Невесомость на мкс почему: Как невесомость меняет человека и для чего она науке |

Содержание

Как невесомость меняет человека и для чего она науке

Новые вакцины, сплавы, материи — невесомость меняет представления о привычных вещах. И навсегда оставляет свой отпечаток на человеке. Микрогравитация действует на только на организм — наука ждет от нее новых откровений

Что такое невесомость и бывает ли она на Земле

Невесомость не равно антигравитация. Это популярное заблуждение. В 400 км от Земли, где со скоростью почти 8 км/с летит Международная космическая станция (МКС), сила притяжения сохраняется на 90% от привычной. Космонавты и предметы парят в воздухе, потому что вместе с МКС находятся в состоянии свободного падения, одновременно опускаясь и смещаясь в сторону. Наша планета их постоянно притягивает: корабль непременно рухнул бы, но поскольку Земля круглая, сохраняется орбитальное движение и постоянная высота. За счет формы планеты МКС постоянно «промахивается» мимо поверхности и продолжает двигаться по орбите дальше. Иначе говоря, падает и не может упасть.

Эффект свободного падения можно ощутить на аттракционах вроде «американских горок» или в скоростном лифте, который стремительно спускается с высокого этажа. На секунды они дарят состояние невесомости или, как ее еще принято называть, микрогравитации.

На некоторых аттракционах высота сначала набирается, а потом резко сбрасывается, вызывая ощущение свободного падения или невесомости. Горки Goliath (Six Flags Great America)

(Фото: June Ryan Lowry for TIME)

Чуть дольше — около 25 секунд — в невесомости можно оказаться в специальном самолете-лаборатории ИЛ-76 МДК. Он поднимается до 6 тыс. метров, после за 15 секунд с резким ускорением под углом 45º набирает высоту до 9 тыс. метров, а потом по плавной дуге (баллистической траектории) при отключенном моторе уходит вниз. В этот момент и наступает невесомость. На высоте 6 тыс. метров двигатели снова заводят и самолет переводится в обычный горизонтальный полет. Пилот выполняет такие «горки» (так называемые параболы Кеплера) 10-15 раз, он удерживает штурвал, не допуская даже малейших отклонений, что физически очень непросто.

Взлетает ИЛ-76 МДК с военного аэродрома «Чкаловский» в Подмосковье. Поучаствовать может любой более-менее здоровый человек, этим занимаются специальные коммерческие агентства, стоимость полета — ₽280 тыс.

В 2016 году альтернативная рок-группа Ok Go из Чикаго сняла в ИЛ-76 МДК клип на песню Upside down and Inside Out. Это первое профессиональное музыкальное видео в условиях невесомости. Самолет-лаборатория имитировал салон пассажирского S7 Airlines, роль стюардесс исполняли многократные призеры чемпионатов по художественной гимнастике Анастасия Бурдина и Татьяна Мартынова.

Для съемок клипа потребовался 21 полет или 2 часа 15 минут невесомости — больше, чем стандартная норма космонавтов в процессе подготовки.

Как невесомость меняет человека

Невесомость — состояние из малоприятных. Отсутствие привычной силы тяжести для человеческого тела большой стресс. Начинается «космическая» болезнь: тошнота, головокружение, головная боль, дезориентация. На Земле человек всегда знает, где верх, а где низ. Данные об ориентации тела в пространстве мозгу подсказывают «датчики» во внутреннем ухе, которые являются частью вестибулярной системы. В космосе «прицел» сбивается, организм не чувствует знакомой силы тяжести и не может определить где стоят ноги — на полу или на потолке. Поэтому на МКС все надписи нанесены в одном направлении.

«Я чувствовал, что падаю, — делится впечатлениями астронавт NASA Майк Хопкинс (провел на МКС 166 дней в 2013-2014 гг.) — Это было, как если бы вы висели на стропилах в здании 24 часа. Моему мозгу потребовалось время, чтобы привыкнуть, что теперь так будет всегда. Это почти как заново научиться ходить. Однако довольно быстро это прошло».

В невесомости человек вырастает на 2-5 см, что объясняется низкой гравитацией. После возвращения земная сила притяжения возвращает все обратно, однако в самом полете новый рост может стать проблемой, он вызывает мышечные и суставные боли.

