы тяжести Р < mg.

· При а = g. P =0, т.е. тело не давит на опору. Состояние тела, при котором его вес равен нулю, называют невесомостью .

В состоянии невесомости находится любое свободно падающее тело. Чтобы испытать это состояние, достаточно совершить простой прыжок. После выключения двигателей, когда космический корабль выходит на орбиту вокруг Земли, его ускорение становится равным ускорению свободного падения, и космонавт в орбитальной космической станции будет находиться в состоянии равновесия.

Каждое находящееся на Земле тело массой m притягивается к Земле под действием силы тяготения, направленной к центру ее и равной

(M - масса Земли, R - расстояние от тела до ее центра (вблизи поверх­ности Земли это расстояние прибли­зительно равно ее радиусу R 3).

Если это тело лежит на неподвижной опоре, то на него действует две силы: сила реакции опоры N и сила тяготения F. Эти две силы дают равнодействующую силу F n , направленную перпендикулярно оси враще­ния (рис. 1.17):

Равнодействующая сила F n , согласно второму закону Ньютона, вы­зывает нормальное (центростремительное) ускорение ,т.е.

Учитывая, что υ= ωr, находим

Следовательно, F n , имеет максимальное значение на экваторе и F n =0 на полюсах. Поэтому во всех точках земной поверхности, кроме полюсов вес тела Р меньше силы тяготения F. Однако в ряде практических задач можно пренебречь суточным вращением Земли и считать, что вес тела Р равен силе тяготения.