Что это - невесомость? Интересные факты про невесомость.

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.

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 сила тяжести 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 , 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".

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. Также вес можно определить как реакцию опоры. 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 выключенных реактивных двигателях.

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.

Мы привыкли к тому, что все предметы вокруг нас имеют вес. Происходит это потому, что сила гравитации притягивает их к Земле. Даже если мы летим в самолёте или прыгаем с парашютом, вес никуда от нас не девается. Но что же произойдёт, если вес всё же исчезнет, когда это бывает и какие интересные явления наблюдаются в условиях невесомости? Обо всём этом — в данном посте.

Закон всемирного тяготения, открытый ещё Ньютоном, гласит, что все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Для тел с маленькой массой такое притяжение практически не заметно, но если тело имеет большую массу, такую, как наша планета Земля (а её масса в килограммах выражается 25-значным числом), то притяжение становится заметным. Поэтому все предметы притягиваются к Земле — если их поднять, они падают вниз, а когда упадут, сила тяжести прижимает их к поверхности. Это и приводит к тому, что всё на Земле имеет вес, даже воздух прижимается к Земле силой тяжести и своим весом давит на всё, что находится на её поверхности.

Когда вес может исчезнуть? Либо тогда, когда сила тяжести вообще не действует на тело, либо тогда, когда она действует, но телу ничто не мешает свободно падать. Хотя с удалением от Земли сила притяжения к ней уменьшается, даже на высоте в сотни и тысячи километров она остаётся ещё большой, поэтому избавиться от силы тяжести непросто. А вот оказаться в состоянии свободного падения вполне возможно.

Например, можно оказаться в состоянии невесомости, если оказаться в самолёте, движущемся по специальной траектории — так же, как тело, которому не мешало бы сопротивление воздуха.

Выглядит всё это так:

Конечно, долго по такой траектории самолёт двигаться не может, т. к. врежется в землю. Поэтому с длительным пребыванием в условиях невесомости сталкиваются только космонавты, живущие на орбитальной станции. И им приходится привыкать к тому, что многие привычные нам явления в условиях невесомости происходят совсем не так, как на Земле.

1) В невесомости можно легко перемещать тяжёлые предметы и перемещаться самому, приложив лишь небольшое усилие. Правда, по этой же причине любые предметы нужно специально закреплять, чтобы они не летали по орбитальной станции, а на время сна космонавты забираются в специальные мешки, прикреплённые к стене.

Для того, чтобы научиться двигаться в невесомости, нужно время, и у новичков это получается не сразу. «Они толкаются со всей силы и ударяются головой, путаются в проводах и прочее, так что это источник бесконечного веселья» — сказал на эту тему один из американских астронавтов.

2) Жидкости в невесомости принимают шарообразную форму. Воду не получится, как мы привыкли на Земле, хранить в открытой посуде, вылить из чайника и налить в чашку, даже вымыть руки не получится привычным для нас способом.

3) Пламя в условиях невесомости очень слабое и со временем затухает. Если в обычных условиях зажечь свечу, она будет гореть ярко, пока не сгорит. Но происходит это потому, что нагретый воздух становится легче и поднимается вверх, освобождая место для свежего воздуха, насыщенного кислородом. В невесомости конвекции воздуха не наблюдается и со временем кислород вокруг пламени выгорает и горение прекращается.

Горение свечи в обычных условиях и в невесомости (справа)

Но постоянный приток кислорода нужен не только для горения, но и для дыхания. Поэтому если космонавт неподвижен (например, спит), то в отсеке должен работать вентилятор, чтобы перемешивать воздух.

4) В невесомости можно получать уникальные материалы, которые трудно или вообще невозможно получить в земных условиях. Например, сверхчистые вещества, новые композиционные материалы, большие правильные кристаллы и даже лекарства. Если бы удалось снизить стоимость доставки грузов на орбиту и обратно, это решило бы многие технологические проблемы.

5) В невесомости на борту орбитальной станции были впервые обнаружены некоторые ранее неизвестные эффекты. Например, образование структур, напоминающих кристаллические, в плазме, или «эффект Джанибекова» — когда вращающийся предмет через определённые промежутки времени внезапно меняет ось вращения на 180 градусов.

Эффект Джанибекова:

6) Невесомость оказывает существенное влияние на человека и живые организмы. Хотя к жизни в невесомости можно приспособиться, сделать это не так просто. Оказавшись в состоянии невесомости впервые, человек теряет ориентацию в пространстве, возникает головокружение, т. к. вестибулярный аппарат перестаёт нормально работать. Другие изменения в организме включают перераспределение жидкости в организме, из-за чего отекает лицо и закладывает нос, из-за пропадания нагрузки на позвоночник увеличивается рост, а при длительном пребывании в невесомости атрофируются мышцы и теряют прочность кости. Чтобы уменьшить негативные изменения, космонавтам приходится регулярно выполнять специальные упражнения.

После возвращения на Землю космонавтам приходится вновь приспосабливаться к прежним условиям не только физически, но и психологически. Они могут, например, по привычке оставить стакан в воздухе, забыв, что он упадёт.

«Физика невесомости». Как работают законы физики в условиях невесомости, рассказывают космонавты на МКС:

Весу как силе, с которой любое тело действует на поверхность, опору либо подвес. Возникает вес вследствие гравитационного притяжения Земли. Численно вес равен силе тяжести, но последняя приложена к центру масс тела, вес же приложен к опоре.

Невесомость - нулевой вес, может возникать, если отсутствует сила тяготения, то есть тело достаточно от массивных объектов, которые могут притягивать его.

Международная Космическая Станция находится на расстоянии 350 км от Земли. На таком удалении ускорение свободного падения (g) составляет 8,8 м/с2, что всего на 10% меньше, чем на поверхности планеты.

На практике редко встретишь - гравитационное воздействие существует всегда. На космонавтов, находящихся на МКС, по-прежнему действует Земля, однако невесомость там присутствует.

Другой случай невесомости возникает, если сила тяжести компенсирована другими силами. Например, МКС подвержена силе тяжести, незначительно уменьшенной за счет расстояния, но также станция движется по круговой орбите с первой космической скоростью и центробежная сила компенсирует тяготение.

Невесомость на Земле

Явление невесомости возможно и на Земле. Под воздействием ускорения вес тела может уменьшаться, и даже становится отрицательным. Классический пример, который приводят физики - падающий лифт.

Если лифт движется вниз с ускорением, то давление на пол лифта, а, следовательно, и вес, будет уменьшатся. Причем если ускорение равно ускорению свободного падения, то есть лифт падает, вес тел станет нулевым.

Отрицательный вес наблюдается, если ускорение движения лифта превысит ускорение свободного падения - тела находящиеся внутри «прилипнут» к потолку кабины.

Этот эффект широко применяется для симуляции невесомости при подготовке космонавтов. Самолет, оборудованный камерой для тренировок, поднимается на значительную высоту. После чего пикирует вниз по баллистической траектории, по сути, у поверхности земли машина выравнивается. При пикировании с 11 тысяч метров можно получить 40 секунд невесомости, которыми и пользуются для тренировок.

Существует заблуждение, что подобные выполняют сложные фигуры, наподобие «петли Нестерова», для получения невесомости. На самом деле для тренировок используются доработанные серийные пассажирские самолеты, которые неспособны на сложные маневры.