Интересные факты про невесомость. Что это - невесомость? В каком случае наступает невесомость

Что такое невесомость? Парящие чашки, возможность летать и ходить по потолку, с легкостью перемещать даже самые массивные предметы — таково романтическое представление об этом физическом понятии.

Если спросить космонавта, что такое невесомость, он поведает, как сложно бывает в первую неделю на борту станции и как долго по возвращении приходится восстанавливаться, привыкая к условиям земного притяжения. Физик же, скорее всего, опустит подобные нюансы и с математической точностью раскроет понятие при помощи формул и цифр.

Определение

Начнем наше знакомство с явлением с раскрытия научной сути вопроса. Невесомость физика определяет как такое состояние тела, когда его движение или же внешние силы, воздействующие на него, не приводят к взаимному давлению частиц друг на друга. Последнее возникает всегда на нашей планете, когда какой-либо предмет перемещается или покоится: на него давит сила тяжести и противоположно направленная реакция поверхности, на которой объект расположен.

Исключение из этого правила — случаи то есть падения со скоростью, которое придает телу сила тяжести. В таком процессе отсутствует давление частиц друг на друга, появляется невесомость. Физика говорит, что на таком же принципе основано состояние, возникающее в космических кораблях и иногда в самолетах. Невесомость появляется в этих аппаратах, когда они движутся с постоянной скоростью в любом направлении и при этом находятся в состоянии свободного падения. Искусственный спутник или доставляется на орбиту при помощи ракеты-носителя. Она придает им определенную скорость, которая сохраняется после выключения аппаратом собственных двигателей. Корабль при этом начинает перемещаться только под действием силы тяжести и возникает невесомость.

Дома

Последствия полетов для астронавтов этим не ограничиваются. После возвращения на Землю им приходится в течение некоторого времени адаптироваться обратно к силе тяжести. Что такое невесомость для космонавта, завершившего полет? Прежде всего это привычка. Сознание еще какой-то период отказывается принять факт наличия силы тяжести. В результате нередки случаи, когда космонавт вместо того, чтобы поставить чашку на стол, просто отпускал ее и осознавал ошибку, только услышав звон разбитой об пол посуды.

Питание

Одна из непростых и одновременно интересных задач для организаторов пилотируемых полетов — обеспечение космонавтов легко усваиваемой организмом под воздействием невесомости едой в удобной форме. Первые опыты не вызывали особого энтузиазма среди членов экипажей. Показателен в этом плане случай, когда американский астронавт Джон Янг вопреки строгим запретам пронес на борт сэндвич, есть который, правда, не стали, чтобы не нарушать устав еще больше.

На сегодняшний день с разнообразием на проблем нет. Перечень блюд, доступных для российских космонавтов, насчитывает 250 пунктов. Иногда грузовой корабль, стартующий к станции, доставляет свежее блюдо, заказанное кем-то из команды.

Основу рациона составляют Все жидкие блюда, напитки, а также пюре упаковываются в алюминиевые тубы. Тара и оболочка продуктов продумывается таким образом, чтобы избежать появления крошек, парящих в невесомости и могущих попасть кому-то в глаз. Например, печенье делается достаточно маленьким и покрытым оболочкой, тающей во рту.

Знакомая обстановка

На станциях, подобных МКС, все условия стараются довести до привычных земных. Это и национальные блюда в меню, и необходимое как для функционирования организма, так и для нормальной работы аппаратуры движение воздуха, и даже обозначение пола и потолка. Последнее имеет, скорее, психологическую значимость. Космонавту в невесомости все равно, в каком положении работать, однако выделение условного пола и потолка снижает риск потери ориентации и способствует более быстрой адаптации.

Невесомость — одна из тех причин, почему в космонавты берут далеко не всех. Адаптация по прибытии на станцию и после возвращения на Землю сравнима с акклиматизацией, усиленной в несколько раз. Человек со слабым здоровьем такой нагрузки может не выдержать.

На вопрос На какой высоте наступает невесомость? заданный автором P.S. лучший ответ это А ты подпрыгни на месте - вот и будет тебе счастье!
Но только, конечно, весьма кратковременное. .
Ну, а если вопрос про космический полёт -
то как только произойдёт отключение двигателей!
С работающими же двигателями невесомость не наступит
даже за пределами Солнечной системы.
Да что там - даже за пределами Галактики!..

Ответ от Искандер Винтру [гуру]
приблизительно 35-36 тысяч км, на этой высоте спутники летают на второй космической

Ответ от Sant Valenti [гуру]
при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд "невесомости";

Ответ от Krab Bark [гуру]
На любой. Подпрыгни - во время прыжка ты будешь находиться в невесомости.На спутниках невесомость существует потому, что сила тяжести уравновешивается при большой скорости центробежной силой. От высоты полета зависит только необходимая скорость, но через атмосферу лететь на необходимой на такой высоте скорости порядка 8 км/с было бы затруднительно 😉

Ответ от Misha Chernomorets [гуру]
Невесомость может наступать как только объект оторвется от земли. Поскольку состояние невесомости - это когда объект не давит на опору, то есть отсутствует вес (но не масса! !) . Удаленность от земли тут в общем не при чем. Если человека посадить в ящик, и сбросить с самолета, он будет находиться в состоянии невесомости. Фишка тут в том, что космический корабль тоже "падает" на землю, но поскольку обладает достаточной скоростью, реально упасть не может, до тех пор пока скорость не упадет до определенного значения. Немного об этих понятиях: невесомость - состояние, наблюдаемое нами, когда сила взаимодействия тела с опорой (вес тела) , возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Состояние невесомости характерно так же для инерциальной системы отсчёта (ИСО) , где вообще не действуют никакие силы на тело. Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения. Это не так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС) . На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 м/с?, что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли. Состояние невесомости на МКС возникает за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью. На Земле в экспериментальных целях создают кратковременное состояние невесомости (до 40 с) при полётах самолёта по параболической (а на самом деле - баллистической, то есть такой, по которой летел бы самолет под воздействием одной лишь силы земного притяжения; эта траектория является параболой лишь при небольших скоростях движения; для спутника это эллипс, окружность или гипербола) траектории. Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере, когда сопротивление воздуха ещё невелико. Для понимания сути невесомости можно рассмотреть летящий по баллистической траектории самолёт. Такие применяются для тренировки космонавтов в России и США. В кабине пилота на нитке подвешен грузик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолет покоится либо движется равномерно и прямолинейно) . Когда нить, на которой висит шарик не натянута, имеет место состояние невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, что бы шарик висел в воздухе, а нить не была натянута. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз. Таким образом, можно сказать, что самолёт «падает» вместе с шариком, ниткой, пилотом и космонавтами.

Почему в центре Земли тела невесомы?

Прежде всего, попытаемся понять идею барона: он утверждает, что в центре Земли жилец будет притягиватьсяво все стороны одинаково , и поэтому будет находиться в состоянии невесомости. Чтобы эта мысль была более понятной, рассмотрим ситуацию, когда точечная массаm находится в центре кольца, состоящего из большого числа точечных массM (рис. 6.1).

Ясно, что каждые две противоположно лежащие массыM тянут жильца в противоположные стороны с одинаковыми по величине силами. Поэтому равнодействующая всех сил, приложенных к точечной массеm , равна нулю.

В аналогичной ситуации будет жилец, находящийся в центре Земли.

Почему же Профессор опасается, что вес жильца в центре Земли будет бесконечно большим? Он просто вспомнил формулу закона всемирного тяготения из школьного учебника:, гдеm иM — массы тел, аR — расстояние между ними. Он решил, что поскольку в центре Земли расстояние между жильцом и Землей равно нулю, то получается, что

Профессор забыл, что закон всемирного тяготениясправедлив только дляточечных масс, то есть тел, размерами которых в условиях данной задачи можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними. Такое приближение, например, вполне допустимо при расчетах движения планет вокруг Солнца, но в условиях нашей задачи считать Землю точечной массой, конечно же, нельзя!

Как будет изменяться вес тела по мере приближения к центру Земли?

Бизнесмен утверждает, что по мере погружения вглубь Земли вес тела будетвозрастать , а барон, напротив, судя по приведенному на плакате рисунку, полагает, что чем глубже под землей находится жилец, темменьше он весит. Кто же из них прав? Правы оба! Действительно, при погружении на глубину до 2000 км, вес телавозрастает , при дальнейшем погружении —убывает , и в центре Земли становится равным нулю!

Разберемся с этим вопросом подробнее.

Какой вес имеет тело, находящееся внутри сферической оболочки?

Пусть точечная масса m находится в точкеO" внутри сферической оболочки радиусомR (рис. 6.2) и пусть масса единицы площади поверхности сферы равна ρ.

Докажем, что равнодействующая всех гравитационных сил, действующих на точечную массуm со стороны сферы, равна нулю.

1. Построим две узких конических поверхности с малым углом раствора α и с общей вершиной в точкеO" , как показано на рис. 6.3. Эти конические поверхности «вырежут» на сфере кусочки поверхности, которые можно приближенно считать плоскими, что вполне допустимо, если угол α очень мал.

2. Площади вырезанных на сфере «кусочков»S 1 иS 2 пропорциональны квадратам их «диаметров» — отрезковAB иCD . ПустьAB = k·CD , тогдаS 1 = k 2 ·S 2 , для масс вырезанных кусочков действует то же самое соотношение:m 1 = k 2 ·m 2

3. Рассмотрим углыABC иADC . Они равны, как вписанные в окружность и опирающиеся на общую дугуАС , поэтому обозначим их одной буквой φ.

4. Два угла (α и φ) треугольникаO"AB равны двум углам треугольникаO"DC , следовательно, эти треугольники подобны. Из подобия треугольников следует, что еслиR 1 ,R 2 — расстояния от тела до центров масс соответствующих кусочков сферы, тоR 1 = k ·R 2 .

5. Найдем соотношение сил, действующих на тело массойm , находящееся в точкеO" , со стороны тел массамиm 1 иm 2 , которые можно считать точечными (поскольку их размеры очень малы).

То естьF 1 =F 2 , а значит, равнодействующая этих сил равна нулю.

6. Но ведь всю поверхность сферы можно разбить на такие пары противоположно лежащих «кусочков», и каждая такая пара даст равнодействующую, равную нулю.

Это значит, что суммарная сила, действующая со стороны сферы на точечную массуm , равна нулю. То есть сферавообще не действует на точечную массу, расположенную внутри нее, в каком бы месте эта точечная масса ни находилась (совершенно необязательно, чтобы она находилась в центре сферы!).

Какой вес имеет тело, находящееся внутри шарового слоя?

Теперь от тонкой сферы перейдем к шаровому слою конечной толщины. Пусть точечная массаm теперь находится внутри шарового слоя (рис 6.4).

Ясно, что шаровой слой конечной толщины можно разбить на множество очень тонких концентрических шаровых слоев очень малой толщины — практически сфер. А каждая такая сфера, как мы только что выяснили, не оказывает воздействия на расположенную внутри нее точечную массу. Стало быть, и шаровой слойникак не будет действовать на точечную массу, находящуюся внутри него.

Точечная масса внутри однородного шара

А теперь перейдем к более сложному случаю: пусть точечная массаm находится внутри однородного шара радиусомR и плотностью ρ на расстоянииr от центра шара (рис. 6.5). Внешняя для точечной массы часть шара — наружный шаровой слой, — как мы только что доказали, на точечную массу действоватьне будет , а внутренняя часть большого шара (малый шар радиусомr ) будет притягивать нашу точечную массу с силой, гдеМ = — масса малого шара. Подставляя значениеМ в формулу дляF , получим:

То есть сила тяжести прямо пропорциональна расстоянию до центра шара. Ясно, что еслиr = 0, тоF = 0.

Значит, если бы Земля былаоднородным шаром, то вес тела действительно постепенно уменьшался с глубиной, и барон Мюнхаузен был бы абсолютно прав. Но на самом деле Земляне является однородным шаром : ее плотность с глубиной изменяется — а именно, увеличивается.

При погружении в шахту на величину силы тяжести оказывают действие два фактора: с одной стороны, уменьшается расстояние до центра Земли, поэтому сила тяготения увеличивается:

а с другой стороны, уменьшается масса «малого» шара, находящегосяпод погружаемым телом:

Вопрос в том, какой фактор окажет большее влияние на величину силы тяжести. Разберем два крайних случая.

1. Пусть шаровой слойнад точечной массойm (см. рис. 6.5) имеет ничтожно малую плотность (ρ → 0), тогда масса «малого» шара радиусомr точно такая же, как и масса «большого» шара радиусомR . Тогда сила тяжести на расстоянииr < R от центра будет явнобольше силы тяжести на расстоянииR от центра. То есть в этом случае при погружении в шахту сила тяжести будет возрастать.

2. Пусть нулевую плотность имеет «малый» шар (см. рис. 6.5), то есть вся масса сосредоточена в шаровом слоенад точечной массой m . Тогда уже на расстоянииr от центра сила тяжести будет равна нулю:

Как мы уже говорили, Земля представляет собой неоднородный шар, причем плотность верхних слоев значительно меньше, чем плотность внутренних слоев. Поэтому при погружении под землю примерно до глубины 2000 км преобладает первый эффект — сила тяжести возрастает:, а потом сила тяжести начинает убывать — преобладает эффект убывания массы «малого» шара.

Сколько времени займет спуск до нижнего этажа?

Теперь ответим нашему Инженеру, которого интересует прежде всего практическая целесообразность проекта: как долго жилец перевернутого небоскреба будет спускаться до своей квартиры, если он живет в самом центре Земли?

Допустим, что лифт будет сначала разгоняться до какой-то очень приличной скорости (скажем, 1 км/c), потом будет какое-то время двигаться с этой скоростью, а в конце пути тормозить. Тогда для того, чтобы спуститься до центра Земли, потребуется время

В заключение отметим еще одну трудность практической реализации проекта: дом должен бытьабсолютно герметичным , во-первых, иочень прочным, во-вторых, так как атмосферное давление в центре Земли будет просто чудовищным!

Прикинем, каким будет давление воздуха в шахте глубиной «всего лишь» 100 км. (Заметим, что самые глубокие современные скважины не превышают пока 12 км.) Будем исходить из того, что на поверхности Земли атмосферное давление равно 100 000 Па, а плотность воздуха равна 1,29 кг/м 3 и не меняется с глубиной (на самом деле, плотность с глубиной, конечно, возрастает, поэтому наша оценка будет заниженной).

Тогда искомое давление будет равно:

p =p a + ρgh ≈ 100000 Па + 1,29 кг/м 3 ·9,8 м/c 2 ·100000 м =

1364200 Па ≈ 13,6 атм.

Такое же давление под водой на глубине 136 м! А ведь речь пока идет только о глубине в 100 км, а центр Земли находится на глубине 6400 км!

О трудностях, связанных с тем, что глубоко под Землей, мягко скажем, жарковато, мы распространяться не будем. Возможно, кто-то предложит принцип охлаждения перевернутого небоскреба?

В космосе невесомость - постоянное условие жизни и деятельности. Это резко отличает космос от среды, в которой обитает человечество. На Земле человек постоянно борется с силой тяжести, поэтому утрата собственного веса для него непривычна, а опыта пребывания человека в невесомости нет.

Да, эпизодически невесомость испытать можно: например, во время полетов на самолете, когда он попадает в «воздушные ямы» или резко теряет высоту. Ощущение невесомости хорошо знают парашютисты. Невесо́мость - состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой отсутствует.

В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т.д. Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов. Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки привычки и нужных навыков. Влияние невесомости учитывается в конструкции жидкостного ракетного двигателя, предназначенного для запуска в невесомости.

Как невесомость воздействует на человека

При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации . По симптомам это состояние похоже на морскую болезнь: снижение аппетита, головокружение, головная боль, усиление слюноотделения, тошнота, иногда встречается рвота, пространственные иллюзии. Все эти эффекты обычно проходят после 3-6 суток полёта. При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер: быстрое атрофирование мышц – мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате понижаются все физические характеристики организма; следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода; из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего гемоглобин; ограничение подвижности нарушает фосфорный обмен в костях, что приводит к снижению их прочности.

Человеческий организм, попав в условия невесомости, начинает перестраиваться. Человек худеет. Всё тело становится дряблым, как при долгом лежании в постели. Кости становятся хрупкими - они здесь не испытывают нагрузки. Мышцы работают мало. А от бездействия все органы слабеют. Похоже на то, как пролежавший в постели несколько месяцев человек заново учится ходить. Космонавты Николаев и Севастьянов после восемнадцати дней пребывания в невесомости вообще первое время не могли встать на ноги.

Чтобы уменьшить вредное действие невесомости, учёные придумали разные средства: они рекомендуют космонавтам побольше заниматься в космосе физкультурой, в основном с эспандерами. Создали для космонавтов особые нагрузочные костюмы «пингвин». В эти плотно облегающие костюмы вшиты резинки, стягивающие тело в клубочек. Чтобы в таком костюме держаться прямо, приходится всё время слегка напрягать мышцы. А это как раз и нужно, чтобы они не слабели.

Делают на орбитальных станциях и «бегущую дорожку». Чтобы не уплыть, космонавт пристёгивается эластичными тяжами. Они заменяют космонавту его вес, тянут за пояс и за плечи вниз к полу, прижимают к «дорожке». Она под космонавтом бежит назад. А он по ней бежит вперёд. Не все легко переносят невесомость, особенно в первый момент. Многим кажется, что их подвесили вниз головой. У некоторых наступает тошнота. Первые день – два космонавты обычно привыкают к невесомости.

Невесомость возникает при выходе космического корабля на орбиту. Но исчезновение веса нельзя путать с исчезновением гравитационного притяжения – например, на Международной космической станции (на высоте 350 км) оно только на 10% меньше, чем на Земле. Состояние невесомости на МКС возникает не из-за отсутствия гравитации, а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты как-бы постоянно «падают вперед» со скоростью 7,9 км/с.

Как тренируют космонавтов в невесомости на Земле

На Земле в экспериментальных целях можно создать кратковременное состояние невесомости (до 40 секунд) при полётах самолёта по параболической траектории. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз (нулевую перегрузку). Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа («провал в воздухе»). Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд «невесомости»; внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты. Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке. Но в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета гражданская авиация сбрасывает высоту постепенно, совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полета в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). Т.е. спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир только на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере, когда сопротивление воздуха ещё небольшое.