Что такое невесомость, интересные факты и как испытать чувство невесомости

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.

Утерянные технологии Человечества. Антиграв

Физика 9 кл. Невесомость

Подробности

Просмотров: 156

6. Когда появляется состояние невесомости?

Тело, находящееся в свободном падении, испытывает состояние невесомости.
Невесомость, значит у тела нет веса.
Что такое вес? Это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес.
Свободно падающие предметы теряют свой вес, они не давят на опору, они невесомы.
Например:
Подпрыгнувший в воздушной среде человек практически становится невесом.
То же самое с камнем, неважно, падает камень вниз, или он подброшен вверх.
Невесом при падении парашютист, пока над ним не раскроется купол парашюта.
В данных примерах малым сопротивлением воздуха пренебрегаем, считая падение тел свободным.
Истинное свободное падение тел можно наблюдать в вакууме. 7

В чем состоит причина невесомости?
Невесомость объясняется тем, что сила тяжести (иначе сила всемирного тяготения) сообщают всем телам одинаковое ускорение g. Всякое тело, на которое действует только сила тяжести, находится в состоянии невесомости. Именно в таких условиях находится всякое свободно падающее тело. 8. Как на опыте продемонстрировать невесомость?
Вес тела, движущегося под действием только силы тяжести, равен нулю. В этом можно убедиться с помощью опытов
Опыт 1

7. В чем состоит причина невесомости?
Невесомость объясняется тем, что сила тяжести (иначе сила всемирного тяготения) сообщают всем телам одинаковое ускорение g.
Всякое тело, на которое действует только сила тяжести, находится в состоянии невесомости.
Именно в таких условиях находится всякое свободно падающее тело. 8. Как на опыте продемонстрировать невесомость?
Вес тела, движущегося под действием только силы тяжести, равен нулю.
В этом можно убедиться с помощью опытов
Опыт 1.

а) К динамометру подвешен металлический шарик.
Вес шарика равен 0,5 Н.
б) Если нить, удерживающую динамометр, перерезать, то он будет свободно падать (сопротивлением воздуха в данном случае можно пренебречь).
При падении указатель переместится на нулевую отметку, значит, вес шарика стал равен нулю.
Вес свободно падающего динамометра тоже равен нулю.
Шарик и динамометр движутся с одинаковым ускорением, не оказывая друг на друга никакого влияния, т.е. находятся в состоянии невесомости.
Динамометр и шарик свободно падали из состояния покоя.
Опыт 2.

в) Возьмём полиэтиленовый пакет и на 1/3 заполним его водой; удалим из пакета воздух и завяжем его.
г) Если взять пакет за нижнюю часть и перевернуть, то свитая часть пакета под весом воды раскрутится и заполнится водой.
д, е) Если же, переворачивая пакет, удерживать жгут, а затем подкинуть пакет вверх, то и во время подъёма, и во время падения пакета жгут не будет раскручиваться.
То есть во время полёта вода не действует своим весом на пакет, так как становится невесомой.
Можно перекидывать этот пакет друг другу, но и тогда пакет сохранит в полёте свою форму со жгутом.

9. Исчезает ли сила притяжения тела к Земле при переходе тела в состояние невесомости?

Нет, не исчезает.
Если стрелка падающего динамометра с грузом (как в опыте, описанном выше) возвращается на нуль, то это не значит, что исчезла сила тяжести.
Исчез вес, то есть сила, с которой груз действует на подвес.
Сила же тяжести, действующая на весы и на груз, остается, и именно она — причина свободного падения тела.

Следующая страница — смотреть

Назад в «Оглавление» — смотреть

Как достичь невесомости?

Подробности

Просмотров: 245

Иногда научно-исследовательские эксперименты ученым необходимо провести в условиях невесомости. Не все могут совершить полет на космическую станцию, где состояние невесомости, как вам известно, естественно. Поэтому для достижения состояния невесомости используют полеты на специально оснащенных самолетах. В этом случае траектория движения самолета представляет собой параболу.

Во время такого полета на высоте около 6000 м начинается резкий набор высоты до 7600 м. Этот этап полета длится около 20 секунд, в это время пассажиры самолета испытывают перегрузки до 1.8g (увеличение веса почти вдвое).

