Что такое невесомость, интересные факты и как испытать чувство невесомости

Методы имитации для изучения

Большинство общепринятых методов имитации невесомости воспроизводит давление крови, функциональные и другие сдвиги, которые возникают в этом состоянии.

Для имитации вестибулярных нарушений, развивающихся в условиях невесомости, используется калориметрическая проба (раздражение внутреннего уха теплой водой) и кресло для исследования вестибулярного аппарата с вращением испытуемого.

При вращении человека на кресле  возникает конвекция жидкости в полукружных каналах уха, что обычно вызывает нистагм (непроизвольное колебание глаз) и нередко вестибулярные нарушения.

При проведении теста астронавта в кресле на борту космического корабля «Шаттл» (США) также проявился нистагм. Этот результат не соответствовал научным ожиданиям, так как давно предложенная для объяснения вестибулярных нарушений теория была основана на рецепторах внутреннего уха, что возможно только в условиях гравитации. В отсутствие последнего метод не должен, казалось бы, работать. Авторы эксперимента полагают, что теория для объяснения вестибулярных нарушений должна быть пересмотрена.

Это является еще одним убедительным примером того, как знания, добытые в космических просторах, позволяют по-новому подходить к тайнам, лежащим в «нас самих». Так или иначе, изложенное выше наблюдение заслуживает внимания и подтверждения. Можно лишь предположить, что при вращении кресла может возникать так называемая искусственная гравитация, и тогда все остается на «прежних местах».

Вопрос имитации физиологических эффектов, свойственных состоянию невесомости на Земле, является базисным для космической медицины.

Целесообразность изучения эффектов состояния невесомости в земных условиях продиктована трудностями комплексных исследований в космическом полете, необходимостью тщательного подбора космонавтов и изучения тех изменений, которые могут наблюдаться во время космических полетов.

Методы измерения

Сила тяжести измеряется динамическим и статическим методами. Первый метод основан на изучении поведения тел под воздействием чего-либо, изменяющего их движение. Для этого используется колебание маятника или другого прибора, имеющего груз на конце, свободное падение тела и т. п. При втором методе сила тяжести измеряется путём изучения поведения тела в состоянии покоя и при нарушении его равновесия, которое приводит к изменению в линейном или угловом коэффициенте. Полученные числа могут быть как абсолютными, так и относительными. Абсолютное значение выражается в конкретной цифре, определяющей силу тяготения в заданной точке, а относительное – путём разницы между силой тяжести и другим, изначально данным числом. Динамические вычисления выражаются как абсолютной, так и относительной цифрой, а статические – только относительной.

Применение закона всемирного тяготения в астрономии

Закон всемирного тяготения астрономия трактует точно так же, как и другие разделы физики, однако эта наука применяет его с более глубоким пониманием, чем просто притяжение двух объектов. Вывод Ньютона объяснил астрономам и учёным причину замкнутости орбит планет и окончательно разрушил представления о совершенных и несовершенных траекториях, царивших со времён Аристотеля, тем самым изменив вектор развития науки в сторону прогрессивных взглядов.

Благодаря догадке о всемирном притяжении люди сумели понять причину морских приливов и отливов, а также сделать предсказания на будущее о координатах расположения любой из планет Солнечной системы.

Одним из важнейших научных успехов, основанных на законе Ньютона, стало открытие Нептуна, его до последнего нельзя было увидеть в телескоп.

Какова микрогравитация на вкус?

Когда вы впервые окажетесь в состоянии невесомости, вы почувствуете следующее:

— тошнота;

— дезориентация;

— головная боль;

— потеря аппетита;

— запор;

— еще кое-что…

Чем дольше вы будете оставаться в условиях микрогравитации, тем слабее будут ваши мышцы и кости. Эти ощущения будут вызваны различными изменениями в системах вашего организма. Давайте подробно рассмотрим, как тело реагирует на невесомость.