Основной дискомфорт причиняет изменение давления жидкости в организме, кровь приливает к груди и голове, сердце увеличивается в размерах, почки работают так, как будто человек выпил много воды. Лицо становится опухшим и одутловатым, а поскольку стоять или ходить в космосе не нужно, мышцы спины и ног начинают терять силу и уменьшаются в размерах.

Средняя продолжительность полета на МКС — 6 месяцев. За это время человек теряет в весе, снижается работоспособность, а утомляемость, наоборот, повышается. Кости истончаются примерно на 1% каждый месяц, проведенный в невесомости, идет потеря мышечной массы. Например, антигравитационные мышцы практически не используются, т.к. поддерживать осанку ни к чему, большую часть времени тело находится в позе зародыша: человек немного сгибается, руки и ноги в полусогнутом состоянии.

Проблемы со здоровьем могут вызвать даже несколько дней в невесомости. В 2006 году американская астронавт Хайдемари Стефанишин-Пайпер побывала 2 недели в космосе. После приземления Пайпер давала пресс-конференцию, во время которой дважды падала, т.к. организм не справился с земной гравитацией.

»Невесомость гораздо вреднее, чем космическая радиация, о которой ходит много мифов и слухов, — говорит Виталий Егоров, популяризатор космонавтики, известный как блогер Zelenyikot. — Медицинские исследования показывают, что после длительного пребывания в невесомости 100%-го возвращения организма в прежнее состояние нет, т.е. изменения, которые происходят в организме даже после недели нахождения в космосе практически необратимы. Но в целом они настолько незначительны, что человек не замечает разницы, что было до и стало после. По рассказам космонавтов, возвращение организма к земной норме происходит примерно за то же самое время, которое проведено наверху: был неделю, восстанавливаешься неделю, был год — год и адаптируешься».

Есть ли польза от невесомости

Практически все исследования на МКС связаны с невесомостью. В конце июля 2021 года к МКС присоединился новый 20-тонный российский модуль «Наука», предназначенный для множества экспериментов: от производства полупроводников до отработки технологий, важных для будущих пилотируемых полетов к дальним планетам.

Например, в эксперименте «Перепел» в условиях микрогравитации россияне попытаются вывести птенцов японского перепела. Если все удастся — птенцы родятся, выживут и сумеют приспособиться к невесомости, это снимет острый вопрос пополнения рациона экипажа свежими продуктами в потенциальных дальних пилотируемых экспедициях, к тому же продолжит исследования размножения живых организмов в космосе.

С растениями все получилось еще в 2015-м, тогда космонавты впервые съели урожай, выращенный в невесомости. Им стал красный салат ромэн. Поскольку понятий верха и низа в космосе нет, корни растут во всех направлениях. Чтобы вода, субстрат и удобрения не разлетались повсюду, их упаковали в специальные пакеты, которые удерживают корни и «выталкивают» побеги. Свет для фотосинтеза дают светодиоды, они же указывают стеблям, в какую сторону расти.

Каждый космический экипаж сначала на советском «Салюте», американском Skylab, российском «Мире», теперь на международной МКС провел больше сотни научных экспериментов. Желающих же гораздо больше. Перед очередным стартом рассматриваются тысячи предложений: получить разрешение на проведение опытов в невесомости мечтает практически каждая отрасль современной науки. Космическая среда уникальна и обладает огромным потенциалом для открытий во многих областях: от исследования раковых клеток и биопечати органов до создания новых сплавов и военной разведки.

Чем же невесомость так привлекательна для исследований? Взять для примера биопечать, с помощью которой человек может создать клеточную ткань (в 2018 году на МКС были напечатаны щитовидная железа грызуна и человеческий хрящ), эксперимент инициировала российская компания 3D Bioprinting Solutions. Если заниматься этим на Земле, то сила тяжести при формировании биообъекта может заставить конструкцию «наклониться» и целостность органа окажется нарушенной. В космосе с влиянием гравитации проблем нет, на МКС «собрать» трехмерный тканевый экземпляр можно идеальной формы, сделать это на Земле пока практически нереально.

