Изучение невесомости как состояния, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил отсутствует
консультация по физике (9 класс) на тему

Невесомость - состояние, при котором 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. Иногда можно слышать другое название этого эффекта - микрогравитация. Это название неверно для околоземного полета. Гравитация (сила притяжения) остаётся прежней. Но при полете на больших расстояниях от небесных тел, когда их гравитационное влияние пренебрежимо мало, действительно возникает микрогравитация. Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения. Это не совсем 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 не из-за «отсутствия гравитации», а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть действующая на космонавтов сила притяжения Земли компенсируется центробежной силой.

В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести, в частности, 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 нужных навыков.

2. АДАПТАЦИЯ К НЕВЕСОМОСТИ

Условия невесомости - это наиболее неадекватные для организма.

Человек рождается, растёт и развивается только под действием сил земного притяжения. Сила притяжения формирует топографию функций скелетной мускулатуры, и гравитационные рефлексы, а также координированную мышечную работу.

Вегетативное обеспечение мышечной активности также во многом зависит от силы гравитации. В частности, кровообращение построено на факторе силы притяжения. Сила притяжения способствует току крови по артериям, но препятствует току крови по венам, в связи с чем в организме развиваются механизмы, способствующие венозному кровотоку.

При изменении гравитации в организме наблюдаются различные изменения, определяемые устранением гидростатического давления и перераспределением жидких сред организма, устранением гравитационно-зависимой деформации и механического напряжения структур тела, а также снижением функциональной нагрузки на опорно-двигательный аппарат, устранением опоры, изменением биомеханики движений.

Когда при космическом полёте человек попадает в условия невесомости, это резко нарушает как соматическую деятельность, так и работу внутренних органов. Экстеро- и интерорецепторы начинают сигнализировать о необычном состоянии скелетной мускулатуры и всех внутренних органов.

Под влиянием такой необычной импульсации в фазу острой адаптации отмечается высокая степень дезорганизации двигательной активности и работы внутренних органов.

Дезорганизация функций глубока и имеет тенденцию прогрессировать. Она характеризуется изменением регионального статуса сосудистой системы. В результате в острый период адаптации отмечается прилив крови к голове. Целый ряд вестибулярных расстройств, изменение обмена веществ, которое проявляется в снижении уровня энергетического обмена.

В тяжелых условиях отмечают нарушение минерального, в том числе кальциевого обмена, что зависит от двигательной активности в условиях недогрузок костной системы конечностей, особенно нижних. По-видимому, отрицательный баланс ионов Са2+ в условиях космических полётов может быть связан и с эндокринными сдвигами (дезорганизация в соотношениях паратгормона и тиреокальцитонина, нарушение обмена витамина Д, эти изменения ведут к деструкции костей).

Изменяется не только координация движений, но даже почерк. В экспериментах были обнаружены нарушения структуры передних рогов серого вещества спинного мозга, показано также снижение устойчивости физиологических систем в условиях физических нагрузок. Адаптация в этих условиях возможна лишь при кардинальной перестройке управляющих механизмов центральной нервной системы, формировании функциональных систем при обязательном использовании комплекса технических и тренировочных защитных мероприятий. Необходимо применять различные искусственные способы жизнеобеспечения в такой необычной и неадекватной для организма ситуации.

В результате формируется гипогравитационный двигательный синдром, который включает изменения 1) сенсорных систем, 2) моторного контроля, 3) функции мышц, 4) гемодинамики.

1) Изменения работы сенсорных систем:

- снижение уровня опорной афферентации;

- снижение уровня проприоцептивной активности;

- изменение функции вестибулярного аппарата;

- изменение афферентного обеспечения двигательных реакций;

- расстройство всех форм зрительного слежения;

- функциональные изменения в деятельности отолитового аппарата при изменении положения головы и действии линейных ускорений.

2) Изменение моторного контроля:

- сенсорная и моторная атаксия;

- спинальная гиперрефлексия;

- изменение стратегии управления движениями;

- повышение тонуса мышц-сгибателей.

3) Изменение функционирования мышц:

- снижение скоростно-силовых свойств;

- атония;

- атрофия, изменение композиции мышечных волокон.

4) Гемодинамические нарушения:

- увеличение сердечного выброса;

- снижение секреции вазопрессина и ренина;

- увеличение секреции натрийуретического фактора;

- увеличение почечного кровотока;

- уменьшение объёма плазмы крови.

Возможность истинной адаптации к невесомости, при которой происходит перестройка системы регулирования, адекватная существованию на Земле, гипотетична и требует научного подтверждения.

3. ПОДГОТОВКА КОСМОНАВТОВ К НЕВЕСОМОСТИ

космический полет невесомость физический

Для тренировки космонавтов в России и США применяется методика полёта самолёта по баллистической траектории.

Для понимания сути необходимо представить себе, что 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, чтобы шарик висел в воздухе, а нить не была натянута. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз.

Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа (которая не имеет названия, кроме как "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. Однако в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета, гражданская авиация сбрасывает высоту 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 на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. Такое же чувство знакомо и автомобилистам, знакомыми с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз.

Утверждения, что самолет для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа "петли Нестерова" - не более чем миф. Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных машинах пассажирского или грузового класса, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полета являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному разрушению несущих конструкций.

Список литературы

1. Григорьев А. И. Экология человека. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 240 с.

2. Агаджанян Н.А., Тель Л.З., Циркин В.И., Чеснокова С.А. Физиология человека. - М,: Медицинская книга, 2009. - 526 с., илл.

3. Н.А. Агаджанян, А. И. Воложин, Е.В. Евстафьева. Экология человека и концепция выживания. - М .: ГОУ ВУНМЦ МЗ РФ, 2001. - 240 стр., илл.