Невесомость - точнее, микрогравитация, - это особое состояние за пределами земной (или какой-либо другой) гравитации, когда она практически не ощущается, и тело космонавта находится в состоянии непрекращаемого свободного падения. Невесомость можно испытать, например, в свободно падающем лифте или самолете (такие самолеты-акробаты используются для тренировок в искусственной невесомости), или на орбите Земли, на Международной космической станции. Длительное воздействие невесомости пагубно влияет на физическое состояние космонавтов, поэтому ученые изучают, как снизить уровень потери мышечной и костной массы в условиях микрогравитации, чтобы обезопасить будущих путешественников на Марс и дальше, за пределы Земли. Буквально полгода, проведенные на орбите, вызывают необратимые изменения в организме человека.
Длительное пребывание в условиях невесомости приводит к проблемам со здоровьем - это факт. Например, людям уже известно, что при полете на астронавты смогут испытать широкий спектр медицинских проблем, в числе которых есть атрофия мышц, недостаток кальция, ухудшение работы сердечно-легочной системы, нарушение зрения и даже ослабление иммунитета. Исследователи из мичиганской Больницы Генри Форда дополнили этот список еще одной проблемой - было доказано, что невесомость разрушает суставы, которые не восстанавливаются даже после возвращения на Землю.
НЕВЕСОМОСТЬ
- состояние, в к-ром находится
материальное тело, свободно движущееся в поле тяготения Земли (или любого др.
небесного тела) под действием только сил тяготения. Отличит. особенность состояния
H. в том, что при H. действующие на частицы тела внеш. силы (силы тяготения)
не вызывают взаимных давлений частиц тела друг на друга.
Когда тело покоится в поле тяготения Земли на
горизонтальной плоскости, на него действуют и численно равная ей,
но противоположно направленная сила - реакция плоскости. В результате в теле
возникают внутр. усилия в виде взаимных давлений частиц тела друг на друга.
Человеческий организм воспринимает такие внутр. усилия как привычное для него
состояние весомости. Появляются эти внутр. усилия за счёт действия реакции плоскости.
Реакция является силой поверхностной, т. е. силой, непосредственно действующей
на какую-то часть поверхности тела; другим же частицам тела действие этой силы
передаётся путём давления на них соседних частиц, что и вызывает в теле соответствующие
внутр. усилия. Аналогичные внутр. усилия возникают при действии на тело любых
др. поверхностных сил: силы тяги, силы сопротивления среды и т. п. Если поверхностная
сила численно больше силы тяжести, то соответственно больше и внутр. усилия,
что вызывает явление перегрузки и имеет, напр., место при старте ракеты.
Сила тяготения является силой массовой и, в отличие
от поверхностных сил, действует непосредственно на каждую из частиц тела. Поэтому,
когда на тело действуют только силы тяготения, они непосредственно сообщают
каждой из частиц тела одно и то же ускорение и эти частицы движутся как свободные,
не оказывая взаимных давлений друг на друга; тело находится в состоянии H.
Вообще состояние H. имеет место, когда: а) действующие
на тело внеш. 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, что при
движении в поле тяготения Земли практически имеет место, если размеры тела малы
по сравнению с радиусом Земли; в) нач. скорости всех частиц тела по модулю и
направлению одинаковы (тело движется поступательно).
Напр., космич. летат. аппарат (или ИСЗ) и все
находящиеся в нём тела, получив соответствующую нач. скорость, движутся под
действием сил тяготения вдоль своих орбит практически с одинаковыми ускорениями,
как свободные, и ни сами тела, ни их частицы взаимных давлений друг на друга
не оказывают, т. е. находятся в состоянии
H. При этом по отношению к кабине летат. аппарата находящееся в нём тело может
в любом месте оставаться в покое (свободно "висеть" в пространстве).
Хотя силы тяготения при Н. действуют на все частицы тела, но пет внеш. поверхностных
сил, к-рые могли бы вызывать взаимные давления частиц друг на друга. Отметим,
что внутр. усилия другой природы, вызванные не внеш. воздействиями, напр. молекулярные
силы, температурные , мускульные усилия в теле человека, могут иметь
место и в состоянии H.
