Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
"Невесомость" и "Zero-G" перенаправляются сюда. Для использования в других целях, см Невесомость (значения) .
Астронавты на Международной космической станции испытывают только микрогравитацию и поэтому демонстрируют пример невесомости. На переднем плане Майкл Фоул тренируется .

Невесомость - это полное или почти полное отсутствие ощущения веса . Это также называется нулевым ускорением , хотя более правильным термином является "нулевое ускорение ". Это происходит при отсутствии каких-либо сил контакта с объектами, в том числе с телом человека.

Вес - это мера силы, действующей на покоящийся объект в относительно сильном гравитационном поле (например, на поверхности Земли). Эти ощущения веса возникают при контакте с опорными полами, сиденьями, кроватями, весами и т. Д. Также возникает ощущение веса, даже когда гравитационное поле равно нулю, когда контактные силы воздействуют на инерцию тела и преодолевают ее за счет механических, негравитационных сил, например, в центрифуге , вращающейся космической станции или внутри ускоряющегося транспортного средства. .

Когда гравитационное поле неоднородно, тело в свободном падении испытывает приливные эффекты и не остается без напряжения. Вблизи черной дыры такие приливные эффекты могут быть очень сильными. В случае с Землей эффекты незначительны, особенно для объектов относительно небольших размеров (таких как человеческое тело или космический корабль), и общее ощущение невесомости в этих случаях сохраняется. Это состояние известно как микрогравитация , и оно преобладает на орбитальных космических аппаратах.

Невесомость в механике Ньютона [ править ]

В левой половине пружина находится далеко от любого источника гравитации. В правой половине он находится в однородном гравитационном поле. а ) Невесомость и невесомость б ) Невесомость, но не невесомость (пружина приводится в движение ракетой) в ) Пружина находится в свободном падении и невесома г ) Пружина опирается на цоколь и имеет как вес 1, так и вес 2 .

В ньютоновской механике инженеры дают два различных толкования термину «вес».

Вес 1 : Согласно этой интерпретации, «вес» тела - это сила тяжести, действующая на тело, и это понятие веса преобладает в технике. Вблизи поверхности земли, тело которого масса 1 кг (2,2 фунта) имеет вес приблизительно 9,81 N (2,21 фунт ф ), независимо от его состояния движения, свободного падения, или нет . Невесомости в этом смысле можно добиться, убрав тело подальше от источника силы тяжести. Этого также можно достичь, поместив тело в нейтральную точку между двумя гравитирующими массами.
Вес 2 : Вес также можно интерпретировать как количество, которое измеряется при использовании весов. Что измеряется есть сила , действующая на тело на весах. При стандартной операции взвешивания взвешиваемое тело находится в состоянии равновесия из-за силы, действующей на него со стороны весов, нейтрализующей гравитационное поле. К 3 - му закону Ньютона, есть равная и противоположная сила , действующая на тело на машине. Эта сила называется весом 2 . Сила негравитационный. Обычно это контактная сила, а не равномерная по массе тела. Если тело положить на весы в лифте (лифте) в свободном падении с чистой равномерной силой тяжести, весы будут показывать ноль, и тело будет считаться невесомым, то есть его вес 2 = 0. Это описывает состояние, в котором тело не подвержено стрессам и деформировано. Это невесомость при свободном падении в однородном гравитационном поле . (Ситуация более сложная, когда гравитационное поле неоднородно или когда на тело действует несколько сил, которые могут, например, нейтрализовать друг друга и вызвать состояние напряжения, хотя вес 2 равен нулю. См. Ниже.)

Подводя итог, у нас есть два понятия веса, из которых вес 1 является доминирующим. Тем не менее, «невесомость» обычно выражается не в отсутствии груза 1, а в отсутствии напряжения, связанного с весом 2 . Это подразумеваемое ощущение невесомости в дальнейшем.

Тело не имеет напряжений, имеет нулевой вес 2 , когда единственная сила, действующая на него, - это вес 1, как при свободном падении в однородном гравитационном поле. Без индексов получается странно звучащий вывод, что тело невесомо, когда единственная сила, действующая на него, - это его вес.

Апокрифическое яблоко, упавшее на голову Ньютона, можно использовать для иллюстрации связанных с этим проблем. Яблоко весит примерно 1 ньютон (0,22 фунта силы ). Это вес 1 яблока, который считается постоянным, даже когда оно падает. Однако во время этого падения его вес 2 равен нулю: игнорируя сопротивление воздуха, яблоко не испытывает стресса. Когда оно попадает в Ньютон, ощущение, которое испытывает Ньютон, будет зависеть от высоты, с которой яблоко падает, а вес 2 яблока в момент удара может во много раз превышать 1 Н (0,22 фунта силы ). Это вес 2который искажает яблоко. Спускаясь вниз, яблоко при свободном падении не искажается, так как гравитационное поле однородно.

Стресс во время свободного падения [ править ]

  1. В однородном гравитационном поле: рассмотрите любое поперечное сечение, разделяющее тело на две части. Обе части имеют одинаковое ускорение, и сила, действующая на каждую из них, создается внешним источником поля. Одна часть не оказывает силы на другую. Напряжение в поперечном сечении равно нулю. Вес 2 равен нулю.
  2. В неоднородном гравитационном поле: только под действием силы тяжести одна часть тела может иметь ускорение, отличное от ускорения другой части. Это может привести к деформации тела и возникновению внутренних напряжений, если тело сопротивляется деформации. Вес 2 не равен 0.