Затем пилот уменьшает тягу двигателя практически до нуля и направляет самолет по параболической траектории.
На высоте 8000 м самолет достигает максимума параболы и начинается его свободное падение, тяга двигателей при этом компенсирует только сопротивление воздуха. В течение почти 20 секунд в самолете наблюдается невесомость. Затем пилот выравнивает самолет, т.е. когда угол между направлением движения самолета и горизонталью достигает 45 градусов, пилот снова включает двигатель, и самолет опять летит горизонтально. За один полет можно совершить до 30 параболических маневров.

Параболический полет — это практически единственный метод воспроизведения невесомости на Земле. И уже более 30-ти лет российские космонавты проводят тренировки в условиях невесомости, используя для этих целей полеты на широкофюзеляжном аэробусе ИЛ-76.

Не хочешь ли ты полетать в невесомости?

Ощущения новичка: «… кажется, что все тело глотнуло гелия. Рука, державшая поручень, осталась на месте, а ноги улетели в потолок (самолет в это время под таким же углом пикирует вниз, но из салона этого почувствовать невозможно). Единственная ненастоящность невесомости в самолете — это то, что тебя все время тянет наверх (самолет все-таки летит вниз). Ты не можешь просто зависнуть над полом и остаться без движения. Зато можешь оттолкнуться от потолка. А если тебе придадут ускорение, то летишь по заданной траектории вдоль салона. Один режим длится примерно 25 секунд. На двадцатой секунде (каждые пять секунд по громкой связи отсчитываются голосом) надо быть на полу. Если не успеешь, можно с высоты трех метров при двойном собственном весе упасть головой об пол. Поэтому инструкторы начинают ловить зазевавшихся и приземлять их. Сами инструкторы, чтобы не взмыть, держатся ногой за стропы, прикрепленные к полу».

Следующая страница «Космическая гостиница. Что такое космос?»

Назад в раздел «Космос»

Назад в раздел «Достижения науки и техники»

1 March. 10:30 (I’m late). Star City

Проходная на въезде в Звездный похожа на смесь кинотеатра и парикмахерской. Солдат поднимает шлагбаум рукой, пропуская машину на территорию.

The control post at the Star City entrance looks like a cross between a cinema and a hairdresser’s. The soldier lifts the boom barrier manually, letting the car onto the premises.

Сегодня  день медкомиссии и инструктажа.

Today’s programme: a medical and a training session.

По пути в гидролабораторию встречаются исторические здания. В этой 11-этажке жил Гагарин:

You can spot some historic buildings on your way to the hydrolab. Gagarin lived in this 11-storey building:

Тут находится центрифуга:

There’s a centrifuge in there:

Проходим медкомиссию. Окулист смотрит в глаз через лупу:

At my medical. The optician examines my eye through a magnifying glass:

Я вам разрешаю полет.

— I am clearing you to fly.

Вот краткая история отечественной космонавтики в картинках:

A short history of homegrown spaceflight in pictures:

А вот куски космических кораблей, на которых тренируются в бассейне.

Here you can see some pieces of spacecraft that they train on in the pool.

Бассейн занимает середину здания. Через иллюминаторы подсвечивается вода:

The pool takes up the middle part of the building. The water is lit up through the portholes.

А внутри плавают макет секции МКС и астронавты с аквалангистами:

Inside there’s a model of an ISS module, astronauts and divers:

В классе подготовки майор на примере авторучки объясняет принцип создания невесомости без выхода в космос.

During the training session a major uses a ballpoint pen to explain the principle of how zero gravity can be achieved without going up in space.

и делаем параболу.

— …and we trace a parabola.

На следующий день назначен полет.

The flight is scheduled for the following day.

Древнейшие народы Передней Азии

Другие модели имитации

Предложено много моделей имитации состояния невесомости.

К ним относятся термокамеры, иммобилизация, кресло средне-физиологического покоя, пребывание человека в воде или других жидкостях, а также столы для необычного положения тела. Физиологические изменения при использовании имитационных методов имеют качественно идентичную тенденцию со сдвигами во время реальных космических полетов, отличаясь лишь количественными характеристиками. Это еще раз подтверждает что  жизнь человека на других планетах (даже если он долетит) сомнительна.

Как в реальной невесомости, так и при ее моделировании возникают однотипные реакции.

В начальный период адаптации к невесомости возникает устранение жидкости из организма. В основе этого механизма, как полагают, лежит раздражение барорецепторов в устьях полых вен при централизации кровотока, что приводит к рефлекторному (через отделы мозга) изменению секреции  гормона гипофиза, а также к снижению уровня альдостерона в крови. Все это способствует повышенному выведению электролитов и жидкости почками.

Состояние невесомости кроме необходимости “сходить в туалет”, вызывает снижение объема циркулирующей крови, уменьшение ударного и минутного объемов сердца.

Следует отметить, что суть изменений, возникающих в невесомости,  сводится к возникновению феномена «неупотребления», или «атрофии от бездействия».

В последние годы для имитации состояния невесомости стали использовать метод «антиортостатического положения» тела, когда голова находится несколько ниже горизонтальной плоскости. Этот метод напоминает положение широко известного лечебного приема в клинической медицине. В «антиортостазе» вектор гравитации ориентирован от ножного конца к головному, что способствует возникновению выраженных гемодинамических сдвигов.

При нахождении человека в этом положении в течение нескольких часов отмечается урежение пульса и увеличение выделения мочи.

«Мозг в чане»

Так как же мозг справляется с микрогравитацией? Если коротко, то очень плохо — впрочем, информация об этом ограничена. Мы знаем, что лица космонавтов краснеют и раздуваются в невесомости — это явление ласково называют «эффектом Чарли Брауна». Происходит это по большей части потому, что жидкость, состоящая в основном из крови (клеток и плазмы) и спинномозговой жидкости, смещается к голове, в результате чего лица становятся одутловатыми и округлыми, а ноги — тонкими.

Эти смещения жидкости также связаны с «космической болезнью» (по аналогии с морской), головными болями и тошнотой. Недавно их также связали с помутнением зрения из-за нарастания давления при увеличении кровотока; сам мозг как бы всплывает в верхнюю часть черепа, оказывая на него давление. Несмотря на то, что NASA считает нарушение зрения и смещение мозга главным риском для здоровья любого человека на Марсе, выяснить, что его вызывает, а также как его предотвратить, пока не получилось.

Профессор физиологии и биохимии Дэмиен Бейли из Университета Южного Уэльса считает, что определенные части мозга в итоге получают слишком много крови, потому что в кровотоке накапливается оксид азота — невидимая молекула, которая обычно там плавает. Артерии, снабжающие мозг кровью, расслабляются, поэтому раскрываются сильнее. В результате этого подъема кровотока гематоэнцефалический барьер — «амортизатор» мозга — становится перегружен. Вода медленно накапливается, мозг разбухает, давление увеличивается.

Представьте, будто река выходит из берегов. Самое главное во всем этом, что в отдельные части мозга поступает недостаточно кислорода. Это большая проблема, которая может объяснить и затуманенность зрения, а также и другие эффекты, которые проявляются на способностях космонавтов думать, концентрироваться, рассуждать и двигаться.

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.

Какова микрогравитация на вкус?

Когда вы впервые окажетесь в состоянии невесомости, вы почувствуете следующее:

— тошнота;

— дезориентация;

— головная боль;

— потеря аппетита;

— запор;

— еще кое-что…

Чем дольше вы будете оставаться в условиях микрогравитации, тем слабее будут ваши мышцы и кости. Эти ощущения будут вызваны различными изменениями в системах вашего организма. Давайте подробно рассмотрим, как тело реагирует на невесомость.

Космическая болезнь

Тошнота и дезориентация, которая на вкус как сосущее чувство в желудке, когда автомобиль «летит» вниз по трассе или вас подхватывает на карусели. Только на борту корабля это чувство будет длиться несколько дней. Это чувство космической болезни, слабость моторики, когда ваш мозг получает противоречивую информацию от вестибулярных органов, расположенных в вашем внутреннем ухе. Ваши глаза видят, куда двигаться вверх и вниз в корабле, но ваша вестибулярная система полагается на силу тяжести, определяя направления, что не работает в невесомости. Поэтому ваши глаза могут говорить мозгу, что вы движетесь сверху вниз, но мозг этого не поймет. Это вызывает дезориентацию и тошноту, что может привести к потере аппетита и рвоте. К счастью, спустя несколько дней мозг адаптируется и начнет реагировать исключительно на визуальные сигналы. Таблетки тоже помогут.

Одутловатое лицо и куриные лапки

В условиях микрогравитации ваше лицо будет одутловатым, а пазухи — перегруженными, что вызовет головную боль и нарушение моторики. На Земле это можно почувствовать, если стоять вверх ногами — кровь приливает к голове.

На Земле гравитация притягивает вашу кровь, в результате чего значительные ее объемы скапливаются в венах ног. Как только вы окажетесь в условиях микрогравитации, кровь сдвинется из ваших ног в грудь и голову. Лицо опухнет, а ноги, наоборот, уменьшатся в размерах.

Когда кровь переходит в грудь, сердце увеличивается в размерах и качает больше крови с каждым ударом. Почки отвечают на этот увеличенный кровоток производством большего количества мочи, будто вы выпили большой стакан воды. Кроме того, увеличение кровотока снижает уровень секреции гипофизом антидиуретического гормона (АДГ), что уменьшает жажду. Вы не будете хотеть пить столько же воды, сколько на Земле. В совокупности эти два фактора помогут вашей груди и голове избавиться от лишней жидкости за несколько дней, а поток жидкости вашего тела нормализуется (для космических условий). По возвращении на Землю, вы будете больше пить и чувствовать усталость, но это пройдет.

Космическая анемия

По мере того, как ваши почки выводят лишнюю жидкость, они также уменьшают секрецию эритропоэтина — гормона, стимулирующего производство красных кровяных тел клетками костного мозга. Снижение производства красных кровяных клеток сопровождается уменьшением объема плазмы, поэтому гематокрит (процент объема крови, занимаемого красными кровяными телами) такой же, как на Земле. По возвращении на Землю, ваш уровень эритропоэтина будет расти, так же как и количество красных кровяных тел.

Слабые мышцы

Когда вы находитесь в условиях микрогравитации, ваше тело принимает позу «зародыша»: вы немного сгибаетесь, ваши руки и ноги также принимают полусогнутое состояние. В таком положении вы не используете многие мышцы, особенно те, которые помогают вам поддерживать осанку (антигравитационные мышцы). По мере пребывания на борту МКС, ваши мышцы меняются. Их масса уменьшается, что приводит к «куриным лапкам». Ваше тело больше не нуждается в мышцах, которые медленно сокращаются, вроде тех, что используются в положении стоя. Нужны быстро сокращающиеся волокна, чтобы быстрее передвигаться по станции. Чем больше вы остаетесь на МКС, тем меньше у вас будет мышечной массы. Потеря мышечной массы ослабляет вас, и это, между прочим, является серьезной проблемой для длительных полетов, особенно после возвращения на Землю.

Остеопсатироз

На Земле ваши кости поддерживают вес вашего тела. Размер и масса костей тщательно сбалансированы. В условиях микрогравитации вашим костям больше не нужно поддерживать ваше тело, поэтому все ваши кости, особенно несущие, в районе бедер, ляжек и нижней части спины, используются меньше, чем на Земле. Размер и масса костей в невесомости уменьшаются примерно на 1% в месяц. В результате по возвращении на Землю они просто могут разрушиться. Неизвестно, каков процент восстанавливаемых костей после возвращения на Землю, но он точно не равен 100. Именно эта проблема вносит ограничения на время пребывания в космосе.

В дополнение к слабым костям, концентрация кальция в крови приводит к болезни почек, которым нужно этот избыточный кальций выводить. Могут образоваться камни в почках.

Горные орудия

№6

Некоторые ошибочно полагают, что в космосе очень сложно есть, так как еда не проваливается в желудок под действием гравитации. Это же написано и на достаточно популярном сайте Мегафакты. Это глубочайшее заблуждение, какое могут говорить лишь те люди, какие вообще далеки от анатомии человека и не знающие ничего о гравитации (как мы уже говорили ранее, она есть везде, даже в космосе). На самом же деле гравитация никоим образом не влияет на поглощение пищи. Это легко проверить. Например, станьте на голову и проглотите пищу. Исходя из логики авторов сайта Мегафакты, она должна попросту выпасть изо-рта, так как сила притяжения работает «вниз», а не «вверх», но все происходит с точностью наоборот. Все дело в том, что проталкивать пищу в желудок нам помогают мышцы пищевода, а никак не гравитация.