H. может существенно влиять на ряд физ. явлений.
Напр., у жидкости, налитой в сосуд, силы межмолекулярного взаимодействия, малые
в "земных" условиях по сравнению с силами давления, обусловленными
весомостью, влияют только на форму мениска. При H. действие этих сил приводит
к тому, что смачивающая жидкость, помещённая в закрытый сосуд, равномерно распределяется
по стенкам сосуда, а воздух, если он есть, занимает среднюю часть сосуда, несмачивающая
же жидкость принимает в сосуде форму шара. Капли вылившейся из сосуда жидкости
тоже стягиваются в шарики.
Вследствие значит. отличия условий H. от "земных"
условий, в к-рых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты ИСЗ, космич. летат.
аппаратов и их ракет-носителей, проблема H. занимает важное место среди др.
проблем космонавтики. Так, в условиях H. непригодны приборы и устройства, в
к-рых используются физ. маятники или свободная подача жидкости и т. п. Учёт
H. становится особенно существенным для систем, имеющих ёмкости, частично заполненные
жидкостью, что, напр., имеет место в двигат. установках с жид-костно-реактивными
двигателями, рассчитанных на многократное включение при космич. полёте. Возникает
и ряд др. техн. проблем.
Особенно важно учитывать своеобразие условий
H. при полёте обитаемых космич. кораблей, т. к. условия жизни человека при H.
существенно отличаются от привычных, "земных" условий, что вызывает
изменения ряда его жизненных функций. Однако предварит. тренировка и профилактические
меры позволяют человеку долгое время пребывать и успешно работать в условиях
H.
Предполагается также, что при очень длит. полётах
на орбитальных (околоземных) или межпланетных станциях можно создавать искусств.
"тяжесть", располагая, напр., рабочие помещения в кабинах, вращающихся
вокруг центр. части станции. Тела в этих кабинах будут прижиматься к боковой
поверхности кабины, к-рая будет играть роль "пола", а реакция этого
"пола", приложенная к телам, и создаст искусств. "тяжесть".
В космосе невесомость - постоянное условие жизни и деятельности. Это резко отличает космос от среды, в которой обитает человечество. На Земле человек постоянно борется с силой тяжести, поэтому утрата собственного веса для него непривычна, а опыта пребывания человека в невесомости нет.
Да, эпизодически невесомость испытать можно: например, во время полетов на самолете, когда он попадает в «воздушные ямы» или резко теряет высоту. Ощущение невесомости хорошо знают парашютисты. Невесо́мость - состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой отсутствует.
В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т.д. Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов. Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки привычки и нужных навыков. Влияние невесомости учитывается в конструкции жидкостного ракетного двигателя, предназначенного для запуска в невесомости.
Как невесомость воздействует на человека
При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации . По симптомам это состояние похоже на морскую болезнь: снижение аппетита, головокружение, головная боль, усиление слюноотделения, тошнота, иногда встречается рвота, пространственные иллюзии. Все эти эффекты обычно проходят после 3-6 суток полёта. При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер: быстрое атрофирование мышц – мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате понижаются все физические характеристики организма; следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода; из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего гемоглобин; ограничение подвижности нарушает фосфорный обмен в костях, что приводит к снижению их прочности.
Человеческий организм, попав в условия невесомости, начинает перестраиваться. Человек худеет. Всё тело становится дряблым, как при долгом лежании в постели. Кости становятся хрупкими - они здесь не испытывают нагрузки. Мышцы работают мало. А от бездействия все органы слабеют. Похоже на то, как пролежавший в постели несколько месяцев человек заново учится ходить. Космонавты Николаев и Севастьянов после восемнадцати дней пребывания в невесомости вообще первое время не могли встать на ноги.