Космическая болезнь

Тошнота и дезориентация, которая на вкус как сосущее чувство в желудке, когда автомобиль «летит» вниз по трассе или вас подхватывает на карусели. Только на борту корабля это чувство будет длиться несколько дней. Это чувство космической болезни, слабость моторики, когда ваш мозг получает противоречивую информацию от вестибулярных органов, расположенных в вашем внутреннем ухе. Ваши глаза видят, куда двигаться вверх и вниз в корабле, но ваша вестибулярная система полагается на силу тяжести, определяя направления, что не работает в невесомости. Поэтому ваши глаза могут говорить мозгу, что вы движетесь сверху вниз, но мозг этого не поймет. Это вызывает дезориентацию и тошноту, что может привести к потере аппетита и рвоте. К счастью, спустя несколько дней мозг адаптируется и начнет реагировать исключительно на визуальные сигналы. Таблетки тоже помогут.

Одутловатое лицо и куриные лапки

В условиях микрогравитации ваше лицо будет одутловатым, а пазухи — перегруженными, что вызовет головную боль и нарушение моторики. На Земле это можно почувствовать, если стоять вверх ногами — кровь приливает к голове.

На Земле гравитация притягивает вашу кровь, в результате чего значительные ее объемы скапливаются в венах ног. Как только вы окажетесь в условиях микрогравитации, кровь сдвинется из ваших ног в грудь и голову. Лицо опухнет, а ноги, наоборот, уменьшатся в размерах.

Когда кровь переходит в грудь, сердце увеличивается в размерах и качает больше крови с каждым ударом. Почки отвечают на этот увеличенный кровоток производством большего количества мочи, будто вы выпили большой стакан воды. Кроме того, увеличение кровотока снижает уровень секреции гипофизом антидиуретического гормона (АДГ), что уменьшает жажду. Вы не будете хотеть пить столько же воды, сколько на Земле. В совокупности эти два фактора помогут вашей груди и голове избавиться от лишней жидкости за несколько дней, а поток жидкости вашего тела нормализуется (для космических условий). По возвращении на Землю, вы будете больше пить и чувствовать усталость, но это пройдет.

Космическая анемия

По мере того, как ваши почки выводят лишнюю жидкость, они также уменьшают секрецию эритропоэтина — гормона, стимулирующего производство красных кровяных тел клетками костного мозга. Снижение производства красных кровяных клеток сопровождается уменьшением объема плазмы, поэтому гематокрит (процент объема крови, занимаемого красными кровяными телами) такой же, как на Земле. По возвращении на Землю, ваш уровень эритропоэтина будет расти, так же как и количество красных кровяных тел.

Слабые мышцы

Когда вы находитесь в условиях микрогравитации, ваше тело принимает позу «зародыша»: вы немного сгибаетесь, ваши руки и ноги также принимают полусогнутое состояние. В таком положении вы не используете многие мышцы, особенно те, которые помогают вам поддерживать осанку (антигравитационные мышцы). По мере пребывания на борту МКС, ваши мышцы меняются. Их масса уменьшается, что приводит к «куриным лапкам». Ваше тело больше не нуждается в мышцах, которые медленно сокращаются, вроде тех, что используются в положении стоя. Нужны быстро сокращающиеся волокна, чтобы быстрее передвигаться по станции. Чем больше вы остаетесь на МКС, тем меньше у вас будет мышечной массы. Потеря мышечной массы ослабляет вас, и это, между прочим, является серьезной проблемой для длительных полетов, особенно после возвращения на Землю.

Остеопсатироз

На Земле ваши кости поддерживают вес вашего тела. Размер и масса костей тщательно сбалансированы. В условиях микрогравитации вашим костям больше не нужно поддерживать ваше тело, поэтому все ваши кости, особенно несущие, в районе бедер, ляжек и нижней части спины, используются меньше, чем на Земле. Размер и масса костей в невесомости уменьшаются примерно на 1% в месяц. В результате по возвращении на Землю они просто могут разрушиться. Неизвестно, каков процент восстанавливаемых костей после возвращения на Землю, но он точно не равен 100. Именно эта проблема вносит ограничения на время пребывания в космосе.

