Невагомість
Невагомість — стан, коли 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. [1]
Перший і найочевидніший наслідок невагомості — стрімке атрофування м'язів: мускулатура фактично вимикається з діяльності, у результаті падають всі фізичні характеристики організму.[1] 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). [1]
Також є підстави вважати, що обмеження рухливості порушить фосфорний обмін у кістках, що призведе до зниження їхньої міцності. [1]
Вага та гравітація
Досить часто зникнення ваги плутають із зникненням гравітаційного тяжіння. Це негаразд. Як приклад можна навести ситуацію на Міжнародній космічній станції (МКС). На висоті 350 кілометрів (висота перебування станції) прискорення вільного падіння має значення 8,8 м/с², що лише на 10 % менше, ніж 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 по параболічній (а насправді — балістичній, тобто такій, 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 у початковий момент вільного падіння тіла у атмосфері, коли опір повітря ще невеликий.
Посилання
Визначення стану невагомості – фізичні особливості
Невагомість – що це простими словами
Щоб зрозуміти, що таке невагомість, потрібно спочатку познайомитися з поняттям ваги.Визначення
Вага — це сила, з якою тіло діє опору чи підвіс. Дуже часто поняття вага плутають із масою. Вага позначається P - тиск, що чиниться тілом на підвіс або опору. F - сила пружності, що виявляється підвісом на предмет. Вони рівні за модулем, але протилежні за напрямом.
Невагомість виникає у тому випадку, якщо тіло не тисне на опору чи підвіс. Ще Готфрід Лейбніц наголосив на зміні ваги кульки у вільному падінні в рідині. У 1892 - 1893 р.р. професором МДУ Любимовим Н. А. було поставлено кілька дослідів, що доводять виникнення невагомості у стані вільного падіння. У своїх експериментах Любимов використав маятник. Маятник, виведений із положення рівноваги при вільному падінні, не гойдався.
Визначення стану невагомості, фізичні особливості
Простими словами, стан невагомості — відсутність тиску щодо його частини, тобто. гравітаційні сили у разі врівноважуються.
Є два види невагомості. Втрата ваги, яка виникає на великій відстані від небесних тіл через ослаблення тяжіння, називається статичною невагомістю. А стан, у якому перебуває людина під час польоту орбітою, — динамічною невагомістю. Виявляються вони абсолютно однаково. Відчуття людини одні й самі. Але ж причини різні. Космонавти у польотах мають справу лише з динамічною невагомістю. Вираз «динамічна невагомість» означає: «невагомість, що виникає під час руху».
Фізична формула ваги (P) при прискореному русі опори має такий вигляд: Як виявляється, вплив на людину
Ми не помічаємо власної ваги та звикли до того, що всі предмети мають вагу.За мільйони років розвитку всі організми, що живуть на Землі, пристосувалися до того, щоб витримати свою вагу, люди не виняток. Для життя в умовах земного тяжіння у нас є кістки, зв'язки та м'язи. Примітка
У людському організмі є спеціальний орган. вестибулярний апарат. Він розташований у глибині голови, за вухом. Вестибулярний апарат допомагає нам орієнтуватися у просторі, з допомогою нього відчуваємо, де «низ» і де «верх».
Природно, що стан невагомості значно відрізняється від звичного нам. Організм людини у такому середовищі реагує на невагомість як на подразник. Центральна нервова система страждає насамперед. Відсутність звичної тяжкості людського тіла — великий стрес. Космонавти найчастіше зустрічаються із станом невагомості. Вони проходять багаторічні тренування, щоб скоротити наслідки та пристосувати організм до такого стану. У перші хвилини перебування у стані невагомості людина може відчути нудоту, біль голови, дезорієнтацію (вестибулярний апарат у цьому випадку не може підказати нам, де «верх», а де «низ»). У невагомості людське зростання може збільшитися на 2 – 5 див через низьку гравітацію. Це може викликати м'язові та суглобові болі. Але після повернення у звичні умови зростання повернеться. Сильний дискомфорт спричиняє зміну тиску рідини в організмі. Кров приливає до голови та грудей. Стояти і ходити в стані невагомості не вийде, тому м'язи спини та ніг починають втрачати силу та зменшуватись у розмірах. Невагомість діє і кістки людини. Щомісяця, проведений у стані невагомості, кістки стоншуються на 1%. Після повернення Землю космонавти повинні знову звикати до земним умовам.Навіть за кілька днів у космосі людське тіло відвикає від власної ваги. Багато космонавтів не здатні стійко триматися на ногах і ходити після перебування в невагомості. Щоб наслідки були важкими, космонавти, крім звичайних силових тренувань, проводять електростимуляцію м'язів. Не виключається застосування та фармакологічних засобів.
Чи можна створити умови невагомості на Землі
Щоб звикнути до відчуття невагомості в космосі, космонавти тренується в спеціальних літаках-лабораторіях: Він злітає і починає просто падати, щоб прискорення літака дорівнювало вільному падінню. У цей момент, у формулі ваги з g віднімається рівне йому значення прискорення a і виходить 0: Ефект невагомості можна відчути на атракціонах на кшталт «американських гірок». На секунди при різкому спуску можна відчути стан невагомості. Таким чином, можна побувати в стані невагомості на Землі.
Що таке невагомість, як вона впливає на людину і навіщо потрібна науці
Нові вакцини, сплави, матерії – невагомість змінює уявлення про звичні речі. І назавжди залишає свій відбиток на людині. Мікрогравітація діє тільки на організм — наука чекає від неї нових одкровень
Що таке невагомість і чи буває вона на землі
Невагомість це стан, при якому відсутня сила впливу тіла на опору. Однак невагомість не дорівнює антигравітації. Це популярна помилка. За 400 км від Землі, де зі швидкістю майже 8 км/с летить Міжнародна космічна станція (МКС), сила тяжіння зберігається на 90% звичної. Космонавти та предмети ширяють у повітрі, бо разом із МКС перебувають у стані вільного падіння, одночасно опускаючись і зміщуючи убік.Наша планета їх постійно притягує: корабель неодмінно впав би, але оскільки Земля кругла, зберігається орбітальний рух і постійна висота. За рахунок форми планети МКС постійно «промахається» повз поверхню і продовжує рухатися орбітою далі. Інакше кажучи, падає і не може впасти.
Ефект вільного падіння можна відчути на атракціонах на кшталт «американських гірок» або у швидкісному ліфті, що стрімко спускається з високого поверху. На секунди вони дарують стан невагомості або, як її прийнято називати, мікрогравітації.
На деяких атракціонах висота спочатку набирається, а потім різко скидається, викликаючи відчуття вільного падіння чи невагомості. Гірки Goliath (Six Flags Great America) (Фото: June Ryan Lowry for TIME)
Трохи довше – близько 25 секунд – у невагомості можна опинитися у спеціальному літаку-лабораторії ІЛ-76 МДК. Він піднімається до 6 тис. метрів, після 15 секунд з різким прискоренням під кутом 45º набирає висоту до 9 тис. метрів, а потім плавною дугою (балістичною траєкторією) при відключеному моторі йде вниз. У цей момент і настає невагомість. На висоті 6 тис. метрів двигуни знову заводять і літак переводиться у звичайний горизонтальний політ. Пілот виконує такі "гірки" (так звані параболи Кеплера) 10-15 разів, він утримує штурвал, не допускаючи навіть найменших відхилень, що фізично дуже непросто.
Злітає ІЛ-76 МДК із військового аеродрому «Чкаловський» у Підмосков'ї. Взяти участь може будь-яка більш-менш здорова людина, цим займаються спеціальні комерційні агенції, вартість польоту — 280 тис. дол.
У 2016 році альтернативний рок-гурт Ok Go з Чикаго зняв в ІЛ-76 МДК кліп на пісню Upside down and Inside Out.Це перше професійне музичне відео за умов невагомості. Літак-лабораторія імітував салон пасажирського S7 Airlines, роль стюардес виконували багаторазові призери чемпіонатів з художньої гімнастики Анастасія Бурдіна та Тетяна Мартинова.
Для зйомок кліпу був потрібний 21 політ або 2 години 15 хвилин невагомості — більше, ніж стандартна норма космонавтів у процесі підготовки.
Як невагомість змінює людину
Невагомість – стан із малоприємних. Відсутність звичної сили тяжкості людського тіла великий стрес. Починається «космічна» хвороба: нудота, запаморочення, біль голови, дезорієнтація. На землі людина завжди знає, де верх, а де низ. Дані про орієнтацію тіла у просторі мозку підказують «датчики» у внутрішньому вусі, які є частиною вестибулярної системи. У космосі «приціл» збивається, організм не відчуває знайомої сили тяжіння і не може визначити, де стоять ноги — на підлозі або на стелі. Тому на МКС усі написи нанесені в одному напрямку.
«Я відчував, що падаю, — ділиться враженнями астронавт NASA Майк Хопкінс (провів на МКС 166 днів у 2013-2014 рр.). — Це було, якби ви висіли на кроквах у будівлі 24 години. Моєму мозку потрібен час, щоб звикнути, що тепер так буде завжди. Це майже як заново навчитися ходити. Однак, досить швидко це пройшло».
У невагомості людина зростає на 2-5 см, що пояснюється низькою гравітацією. Після повернення земна сила тяжіння повертає все назад, однак у самому польоті нове зростання може стати проблемою, воно викликає м'язові та суглобові болі.
Основний дискомфорт спричиняє зміну тиску рідини в організмі, кров приливає до грудей і голови, серце збільшується в розмірах, нирки працюють так, ніби людина випила багато води. Обличчя стає опухлим і одутлим, а оскільки стояти або ходити в космосі не потрібно, м'язи спини і ніг починають втрачати силу і зменшуються в розмірах.
Середня тривалість польоту на МКС – 6 місяців. За цей час людина втрачає вагу, знижується працездатність, а стомлюваність, навпаки, підвищується. Кістки стоншуються приблизно на 1% щомісяця, проведений у невагомості, йде втрата м'язової маси. Наприклад, антигравітаційні м'язи мало використовуються, т.к. підтримувати поставу ні до чого, більшу частину часу тіло перебуває в позі зародка: людина трохи згинається, руки та ноги у напівзігнутому стані.
Проблеми зі здоров'ям можуть викликати навіть кілька днів у невагомості. 2006 року американська астронавт Хайдемарі Стефанишин-Пайпер побувала 2 тижні в космосі. Після приземлення Пайпер давала прес-конференцію під час якої двічі падала, т.к. організм не впорався із земною гравітацією.
Невагомість набагато шкідливіша, ніж космічна радіація, про яку ходить багато міфів і чуток, — каже Віталій Єгоров, популяризатор космонавтики, відомий як блогер Zelenyikot. — Медичні дослідження показують, що після тривалого перебування у невагомості 100% повернення організму до колишнього стану немає, тобто. зміни, які відбуваються в організмі навіть після тижня перебування у космосі практично незворотні. Але загалом вони настільки незначні, що людина не помічає різниці, що було й стало після.За розповідями космонавтів, повернення організму до земної норми відбувається приблизно за той самий час, який проведено нагорі: був тиждень, відновлюєшся тиждень, був рік — рік і адаптуєшся».
Чи є користь від невагомості
Майже всі дослідження на МКС пов'язані з невагомістю. Наприкінці липня 2021 року до МКС приєднався новий 20-тонний російський модуль «Наука», призначений для багатьох експериментів: від виробництва напівпровідників до відпрацювання технологій, важливих для майбутніх пілотованих польотів до далеких планет.
Наприклад, в експерименті «Перепел» в умовах мікрогравітації росіяни спробують вивести пташенят японського перепела. Якщо все вдасться - пташенята народяться, виживуть і зможуть пристосуватися до невагомості, це зніме гостре питання поповнення раціону екіпажу свіжими продуктами в потенційних далеких пілотованих експедиціях, до того ж продовжить дослідження розмноження живих організмів у космосі.
З рослинами все вийшло ще 2015-го, тоді космонавти вперше з'їли врожай, вирощений у невагомості. Ним став червоний салат Ромен. Оскільки понять верху і низу в космосі немає, коріння зростає у всіх напрямках. Щоб вода, субстрат та добрива не розліталися всюди, їх упакували у спеціальні пакети, які утримують коріння та «виштовхують» пагони. Світло для фотосинтезу дають світлодіоди, вони вказують стеблам, в який бік рости.
Кожен космічний екіпаж спочатку на радянському «Салюті», американському Skylab, російському «Світі», тепер на міжнародній МКС провів понад сотню наукових експериментів. Бажаючих набагато більше.Перед черговим стартом розглядаються тисячі пропозицій: одержати дозвіл на проведення дослідів у невагомості мріє практично кожна галузь сучасної науки. Космічна середовище унікальна і має величезний потенціал для відкриттів у багатьох областях: від дослідження ракових клітин та біодруку органів до створення нових сплавів та військової розвідки.
Чим же невагомість така приваблива для досліджень? Взяти для прикладу біодрук, за допомогою якого людина може створити клітинну тканину (у 2018 році на МКС було надруковано щитовидну залозу гризуна та людський хрящ), експеримент ініціювала російська компанія 3D Bioprinting Solutions. Якщо займатися цим Землі, то сила тяжкості для формування біооб'єкта може змусити конструкцію «нахилитися» і цілісність органу виявиться порушеною. У космосі з впливом гравітації проблем немає, на МКС «зібрати» тривимірний тканинний екземпляр можна ідеальної форми, зробити це на Землі поки що практично нереально.
Які секрети зберігає мікрогравітація
У 2019 році космічне агентство NASA на мишах вивчало вплив невагомості на біологічні об'єкти. На МКС гризуни швидко адаптувалися до нового довкілля і несподівано почали «плавати» компанією по периметру клітини, ніби розважаючись. Таку нетипову поведінку вчені пов'язують із двома причинами: тренуванням рівноваги в умовах невагомості та грою. Стрес, як одне з пояснень, виключили одразу, бо після повернення до земної лабораторії вага піддослідних практично не змінилася, шерсть була у відмінному стані, а самі гризуни не демонстрували жодних ознак хвилювання.
У космосі миші провели 37 днів, що з урахуванням середньої тривалості життя гризунів у неволі (2-3 роки) – довга місія
І хоча як би вплив невагомості на організм людини вивчено досить глибоко, космонавти самі іноді дивуються деяким результатам перебування в космосі. «Невагомість надає сприятливий вплив на шкіру. Космонавти кажуть, стара шкіра злазить практично шарами, на її місці з'являється нова, молода, і вона залишається гладкою, тому що в космосі вплив сили тяжіння на неї набагато менший. Прилітаєш із МКС — шкіра, як у немовляти. — каже Віталій Єгоров, — Але потім під впливом земних факторів усе повертається на місце. Хоча я припускаю, що ефект молодої шкіри може бути пов'язаний з тим, що космонавти набагато менше схильні до сонячного світла, ніж удома».
Невагомість ще здатна здивувати людство та відчинити йому двері у світ нових, можливо, несподіваних відкриттів. І нехай ще не вигадали, як відтворити тривалу мікрогравітацію на Землі, зате запропонували рішення, як у 10 разів здешевити доставку до неї в космос. Із €1 млн до €100 тис. знизив присутність на МКС американський стартап Yuriy Gravity, який для досліджень пропонує клієнтам використовувати багаторазову коробочку розміром всього 10 кубічних см., що є мініатюрною лабораторією. Її разом із матеріалом усередині (наприклад, пухлинними клітинами) астронавти візьмуть із собою на космічну станцію. Так досвідченим шляхом буде з'ясовано, як поведеться певна речовина чи матерія у невагомості. Участь екіпажу не передбачається, всі досліди здійснюються автоматично.
