Невесомость - Weightlessness

Астронавты на Международной космической станции испытывают только микрогравитацию и, таким образом, демонстрируют пример невесомости. На переднем плане Майкл Фоул тренируется .

Невесомость - это полное или почти полное отсутствие ощущения веса . Это также называется нулевой перегрузкой , хотя более правильным термином является «нулевая перегрузка ». Это происходит при отсутствии каких-либо контактных сил с объектами, в том числе с телом человека.

Вес - это измерение 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.п. Также возникает ощущение веса, даже когда гравитационное поле равно нулю, когда контактные силы действуют на инерцию тела и преодолевают ее за счет механических, негравитационных сил, например, в центрифуге , вращающейся космической станции или в ускоряющемся транспортном средстве. .

Когда гравитационное поле неоднородно, тело в свободном падении испытывает приливные эффекты и не является свободным от 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

В левой половине пружина находится далеко от любого источника гравитации. В правой половине он находится в однородном гравитационном поле. a ) Невесомость и невесомость b ) Невесомость, но невесомость (пружина приводится в движение ракетой) c ) Пружина находится в свободном падении и невесома d ) 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 гравитации. 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 в результате 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 не гравитационная. 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 усложняется, 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 предполагаемое ощущение невесомости в дальнейшем.

Тело свободно от 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 о том, 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 и 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 быть во много раз больше, чем 1 Н (0,22 фунта силы ). Именно эта гиря 2 искажает яблоко. Спускаясь вниз, яблоко в свободном падении не искажается, поскольку гравитационное поле однородно.

Стресс во время свободного падения

  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 (которое не ощущается), а за счет механических сил, противодействующих 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, поскольку они не испытывают механических сил, вызывающих ощущение масса.

Силовые поля, отличные от гравитации

Как отмечалось выше, невесомость возникает, когда

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

Для полноты картины 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. Возможный пример - электрически заряженное тело, равномерно заряженное в однородном электрическом поле. Электрический заряд здесь заменяет обычный гравитационный заряд. Тогда такое тело не будет подвержено стрессу и будет классифицировано как невесомое. В эту категорию могут попадать различные типы левитации , по крайней мере приблизительно.

Невесомость и правильный разгон

Тело в свободном падении (которое по определению не вызывает аэродинамических сил) у поверхности земли имеет ускорение, приблизительно равное 9,8 м / с 2 (32 фута / с 2 ) по отношению к системе 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

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

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 прикладываются к точке или поверхности, а не действуют на всю массу объекта) и, таким образом, создают явление веса. Эта неоднородная сила также может 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

Два жестких куба, соединенных упругой струной, 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, за исключением одной определенной точки 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 1 Земли в основном обусловлен гравитацией Солнца. Но его состояние напряжения и деформации, представленное приливами, больше связано с неоднородностью 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.

Справочные рамки

Во всех инерциальных системах отсчета , когда 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. Предметы, не контактирующие с другими предметами, «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 находиться 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, часто ошибочно называемой параболическим полетом. В условиях нейтральной плавучести , таких как погружение в резервуар с водой, он плохо моделируется, со многими отличиями .

Невесомость, невесомость, акселерометры

Zero-g - это альтернативный термин для обозначения невесомости, и он сохраняется, например, в свободно падающем лифте. Невесомость тонко 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.

Ощущение веса

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

Люди ощущают свой 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 находился бы в свободном падении и испытывал 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 сопротивляются 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

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 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 так:

Миф о том, что спутники остаются на орбите, потому что они «ускользнули из-под земного притяжения», еще больше увековечивается (и ложно) благодаря почти повсеместному неправильному использованию 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 структурой 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, а не положение или недостаток силы тяжести, 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

Для современного физика, работающего с общей теорией относительности Эйнштейна , ситуация даже сложнее, чем предполагалось выше. Теория Эйнштейна предполагает, что действительно допустимо считать, что объекты, движущиеся по инерции (например, падающие в лифте, или 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 равно нулю (ускорение ощущается локально), как и в случае далеко в космосе, вдали от любой массы. Таким образом, можно считать, что большая часть гравитационного поля в таких ситуациях фактически отсутствует с точки зрения падающего наблюдателя, как и предполагает разговорная точка зрения (см. Принцип эквивалентности для 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» в некотором смысле может 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, следовательно, не имеют причин для искривленных путей. (т.е. «падающее движение» объекта вблизи источника гравитации).

В общей теории относительности единственная гравитация, которая остается для наблюдателя, идущего по падающей траектории или «инерциальной» траектории вблизи 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 », которую ощущают все пространственно-протяженные объекты, падающие в любом естественном гравитационном поле, возникающем из компактной массы. Причина этих приливных эффектов в том, что такое поле будет происходить из централизованного места (компактной массы) и, таким образом, будет расходиться и немного изменяться по силе в зависимости от расстояния от массы. Таким образом, он будет варьироваться по ширине падающего или вращающегося объекта. Таким образом, термин «микрогравитация», слишком технический термин с ньютоновской точки зрения, является действительным и описательным термином с общей релятивистской (эйнштейновской) точки зрения.

Микрогравитация

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.

Невесомая и облегченная среда

Маневр полета в невесомости

Уменьшенный вес в самолете

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 в 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 нейтрализуется, в результате чего самолет ведет себя так, как если бы он падал в вакууме. В течение этого периода пассажиры самолета 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 пониженной гравитацией

Версии таких самолетов эксплуатируются программой исследований пониженной гравитации НАСА с 1973 года, откуда и произошло это неофициальное прозвище. Позже НАСА приняло для публикации официальное прозвище «Невесомое чудо». Нынешний самолет НАСА с пониженной гравитацией, "Weightless Wonder 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 командам студентов подавать предложения по эксперименту с микрогравитацией. Если выбран этот вариант, команды разрабатывают и реализуют свой эксперимент, а студентов приглашают летать на комете Vomit Comet НАСА.

Европейское космическое агентство A310 Zero-G

Европейское космическое агентство летит параболические полеты на специально модифицированном Airbus A310-300 самолетов, 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 из которых пролетает около 30 парабол, что в общей сложности составляет около 10 минут невесомости за полет. Эти кампании в настоящее время проводятся из аэропорта Бордо-Мериньяк во Франции компанией Novespace , 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.

Среди других самолетов, которые она использовала, - российский Ил-76 МДК до основания компании Novespace, затем французская Caravelle , затем Airbus A300 Zero-G, а теперь и Airbus A310.

Коммерческие рейсы для пассажиров общественного транспорта

Внутри российского Ил-76МДК Центра 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. Эти рейсы продаются 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.

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

Испытания в условиях невесомости в Центре исследования невесомости НАСА

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

Центр исследования невесомости НАСА , расположенный в Исследовательском центре Гленна в Кливленде, штат Огайо , представляет собой 145-метровую вертикальную шахту, расположенную в основном под землей, со встроенной вакуумной камерой падения, 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 падения в день, 2,2-секундная башня падения может проводить до двенадцати падений 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 .

Люди не могут использовать эти гравитационные валы, поскольку замедление, испытываемое падающей камерой, скорее всего, убьет или серьезно повредит любого, кто их использует; 20 г - это максимальное замедление, которое здоровый человек может выдержать на мгновение, не получив травм.

Другие пункты доставки по всему миру включают:

Нейтральная плавучесть

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. В этом смысле невесомость была бы эквивалентна нейтральной плавучести в среде с нулевой плотностью или нейтральной плавучести в центре масс среды любой плотности.

Невесомость в космическом корабле

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

На космических кораблях за пределами атмосферы планеты возникают длительные периоды невесомости , если не используется движущая сила и корабль не вращается. Невесомость не возникает, когда космический корабль запускает свои двигатели или при повторном входе 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 структуру космического корабля через сжимающие и растягивающие силы на предметы или людей внутри.

Невесомость орбитального космического корабля физически идентична свободному падению с той разницей, что гравитационное ускорение вызывает общее 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, полностью покидая Землю.

Невесомость в центре планеты

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

Воздействие на здоровье человека

Астронавт Клейтон Андерсон, когда большая капля воды плывет перед ним на "Дискавери". 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. 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 временные, могут возникнуть долгосрочные проблемы со здоровьем.

Наиболее 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. О первом случае SAS сообщил космонавт Герман Титов в 1961 году. С тех пор примерно 45% всех людей, побывавших в космосе, страдали этим заболеванием. Продолжительность космической болезни варьируется, но ни в коем случае не превышает 72 часов, после чего организм приспосабливается к новой среде. НАСА в 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.

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 . Эти эффекты можно свести к минимуму с помощью режима упражнений, 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. К другим значительным эффектам относятся перераспределение жидкости (вызывающее появление «лунного лица», типичное для изображений астронавтов в невесомости), замедление работы сердечно-сосудистой системы из- за уменьшения кровотока в ответ на недостаток силы тяжести, снижение выработки красных кровяных телец , нарушение баланса и ослабление иммунной системы . Менее выраженные симптомы включают потерю массы тела, заложенность носа, нарушение сна, избыточное 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 . Такие проблемы со зрением могут стать серьезной проблемой для будущих полетов в дальний космос, включая миссию с экипажем на планету Марс . Воздействие высоких уровней радиации также может повлиять на развитие атеросклероза.

31 декабря 2012 года НАСА -Поддерживаемые исследование показало , что человеческий космический полет может нанести вред мозгам из космонавтов и ускорить начало болезни Альцгеймера . 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 .

Воздействие на нечеловеческие организмы

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

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.

Эксперимент с космическим шаттлом 2006 года показал, что Salmonella typhimurium , бактерия, которая может вызывать пищевое отравление, стала более опасной при выращивании в космосе. 29 апреля 2013 года , 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 ».

При определенных условиях испытаний было обнаружено, что микробы процветают в условиях почти невесомости космоса и выживают в космическом вакууме .

Техническая адаптация в невесомости

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, зависящие 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 стирка 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.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки

Словарное определение невесомости в Wiktionary Media, связанное с невесомостью, на Викискладе?