В дополнение к слабым костям, концентрация кальция в крови приводит к болезни почек, которым нужно этот избыточный кальций выводить. Могут образоваться камни в почках.

Состав

Оценим время полета

Теперь остановимся на вопросе о времени полета, который так заинтересовал нашего Бизнесмена. Теоретически это время можно сделать почти любым: от нескольких секунд до нескольких лет. Всё зависит, с одной стороны, от возможностей ракетного двигателя, а с другой стороны, от предельно допустимых перегрузок космонавтов.

Сделаем небольшой оценочный расчет для времени движения по маршруту «Земля—Луна» в комфортных условиях. Расстояние от Земли до Луны — примерно 384 400 км. Допустим, мы будем разгонять нашу ракету на старте с ускорением 4 м/c2 (это совсем небольшая перегрузка: вес каждого пассажира на старте увеличится всего на 40%). Тогда для разгона до скорости 10 км в секунду нам понадобится всего 42 минуты. Затем в течение примерно 9 часов последует полет с постоянной скоростью и еще примерно 40 мин на торможение с таким же ускорением (для более точного расчета надо еще учитывать скорость движения Луны по орбите вокруг Земли).

Общее время на это увлекательное путешествие составит около 11 часов — примерно столько же, сколько требуется на беспосадочный перелет по маршруту «Москва — Владивосток» на самолете Ил-86!

Консерватизм и фингеринг

Так почему же секс в космосе не практикуется активно? Всё дело в ограниченном пространстве и невесомости, которая доставляет немало хлопот.

В космическом корабле не так много укромных мест. Всё, что есть в распоряжении космонавтов, — кабина экипажа, средняя палуба размером с маленький офис и туалет в виде сиденья с занавеской. На космической станции больше пространства. Например, там есть каюты для сна, но в них сложно уместиться двум взрослым людям. К тому же миссии действительно расписаны по минутам. Астронавты работают по 8–10 часов, а для хобби (пения, игры на гитаре или чтения книг) у них остается 60 минут вечером и один выходной.

Кроме того, следует учитывать некоторые психофизиологические нюансы. Например, возможны сложности с эрекцией: из-за невесомости кровь не циркулирует как обычно, а равномерно распределяется по телу, а еще у мужчин-астронавтов невысокий уровень тестостерона. У женщин, кстати, этот процесс тоже может быть затруднен опять-таки по причине пониженного кровяного давления.

Еще одна сложность — поддержание генитального контакта.

Сила поверхностного натяжения жидкости

На Земле жидкость обычно течёт вниз.  В этом нет ничего удивительного. Все к этому привыкли.

А теперь представьте себе, что обычная вода летает, как мыльные пузыри, по комнате. Необычно? Но то что необычно на Земле, становится обычным явлением на её орбите. Происходит это из-за того, что в космосе в поведении жидкостей доминирует не гравитация планеты, а сила поверхностного натяжения. Образно говоря, жидкость, “предоставленная самой себе” в космосе, сразу же принимает форму с минимальной поверхностью, то есть форму шара.

Вода в невесомости ведет себя непривычно с земной точки зрения и собирается в аккуратные шарики

Как?[править]

Хочешь земную силу тяжести — например тащи в космос груз массой с Землю. Даже если удастся сделать его достаточно компактным — это же надо разгонять (и тормозить)! Так что, чтобы создать искусственную гравитацию, нужно с помощью некоего флеботинума научиться получать гравитационную массу отдельно от инерционной — так, чтобы взаимодействовала с массой других тел, притягивая их, но при этом не влияла на импульс корабля. Для этого нужно, чтобы инерционная и гравитационная масса в сеттинге были принципиально разными явлениями (в нашей вселенной учёные до сих пор спорят, это просто два проявления одного и того же, или по счастливой случайности где-то в суперструнах они равны при нормальных условиях, но их можно как-то разделить; автор этой правки слышал об экспериментах, подтверждавших последнюю точку зрения).

Роль для жизни на Земле

Сила тяжести действует на все окружающие нас предметы:

• всё, что мы подбрасываем вверх, в результате падает на землю;
• спутник не улетает в открытый космос, а вращается вместе с планетой;
• горные реки текут вниз; их движение невозможно повернуть вспять;
• атмосфера вокруг Земли также удерживается притяжением;
• осадки падают вниз, а не поднимаются в космос;
• сила тяжести способствует образованию скелета у живых организмов.

Для возникновения жизни на Земле непременным условием является период вращения планеты вокруг своей оси, который составляет 23 часа 56 минут 4,1 секунды. Если бы Земля вращалась в 17 раз быстрее, то никакая сила тяжести не смогла бы удержать на месте воздух и воду. Все моря и океаны улетели бы в космос, а люди смогли бы существовать только на экваторе, потому что это самая удалённая от земной оси часть планеты. Учёные считают, что человечество не сможет жить на космических объектах, притяжение на которых в три раза сильнее, чем на Земле. Эта сила просто расплющит тело и раздавит все внутренние органы.

Как появился космический туризм

Первым непрофессионалом в космосе должна была стать американка Шэрон Крист Маколифф. Она победила в конкурсе «Учитель в космосе» и вошла в состав экипажа шаттла «Челленджер» в 1986 году. Однако Маколифф не суждено было стать первым космическим туристом: на 73 секунде полета у шаттла взорвался внешний топливный бак, что привело к разрушению корабля и гибели всей команды.

Первый успешный космический туристический полет состоялся в 2001 году. Тогда американец Деннис Тито совершил на неделю слетал на МКС за $20 млн. В следующем году российский корабль «Союз» доставил на МКС еще одного туриста — южноамериканского миллионера Марка Шаттлворта.

«Турагентством» в обоих случаях выступала компания, которая отправляет в космос частных лиц, финансирующих полет из собственных средств, — Space Adventures.

Профилактика последствий

Альтернативой длительной и трудной реабилитации после космической экспедиции в отсутствии силы тяжести является постоянная и настойчивая профилактика неблагоприятных изменений в организме.

На орбите экипаж постоянно поддерживает физическую форму

В космическом полёте, когда отсутствует сила тяжести и вес невесомость обнуляет, космонавты постоянно занимаются физическими упражнениями, причём часто под нагрузкой. Например, пользуются бегущей дорожкой, будучи притянутыми к ней упругими резиновыми элементами, укрепленными на поясе.

Работа с эспандером хорошо укрепляет мышцы рук и плечевого пояса. Для укрепления мышц спины также используют упругие элементы, работающие на растяжение. Все эти упражнения способствуют укреплению сердечно-сосудистой системы, что тоже является очень хорошей профилактикой последствий длительного воздействия нулевой силы тяжести. Специально подобранный рацион обеспечивает необходимую перистальтику желудочно-кишечного тракта.

В длительном полете невесомость значение приобретает очень важное, но космонавты летают в отсутствие силы тяжести все дольше и дольше. В космосе космическая экспедиция может провести много месяцев

Рекордсмен по этой части – россиянин Валерий Поляков. Его полет проходил в 1994 и 1995 году. Поляков провел на станции «Мир» 438 суток. Это более 62 недель, более 14 месяцев. Нет предела совершенству!

Характеристики тел на других планетах Солнечной системы

Взаимное притяжение тел друг к другу, а именно спутников и планет, вокруг которых они вращаются, может помочь в определении ускорения свободного падения на любой планете Солнечной системы

Важно только знать массу и радиус исследуемого объекта и подставить их в формулу:. формула расчета ускорения свободного падения

формула расчета ускорения свободного падения

,

где G  – гравитационная постоянная,

M и  R – масса и радиус планеты.