Чтобы уменьшить вредное действие невесомости, учёные придумали разные средства: они рекомендуют космонавтам побольше заниматься в космосе физкультурой, в основном с эспандерами. Создали для космонавтов особые нагрузочные костюмы «пингвин». В эти плотно облегающие костюмы вшиты резинки, стягивающие тело в клубочек. Чтобы в таком костюме держаться прямо, приходится всё время слегка напрягать мышцы. А это как раз и нужно, чтобы они не слабели.
Делают на орбитальных станциях и «бегущую дорожку». Чтобы не уплыть, космонавт пристёгивается эластичными тяжами. Они заменяют космонавту его вес, тянут за пояс и за плечи вниз к полу, прижимают к «дорожке». Она под космонавтом бежит назад. А он по ней бежит вперёд. Не все легко переносят невесомость, особенно в первый момент. Многим кажется, что их подвесили вниз головой. У некоторых наступает тошнота. Первые день – два космонавты обычно привыкают к невесомости.
Невесомость возникает при выходе космического корабля на орбиту. Но исчезновение веса нельзя путать с исчезновением гравитационного притяжения – например, на Международной космической станции (на высоте 350 км) оно только на 10% меньше, чем на Земле. Состояние невесомости на МКС возникает не из-за отсутствия гравитации, а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты как-бы постоянно «падают вперед» со скоростью 7,9 км/с.
Как тренируют космонавтов в невесомости на Земле
На Земле в экспериментальных целях можно создать кратковременное состояние невесомости (до 40 секунд) при полётах самолёта по параболической траектории. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз (нулевую перегрузку). Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа («провал в воздухе»). Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд «невесомости»; внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты. Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке. Но в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета гражданская авиация сбрасывает высоту постепенно, совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полета в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). Т.е. спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир только на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере, когда сопротивление воздуха ещё небольшое.
Мы живём в то время, когда полёты космических кораблей вокруг Земли, на Луну и на другие планеты Солнечной системы уже не вызывают удивления. Мы знаем, что во время полёта лётчики-космонавты и все предметы на космических кораблях находятся в особом состоянии, называемом состоянием невесомости. Что же это за состояние и можно ли его наблюдать на Земле? Невесомость – сложное физическое явление. Для того, чтобы в нём разобраться, необходимо вспомнить кое-что из курса физики.
Итак, под весом тела мы понимаем силу, с которой тело вследствие притяжения к Земле давит на опору.
А представьте себе, что опора и тело свободно падают. Ведь опора – это тоже тело, на которое действует сила тяжести. Каков в этом случае будет вес тела: с какой силой тело будет действовать на опору?
Проведём опыт. Возьмём небольшое тело и подвесим его к пружине, прикреплённой к неподвижной опоре. Под действием силы тяжести тело начинает двигаться вниз, поэтому пружина растягивается до тех пор, пока в ней не возникает сила упругости, которая уравновешивает силу тяжести. Если отрезать нить, удерживающую пружину с телом, пружина с телом упадут. Можно заметить, что во время падения растяжение пружины исчезает, и она приобретает свой исходный размер.
Что же получается? Когда пружина с телом падает, она остаётся нерастянутой. То есть, падающее тело не действует на падающую вместе с ним пружину. В этом случае вес тела равен нулю, но тело и пружина падают, значит, сила тяжести по прежнему действует на них действует.
Точно также если тело и подставка или опора, на которой лежит тело, будут свободно падать, то тело перестанет давить на подставку или опору. При этом вес тела будет равен нулю.
Подобные явления наблюдаются и на космических кораблях и спутниках. Спутник, вращающийся вокруг Земли, космонавт и все тела, которые находятся внутри спутника, находятся в непрерывном свободном падении (они как бы падают на Землю). В результате этого тела, во время падения не давят на опору и не растягивают пружину. Про такие тела говорят, что они находятся в состоянии невесомости («нет веса», вес равен нулю).
Не закреплённые в космическом корабле тела свободно «парят». Жидкость, налитая в сосуд, не давит на дно и стенки сосуда, поэтому она не вытекает через отверстие в сосуде. Маятники часов покоятся в любом положении, в котором их оставили. Космонавту, чтобы удержать руку или ногу в вытянутом положении, не требуется никаких усилий. 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.
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
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.