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.

Иллюзии на МКС: как невесомость влияет на ощущения космонавтов

https://ria.ru/20170920/1505093774.html

Иллюзии на МКС: как невесомость влияет на ощущения космонавтов

Иллюзии на МКС: как невесомость влияет на ощущения космонавтов — РИА Новости, 28.09.2017

Иллюзии на МКС: как невесомость влияет на ощущения космонавтов

Уже в Древней Греции философы заявляли, что наши органы чувств нас обманывают. Они указывали на преломление предметов в воде и искажение размеров при удалении,… РИА Новости, 20.09.2017

2017-09-20T08:00

2017-09-28T10:55

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/sharing/article/1505093774.jpg?14986166021506585339

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4. 7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Москва, 20 сен — РИА Новости. Уже в Древней Греции философы заявляли, что наши органы чувств нас обманывают. Они указывали на преломление предметов в воде и искажение размеров при удалении, настаивая на том, что истину способен показать только разум. Искаженное восприятие мы называем иллюзией, хотя по большей части этот «обман» не мешает нам выстраивать картину мира.

11 мая 2017, 14:24

Медики: жизнь на орбите резко ухудшает работу сосудов астронавтов

В космосе обычные земные иллюзии приобретают новые свойства. Все эти эффекты вызваны реакцией человеческого организма на отсутствие гравитации.

Восприятие пространства регулирует вестибулярный аппарат — орган, воспинимающий изменения положения головы и тела в пространстве, а также направление движения тела. Он находится во внутреннем ухе и представляет собой комплекс скоплений клеток и известковых образований.

Чувствительные волосковые клетки погружены в отолитовую мембрану, желатинообразную субстанцию. В ней находятся ушные камушки (отолиты) — образования, давление которых на разные части мембраны зависит от положения тела в пространстве. Но когда человек оказывается в невесомости, эти камушки давления не оказывают. Поэтому, лишенные естественного способа ориентации в пространстве, космонавты начинают испытывать различные иллюзии.

С целью изучения «космических иллюзий» в Институте медико-биологических проблем РАН был проведен масштабный эксперимент, в ходе которого исследовали пред- и послеполетное состояние организма космонавта, а также фиксировали все происходящее с ним на МКС (международной космической станции) в условиях невесомости. Оказалось, что в этом непривычном для человеческого организма состоянии проявляются ориентационные, кинетические, координатные, проприоцетивные иллюзии.

Ориентационные иллюзии наблюдались практически у всех космонавтов (98%), постепенно уменьшаясь в течение нескольких часов или даже минут. Они выражались в потере восприятия пространства. Если мы осмотрим помещение, а потом закроем глаза и попытаемся наощупь добраться до стены или некого предмета, то, скорее всего, допустим небольшую ошибку, но в целом сможем правильно оценить расстояние до объекта и направление движения. На МКС даже после изучения окружающего пространства при выключении света иногда возникала полная дезориентация — человек не мог определить, в какую сторону и как долго ему перемещаться до цели.

22 мая 2017, 22:00

Ученые доказали возможность «космического» зачатия детей

Кинетический обман характеризовался ощущением вращения собственного тела вокруг, а также перемещением вдоль какой-либо оси. На первый взгляд, кинетические иллюзии кажутся веселым аттракционом, однако закончить такое «катание» по собственному желанию невозможно. Подобные иллюзии переходили в координатные: людям казалось, что их тело наклонено влево или вправо, назад или вперед, а иногда располагается вверх ногами.

Невесомость может заставить человека чувствовать в буквальном смысле, как пол уходит из-под ног, а стены падают. Некоторые космонавты также отмечали иллюзорное ощущение положения различных частей тела: «кажется, что сидишь согнувшись, а на самом деле ровно лежишь в спальном мешке», «руки находятся сверху, а кажется, что снизу», — так проявляли себя проприоцетивные иллюзии.

Наряду с иллюзорными реакциями у 72% космонавтов возникали затруднения при слежении за движущейся целью и фиксации на ней взора, отмечались и дискоординационные проявления — промашки при попытках схватить предмет, удары головой о панели при «плавании» внутри станции. Анализ с использованием электроокулографии и математических методов выявил связь между развитием ориентационных иллюзий и обнаруженными нарушениями глазодвигательных реакций.

«Мы проводим бортовые эксперименты, пред-и послеполетное обследование всех членов экипажа, чтобы понять, на каких уровнях происходит изменение центральной нервной системы, — поясняет старший научный сотрудник лаборатории вестибулярной физиологии Института медико-биологических проблем РАН Георгий Екимовский. — Для исследования того, насколько серьезно проявляются вестибулярные нарушения, мы используем несколько методов, в том числе разработанные нашей лабораторией. Комплекс включает в себя электроокулографию со специальным набором тестов и уникальным программным обеспечением, разработанным для космонавтов у нас в институте. Мы также используем метод видеоокулографии, то есть поддерживаем нейросенсорные связи между зрительной активностью глаза, состоянием вестибулярной и нервной систем организма в целом.»

Метод электроокулографии основан на регистрации разницы потенциалов, которая возникает при движении глазного яблока. Сам глаз представляет собой диполь, в котором роговица в общем электроположительна относительно сетчатки. Для регистрации потенциалов вокруг глаза крестообразно устанавливают электроды. Если глазное яблоко пребывает в покое, то электроды находятся на равных расстояниях от положительного и отрицательного полюсов. Если пациент направляет взор в сторону, то один из электродов движется ближе к положительному полюсу, а второй — к отрицательному. В результате последний становится электроотрицательным, а первый — электроположительным. По знаку потенциала можно установить направление движения глаза.

Рассказывает Георгий Екимовский: «Если иллюзии возникают только в течение трех первых дней, это называется адаптацией, но если они продолжаются по истечении данного времени, можно говорить о возникновении космической болезни движения. Так называется состояние, при котором к нарушению восприятия пространства добавляются некие симптомы или синдром (совокупность симптомов), нарушающие рабочую деятельность космонавта в невесомости. После возвращения на Землю иногда у космонавтов также возникают иллюзии, схожие с «космическими». Одним из любопытных постполетных эффектов было то, что некоторые космонавты после посадки несколько дней испытывали на себе движение Земли. Они физически «ощущали», как планета несется в космическом пространстве.»

Изучение реакции организма космонавтов на невесомость помогает лечить нарушение равновесия и головокружение у обычных людей. Есть два варианта лечения. Первый метод содержит фармакологическое лечение, а второй заключается в проведении ряда тренировок вестибулярного аппарата, схожих с теми, что проводятся для предполетной подготовки космонавтов.

В Институте медико-биологических проблем РАН готовится новый эксперимент Virtual2 по изучению реакций вестибулярного аппарата на невесомость. На данный момент оборудование тестируют на Земле, в условиях, в том числе симулирующих невесомость на МКС.

опасность для человек, способы достижения, космос, влияние, особенности

Микрогравитация или невесомость? Как правильно говорить, и что это вообще такое. На самом деле это одно и то же — это особое состояние за пределами земной (или какой-либо другой) гравитации. В этом месте гравитация почти не ощущается и тело космонавта находится в состоянии непрекращаемого свободного падения.

Невесомость можно испытать, например, в свободно падающем лифте или самолете (такие самолеты-акробаты используются для тренировок в искусственной невесомости), или на орбите Земли, на Международной космической станции. Длительное воздействие невесомости пагубно влияет на физическое состояние космонавтов, поэтому ученые изучают, как снизить уровень потери мышечной и костной массы в условиях микрогравитации, чтобы обезопасить будущих путешественников на Марс и дальше, за пределы Земли. Буквально полгода, проведенные на орбите, вызывают необратимые изменения в организме человека.

Самое обсуждаемое по теме Невесомость

Давайте поговорим об идеальном отдыхе в идеальном отеле. Ну, чтобы вид из окна был настолько головокружительным, насколько это возможно. Например, как вид на нашу планету или космические просторы с Международной космической станции (МКС). Начиная с 2025 года, очень состоятельные люди смогут планировать поездки не только в экзотические страны, но и прямиком на орбиту Земли. Американская компания The Gateway Foundation в своем Twitter опубликовала концепт самого настоящего космического отеля с искусственной гравитацией. Надо сказать, что выглядит эта космическая станция, названная в честь немецкого ученого Вернера фон Брауна, совсем не так, как мы привыкли.

Искусственная гравитация давно была описана в фантастических романах и показана в фильмах вроде «Космической одиссеи 2001 года». Теоретически возможность создания искусственной гравитации не отрицается. Однако до проектов, которые можно было бы протестировать в условиях космических станций в ближайшее время, дело практически не доходило. Но совсем скоро все может измениться благодаря стараниям команды CU Boulder.

Длительное пребывание в условиях невесомости приводит к проблемам со здоровьем — это факт. Например, людям уже известно, что при полете на Марс астронавты смогут испытать широкий спектр медицинских проблем, в числе которых есть атрофия мышц, недостаток кальция, ухудшение работы сердечно-легочной системы, нарушение зрения и даже ослабление иммунитета. Исследователи из мичиганской Больницы Генри Форда дополнили этот список еще одной проблемой — было доказано, что невесомость разрушает суставы, которые не восстанавливаются даже после возвращения на Землю.

Находясь длительное время в условиях невесомости, космонавты наносят своему здоровью сильный вред. В частности, у них сильно ослабевают мышцы и кости, и на данный момент они могут уменьшить ущерб только регулярными физическими упражнениями, и затем проходить длительный процесс восстановления на Земле. Кажется, скоро реабилитация ускорится — экипаж МКС проведет эксперимент, результаты которого помогут создать лекарство для лечения последствий пребывания в невесомости.

В 2016 году Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) впервые подтвердила существование гравитационных волн, вызванных столкновением двух черных дыр. В апреле этого года эта же обсерватория позволила совершить очередной «первое» документальное подтверждение другого катаклизмического явления. На этот раз LIGO зафиксировала как черная дыра пожирает нейтронную звезду, что также породило гравитационные волны.

Экипаж Международной Космической Станции постоянно изучает реакцию растений и животных на невесомость. Ранее исследователи NASA уже оценивали жизнеспособность лабораторных мышей в условиях без гравитации, но теперь они рассказали о более глубоком эксперименте, который сконцентрирован на слежении за их поведением и состоянием здоровья. Оказалось, что мыши очень быстро адаптируются к новым условиям, однако спустя неделю молодые особи начинают вести себя очень странным образом.

В 2017 году основатели лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO были удостоены Нобелевской премии. Она была дана им за обнаружение гравитационных волн, которые образуются при столкновении двух массивных космических объектов вроде черных дыр и нейтронных звезд. В ходе двух первых циклов их поиска были зафиксированы волны, образованные от слияния двух черных дыр и еще девять подобных событий. С тех пор исследователи улучшили свое оборудование, и с 1 апреля 2019 года намерены запустить третий цикл поиска.

Ни для кого не секрет, что NASA взвалило на себя непосильную задачу: отправить людей на Марс к 2030-м годам. Почему непосильную? Потому что достаточно понять, что обычная поездку туда займет от трех до шести месяцев, а экипажу придется пробыть на планете до двух лет прежде чем выравнивание планет позволит ему вернуться домой. Это означает, что астронавтам придется жить в условиях сниженной (микро) гравитации в течение трех лет как минимум — это значительно превышает текущий рекорд непрерывного пребывания в космосе, поставленного российским космонавтом Валерием Поляковам: 438 дней.

«Пять, четыре, три, два, один…» Вообще, пилоты авиалайнеров редко отсчитывают время до старта, будто запускают ракету. Но это необычный самолет. Как минимум, все на борту, не считая команды, имеют ученую степень и прошли полное медицинское обследование. Эта поездка не для слабонервных. Видите ли, вам не обязательно лететь в космос, чтобы испытать невесомость. Сью Нельсон с BBC рассказала, как пассажиров отправляют в условия микрогравитации — хотя бы на пару секунд.

Поместите человека в космос, подальше от гравитационных пут земной поверхности, и он будет ощущать невесомость. Хотя все массы Вселенной все еще будут воздействовать на него гравитационно, они также будут притягивать и любой космический аппарат, в котором находится человек, поэтому он будет плавать. И все же по телевизору нам показывали, что экипаж некоего космического судна вполне успешно ходит ногами по полу при любых условиях. Для этого используется искусственная гравитация, создаваемая установками на борту фантастического судна. Насколько это близко к реальной науке?

