Де починається невагомість. Що таке невагомість з погляду фізика та космонавта? Вплив на організм людини

Невагомість – відсутність сили взаємодії ваги тіла з опорою. Точніше, це стан, у якому гравітаційне тяжіння повністю відсутня. У деяких випадках такий стан називається мікрогравітацією.

Іноді різні науково-дослідні центри проводять певні експерименти за умов невагомості. Не всі можуть вирушити в космос, де невагомість є природним станом. Тому для досягнення невагомості експлуатують спеціально оснащені літаки. Траєкторія руху літака у разі представляє параболу.

Такий політ починається на висоті 6 км. Відбувається різкий набір висоти до 7,5 км, що займає близько 20 секунд. Пасажири в цей момент перевантажуються до 1.8 g, що означає подвійне збільшення ваги. Потім літак зменшує тягу двигуна майже до 0 і прямує параболічної траєкторії.

Максимум параболи досягається на висоті 8 км, починається вільне падіння. Протягом наступних 20 секунд усередині літака відбувається невагомість. Далі літак вирівнюється. Кут між горизонталлю та напрямком руху літака досягає 45 о. Двигуни знову вмикаються, і літальний апарат знову летить горизонтально. Таким чином, в залежності від типу літака за один політ відбувається до 30 маневрів параболічних.

Єдиний метод утворення невагомості Землі називається параболическим польотом. У Росії такі експерименти ведуться протягом 30 років. Як правило, використовується аеробус.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5
У разі невагомості на борту космічного апарату багато фізичних процесів (конвекція, горіння тощо. буд.) протікають інакше, ніж Землі. Відсутність сили тяжкості, зокрема, вимагає спеціальної конструкції таких систем як душ, туалет, системи розігріву їжі, вентиляції і т.д. МКС, наприклад, встановлено велику кількість вентиляторів. Прийом їжі та питво, особиста гігієна, робота з обладнанням та загалом звичайні побутові дії також мають свої особливості та вимагають від космонавта вироблення звички та необхідних навичок.
Вплив невагомості неминуче враховується в конструкції рідинного, ракетного двигуна, призначеного для запуску в невагомості. Рідкі компоненти палива в баках поводяться так само, як і будь-яка рідина (утворюють рідкі сфери). З цієї причини подача рідких компонентів з баків у паливні магістралі може стати неможливою. Для компенсації такого ефекту застосовується спеціальна конструкція баків (з роздільниками газового та рідкого середовищ), а також - процедура осідання палива перед запуском двигуна. Така процедура полягає у включенні допоміжних двигунів корабля на розгін; створюване ними невелике прискорення осідає рідке паливо на днище бака, звідки система подачі направляє паливо до магістралі.

Вплив на організм людини

При переході з умов земної гравітації до умов невагомості (насамперед - при виході космічного корабля на орбіту), у більшості космонавтів спостерігається реакція організму, звана синдромом космічної адаптації.
При тривалому (більше тижня) перебування людини в космосі відсутність гравітації починає викликати в організмі певні зміни, які мають негативний характер.
Перший і найочевидніший наслідок невагомості - стрімке атрофування м'язів: мускулатура фактично вимикається з діяльності, в результаті падають всі фізичні характеристики організму. Крім того, наслідком різкого зменшення активності м'язових тканин є скорочення споживання організмом кисню, і через надлишок гемоглобіну може знизитися діяльність кісткового мозку, що синтезує його (гемоглобін).
Також є підстави вважати, що обмеження рухливості порушить фосфорний обмін у кістках, що призведе до зниження їхньої міцності.

Вага та гравітація

Досить часто зникнення ваги плутають із зникненням гравітаційного тяжіння. Це не так. Як приклад можна навести ситуацію на Міжнародній космічній станції (МКС). На висоті 350 кілометрів (висота знаходження станції) прискорення “вільного” падіння має значення 8,8 / ², що лише на 10% менше, ніж на поверхні Землі. Стан невагомості на МКС виникає не через «відсутність гравітації», а за рахунок руху по круговій орбіті з першою космічною швидкістю, тобто космонавти як би постійно «падають вперед» зі швидкістю 7,9 км/с.

Невагомість на Землі

На Землі в експериментальних цілях створюють короткочасний стан невагомості (до 40 с) при польотах літака балістичної траєкторії, тобто такої траєкторії, якою летів би літак під впливом однієї лише сили земного тяжіння. Ця траєкторія при невеликих швидкостях руху виходить параболою, через що її іноді помилково називають «параболічною». У загальному випадку траєкторія є еліпсом або гіперболою.
Такі методи застосовуються для тренування космонавтів у Росії та США. У кабіні пілота на нитці підвішена кулька, яка зазвичай натягує нитку вниз (якщо літак спочиває, або рухається рівномірно і прямолінійно). Відсутність натягу нитки, на якій висить кулька, свідчить про невагомість. Таким чином, пілот повинен керувати літаком так, щоб кулька висіла у повітрі без натягу нитки. Для досягнення цього ефекту літак повинен мати постійне прискорення, що дорівнює g і спрямоване вниз. Іншими словами, пілоти створюють нульове навантаження. Довго таке перевантаження (до 40 секунд) можна створити, якщо виконати спеціальну фігуру пілотажу «провал у повітрі». Пілоти різко починають набір висоти, виходячи на «параболічну» траєкторію, яка закінчується таким самим різким скиданням висоти. Усередині фюзеляжу є камера, в якій тренуються майбутні космонавти, вона є повністю оббитою м'яким покриттям пасажирською кабіною без крісел, щоб уникнути травм як у моменти невагомості, так і в моменти перевантажень.
Подібне почуття невагомості (часткової) людина відчуває під час польотів рейсами цивільної авіації під час посадки. Однак з метою безпеки польоту та через велике навантаження на конструкцію літака, будь-який рейсовий літак скидає висоту, здійснюючи кілька протяжних спіральних витків (з висоти польоту 11 км до висоти заходу на посадку близько 1-2 км). Тобто спуск здійснюється в кілька заходів, під час яких пасажир на кілька секунд відчуває, що його трохи відриває від крісла. Це почуття відчувають і автомобілісти, знайомими з трасами, що проходять по крутих пагорбах, коли машина починає з'їжджати з верхівки вниз.
Твердження, що літак для створення короткочасної невагомості виконує фігури вищого пілотажу типу «петлі Нестерова» - не більше ніж міф. Тренування виконуються в злегка модифікованих серійних пасажирських або вантажних літаках, для яких фігури вищого пілотажу і подібні режими польоту є закритими і можуть призвести до руйнування машини в повітрі або швидкого зношування несуть конструкцій.
Стан невагомості можна відчути у початковий момент

Невагомість
Космонавти на борту Міжнародної космічної станції

Горіння свічки на Землі (ліворуч) та в невагомості (праворуч)

Невагомість- Стан, при якому сила взаємодії тіла з опорою (вага тіла), що виникає у зв'язку з гравітаційним тяжінням, дією інших масових сил, зокрема сили інерції, що виникає при прискореному русі тіла, відсутня. Іноді можна чути іншу назву цього ефекту. мікрогравітація. Ця назва невірна для навколоземного польоту. Гравітація (сила тяжіння) залишається незмінною. Але при польоті на великих відстанях від небесних тіл, коли їх гравітаційний вплив знехтує мало, дійсно виникає мікрогравітація.

Для розуміння суті невагомості можна розглянути літак, що летить по балістичній траєкторії. Такі методи застосовуються для тренування космонавтів у Росії та США. У кабіні пілота на нитці підвішено грузик, який зазвичай натягує нитку вниз (якщо літак лежить, або рухається рівномірно і прямолінійно). Коли нитка, на якій висить кулька, не натягнута, має місце стан невагомості. Таким чином, пілот повинен керувати літаком так, щоб кулька висіла у повітрі, а нитка не була натягнута. Для цього ефекту літак повинен мати постійне прискорення g, спрямоване вниз. Іншими словами, пілоти створюють нульове навантаження. Довго таке перевантаження (до 40 секунд) можна створити, якщо виконати спеціальну фігуру пілотажу (яка не має назви, крім "провал у повітрі"). Пілоти різко подають на зниження висоти, при стандартній висоті польоту 11 000 метрів це і дає необхідні 40 секунд "невагомості"; всередині фюзеляжу є камера, в якій тренуються майбутні космонавти, вона має спеціальне м'яке покриття на стінах, щоб уникнути травм під час набору та скидання висоти. Подібне невагомості людина відчуває при польотах рейсами цивільної авіації при посадці. Однак з метою безпеки польоту та великого навантаження на конструкцію літака, цивільна авіація скидає висоту, здійснюючи кілька протяжних спіральних витків (з висоти польоту в 11 км до висоти заходу на посадку близько 1-2 км). Тобто. спуск проводиться у кілька заходів, під час яких пасажир на кілька секунд відчуває, що його відриває від крісла вгору. (Таке ж почуття знайоме і автомобілістам, знайомими з трасами, що проходять крутими пагорбами, коли машина починає з'їжджати з верхівки вниз). Тренування виконуються в злегка модифікованих серійних машинах пасажирського або вантажного класу, для яких фігури вищого пілотажу і подібні режими польоту є закритими і можуть призвести до руйнування машини в повітрі або швидкого руйнування руйнівних несучих конструкцій.

Особливості діяльності людини та роботи техніки в умовах невагомості

В умовах невагомості на борту космічного апарату багато фізичних процесів (конвекція, горіння і т.д.) протікають інакше, ніж на Землі. Відсутність сили тяжіння, зокрема, потребує спеціальної конструкції таких систем, як душ, туалет, системи розігріву їжі, вентиляції тощо. Щоб уникнути утворення застійних зон, де може накопичуватися вуглекислий газ, і для забезпечення рівномірного змішування теплого та холодного повітря, на МКС, наприклад, встановлено велику кількість вентиляторів. Прийом їжі та питво, особиста гігієна, робота з обладнанням та загалом звичайні побутові дії також мають свої особливості та вимагають від космонавта вироблення звички та необхідних навичок.

Вплив невагомості неминуче враховується у конструкції рідинного ракетного двигуна, призначеного для запуску у невагомості. Рідкі компоненти палива в баках поводяться так само, як і будь-яка рідина (утворюють рідкі сфери). З цієї причини подача рідких компонентів з баків у паливні магістралі може стати неможливою. Для компенсації такого ефекту застосовується спеціальна конструкція баків (з роздільниками газового та рідкого середовищ), а також - процедура осідання палива перед запуском двигуна. Така процедура полягає у включенні допоміжних двигунів корабля на розгін; створюване ними невелике прискорення осідає рідке паливо на днище бака, звідки система подачі направляє паливо до магістралі.

Вплив невагомості на організм людини

При переході з умов земної гравітації до умов невагомості (у першу чергу-при виході космічного корабля на орбіту), у більшості космонавтів спостерігається реакція організму, яка називається синдромом космічної адаптації.

При тривалому (кілька тижнів і більше) перебування людини в космосі відсутність гравітації починає викликати в організмі певні зміни, які мають негативний характер.

Перший і найочевидніший наслідок невагомості - стрімке атрофування м'язів: мускулатура фактично вимикається з діяльності, у результаті падають всі фізичні характеристики організму. Крім того, наслідком різкого зменшення активності м'язових тканин є скорочення споживання організмом кисню, і через надлишок гемоглобіну може знизитися діяльність кісткового мозку, що синтезує його (гемоглобін).

Також є підстави вважати, що обмеження рухливості порушить фосфорний обмін у кістках, що призведе до зниження їхньої міцності.

Вага та гравітація

Досить часто зникнення ваги плутають із зникненням гравітаційного тяжіння. Це не так. Як приклад можна навести ситуацію на Міжнародній космічній станції (МКС). На висоті 350 кілометрів (висота знаходження станції) прискорення вільного падіння має значення 8,8 / ², що лише на 10% менше, ніж на поверхні Землі. Стан невагомості на МКС виникає не через «відсутність гравітації», а рахунок руху по круговій орбіті з першою космічною швидкістю, тобто космонавти як би постійно «падають вперед» зі швидкістю 7,9 км/с.

Невагомість на Землі

На Землі в експериментальних цілях створюють короткочасний стан невагомості (до 40 с) при польотах літака за параболічною (а насправді - балістичною, тобто такою, якою летів би літак під впливом однієї лише сили земного тяжіння; ця траєкторія є параболою лише при невеликі швидкості руху; для супутника це еліпс, коло або гіпербола) траєкторії. Стан невагомості можна відчути в початковий момент вільного падіння тіла в атмосфері, коли опір повітря ще невеликий.

Посилання
- Астрономічний словник Санько Н. Ф.
- Парабола невагомості Відео телестудії Роскосмосу
Примітки

Wikimedia Foundation.
2010 .:
- Синоніми
- Ангрбода
Пугачов, Омелян Іванович
Відповідно до закону всесвітнього тяжіння всі тіла притягуються один до одного, і сила тяжіння прямо пропорційна масам тіл і обернена пропорційна квадрату відстані між ними. Тобто вираз «відсутність гравітації» взагалі не має сенсу. На висоті кількох сотень кілометрів над поверхнею Землі – там, де літають пілотовані кораблі та космічні станції – сила тяжіння Землі дуже велика і практично не відрізняється від сили гравітації поблизу поверхні.

Якби існувала технічна можливість скинути якийсь предмет із вежі висотою кілометрів 300, він би почав падати вертикально і з прискоренням вільного падіння, так само, як він падав би з висоти хмарочоса або з висоти людського зросту. Отже, під час орбітальних польотів сила земного тяжіння немає і не слабшає у значних масштабах, а компенсується. Так само, як для водних суден та аеростатів, сила тяжіння землі компенсується архімедовою силою, а для крилатих літальних апаратів — підйомною силою крила.

Так, але ось літак летить і не падає, а пасажиру всередині салону не літають як космонавти на МКС. При звичайному польоті пасажир чудово відчуває свою вагу і від падіння на землю його утримує не безпосередньо підйомна сила, а сила реакції опори. Лише під час аварійного чи штучно спричиненого різкого зниження людина раптом відчуває, що перестає тиснути на опору. Виникає невагомість. Чому? А тому, якщо втрата висоти відбувається з прискоренням, близьким до прискорення вільного падіння, то опора більше не заважає пасажиру падати — вона й сама падає.

spaceref.comЗрозуміло, що коли літак припинить різке зниження, або, на жаль, впаде на землю, тут і стане ясно, що гравітація нікуди не поділася. Бо в земних та навколоземних умовах ефект невагомості можливий лише під час падіння. Власне тривалим падінням є орбітальний політ. Космічному кораблю, що рухається орбітою з першою космічною швидкістю, заважає впасти на Землю сила інерції. Взаємодія гравітації та інерції має назву «відцентрової сили», хоча в реальності такої сили не існує, це певною мірою фікція. Апарат прагне рухатися прямою (по дотичній до навколоземної орбіти), але земна гравітація постійно «закручує» траєкторію руху. Тут еквівалентом прискорення вільного падіння є так зване доцентрове прискорення, в результаті якого змінюється не значення швидкості, а її вектор. І тому швидкість корабля залишається незмінною, а напрямок рух постійно змінюється. Оскільки і корабель, і космонавт рухаються з однією і тією ж швидкістю і з тим самим доцентровим прискоренням, космічний апарат не може виступати в якості опори, на яку тисне вага людини. Вага — це сила тяжіння, що виникає в полі сил, на опору перешкоджає падінню, А корабель, як і літак, що різко знижується, падати не заважає.

Ось тому зовсім неправильно говорити про відсутність земної гравітації або наявність «мікрогравітації» (як прийнято в англомовних джерелах) на орбіті. Навпаки, тяжіння землі є одним з головних факторів феномену невагомості, що виникає на борту.

Про справжню мікрогравітацію можна говорити лише у застосуванні до польотів у міжпланетному та міжзоряному просторі. Вдалині від великого небесного тіла дія сил тяжіння віддалених зірок і планет буде настільки слабкою, що виникне ефект невагомості. Про те, як із цим боротися, ми не раз читали у фантастичних романах. Космічні станції у вигляді тора (бублика) будуть розкручуватися навколо центральної осі і створювати імітацію гравітації за допомогою відцентрової сили. Щоправда, щоб створити еквівалент земного тяжіння, доведеться задати тору діаметром понад 200 м. Є й інші проблеми, пов'язані зі штучною гравітацією. Тож вся ця справа віддаленого майбутнього.

— Чи правда, що в космосі немає тяжіння?