Какие секреты хранит микрогравитация

В 2019 году космическое агентство NASA на мышах изучало влияние невесомости на биологические объекты. На МКС грызуны быстро адаптировались к новой среде обитания и неожиданно начали «плавать» компанией по периметру клетки, будто развлекаясь. Такое нетипичное поведение ученые связывают с двумя причинами: тренировкой равновесия в условиях невесомости и игрой. Стресс, как одно из объяснений, исключили сразу, потому что после возвращения в земную лабораторию вес подопытных практически не изменился, шерсть была в отличном состоянии, а сами грызуны не демонстрировали никаких признаков волнения.

В космосе мыши провели 37 дней, что с учетом средней продолжительности жизни грызунов в неволе (2-3 года) — долгая миссия

(Видео: NASA)

И хотя вроде бы влияние невесомости на человеческий организм изучено достаточно глубоко, космонавты сами иной раз удивляются некоторым результатам пребывания в космосе. «Невесомость оказывает самое благоприятное воздействие на кожу. Космонавты говорят, старая кожа слезает практически слоями, на ее месте появляется новая, молодая, и она остается гладкой, так как в космосе влияние силы тяжести на нее гораздо меньше. Прилетаешь с МКС — кожа, как у младенца. — говорит Виталий Егоров, — Но потом под воздействием земных факторов все возвращается на место. Хотя я предполагаю, что эффект молодой кожи может быть связан с тем, что космонавты гораздо меньше подвержены солнечному свету, чем дома».

Невесомость еще способна удивить человечество и отворить ему двери в мир новых, возможно, неожиданных открытий. И пусть еще не придумали, как воссоздать длительную микрогравитацию на Земле, зато предложили решение, как в 10 раз удешевить доставку к ней в космос. С €1 млн до €100 тыс. снизил присутствие на МКС американский стартап Yuriy Gravity, который для исследований предлагает клиентам использовать многоразовую коробочку размером всего 10 кубических см. , представляющую собой миниатюрную лабораторию. Ее вместе с материалом внутри (например, опухолевыми клетками) астронавты возьмут с собой на космическую станцию. Так опытным путем будет выяснено, как поведет себя определенное вещество или материя в невесомости. Участие экипажа не предполагается, все опыты осуществляются автоматически.

«Почему на МКС невесомость, а в самолете её нет? » — Яндекс Кью

Почему астронавты на Международной космической станции плавают и другие вопросы от наших читателей | В Смитсоновском институте

Элиз Салазар

Почему астронавты на борту Международной космической станции кажутся парящими? МКС находится всего в 200 милях от Земли, где, по словам Ньютона, гравитация почти такая же сильная, как здесь, на земле.

Стэн Пирсон, Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния

Они испытывают невесомость не из-за отсутствия гравитации, а потому, что МКС и они вращаются вокруг Земли в постоянном свободном падении, говорит Валери Нил, куратор отдела истории космоса в Национальном музее авиации и космонавтики . Они падают на Землю и движутся вперед примерно с той же скоростью. Поскольку силы, направленные вниз и вперед, почти равны, астронавтов не тянет в каком-либо определенном направлении, поэтому они парят.

Действительно ли колонисты установили массивную цепь через реку Гудзон во время американской революции? Требуемые инженерные навыки и кузнечная рабочая сила, казалось бы, им не по силам.

Джоно Майнелли, Нью-Йорк

Они действительно были. В 1778 году колонисты, которые тогда производили 14 процентов мирового железа, выковали Великую Цепь, чтобы предотвратить вторжение Королевского флота вверх по реке, говорит Дэвид Миллер III, заместитель куратора Национального музея американской истории . Цепь состояла из 750 звеньев, каждое из которых имело длину два фута и весило более 100 фунтов. Солдаты протянули железный барьер, поддерживаемый бревенчатыми плотами, через реку в Вест-Пойнте. Зимой его снимали, чтобы не разбило речным льдом, и заменяли весной на протяжении всей войны.

Общеизвестно, что жало пчелиной самки отрывается после укуса, что смертельно для пчелы. Почему естественный отбор благоприятствует такому защитному механизму?

Майкл Нитерс, Де-Мойн, Айова

Эта защита работает для колонии, если не для отдельного человека: эти самки, рабочие пчелы, не могут размножаться, но их самопожертвование защищает яйцекладущую матку. Кроме того, говорит Дэвид Рубик, энтомолог из Смитсоновского института тропических исследований в Панаме.0008, при расставании пчелы и жала обнажается железа, которая выделяет феромон, предупреждающий других членов колонии о необходимости ужалить жертву в этом месте.

