Невесомость в космосе кратко
Обновлено: 05.07.2024
Невесомость имеет смысл разделить на две категории: невесомость на орбите и невесомость вне гравитационного воздействия массивных тел.
Со вторым все понятно - где-нибудь между Солнечной системой и системой Альфы Центавра особо сильно никто нас притягивать не будет. В принципе, как и между орбитами, скажем, Урана и Нептуна.
На орбите же невесомость возникает из-за того, что тело, двигающееся относительно поверхности с первой космической скоростью, по факту находится в непрерывном свободном падении, одновременно опускаясь и смещаясь в сторону. Из-за того, что планета приближенно имеет форму, близкую к форме шара (или эллипсоида вращения), сохраняется орбитальное движение и постоянная высота над усредненным уровнем поверхности.
В этой статье мы отвезем вас на борт Международной космической станции и расскажем, что невесомость делает с вашим телом, какие изменения могут произойти, и что нужно делать, чтобы предотвратить или обратить вспять эти побочные эффекты.
Знакомьтесь: микрогравитация
Представьте себе, что вы одеты в скафандр и лежите на спине в летной кабине космического аппарата. Вы лежите на спине в течение нескольких часов, пока пилоты и центр управления полетами готовятся к запуску. Обычно, когда вы стоите прямо, сила тяжести тянет кровь вниз, поэтому целые бассейны ее собираются у вас в ногах. Однако, поскольку вы лежите на спине, кровь по-разному распределяется в вашем теле, в том числе накапливаясь и в голове, поскольку ваши ноги подняты. В голове немного тяжеловато, словно вы только что проснулись.
Ракетные двигатели зажигаются и вы чувствуете ускорение. Вас вдавливает в кресло, поскольку аппарат взлетает. Сила тяжести вместе с увеличением скорости корабля увеличивается в три раза (на некоторых американских горках можно испытать такой уровень ускорения). Ваша грудь сжимается, дышать становится немного трудно. Спустя восемь с половиной минут вы оказываетесь в космосе и начинаете испытывать совершенно другое ощущение: невесомость.
Правильный термин для невесомости — микрогравитация. Вы не невесомы, поскольку земная гравитация удерживает вас и летательный аппарат на орбите. Вы находитесь в состоянии свободного падения, словно только что прыгнули с самолета, за исключением того, что падаете горизонтально и никогда не упадете. Допустим, вы стоите на весах, и они показывают ваш вес, поскольку гравитация тянет вниз и вас, и весы. Поскольку весы находятся на земле, они отталкиваются вверх с равнозначной силой — и эта сила и есть ваш вес. Но если вы прыгнете со скалы, стоя на весах, и вы, и весы будете притягиваться гравитацией. Вы не будете давить на весы, и они не будут давить на вас. Ваш вес будет нулевым. Таков закон Ньютона.
Поскольку космический аппарат и все объекты в нем падают с одной скоростью — все, что не закреплено, плавает. Если у вас длинные волосы — они будут плавать вокруг лица. Если вы выльете воду из стакана — она соберется в большую сферическую каплю, которую можно будет разбить на меньшие капли. Галушки и конфеты сами будут заплывать вам в рот, если вы подтолкнете их по нужной траектории. Сидя в кресле, вы не будете знать, что сидите, поскольку ваше тело не будет давить на кресло. Если вы не будете держаться — вы уплывете. Более того, если вы не будете держаться за стену или пол рукой или ногой — вы не сможете сдвинуться с места — не от чего оттолкнуться. По этой причине в любом космическом аппарате всегда много поручней для рук и ног.
Какова микрогравитация на вкус?
Когда вы впервые окажетесь в состоянии невесомости, вы почувствуете следующее:
Чем дольше вы будете оставаться в условиях микрогравитации, тем слабее будут ваши мышцы и кости. Эти ощущения будут вызваны различными изменениями в системах вашего организма. Давайте подробно рассмотрим, как тело реагирует на невесомость.
Космическая болезнь
Одутловатое лицо и куриные лапки
В условиях микрогравитации ваше лицо будет одутловатым, а пазухи — перегруженными, что вызовет головную боль и нарушение моторики. На Земле это можно почувствовать, если стоять вверх ногами — кровь приливает к голове.
На Земле гравитация притягивает вашу кровь, в результате чего значительные ее объемы скапливаются в венах ног. Как только вы окажетесь в условиях микрогравитации, кровь сдвинется из ваших ног в грудь и голову. Лицо опухнет, а ноги, наоборот, уменьшатся в размерах.
Когда кровь переходит в грудь, сердце увеличивается в размерах и качает больше крови с каждым ударом. Почки отвечают на этот увеличенный кровоток производством большего количества мочи, будто вы выпили большой стакан воды. Кроме того, увеличение кровотока снижает уровень секреции гипофизом антидиуретического гормона (АДГ), что уменьшает жажду. Вы не будете хотеть пить столько же воды, сколько на Земле. В совокупности эти два фактора помогут вашей груди и голове избавиться от лишней жидкости за несколько дней, а поток жидкости вашего тела нормализуется (для космических условий). По возвращении на Землю, вы будете больше пить и чувствовать усталость, но это пройдет.