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 астронавтов 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 — g . 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 показание весов является мерой восходящей нормальной силы весов, действующей на его тело, можно было бы 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 схеме 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 восходящая контактная сила (F _норма ) может быть определена 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 в 100 Н вверх указывает на то, что направленная вверх сила «выигрывает» на величину, равную 100 Н. Сила тяжести, действующая на всадника, находится с помощью уравнения 9.0007 F _грав = м*г .

Этап А	Этап B	Этап 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 _нетто = 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 Ф _норма = 1184 Н	F _норма < F _грав на 400 Н F _норма = 384 Н	F _норма < F _грав по 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 наезднику в парке развлечений и падающему на лифте, 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 космонавты на орбите невесомы, потому что не испытывают 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 придумать 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 примерно 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 поездка в лифте позволяет учащемуся 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?

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

д. Отис останавливается на верхнем этаже, а затем ускоряется вниз со скоростью 0,40 м/с ² . Что показывают весы?

эл. Когда Отис приближается к первому этажу, лифт замедляется (ускорение вверх) со скоростью 0,40 м/с ² . Будьте осторожны с направлением ускорения. Что показывают весы?

ф. Используйте результаты ваших вычислений, приведенных выше, чтобы объяснить, почему Отис падает с меньшим весом при ускорении вниз на лифте и почему он чувствует себя тяжелым при ускорении вверх на лифте.

Следующий раздел:

Свободное падение: наука о невесомости

Лизы Хепплер
цифры Йованы Андреевич

Многие из нас мечтали о невесомости с детства. Мы видели кадры, на которых астронавты летают вокруг Международной космической станции, играя в пинг-понг с шариками из воды и в Pac-Man с цепочками M&Ms.

На мгновение, когда мы наблюдаем за этими астронавтами, живущими в совершенно чуждой нам среде, мы можем представить, что плаваем вместе с ними. К сожалению, волшебство недолговечно. Вес наших задних конечностей, плотно прижатых к нашим сиденьям, возвращает нас на планету Земля, обратно в реальность.

Итак, действительно ли мечта настолько близка к полету в космосе, насколько это возможно? Действительно ли волшебное переживание невесомости ограничено крошечной частью людей, которые называют себя как-то навтами (вы знаете, астронавтами, космонавтами, тайконавтами, космонавтами)? Не так быстро.

Невесомость может быть только для астронавтов, но с помощью частных компаний, таких как SpaceX, Blue Origin и Virgin Galactic, стать астронавтами не так уж и сложно. Наши мечты о полетах в космосе стали реальностью как никогда раньше.

Чтобы подготовиться к путешествию, мы должны сначала понять, что такое, черт возьми, невесомость.

Что такое вес?

Наш вес на Земле зависит от нашей массы, из которой мы состоим, а также от силы притяжения между нашей массой и массой планеты Земля. Эта сила притяжения, более известная как гравитация, представляет собой бесконтактную силу, действующую на нас на расстоянии. Как следует из названия, бесконтактная сила — это сила, которая действует между двумя объектами, которые не находятся в физическом контакте друг с другом, а это означает, что нам не нужно касаться Земли, чтобы гравитация действовала на нас. На самом деле мы не ощущать силу гравитации, если нет противодействующей контактной силы, противодействующей ей. Эта противодействующая сила называется нормальной силой, которая, в отличие от гравитации, представляет собой контактную силу, действующую на объекты, физически связанные друг с другом.

Например, когда мы стоим на земле, сила земного притяжения притягивает наше тело к земле. Однако, поскольку наши ступни находятся в физическом контакте с землей, на наши ступни также действует нормальная сила (рис. 1А). Именно благодаря этой контактной (или нормальной) силе на наших ногах мы можем воспринимать силу гравитации как вес. Если бы земля под нашими ногами исчезла, гравитация тем не менее действовала бы на нас, но мы не смогли бы ее ощутить. эта неспособность чувствовать гравитация заставила бы нас чувствовать себя невесомыми (по крайней мере, на мгновение; вставка 1).

Рисунок 1. Космонавты чувствуют себя невесомыми, когда ничто не противостоит силе тяжести. (A) Космонавт, стоящий на Земле, не чувствует себя невесомым, потому что земля создает нормальную силу, противодействующую силе тяжести. (B) Астронавт на орбите Земли действительно чувствует себя невесомым, потому что нет земли или нормальной силы, противодействующей силе гравитации. Таким образом, космонавт падает. Однако, поскольку космонавт также движется вперед сверхбыстро, он/она постоянно падает вокруг Земли, а не врезается в Землю.

Почему космонавты чувствуют себя невесомыми?

Так что же это означает для орбитальных астронавтов? В космосе астронавты и их космические корабли по-прежнему имеют массу и по-прежнему находятся под действием земного притяжения. В этом смысле они по-прежнему имеют вес, даже несмотря на то, что гравитационная сила Земли на орбите меньше, чем на поверхности Земли (вставка 1). Однако они не чувствуют своего веса, потому что их ничто не отталкивает. По сути, из-под них исчезла земля, и астронавты, и космический корабль падают (рис. 1Б).

Подождите, значит, невесомость — это просто свободное падение? Да. Свободное падение определяется как «любое движение тела, при котором гравитация является единственной силой, действующей на него». В космическом вакууме, где нет молекул воздуха или опорных поверхностей, на космонавтов действует только сила тяжести. Таким образом, они падают на Землю с ускорением свободного падения.

Напрашивается вопрос: как космические корабли могут оставаться на орбите, а не падать обратно на поверхность Земли? Хотя гравитация притягивает астронавтов к Земле, космический корабль движется так быстро в прямом направлении, что в конечном итоге вращается вокруг Земли по кругу, подобно мячу, качающемуся на конце веревки. Например, Международная космическая станция движется со скоростью около 17 150 миль в час, и этот поступательный импульс удерживает астронавтов на орбите, несмотря на то, что их притягивает к Земле.

Невесомость возможна только в космосе?

Так как же мы можем испытать невесомость? Что ж, самый простой и, возможно, самый дешевый способ испытать невесомость — это воспользоваться параболическим полетом (он же полет на борту «Рвотной кометы»).

Чтобы понять, как полет по параболическим дугам создает ощущение невесомости, нам сначала нужно рассмотреть четыре основные силы, действующие на самолет (рис. 2А). Первая сила — сопротивление, вызванное молекулами воздуха, препятствующими движению самолета вперед. Вторая сила — это тяга, которая представляет собой движущую силу, создаваемую двигателем. Третья сила – вес. Последней силой является подъемная сила, возникающая главным образом в результате взаимодействия крыльев самолета с молекулами воздуха и зависящая от плотности воздуха, формы крыльев и ориентации самолета в воздухе. Сочетание этих четырех сил определяет скорость и направление движения самолета.

Вернемся к концепции полета по параболе. Для создания ощущения невесомости пилот устанавливает тягу, равную сопротивлению, и исключает подъемную силу. В этот момент единственной неуравновешенной силой, действующей на самолет, является вес, поэтому самолет и его пассажиры находятся в свободном падении. Это то, что создает опыт невесомости. Однако самолеты могут упасть только до того, как упадут на землю. Итак, перед этим маневром пилот направляет самолет вверх и применяет тягу. Затем самолет находится в свободном падении в течение 20-30 секунд, когда он завершает набор высоты и начинает падать обратно к Земле. Наконец, как только самолет возвращается на ту же высоту, с которой он стартовал, в передней половине дуги, пилот повторно включает подъемную силу, чтобы вернуть самолет на стабильную высоту и подготовиться к следующему набору высоты. Получившаяся параболическая траектория полета дает пилоту достаточно времени и расстояния для безопасного падения (рис. 2В).

Рисунок 2. Параболические полеты позволяют пассажирам ощутить невесомость, не отправляясь в космос. (A) На самолет действуют четыре силы: вес, подъемная сила, тяга и сопротивление. Поскольку ускорение происходит в направлении неуравновешенной силы, самолеты ускоряются в прямом направлении, когда тяга превышает сопротивление, и увеличивают высоту, когда подъемная сила превышает вес. (B) Когда пилот устанавливает тягу, равную сопротивлению, и устраняет подъемную силу, единственной неуравновешенной силой, действующей на самолет, является вес. Соответственно самолет падает и пассажиры чувствуют себя невесомыми секунд 20-30. Чтобы самолет не врезался в землю, этому маневру в невесомости предшествует контролируемый подъем, а за ним следует контролируемый спуск. Этот цикл контролируемого подъема, невесомости и контролируемого спуска создает параболическую траекторию полета, характерную для опытов в невесомости.

В целом полет на параболе очень похож на гипотетическую поездку в лифте. Представьте, что лифт перемещается с этажа 1 (20 000 футов) на этаж 10 (30 000 футов) и обратно на этаж 1 (20 000 футов) без заметной остановки на 10 этаже. Когда лифт ускоряется до 10 этажа, пассажиры чувствуют себя тяжелее, чем обычно. (самолет поднимается на высоту 30 000 футов). Когда лифт приближается к 10-му этажу и сразу же меняет направление движения обратно на 1-й этаж, пассажиры чувствуют себя невесомыми (маневр свободного падения). Наконец, когда лифт замедляет скорость при возвращении на первый этаж, пассажиры чувствуют себя тяжелее, чем обычно (самолет снижается до 20 000 футов).

Такой полет с корпорацией Zero G начинается от 4950 долларов на человека и включает в себя 15 параболических маневров. Это составляет около 14 долларов за секунду невесомости. Итак, в следующий раз, когда вы почувствуете, как у вас переворачивается живот на рейсе Delta, улыбнитесь и наслаждайтесь поездкой! Вы только что выиграли бесплатную секунду невесомости.

Как заказать полет в космос?

Хотя путешествие на Рвотной комете и дает ощущение невесомости, оно не дает вам имени космонавта. Для этого вам нужно отправиться в космос! К счастью, SpaceX, Blue Origin и Virgin Galactic работают над тем, чтобы сделать это возможным.

Хотя SpaceX обещает стать первой частной компанией, которая отправит людей в космос, в настоящее время ее клиентами являются только астронавты НАСА, богатый человек по имени Юсаку Маэдзава и 6-8 творческих друзей Маэдзавы.

К счастью, Blue Origin и Virgin Galactic предоставили свои невесомые впечатления тем, у кого немного чековая книжка меньшего размера и немного менее амбициозные планы космических путешествий. Хотя New Shepard от Blue Origin и SpaceShipTwo от Virgin Galactic сильно различаются по конструкции транспортных средств, оба обещают частным лицам возможность путешествовать в космос. Платные клиенты покинут атмосферу Земли, увидят кривизну Земли и испытают несколько минут невесомости, прежде чем благополучно вернуться на землю. Хотя информация о ценах и датах запуска еще не опубликована, несколько новостных агентств сообщили, что билеты будут стоить от 200 000 до 300 000 долларов за штуку, а поездки начнутся уже в 2019 году. .

Итак, обратный отсчет до того, как стать кем-то-навтом, официально начался!

Лиза Хепплер учится на пятом курсе программы биологических и биомедицинских наук в Гарварде. Она изучает роль факторов транскрипции STAT при раке.

Йована Андреевич учится на третьем курсе прикладной физики в Школе инженерии и прикладных наук Гарвардского университета.

Для получения дополнительной информации:

Чтобы узнать о влиянии невесомости на астронавтов, прочтите эту статью на Space.com.
Чтобы узнать об экспериментах, проведенных на борту Международной космической станции, в том числе о влиянии длительного пребывания в невесомости на здоровье человека, посетите эту страницу.
Чтобы узнать, как НАСА изучает влияние невесомости на неживые объекты, посетите этот сайт.
Чтобы следить за развитием SpaceX, Blue Origin и Virgin Galactic, посетите их веб-сайты и следите за ними в социальных сетях.

Невесомость и ее влияние на космонавтов

Режиссер и продюсер «Аватара» Джеймс Кэмерон парит в невесомости в невесомости вместе с попечителями X PRIZE в полете, чтобы собрать средства для фонда X PRIZE. Слева направо: Роб Макьюэн (председатель, US Gold), Джеймс Кэмерон, Питер Х. Диамандис (председатель/генеральный директор, X PRIZE), Илон Маск (председатель/генеральный директор, SpaceX), Джим Гианопулос (председатель/генеральный директор, Fox Filmed Entertainment) . Полная история.
(Изображение предоставлено Брайаном Рапозой)

Ощущение невесомости или невесомости возникает, когда не ощущаются эффекты гравитации. С технической точки зрения гравитация существует повсюду во Вселенной, поскольку определяется как сила, притягивающая два тела друг к другу. Но космонавты в космосе обычно не ощущают его воздействия.

Международная космическая станция , например, находится в постоянном свободном падении над Землей. Однако его поступательное движение примерно равно скорости его «падения» на планету. Это означает, что космонавты внутри не тянутся в каком-либо конкретном направлении. Так они плавают.

Отсутствие нагрузки на ноги звучит расслабляюще, но в долгосрочной перспективе с этим связано много проблем со здоровьем. Кости и мышцы ослабевают, в организме происходят и другие изменения. Одной из функций МКС является изучение того, как на здоровье космонавтов влияет длительное пребывание в невесомости.

Ощущение невесомости

Вам не нужно покидать Землю, чтобы (на короткое время) вырваться из оков гравитации . Любой, кто поднимался на вершину холма на быстрых американских горках или сидел в маленьком самолете, внезапно сбитом ветром, на короткое время ощущал невесомость.

Более длительные периоды возможны в самолетах, летящих по параболе. Программа НАСА полетов с пониженной гравитацией , например, запускает самолеты серией примерно от 30 до 40 парабол, чтобы исследователи могли проводить эксперименты на борту. Каждый подъем создает силу, примерно вдвое превышающую силу тяжести, в течение 30 секунд. Затем, когда самолет, также называемый «Рвотной кометой», потому что у некоторых пассажиров вызывает тошноту, достигает вершины параболы и снижается, пассажиры ощущают микрогравитацию в течение примерно 25 секунд. (Если вы хотите испытать это на себе, такие компании, как Zero G Corp., предлагают полеты в невесомости на самолетах, конечно, за определенную плату.)

Съемочная группа и актеры фильма «Аполлон-13» часами проводили на борту самолета, который раз за разом совершал параболические полеты. Это позволило актерам действительно «плавать» во время пребывания в космическом корабле фильма, а не полагаться на громоздкие провода.

Однако астронавты находятся в невесомости гораздо дольше. Самое продолжительное пребывание в космосе было в 1994-95 годах, когда Валерий Поляков провел в космосе почти 438 дней.

Даже несколько дней в космосе могут привести к временным проблемам со здоровьем, как обнаружила Хайдемари Стефанишин-Пайпер, проведя две недели в космосе во время STS-115 в 2006 году. Во время пресс-конференции после приземления Пайпер потеряла сознание, так как не совсем восстановилась. к гравитации.

Временное воздействие на здоровье

Невесомость расслабляет несколько ключевых систем организма, так как он больше не борется с гравитацией. НАСА заявило, что ощущение верха и низа у астронавтов сбивается, потому что вестибулярная система больше не может понять, где земля, а где потолок. Это учитывают конструкторы космических кораблей; например, на МКС все надписи на стенах указывают в одном направлении .

Члены экипажа также испытывают нарушение в своей проприоцептивной системе, которая определяет положение рук, ног и других частей тела относительно друг друга. «В первую ночь в космосе, когда я засыпал, — сказал один из астронавтов программы «Аполлон» в интервью НАСА, — я внезапно понял, что потерял из виду… свои руки и ноги. конечностей не было».

Эта дезориентация может вызвать у астронавтов тошноту на несколько дней. Один известный случай произошел во время Аполлона 9 в 1969 году. Расти Швейкарту пришлось изменить запланированный выход в открытый космос, потому что он плохо себя чувствовал. Беспокойство заключалось в том, что, если его вырвет в скафандре, жидкость может распространиться через его шлем (из-за чего его будет трудно увидеть) или помешать дыхательному аппарату и привести к тому, что он потенциально задохнется до смерти.

Космический корабль также должен быть спроектирован с учетом микрогравитации. Например, во время выхода в открытый космос астронавтам требуются дополнительные опоры для рук и ног на внешней стороне космического корабля, чтобы они могли закрепиться и не уплыть. (Астронавты также привязываются к ним на тросах на случай, если они потеряют хватку.)

Долгосрочные последствия для здоровья

Астронавты, находящиеся в космосе от недель до месяцев, могут столкнуться с проблемами. Кальций в костях выделяется с мочой. Поскольку кости ослабевают, космонавты более подвержены их переломам, если они поскользнутся и упадут, как и люди с остеопорозом. Мышцы также теряют массу.

Но время, проведенное на Международной космической станции, помогло НАСА провести исследования о том, как на здоровье космонавтов влияет время в невесомости. Агентство уже внесло изменения. Например, в 2008 году он заменил временное устройство для упражнений с сопротивлением (iRED) на усовершенствованное устройство для упражнений с сопротивлением, что позволило астронавтам заниматься тяжелой атлетикой, не «увеличивая» свой максимальный вес. ARED связан с лучшими результатами в отношении плотности костей и мышечной силы, хотя все выводы в космосе сделать трудно (в целом, поскольку), поскольку популяция астронавтов уже находится в хорошей форме и чрезвычайно мала.

Астронавтам обычно отводится два часа ежедневных упражнений в космосе, чтобы противодействовать этим эффектам; это время включает не только сердечно-сосудистые упражнения и поднятие тяжестей, но и время, чтобы переодеться и установить или снять оборудование. Несмотря на физические упражнения, для адаптации на Земле после типичной шестимесячной космической миссии требуются месяцы реабилитации. Совсем недавно врачи обнаружили изменение глазного давления в орбите. НАСА отследило изменений зрения у астронавтов, которые находились на космической станции 9.0008 , но ничего настолько серьезного, чтобы вызывать беспокойство. Его причина все еще расследуется, хотя одним из возможных виновников является спинномозговая жидкость, которая остается постоянной в условиях микрогравитации, а не обычными сдвигами, происходящими на Земле, когда вы ложитесь или встаете. Помимо спинномозговой жидкости, исследование 2017 года отслеживало изменения как у астронавтов, совершающих короткие, так и у дальних полетов. Некоторые исследования также указывают на то, что астронавты испытывают на станции несколько повышенный уровень углекислого газа из-за системы фильтрации; этот газ может также способствовать проблемам со зрением.

Бывший астронавт НАСА Скотт Келли участвовал в редкой годовой миссии на Международную космическую станцию в 2015-16 годах. Его брат-близнец и бывший астронавт НАСА Марк (вышедший на пенсию раньше Скотта) согласился участвовать вместе со Скоттом в нескольких «двойных экспериментах», чтобы сравнить здоровье Скотта в космосе со здоровьем Марка на земле.

Предварительные результаты одного исследования, опубликованного в октябре 2017 года, показали, что в космосе включаются и выключаются разные гены. Другие исследования, обсуждавшиеся ранее в том же году, также выявили незначительные изменения. Например, теломеры (которые замедляют разрушение хромосом) у Скотта временно удлинились в пространстве. У Скотта также было небольшое ухудшение когнитивных способностей (скорости и точности мышления) и костеобразования, хотя и не настолько, чтобы вызывать беспокойство.

Ученые, работающие над экспериментами в области здоровья в условиях микрогравитации, отмечают, что часто изменения, наблюдаемые на орбите, имитируют то, что происходит с людьми, когда они стареют естественным образом, хотя часто процессы различны. Группа канадских исследователей, некоторые из которых имеют опыт в области космической медицины, имеют доступ к долгосрочному медицинскому учреждению для пожилых людей в Университете Ватерлоо. Там исследователи могут измерять пожилых людей в их домах, а не приводить их в лабораторию, где условия являются искусственными и могут маскировать или преувеличивать определенные состояния здоровья.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Элизабет Хауэлл, доктор философии, является штатным корреспондентом на канале космических полетов с 2022 года. Она была автором статей для Space.com (открывается в новой вкладке) в течение 10 лет до этого, с 2012 года. Как гордый Trekkie и канадец, она также занимается такими темами, как разнообразие, научная фантастика, астрономия и игры, чтобы помочь другим исследовать вселенную. Репортажи Элизабет с места событий включают в себя два запуска пилотируемых космических кораблей из Казахстана, три миссии шаттлов во Флориде и встроенные репортажи с моделируемой миссии на Марс в Юте. Она имеет докторскую степень. и магистр наук. получил степень бакалавра космических исследований в Университете Северной Дакоты и степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете в Канаде.