Каким образом «подмигивание» стало единицей сна, например, «не сомкнул глаз» или «40 подмигивания»?

Даниэль Бельц, Рочестер-Хиллз, Мичиган

«Подмигнуть» означало закрыть глаза для сна еще в 14 веке, говорит Айвз Годдард, старший лингвист Национального музея естественной истории . Но «40 подмигиваний» как синоним «подремать» не появлялись до 19 века.ХХ века, согласно Оксфордскому словарю английского языка. Как развивалась эта идиома, можно только догадываться.

Метан быстро разлагается на солнце, так почему и как он является парниковым газом?

Гэри Н. Миллер, Давенпорт, Флорида

Этот распад относительно быстрый; метан все еще сохраняется около восьми лет в атмосфере. И, как и любой другой парниковый газ, он удерживает тепло в атмосфере, поглощая инфракрасное излучение, — говорит Патрик Мегонигал, заместитель директора Смитсоновского исследовательского центра окружающей среды 9.0008 . На самом деле метан примерно в 30 раз эффективнее углекислого газа в качестве поглотителя инфракрасного излучения.

Теперь ваша очередь спросить Смитсоновский институт.

Рекомендуемые видео

Невесомость на орбите

Космонавты, находящиеся на орбите Земли, часто испытывают ощущение невесомости. Эти ощущения, испытываемые астронавтами на орбите, аналогичны ощущениям любого, кто был временно подвешен над сиденьем во время аттракциона в парке развлечений. Мало того, что ощущения одни и те же (у космонавтов и гонщиков на американских горках), но и причины этих ощущений невесомости тоже одни и те же. Однако, к сожалению, многим людям трудно понять причины невесомости.

Во что вы верите?

Причину невесомости понять довольно просто. Однако упрямство предвзятых мнений по теме часто мешает способности понять. Рассмотрим следующий вопрос с несколькими вариантами ответов о невесомости в качестве проверки ваших предвзятых представлений по теме:

Проверьте свои предвзятые представления о невесомости:

Астронавты на орбитальной космической станции невесомы потому что…

а. в космосе нет гравитации и они ничего не весят.
б. космос — это вакуум, а в вакууме нет гравитации.
в. космос — это вакуум, а в вакууме нет сопротивления воздуха.
д. астронавты находятся далеко от поверхности Земли, в месте, где гравитация оказывает минимальное влияние.

Если вы верите в одно из приведенных выше утверждений, то, возможно, потребуется небольшая перестройка и перераспределение вашего мозга, чтобы понять настоящую причину невесомости. Как и в случае со многими темами в физике, прежде чем приступить к обучению, необходимо сначала разучиться. Иными словами: не то, что вы не знаете, делает изучение физики трудной задачей; именно то, что вы знаете, делает изучение физики трудной задачей. Поэтому, если у вас есть предвзятое мнение (или сильное предубеждение) о том, что такое невесомость, вам нужно знать об этом предвзятом мнении. И, рассматривая следующую альтернативную концепцию о значении невесомости, оцените разумность и логику двух конкурирующих идей.