Для более ясного понимания, результаты проще вывести в отношении к ускорению на Земле:

Таким образом, масса тела, допустим, автомобиля, конечно же, не изменится, если доставить его в любую точку Вселенной. Однако простому человеку поднять его будет гораздо проще на Плутоне, чем на Земле, и совсем невозможно на Юпитере

Несмотря на дату открытия, закон всемирного тяготения астрономия активно использует и сейчас, предоставив ему статус одного из важнейших постулатов в этой научной области. Его применение позволяет объяснить множество явлений: от обычных, земных, до более глобальных, включающих в себя всю Вселенную.

Движение Луны и земное притяжение

Из истории открытия закона известно, что Исаак Ньютон в своём исследовании опирался на движение Луны вокруг Земли. Связав силу тяжести, вынуждающую все незакреплённые объекты падать вниз, и неизвестную к тому моменту силу, удерживающую Луну на её орбите, учёный понял, что это одно и то же явление. Если бы притяжение не действовало на спутник, то он давным-давно свернул бы со своей наблюдаемой траектории и пролетел по касательной к ней в глубины космоса.

движение луны по орбите

Такое утверждение легко доказать на схематическом рисунке, приведённом выше. Пусть  – начальное положение Луны. Если бы на неё не действовала центростремительная сила, исходящая от Земли, то через некоторый промежуток времени спутник бы занял положение , однако наблюдение показывает, что небесное тело при движении приходит в точку , а после в  и так далее, что доказывает наличие притяжения.

Выводом своего закона Ньютон показал зависимость земного тяготения от квадрата расстояния. Так, на поверхности нашей планеты камень обладает ускорением свободного падения  м/с. Если же этот самый камень поместить на орбиту Луны, то он будет падать на Землю с ускорением  м/с.

Движение небесных тел и определение их масс

Закон всемирного тяготения астрономия использует для определения траектории движения планет и других астрономических тел. Он подчиняет себе не только вращение спутников вокруг их планет, но и движение последних вокруг звёзд и так далее.

вращение вселенной

Ещё Кеплер заметил, что планеты движутся по круговым и эллиптическим орбитам. Математически Ньютон подтвердил, что траектории также могут быть параболическими и гиперболическими. Кроме этого, уточняя кеплеровские законы (читай, вывод закона всемирного тяготения из законов Кеплера), учёный преобразовал его третий постулат, определяя, что период обращения зависит не только от геометрических характеристик орбиты, но и от массы исследуемых тел. Что позволило определять массы астрономических объектов, если известен путь друг от друга, а также период обращения.

Видео о законах Кеплера:

Один из приближённых вариантов измерения массы Земли состоит в следующем. Допустим, есть отвес, который по закону притягивается горой, при этом её масса и расстоянии до отвеса численно известны. Измеряя отклонение отвеса, можно измерить массу нашей планеты. Математически этот угол находится в зависимости от отношения масс планеты и горы, а также от отношения пути от центров Земли и горы.

Интересный факт: масса Солнца в 750 раз превышает сумму масс всех планет Солнечной системы.

Закон всемирного тяготения. Примеры из жизни

«Бюджетные полеты» в невесомости

В мире есть несколько проектов, которые на коммерческой основе предлагают туристические полеты с 2004 года на специальных самолетах во Франции, США и России — Airbus A300 Zero-G, Boeing 727 G-Force One и Ил-76 MKД. Невесомость достигается с помощью пилотажных маневров, их называют «параболы». Специально обученные пилоты выполняют пилотажные параболы и пассажиры испытывают настоящую невесомость.

