Proč je ve vesmíru stav beztíže. Co je stav beztíže z pohledu fyzika a astronauta? Proč je na satelitu pozorován stav beztíže

Hmotnost tělesa je síla, kterou těleso vlivem přitažlivosti Zemí tlačí na pevný (vzhledem k Zemi) vodorovný stojan nebo táhne závěsný závit. Hmotnost tělesa se rovná gravitační síle.

Vzhledem k tomu, že podpora nebo zavěšení zase působí na tělo, pak Vlastnosti hmotnost - přítomnost deformací v těle způsobených jeho interakcí s podpěrou nebo zavěšením.

Při volném pádu těles v nich nedochází k deformacím, v tomto případě jsou tělesa in stav beztíže. Obrázek ukazuje nastavení, pomocí kterého to lze zjistit. Instalace se skládá z pružinových vah, na které je zavěšeno břemeno. Celá instalace se může pohybovat nahoru a dolů podél vodítek.

Pokud váha se zátěží volně padá, pak je indikátor váhy na nule, což znamená, že se vyvažovací pružina nedeformuje.

Pojďme analyzovat tento jev pomocí zákonů pohybu. Předpokládejme, že závaží zavěšené na pružině se pohybuje dolů se zrychlením a. Na základě druhého Newtonova zákona můžeme říci, že na něj působí síla, která se rovná rozdílu sil P a F, kde P je gravitační síla a F je pružná síla pružin působících na zatížení. . Tak,

ma = P - F nebo ma = mg - F

F = m (g - a)

Při volném pádu břemene a \u003d g, a proto

F - m (g - a) \u003d 0

To ukazuje na absenci elastických deformací v pružině (a v zatížení).

Stav beztíže probíhá nejen při volném pádu, ale i při jakémkoli volném letu tělesa, kdy na něj působí pouze jedna gravitační síla. V tomto případě částice tělesa nepůsobí na podpěru nebo závěs a nedostávají zrychlení vzhledem k této podpěře nebo závěsu vlivem gravitace směrem k Zemi.

Pokud se instalace znázorněná na obrázku pohybuje volně nahoru s prudkým trhnutím lana, bude indikátor měřítka během takového pohybu na nule. A v tomto případě váhy a náklad, pohybující se nahoru se stejným zrychlením, spolu neinteragují.

Pokud tedy na tělesa působí pouze jedna gravitační síla, pak jsou ve stavu beztíže, jehož charakteristickým rysem je absence deformací a vnitřních pnutí v nich.

Stav beztíže by neměl být zaměňován se stavem těla při působení rovnovážných sil. Pokud je tedy těleso uvnitř kapaliny, jejíž hmotnost v objemu tělesa se rovná hmotnosti tělesa, pak je gravitační síla vyvážena vztlakovou silou, ale těleso vyvine tlak na kapalinu (jako na podpěře), v důsledku čehož nezmizí napětí v ní způsobená gravitací, ale znamená to, že nebude ve stavu beztíže.

Podívejme se nyní na stav beztíže těles na umělých družicích Země. Během volného letu družice na oběžné dráze kolem Země se družice sama a všechna tělesa na ní v referenční soustavě spojené s těžištěm Země nebo s „nehybnými“ hvězdami pohybují stejně v každé tento moment doba zrychlení. Velikost tohoto zrychlení je určena gravitačními silami, které na ně působí směrem k Zemi (síly gravitace vůči jiným vesmírným tělesům lze ignorovat, jsou velmi malé). Jak jsme viděli, toto zrychlení nezávisí na hmotnosti tělesa. Za těchto podmínek nedojde k interakci mezi satelitem a všemi tělesy na něm umístěnými (stejně jako mezi jejich částicemi), a to vlivem gravitace vůči Zemi. To znamená, že během volného letu družice budou všechna tělesa v ní ve stavu beztíže.

Těla neupevněná v kosmické lodi, samotný astronaut se volně vznáší uvnitř satelitu; kapalina nalitá do nádoby netlačí na dno a stěny nádoby, takže nevytéká otvorem v nádobě; olovnice (a kyvadla) spočívají v jakékoli poloze, ve které jsou zastaveny.

Astronaut nepotřebuje žádné úsilí, aby držel paži nebo nohu v nakloněné poloze. Ztrácí představu o tom, kde „nahoře“ a kde „dolů“.

Pokud je tělesu dána rychlost vzhledem k satelitní kabině, bude se pohybovat přímočaře a rovnoměrně, dokud se nesrazí s jinými tělesy.

Aby se eliminovaly možné nebezpečné důsledky působení stavu beztíže na životně důležitou činnost živých organismů, a především člověka, vyvíjejí vědci různé metody vytváření umělé „gravitace“, například tím, že dávají budoucnost meziplanetární stanice rotační pohyb kolem těžiště. Pružná síla stěn vytvoří potřebné dostředivé zrychlení a způsobí deformace v tělesech, která jsou s nimi v kontaktu, podobné těm, která měla v pozemských podmínkách.

Co je stav beztíže? Vznášející se poháry, schopnost létat a chodit po stropě, snadno pohybovat i těmi nejmasivnějšími předměty - taková je romantická představa tohoto fyzického konceptu.

Když se zeptáte astronauta, co je stav beztíže, řekne vám, jak je to těžké během prvního týdne na palubě stanice a jak dlouho trvá zotavení po návratu, zvyknutí si na podmínky gravitace. Fyzik naproti tomu takové nuance s největší pravděpodobností vynechá a koncept odhalí s matematickou přesností pomocí vzorců a čísel.

Definice

Seznámení s fenoménem začněme odhalením vědecké podstaty problému. Fyzik definuje stav beztíže jako takový stav tělesa, kdy jeho pohyb nebo vnější síly na něj působící nevedou k vzájemnému tlaku částic na sebe. K tomu druhému dochází na naší planetě vždy, když se objekt pohybuje nebo spočívá: je pod tlakem gravitace a opačně směřované reakce povrchu, na kterém se objekt nachází.

Výjimkou z tohoto pravidla jsou případy, tedy pády rychlostí, kterou tělu uděluje gravitace. Při takovém procesu nedochází k žádnému tlaku částic na sebe, objevuje se stav beztíže. Fyzika říká, že stav, který nastává ve vesmírných lodích a někdy i v letadlech, je založen na stejném principu. Stav beztíže se u těchto zařízení objevuje, když se pohybují konstantní rychlostí libovolným směrem a zároveň jsou ve stavu volného pádu. Umělá družice nebo je vynesena na oběžnou dráhu pomocí nosné rakety. Dává jim určitou rychlost, která je udržována poté, co zařízení vypne vlastní motory. V tomto případě se loď začne pohybovat pouze vlivem gravitace a nastává stav beztíže.

Domy

Důsledky letů pro astronauty se neomezují pouze na toto. Po návratu na Zemi se musí na nějakou dobu adaptovat zpět na gravitaci. Co je stav beztíže pro astronauta, který dokončil let? V první řadě jde o zvyk. Vědomí stále některé období odmítá přijmout fakt přítomnosti gravitace. V důsledku toho není neobvyklé, že kosmonaut místo toho, aby kelímek položil na stůl, jej prostě pustil z ruky a svou chybu si uvědomil, až když uslyší cinkot nádobí rozbitého na podlaze.

Výživa

Jedním z nelehkých a zároveň zajímavých úkolů pro organizátory pilotovaných letů je zajistit astronautům potravu, která je pro tělo pod vlivem stavu beztíže lehce stravitelná. pohodlná forma. První experimenty mezi členy posádky příliš nadšení nevyvolaly. Příznačný je v tomto ohledu případ, kdy si americký astronaut John Young v rozporu s přísnými zákazy přinesl na palubu chlebíček, který však nesnědli, aby ještě více neporušili chartu.

K dnešnímu dni neexistují žádné problémy s rozmanitostí. Seznam jídel, která mají ruští kosmonauti k dispozici, obsahuje 250 položek. Někdy nákladní loď, která začíná na stanici, doručí čerstvé jídlo objednané někým z týmu.

Základem diety je Všechna tekutá jídla, nápoje a bramborová kaše jsou baleny v hliníkových tubách. Nádoba a skořápka produktů jsou promyšleny tak, aby se zabránilo výskytu drobků plovoucích v nulové gravitaci, které by se mohly někomu dostat do oka. Například sušenky jsou dostatečně malé a pokryté skořápkou, která se rozpouští v ústech.

Známé prostředí

Na stanicích jako ISS se snaží uvést všechny podmínky do obvyklých pozemských. Jedná se o národní jídla v nabídce a pohyb vzduchu nezbytný jak pro fungování těla, tak pro normální provoz zařízení, a dokonce i označení podlahy a stropu. To poslední má spíše psychologický význam. Astronautovi ve stavu beztíže je jedno, v jaké poloze bude pracovat, nicméně přidělení podmíněné podlahy a stropu snižuje riziko ztráty orientace a přispívá k rychlejší adaptaci.

Stav beztíže je jedním z důvodů, proč není každý brán jako astronaut. Adaptace po příjezdu na stanici a po návratu na Zemi je srovnatelná s aklimatizací několikanásobně zesílenou. Člověk s podlomeným zdravím nemusí takovou zátěž vydržet.

Skutečnost, že stav beztíže je pozorována ve vesmíru, je dnes možná dokonce známá Malé dítě. Jako široká distribuce této skutečnosti posloužily četné sci-fi filmy o Kosmu. Ve skutečnosti však málokdo ví, proč ve vesmíru existuje stav beztíže, a dnes se pokusíme podat vysvětlení. tento fenomén.

Falešné hypotézy

Většina lidí, kteří slyšeli otázku o původu stavu beztíže, na ni snadno odpoví tím, že takový stav je zažíván v Kosmu z toho důvodu, že na tělesa tam nepůsobí přitažlivá síla. A to bude zásadně špatná odpověď, protože v Kosmu působí gravitační síla a je to ona, kdo udržuje všechna vesmírná tělesa na svých místech, včetně Země a Měsíce, Marsu a Venuše, které se nevyhnutelně točí kolem našeho přirozeného světla. - slunce.

Když lidé uslyší, že odpověď je špatná, jistě vytáhnou z rukávu další trumf – nepřítomnost atmosféry, naprosté vakuum pozorované v Kosmu. Ani tato odpověď však není správná.

Proč je ve vesmíru stav beztíže

Faktem je, že stav beztíže, který zažívají astronauti na ISS, vzniká v důsledku celé kombinace různých faktorů.

Důvodem je to, že ISS obíhá kolem Země na oběžné dráze s velká rychlost přesahující 28 tisíc kilometrů za hodinu. Taková rychlost má vliv na to, že astronauti na stanici už necítí zemskou gravitaci a vůči lodi vzniká pocit beztíže. To vše vede k tomu, že se astronauti začnou po stanici pohybovat přesně tak, jak to vidíme ve sci-fi filmech.

Jak simulovat stav beztíže na Zemi

Zajímavé je, že stav beztíže lze uměle obnovit v zemské atmosféře, což se mimochodem úspěšně daří specialistům NASA.

Na vahách NASA je takové letadlo jako Vomit Comet. Jedná se o zcela obyčejné letadlo, které se používá pro výcvik astronautů. Je to on, kdo je schopen znovu vytvořit podmínky bytí ve stavu beztíže.

Proces obnovení takových podmínek je následující:

Letoun rychle nabírá výšku a pohybuje se po předem naplánované parabolické trajektorii.
Po dosažení horního bodu podmíněné paraboly se letoun začne prudce pohybovat dolů.
Kvůli prudké změně trajektorie pohybu a také aspiraci letadla dolů se všichni lidé na palubě začnou nacházet v podmínkách beztíže.
Po dosažení určitého bodu sestupu letadlo vyrovná svou trajektorii a zopakuje letovou proceduru, nebo přistane na zemském povrchu.

Dochází k vzájemným tlakům částic tělesa na sebe. tělo takové tlaky vnímá jako pocit tíhy. výsledek platí pro těleso, které je ve výtahu pohybujícím se svisle dolů se zrychlením a¹ G, kde G- volný pád. Ale při A=G těleso (všechny jeho částice) se uvolňují a nevyvíjejí na sebe žádný vzájemný tlak; následkem toho zde probíhá N. Na všechny částice tělesa ve stavu N. přitom působí gravitační síly, ale na povrch tělesa nepůsobí žádné vnější síly (např. podpůrné reakce ), které by mohly způsobit vzájemné tlaky částic na sebe. Podobný jev je pozorován u těles umístěných v umělém zemském satelitu (nebo vesmírné lodi); tato tělesa a všechny jejich částice, které obdržely odpovídající počáteční hodnotu spolu s družicí, se pohybují působením gravitačních sil svých drah se stejnými zrychleními, jako volné, aniž by na sebe vyvíjely vzájemný tlak, tj. stavu H. Stejně jako na těleso ve vztlaku na ně působí gravitační síla, ale na povrchy těles nepůsobí vnější síly, které by mohly způsobit vzájemné tlaky těles nebo jejich částic na sebe.

Obecně platí, že při působení vnějších sil bude N. ve stavu: a) působící vnější síly jsou hmotnostní (gravitační síly); b) pole těchto tělesných sil je lokálně homogenní, tj. síly udělují všem částicím tělesa v každé jeho poloze stejné zrychlení ve velikosti a směru; c) počáteční rychlosti všech částic tělesa jsou v modulu a směru stejné (těleso se pohybuje vpřed). Tedy každé těleso, jehož rozměry jsou malé ve srovnání se zemským poloměrem, vykonávající volnou translaci v gravitačním poli Země, bude za nepřítomnosti jiných vnějších sil ve stavu H. Výsledek bude podobný pro pohyb v gravitačním poli. jakýchkoli jiných nebeských těles.

Vzhledem k výraznému rozdílu mezi podmínkami N. od pozemských podmínek, ve kterých se vytvářejí a odlaďují agregáty umělé družice Země, kosmické lodě a jejich nosných raket, problém N. zaujímá další důležité problémy kosmonautiky. To je nejdůležitější pro systémy, které mají nádrže částečně naplněné kapalinou. Patří mezi ně pohonné systémy s raketovými motory na kapalná paliva, určené pro opakované zařazení do podmínek vesmírný let. Za N. podmínek může být v nádrži libovolně, a tím narušovat normální fungování systému (například zásobování komponentami z palivových nádrží). Pro zajištění startu kapalných pohonných systémů za N. podmínek se proto využívá: separace kapalné a plynné fáze v palivových nádržích pomocí elastických separátorů (např. u Mariner AMS); části kapaliny u sacího zařízení s mřížkovým systémem (raketa "Agena"); Krátkodobá přetížení (umělá "gravitace") před zapnutím hlavního pohonného systému pomocí pomocných raketových motorů a dalších speciálních metod jsou nutná i pro oddělení kapalné a plynné fáze za N. podmínek v řadě jednotek systému. životní podpora, v palivových článcích systému dodávky energie (například kondenzát s porézním knotovým systémem, kapalná fáze pomocí odstředivky). Mechanismy kosmická loď(otevřít solární panely, antény, pro dokování atd.) jsou počítány pro provoz v N podmínkách.

N. lze využít k provádění určitých technologických procesů, které jsou v pozemských podmínkách obtížné nebo nemožné (např. získávání kompozitních materiálů s jednotnou strukturou v celém objemu, získávání těles přesného kulového tvaru z roztaveného materiálu vlivem sil povrchového napětí , atd.). na svařování různých materiálů za podmínek N. a vakua byla provedena během letu sovětské kosmické lodi "-6" (1969). Řada technologických (o svařování, studiu toku a krystalizace roztavených materiálů atd.) byla provedena na americkém orbitální stanici Skylab (1973).

Zvláště důležité je vzít v úvahu jedinečnost podmínek N. při letu pilotovaných kosmických lodí: podmínky života člověka ve stavu N. se výrazně liší od obvyklých pozemských, což způsobuje změny v řadě jeho životních funkcí. Takže N. klade centrálu nervový systém a mnoho analyzačních systémů (vestibulární aparát, svalově-kloubní aparát, krevní cévy) do neobvyklých funkčních podmínek. Proto je N. považován za specifický integrální podnět, který působí na lidský a zvířecí organismus během celého oběhu. Reakcí na podnět jsou adaptivní procesy ve fyziologických systémech; míra jejich projevu závisí na délce trvání N. a v mnohem menší míře na individuální vlastnosti organismus.

S nástupem N. stavu se u některých astronautů rozvinou vestibulární poruchy. Pocit tíhy v oblasti přetrvává dlouhou dobu (kvůli zvýšenému prokrvení). Přitom k N. dochází zpravidla bez vážných komplikací: u N. si zachovává pracovní schopnost a úspěšně plní různé úkoly, včetně těch, které vyžadují koordinaci nebo výdej energie. Motorická aktivita v N. stavu vyžaduje menší energetický výdej než podobné pohyby v podmínkách gravitace. Pokud nebyla během letu použita preventivní opatření, pak první a den po přistání (období opětovné adaptace na pozemské podmínky) jsou u osoby, která provedla kosmický let, pozorovány následující změny. 1) Porušení vertikálního držení těla ve statice a dynamice; závažnost částí těla (okolní předměty jsou vnímány jako neobvykle těžké; chybí trénink v dávkování svalového úsilí). 2) Porušení hemodynamika při práci střední a vysoké intenzity; jsou možné předmdloby a mdloby přechodu z horizontální do vertikální polohy (ortostatické testy). 3) Porušení metabolických procesů, zejména metabolismus voda-sůl, což je doprovázeno relativní dehydratací tkání, snížením objemu cirkulující krve, snížením obsahu řady prvků ve tkáních, zejména draslíku a vápníku. 4) Porušení kyslíkového režimu těla při fyzické námaze. 5) Snížená imunobiologická rezistence. 6) Vestibulo-vegetativní poruchy. Všechny tyto posuny způsobené N. jsou vratné. Urychlené obnovy normálních funkcí lze dosáhnout pomocí fyzioterapie a pohybové terapie a také užíváním léků. Nepříznivé N. na lidském těle za letu lze nebo omezit různými prostředky a metodami (svalová, elektrická svalová stimulace, negativní, aplikovaná do dolní poloviny těla, farmakologická a další). V letu trvajícím asi 2 měsíce (