Контактные и бесконтактные силы

Прежде чем понять невесомость, нам придется рассмотреть две категории сил — контактные силы и силы действия на расстоянии . Когда вы сидите в кресле, вы испытываете две силы: силу гравитационного поля Земли, притягивающую вас вниз к Земле, и силу стула, толкающую вас вверх. Восходящая сила стула иногда называется нормальной силой и является результатом контакта между верхней частью стула и вашим нижним концом. Эта нормальная сила классифицируется как контактная сила. Контактные силы могут возникнуть только в результате фактического прикосновения двух взаимодействующих объектов — в данном случае стула и вас. Сила гравитации, действующая на ваше тело, не является силой контакта; его часто классифицируют как силу действия на расстоянии. Сила гравитации является результатом взаимного притяжения вашего центра масс и центра масс Земли друг к другу; эта сила существовала бы даже в том случае, если бы вы не находились в контакте с Землей. Сила гравитации не требует физического контакта двух взаимодействующих объектов (вашего тела и Земли); он может действовать на расстоянии через пространство. Поскольку сила тяжести не является контактной силой, ее невозможно ощутить при контакте. Вы никогда не сможете почувствовать силу гравитации, воздействующую на ваше тело, так же, как вы почувствовали бы контактную силу. Если вы скользите по асфальтовому теннисному корту (не рекомендуется), вы почувствуете силу трения (силу контакта). Если вас толкнет хулиган в коридоре, вы почувствуете приложенную силу (контактную силу). Если бы вы качались на скакалке на уроке физкультуры, вы бы почувствовали силу натяжения (силу контакта). Если вы сидите в кресле, вы чувствуете нормальную силу (контактную силу). Но если вы прыгаете на батуте, даже двигаясь по воздуху, вы не чувствуете, как Земля притягивает вас силой тяжести (силой действия на расстоянии). Силу гравитации никогда нельзя почувствовать. Тем не менее, те силы, которые возникают в результате контакта, можно почувствовать. А в случае, если вы сидите в кресле, вы можете почувствовать силу стула; и именно эта сила дает вам ощущение веса. Поскольку восходящая нормальная сила равнялась бы направленной вниз силе тяжести в состоянии покоя, сила этой нормальной силы дает меру гравитационного притяжения. Если бы на ваше тело не действовала направленная вверх нормальная сила, вы бы не ощущали своего веса. Без контактной силы (нормальной силы) невозможно ощутить бесконтактную силу (силу гравитации).

Значение и причина невесомости

Невесомость — это просто ощущение, которое испытывает человек, когда нет никаких внешних объектов, соприкасающихся с его телом и оказывающих на него давление или притяжение. Ощущения невесомости существуют, когда устраняются все контактные силы. Эти ощущения характерны для любой ситуации, в которой вы на мгновение (или постоянно) находитесь в состоянии свободного падения. В свободном падении единственная сила, действующая на ваше тело, — это сила тяжести — бесконтактная сила. Поскольку силу гравитации невозможно почувствовать без каких-либо других противодействующих сил, вы не ощутите ее. Вы бы чувствовали себя невесомыми в состоянии свободного падения.

Такое ощущение невесомости характерно для райдеров американских горок и других аттракционов, в которых райдеры на мгновение оказываются в воздухе и отрываются от своих сидений. Предположим, что вас подняли в кресле на вершину очень высокой башни, а затем ваш стул внезапно упал. Когда вы и ваш стул падаете на землю, вы оба ускоряетесь с одинаковой скоростью — г . Поскольку стул нестабилен и падает с той же скоростью, что и вы, он не может на вас давить. Нормальные силы возникают только при контакте с устойчивыми опорными поверхностями. Сила тяжести — единственная сила, действующая на ваше тело. Нет никаких внешних объектов, соприкасающихся с вашим телом и оказывающих на него силу. Таким образом, вы испытаете ощущение невесомости. Вы бы весили столько же, сколько всегда (или столько же), но не ощущали бы этого веса.

Невесомость — это только ощущение; это не реальность, соответствующая похудевшему человеку. Когда вы свободно падаете на американских горках (или в других аттракционах в парке развлечений), вы ни на мгновение не потеряли свой вес. Невесомость очень мало связана с весом и в основном связана с наличием или отсутствием контактных сил. Если под «весом» мы подразумеваем силу гравитационного притяжения к Земле, то свободно падающий человек не «похудел»; они все еще испытывают гравитационное притяжение Земли. К сожалению, путаница фактического веса человека с его ощущением веса является источником многих заблуждений.

Показания весов и вес

Строго говоря, весы не измеряют вес человека. Хотя мы используем весы для измерения своего веса, показания весов на самом деле являются мерой направленной вверх силы, приложенной весами для уравновешивания направленной вниз силы тяжести, действующей на объект. Когда объект находится в состоянии равновесия (покоится или движется с постоянной скоростью), эти две силы уравновешиваются. Восходящая сила весов, действующая на человека, равна нисходящей силе тяжести (также известной как вес). И в этом случае показания весов (то есть меры восходящей силы) равны весу человека. Однако, если вы встанете на весы и подпрыгнете вверх и вниз, показания весов быстро изменятся. Когда вы совершаете это подпрыгивающее движение, ваше тело ускоряется. В периоды ускорения сила подъема весов меняется. Таким образом, показания шкалы меняются. Ваш вес меняется? Точно нет! Вы весите столько же (или меньше), как всегда. Показания весов меняются, но помните: ВЕСЫ НЕ ИЗМЕРЯЮТ ВАШ ВЕС. Весы измеряют только внешнее контактное усилие, действующее на ваше тело.

Теперь рассмотрим Отиса Л. Эвадерца, который проводит один из своих знаменитых экспериментов с лифтом. Он стоит на весах в ванной и ездит на лифте вверх и вниз. Когда он ускоряется вверх и вниз, показания шкалы отличаются от показаний, когда он находится в состоянии покоя и движется с постоянной скоростью. Когда он ускоряется, восходящая и нисходящая силы не равны. Но когда он покоится или движется с постоянной скоростью, противодействующие силы уравновешивают друг друга. Зная, что показания весов являются мерой восходящей нормальной силы весов, действующей на его тело, можно было предсказать ее значение для различных стадий движения. Например, значение нормальной силы (F _норма ) на 80-килограммовом теле Отиса можно было бы предсказать, если бы было известно ускорение. Этот прогноз можно сделать, просто применив второй закон Ньютона, как обсуждалось в Модуле 2. В качестве иллюстрации использования второго закона Ньютона для определения различных контактных сил при поездке в лифте рассмотрим следующую диаграмму. На диаграмме 80-килограммовый автомобиль Отиса движется с постоянной скоростью (A), ускоряясь вверх (B), ускоряясь вниз (C) и свободно падая (D) после разрыва троса лифта.

В каждом из этих случаев восходящую контактную силу (F _норма ) можно определить с помощью диаграммы свободного тела и второго закона Ньютона. Взаимодействие двух сил — восходящей нормальной силы и направленной вниз силы тяжести — можно рассматривать как перетягивание каната. Суммарная сила, действующая на человека, указывает, кто выигрывает в перетягивании каната (сила вверх или сила вниз) и на сколько. Суммарная сила 100 Н вверх указывает на то, что направленная вверх сила «побеждает» на величину, равную 100 Н. Сила тяжести, действующая на всадника, находится с помощью уравнения 9.0003 F _грав = м*г .

Этап А	Этап B	Ступень C	Этап D
F _нетто = м*а F _нетто = 0 N	F _нетто = м*а F _сетка = 400 Н, до	F _нетто = м*а F _сетка = 400 Н, вниз	F _нетто = м*а F _нетто = 784 Н, вниз
F _норма равно F _грав F _норма = 784 N	F _норма > F _грав на 400 Н F _норма = 1184 Н	F _норма < F _грав на 400 Н F _норма = 384 Н	F _норма < F _грав на 784 N F _норма = 0 N

Нормальная сила больше силы тяжести при восходящем ускорении (B), меньше силы тяжести при нисходящем ускорении (C и D) и равна силе тяжести при отсутствии ускорения (А). Поскольку именно нормальная сила обеспечивает ощущение собственного веса, лифтер будет ощущать свой нормальный вес в случае А, больший, чем его нормальный вес, в случае В и меньший своего нормального веса в случае С. водитель лифта чувствовал бы себя абсолютно невесомым; без внешней контактной силы он не ощущал бы своего веса. Во всех четырех случаях пассажир лифта весит одинаковую массу — 784 Н. Однако ощущение веса пассажира колеблется на протяжении всей поездки в лифте.

Невесомость на орбите

Астронавты на околоземной орбите невесомы по тем же причинам, что и водители свободно падающего аттракциона в парке развлечений или свободно падающего лифта. Они невесомы, потому что нет никакой внешней контактной силы, толкающей или притягивающей их тело. В каждом случае сила тяжести является единственной силой, действующей на их тело. Будучи силой действия на расстоянии, она не может ощущаться и, следовательно, не дает никакого ощущения их веса. Но наверняка космонавты на орбите что-то весят; то есть на их тело действует сила тяжести. На самом деле, если бы не сила тяжести, астронавты не вращались бы по кругу. Это сила тяжести, которая обеспечивает требование центростремительной силы, чтобы обеспечить внутреннее ускорение, характерное для кругового движения. Сила тяжести — единственная сила, действующая на их тела. Космонавты находятся в свободном падении. Подобно падающему гонщику в парке развлечений и падающему лифтеру, астронавты и их окружение падают на Землю исключительно под действием гравитации. Космонавты и все их окружение — космическая станция с ее содержимым — падают на Землю, не сталкиваясь с ней. Их тангенциальная скорость позволяет им оставаться в орбитальном движении, в то время как сила гравитации притягивает их внутрь.