На протяжении всего обсуждения использования напряжения в качестве индикатора веса любое предварительное напряжение, которое может существовать в теле, вызванное силой, действующей на одну часть другой, не имеет значения. Единственные релевантные напряжения - это напряжения, создаваемые внешними силами, приложенными к телу.

Определение и использование «невесомости» затруднительно, если не понимать, что ощущение «веса» в повседневном земном опыте возникает не только из-за действия гравитации (которая не ощущается), а за счет механических сил, противостоящих гравитации. Все объекты, находящиеся в прямом свободном падении или по более сложной инерционной траектории свободного падения (например, внутри самолета с пониженной гравитацией или внутри космической станции), испытывают невесомость, так как они не испытывают механических сил, вызывающих ощущение масса.

Силовые поля, отличные от гравитации [ править ]

Как отмечалось выше, невесомость возникает, когда

  1. на объект не действует результирующая сила
  2. равномерная гравитация действует сама по себе.

Для полноты необходимо добавить 3-ю второстепенную возможность. Дело в том, что на тело может действовать поле, которое не является гравитационным, но такое, что сила, действующая на объект, равномерно распределяется по массе объекта. Возможным примером является электрически заряженное тело, равномерно заряженное в однородном электрическом поле. Электрический заряд здесь заменяет обычный гравитационный заряд. Тогда такое тело не будет подвержено стрессам и будет классифицировано как невесомое. В эту категорию могут попадать различные виды левитации , по крайней мере приблизительно.

Невесомость и правильное ускорение [ править ]

Тело в свободном падении (которое по определению не вызывает аэродинамических сил) у поверхности земли имеет ускорение, приблизительно равное 9,8 м / с 2 (32 фут / с 2 ) относительно системы координат, привязанной к земле. Если тело находится в свободно падающем лифте и не подвергается толчкам или вытягиванию со стороны лифта или его содержимого, ускорение по отношению к лифту будет нулевым. С другой стороны, если на тело действуют силы, действующие со стороны других тел внутри лифта, оно будет иметь ускорение по сравнению с свободно падающим лифтом. Это ускорение, которое не связано с силой тяжести, называется « правильным ускорением ». При таком подходе невесомость сохраняется, когда собственное ускорение равно нулю.

Способы избежать невесомости [ править ]

Невесомость контрастирует с нынешним человеческим опытом, в котором действует неоднородная сила, например:

  • стоя на земле, сидя в кресле на земле и т. д., где гравитации противостоит опорная сила земли,
  • полет на самолете, где опорная сила передается от подъемной силы, обеспечиваемой крыльями (особые траектории, составляющие исключение, описаны ниже),
  • во время входа в атмосферу в атмосфере или во время использования парашюта , когда сопротивление атмосферы замедляет транспортное средство,
  • во время орбитального маневра в космическом корабле или на этапе запуска, когда ракетные двигатели обеспечивают тягу .

В случаях, когда объект не является невесомым, как в приведенных выше примерах, сила действует на рассматриваемый объект неравномерно. Аэродинамическая подъемная сила, сопротивление и тяга - все неоднородные силы (они действуют в точке или на поверхности, а не на всю массу объекта) и, таким образом, создают явление веса. Эта неоднородная сила может также передаваться объекту в точке контакта со вторым объектом, например, при контакте между поверхностью Земли и ногами или между ремнями безопасности парашюта и телом.

Приливные силы [ править ]

Два жестких куба, соединенных эластичной нитью, в свободном падении возле черной дыры. Струна растягивается, когда тело падает вправо.

Приливные силы возникают, когда гравитационное поле неоднородно и существуют градиенты гравитации . Это действительно норма, и, строго говоря, любой объект конечного размера даже в свободном падении подвержен приливным эффектам. Их невозможно удалить инерционным движением, кроме как в одной определенной точке тела. Земля находится в свободном падении, но наличие приливов указывает на то, что она находится в неоднородном гравитационном поле. Эта неоднородность больше связана с луной, чем с солнцем. Общее гравитационное поле Солнца намного сильнее, чем у Луны, но оно имеет незначительный приливный эффект по сравнению с Луной из-за относительных расстояний. Вес 1Земли в основном из-за гравитации Солнца. Но его состояние напряжения и деформации, представленное приливами, больше связано с неравномерностью гравитационного поля ближайшей луны. Когда размер рассматриваемой области мал по сравнению с ее расстоянием от гравитирующей массы, предположение об однородном гравитационном поле остается в хорошем приближении. Таким образом, человек мал по сравнению с радиусом Земли, а поле человека на поверхности Земли приблизительно однородно. Поле строго неоднородно и отвечает за явление микрогравитации . Объекты около черной дыры подвержены очень неоднородному гравитационному полю.

Ссылки [ править ]

Во всех инерциальных системах отсчета , пока ощущается невесомость, первый закон движения Ньютона выполняется локально внутри системы.. Внутри кадра (например, внутри орбитального корабля или свободно падающего лифта) невынужденные объекты сохраняют свою скорость относительно кадра. Объекты, не контактирующие с другими объектами, «плавают» свободно. Если на инерциальную траекторию влияет сила тяжести, система отсчета будет ускоренной системой, если смотреть из положения за пределами гравитационного притяжения, и (если смотреть издалека) объекты в кадре (лифт и т. Д.) Будут казаться находящимися под влияние силы (так называемая сила тяжести). Как уже отмечалось, объекты, подверженные исключительно гравитации, не ощущают ее воздействия. Таким образом, невесомость может быть реализована в течение коротких периодов времени в самолете, который следует определенной эллиптической траектории полета, которую часто ошибочно называют параболическим полетом. Плохо смоделировано, с множеством отличий, в нейтральной плавучести. условия, такие как погружение в емкость с водой.

Невесомость, невесомость, акселерометры [ править ]

Zero-g - это альтернативный термин для обозначения невесомости, и он сохраняется, например, в свободно падающем лифте. Невесомость немного отличается от полного отсутствия гравитации, что невозможно из-за присутствия гравитации повсюду во Вселенной. Термин «невесомость» может также использоваться для обозначения эффективной невесомости без учета приливных эффектов. Микрогравитация (или мкг ) используется для обозначения ситуаций, которые по существу невесомы, но где напряжения перегрузки внутри объектов из-за приливных эффектов, как обсуждалось выше, составляют примерно одну миллионную от напряжения на поверхности Земли. Акселерометры могут определять только перегрузку, т.е. вес 2(= масса × собственное ускорение). Они не могут обнаружить ускорение, связанное со свободным падением. [а]

Ощущение веса [ править ]

Сила на ступни примерно вдвое больше, чем на поперечном сечении пупка.

Люди испытывают собственный вес тела в результате этой поддерживающей силы, которая приводит к нормальной силе, приложенной к человеку поверхностью поддерживающего объекта, на котором человек стоит или сидит. В отсутствие этой силы человек был бы в свободном падении и испытал бы невесомость. Именно передача этой силы реакции через человеческое тело и возникающее в результате сжатие и растяжение тканей тела приводит к ощущению веса.

Из-за распределения массы по телу человека величина силы реакции варьируется между ступнями и головой человека. В любом горизонтальном поперечном сечении тела человека (как и в случае любой колонны ) величина сжимающей силы, которой оказывают сопротивление ткани ниже поперечного сечения, равна весу части тела над поперечным сечением. В позе, принятой на прилагаемой иллюстрации, плечи несут вес вытянутых рук и подвергаются значительному вращению.

Распространенное заблуждение [ править ]

Распространенное представление о космических кораблях, вращающихся вокруг Земли, заключается в том, что они работают в среде, свободной от гравитации. Хотя есть способ понять это в рамках физики общей теории относительности Эйнштейна, в рамках физики Ньютона, это технически неточно.

Геостационарный спутник над отмеченной точкой на экваторе. Наблюдатель на отмеченном месте увидит, что спутник остается прямо над головой, в отличие от других небесных объектов, которые проносятся по небу.

Космические корабли удерживаются на орбите за счет силы тяжести планеты, вокруг которой они вращаются. В ньютоновской физике ощущение невесомости, которое испытывают астронавты, возникает не из-за отсутствия гравитационного ускорения (как видно с Земли), а из-за отсутствия перегрузки, которую астронавт может ощущать из-за состояния свободного падения, а также отсутствие разницы между ускорением космического корабля и ускорением космонавта. Космический журналист Джеймс Оберг объясняет это явление следующим образом: [1]

Миф о том, что спутники остаются на орбите, потому что они «покинули гравитацию Земли», еще больше увековечивается (и ложно) почти повсеместным неправильным использованием слова «невесомость» для описания условий свободного падения на борту орбитальных космических аппаратов. Конечно, это неправда; гравитация все еще существует в космосе. Он не дает спутникам улететь прямо в межзвездную пустоту. Чего не хватает, так это «веса», сопротивления гравитационному притяжению заякоренной конструкции или противодействующей силы. Спутники остаются в космосе из-за их огромной горизонтальной скорости, которая позволяет им - хотя их неизбежно притягивает к Земле сила тяжести - - падать «за горизонт». Изогнутый уход земли вдоль круглой поверхности Земли компенсирует падение спутников на землю. Скорость,не положение или отсутствие гравитации, удерживает спутники на орбите вокруг Земли.

В этом контексте особый интерес представляет геостационарный спутник. В отличие от других объектов в небе, которые поднимаются и заходят, объект на геостационарной орбите кажется неподвижным в небе, очевидно, бросая вызов гравитации. Фактически, он находится на круговой экваториальной орбите с периодом в одни сутки.

Относительность [ править ]

Для современного физика, работающего с общей теорией относительности Эйнштейна , ситуация даже сложнее, чем предполагалось выше. Теория Эйнштейна предполагает, что на самом деле допустимо считать, что объекты в инерционном движении (например, падающие в лифте, по параболе в самолете или вращающиеся вокруг планеты) действительно могут рассматриваться как испытывающие локальную потерю гравитационного поля в их рама отдыха. Таким образом, с точки зрения (или кадра) астронавта или корабля, находящегося на орбите, собственное ускорение практически нулевое.(ускорение ощущается локально), как и в случае далеко в космосе, вдали от любой массы. Таким образом, справедливо считать, что большая часть гравитационного поля в таких ситуациях фактически отсутствует с точки зрения падающего наблюдателя, как и предполагает разговорная точка зрения (см. Принцип эквивалентностидля более полного объяснения этого момента). Однако эта потеря гравитации для падающего или движущегося по орбите наблюдателя в теории Эйнштейна происходит из-за самого падающего движения, а (опять же, как в теории Ньютона) не из-за увеличения расстояния от Земли. Однако считается, что гравитация все же отсутствует. Фактически, осознание Эйнштейном того, что чистое гравитационное взаимодействие невозможно почувствовать, если убрать все другие силы, было ключевым моментом, который привел его к мнению, что гравитационная «сила» может в некотором смысле рассматриваться как несуществующая. Скорее, объекты имеют тенденцию следовать геодезическим путям в искривленном пространстве-времени, и это «объясняется» как сила «ньютоновскими» наблюдателями, которые предполагают, что пространство-время «плоское» и, таким образом, не имеют причин для искривленных путей. (т.е. «падающее движение»объекта вблизи гравитационного источника).

В общей теории относительности единственная гравитация, которая остается для наблюдателя, идущего по падающему пути или "инерционному" пути около гравитирующего тела, - это гравитация, которая возникает из-за неоднородностей, которые остаются в гравитационном поле даже для падающего наблюдателя. . Эта неоднородность, которая является простым приливным эффектом в ньютоновской динамике, составляет " микрогравитацию".«которое ощущается всеми протяженными в пространстве объектами, падающими в любое естественное гравитационное поле, происходящее из компактной массы. Причина этих приливных эффектов заключается в том, что такое поле будет иметь свое начало в централизованном месте (компактная масса), и, следовательно, будут расходиться и немного различаться по силе в зависимости от расстояния от массы. Таким образом, она будет варьироваться по ширине падающего или вращающегося объекта. Таким образом, термин «микрогравитация», слишком технический термин с ньютоновской точки зрения, является допустимым. и описательный термин с общей релятивистской (эйнштейновской) точки зрения.

Микрогравитация [ править ]

Основная статья: Микро-среда

Термин микрогравитация (также мкг , часто называют термином микрогравитации ) является более или менее синонимом невесомости и нуль-G , но указывает на то, что G-силы не совсем ноль, только очень маленький. [ необходима цитата ]

Среды невесомости и пониженного веса [ править ]

Маневр полета в невесомости

Уменьшенный вес в самолете [ править ]

Основная статья: Самолет с пониженной гравитацией

Самолеты использовались с 1959 года, чтобы создать практически невесомую среду для обучения космонавтов, проведения исследований и киносъемок. Такой самолет обычно называют « Рвотная комета ».

Чтобы создать невесомую среду, самолет летит по параболической дуге длиной шесть миль , сначала набирая высоту, а затем погружаясь в глубину. Во время дуги движение и рулевое управление самолета контролируются таким образом, что сопротивление (сопротивление воздуха) самолета нивелируется, в результате чего самолет ведет себя так, как если бы он падал в вакууме. В течение этого периода люди, находящиеся в самолете, испытывают невесомость в течение 22 секунд, а затем испытывают примерно 22 секунды ускорения 1,8 g (почти в два раза больше нормального веса) во время выхода из параболы. Типичный полет длится около двух часов, в течение которого пролетает 30 парабол.

Самолет НАСА KC-135A поднимается для маневра в невесомости

Самолет НАСА с уменьшенной гравитацией [ править ]

Версии таких самолетов эксплуатируются в рамках Программы исследований пониженной гравитации НАСА с 1973 года, откуда и произошло это неофициальное прозвище. [2] Позже НАСА приняло для публикации официальное прозвище «Невесомое чудо». [3] Нынешний самолет НАСА с уменьшенной гравитацией, «Невесомое чудо VI», McDonnell Douglas C-9 , базируется на Эллингтон-Филд (KEFD), недалеко от Космического центра Линдона Б. Джонсона .

Университет микрогравитации НАСА - План возможностей полета с пониженной гравитацией, также известный как Программа возможностей полета студентов с пониженной гравитацией, позволяет группам студентов подавать предложения по эксперименту с микрогравитацией. Если выбрано, команды разрабатывают и реализуют свой эксперимент, а студентов приглашают летать на комете Vomit Comet НАСА.

Европейское космическое агентство A310 Zero-G [ править ]

Европейское космическое агентство летит параболические полеты на специально модифицированном Airbus A310-300 самолетов, [4] для выполнения исследований в условиях микрогравитации. Кроме того, европейское Европейское космическое агентство , французский CNES и немецкий DLR проводят кампании из трех полетов в последовательные дни, каждый пролетает около 30 парабол, в общей сложности около 10 минут невесомости за полет. Эти кампании в настоящее время проводятся из аэропорта Бордо - Мериньяк во Франции компанией Novespace , [5] дочерней компанией французской CNES., а самолетом управляют летчики-испытатели из DGA Essais en Vol. Первые полеты ESA Zero-G были совершены в 1984 году с использованием самолета NASA KC-135 в Хьюстоне , штат Техас. По состоянию на май 2010 года ЕКА провело 52 кампании, а также 9 студенческих параболических полетов. [6]

Другие самолеты, которые он использовал, включают российский Ильюшин Ил-76 МДК до основания Novespace, а затем французскую Caravelle , затем Airbus A300 Zero-G и теперь Airbus A310 [7] [8] [9]

Коммерческие рейсы для пассажиров общественного транспорта [ править ]

Внутри российского МДК им. Ильюшина в Центре подготовки космонавтов имени Гагарина.

Компания Novespace создала Air Zero G в 2012 году, чтобы поделиться опытом невесомости с 40 пассажирами на рейсах, используя тот же A310 ZERO-G, что и для научных экспериментов. [10] Эти рейсы продает Avico , в основном они выполняются из Бордо-Мериньяк , Франция , и предназначены для содействия европейским космическим исследованиям, позволяя пассажирам общего пользования ощущать невесомость. Жан-Франсуа Клервой , председатель Novespace и астронавт ЕКА , летает с астронавтами-однодневками Air Zero G на борту A310 Zero-G. После полета он объясняет космические поиски и рассказывает о трех космических путешествиях, которые он совершил за свою карьеру. Самолет также использовался в кино, с Томом Крузом.и Аннабель Уоллис для мумии в 2017 году. [11]

Zero Gravity Corporation , основанная в 1993 году Диамандис, Байрон Лихтенберг, и Рэй Cronise, работает модифицированный Boeing 727 , который летит параболические дуги для создания 25-30 секунд невесомости. Авиабилеты можно покупать как в туристических, так и в исследовательских целях.

Наземные десантные сооружения [ править ]

Испытания в условиях невесомости в Центре исследования невесомости НАСА

Наземные сооружения, создающие условия невесомости для исследовательских целей, обычно называются спусковыми трубами или спусковыми вышками.

Центр исследования невесомости НАСА , расположенный в Исследовательском центре Гленна в Кливленде, штат Огайо , представляет собой 145-метровую вертикальную шахту, расположенную в значительной степени под землей, со встроенной вакуумной камерой, в которой экспериментальный автомобиль может свободно падать в течение некоторого времени. за 5,18 секунды, упав с дистанции 132 метра. Эксперимент транспортное средство остановлено примерно 4,5 метров гранул из вспененного полистирола и испытывает пик замедления скорости 65 г .

Также в НАСА Гленн находится 2,2-секундная башня для падения с высоты 24,1 метра. Эксперименты помещаются в защитный экран, чтобы уменьшить влияние сопротивления воздуха. Весь пакет останавливается в 3,3 метра в высоту воздушного мешка, со скоростью замедления пика приблизительно 20 г . В то время как установка невесомости производит одно или два сброса в день, 2,2-секундная башня падения может проводить до двенадцати капель в день.

В Центре космических полетов НАСА им. Маршалла находится еще одна установка с капельной трубой высотой 105 метров, обеспечивающая свободное падение 4,6 секунды в условиях, близких к вакууму . [12]

Люди не могут использовать эти гравитационные валы, так как замедление, испытываемое падающей камерой, вероятно, убьет или серьезно повредит любого, кто их использует; 20 г - это максимальное замедление, которое здоровый человек может выдержать на мгновение, не получив травм. [ необходима цитата ]

Другие пункты назначения по всему миру включают:

  • Лаборатория микрогравитации Японии (MGLAB) - свободное падение 4,5 с.
  • Экспериментальная капельная трубка металлургического факультета Гренобля - свободное падение 3,1 с.
  • Fallturm Бременский университет Бремена в Бремене - свободное падение 4,74 с
  • Башня падения Технологического университета Квинсленда - свободное падение за 2,0 секунды

Нейтральная плавучесть [ править ]

Условия, аналогичные некоторым условиям невесомости, также можно смоделировать, создав условия нейтральной плавучести , при которых люди и оборудование помещаются в водную среду и взвешиваются или подпираются до тех пор, пока они не зависнут на месте. НАСА использует нейтральную плавучесть для подготовки к внекорабельной деятельности (EVA) в своей Лаборатории нейтральной плавучести . Нейтральная плавучесть также используется для исследования EVA в Университете штата Мэриленд «s Лаборатория космических систем , который управляет только нейтральной плавучести танк в колледже или университете.

Нейтральная плавучесть не тождественна невесомости. Гравитация по-прежнему действует на все объекты в резервуаре нейтральной плавучести; таким образом, астронавты, проходящие курс обучения нейтральной плавучести, по-прежнему ощущают весь свой вес в скафандрах, хотя вес хорошо распределен, подобно силе, действующей на человеческое тело в водяной постели или при простом плавании в воде. Костюм и космонавт вместе не подвергаются действию чистой силы, как любой объект, который плавает или поддерживается в воде, например аквалангист с нейтральной плавучестью. Вода также вызывает сопротивление, которого нет в вакууме.

Невесомость в космическом корабле [ править ]

Связь между векторами ускорения и скорости в орбитальном космическом корабле
Американский астронавт Марша Айвинс демонстрирует эффект невесомости на длинные волосы во время STS-98

На космических кораблях за пределами атмосферы планеты происходят длительные периоды невесомости , если не используется движущая сила и корабль не вращается. Невесомость не возникает, когда космический корабль запускает двигатели или повторно входит в атмосферу, даже если результирующее ускорение является постоянным. Тяга, создаваемая двигателями, действует на поверхность сопла ракеты, а не действует равномерно на космический корабль, и передается через конструкцию космического корабля через сжимающие и растягивающие силы на предметы или людей внутри.

Невесомость в орбитальном космическом корабле физически идентична свободному падению, с той разницей, что гравитационное ускорение вызывает чистое изменение направления , а не величины скорости космического корабля . Это потому, что вектор ускорения перпендикулярен вектору скорости.

При типичном свободном падении ускорение свободного падения действует в направлении скорости объекта, линейно увеличивая его скорость при падении на Землю или замедляя, если он удаляется от Земли. В случае орбитального космического корабля, который имеет вектор скорости, в значительной степени перпендикулярный силе тяжести, гравитационное ускорение не приводит к чистому изменению скорости объекта, а вместо этого действует центростремительно , чтобы постоянно "поворачивать" скорость космического корабля при его движении. вокруг Земли. Поскольку вектор ускорения поворачивается вместе с вектором скорости, они остаются перпендикулярными друг другу. Без этого изменения направления вектора скорости космический корабль двигался бы по прямой линии, покидая Землю совсем.

Невесомость в центре планеты [ править ]

Чистая гравитационная сила, создаваемая сферически симметричной планетой, равна нулю в центре. Это ясно из-за симметрии, а также из теоремы Ньютона об оболочке, которая утверждает, что чистая гравитационная сила, обусловленная сферически-симметричной оболочкой, например полым шаром, равна нулю в любом месте внутри полого пространства. Таким образом, материал в центре невесом.

Воздействие на здоровье человека [ править ]

Основные статьи: Влияние космического полета на организм человека и Космическая медицина
Астронавт Клейтон Андерсон, когда большая капля воды плывет перед ним на Discovery. Сплоченность играет большую роль в космосе.

После появления космических станций , на которых можно жить в течение длительного времени, было продемонстрировано, что невесомость оказывает пагубное воздействие на здоровье человека. [13] Люди хорошо приспособлены к физическим условиям на поверхности Земли. В ответ на длительный период невесомости различные физиологические системы начинают изменяться и атрофироваться. Хотя эти изменения обычно временны, могут возникнуть долгосрочные проблемы со здоровьем.

Самая распространенная проблема, с которой люди сталкиваются в первые часы невесомости, известна как синдром космической адаптации или SAS, обычно называемый космической болезнью. Симптомы САС включают тошноту и рвоту , головокружение , головные боли , летаргию и общее недомогание. [14] О первом случае SAS сообщил космонавт Герман Титов в 1961 году. С тех пор примерно 45% всех людей, которые летали в космос, страдали от этого состояния. Продолжительность космической болезни варьируется, но ни в коем случае не превышает 72 часов, после чего организм приспосабливается к новой среде. НАСАв шутку измеряет SAS, используя «шкалу Гарна», названную в честь сенатора США Джейка Гарна , чей SAS во время STS-51-D был худшим за всю историю наблюдений. Соответственно, один «Гарн» эквивалентен самому тяжелому случаю САС. [15]

Наиболее значительными побочными эффектами длительной невесомости являются атрофия мышц (дополнительную информацию см. В разделе Снижение мышечной массы, силы и работоспособности в космосе ) и разрушение скелета или остеопения во время космических полетов . [14] Эти эффекты можно свести к минимуму с помощью режима упражнений [16], например езды на велосипеде. Астронавты, находящиеся в длительном пребывании в невесомости, носят штаны с эластичными лентами между поясом и манжетами для сжатия костей ног и уменьшения остеопении. [17] Другие важные эффекты включают перераспределение жидкости (вызывающее появление «лунного лица», типичного для изображений астронавтов в невесомости), [17][18] замедление сердечно-сосудистой системы по мере уменьшения кровотока в ответ на недостаток силы тяжести, [19] снижение выработки красных кровяных телец , нарушение баланса и ослабление иммунной системы . Менее выраженные симптомы включают потерю массы тела, заложенность носа, нарушение сна, чрезмерное метеоризм и отечность лица. Эти эффекты начинают быстро меняться по возвращении на Землю.

Кроме того, после длительных космических полетов астронавты могут испытывать серьезные проблемы со зрением . [20] [21] [22] [23] [24] Такие проблемы со зрением могут стать серьезной проблемой для будущих полетов в дальний космос, включая миссию с экипажем на планету Марс . [20] [21] [22] [23] [25] Воздействие высоких уровней радиации может также влиять на развитие атеросклероза. [26]

31 декабря 2012 года НАСА -Поддерживаемые исследование показало , что человеческий космический полет может нанести вред мозгам из космонавтов и ускорить начало болезни Альцгеймера . [27] [28] [29] В октябре 2015 года Управление генерального инспектора НАСА опубликовало отчет об опасностях для здоровья, связанных с полетами человека в космос , включая полет человека на Марс . [30] [31]

Воздействие на нечеловеческие организмы [ править ]

Основные статьи: Влияние космического полета на человеческое тело , Инфекция , Лечение во время космического полета и Космическая медицина.

Российские ученые обнаружили различия между тараканами, зачатыми в космосе, и их наземными собратьями. Космические тараканы росли быстрее, а также становились все быстрее и выносливее. [32]

Куриные яйца, помещенные в микрогравитацию через два дня после оплодотворения, не развиваются должным образом, тогда как яйца, помещенные в микрогравитацию более чем через неделю после оплодотворения, развиваются нормально. [33]

Эксперимент космического корабля "Шаттл" 2006 года показал, что Salmonella typhimurium , бактерия, которая может вызывать пищевое отравление, стала более опасной при выращивании в космосе. [34] На 29 апреля 2013, ученые в политехническом институте Rensselaer, финансируемой НАСА , сообщил , что во время космического полета на Международной космической станции , микробы , кажется, адаптироваться к космической среде в отношениях «не наблюдается на Земле» и таким образом , что «может привести к увеличению роста и вирулентности ». [35]

При определенных условиях испытаний микробы процветают в условиях почти невесомости космоса [36] и выживают в космическом вакууме . [37] [38]

Техническая адаптация в невесомости [ править ]

Пламя свечи на орбите (справа) по сравнению с землей (слева)

Невесомость может вызвать серьезные проблемы с техническими приборами, особенно состоящими из множества подвижных частей. Физические процессы, которые зависят от веса тела (например, конвекция , вода для приготовления пищи или горящие свечи), действуют по-разному в свободном падении. Сплоченность и адвекция играют большую роль в космосе. Повседневная работа, такая как умывание или посещение туалета, невозможна без адаптации. Чтобы пользоваться туалетом в космосе, например, на Международной космической станции , астронавты должны пристегиваться к сиденью. Вентилятор создает всасывание, чтобы отодвинуть отходы. Пить можно с помощью трубочки или трубочки.

См. Также [ править ]

  • Искусственная гравитация
  • Клиностат
  • Влияние космического полета на организм человека
  • Европейская ассоциация исследований низкой гравитации (ELGRA)
  • Микро-среда
  • Университет микрогравитации
  • Синдром космической адаптации
  • Космическая медицина
  • Рвота комета

Примечания [ править ]

  1. ^ Примечание: акселерометры могут обнаруживать внезапное изменение свободного падения (например, при падении устройства), но они делают это, измеряя изменение ускорения от некоторого значения до нуля. Акселерометр, использующий один груз или вибрирующий элемент и не измеряющий градиенты на расстояниях внутри акселерометра (который может использоваться для обнаружения микрогравитации или приливных сил), не может определить разницу между свободным падением в поле силы тяжести и невесомостью из-за того, что он находится далеко от массы и источники гравитации. Это связано с сильным принципом эквивалентности Эйнштейна.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Оберг, Джеймс (май 1993). «Космические мифы и заблуждения» . Омни . 15 (7). Архивировано 27 сентября 2007 года . Проверено 2 мая 2007 .
  2. ^ Программа исследования пониженной гравитации
  3. ^ "Загрузка ..." www.nasaexplores.com . Проверено 24 апреля 2018 года .
  4. ^ "Полет в невесомости означает высокую нагрузку на старый A310" . Flightglobal.com . 2015-03-23. Архивировано 21 августа 2017 года . Проверено 23 августа 2017 .
  5. ^ "Novespace: микрогравитация, воздушные миссии" . www.novespace.com . Архивировано 31 марта 2018 года . Проверено 24 апреля 2018 года .
  6. ^ Европейское космическое агентство . «Кампании параболических полетов» . Веб-сайт ЕКА "Полет человека в космос" . Архивировано 26 мая 2012 года . Проверено 28 октября 2011 .
  7. ^ Европейское космическое агентство . «A300 Zero-G» . Веб-сайт ЕКА "Полет человека в космос" . Проверено 12 ноября 2006 .
  8. ^ Европейское космическое агентство . «Очередной поход» . Веб-сайт ЕКА "Полет человека в космос" . Проверено 12 ноября 2006 .
  9. ^ Европейское космическое агентство . «Организация кампании» . Веб-сайт ЕКА "Полет человека в космос" . Проверено 12 ноября 2006 .
  10. ^ "Французский астронавт выполняет" Лунную походку "в параболическом полете - Air & Cosmos - International" . Air & Cosmos - Международный . Архивировано 21 августа 2017 года . Проверено 23 августа 2017 .
  11. ^ "Том Круз бросает вызов гравитации в Novespace ZERO-G A310" . Архивировано 21 августа 2017 года . Проверено 23 августа 2017 .
  12. ^ «Центр космических полетов им. Маршалла» . nasa.gov . Проверено 24 апреля 2018 года .
  13. Рианна Чанг, Кеннет (27 января 2014 г.). «Существа, не созданные для космоса» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано 28 января 2014 года . Проверено 27 января 2014 года .
  14. ^ a b Канас, Ник; Манзи, Дитрих (2008), «Основные вопросы адаптации человека к космическому полету», Космическая психология и психиатрия , Библиотека космических технологий, 22 : 15–48, Bibcode : 2008spp..book ..... K , doi : 10.1007 / 978-1-4020-6770-9_2 , ISBN 978-1-4020-6769-3
  15. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 06.04.2012 . Проверено 10 мая 2012 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ), стр. 35, Проект устной истории Космического центра Джонсона, интервью с доктором Робертом Стивенсоном:

    «Джейк Гарн был болен, был довольно болен. Я не знаю, стоит ли нам рассказывать подобные истории. Но в любом случае, Джейк Гарн, он оставил след в Корпусе астронавтов, потому что он представляет собой максимальный уровень космической болезни, который может когда-либо достигнуть, и поэтому признаком того, что он полностью болен и совершенно некомпетентен, является один Гарн. Большинство парней получат, может быть, десятую часть Гарна, если так высоко. И в Отряде астронавтов он навсегда останется в памяти этим ».

  16. ^ Келли, Скотт (2017). Выносливость: год в космосе, время открытий . С Маргарет Лазарус Дин. Альфред А. Кнопф, подразделение Penguin Random House. п. 174. ISBN 9781524731595. Одна из приятных вещей в жизни в космосе заключается в том, что упражнения - это часть вашей работы ... Если я не буду заниматься физическими упражнениями шесть дней в неделю хотя бы пару часов в день, мои кости значительно потеряют массу - по 1 проценту каждая. месяц ... Наши тела умеют избавляться от того, что не нужно, и мое тело начало замечать, что мои кости не нужны в условиях невесомости. Не имея необходимости поддерживать свой вес, мы также теряем мышцы.
  17. ^ a b « Health Fitness, Архивировано 19 мая 2012 г. на Wayback Machine », Space Future
  18. ^ « Удовольствие от космических полетов архивной 2012-02-21 в Wayback Machine », Тойоайро Акияма, журнал космической техники и науки , Vol.9 No.1 весной 1993 года, pp.21-23
  19. ^ «Безумные эффекты, которые космические путешествия оказывают на человеческое тело» . buzzle.com . Проверено 24 апреля 2018 года .
  20. ^ а б Мадер, TH; и другие. (2011). «Отек диска зрительного нерва, уплощение глобуса, хориоидальные складки и гиперметропические сдвиги, наблюдаемые у космонавтов после длительного космического полета» . Офтальмология . 118 (10): 2058–2069. DOI : 10.1016 / j.ophtha.2011.06.021 . PMID 21849212 . 
  21. ↑ a b Puiu, Tibi (9 ноября 2011 г.). «Во время длительных космических полетов сильно ухудшается зрение космонавтов» . zmescience.com. Архивировано 10 ноября 2011 года . Проверено 9 февраля 2012 года .
  22. ^ а б "Видео новости - CNN" . CNN . Архивировано 4 февраля 2009 года . Проверено 24 апреля 2018 года .
  23. ^ a b Space Staff (13 марта 2012 г.). "Космический полет вреден для зрения космонавтов, предполагает исследование" . Space.com . Архивировано 13 марта 2012 года . Проверено 14 марта 2012 года .
  24. ^ Крамер, Ларри А .; и другие. (13 марта 2012 г.). «Орбитальные и внутричерепные эффекты микрогравитации: результаты 3-T МРТ» . Радиология . 263 (3): 819–827. DOI : 10,1148 / radiol.12111986 . PMID 22416248 . Проверено 14 марта 2012 года . 
  25. Рианна Фонг, Мэриленд, Кевин (12 февраля 2014 г.). «Странные, смертельные эффекты, которые Марс может оказать на ваше тело» . Проводной . Архивировано 14 февраля 2014 года . Проверено 12 февраля 2014 .
  26. ↑ Аббаси, Дженнифер (20 декабря 2016 г.). "Смерть астронавтов Аполлона проливает свет на радиацию в глубоком космосе и сердечно-сосудистые заболевания?". JAMA . 316 (23): 2469–2470. DOI : 10,1001 / jama.2016.12601 . PMID 27829076 . 
  27. ^ Черри, Джонатан Д .; Фрост, Джеффри Л .; Lemere, Cynthia A .; Уильямс, Жаклин П .; Olschowka, John A .; О'Бэнион, М. Керри (2012). «Галактическое космическое излучение приводит к когнитивным нарушениям и увеличению накопления бляшек Aβ в мышиной модели болезни Альцгеймера» . PLOS ONE . 7 (12): e53275. Bibcode : 2012PLoSO ... 753275C . DOI : 10.1371 / journal.pone.0053275 . PMC 3534034 . PMID 23300905 .  
  28. ↑ Персонал (1 января 2013 г.). «Исследование показывает, что космические путешествия вредны для мозга и могут ускорить развитие болезни Альцгеймера» . SpaceRef . Проверено 7 января 2013 года .
  29. ^ Запугав, Кит (3 января 2013). «Важные результаты исследований, о которых НАСА не говорит (обновление)» . НАСА Watch . Проверено 7 января 2013 года .
  30. Рианна Данн, Марсия (29 октября 2015 г.). «Отчет: НАСА необходимо лучше справляться с опасностями для здоровья Марса» . AP News . Архивировано 30 октября 2015 года . Проверено 30 октября 2015 года .
  31. ↑ Персонал (29 октября 2015 г.). «Усилия НАСА по управлению рисками для здоровья и работоспособности человека при исследовании космоса (IG-16-003)» (PDF) . НАСА . Архивировано 30 октября 2015 года (PDF) . Проверено 29 октября 2015 года .
  32. ^ "Супер-тараканы-мутанты из космоса" . Новый ученый. 21 января 2008 года. Архивировано 4 июня 2016 года.
  33. ^ "Эксперимент с яйцом в космосе вызывает вопросы" . Нью-Йорк Таймс . 1989-03-31. Архивировано 21 января 2009 года.
  34. ^ Caspermeyer, Джо (23 сентября 2007). «Космический полет изменяет способность бактерий вызывать болезни» . Государственный университет Аризоны . Архивировано 14 сентября 2017 года . Проверено 14 сентября 2017 года .
  35. ^ Ким В. и др. (29 апреля 2013 г.). «Космический полет способствует образованию биопленок синегнойной палочкой» . PLOS ONE . 8 (4): e6237. Bibcode : 2013PLoSO ... 862437K . DOI : 10.1371 / journal.pone.0062437 . PMC 3639165 . PMID 23658630 .  
  36. ↑ Дворский, Джордж (13 сентября 2017 г.). «Тревожное исследование показывает, почему некоторые бактерии в космосе более устойчивы к лекарствам» . Gizmodo . Архивировано 14 сентября 2017 года . Проверено 14 сентября 2017 года .
  37. ^ Доза, К .; Bieger-Dose, A .; Dillmann, R .; Gill, M .; Kerz, O .; Klein, A .; Meinert, H .; Nawroth, T .; Risi, S .; Стридде, К. (1995). «ЭРА-эксперимент« Космическая биохимия » ». Успехи в космических исследованиях . 16 (8): 119–129. Bibcode : 1995AdSpR..16..119D . DOI : 10.1016 / 0273-1177 (95) 00280-R . PMID 11542696 . 
  38. ^ Хорнек G .; Eschweiler, U .; Reitz, G .; Wehner, J .; Willimek, R .; Штраух, К. (1995). «Биологические реакции на космос: результаты эксперимента« Экзобиологическая единица »ERA на EURECA I». Adv. Space Res . 16 (8): 105–18. Bibcode : 1995AdSpR..16..105H . DOI : 10.1016 / 0273-1177 (95) 00279-N . PMID 11542695 . 

Внешние ссылки [ править ]

Словарное определение невесомости в Викисловаре, связанном с невесомостью, на Викискладе?

  • Полет в невесомости с самолетом в невесомости
  • Центр микрогравитации
  • Полет в условиях невесомости с самолетом невесомости
  • maniacworld.com «Самолет НАСА с уменьшенной гравитацией» , видео с летательного аппарата НАСА с уменьшенной гравитацией и участников полета на этом самолете.
  • Как работает невесомость в HowStuffWorks
  • НАСА - SpaceResearch - Исследования физиологии человека и МКС: оставаться в форме во время путешествия
  • Кресло в невесомости использует концепцию невесомости
  • « Почему космонавты невесомые? » Видео-объяснение ошибки «невесомости».