Перед началом параболы самолет летит горизонтально на высоте 7,3 км. Пилот начинает направлять судно вверх, постепенно увеличивая угол наклона до 45 градусов, до высоты 9,7 км. Во время такого подъема пассажиры чувствуют тягу в 1,8 Гс. Затем самолет «отталкивается», чтобы создать невесомый сегмент параболы. В течение следующих 20-30 секунд в самолете — невесомость. Затем начинается плавный сегмент, который позволяет пассажирам стабилизироваться на полу самолета. Этот маневр повторяется 13-15 раз, каждый из которых занимает около 16 км для выполнения. В самолетах нет иллюминаторов, поэтому пассажиры не могут понять, что самолет меняет углы полета.

Так выглядит «бюджетный» космический туризм

(Фото: Air Zero G)

Для такого полета в невесомости у желающих не должно быть синусита, астмы, гипертензии, недавних операций на сердце. В процессе полета также не рекомендуется трясти головой — надо смотреть только вперед, иначе вас стошнит.

В дополнение к невесомости все компании включают в туры параболы, разработанные, чтобы почувствовать лунную гравитацию (одна шестая человеческого веса) и марсианскую гравитацию (одна треть человеческого веса). Это создается за счет более длинного пролета дуги на вершине параболы.

Различия в поведении жидкости в космосе и на Земле

• На Земле: поведение жидкостей определяется действием силы тяжести. В космосе: жидкостями управляет сила поверхностного натяжения.
• На Земле: можно легко разделить капельку жидкость шарообразной формы. В космосе: для этого придется приложить немалые усилия.
• На Земле: несмачиваемые жидкости не смачивают поверхность. В космосе: достаточно небольшого прикосновения несмачиваемой жидкости для того, чтобы смочить поверхность.
• На Земле: если встряхнуть бутылку с какое-либо жидкостью, то жидкость вернется в исходное состояние. В космосе: водяные шарики могут вести себя как “упругие мячики”, неоднократно отскакивая от той же жидкости, из которой они состоят.

Итак, надеюсь вы смогли ознакомиться и понять разницу в поведении жидкостей в пределах Земли и в космосе.

Зачем?[править]

Ватсонианский обоснуйправить

Во-первых, даже при постоянной нагрузке мышцы космонавта за недели и месяцы в невесомости теряют тонус, и известны случаи, когда космонавтов из спускаемого аппарата выносили на руках (а потом для прессы снимали постановочное видео, как они выходят оттуда твёрдым шагом, улыбаясь и помахивая публике)

Тем более это важно, если речь о том, чтобы в космосе не просто передвигаться, а жить.
Во-вторых, многое, обычное в мире на дне гравитационного колодца, выглядит в невесомости совершенно иначе. Например, жидкость нельзя хранить в открытых ёмкостях, а отсутствие конвекции делает банальное кипячение воды намного более сложным технически процессом

А уж что там приходится творить с сантехникой… Нет, тренированный человек с этим вполне может справиться, но, если нужно возить изнеженных планетных крыс, создание близких им условий окупится.

Дойлистские обоснуиправить

• Во многих жанрах космическая экзотика идёт повествованию во вред, если её слишком много. Расписывать, как именно старший лейтенант флота Её Величества фон Берн передвигается между отсеками и чистит зубы? Нет, кому-то это, конечно, интересно. Но для тех, кто жаждет от приключений старшего лейтенанта драмы и экшена, а всякие списки кораблей пропускает, поминая недобрым словом зануду-автора — не слишком. Так что просто вводим искусственную гравитацию, и всё ОК: ходит лейтенант, громко стуча по рифлёному полу каблуками подкованных сапог и пригибаясь в низких проёмах переборок, а зубы чистит тайно и в обход устава протащенной на борт пастой «Новая Саксония» взамен положенного «Индекса 3-2» с его отвратительным металлическим привкусом.
• В кино и сериалах (не говоря уж о театре, хотя, конечно, спектаклей, действие которых происходит на борту космического аппарата, не слишком много) невесомость — это спецэффект, дополнительные затраты бюджета и угроза получить спецдефект на выходе. Очевидный низкобюджетный флеботинум — искусственная гравитация, которую изобразить не стоит ни копейки.