Многие студенты считают, что астронавты на орбите невесомы, потому что не испытывают силы гравитации. Таким образом, предположить, что отсутствие гравитации является причиной невесомости, которую испытывают орбитальные астронавты, было бы нарушением принципов кругового движения. Если человек считает, что отсутствие гравитации является причиной их невесомости, то этому человеку трудно найти причину, по которой астронавты вообще находятся на орбите. Дело в том, что для существования орбиты должна существовать сила тяжести.

Можно ответить на это обсуждение, придерживаясь второго заблуждения: астронавты невесомы, потому что сила тяжести в космосе уменьшается. Рассуждение выглядит следующим образом: «при меньшей гравитации будет меньше веса, и, следовательно, они будут чувствовать себя меньше, чем их нормальный вес». Хотя это отчасти верно, это не объясняет их чувство невесомости. Сила тяжести, действующая на космонавта на космической станции, заведомо меньше, чем на поверхности Земли. Но насколько меньше? Достаточно ли он мал, чтобы объяснить значительное снижение веса? Точно нет! Если космическая станция вращается на высоте около 400 км над поверхностью Земли, то значение g в этом месте уменьшится с 9от 0,8 м/с/с (у поверхности Земли) до примерно 8,7 м/с/с. Это приведет к тому, что космонавт весом 1000 Н на поверхности Земли уменьшится в весе примерно до 890 Н на орбите. Хотя это, безусловно, снижение веса, оно не объясняет ощущения абсолютной невесомости, которые испытывают космонавты. Их ощущение абсолютной невесомости является результатом того, что у них «вырывается пол» (так сказать) при свободном падении на Землю.

Другие студенты-физики считают, что невесомость возникает из-за отсутствия воздуха в космосе. Их заблуждение заключается в идее, что нет силы тяжести, когда нет воздуха. По их мнению, гравитация не существует в вакууме. Но это не так. Гравитация — это сила, действующая между массой Земли и массой других объектов, которые ее окружают. Сила гравитации может действовать на больших расстояниях, и ее действие может даже проникать сквозь космический вакуум и в него. Возможно, студенты, придерживающиеся этого заблуждения, путают силу гравитации с давлением воздуха. Атмосферное давление возникает в результате того, что частицы окружающего воздуха давят на поверхность объекта в равных количествах со всех сторон. Сила тяжести не зависит от давления воздуха. В то время как давление воздуха уменьшается до нуля в месте, лишенном воздуха (например, в космосе), сила тяжести не становится равной 0 Н. Действительно, наличие вакуума приводит к отсутствию сопротивления воздуха; но это не объясняет ощущения невесомости. Астронавты просто чувствуют себя невесомыми, потому что нет никакой внешней контактной силы, толкающей или притягивающей их тело. Они находятся в состоянии свободного падения.

Мы хотели бы предложить…

Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного поездки на лифте. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Интерактивная программа «Поездка в лифте» позволяет учащимся исследовать влияние направления движения и изменений в состоянии движения на нормальные силы при поездке в лифте.

Посетите: Elevator Ride Interactive

Проверьте свое понимание

1. Отис Л. Эвадерз проводит свои знаменитые эксперименты с лифтом. Отис стоит на весах в ванной и считывает показания, поднимаясь и спускаясь по зданию Джона Хэнкока. Масса Отиса 80 кг. Он замечает, что показания весов зависят от того, что делает лифт. Используйте диаграмму свободного тела и второй закон Ньютона для решения следующих задач.

а. Что показывает шкала, когда Отис ускоряется вверх со скоростью 0,40 м/с ² ?

б. Каково значение шкалы, когда Отис движется вверх с постоянной скоростью или 2,0 м/с?

в. Когда Отис приближается к вершине здания, лифт замедляется со скоростью 0,40 м/с ² . Будьте осторожны с направлением ускорения. Что показывают весы?

д.