Наверное, каждый из нас за свою жизнь испытывал чувство невесомости. Давайте разберем, что такое невесомость, за счет чего оно достигается и где его можно прочувствовать.
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?
Неудобства.
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.
Питание.
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.
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.
Более подробно о том, что это такое и где его можно ощутить, и пойдёт речь в этой статье.
Статическая
Существуют два типа невесомости. Это статическая — наблюдается при удалении от объекта с большой массой. Например, тело, улетевшее на значительное расстояние от планеты. Следует при этом понимать, что его вес полностью не исчезает.
Дело в том, что гравитация от массивных объектов, таких как планеты и звезды, хоть и уменьшается с расстоянием, но полностью не исчезает. Действие её распространяется бесконечно далеко во все уголки Вселенной, обратно пропорционально квадрату расстояния. Это следует из определения невесомости.
Таким образом, выйти из зоны действия гравитационного поля невозможно.
Динамическая
Другой тип невесомости — это динамическая. Ее постоянно испытывают космонавты и лётчики. Нивелировать действие гравитационного поля массивного объекта можно путем свободного падения на него. Для этого необходимо, чтобы объект набрал определённую скорость и стал спутником.
Набрав необходимую скорость, спутник начинает переходить в состояние постоянного свободного падения. Предметы внутри него будут находиться в состоянии невесомости. Такая скорость называется первой космической.
Для планеты Земля, например, скорость составляет порядка 8 километров в секунду. Для Солнца — уже 640. Все зависит от массы объекта и его плотности. В таких где плотность достигает сотни миллионов тонн на кубический сантиметр — космическая скорость приближается к скорости света.
Невесомость на Земле
Оказывается, испытать состояние невесомости можно, не покидая пределы планеты. Правда, на очень короткий период. Например, пассажир автомобиля, едущего по выгнутому мосту, испытает невесомость на некоторое время в верхней части выпуклости моста.
Пассажиры, едущие в общественном транспорте по ухабистой дороге, постоянно испытывают действие невесомости каждый раз, как автобус наезжает на яму или кочку. На короткий промежуток времени они находятся в состоянии свободного падения.
Развлечение
В последнее время в сфере индустрии развлечений появились специальные полигоны, где все желающие могут испытать невесомость.
Пройдя медицинскую комиссию и заплатив определённую сумму денег, можно попасть на борт самолёта, который летит по волнообразной траектории, и во время пике люди на протяжении полминуты могут испытать необычное чувство невесомости.
Пилот самолёта через селекторную связь сообщает о начале действия невесомости. Это необходимо в целях безопасности. Дело в том, что после свободного падения самолёт стремительно набирает высоту. При этом люди, находящиеся на борту, испытывают диаметрально противоположный эффект — перегрузку.
Порой эта величина достигает трёхкратного значения ускорения свободного падения. Иными словами, вес тела в невесомости будет в три раза больше естественного. При падении с высоты нескольких метров с такой массой тела можно очень легко получить травму.
Для этих целей на борту самолёта в отделении для невесомости сидят специально обученные инструкторы. В их задачу входит вовремя опускать на пол самолёта тех людей, которые не успели уложиться в данный временной интервал.
Серия взлётов и падений происходит с периодичностью до двадцати раз за один полет самолёта.
В России, например, для желающих ощутить невесомость есть специальная центрифуга, которая находится в центре подготовки космонавтов и пилотов. Опять же, после медкомиссии и денежного взноса в размере порядка 55 тыс. рублей человек может ощутить на себе действие невесомости.
Влияние на организм человека
По определению, невесомость абсолютно безвредна для организма человека. Сложности начинаются, когда она длится несколько суток, недель или месяцев.
В большинстве случаев это касается только обитателей космических станций. Космонавты, долгое время находящиеся на борту аппаратов, начинают испытывать существенный дискомфорт. В первую очередь это связано с вестибулярным механизмом.
На Земле, в привычных условиях, отолиты вестибулярного аппарата давят на нервные окончания, таким образом подсказывая нашему мозгу, где верх и низ, ориентируя тело человека в пространстве.
Вес и невесомость
Совсем другое дело, когда тело ничего не весит. Все процессы в нем протекают иначе. Из-за отсутствия давления отолитов наступает нарушение ориентации в пространстве. Понятие «верх» и «низ» в космосе полностью исчезает. Вредит организму человека также отсутствие физической нагрузки. В таком состоянии мышечная ткань атрофируется, если не предпринимать никаких мер. С её деградацией страдает и костная ткань. При отсутствии нагрузки в кости тела поступает меньше фосфора.
Возникают сложности с питанием и глотанием жидкостей. Все жидкости при этом стремятся принять сферическую форму, что очень затрудняет повседневные вещи. Даже обычный насморк в условиях невесомости может оказаться очень тяжёлым испытанием для организма из-за того, что мокроты не выводятся под действием силы тяжести, а образуют сферические капли.
Для поддержания необходимого тонуса космонавты постоянно тренируются по несколько часов в день. При отходе ко сну привязывают себя специальными ремешками, чтобы не получить травму во время сна.
Для питания космонавтов разработана специальная пища в тюбиках и хлеб, который не крошится.
Прежде, чем длительное время испытывать невесомость, человек должен ощутить её действие на земле, чтобы выяснить, как в дальнейшем будет на него воздействовать отсутствие силы тяжести.
Весом тела называют силу, с которой тело вследствие притяжения Землёй давит на неподвижную (относительно Земли) горизонтальную подставку или натягивает нить подвеса. Вес тела равен силе тяжести.
Поскольку опора или подвес в свою очередь действуют на тело, то характерный признак весомости - наличие в теле деформаций, вызванных его взаимодействием с опорой или подвесом.
При свободном падении тел деформации в них отсутствуют, тела в этом случае находятся в состоянии невесомости . На рисунке изображена установка, с помощью которой можно это обнаружить. Установка состоит из пружинных весов, к которым подвешен груз. Вся установка может двигаться по направляющим вниз и вверх.
Если весы с грузом свободно падают, то указатель весов стоит на нуле, значит, пружина весов при этом не деформирована.
Разберём это явление, пользуясь законами движения. Допустим, что груз, подвешенный на пружине, движется вниз с ускорением а. На основании второго закона Ньютона мы можем сказать, что на него действует сила, которая равна разности сил Р и F, где Р - сила тяжести, a F - сила упругости пружины, приложенные к грузу. Итак,
ma = Р - F или ma = mg - F
F = m (g - a)
При свободном падении груза а = g и, следовательно,
F - m (g - а) = 0
Это указывает на отсутствие в пружине (и в грузе) упругих деформаций.
Состояние невесомости имеет место не только при свободном падении, но и при любом свободном полёте тела, когда на него действует только одна сила тяжести. В этом случае частицы тела не действуют на опору или подвес и не получают под влиянием тяготения к Земле ускорения относительно этой опоры или подвеса.
Если установку, изображённую на рисунке, резким рывком за верёвку заставить свободно двигаться вверх, то указатель весов при таком движении будет стоять на нуле. И в этом случае весы и груз, двигаясь вверх с одинаковым ускорением, не взаимодействуют друг с другом.
Итак, если на тела действует лишь одна сила тяжести, то они находятся в состоянии невесомости, характерный признак которого - отсутствие у них деформаций и внутренних напряжений.
Состояние невесомости не следует смешивать с состоянием тела, находящегося под действием уравновешенных сил. Так, если тело находится внутри жидкости, вес которой в объёме тела равен весу тела, то сила тяжести уравновешивается выталкивающей силой, Но тело будет давить на жидкость (как на опору), вследствие чего напряжения, вызванные в нём силой тяжести, не исчезнут, а значит, оно не будет находиться в состоянии невесомости.
Рассмотрим теперь невесомость тел на искусственных спутниках Земли. При свободном полёте спутника по орбите вокруг Земли сам спутник и все тела, находящиеся на нём, в системе отсчёта, связанной с центром массы Земли или с «неподвижными» звёздами, движутся с одинаковым в каждый данный момент времени ускорением. Величина этого ускорения определяется действующими на них силами тяготения к Земле (силы тяготения к другим космическим телам можно не учитывать, они очень малы). От массы тела, как мы видели, это ускорение не зависит. При этих условиях между спутником и всеми находящимися на нём телами (а также и между их частицами), взаимодействия, обусловленного тяготением к Земле, не будет. Это значит, что при свободном полёте спутника все находящиеся в нём тела будут в состоянии невесомости.
Не закреплённые в корабле-спутнике тела, сам космонавт свободно парят внутри спутника; жидкость, налитая в сосуд, не давит на дно и стенки сосуда, поэтому она не вытекает через отверстие в сосуде; отвесы (и маятники) покоятся в любом положении, в котором их остановили.
Космонавту, чтобы удержать руку или ногу в наклонном положении, не требуется никакого усилия. У него исчезает представление о том, где «верх» и где «низ».
