в чем заключается состояние невесомости
Невесомость
Невесо́мость — состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Иногда можно слышать другое название этого эффекта — микрогравитация. Это название неверно для околоземного полета. Гравитация (сила притяжения) остаётся прежней. Но при полете на больших расстояниях от небесных тел, когда их гравитационное влияние пренебрежимо мало, действительно возникает микрогравитация.
Содержание
Особенности деятельности человека и работы техники в условиях невесомости
В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести, в частности, 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.
Воздействие невесомости на организм человека
При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости (в первую очередь- при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации.
При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер. [1]
Первое и самое очевидное последствие невесомости — стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма. [1] Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его (гемоглобин). [1]
Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведёт к снижению их прочности. [1]
Вес и гравитация
Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения. Это не так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС). На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 м/с², что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли. 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.
Невесомость на Земле
На Земле в экспериментальных целях создают кратковременное состояние невесомости (до 40 с) при полётах самолёта по параболической (а на самом деле — баллистической, то есть такой, по которой летел бы самолет под воздействием одной лишь силы земного притяжения; эта траектория является параболой лишь при небольших скоростях движения; для спутника это эллипс, окружность или гипербола) траектории. Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере, когда сопротивление воздуха ещё невелико.
Невесомость, что называют состоянием невесомости и когда оно наступает
Содержание:
Космос и звёзды с детства привлекают внимание людей. Кто из вас не мечтал оказаться вне земного пространства, поближе к звёздам, или испытать состояние невесомости, находясь в полете? Рассмотрим особенности движения тел, на которые не действует сила тяжести или она компенсируется другими силами; на какой высоте начинается невесомость, где можно испытать это состояние на Земле.
Что такое и когда наступает невесомость
На лежащее неподвижно на горизонтальной поверхности тело действует сила тяжести и ровная ей сила упругости. При движении с ускорением вес и сила притяжения Fт отличаются по значению:
Fт + F = ma, где a – ускорение.
Здесь g – коэффициент свободного падения.
Из выражения следует, что состоянием невесомости называют случай, когда вещь падает свободно g = a, тогда она не обладает весом. То состояние, когда гравитационные силы уравновешиваются, не вызывая давления на предмет или его части. Действие гравитации распространяется на любые расстояния, причём значение этого воздействия изменяется по закону всемирного тяготения.
Где можно испытать невесомость
Для экстремалов созданы такие развлечения, как роуп-джампинг и банджи-джампинг. Это так называемые аттракционы, где человека привязывают к резиновому канату, и он прыгает с моста, башни или иного высокого сооружения ради свободного полёта. Аэротрубы, центрифуги, камеры сенсорной депривации, полёт на летательном аппарате – способы побывать в невесомости на Земле.
На искусственном спутнике состояние невесомости вызывается отсутствием действия на него каких-либо сил (их значениями преимущественно пренебрегают по причине их мизерности). Абсолютная невесомость нереальна, ведь на тело всегда действуют сторонние силы.
На какой высоте начинается невесомость
На подобный вопрос ответить невозможно по простой причине. Состояние невесомости достигается на Земле, например, при опускании лифта с ускорением, равным a. Станция или спутник может раскрутиться в космосе, тогда в ней появится вес, но люди и предметы будут притягиваться к стенкам, а не к полу.
В завершение закономерный вопрос любопытного школьника: находится ли земля в состоянии невесомости? Конечно, находится, как и вся материя в мире.
Что такое невесомость, интересные факты и как испытать чувство невесомости
Что такое невесомость — определение
При ответе на вопрос, что такое невесомость, многие с вспомнят про силу притяжения и возможность свободного полета, хождения по потолку, летающим предметам и космонавтам, которые чаще всех испытывают это чувство.
Для обсуждения понятия невесомости предлагаю обсудить научную часть вопроса и физического явления. На планете Земля у предметов и живых существ действует сила притяжения (сила тяжести). Таким образом, если предмет перемещается или находится в состоянии покоя, возникает давление силы тяжести предмета на поверхность.
Невесомость – это состояние тела, при котором сила взаимодействия с поверхностью существенна мала и не происходит давление друг на друга. Часто при определении невесомости используют понятие гравитации или микрогравитации.
Интересные факты о невесомости и гравитации
Что мы с Вами знаем о невесомости, как можем охарактеризовать это явление?
В настоящее время явление невесомости полностью изучено и не вызывает большого количества вопросов. У космонавтов до полета длительный период проходит подготовка организма к невесомости, и несмотря на это, отсутствие силы тяжести приводит организм в достаточно большой стресс.
Основное нарушение при явлении невесомости наблюдается в изменении давления жидкости в организме, особенно крови. Помимо этого, отсутствует привычная нагрузка на опорно-двигательный аппарат, что вызывает дискомфорт. После доставки космонавта на космическую станцию, его организм некоторое время проходит период адаптации, несмотря на долгие месяцы подготовки перед полетом.
Влияние невесомости на организм
Обычно период адаптации организма проходит в течение 7-10 дней. В результате космонавты из-за отсутствия силы тяжести теряют в весе, снижается работоспособность, а также повышается общая утомляемость организма. Также может измениться соотношение элементов в тканях. После длительного пребывания в космосе человек может стать на несколько сантиметров вследствие невесомости. В результате может произойти защемления нервов, появиться различные боли мышечного и суставного характера.
На сегодняшний день питание у космонавтов очень разнообразное. Рацион питания составляют сублимированные продукты, упакованные в тубы из алюминия. Практически все питание находится в виде пюре. Рацион и тару продумывают таким образом, чтобы избежать крошек и их попадания в глаза. Печенья делают небольшими, чтобы не кусать, и сверху покрывают оболочкой.
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.
Заключение
Явление невесомости, в основном, можно испытать находясь в космосе, но также мы периодически испытываем его в самолете, на аттракционе, в лифте и даже на батуте, хоть и длится оно буквально секунды.
Определение состояния невесомости — физические особенности
Невесомость — что это простыми словами
Для того чтобы понять, что такое невесомость, нужно сначала познакомиться с понятием веса.
Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Очень часто понятие вес путают с массой. Вес обозначается P — давление, оказываемое телом на подвес или опору. F — сила упругости, оказываемая подвесом на предмет. Они равны по модулю, но противоположны по направлению.
Невесомость возникает в том случае, если тело не давит на опору или подвес. Еще Готфрид Лейбниц отметил изменение веса шарика в свободном падении в жидкости. В 1892 — 1893 г.г. профессором МГУ Любимовым Н. А. было поставлено несколько опытов, доказывающих возникновение невесомости в состоянии свободного падения. В своих экспериментах Любимов использовал маятник. Маятник, выведенный из положения равновесия при свободном падении, не качался.
Определение состояния невесомости, физические особенности
Простыми словами, состояние невесомости — отсутствие давления на предмет и его части, т.е. гравитационные силы в этом случае уравновешиваются.
Есть два вида невесомости.
Потеря веса, которая возникает на большом расстоянии от небесных тел из-за ослабления притяжения, называется статической невесомостью. А состояние, в котором находится человек во время полета по орбите, — динамической невесомостью.
Проявляются они совершенно одинаково. Ощущения человека одни и те же. Но причины разные. Космонавты в полетах имеют дело только с динамической невесомостью. Выражение «динамическая невесомость» означает: «невесомость, возникающая при движении».
Физическая формула веса (P) при ускоренном движении опоры имеет следующий вид:
Динамическая невесомость возникает и на Земле. Невесомы пловцы-ныряльщики, летящие в воду с вышки. Лыжники во время прыжка с трамплина невесомы в течение нескольких секунд. Невесомы падающие камнем вниз парашютисты, пока они не раскрыли парашюты. При тренировках космонавтов на тридцать – сорок секунд создают невесомость в самолете.
Как проявляется, влияние на человека
Мы не замечаем собственного веса и привыкли к тому, что все предметы имеют вес. За миллионы лет развития все живущие на Земле организмы приспособились к тому, чтобы выдержать свой вес, люди не исключение. Для жизни в условиях земного притяжения у нас есть кости, связки и мышцы.
В человеческом организме есть специальный орган — вестибулярный аппарат. Он расположен в глубине головы, за ухом. Вестибулярный аппарат помогает нам ориентироваться в пространстве, с помощью него мы чувствуем, где «низ» и где «верх».
Естественно, что состояние невесомости существенно отличается от привычного нам. Организм человека в такой среде реагирует на невесомость как на раздражитель. Центральная нервная система страдает в первую очередь. Отсутствие привычной тяжести для человеческого тела — большой стресс.
Космонавты чаще всего встречаются с состоянием невесомости. Они проходят многолетние тренировки, чтобы сократить последствия и приспособить организм к такому состоянию. В первые минуты пребывания в состоянии невесомости человек может почувствовать тошноту, головную боль, дезориентацию (вестибулярный аппарат в этом случае не может подсказать нам, где «верх», а где «низ»).
В невесомости человеческий рост может увеличиться на 2 – 5 см из-за низкой гравитации. Это может вызвать мышечные и суставные боли. Но после возращения в привычные условия, рост вернется.
Сильный дискомфорт причиняет изменение давления жидкости в организме. Кровь приливает к голове и груди. Стоять и ходить в состоянии невесомости не получится, поэтому мышцы спины и ног начинают терять силу и уменьшаться в размерах. Невесомость действует и на кости человека. Каждый месяц, проведенный в состоянии невесомости, кости истончаются на 1%.
После возвращения на Землю космонавты должны снова привыкать к земным условиям. Даже за несколько дней в космосе, человеческое тело отвыкает от собственного веса. Многие космонавты не способны устойчиво держаться на ногах и ходить после пребывания в невесомости. Чтобы последствия не были тяжелыми, космонавты, помимо обычных силовых тренировок, проводят электростимуляцию мышц. Не исключается применение и фармакологических средств.
Можно ли создать условия невесомости на Земле
Чтобы привыкнуть к ощущению невесомости в космосе, космонавты тренируется в специальных самолетах-лабораториях:
Он взлетает и начинает просто падать, чтобы ускорение самолета было равно ускорению свободного падения. В этот момент, в формуле веса из g вычитается равное ему значение ускорения a и получается 0:
Эффект невесомости можно ощутить на аттракционах вроде «американских горок». На секунды, при резком спуске, можно почувствовать состояние невесомости.
Таким образом можно побывать в состоянии невесомости на Земле.
Как невесомость меняет человека и для чего она науке
Что такое невесомость и бывает ли она на Земле
Невесомость не равно антигравитация. Это популярное заблуждение. В 400 км от Земли, где со скоростью почти 8 км/с летит Международная космическая станция (МКС), сила притяжения сохраняется на 90% от привычной. Космонавты и предметы парят в воздухе, потому что вместе с МКС находятся в состоянии свободного падения, одновременно опускаясь и смещаясь в сторону. Наша планета их постоянно притягивает: корабль непременно рухнул бы, но поскольку Земля круглая, сохраняется орбитальное движение и постоянная высота. За счет формы планеты МКС постоянно «промахивается» мимо поверхности и продолжает двигаться по орбите дальше. Иначе говоря, падает и не может упасть.
Эффект свободного падения можно ощутить на аттракционах вроде «американских горок» или в скоростном лифте, который стремительно спускается с высокого этажа. На секунды они дарят состояние невесомости или, как ее еще принято называть, микрогравитации.
Чуть дольше — около 25 секунд — в невесомости можно оказаться в специальном самолете-лаборатории ИЛ-76 МДК. Он поднимается до 6 тыс. метров, после за 15 секунд с резким ускорением под углом 45º набирает высоту до 9 тыс. метров, а потом по плавной дуге (баллистической траектории) при отключенном моторе уходит вниз. В этот момент и наступает невесомость. На высоте 6 тыс. метров двигатели снова заводят и самолет переводится в обычный горизонтальный полет. Пилот выполняет такие «горки» (так называемые параболы Кеплера) 10-15 раз, он удерживает штурвал, не допуская даже малейших отклонений, что физически очень непросто.
Взлетает ИЛ-76 МДК с военного аэродрома «Чкаловский» в Подмосковье. Поучаствовать может любой более-менее здоровый человек, этим занимаются специальные коммерческие агентства, стоимость полета — ₽280 тыс.
В 2016 году альтернативная рок-группа Ok Go из Чикаго сняла в ИЛ-76 МДК клип на песню Upside down and Inside Out. Это первое профессиональное музыкальное видео в условиях невесомости. Самолет-лаборатория имитировал салон пассажирского S7 Airlines, роль стюардесс исполняли многократные призеры чемпионатов по художественной гимнастике Анастасия Бурдина и Татьяна Мартынова.
Как невесомость меняет человека
Невесомость — состояние из малоприятных. Отсутствие привычной силы тяжести для человеческого тела большой стресс. Начинается «космическая» болезнь: тошнота, головокружение, головная боль, дезориентация. На Земле человек всегда знает, где верх, а где низ. Данные об ориентации тела в пространстве мозгу подсказывают «датчики» во внутреннем ухе, которые являются частью вестибулярной системы. В космосе «прицел» сбивается, организм не чувствует знакомой силы тяжести и не может определить где стоят ноги — на полу или на потолке. Поэтому на МКС все надписи нанесены в одном направлении.
«Я чувствовал, что падаю, — делится впечатлениями астронавт NASA Майк Хопкинс (провел на МКС 166 дней в 2013-2014 гг.) — Это было, как если бы вы висели на стропилах в здании 24 часа. Моему мозгу потребовалось время, чтобы привыкнуть, что теперь так будет всегда. Это почти как заново научиться ходить. Однако довольно быстро это прошло».
В невесомости человек вырастает на 2-5 см, что объясняется низкой гравитацией. После возвращения земная сила притяжения возвращает все обратно, однако в самом полете новый рост может стать проблемой, он вызывает мышечные и суставные боли.
Основной дискомфорт причиняет изменение давления жидкости в организме, кровь приливает к груди и голове, сердце увеличивается в размерах, почки работают так, как будто человек выпил много воды. Лицо становится опухшим и одутловатым, а поскольку стоять или ходить в космосе не нужно, мышцы спины и ног начинают терять силу и уменьшаются в размерах.
Средняя продолжительность полета на МКС — 6 месяцев. За это время человек теряет в весе, снижается работоспособность, а утомляемость, наоборот, повышается. Кости истончаются примерно на 1% каждый месяц, проведенный в невесомости, идет потеря мышечной массы. Например, антигравитационные мышцы практически не используются, т.к. поддерживать осанку ни к чему, большую часть времени тело находится в позе зародыша: человек немного сгибается, руки и ноги в полусогнутом состоянии.
Проблемы со здоровьем могут вызвать даже несколько дней в невесомости. В 2006 году американская астронавт Хайдемари Стефанишин-Пайпер побывала 2 недели в космосе. После приземления Пайпер давала пресс-конференцию, во время которой дважды падала, т.к. организм не справился с земной гравитацией.
» Невесомость гораздо вреднее, чем космическая радиация, о которой ходит много мифов и слухов, — говорит Виталий Егоров, популяризатор космонавтики, известный как блогер Zelenyikot. — Медицинские исследования показывают, что после длительного пребывания в невесомости 100%-го возвращения организма в прежнее состояние нет, т.е. изменения, которые происходят в организме даже после недели нахождения в космосе практически необратимы. Но в целом они настолько незначительны, что человек не замечает разницы, что было до и стало после. По рассказам космонавтов, возвращение организма к земной норме происходит примерно за то же самое время, которое проведено наверху: был неделю, восстанавливаешься неделю, был год — год и адаптируешься».
Есть ли польза от невесомости
Практически все исследования на МКС связаны с невесомостью. В конце июля 2021 года к МКС присоединился новый 20-тонный российский модуль «Наука», предназначенный для множества экспериментов: от производства полупроводников до отработки технологий, важных для будущих пилотируемых полетов к дальним планетам.
Например, в эксперименте «Перепел» в условиях микрогравитации россияне попытаются вывести птенцов японского перепела. Если все удастся — птенцы родятся, выживут и сумеют приспособиться к невесомости, это снимет острый вопрос пополнения рациона экипажа свежими продуктами в потенциальных дальних пилотируемых экспедициях, к тому же продолжит исследования размножения живых организмов в космосе.
С растениями все получилось еще в 2015-м, тогда космонавты впервые съели урожай, выращенный в невесомости. Им стал красный салат ромэн. Поскольку понятий верха и низа в космосе нет, корни растут во всех направлениях. Чтобы вода, субстрат и удобрения не разлетались повсюду, их упаковали в специальные пакеты, которые удерживают корни и «выталкивают» побеги. Свет для фотосинтеза дают светодиоды, они же указывают стеблям, в какую сторону расти.
Каждый космический экипаж сначала на советском «Салюте», американском Skylab, российском «Мире», теперь на международной МКС провел больше сотни научных экспериментов. Желающих же гораздо больше. Перед очередным стартом рассматриваются тысячи предложений: получить разрешение на проведение опытов в невесомости мечтает практически каждая отрасль современной науки. Космическая среда уникальна и обладает огромным потенциалом для открытий во многих областях: от исследования раковых клеток и биопечати органов до создания новых сплавов и военной разведки.
Чем же невесомость так привлекательна для исследований? Взять для примера биопечать, с помощью которой человек может создать клеточную ткань (в 2018 году на МКС были напечатаны щитовидная железа грызуна и человеческий хрящ), эксперимент инициировала российская компания 3D Bioprinting Solutions. Если заниматься этим на Земле, то сила тяжести при формировании биообъекта может заставить конструкцию «наклониться» и целостность органа окажется нарушенной. В космосе с влиянием гравитации проблем нет, на МКС «собрать» трехмерный тканевый экземпляр можно идеальной формы, сделать это на Земле пока практически нереально.
Какие секреты хранит микрогравитация
В 2019 году космическое агентство NASA на мышах изучало влияние невесомости на биологические объекты. На МКС грызуны быстро адаптировались к новой среде обитания и неожиданно начали «плавать» компанией по периметру клетки, будто развлекаясь. Такое нетипичное поведение ученые связывают с двумя причинами: тренировкой равновесия в условиях невесомости и игрой. Стресс, как одно из объяснений, исключили сразу, потому что после возвращения в земную лабораторию вес подопытных практически не изменился, шерсть была в отличном состоянии, а сами грызуны не демонстрировали никаких признаков волнения.
И хотя вроде бы влияние невесомости на человеческий организм изучено достаточно глубоко, космонавты сами иной раз удивляются некоторым результатам пребывания в космосе. «Невесомость оказывает самое благоприятное воздействие на кожу. Космонавты говорят, старая кожа слезает практически слоями, на ее месте появляется новая, молодая, и она остается гладкой, так как в космосе влияние силы тяжести на нее гораздо меньше. Прилетаешь с МКС — кожа, как у младенца. — говорит Виталий Егоров, — Но потом под воздействием земных факторов все возвращается на место. Хотя я предполагаю, что эффект молодой кожи может быть связан с тем, что космонавты гораздо меньше подвержены солнечному свету, чем дома».
Невесомость еще способна удивить человечество и отворить ему двери в мир новых, возможно, неожиданных открытий. И пусть еще не придумали, как воссоздать длительную микрогравитацию на Земле, зато предложили решение, как в 10 раз удешевить доставку к ней в космос. С €1 млн до €100 тыс. снизил присутствие на МКС американский стартап Yuriy Gravity, который для исследований предлагает клиентам использовать многоразовую коробочку размером всего 10 кубических см., представляющую собой миниатюрную лабораторию. Ее вместе с материалом внутри (например, опухолевыми клетками) астронавты возьмут с собой на космическую станцию. Так опытным путем будет выяснено, как поведет себя определенное вещество или материя в невесомости. Участие экипажа не предполагается, все опыты осуществляются автоматически.