Космическая анемия
По мере того, как ваши почки выводят лишнюю жидкость, они также уменьшают секрецию эритропоэтина — гормона, стимулирующего производство красных кровяных тел клетками костного мозга. Снижение производства красных кровяных клеток сопровождается уменьшением объема плазмы, поэтому гематокрит (процент объема крови, занимаемого красными кровяными телами) такой же, как на Земле. По возвращении на Землю, ваш уровень эритропоэтина будет расти, так же как и количество красных кровяных тел.
Слабые мышцы
Остеопсатироз
На Земле ваши кости поддерживают вес вашего тела. Размер и масса костей тщательно сбалансированы. В условиях микрогравитации вашим костям больше не нужно поддерживать ваше тело, поэтому все ваши кости, особенно несущие, в районе бедер, ляжек и нижней части спины, используются меньше, чем на Земле. Размер и масса костей в невесомости уменьшаются примерно на 1% в месяц. В результате по возвращении на Землю они просто могут разрушиться. Неизвестно, каков процент восстанавливаемых костей после возвращения на Землю, но он точно не равен 100. Именно эта проблема вносит ограничения на время пребывания в космосе.
В дополнение к слабым костям, концентрация кальция в крови приводит к болезни почек, которым нужно этот избыточный кальций выводить. Могут образоваться камни в почках.
Контрмеры
Что можно сделать, чтобы облегчить пребывание в условиях микрогравитации? Что касается неодушевленных вещей, каждый объект на станции или корабле должен храниться в шкафу, быть привязан или крепиться к стене липучкой.
К примеру, если вы едите в условиях невесомости, вы должны прочно стоять на ногах в аппарате, а ваш поднос с едой должен быть прикреплен к вам ремешком. Как вы знаете, еда обычно хранится в тюбиках и представляет собой полужидкую массу, какой-нибудь рис или паштет, который можно легко выдавить из тюбика, и он не уплывет. Портативное оборудование, вроде ноутбука, также привязывается к вам или к стене корабля.
Давайте вспомним, что на борту МКС наше тело подвергается в основном трем изменениям: потеря жидкости, потеря мышечной ткани и потеря костной массы. Что же нужно делать, чтобы минимизировать эти потери?
Потеря жидкости
Кроме того, до возвращения на Землю, можно выпить большое количество воды или раствор электролита, чтобы помочь восстановить потерянную жидкость в теле. Это предупредит обморок после выхода из космического корабля.
Уменьшение мышц и костей
NASA и Роскосмос выяснили, что лучший способ свести к минимуму потери мышечной и костной массы в космосе — это постоянные тренировки. Они тренируют мышцы, предотвращают их деградацию и создают нагрузку на кости, имитируя вес. Каждый день по два часа на разных тренажерах в особых ремешках — и вы сможете минимизировать потери мышечной и костной масс.
Тем не менее, ученые признают, что нужно больше исследований для выявления качественных контрмер. Причем как на борту МКС, так и на Земле, как с помощью людей, так и животных. Результаты исследований могут проложить дорогу к длительным поездкам, например, на Марс.
Как имитировать микрогравитацию на Земле?
Есть несколько человеческих и животных моделей для моделирования и изучения микрогравитации на Земле.
Наклон головы
Человек ложится на кровать, наклоняя голову вниз примерно на 5 градусов от горизонтальной линии. Наклон воспроизводит смещение жидкостей в организме, возникающее в условиях гравитации. Кроме того, не используются несущие кости и мышцы, тем самым вызывая атрофию.
Погружение в бассейн
Помещение предмета в теплый бассейн с водой на длительный период времени. Плавучесть воды перераспределяет жидкости в организме и облегчает несущие кости и мышцы, создавая условиях микрогравитации.
Подвешенные за хвост крысы
Крысы подвешиваются за хвосты в клетках на длительные периоды времени. Такое положение провоцирует смещение жидкостей и бездействие задних конечностей, что приводит к ухудшению мышц и костей.
Искусственная микрогравитация
Полет на самолете, который летит по параболической траектории вверх и вниз, создавая 30-секундные периоды микрогравитации при каждом пике. NASA использует эту технику при подготовке космонавтов, а также дает возможность испытать это ощущение всем желающим.
Буквально пару дней назад мне пришел следующий вопрос:
Как-то раз довелось слышать утверждение, что состояние невесомости, в котором находятся космонавты не истинное, а образуется в результате особенности движения космического корабля и земли. А вот истинная невесомость появляется только в межпланетном пространстве. Правда ли это?
Я быстро ответил напрямую автору, но затем подумал, что этот вопрос заслуживает отдельной статьи, так как мнение о том, что космонавты находятся в невесомости потому, что гравитация Земли до орбиты "не добивает", очень распространено и при этом по сути не верно.
На самом деле ускорение свободного падения на орбите МКС составляет примерно 90 процентов от обычных 9.8 м/с². Состояние невесомости испытываемое космонавтами обусловлено тем, что находясь на орбите МКС находится в состоянии постоянного свободного падения. Аналогично на Земле возможно получить эффект невесомости например в свободно падающем лифте (правда очень недолго).
МКС движется со скоростью 7.66 км/с. При этом Земля постоянно притягивает ее, т.е. станция падает на Землю под действием земной гравитации, но за счет кривизны поверхности Земли постоянно "промахивается" мимо нее! Более подробно я рассмотрел этот эффект в отдельной статье, ссылку на которую вы найдете в конце статьи.
Вообще же понятия истинной и ложной невесомости не имеют смысла. Находясь в полностью закрытой капсуле у вас не будет практически никакого способа определить в каком из двух состояний вы находитесь на орбите Земли в свободном падении или в межзвездном пространстве вне гравитационного поля какого-либо близкого объекта. Все физические процессы внутри вашей капсулы будут протекать совершенно одинаково.
Впрочем на самом деле есть один способ, но чтобы его использовать ваша капсула должна быть ОЧЕНЬ большой. Как известно чем дальше от Земли, тем меньше сила притяжения Земли и соответственно ускорение свободного падения.
Если ваша капсула будет достаточно большой, то вы сможете измерив ускорение свободного падения в разных концах капсулы увидеть, что оно отличается, тогда можно будет судить о том, что капсула находится в гравитационном поле в состоянии свободного падения, или где-то вдалеке от гравитационного влияния крупных небесных тел, но для этого понадобится капсула размером в несколько километров или даже десятков километров.
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал в телеграме . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос.
Как Вы думаете почему космонавты в космосе испытывают состояние невесомости? Есть большая вероятность что ответите не правильно.
На вопрос, почему предметы и космонавты в условиях космического корабля предстают в состоянии невесомости, многие люди дают такой ответ:
1. В космосе отсутствует сила тяжести, поэтому они ничего не весят.
2. Космос — это вакуум, а в вакууме нет силы тяжести.
3. Космонавты находятся слишком далеко от поверхности Земли, чтобы на них могла действовать сила её притяжения.
Все эти ответы неверны!
Главное, что нужно понимать это то, что в космосе ЕСТЬ сила тяжести. Это довольно распространенное ошибочное представление. Что удерживает Луну на её орбите вокруг Земли? Сила тяжести. Что удерживает Землю на орбите вокруг Солнца? Сила тяжести. Что не позволяет галактикам разлетаться в разные стороны? Сила тяжести.
Сила тяжести существует в космосе везде!
Да, так почему же космическая орбитальная станция или спутники, находящиеся на орбите, не падают на Землю, и почему космонавты и окружающие их предметы внутри международной космической станции (МКС) или любого другого космического корабля кажутся плавающими?
Оказывается, все дело в скорости!
Однако, давайте вернемся к нашей вышке. Если бы вместо обыкновенного шага с вышки вы совершили прыжок с разбега, ваша энергия, направленная вперед, отнесла бы вас далеко от вышки, вместе с тем, сила тяжести снесла бы вас вниз. Вместо того, чтобы приземлиться у основания вышки, вы бы приземлились на расстоянии от неё. Если бы при разбеге вы увеличили скорость, вы смогли бы прыгнуть дальше от вышки, прежде чем достигли бы земли. Ну, а если бы вы могли бегать так же быстро, как движется по орбите вокруг Земли космический корабль многоразового использования и МКС, со скоростью 28,160 км/ч (17,500 миль в час), то дуговая траектория вашего прыжка сделала бы круг вокруг Земли. Вы бы находились на орбите и испытывали состояние невесомости. Но вы бы падали, не достигая поверхности Земли. Правда, скафандр и запасы воздуха, пригодного для дыхания, вам все же понадобились бы. А если бы вы могли бегать со скоростью примерно 40,555 км/ч (25,200 миль в час), вы бы выпрыгнули сразу за пределы Земли и начали вращаться вокруг Солнца.
Поэтому, когда вы на орбите, вы находитесь в состоянии свободного падения и испытываете невесомость.
Еще один случай, когда все в целом правильно понимают суть некоего явления, но часто, к сожалению, описывают его не совсем верно.
Если бы существовала техническая возможность сбросить некий предмет с башни высотой километров 300, он бы начал падать вертикально и с ускорением свободного падения, точно так же, как он падал бы с высоты небоскреба или с высоты человеческого роста. Таким образом, во время орбитальных полетов сила земного притяжения не отсутствует и не ослабевает в значимых масштабах, а компенсируется. Точно так же, как для водных судов и аэростатов, сила притяжения земли компенсируется архимедовой силой, а для крылатых летательных аппаратов — подъемной силой крыла.
Да, но вот самолет-то летит и не падает, а пассажиру внутри салона не летают как космонавты на МКС. При обычном полете пассажир прекрасно ощущает свой вес, и от падения на землю его удерживает не непосредственно подъемная сила, а сила реакции опоры. Лишь во время аварийного или искусственно вызванного резкого снижения человек вдруг чувствует, что перестает давить на опору. Возникает невесомость. Почему? А потому что если потеря высоты происходит с ускорением, близким к ускорению свободного падения, то опора больше не мешает пассажиру падать — она и сама падает.
Читайте также: