Вес и невесомость

Вес и невесомость

Совсем другое дело, когда тело ничего не весит. Все процессы в нем протекают иначе. Из-за отсутствия давления отолитов наступает нарушение ориентации в пространстве. Понятие «верх» и «низ» в космосе полностью исчезает. Вредит организму человека также отсутствие физической нагрузки. В таком состоянии мышечная ткань атрофируется, если не предпринимать никаких мер. С её деградацией страдает и костная ткань. При отсутствии нагрузки в кости тела поступает меньше фосфора.

Возникают сложности с питанием и глотанием жидкостей. Все жидкости при этом стремятся принять сферическую форму, что очень затрудняет повседневные вещи. Даже обычный насморк в условиях невесомости может оказаться очень тяжёлым испытанием для организма из-за того, что мокроты не выводятся под действием силы тяжести, а образуют сферические капли.

Для поддержания необходимого тонуса космонавты постоянно тренируются по несколько часов в день. При отходе ко сну привязывают себя специальными ремешками, чтобы не получить травму во время сна.

Для питания космонавтов разработана специальная пища в тюбиках и хлеб, который не крошится.

Прежде, чем длительное время испытывать невесомость, человек должен ощутить её действие на земле, чтобы выяснить, как в дальнейшем будет на него воздействовать отсутствие силы тяжести.

Невесомость на Земле

Основная статья: Моделирование невесомости

Траектория маневра для достижения невесомости

Астронавты Проекта Меркури на борту C-131 Samaritan, 1959

Питер Диамандис в состоянии невесомости на борту самолёта компании Zero Gravity

На Земле в экспериментальных целях создают кратковременное состояние невесомости (до 40 с) при полётах самолёта по баллистической траектории, то есть такой траектории, по которой летел бы самолёт под воздействием одной лишь силы земного притяжения. Эта траектория при небольших скоростях движения получается параболой (так называемой «параболой Кеплера»), из-за чего её иногда ошибочно называют «параболической». В общем случае траектория представляет собой эллипс или гиперболу.

Такие методы применяются для тренировки космонавтов в России и США. В кабине пилота на нитке подвешен шарик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолёт покоится, либо движется равномерно и прямолинейно). Отсутствие натяжения нити, на которой висит шарик, свидетельствует о невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, чтобы шарик висел в воздухе без натяжения нити. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение равное g и направленное вниз. Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа «провал в воздухе». Пилоты резко начинают набор высоты, выходя на «параболическую» траекторию, которая заканчивается таким же резким сбросом высоты. Внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она представляет собой полностью обитую мягким покрытием пассажирскую кабину без кресел, чтобы избежать травм как в моменты невесомости, так и в моменты перегрузок.

Подобное чувство невесомости (частичной) человек испытывает при полётах рейсами гражданской авиации во время посадки. Однако в целях безопасности полёта и из-за большой нагрузки на конструкцию самолёта, любой рейсовый самолёт сбрасывает высоту, совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полёта в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). То есть спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир на несколько секунд ощущает, что его немного отрывает от кресла вверх. Это же чувство испытывают и автомобилисты, знакомые с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз.

Утверждения, что самолёт для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа «петли Нестерова» — не более чем миф. Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных пассажирских или грузовых самолётах, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полёта являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному износу несущих конструкций.

Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере, когда сопротивление воздуха ещё невелико.

Существует несколько самолётов, способных проводить полёты с достижением состояния невесомости без вылета в космос. Технология используется как для тренировок космическими агентствами, так и для коммерческих полётов частных лиц. Подобные полёты проводят американская авиакомпания Zero Gravity, Роскосмос (на Ил-76 МДК c 1988 года, полёты также доступны для частных лиц), NASA (на Boeing KC-135) , Европейское космическое агентство (на Airbus A-310)
Типичный полёт продолжается около полутора часов. В течение полёта проводятся 10-15 сессий невесомости, для достижения которых самолёт совершает крутое пике. Длительность каждой сессии невесомости около 25 секунд. Более 15000 человек совершили полёты по состоянию на ноябрь 2017 года. Многие известные люди совершили полёты в невесомости на борту самолёта, в их числе: Баз Олдрин, Джон Кармак, Тони Хоук, Ричард Брэнсон. Стивен Хокинг также совершил короткий полёт 26 апреля 2007 года.

Другим способом моделирования невесомости, причём в течение длительного времени, является создание гидроневесомости.

Эта тяжелая невесомость…

Подробности

Категория: Встреча с космосом

Опубликовано 17.11.2012 09:44

Просмотров: 10225

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.

Санитарный инструктор

1.11. Вес и невесомость window.top.document.title = «1.11. Вес и невесомость»;

Силу тяжести с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни.

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса. Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе (рис. 1.11.1). Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной. На тело действуют сила тяжести направленная вертикально вниз, и сила упругости с которой опора действует на тело. Силу называют силой нормального давления или силой реакции опоры. Силы, действующие на тело, уравновешивают друг друга: В соответствии с третьим законом Ньютона тело действует на опору с некоторой силой равной по модулю силе реакции опоры и направленной в противоположную сторону: По определению, сила и называется весом тела. Из приведенных выше соотношений видно, что т. е. вес тела равен силе тяжести Но эти силы приложены к разным телам!

Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции опоры (подвеса) играет упругая силы пружины. По растяжению пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Приводя в равновесие рычажные весы путем уравнивая веса тела суммарным весом гирь, мы одновременно достигаем равенства массы тела суммарной массе гирь, независимо от значения ускорения свободного падения в данной точке земной поверхности. Например, при подъеме в горы на высоту 1 км показания пружинных весов изменяются на 0,0003 от своего значения на уровне моря. При этом равновесие рычажных весов сохраняется. Поэтому рычажные весы являются прибором для определения массы тела путем сравнения с массой гирь (эталонов).

Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или подвешено на пружине) в кабине лифта, движущейся с некоторым ускорением относительно Земли. Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действуют сила тяжести и сила реакции опоры но теперь эти силы не уравновешивают друг друга. По второму закону Ньютона

Сила действующая на опору со стороны тела, которую и называют весом тела, по третьему закону Ньютона равна Следовательно, вес тела в ускоренно движущемся лифте есть

Пусть вектор ускорения направлен по вертикали (вниз или вверх). Если координатную ось OY направить вертикально вниз, то векторное уравнение для можно переписать в скалярной форме:

В этой формуле величины P, g и a следует рассматривать как проекции векторов , и на ось OY. Так как эта ось направлена вертикально вниз, g = const > 0, а величины P и a могут быть как положительными, так и отрицательными. Пусть, для определенности, вектор ускорения направлен вертикально вниз, тогда a > 0 (рис. 1.11.2).

Из формулы (*) видно, что если a < g, то вес тела P в ускоренно движущемся лифте меньше силы тяжести. Если a > g, то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если a = g, то P = 0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью. Оно возникает, например, в кабине космического корабля при его движении по орбите при выключенными реактивных двигателями.

Если вектор ускорения направлен вертикально вверх (рис. 1.11.3), то a < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки испытывают космонавты, как при взлете космической ракеты, так и на участке торможения при входе корабля в плотные слои атмосферы. Большие перегрузки испытывают летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, особенно на сверхзвуковых самолетах.

Способы испытать чувство невесомости в теории и на практике

Чувство невесомости полноценно можно испытать в космосе, но для этого нужно выбрать эту профессию и долгие годы готовится. Однако ощущение невесомости можно испытать и на Земле, хоть и незначительное.

На Земле невесомость можно смоделировать следующим способом. В экспериментальных целях и для тренировки космонавтом создавали состояние невесомости до 40 секунд с помощью специального самолета, который имел воздействие только силы земного притяжения. Траектория движения самолета проходит по параболе. Такие ощущения сейчас можно испытать и на специальных тренажерах, в парках аттракционов. Суть заключается в том, что резко набирается высота и также резко потом сбрасывается, вызывая ощущение свободного падения, невесомости.

Подобные ощущения мы испытываем на рейсах гражданской авиации в период посадки самолета, а также в автомобиле, при резком перепаде движения сверху вниз.

Помимо этого, схожие ощущения можно получить, прыгая на батуте, находясь в воздухе от прыжка непосредственно перед падением вниз, в современных скоростных лифтах при резкой остановке на высоком этаже.

Сейчас существуют специальные симуляторы невесомости, в которых Вы можете испытать это ощущение на борту специально оснащенного для этих нужд самолета ИЛ – 76. Это специальная лаборатория, предназначенная для испытания перегрузок, в том числе космонавтами перед полетами в космос. Во время полета, резко набирается высота и на высоте 8-9 км пилот выключает мощность двигателей, тем самым, позволяя самолету двигаться по инерции. Как раз, когда сила тяжести становится равна силе инерции, достигается невесомость. Во время полета группа испытывает на борту самолета несколько таких ощущений невесомости. Стоимость такого полета индивидуальна и может быть совмещена с экскурсией, космическим питанием и многим другим.

Древнейшие народы Передней Азии

Имитация методом водного погружения

С другой точки зрения, более физиологичным методом имитации невесомости является водное погружение – иммерсия.

При погружении тела в воду или какую-либо другую жидкость действует сила, направленная вертикально вверх от центра Земли. Феномен потери веса наблюдается при неглубоком, поверхностном погружении тела, как это имеет место в обычной ванне.

Выталкивающая сила воды зависит от ее удельного веса. В соленой воде «архимедова» сила может быть настолько велика, что человек не тонет. Иногда путем подсаливания воды раствором поваренной соли (0,9 г/л NaCl) искусственно добиваются эффекта нулевой плавучести человека. Этот же эффект наблюдается и в некоторых природных озерах с высоким удельным весом воды, когда последний равен или больше удельного веса человеческого тела. Эта лабораторная модель наиболее оперативно имитирует эффекты состояния невесомости и больше всего приближена к уменьшению двигательной активности, так как водная среда создает условия «идеальной опоры» с равномерным распределением опорных точек по поверхности тела.

Модель иммерсии для имитации состояния невесомости применяется во многих странах мира. Используют, как правило, обычную воду термонейтральной температуры +34° С, которая является комфортной для тела человека. Подчеркнем, что при иммерсии в отличие от обычных гигиенических и лечебных ванн водный режим более продолжителен – от нескольких часов до нескольких суток.
Но метод водной иммерсии имеет много недостатков. Может возникать нарушение клеток кожных покровов и инфицирование их, что требует строгого и непрерывного контроля. Кроме того, кожные покровы человека проницаемы для воды, в связи с чем контакт с водой может увеличить объем циркулирующей крови и способствовать перегрузке сердца.

Поэтому уже давно стали применять «сухую» иммерсию. Этот метод с использованием водонепроницаемой эластичной пленки. Он исключает контакт кожи с водой и ее воздействие на динамическое равновесие, позволяет проводить исследования влияния режима сниженной гравитации.
Для реализации этого способа применяются ванны водоизмещением около 1,5 кубических метров воды. Температура воды поддерживается автоматически (электроконтактный термометр связан с системой подогрева). К окантовке ванны крепится водонепроницаемая пленка, которая по своей площади значительно превышает водную поверхность. Обследуемый погружается на пленку, которая под тяжестью его тела провисает в водную среду и, окружая его тело со всех сторон, смыкается спереди.

Метод «сухой» иммерсии выгодно отличается от водной возможностью проводить инструментальный контроль за состоянием человека. Этот метод безопасен для организма и позволяет объективно оценивать состояние человека в каждый необходимый момент времени, что представляет интерес не только для космической медицины, но и как космические изобретения в быту.

Знакомьтесь: микрогравитация

Представьте себе, что вы одеты в скафандр и лежите на спине в летной кабине космического аппарата. Вы лежите на спине в течение нескольких часов, пока пилоты и центр управления полетами готовятся к запуску. Обычно, когда вы стоите прямо, сила тяжести тянет кровь вниз, поэтому целые бассейны ее собираются у вас в ногах. Однако, поскольку вы лежите на спине, кровь по-разному распределяется в вашем теле, в том числе накапливаясь и в голове, поскольку ваши ноги подняты. В голове немного тяжеловато, словно вы только что проснулись.

Ракетные двигатели зажигаются и вы чувствуете ускорение. Вас вдавливает в кресло, поскольку аппарат взлетает. Сила тяжести вместе с увеличением скорости корабля увеличивается в три раза (на некоторых американских горках можно испытать такой уровень ускорения). Ваша грудь сжимается, дышать становится немного трудно. Спустя восемь с половиной минут вы оказываетесь в космосе и начинаете испытывать совершенно другое ощущение: невесомость.

Правильный термин для невесомости — микрогравитация. Вы не невесомы, поскольку земная гравитация удерживает вас и летательный аппарат на орбите. Вы находитесь в состоянии свободного падения, словно только что прыгнули с самолета, за исключением того, что падаете горизонтально и никогда не упадете. Допустим, вы стоите на весах, и они показывают ваш вес, поскольку гравитация тянет вниз и вас, и весы. Поскольку весы находятся на земле, они отталкиваются вверх с равнозначной силой — и эта сила и есть ваш вес. Но если вы прыгнете со скалы, стоя на весах, и вы, и весы будете притягиваться гравитацией. Вы не будете давить на весы, и они не будут давить на вас. Ваш вес будет нулевым. Таков закон Ньютона.

Поскольку космический аппарат и все объекты в нем падают с одной скоростью — все, что не закреплено, плавает. Если у вас длинные волосы — они будут плавать вокруг лица. Если вы выльете воду из стакана — она соберется в большую сферическую каплю, которую можно будет разбить на меньшие капли. Галушки и конфеты сами будут заплывать вам в рот, если вы подтолкнете их по нужной траектории. Сидя в кресле, вы не будете знать, что сидите, поскольку ваше тело не будет давить на кресло. Если вы не будете держаться — вы уплывете. Более того, если вы не будете держаться за стену или пол рукой или ногой — вы не сможете сдвинуться с места — не от чего оттолкнуться. По этой причине в любом космическом аппарате всегда много поручней для рук и ног.

Горные орудия

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.

Волшебная сила невесомости

Пудовая гиря в невесомости (скажем, на международной космической станции – МКС) имеет массу ровно 16 килограмм. Ни одним граммом меньше чем 16 000 граммов.

Даже в невесомости масса пудовой гири – ровно 16 кг

Да-да! Именно так. Масса в невесомости – точно такая, как на Земле. Другое дело, что вес пудовой гири на МКС равен нулю. Но это вес, а масса – как была на Земле один пуд, так и на орбите не стала другой – ровно один пуд.

Дело в том, что масса тела, о которой идет речь, бывает двух видов:

• инертная;
• гравитационная.

Инертная масса отвечает за ускорения и замедления тела. А гравитационная определяет силу гравитационного притяжения между телами. Этот закон сформулировал еще Исаак Ньютон. Говоря своими словами – если с размаху ударить пудовой гирей по голове космонавта, то вмятина будет одинаковой, находится ли космонавт на земле или в космическом корабле. Здесь имеет значение инерционная масса. А вот если перестать держать рукой пудовую гирю на МКС, то она не падает вниз. Но вверх она тоже не взлетает. Если что-то удерживает гирю от падения, то она висит в воздухе. Здесь играет свою роль гравитационная масса. Образно говоря, гиря висит в атмосфере отсека МКС, потому, что «падает» вместе со всей космической станцией. Они обе (МКС и гиря) летят по орбитальной траектории вокруг Земли. Причем летят по одинаковой траектории. И, поэтому не двигаются друг относительно друга. Это и есть явление невесомости. Условие невесомости – свободное падение. Жидкость в невесомости не растекается по полу, как было бы при наличии силы тяжести, а собирается в более или менее правильные шары, за счет силы поверхностного натяжения этой жидкости.

Отсутствие гравитации меняет нейронные связи

Ученые сделали фМРТ головного мозга одиннадцати космонавтам до и после полета, который длился в среднем шесть месяцев. Затем они сравнили данные томографии космонавтов с результатами добровольцев, которые не покидали Землю. Исследователей интересовали изменения в связях между зонами мозга, отвечающими за сенсомоторные функции — движение и восприятие положения тела. Для активизации этих зон использовалась стимуляция подошвы стоп, имитирующая походку.

На Земле восприятие пространства и положения тела регулирует вестибулярный аппарат — система мешочков и полукружных каналов во внутреннем ухе. Но в невесомости он работает со сбоями, так как для его работы необходима сила тяжести. Поэтому космонавты нередко испытывают головокружение и дезориентацию до тех пор, пока их тело не привыкнет к необычным условиям.

Выяснилось, что у космонавтов перестраиваются связи мозга, отвечающие за восприятие и движение. Чтобы компенсировать недостаток информации от органа равновесия, развивается вспомогательная система соматосенсорного контроля: мозг чаще обращается к зрительным и тактильным системам, чем к вестибулярному аппарату. Поэтому усиливаются нейронные пути, координирующие их работу. Так, фМРТ показало увеличение связи островковых долей с другими отделами. Островковые доли отвечают за интеграцию ощущений, поступающих из разных систем.

Что же касается связей мозжечка и вестибулярных ядер с полушариями, — в условиях земного притяжения эти структуры обеспечивают обработку ощущений, поступающих из вестибулярного аппарата. Ученые предполагают, что в космосе мозг тормозит активность этой системы, так как от нее поступает противоречивая информация об окружающем мире.

Это не первая попытка изучить влияние невесомости на мозг с помощью нейровизуализации. Более ранние исследования посвящены рискам для здоровья, с которыми сталкиваются космонавты.