Если сообщить какому-нибудь телу скорость относительно кабины спутника, то оно будет двигаться прямолинейно и равномерно, пока не столкнётся с другими телами.
Чтобы ликвидировать возможные опасные последствия действия состояния невесомости на жизнедеятельность живых организмов, и прежде всего человека, учёные разрабатывают различные способы создания искусственной «тяжести», например путём придания, будущим межпланетным станциям вращательного движения вокруг центра тяжести. Сила упругости стенок будет создавать необходимое центростремительное ускорение , и вызывать деформации в соприкасающихся с ними телах, подобные тем, которые они имели в условиях Земли.
Казалось бы, тут всё просто. Невесомость - это когда вы ничего не весите. Можете, как птичка, выпорхнуть в окошко - или кружиться под потолком, как коротышки в книжке Носова «Незнайка на Луне». Но почему тогда в невесомости, ударившись лбом о стенку, космонавт (без скафандра) набьёт себе шишку так же, как любой школьник во дворе? Он ведь как бы «ничего не весит», а значит, и ушибиться, наверное, не может? Или может?
Физика «весом» называют ту силу, с которой любое тело действует на поверхность своей опоры (или подвеса). Допустим, человек сидит на стуле, и вес - это та тяжесть, с которой тело на данный стул опирается. Яблоко лежит на столе, тогда весом будет тяжесть яблока, действующая на поверхность стола под ним. Однако в некоторых обстоятельствах вес исчезает, и яблоко вместо спокойного лежания на столе вдруг начинает плавно летать по помещению. Почему с ним так происходит? Неожиданно, вдруг, как в сказке, вес «уйти» не может: хотя в сказке про коротышек и существует «прибор невесомости», пока ничего подобного в реальности не придумано. Однако невесомость можно найти или создать.
Невесомость возникает в двух различных случаях. В космосе она появляется, потому что мы слишком удалились от Земли и других крупных небесных тел, способных притянуть к себе гравитационными силами. Иногда невесомость такого происхождения называют ещё и «микрогравитацией». Но можно создать невесомость и искусственно. Чаще это делают учёные - в исследовательских целях, например, для того, чтоб хорошо изучить поведение животных или бактерий в невесомости. Изредка эффект временной невесомости создают в развлекательных целях, скажем, при полётах в так называемой аэротрубе. Там «летают» на потоках воздуха, бьющих снизу вверх и своей мощью превозмогающих силу тяжести.
Вес тела может, в отличие от массы, меняться под действием ускорения. Например, мы в скоростном лифте при его движении вверх ощущаем себя тяжелее, чем обычно, а если тот же «скороход» несёт нас вниз, нам кажется, будто тело становится легче. Именно на этом эффекте основано создание невесомости «искусственным путём». Когда самолёт быстро и резко устремляется вниз, у него внутри пассажиры или подопытные животные могут себя ощутить в невесомости, и даже «поплавать» по салону, как в космическом корабле. Такой эффект используют и в подготовке космонавтов, и при изучении реакции живых существ на временное отсутствие гравитации. В такой «невесомости» проводят разные научные эксперименты, которые, возможно, в будущем послужат прогрессу человечества. А для создания искусственной «невесомости» нужно, чтобы ускорение летящего вниз самолёта равнялось ускорению свободного падения тела или было даже чуть больше. Но именно - лишь только совсем чуть-чуть, иначе все подопытные «прилипнут к потолку» и будет уже своего рода «обратная гравитация». Скорость для экспериментов с невесомостью поэтому просчитывают очень точно и тонко - так, чтобы никого не «размазало» о потолок.
Тем не менее, если в такой невесомости вы быстро подплывёте к стене или предмету, то можете крепко треснуться об него плечом, лбом или другой частью тела. Подвох в том, что к Земле - или другой планете, например, к Луне или Марсу, если бы мы туда попали - нас притягивает сила тяжести, создающая наш вес. А боль при ударе лбом или любой другой частью тела о предмет - это «проделки» массы. В чём между ними разница?
Слово «невесомость» употребляется также и в переносном смысле. Например, какой-то очень лёгкий объект могут именовать невесомым. Это может быть вата, пёрышко или нежное облако. На самом деле, конечно, вес всегда имеется, но слово «невесомый» берут, чтобы показать, насколько он мал и незаметен. Иногда ощущением невесомости называют и сильные «окрыляющие» эмоции - вдохновение, восторг или влюблённость.