Доклад на тему невесомость и перегрузка в космосе

Обновлено: 25.06.2024

Любое крупное достижение науки в конечном счете как-то изменяет жизнь каждого из нас. Так было с открытием электричества и электромагнитных волн, с изобретением летательных аппаратов тяжелее воздуха, с созданием полупроводников. Сейчас в жизнь человечества входят ракеты и космические корабли.

Но, пожалуй, впервые, благодаря научно-техническим достижениям в освоении космоса, человек попадет в принципиально новые условия, где по-иному проявляются привычные физические закономерности. Что-либо подобное может произойти разве лишь при освоении морских глубин.

Разумеется, основные законы физики и, в частности, механики одинаковы и на Земле, и под водой, и в космосе. Но проявляются они по-разному в зависимости от условий. А условия эти на Земле и в космосе далеко не одинаковы. На нашей планете они характеризуются двумя главными обстоятельствами. Во-первых, отсутствуют заметные изменения скорости — ускорения в движении точек земной поверхности. А во-вторых, наша планета притягивает к себе все предметы и заставляет их оказывать давление на свои опоры.

Отсутствие ощутимых ускорений связано с особенностями движения Земли в мировом пространстве. Вместе с нашей планетой мы участвуем в двух основных ее движениях: суточном вращении вокруг собственной оси и годовом обращении вокруг Солнца. И хотя мы мчимся вместе с Землей вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, а вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики с чудовищной скоростью около 230 км/с, мы этого не ощущаем, так как организм человека совершенно нечувствителен к скорости равномерного движения.

Впрочем, согласно одному из фундаментальных положений механики, вообще никакими внутренними физическими экспериментами и измерениями невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение.

Ну, а если некоторая система, например, космическая ракета, будет двигаться с ускорением под действием двигателей или испытывая сопротивление среды? При таком движении возникает перегрузка, т. е. увеличение давления на опору. Наоборот, если движение происходит с выключенными двигателями в пустоте, давление на опору исчезает, наступает состояние невесомости.

В условиях Земли давление на опору связано с действием силы тяготения. Но некоторые думают, что сила давления на опору — это и есть та сила, с которой тело притягивается Землей. Если бы дело обстояло так, то, например, в космическом корабле, движущемся к Луне, невесомости не было бы, так как в любой точке орбиты на корабль действовала бы сила земного притяжения. Да и вообще в космосе вряд ли возможно найти такое место, где равнодействующая сил тяготения была бы равна нулю.

Рис. 17. Давление на опору и реакция опоры.

Между тем, сила притяжения приложена не к опоре, а к телу. Таким образом, сила давления на опору и сила притяжения — это совершенно разные силы.

Если космическая ракета движется с ускорением, давление опоры на тело возрастает во столько же раз, во сколько реактивное ускорение ракеты превосходит ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с². Другими словами, на ускоренном участке движения возрастает реакция опоры. Но при этом, в соответствии с третьим законом механики, во столько же раз увеличивается и давление на опору.

Отношение фактического давления на опору к его давлению на опору в условиях Земли получило название перегрузки. Для человека, находящегося на земной поверхности, перегрузка равна, таким образом, единице. К действию этой постоянной перегрузки человеческий организм приспособился, и мы ее просто не замечаем.

Физическая сущность явления перегрузки заключается в том, что не все точки тела получают ускорение одновременно. Действующая на тело сила, например, сила тяги ракетного двигателя, приложена в этом случае к сравнительно небольшой части его поверхности. Остальные же материальные точки тела получают ускорение с некоторым запозданием через деформацию. Другими словами, тело как бы сплющивается, прижимается к опоре.

Рис. 18. Физическая сущность перегрузки.

Многочисленные экспериментальные исследования, которые были начаты еще К.Э. Циолковским, показали, что физиологическое воздействие перегрузки существенно зависит не только от ее продолжительности, но и от положения тела. При вертикальном положении человека значительная часть крови смещается в нижнюю половину тела, что приводит к нарушению кровоснабжения головного мозга. Внутренние органы в результате увеличения своего веса также смещаются вниз, вызывая сильное натяжение связок.

Чтобы избежать опасных для организма перегрузок на участках ускоренного движения, необходимо располагаться таким образом, чтобы действие перегрузки было направлено от спины к груди. Подобное положение позволяет переносить примерно втрое большие перегрузки.

Кстати сказать, именно по этой причине отдыхать лежа — лучше, чем стоя.

Если с действием перегрузки жителям Земли хотя и не часто, но все же приходится встречаться, то с невесомостью они практически не знакомы.

Это удивительное состояние наступает после выключения двигателей ракеты, когда и давление на опору и реакция опоры полностью исчезают. Исчезают и привычные для человека направления верха и низа, а незакрепленные предметы свободно плавают в воздухе.

Рис. 19. Физическая сущность невесомости.

Все это, однако, совершенно неверно.

При каких же условиях возникает невесомость и давление на опору обращается в нуль? Это явление связано с тем, что при свободном движении в космическом пространстве и сама ракета, и все находящиеся в ней предметы под действием сил тяготения движутся с одинаковым ускорением. Опора все время как бы уходит из-под тела, и тело не успевает давить на нее.

Однако и движение на активных участках под действием ракетного двигателя, и движение под действием сил тяготения являются движениями ускоренными. Оба они совершаются под действием сил. Почему же в одном случае возникает перегрузка, а в другом — невесомость?

Парадокс этот кажущийся. Выше уже отмечалось, что при возникновении перегрузок ускорения сообщаются различным точкам тела через деформацию. Другое дело, когда ракета движется в поле тяготения. В пределах размеров ракеты поле тяготения практически однородно, а это значит, что на все частицы ракеты одновременно действуют равные силы. Ведь силы тяготения принадлежат к числу так называемых массовых сил, т. е. сил, которые приложены одновременно ко всем точкам рассматриваемой системы.

Благодаря этому все точки ракеты одновременно получают одинаковые ускорения и всякое взаимодействие между ними исчезает. Исчезает реакция опоры, исчезает давление на опору. Наступает состояние полной невесомости.

Не совсем обычно должны протекать в условиях невесомости и некоторые физические процессы. Еще А. Эйнштейн задолго до космических полетов поставил любопытный вопрос: будет ли гореть свеча в кабине космического корабля?

Великий ученый ответил отрицательно — он считал, что из-за невесомости раскаленные газы не будут уходить из зоны пламени. Тем самым доступ кислорода к фитилю окажется прегражденным, и пламя погаснет.

Однако дотошные современные экспериментаторы решили все же проверить утверждение Эйнштейна на опыте. В одной из лабораторий был поставлен следующий довольно элементарный эксперимент. Горящую свечу, помещенную в закрытую стеклянную банку, сбрасывали с высоты около 70 м. Падающий предмет находился в состоянии невесомости (если не учитывать сопротивления воздуха). Однако свеча вовсе не гасла, лишь менялась форма языка пламени — он становился более шарообразным, а испускаемый им свет становился менее ярким.

Видимо, все дело в диффузии, благодаря которой кислород из окружающего пространства все же попадает в зону пламени. Ведь процесс диффузии не зависит от действия сил тяготения.

И все-таки условия горения в невесомости иные, чем на Земле. Это обстоятельство пришлось учитывать советским конструкторам, которые создавали уникальный сварочный аппарат для проведения сварки в условиях невесомости.

Вес рассчитывается по той же формуле, что и сила тяжести (F=P=mg), однако это не одно и то же. Например, пеноблок массой 10 кг свободно падает. При этом сила тяжести, действующая на него, = 100 Н, а его вес = 0 Н. Такое состояние тела называется невесомостью.

Невесомость – состояние тела, при котором его вес меньше, чем сила тяжести, с которой оно притягивается к Земле.

Термин невесомости часто употребляется в контексте космоса. Это связано с тем, что космические корабли тоже падают на Землю, но пролетают мимо, так как Земля движется с большой скоростью. Чтобы объект не упал на Землю, ему нужно набрать определённую скорость. Эту скорость называют первой космической, и она примерно равна 8000 метров/секунду. Когда тело достигает её, оно никогда не упадёт на Землю, и становится искусственным спутником Земли. Таким образом, если разогнать любое тело до скорости 8 км/с, то оно становится спутником Земли.

Скорость, при которой объект становится искусственным спутником Солнца, называется второй космической скоростью, и примерно равна 11 200 метров в секунду. Когда тело разгоняется до такой скорости, оно попадает в магнитное поле Солнца и звезда становится центром орбиты спутника. Если скорость тела превысит 16 700 метров в секунду, то оно покинет Солнечную Систему. Эта скорость называется третьей космической.

Но состояние невесомости встречается не только в космосе, но и в повседневной жизни. Например, когда вы опускаетесь в лифте, ваш вес становится меньше силы тяжести, с которой вы притягиваетесь к Земле, то есть вы находитесь в состоянии невесомости. Это состояние описывается формулой:

P=m(g-a)

Решим небольшую задачу. Петя спускаетесь в лифте с ускорением 2 м/с 2 , а его масса равна 60 кг. Найти вес, с которым Петя давит на пол лифта.

Ускорение свободного падения и направление движения совпадают, значит мы наблюдаем состояние невесомости:
P=m(g-a). Подставив значения, получаем:
P=60 (кг) *(10-2)(м/с 2 )= 480 Н.

Доклад 2

Невесомость – это физическое состояние, при котором отсутствует какое-либо давление на тело, а из сил остаётся только сила тяжести.

Одна из характерных черт состояния невесомости – отсутствие веса тела. Она также происходит от отсутствия давления. В быту весом принято называть массу тела, и из-за ошибок в использовании терминов некоторые считают что тело в невесомости ничего не весит, не имеет массы. Это не так. Масса – это скалярная величина, которая меняется только при изменении физической конфигурации тела. В то время как вес – это сила, характеризующая то, как тело давит на опору под действием силы тяжести. А так как в невесомости нет давления, то нет и веса и ответной пропорциональной реакции опоры (или подвеса), которые совместно образуют на Земле то, что человек ощущает как “весомость”.

Один из способов достижения невесомости – скомпенсировать силу гравитации другой силой. Часто такой силой является сила инерции, возникающая при ускоренном движении тела. Рассмотрим несколько случаев, в которых возникает невесомость.

Первый такой случай – падающая (или просто движущаяся с определенным ускорением) кабина лифта. В стоящей на месте кабине пассажир давит на опору – пол – с силой, равной его весу. Сила ответной реакция пола примерно равна ей. Но когда кабина начинает двигаться с ускорением по направлению, параллельному вектору приложения силы тяжести (то есть вниз), возникает сила инерции, создающая в пространстве внутри кабины эффект невесомости, распространяющийся и на пассажира. Впрочем, говорить о невесомости как о самостоятельном явлении несколько неправильно: она может существовать только при наличии человека или любого другого объекта, у которого есть вес и который может оказывать воздействие на опору или подвес. Нечто похожее происходит и в кабине самолета, резко меняющего направление, однако в обоих случаях невесомость может возникнуть лишь на несколько секунд.

Самый очевидный пример невесомости – космос, к примеру пространство внутри космической станции. Здесь ее также обеспечивает сила инерции, однако причина ее возникновения не так очевидна. Станция совершает постоянное движение по орбите Земли с развитым при выходе на нее ускорением, как бы совершая постоянное “падение”, в результате чего появляется невесомость – неспособность тел оказывать давление на опору.

Популярные сегодня темы

Ромашка – это многолетнее цветковое растение, которое известно каждому человеку с детства. Самый распространенный вид этого цветка называют ромашкой аптечной.

Интересными насекомыми являются тараканы. Отряд членистоногих паразитов, которые очень распространены в мире.

Современную жизнь людей в настоящее время невозможно представить без использования электроэнергии. Электроэнергия нужна везде – в наших квартирах горит свет, работают электрические бытовые пр

Окружающая среда - то место, где обитает человек и разные виды животных. Соответственно, этих сред очень много на Земле.

Наполеон Бонапарт это полководец и государственный деятель, заложивший крепкие основы нынешнего французского государства.

При совершении космического полета космонавт подвергается воздействию ряда факторов: невесомость, перегрузки, шумы, вибрации, ограничение подвижности, изоляция, существование в замкнутом ограниченном пространстве и пр.

Ни одна профессиональная деятельность человека не связана с воздействием на него всех этих факторов в тех количественных соотношениях, как при полетах в космос. Так, состояние длительной невесомости, которое испытывает космонавт, не может быть испытано человеком в земных условиях.

В земных условиях человек может испытать только состояние кратковременной невесомости, например, если человек находится в лифте, движущемся по вертикали вниз с ускорением a = g. Где g – ускорение свободного падения, т.е. ускорение силы тяжести.

Как и сила тяжести, ускорение свободного падения зависит от широты места j и высоты его над уровнем моря Н. Приблизительно ускорение свободного падения = 978,049 (1 + 0,005288 sin2j – 0,000006 sin22 j – 0,0003086 Н. На широте Москвы на уровне моря g = 981,56 см/сек.

Но при а = g – тело и лифт совершают свободное падение и никаких взаимных давлений друг на друга не оказывают, в результате организм воспринимает оказываемое на него давление как состояние невесомости.

Состояние космической невесомости имеет отличия от состояния невесомости в земных условиях, что вызывает изменения ряда его жизненных функций в организме человека. Так, невесомость ставит центральную нервную систему и рецепторы многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечно-суставного аппарата, кровеносных сосудов) в необычные условия функционирования. Поэтому невесомость рассматривают как специфический интегральный раздражитель, действующий на организм человека и животного в течение всего орбитального полета. Ответом на этот раздражитель являются приспособительные процессы в физиологических системах; степень их проявления зависит от продолжительности невесомости и в значительно меньшей степени от индивидуальных особенностей организма.

С наступлением состояния невесомости у космонавта могут возникнуть вестибулярные расстройства, длительное время сохраняется чувство тяжести в области головы (за счет усиленного притока крови к ней). Вместе с тем адаптация к невесомости происходит, как правило, без серьезных осложнений: человек сохраняет работоспособность и успешно выполняет различные рабочие операции, в том числе те из них, которые требуют тонкой координации или больших затрат энергии. Двигательная активность в состоянии невесомости требует гораздо меньших энергетических затрат, чем аналогичные движения в условиях весомости.

Если в полете не применяются средства профилактики, то в первые часы и сутки после приземления (период реадаптации к земным условиям) у человека, совершившего длительный космический полет, наблюдается следующий комплекс изменений:

1. Нарушение процессов обмена веществ, особенно водно-солевого обмена, что сопровождается относительным обезвоживанием тканей, снижением объема циркулирующей крови, уменьшением содержания в тканях ряда элементов, в частности калия и кальция;
2. Нарушение кислородного режима организма при физических нагрузках;
3. Нарушение способности поддерживать вертикальную позу в статике и динамике; ощущение тяжести частей тела (окружающие предметы воспринимаются как необычно тяжелые; наблюдается растренированность в дозировании мышечных усилий);
4. Нарушение гемодинамики при работе средней и высокой интенсивности; возможны предобморочные и обморочные состояния после перехода из горизонтального положения в вертикальное;
5. Снижение иммунобиологической резистентности (ослабление иммунитета);
вестибуловегетативные расстройства.

Нарушения работы организма человека, вызванные невесомостью, обратимы. Ускоренное восстановление нормальных функций может быть достигнуто с помощью физиотерапии и лечебной физкультуры, а также применением лекарственных препаратов. Неблагоприятное влияние невесомости на организм человека в полете можно предупредить или ограничить с помощью различных средств и методов (мышечная тренировка, электростимуляция мышц, отрицательное давление, приложенное к нижней половине тела, фармакологические и др. средства).

Другим фактором, оказывающим значительное влияние на человеческий организм при совершении космического полета, являются перегрузки.

Перегрузки космонавт испытывает при старте и возвращении космического корабля.

При старте на космонавта действует ускорение, величина которого изменяется от 1 до 7 g. Другими словами, вес космонавта во время запуска корабля как бы увеличивается в семь раз.

Человек легче всего переносит перегрузки, действующие в горизонтальной плоскости, хуже – в вертикальной. Однако способность переносить перегрузки (величина допустимых перегрузок) у разных людей различна и зависит от ряда факторов, например от скорости нарастания перегрузки, температуры окружающей среды, содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, длительности пребывания космонавта в условиях невесомости до начала ускорения и даже от эмоционального состояния космонавта. Существуют, несомненно, и другие более сложные или менее уловимые факторы, влияние которых еще не совсем выяснено.

Перегрузки, связанные с ускорением, вызывают значительное ухудшение функционального состояния организма человека: замедляется ток крови в системе кровообращения, снижаются острота зрения и мышечная активность.

Под действием ускорения, превышающего 1 g, у космонавта могут появиться нарушения зрения. При ускорении 3 g в вертикальном направлении, длящемся более 3 секунд, могут возникнуть серьезные нарушения периферического зрения.

С увеличением перегрузок острота зрения уменьшается, поэтому в отсеках космического корабля необходимо увеличивать уровень освещенности. При продольном ускорении у космонавта возникают зрительные иллюзии. Ему кажется, что предмет, на который он смотрит, смещается в направлении результирующего вектора ускорения и силы тяжести.

При угловых ускорениях возникает кажущееся перемещение объекта зрения в плоскости вращения. Эта так называемая окологиральная иллюзия является следствием воздействия перегрузок на полукружные каналы (органы внутреннего уха).

Чтобы ослабить действие высоких ускорений, космонавта помещают в космическом корабле таким образом, чтобы перегрузки были направлены по горизонтальной оси.

Такое положение обеспечивает эффективное кровоснабжение головного мозга космонавта при ускорениях до 10 g, а кратковременно даже до 25 g.

При возвращении космического корабля на Землю, когда он входит в плотные слои атмосферы, космонавт испытывает перегрузки торможения, то есть отрицательного ускорения. По интегральной величине торможение соответствует ускорению при старте.

Космический корабль, входящий в плотные слои атмосферы, ориентируют так, чтобы перегрузки торможения имели горизонтальное направление. Таким образом, их воздействие на космонавта сводится к минимуму, как и во время запуска корабля.

Космос

Стать космонавтом – популярная детская мечта. Кажется, что путешествия в космос – это что-то невероятное и фантастическое. Так и есть, но работа космонавта связана с большим количеством сложностей и опасностей, которые неведомы обычному человеку. Одно лишь отсутствие гравитации оказывает сильнейшее влияние на организм.

Как меняется организм в состоянии невесомости?

Одним из наиболее интересных является изменение роста человека. В условиях гравитации мышцы обеспечивают прилегание позвонков друг к другу, благодаря чему поддерживаются правильные изгибы позвоночника. В невесомости мышцы постепенно ослабевают и атрофируются. В результате рост может увеличиваться на несколько сантиметров.

Любые изменения в теле очень важны для космонавтов. Например, посадочная капсула содержит ложемент – специальное приспособление, которое изготавливается для каждого индивидуально. Ложемент должен полностью соответствовать параметрам космонавта, иначе под угрозой оказывается его безопасность во время посадки на Землю.

Ложемент кресла космонавта

Костюм космонавта “Пингвин”

Нельзя забывать о том, что сердце тоже является мышцей, а, значит, аналогичным образом невесомость воздействует и на него. Давно доказано, что сердце при отсутствии гравитации становится слабее и теряет объем. Но исследования НАСА показали еще одно изменение – округление формы сердца.

В данном исследовании приняли участие 12 космонавтов, трудившихся на МКС. Оказалось, что сердце человека становится на 9,4% круглее. Когда космонавт возвращается в привычные условия, мышца постепенно обретает нормальную форму. Чтобы проще было понять влияние на сердце, можно представить, что одна неделя в невесомости – это то же самое, что и 1,5 месяца постоянного постельного режима.

Интересный факт: многие обыденные вещи в космосе становятся невозможными. Например, космонавт не способен заплакать и избавиться таким образом от стресса, негативных эмоций и т.д. При гравитации слезы скатываются вниз, но если ее нет, то соленые капли остаются внутри глаза или постепенно накапливаются под ним, мешают зрению и вызывают неприятное чувство жжения. Космонавты избавляются от влаги с помощью специальных приспособлений.

В космосе также активизируется процесс старения. Даже, невзирая на негативные процессы в опорно-двигательном аппарате, в невесомости происходят изменения с эндотелиальными клетками. Они располагаются внутри всех сосудов, что вызывает влияние на сердечнососудистую систему. Ученые настаивают на том, что именно благодаря гравитации произошла эволюция человека, а при ее отсутствии ткани организма очень быстро стареют.

Поддаются пагубному влиянию невесомости и кости. Происходит это по нескольким причинам, таким как недостаток костного материала, нарушение обмена фосфора, снижение количества кальция. Организм понимает, что поддерживать тело нет необходимости, и все эти процессы приостанавливаются. В результате за 30 дней нахождения в космосе человек может потерять 1-2% костной массы. Разрушение костей даже имеет отдельный термин – космическая остеопатия.

По возвращению на Землю космонавт постепенно восстанавливает объем костной массы. При этом важно, чтобы пребывание в космосе не слишком затянулось, поскольку восстановление окажется невозможным при критических показателях (при потере 50% костной массы, например).

Для космонавтов жизненно необходимо выполнять различные тренировки в процессе космического полета. Для этого используются специальные тренажеры, которые обеспечивают притяжение тела и нагрузку на организм. К ним принадлежат беговые дорожки, тренажеры для силовых тренировок, имитаторы велосипеда и др. Также космонавты проходят тщательную подготовку к полету в специализированных центрах.

Исследования воздействия космоса на организм

Также ученые путем экспериментов и исследований выяснили, что пребывание в невесомости сказывается на иммунной системе организма. Другими словами, человек сильнее подвержен различным заболеваниям, поскольку ухудшается его иммунитет. Если говорить простым языком, то суть работы иммунной системы – отыскать в организме чужеродный микроорганизм и атаковать его.

Исследования проводила группа ученых NASA с привлечением 23 космонавтов (мужчин и женщин) в возрасте около 53 лет. Космонавты находились в условиях невесомости разное количество времени. Необходимые анализы им сделали до вылета, некоторые участники эксперимента брали у себя кровь, находясь на станции. Затем обследования проводились по прибытию космонавтов на Землю сразу и спустя определенные промежутки времени.

Таким образом, удалось сравнить результаты и выяснить, что иммунитет космонавтов, которые работали на МКС полгода, значительно ухудшился по сравнению с остальными участниками исследований. В частности, существенно снизилась способность иммунной системы распознавать угрозу и устранять ее. По возвращению космонавтов на Землю работа иммунитета начала медленно восстанавливаться. Точная причина таких изменений не установлена, поскольку это может быть стресс, нарушение работы биологических часов, нахождение в невесомости.

Еще одно исследование проводилось по влиянию невесомости на кожу организма. Космонавты часто жаловались на возникновение зуда кожи и сухости. Для эксперимента на орбиту отправили мышей сроком на три месяца. Обследование вернувшихся из космоса грызунов показали, что кожный покров истончился на 15%, а также изменился рост шерсти. Причем изменения происходили на уровне генов.

Интересный факт: при помощи мышей установлено и влияние невесомости на зрение. Их отправляли в космическое пространство на месяц, после чего проанализировали состояние глаз. Ученые выяснили, что зрение ухудшается из-за нарушенной деятельности кровеносных сосудов. Для организма всех живых существ естественно то, что кровь под действие гравитации устремляется к ногам. В невесомости она оказывает давление на мозг, что и наносит вред работе сосудов.

В невесомости кровь оказывает давление на мозг

Космонавты, работающие на МКС, часто жалуются на ухудшение зрения. По прибытию их на Землю зрение тоже постепенно возвращается к прежнему состоянию, но, как и в случае с другими органами и системами, все зависит от длительности нахождения в космосе. Ученые активно занимаются поиском решений, которые помогут снизить влияние невесомости на человеческий организм.

Невесомость несвойственна для человеческого организма. Многие его системы зависимы от силы притяжения, поэтому отсутствие гравитации негативно сказывается на здоровье космонавтов. Ухудшается работа опорно-двигательного аппарата, сердечнососудистой системы, ослабевают мышцы, зрение, иммунитет, состояние кожи. Пагубный эффект невесомости зависит от того, насколько долго космонавт пребывает в космосе. Для профилактики различных заболеваний и проблем используется специальное снаряжение, а космонавты тщательно готовятся к отправке в космос.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Цель: Выяснить, как невесомость влияет на человека и узнать об особенностях без гравитационного пространства.

Проблема: Могут ли последствия невесомости повредить здоровью человека?

Гипотеза: Да, последствия невесомости могут повредить жизнедеятельности и здоровью человека.

Изучить материал по теме проекта.
Узнать информацию о невесомости.
Исследовать научные работы, связанные со здоровьем людей в состоянии невесомости.
Узнать, как можно избежать неблагоприятных последствий (Если они есть) в невесомости для человека и можно ли это сделать.

В современном мире людям всё больше интересно космическое пространство, а эффект невесомости можно испытать, даже не полетев в космос. В скором будущем регулярные полёты будут не редкостью, ведь уже сейчас учёные занимаются разработкой туристических вылетов, делая выходы в космос доступнее и открытие. Так, каждый ли сможет испытать на себе эффект невесомости, не повредив здоровью? Попробую в этом разобраться.

Ранее для человека полёт в космос был чем-то недостижимым, нереальным и фантастичным, теперь же различные космонавты ежемесячно летают в космос для проведения исследований и настройки оборудования. Известный человек знакомый большинству как Илон Маск готовит экспедицию по вылету в космос. Теперь-то и стоит задуматься, действительно ли безопасно отправляться в экспедицию с точки зрения космического давления и невесомости любому человеку?

Глава 1. Невесомость.

Раздел 1.1. История открытия.

Теория всемирного тяготения покончила с вихревой теорией Декарта.С помощью законов Ньютона стало возможным путем математических вычислений получать точные результаты. Это позволило выдвинуть очередную грандиозную задачу — создать небесную механику. За ее решение взялись последователи Ньютона — блестящая плеяда корифеев механики XVIII века Эйлер, Клеро, Лагранж, Лаплас. Но оставался вопрос, который не заинтересовал никого из этих выдающихся ученых. Очень простой вопрос: если существует невесомость, то нельзя ли использовать ее для решения какой-либо полезной задачи? Такие вопросы не были праздными для ученых XVII—XVIII веков. Честь открытия невесомости принадлежит Галилею.

А вот с невесомостью все получилось не так. Правда, один положительный пример все же известен. Английский промышленник Уильям Уоттс в 1782 году взял патент на производство дроби посредством сбрасывания капель расплавленного свинца с высокой башни. Падая, капли оказывались в состоянии невесомости,приобретали сферическую форму и успевали затвердеть до того, как долетали до земли. А еще через три года тот же Уоттс для этой цели построил в Бристоле первую башню. Кстати, подобный способ используется до сих пор. Очень простой способ. Почему же потребовалось целых полтора века, чтобы додуматься до него?Может быть, не было потребности? Нет, потребность была: войны в Европе велись почти непрерывно. Может, невесомости просто не повезло — на нее не обратил внимание человек масштаба Паскаля? Но позвольте, с этой задачей справился Уоттс, человек, в науке совершенно безвестный.

Раздел 1.2. Физические особенности невесомости.

Вес тела, в отличие от массы, может изменятся под воздействием ускорения. Небольшие изменения веса можно почувствовать, например, при начале движения или остановке лифта. Состояние полного отсутствия веса называется невесомостью.Невесомость — нулевой вес, может возникать, если отсутствует сила тяготения, то есть тело достаточно удалено от массивных объектов, которые могут притягивать его. На практике такое редко встретишь — гравитационное воздействие существует всегда.

Физика дает определение весу как силе, с которой любое тело действует на поверхность, опору либо подвес. Возникает вес вследствие гравитационного притяжения Земли. Численно вес равен силе тяжести, но последняя приложена к центру масс тела, вес же приложен к опоре. Физическая формула веса (P) при ускоренном движении опоры, будь то падающий лиф или пикирующий самолет, имеет следующий вид:

где m – масса тела, g – ускорение свободного падения, a – ускорение опоры.

При равенстве g и a, P=0, то есть достигается невесомость. В результате вращения Земли существует широтное уменьшение веса: на экваторе примерно на 0,3 % меньше, чем на полюсах.

Надо ещё отметить, что согласно Третьему Закону Ньютона, не только тело воздействует на опору (подвес), но и опора (подвес) воздействуют на тело с силой, называемой силой реакции опоры (подвеса). Эта сила численно равна весу тела и направлена противоположно действию силы тяжести. Тогда, на тело действуют две силы, равные по величине и противоположные по направлению, то есть их равнодействующая равна нулю, значит тело либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Раздел 1.3. Применение в науке.

Отсутствие конвекции и седиментации в космосе позволяют ученым контролировать и усовершенствовать процесс затвердевания, что приведет к появлению новых, более прочных и легких материалов. На европейском электромагнитном левитаторе, расположенном на борту МКС, проводятся эксперименты и в этой области. Проект IMPRESS под руководством ЕКА, объединивший 43 исследовательские группы, уже дал результат — были разработаны лопасти турбин из алюминидов титана. Эти кристаллические сплавы, обладающие уникальными свойствами, такими как высокая температура плавления, высокая прочность и низкая плотность, идеально подходят для со временных электростанций и авиационных двигателей. Использование алюминида титана приведет к 50-процентному уменьшению количества компонентов турбины, что снизит расход топлива и, соответственно, выбросы газов в окружающую среду.

Плазма — это одно из четырех фундаментальных состояний материи, наряду с твердым, жидким и газообразным. Она представляет собой ионизированный газ, чем-то напоминающий молнию, и для Земли это довольно редкое состояние вещества. А вот в космосе плазмы — 99%. Плазма используется в области медицины и гигиены, помогает в борьбе с раком, замедляя рост опухоли на 500% по сравнению с одной только химиотерапией.

Представьте, что вы заполняете крошечный биоразлагаемыймикробаллон (размером с эритроцит) различными лекарственными растворами, которые можно вводить в кровоток для борьбы с болезнью, вдыхать для лечения бактериальных инфекций легких или доставлять непосредственно в место развития злокачественных опухолей.

Данные, полученные на МКС, были жизненно важны для разработки технологии создания этих капсул, поскольку под действием микрогравитации разные жидкости (например, масло и вода) распределяются равномерно по всей капсуле. Таким образом, можно получить капсулы высочайшего качества!

Глава 2. Человек в невесомости.

Раздел 2.1.Первый человек в невесомости.

12 апреля 1961 года корабль Восток-1 успешно вывел на орбиту Земли первого в мире человека. Им стал гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. Этому событию предшествовала атмосфера строжайшей секретности, и конечно тщательная подготовка. Несмотря на проигрыш в космической гонке, все государства встречали его, как героя. После успешной посадки началось настоящее мировое турне, награждение различными медалями, чествование, как героя.Далее история освоения космоса не закончилась, а корабли Восток имели множественное продолжение. Данное имя до сих пор используется Россией для кодировки в своих программах. Как известно, 12 апреля было объявлено как международный день авиации и космонавтики.

Раздел 2.2. Влияние невесомости на человека.

2.2.1. Нервная система.

Как вы понимаете, на орбите нет разделения на день и ночь, и это негативным образом отражается на состоянии нервной системы. В условиях открытого космоса космонавты видят рассвет и закат по нескольку раз за сутки, поэтому понять, когда нужно спать, а когда бодрствовать в таких условиях невозможно. Из-за такого положения дел нарушается работа суточных ритмов человека, что приводит к усталости и дискомфорту.

2.2.2. Иммунная система.

Многолетние исследования в NASA позволили оценить влияние невесомости на иммунную систему. Иммунитет человека является достаточно сложной системой, состоящей из отдельных органов, тканей, клеток и молекулярных комплексов. Только слаженная работа всех составляющих иммунитета позволяет организму должным образом реагировать на вирусы, бактерии и другие инфекционные агенты, которые постоянно витают в воздухе, а также содержатся в пище, воде и других биологических материалах.

Ученые из NASA выяснили, что при длительных полетах в космосе снижается активность некоторых иммунных клеток. В дальнейшем это приводит к активации бактериальной флоры и некоторых вирусов, которые ранее скрывались в организме, но не проявлялись из-за иммунологического контроля. Кроме того, из-за сбоев в работе иммунной системы возможно развитие аллергии в виде сыпи на коже.

На Земле в условиях гравитации сердце и сосуды работают таким образом, что большее количество крови поступает в нижние отделы организма, а меньшее – в верхние. Однако в условиях микрогравитации космоса кровь равномерно поступает во все отделы организма. По этой причине ноги немного худеют, а голова увеличивается в размерах. Такая ситуация приводит организм в некоторое замешательство. Мозг получает сигнал об избытке жидкости в верхней части тела, из-за чего почки начинают активно удалять воду, а человек при этом не чувствует жажды. Это приводит к обезвоживанию, поэтому космонавты всегда должны пить, даже если не хотят этого.

На Международной космической станции имеется воздух, который позволяет космонавтам дышать без вспомогательных средств. Тем не менее, дышит человек в таких условиях иначе. Из-за нарушения кровообращения меняется функционирование дыхательной системы человека, и органы дыхания пропускают меньше воздуха. В итоге, это приводит к уменьшению брюшного охвата. Вместе с тем, воздействие микрогравитации на респираторную систему человека еще плохо изучено ввиду сложности исследования этого явления, и ученым предстоит еще выяснить много важной информации.

2.2.5. Опорно-двигательный аппарат.

В условиях невесомости нагрузка на кости и мышцы почти полностью снимается. Для нормального функционирования костно-мышечного аппарата необходимо постоянное движение. Из-за отсутствия движения кости истончаются, а в кровь выбрасывается большое количество кальция. То же самое происходит с мышцами, которые из-за отсутствия нагрузок постепенно атрофируются.

2.2.6. Профилактика последствий невесомости.

Профилактические средства, направленные на предупреждение или частичную компенсацию неблагоприятных сдвигов, обусловленных влиянием невесомости, играют важную роль в поддержании работоспособности космонавтов в полете и их безопасном возвращении на Землю. По сути своего воздействия применяемая в настоящее время профилактика, как это ни парадоксально, препятствует адаптации организма человека к невесомости и направлена в первую очередь на облегчение реадаптации космонавтов при возвращении на Землю, восполнение дефицита мышечной активности и воспроизведение эффектов, которые в условиях Земли обусловливаются массой крови и тканевой жидкости. Исследования, проведенные в модельных условиях и во время длительных космических полетов, показали, что для достаточной компенсации и предотвращения физиологических сдвигов, возникающих под влиянием невесомости и других факторов полета, могут быть применены следующие методы:

Заключение.

Моя работа в рамках исследовательского проекта позволяет сделать вывод о том, что невесомость люди пытались открыть ни один десяток лет и благодаря её открытию смогли создать средство для излечения многих болезней, которые ранее лечились куда труднее. Из этого следует, что физика тесно связана с другими науками и помогает в самых в различных областях.

Также в ходе исследовательской работы мною были получены данные о здоровье людей в невесомости и благодаря этой информации я смело могу сделать вывод, что пребывание в космосе оказывает негативное влияние на человека и его организм, как и гласила теория, предположенная в начале проекта. Также я узнала, что негативные последствия можно избежать физическими нагрузками и средствами, принятием медикаментов, изменением среды обитания и специальным питанием.

Читайте также: