Что такое невесомость с точки зрения физика и космонавта? Интересные факты про невесомость Состояние невесомости в земных условиях

Мы привыкли к тому, что все предметы вокруг нас имеют вес. Происходит это потому, что сила гравитации притягивает их к Земле. Даже если мы летим в самолёте или прыгаем с парашютом, вес никуда от нас не девается. Но что же произойдёт, если вес всё же исчезнет, когда это бывает и какие интересные явления наблюдаются в условиях невесомости? Обо всём этом — в данном посте.

Закон всемирного тяготения, открытый ещё Ньютоном, гласит, что все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Для тел с маленькой массой такое притяжение практически не заметно, но если тело имеет большую массу, такую, как наша планета Земля (а её масса в килограммах выражается 25-значным числом), то притяжение становится заметным. Поэтому все предметы притягиваются к Земле — если их поднять, они падают вниз, а когда упадут, сила тяжести прижимает их к поверхности. Это и приводит к тому, что всё на Земле имеет вес, даже воздух прижимается к Земле силой тяжести и своим весом давит на всё, что находится на её поверхности.

Когда вес может исчезнуть? Либо тогда, когда сила тяжести вообще не действует на тело, либо тогда, когда она действует, но телу ничто не мешает свободно падать. Хотя с удалением от Земли сила притяжения к ней уменьшается, даже на высоте в сотни и тысячи километров она остаётся ещё большой, поэтому избавиться от силы тяжести непросто. А вот оказаться в состоянии свободного падения вполне возможно.

Например, можно оказаться в состоянии невесомости, если оказаться в самолёте, движущемся по специальной траектории — так же, как тело, которому не мешало бы сопротивление воздуха.

Выглядит всё это так:

Конечно, долго по такой траектории самолёт двигаться не может, т. к. врежется в землю. Поэтому с длительным пребыванием в условиях невесомости сталкиваются только космонавты, живущие на орбитальной станции. И им приходится привыкать к тому, что многие привычные нам явления в условиях невесомости происходят совсем не так, как на Земле.

1) В невесомости можно легко перемещать тяжёлые предметы и перемещаться самому, приложив лишь небольшое усилие. Правда, по этой же причине любые предметы нужно специально закреплять, чтобы они не летали по орбитальной станции, а на время сна космонавты забираются в специальные мешки, прикреплённые к стене.

Для того, чтобы научиться двигаться в невесомости, нужно время, и у новичков это получается не сразу. «Они толкаются со всей силы и ударяются головой, путаются в проводах и прочее, так что это источник бесконечного веселья» — сказал на эту тему один из американских астронавтов.

2) Жидкости в невесомости принимают шарообразную форму. Воду не получится, как мы привыкли на Земле, хранить в открытой посуде, вылить из чайника и налить в чашку, даже вымыть руки не получится привычным для нас способом.

3) Пламя в условиях невесомости очень слабое и со временем затухает. Если в обычных условиях зажечь свечу, она будет гореть ярко, пока не сгорит. Но происходит это потому, что нагретый воздух становится легче и поднимается вверх, освобождая место для свежего воздуха, насыщенного кислородом. В невесомости конвекции воздуха не наблюдается и со временем кислород вокруг пламени выгорает и горение прекращается.

Горение свечи в обычных условиях и в невесомости (справа)

Но постоянный приток кислорода нужен не только для горения, но и для дыхания. Поэтому если космонавт неподвижен (например, спит), то в отсеке должен работать вентилятор, чтобы перемешивать воздух.

4) В невесомости можно получать уникальные материалы, которые трудно или вообще невозможно получить в земных условиях. Например, сверхчистые вещества, новые композиционные материалы, большие правильные кристаллы и даже лекарства. Если бы удалось снизить стоимость доставки грузов на орбиту и обратно, это решило бы многие технологические проблемы.

5) В невесомости на борту орбитальной станции были впервые обнаружены некоторые ранее неизвестные эффекты. Например, образование структур, напоминающих кристаллические, в плазме, или «эффект Джанибекова» — когда вращающийся предмет через определённые промежутки времени внезапно меняет ось вращения на 180 градусов.

Эффект Джанибекова:

6) Невесомость оказывает существенное влияние на человека и живые организмы. Хотя к жизни в невесомости можно приспособиться, сделать это не так просто. Оказавшись в состоянии невесомости впервые, человек теряет ориентацию в пространстве, возникает головокружение, т. к. вестибулярный аппарат перестаёт нормально работать. Другие изменения в организме включают перераспределение жидкости в организме, из-за чего отекает лицо и закладывает нос, из-за пропадания нагрузки на позвоночник увеличивается рост, а при длительном пребывании в невесомости атрофируются мышцы и теряют прочность кости. Чтобы уменьшить негативные изменения, космонавтам приходится регулярно выполнять специальные упражнения.

После возвращения на Землю космонавтам приходится вновь приспосабливаться к прежним условиям не только физически, но и психологически. Они могут, например, по привычке оставить стакан в воздухе, забыв, что он упадёт.

«Физика невесомости». Как работают законы физики в условиях невесомости, рассказывают космонавты на МКС:

— Правда ли, что в космосе нет притяжения?

— НЕТ, не правда: закон Всемирного тяготения действует везде.

Почему же тогда космонавты «летают» внутри своего корабля, пристегиваются к кровати на время сна и ловят «летающие чипсы» по всей каюте?

Они испытывают невесомость потому, что движутся по окружности (вокруг Земли) с огромной скоростью (7,9 километров в секунду); примерно это можно продемонстрировать, налив в маленькое ведерко воды и сильно раскрутив. Вода не будет выливаться, её будет придавливать к донышку «центробежной силой», а точнее — силой инерции: поскольку инерция действует прямолинейно, а «закругление» траектории движения постоянно изменяет направление движения.

Именно инерция движения пр круговой орбите вокруг Земли — и компенсирует силу тяжести. Если бы космический корабль не летел с этой скоростью — а был неподвижным — он тут же рухнул бы на Землю — не важно, что он находится на расстоянии несколько сот километров от Земли: её сила тяготения огромна и распространяется на очень большое (теоретически — бесконечное) расстояние. Если бы из земли торчала огромная башня, высотой 500 километров (примерно на такой высоте постоянно движется МКС), и мы бы стояли на вершине этой башни — то не испытывали бы никакой невесомости, а обычное притяжение Земли (разве что чуть-чуть меньше, чем на поверхности).

Стало быть Космос, в этом плане, ничем особым не отличается; но только в космосе, где нет атмосферы — можно двигаться со столь огромной скоростью, чтобы можно было компенсировать земное притяжение. А возможно ли каким-то способом «получить» невесомость на Земле ? Это, довольно приятное ощущение, когда ничто не заставляет мышцы напрягаться. Когда можно парить, не касаясь предметов, один раз оттолкнуться ногами — и пролететь огромное расстояние — причем быстро, быстрее, чем бегущий человек! Наверное здорово было бы посетить какой-нибудь специальный салон, где предоставляют услуги «невесомости»!

Но на Земле, с этим проблема. Вода отпадает: хоть человек в воде и может «не падать на дно», и в принципе может не всплывать — а как будто «зависать» на месте — это, все же никакая не невесомость. Если под водой долго находиться вниз головой — то кровь прильет к мозгу так же, как и на суше. Мышцы будут так же напряжены, как и в другом месте Земли: на них действует такая же самая сила тяжести, и органы тела, в том числе внутренние — будут имеют обычный вес. Невесомость — это нечто совсем другое!

Пожалуй, единственно возможныйспособ создать полную потерю веса — это находиться на борту быстро снижающегося самолета. И то, продолжительность такого эффекта не больше пары минут. Можно конечно просто подпрыгнуть — но тогда в невесомости тело будет меньше секунды. Во время затяжного прыжка с парашютом, невесомость хоть и будет длиться дольше — но не будет полной, из-за сильно возросшего трения об воздух, который до некоторой степени станет «твердым», как опора и тело чувствует некоторый вес.

А существует ли, хотя бы теоретически способ получить невесомость без

необходимости движения или падения, в неподвижной лаборатории, при чем неограниченно долго?

Да, но чисто теоретически: построить такое заведение в центре Земли ! Да, в самом её центре (в центре масс), в недрах, в ядре: вся масса земного шара будет находиться снаружи и оказывать гравитационное воздействие на посетителя такого «клуба» со всех сторон одновременно и с одинаковой силой. Результирующее направление силы тяжести будет равно НУЛЮ — человек (или любой предмет) зависнет и не будет никуда падать. Фактически, такое конечно не возможно (в ближайшие пару-тройку миллиардов лет) — из за огромной темпе ратуры и колоссального давления в недрах Земли, но на каком-нибудь другом небесном теле, в принципе вероятно.

Ну а если все-же на Земле, и чуть более реальный способ, чем в земном ядре?

Пожалуй можно, но он мало понравится другим земным обитателям: разогнать скорость вращение планеты примерно в 17 раз! Сутки на Земле будут длиться около полутора часов (40 минут день и примерно столько же ночь). Зато — в любом месте на экваторе будет настоящая невесомость! Поверхность Земли, в экваториальной части — будет двигаться с той же скоростью, с которой вращаются спутники, то есть с первой космической; сила инерции на этой широте, полностью компенсирует земное притяжение и можно будет летать! Но, летать будут не только люди, и в этом есть проблема…

Все предметы: ключи, зажигалки, головные уборы, стулья, чемоданы, велосипеды, автомобили — все будет находиться не на земле — а там, где им «заблагорассудится». Мелкие камни, средние камни, огромные булыжники будут плавать в воздухе, сталкиваться, разлетаться, подлетать к земле, ударяться, потом отпрыгивать, подниматься очень высоко, возвращаться — в общем это такой переполох… Вся земля, в общем то — не монолитная скала, а наложенные один на другой камни, песчинки, пылинки и все такое. Все это больше не будет придавлено к земле и станет перемещаться беспорядочно. От пыли ничего не будет видно. Здания, к

оторые стоят на фундаменте, на 90 процентов держатся на притяжении Земли, которое перестанет иметь место. Целые горы, которые подпирает снизу земная мантия — станут отрываться и улетать . А вода? Ну конечно же, вода тоже свернется в мелкие капли или в крупные шары и будет летать, прописанная пылью. Причем, воды будет очень много — все океаны моментально прихлынут туда, где меньше сила веса. Вместе с океанами прилетит всё, со всей планеты, что сможет оторватьс я: все окажется на экваторе или в воздухе около него. Всю планету «раздует» на экваторе — и она из шара превратиться в сильно сплюснутый эллипсоид. Огненно-жидкая мантия из недр тоже поднимется, вслед за всем остальным. А воздух? Воздух огромным фонтаном будет выбрасываться в экваториальной плоскости далеко в космос, часть потом будет возвращаться на полюса — затем вновь притекать к экватору и вырываться наружу. Ураган будет сплошной, непрерывный и зверски-сильный. В купе со всеми легкими — средними и тяжелыми предметами, летающими в воздухе, наверное это будет сплошной ад…

Да, при таком сценарии лучше уж копать в сторону ядра… Может все-таки есть «нормальный» способ «спродуцировать» невесомость? Чтобы не трогать целую планету, а выкопать бункер под какой-нибудь горой: гора сверху, близко: притягивает вверх. А центр Земли далеко — притягивает вниз. Можно ведь достичь «баланса»?

Тогда придется «закопаться» до трети радиуса Земли, а гора, должна быть размером с Луну… Хотя… Нужно, чтобы гора была из такого материала, чтобы он был в сто тысяч раз плотнее золота ! Обычная гора, весом в миллиард тонн — имела размер несколько метров. Вот такую «болванку» положить на крышу бункера — и будет первый в мире пансионат, в котором предлагают развлечься в невесомости! Нужно только хорошо укрепить конструкцию потолка потому, что столь тяжелое тело таких маленьких размеров — продавит все на свете, и постепенно погрузится в самые недра земли… И еще… Нужно как-то отломать миллиард тонн такого вещества от ближайшего потухшего Белого Карлика и привезти его…

И все же, если серьёзней: неужели не существует ни какого реального способа? использовать анти-гравитацию, или заэкранировать немного притяжение снизу, или включить искусственную гравитацию сверху? Нужно-то поднять всего-то тело человека, в несколько десятков килограмм, ведь не нужна для этого огромная энергия? Лифт же поднимает, да и ноги каждый день поднимают ого-го на какую высоту… Увеличить многократно собственный вес можно на центрифуге, или даже на простой карусели. Может можно так же легко как-то уменьшить? Это же, в принципе не будет противоречить закону сохранения энергии? Анти-материю уже давно получили, может её можно как-то использовать?

Анти-материя не дает анти-гравитации: по большому счету это та же материя, только имеющая противоположный электрический заряд. На качелях-каруселях можно получить невесомость — но кратковременно; в целом тот же эффект, что и от обычного «прыжка»: пол-секунды потери веса, а за тем столько же перегрузки. Способ создания долговременной невесомости на Земле пока не известен. Хотя, скорей всего возможность должна быть.

Может кто-то уже придумал? Напишите комментарий или спросите у друзей в соц. сетях:

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.

Невесомость - нулевой вес, может возникать, если отсутствует сила тяготения, то есть тело достаточно от массивных объектов, которые могут притягивать его.

Международная Космическая Станция находится на расстоянии 350 км от Земли. На таком удалении ускорение свободного падения (g) составляет 8,8 м/с2, что всего на 10% меньше, чем на поверхности планеты.

На практике редко встретишь - гравитационное воздействие существует всегда. На космонавтов, находящихся на МКС, по-прежнему действует Земля, однако невесомость там присутствует.

Другой случай невесомости возникает, если сила тяжести компенсирована другими силами. Например, МКС подвержена силе тяжести, незначительно уменьшенной за счет расстояния, но также станция движется по круговой орбите с первой космической скоростью и центробежная сила компенсирует тяготение.

Невесомость на Земле

Явление невесомости возможно и на Земле. Под воздействием ускорения вес тела может уменьшаться, и даже становится отрицательным. Классический пример, который приводят физики - падающий лифт.

Если лифт движется вниз с ускорением, то давление на пол лифта, а, следовательно, и вес, будет уменьшатся. Причем если ускорение равно ускорению свободного падения, то есть лифт падает, вес тел станет нулевым.

Отрицательный вес наблюдается, если ускорение движения лифта превысит ускорение свободного падения - тела находящиеся внутри «прилипнут» к потолку кабины.

Этот эффект широко применяется для симуляции невесомости при подготовке космонавтов. Самолет, оборудованный камерой для тренировок, поднимается на значительную высоту. После чего пикирует вниз по баллистической траектории, по сути, у поверхности земли машина выравнивается. При пикировании с 11 тысяч метров можно получить 40 секунд невесомости, которыми и пользуются для тренировок.

Существует заблуждение, что подобные выполняют сложные фигуры, наподобие «петли Нестерова», для получения невесомости. На самом деле для тренировок используются доработанные серийные пассажирские самолеты, которые неспособны на сложные маневры.

Физическое выражение

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.

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.

Согласно закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу, и сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратна пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть выражение «отсутствие гравитации» вообще не имеет смысла. На высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли — там, где летают пилотируемые корабли и космические станции — сила притяжения Земли очень велика и практически не отличается от силы гравитации вблизи поверхности.

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.

spaceref.com Понятно, что когда самолет прекратит резкое снижение, или, к несчастью, упадет на землю, тут-то и станет ясно, что гравитация никуда не девалась. Ибо в земных и околоземных условиях эффект невесомости возможен только во время падения. Собственно продолжительным падением и является орбитальный полет. Космическому кораблю, двигающемуся по орбите с первой космической скоростью, мешает упасть на Землю сила инерции. Взаимодействие гравитации и инерции имеет название «центробежной силы», хотя в реальности такой силы не существует, это в некотором роде фикция. Аппарат стремится двигаться по прямой (по касательной к околоземной орбите), но земная гравитация постоянно «закручивает» траекторию движения. Здесь эквивалентом ускорения свободного падения является так называемое центростремительное ускорение, в результате которого меняется не значение скорости, а ее вектор. И поэтому скорость корабля остается неизменной, а направление движение постоянно меняется. Поскольку и корабль, и космонавт движутся с одной и той же скоростью и с тем же самым центростремительным ускорением, космический аппарат не может выступать в качестве опоры, на которую давит вес человека. Вес — это возникающая в поле сил тяжести сила воздействия тела на опору препятствующую падению, А корабль, как и резко снижающийся самолет, падать не мешает.

Вот поэтому совершенно неправильно говорить об отсутствии земной гравитации или о наличии «микрогравитации» (как принято в англоязычных источниках) на орбите. Напротив, притяжение земли является одним из главных факторов возникающего на борту феномена невесомости.

Об истинной микрогравитации можно говорить лишь в применении к полетам в межпланетном и межзвездном пространстве. Вдали от крупного небесного тела действие сил притяжения отдаленных звезд и планет будет настолько слабым, что возникнет эффект невесомости. О том, как с этим бороться, мы не раз читали в фантастических романах. Космические станции в виде тора (баранки) станут раскручиваться вокруг центральной оси и создавать имитацию гравитации с помощью центробежной силы. Правда, чтобы создать эквивалент земного притяжения, придется задать тору диаметр более 200 м. Есть и другие проблемы, связанные с искусственной гравитацией. Так что все это дело отдаленного будущего.