— НІ, правда: закон Всесвітнього тяжіння діє скрізь.

Чому ж тоді космонавти «літають» усередині свого корабля, пристібаються до ліжка на час сну і ловлять «чіпси, що літають» по всій каюті?

Вони відчувають невагомість тому, що рухаються по колу(навколо Землі) з величезною швидкістю (7,9 кілометрів на секунду); приблизно це можна продемонструвати, наливши в маленьке цебро води і сильно розкрутивши. Вода не виливатиметься, її притискатиме до денця «відцентровою силою», а точніше — силою інерції: оскільки інерція діє прямолінійно, а «заокруглення» траєкторії руху постійно змінює напрямок руху.

Саме інерція руху при круговій орбіті навколо Землі — і компенсує силу тяжкості. Якби космічний корабель не летів із цією швидкістю — а був нерухомим — він одразу звалився б на Землю — не важливо, що він знаходиться на відстані кілька сотень кілометрів від Землі: її сила тяжіння величезна і поширюється на дуже велике (теоретично — нескінченне) відстань. Якби з землі стирчала величезна вежа, заввишки 500 кілометрів (приблизно на такій висоті постійно рухається МКС), і ми стояли б на вершині цієї вежі — то не відчували б ніякої невагомості, а звичайне тяжіння Землі (хіба що трохи менше, ніж на поверхні).

Отже Космос, у цьому плані, нічим особливим не відрізняється; але тільки в космосі, де немає атмосфери, можна рухатися з такою величезною швидкістю, щоб можна було компенсувати земне тяжіння. А чи можливо якимось способом «отримати» невагомість на Землі? Це досить приємне відчуття, коли ніщо не змушує м'язи напружуватися. Коли можна парити, не торкаючись предметів, один раз відштовхнутися ногами - і пролетіти величезну відстань - причому швидко, швидше, ніж людина, що біжить! Напевно чудово було б відвідати якийсь спеціальний салон, де надають послуги «невагомості»!

Але на Землі з цим проблема. Вода відпадає: хоч людина у воді і може «не падати на дно», і в принципі може не спливати — а ніби «зависати» на місці — це все ж таки ніяка не невагомість. Якщо під водою довго перебувати вниз головою, то кров приллє до мозку так само, як і на суші. М'язи будуть так само напружені, як і в іншому місці Землі: на них діє така сама сила тяжіння, і органи тіла, у тому числі внутрішні, будуть мати звичайну вагу. Невагомість – це щось зовсім інше!

Мабуть, єдино можливий спосіб створити повну втрату ваги – це перебувати на бортушвидкознижуєтьсялітака. І те, тривалість такого ефекту не більше кількох хвилин. Можна, звичайно, просто підстрибнути — але тоді в невагомості тіло буде менше секунди. Під час затяжного стрибка з парашутом, невагомість хоч і триватиме довше — але не буде повною, через тертя, що сильно зросло, про повітря, яке до певної міри стане «твердим», як опора і тіло відчуває деяку вагу.

А чи існує хоча б теоретично спосіб отримати невагомість без

необхідності руху або падіння, в нерухомій лабораторії, причим необмежено довго?

Так, але суто теоретично: побудувати такий заклад уцентрі Землі! Так, у самому її центрі (у центрі мас), у надрах, в ядрі: вся маса земної кулі буде знаходитися зовні і надавати гравітаційний вплив на відвідувача такого «клубу» з усіх боків одночасно і з однаковою силою. Результуючий напрямок сили тяжіння дорівнюватиме НУЛЮ — людина(або будь-який предмет) зависне і нікуди не падатиме. Фактично, таке звичайно не можливе (в найближчі пару-трійку мільярдів років) — через величезний темпратури та колосального тиску в надрах Землі, але на якомусь іншому небесному тілі, в принципі ймовірно.

Ну а якщо все-таки на Землі, і трохи реальніший спосіб, ніж у земному ядрі?

Мабуть можна, але мало сподобається іншим земним жителям: розігнати швидкість обертання планетиприблизно у 17 разів! Доба на Землі триватиме близько півтори години (40 хвилин на день і приблизно стільки ж ніч). Зате — будь-де на екваторі буде справжня невагомість! Поверхня Землі, в екваторіальній частині, рухатиметься з тією ж швидкістю, з якою обертаються супутники, тобто з першої космічної; сила інерції на цій широті повністю компенсує земне тяжіння і можна буде літати! Але, літатимуть не лише люди, і в цьому є проблема…

Усі предмети: ключі, запальнички, головні убори, стільці, валізи, велосипеди, автомобілі — все буде не на землі — а там, де їм «заманеться». Дрібне каміння, середнє каміння, величезні камені будуть плавати в повітрі, зіштовхуватися, розлітатися, підлітати до землі, ударятися, потім відстрибувати, підніматися дуже високо, повертатися — загалом це такий переполох… Вся земля, загалом, не монолітна скеля, а накладені один на інший камені, піщинки, порошинки і таке інше. Все це більше не буде пригнічено до землі і переміщатиметься безладно. Від пилу нічого не буде видно. Будинки, до

котрі стоять на фундаменті, на 90 відсотків тримаються на тяжінні Землі, яке перестане мати місце. Цілі гори, які підпирає знизу земна мантія станутьвідриватися і відлітати. А вода? Ну звичайно ж, вода теж згорнеться в дрібні краплі або великі кулі і буде літати, прописана пилом. Причому води буде дуже багато — всі океани миттєво прихлинуть туди, де менша сила ваги. Разом з океанами прилетить все, з усієї планети, що зможе відірватисья: все опиниться на екваторі або в повітрі біля нього. Усю планету "роздмухує" на екваторі - і вона з кулі перетворитися на сильно сплюснутий еліпсоїд. Вогняно-рідка мантія з надр теж підніметься, за всім іншим. А повітря? Повітря величезним фонтаном викидатиметься в екваторіальній площині далеко в космос, частина потім повертатиметься на полюси — потім знову притікатиме до екватора і вириватиметься назовні. Ураган буде суцільний, безперервний і по-звірячому-сильний. У поєднанні з усіма легкими — середніми і важкими предметами, що літають у повітрі, напевно це буде суцільне пекло.

Так, за такого сценарію краще вже копати у бік ядра… Може все-таки є «нормальний» спосіб «спродукувати» невагомість? Щоб не чіпати цілу планету, а викопати бункер під якоюсь горою: гора зверху, близько: притягує вгору. А центр Землі далеко – притягує донизу. Адже можна досягти «балансу»?

Тоді доведеться «закопатися» до третини радіусу Землі, а гора має бути розміром з Місяць… Хоча… Треба, щоб гора була з такого матеріалу, щоб він був у сто тисяч разівщільніше за золото! Звичайна гора, вагою мільярд тонн — мала розмір кілька метрів. Ось таку «болванку» покласти на дах бункера — і буде перший у світі пансіонат, у якому пропонують розважитись у невагомості! Потрібно тільки добре зміцнити конструкцію стелі тому, що таке важке тіло таких маленьких розмірів — продавить усе на світі, і поступово зануриться в надра землі... І ще... Потрібно якось відламати мільярд тонн такої речовини від найближчого Білого Карлика, що згасло, і привезти його...

І все ж, якщо серйозніше: невже не існує жодного реального способу? використовувати анти-гравітацію, або заекранувати трохи тяжіння знизу, або увімкнути штучну гравітацію зверху? Потрібно підняти всього тіло людини, в кілька десятків кілограм, адже не потрібна для цього величезна енергія? Ліфт же піднімає, та й ноги щодня піднімають ого-го на яку висоту... Збільшити багаторазово власну вагу можна на центрифузі, або навіть на простій каруселі. Може можна так само легко якось зменшити? Це ж, в принципі, не суперечитиме закону збереження енергії? Анти-матерію вже давно отримали, може її можна якось використати?

Анти-матерія не дає анти-гравітації: за великим рахунком це та ж матерія, що тільки має протилежний електричний заряд. На гойдалках-каруселях можна отримати невагомість – але короткочасно; загалом той самий ефект, як і від звичайного «стрибка»: пів-секунди втрати ваги, а потім стільки ж навантаження. Спосіб створення довготривалої невагомості на Земліпоки що не відомий. Хоча, швидше за все, можливість має бути.

Може, хтось уже придумав? Напишіть коментар або запитайте у друзів у соц. мережах: