Невесомость - Weightlessness

"Невесомость" и "Zero-G" перенаправляются сюда. Для использования в других целях см. Невесомость (значения).
Космонавтов на Международная космическая станция только опыт микрогравитация и таким образом показать пример невесомости. Майкл Фоул можно увидеть упражнения на переднем плане.

Невесомость это полное или почти полное отсутствие ощущения масса. Это также называется ноль-G, хотя более правильный термин "ноль G-сила ". Это происходит при отсутствии контактные силы на объекты, включая человеческое тело.

Вес - это мера силы, действующей на покоящийся объект в относительно сильном гравитационном поле (например, на поверхности Земли). Эти ощущения веса возникают при контакте с опорными полами, сиденьями, кроватями, весами и т. Д. Также возникает ощущение веса, даже когда гравитационное поле равно нулю, когда контактные силы действуют на тело и преодолевают его. инерция механическим, не-гравитационный силы - например, в центрифуга, вращающийся космическая станция или внутри ускоряющегося транспортного средства.

Когда гравитационное поле неоднородно, тело в свободном падении испытывает приливные эффекты и подвержено стрессу. Рядом с черная дыра, такие приливные эффекты могут быть очень сильными. В случае с Землей эффекты незначительны, особенно для объектов относительно небольших размеров (таких как человеческое тело или космический корабль), и общее ощущение невесомости в этих случаях сохраняется. Это состояние известно как микрогравитация, и он преобладает на орбитальных космических аппаратах.

Невесомость в механике Ньютона

В левой половине пружина находится далеко от любого источника гравитации. В правой половине он находится в однородном гравитационном поле. а) Невесомость и невесомость б) Невесомость, но не невесомость (пружина приводится в движение ракетой) c) Весна в свободном падении и невесомая d) Пружина опирается на цоколь и имеет вес1 а вес2.

В ньютоновской механике инженеры дают два различных толкования термину «вес».

Масса1: Согласно этой интерпретации, «вес» тела - это сила тяжести, действующая на тело, и это понятие веса преобладает в технике. Вблизи поверхности земли тело массой 1 кг (2,2 фунта) имеет вес приблизительно 9,81 Н (2,21 фунта).ж), независимо от его состояния движения, свободное падение или нет. Невесомости в этом смысле можно добиться, удалив тело подальше от источника силы тяжести. Этого также можно достичь, поместив тело в нейтральную точку между двумя гравитирующими массами.
Масса2: Вес также можно интерпретировать как количество, которое измеряется при использовании весов. То, что измеряется, - это приложенная сила к тело на весах. При стандартной операции взвешивания взвешиваемое тело находится в состоянии равновесия из-за силы, действующей на него со стороны весов, нейтрализующей гравитационное поле. По 3-му закону Ньютона действует равная и противоположная сила. к кузов на автомате. Этот сила называется весом2. Сила нет гравитационный. Обычно это контактная сила, а не равномерная по массе тела. Если тело положить на весы в лифте (лифте) в свободном падении с чистой равномерной силой тяжести, на весах будет отображаться ноль, и тело будет считаться невесомым, т.е. его вес2 = 0. Это описывает состояние, при котором тело не подвергается напряжению и не деформируется. Это невесомость в свободное падение в однородном гравитационном поле. (Ситуация усложняется, когда гравитационное поле неоднородно или когда на тело действует несколько сил, которые могут, например, нейтрализовать друг друга и вызвать состояние напряжения, хотя2 быть нулевым. Смотри ниже.)

Подводя итог, у нас есть два понятия веса, из которых вес1 доминирует. Тем не менее, невесомость обычно выражается не в отсутствии веса.1 но отсутствием стресса, связанного с весом2. Это подразумеваемое ощущение невесомости в дальнейшем.

Тело без стресса, не имеет веса2, когда единственной силой, действующей на него, является вес1 как при свободном падении в однородном гравитационном поле. Без индексов получается странно звучащий вывод, что тело невесомо, когда единственная сила, действующая на него, - это его вес.

Апокрифическое яблоко, упавшее на голову Ньютона, можно использовать для иллюстрации связанных с этим проблем. Яблоко весит примерно 1 ньютон (0,22 фунтаж). Это вес1 яблока и считается постоянной, даже когда оно падает. Во время этого падения его вес2 однако равен нулю: игнорируя сопротивление воздуха, яблоко не вызывает стресса. Когда оно попадает в Ньютон, ощущение, которое испытывает Ньютон, будет зависеть от высоты, с которой яблоко падает, и веса.2 яблока в момент удара может быть во много раз больше, чем 1 Н (0,22 фунтаж). Это этот вес2 который искажает яблоко. Спускаясь вниз, яблоко при свободном падении не искажается, так как гравитационное поле однородно.

Стресс во время свободного падения

  1. В однородном гравитационном поле: рассмотрите любое поперечное сечение, разделяющее тело на две части. Обе части имеют одинаковое ускорение, и сила, действующая на каждую из них, создается внешним источником поля. Одна часть не оказывает силы на другую. Напряжение в поперечном сечении равно нулю. Масса2 равно нулю.
  2. В неоднородном гравитационном поле: только под действием силы тяжести одна часть тела может иметь ускорение, отличное от ускорения другой части. Это может привести к деформации тела и возникновению внутренних напряжений, если тело сопротивляется деформации. Масса2 не 0.

На протяжении всего обсуждения использования стресса в качестве индикатора веса любой предварительное напряжение которые могут существовать внутри тела, вызванные силой, действующей на одну часть другой, не имеет значения. Единственные релевантные стрессы вызваны внешний силы, приложенные к телу.

Определение и использование «невесомости» затруднительно, если не понимать, что ощущение «веса» в повседневном земном опыте возникает не только из-за действия гравитации (которая не ощущается), а за счет механических сил, противостоящих гравитации. Объект в прямом свободном падении или по более сложной инерционной траектории свободного падения (например, в пределах самолет пониженной гравитации или внутри космической станции) все испытывают невесомость, поскольку не испытывают механических сил, вызывающих ощущение тяжести.

Силовые поля, отличные от гравитации

Как отмечалось выше, невесомость возникает, когда

  1. на объект не действует результирующая сила
  2. равномерная гравитация действует сама по себе.

Для полноты необходимо добавить 3-ю второстепенную возможность. Дело в том, что на тело может действовать поле, которое не является гравитационным, но такое, что сила, действующая на объект, равномерно распределены по массе объекта. Возможным примером является электрически заряженное тело, равномерно заряженное в однородном электрическом поле. Электрический заряд здесь заменяет обычный гравитационный заряд. Тогда такое тело не будет подвержено стрессам и будет классифицировано как невесомое. Различные виды левитация может попасть в эту категорию, по крайней мере, приблизительно.

Невесомость и правильный разгон

Тело в свободном падении (которое по определению не влечет за собой аэродинамических сил) у поверхности земли имеет ускорение, примерно равное 9,8 м / с.2 (32 фут / с2) по отношению к системе координат, привязанной к земле. Если тело находится в свободно падающем лифте и не подвергается толчкам или вытягиванию со стороны лифта или его содержимого, ускорение по отношению к лифту будет нулевым. С другой стороны, если на тело действуют силы, действующие со стороны других тел внутри лифта, оно будет иметь ускорение по сравнению с свободно падающим лифтом. Это ускорение, не связанное с силой тяжести, называется "правильное ускорение ". При таком подходе невесомость сохраняется, когда собственное ускорение равно нулю.

Способы избежать невесомости

Невесомость контрастирует с нынешним человеческим опытом, в котором действует неоднородная сила, например:

В случаях, когда объект не является невесомым, как в приведенных выше примерах, сила действует на рассматриваемый объект неравномерно. Аэродинамическая подъемная сила, сопротивление и тяга - все неоднородные силы (они действуют в точке или на поверхности, а не на всю массу объекта) и, таким образом, создают явление веса. Эта неоднородная сила может также передаваться объекту в точке контакта со вторым объектом, например, при контакте между поверхностью Земли и ногами или между ремнями безопасности парашюта и телом.

Приливные силы

Два жестких куба, соединенных упругой нитью, в свободном падении возле черной дыры. Струна растягивается, когда тело падает вправо.

Приливные силы возникают, когда гравитационное поле неоднородно и градиенты гравитации существовать. Это действительно норма, и, строго говоря, любой объект конечного размера даже в свободном падении подвержен приливным эффектам. Их невозможно удалить инерционным движением, кроме как в одной определенной точке тела. Земля находится в свободном падении, но наличие приливов указывает на то, что она находится в неоднородном гравитационном поле. Эта неоднородность больше связана с луной, чем с солнцем. Общее гравитационное поле Солнца намного сильнее, чем у Луны, но оно имеет незначительный приливный эффект по сравнению с лунным из-за относительных расстояний. Масса1 Земли в основном из-за гравитации Солнца. Но его состояние напряжения и деформации, представленное приливами, больше связано с неоднородностью гравитационного поля близлежащей луны. Когда размер рассматриваемой области мал по сравнению с ее расстоянием от гравитирующей массы, предполагается однородность гравитационное поле держится в хорошем приближении. Таким образом, человек мал по сравнению с радиусом Земли, а поле человека на поверхности Земли приблизительно однородно. Поле строго неоднородно и отвечает за явление микрогравитация. Объекты возле черная дыра подвержены очень неоднородному гравитационному полю.

Справочные рамки

В целом инерциальные системы отсчета, когда ощущается невесомость, первый закон движения Ньютона локально соблюдается. в кадре. Внутри кадра (например, внутри орбитального корабля или свободно падающего лифта) невынужденные объекты сохраняют свою скорость относительно кадра. Объекты, не контактирующие с другими объектами, «плавают» свободно. Если на инерциальную траекторию влияет сила тяжести, система отсчета будет ускоренной системой, если смотреть из положения за пределами гравитационного притяжения, и (если смотреть издалека) объекты в кадре (лифт и т. Д.) Будут казаться находящимися под влияние силы (так называемая сила тяжести). Как уже отмечалось, объекты, подверженные исключительно гравитации, не ощущают ее воздействия. Таким образом, невесомость может быть реализована в течение коротких периодов времени в самолете, который следует определенной эллиптической траектории полета, часто ошибочно называемой параболическим полетом. Моделируется плохо, с множеством отличий, в нейтральная плавучесть условия, такие как погружение в емкость с водой.

Невесомость, невесомость, акселерометры

Zero-g - это альтернативный термин для обозначения невесомости, и он сохраняется, например, в свободно падающем лифте. Невесомость немного отличается от полного отсутствия гравитации, что невозможно из-за присутствия гравитации повсюду во Вселенной. Термин «невесомость» может также использоваться для обозначения эффективной невесомости без учета приливных эффектов. Микрогравитация (или же мкг) используется для обозначения ситуаций, которые практически невесомы, но где перегрузка Напряжения внутри объектов из-за приливных эффектов, как обсуждалось выше, составляют примерно одну миллионную от напряжения на поверхности Земли.Акселерометры может только обнаружить перегрузка т.е. вес2 (= масса × собственное ускорение). Они не могут обнаружить ускорение, связанное со свободным падением.[а]

Ощущение веса

Сила на ступни примерно вдвое больше, чем на поперечном сечении пупка.

Люди ощущают свой собственный вес тела в результате этой поддерживающей силы, что приводит к нормальная сила наносится на человека поверхностью поддерживающего объекта, на котором человек стоит или сидит. Без этой силы человек находился бы в свободном падении и испытывал невесомость. Это передача этой силы реакции через человеческое тело, и в результате сжатие и напряжение тела ткани, что приводит к ощущению веса.

Из-за распределения массы по телу человека величина силы реакции варьируется между ступнями и головой человека. На любой горизонтали поперечное сечение тела человека (как и любой столбец ), величина сжимающей силы, которой оказывают сопротивление ткани ниже поперечного сечения, равна весу части тела выше поперечного сечения. В позе, принятой на прилагаемой иллюстрации, плечи несут вес вытянутых рук и подвергаются значительному вращению.

Распространенное заблуждение

Распространенное представление о космических кораблях, вращающихся вокруг Земли, заключается в том, что они работают в среде, свободной от гравитации. Хотя есть способ понять это в рамках физики общей теории относительности Эйнштейна, в рамках физики Ньютона, это технически неточно.

Геостационарный спутник над отмеченной точкой на экваторе. Наблюдатель на отмеченном месте увидит, что спутник остается прямо над головой, в отличие от других небесных объектов, которые проносятся по небу.

Космические корабли удерживаются на орбите за счет силы тяжести планеты, вокруг которой они вращаются. В ньютоновской физике ощущение невесомости, которое испытывают астронавты, возникает не из-за отсутствия гравитационного ускорения (если смотреть с Земли), а из-за отсутствия перегрузка что космонавт может почувствовать из-за условий свободного падения, а также отсутствия разницы между ускорением космического корабля и ускорением космонавта. Космический журналист Джеймс Оберг объясняет это явление так:[1]

Миф о том, что спутники остаются на орбите, потому что они «покинули земную гравитацию», еще больше (и ложно) увековечивается почти повсеместным неправильным использованием слова «невесомость» для описания условий свободного падения на борту орбитальных космических аппаратов. Конечно, это неправда; гравитация все еще существует в космосе. Он не дает спутникам улететь прямо в межзвездную пустоту. Чего не хватает, так это «веса», сопротивления гравитационному притяжению заякоренной конструкции или противодействующей силы. Спутники остаются в космосе из-за их огромной горизонтальной скорости, которая позволяет им - хотя их неизбежно притягивает к Земле сила тяжести - - падать «за горизонт». Изогнутый уход земли вдоль круглой поверхности Земли компенсирует падение спутников на землю. Скорость, а не положение или недостаток силы тяжести, удерживает спутники на орбите вокруг Земли.

А геостационарный Спутник представляет особый интерес в этом контексте. В отличие от других объектов в небе, которые поднимаются и заходят, объект на геостационарной орбите кажется неподвижным в небе, очевидно, бросая вызов гравитации. Фактически, он находится на круговой экваториальной орбите с периодом в одни сутки.

Относительность

Современному физику, работающему с Эйнштейном общая теория относительности, ситуация еще сложнее, чем предполагалось выше. Теория Эйнштейна предполагает, что действительно допустимо считать, что объекты в инерционный движение (такое как падение в лифте, или по параболе в самолете, или на орбите планеты) действительно может рассматриваться как испытывающее локальную потерю гравитационного поля в их системе покоя. Таким образом, с точки зрения (или кадра) космонавта или орбитального корабля на самом деле почти ноль правильное ускорение (ускорение ощущается локально), как и в случае далеко в космосе, вдали от любой массы. Таким образом, справедливо считать, что большая часть гравитационного поля в таких ситуациях фактически отсутствует с точки зрения падающего наблюдателя, как и предполагает разговорная точка зрения (см. принцип эквивалентности для более полного объяснения этого момента). Однако эта потеря гравитации для падающего или движущегося по орбите наблюдателя в теории Эйнштейна происходит из-за самого падающего движения, а (опять же, как в теории Ньютона) не из-за увеличения расстояния от Земли. Однако считается, что гравитация все же отсутствует. Фактически, осознание Эйнштейном того, что чистое гравитационное взаимодействие невозможно почувствовать, если убрать все другие силы, было ключевым моментом, который привел его к мнению, что гравитационная «сила» может в некотором смысле рассматриваться как несуществующая. Скорее, объекты имеют тенденцию следовать геодезическим путям в искривленном пространстве-времени, и это «объясняется» как сила «ньютоновскими» наблюдателями, которые предполагают, что пространство-время «плоское» и, таким образом, не имеют причин для искривленных путей. (т. е. «падающее движение» объекта около источника гравитации).

В общей теории относительности единственная гравитация, которая остается для наблюдателя, идущего по падающей траектории или «инерциальной» траектории вблизи гравитирующего тела, - это гравитация, которая возникает из-за неоднородностей, которые остаются в гравитационном поле, даже для падающего наблюдателя. . Эта неоднородность, которая является простым приливным эффектом в ньютоновской динамике, составляет "микрогравитация «которое ощущается всеми протяженными в пространстве объектами, падающими в любое естественное гравитационное поле, происходящее из компактной массы. Причина этих приливных эффектов заключается в том, что такое поле будет иметь свое начало в централизованном месте (компактная масса), и, следовательно, будут расходиться и немного различаться по силе в зависимости от расстояния от массы. Таким образом, она будет варьироваться по ширине падающего или вращающегося объекта. Таким образом, термин «микрогравитация», слишком технический термин с ньютоновской точки зрения, является допустимым. и описательный термин с общей релятивистской (эйнштейновской) точки зрения.

Микрогравитация

Основная статья: Микро-среда

Период, термин микро-среда (также мкг, часто называемый термином микрогравитация) является более или менее синонимом невесомости и ноль-G, но указывает, что перегрузки не совсем нулевые, просто очень маленькие.[нужна цитата ]

Невесомая и облегченная среда

Маневр полета в невесомости

Уменьшенный вес в самолете

Основная статья: Самолет с пониженной гравитацией

Самолеты использовались с 1959 года, чтобы создать практически невесомую среду для обучения космонавтов, проведения исследований и киносъемок. Такие самолеты обычно называют по прозвищу "Рвота комета ".

Чтобы создать невесомую среду, самолет пролетает шесть миль в длину. параболический дуга, сначала лазание, затем переход в механическое погружение. Во время дуги движущая сила и рулевое управление самолета контролируются таким образом, что тащить (сопротивление воздуха) на самолете отменяется, оставляя самолет вести себя так, как если бы он падал в вакууме. В течение этого периода пассажиры самолета испытывают невесомость 22 секунды, а затем - около 22 секунд 1,8. грамм ускорение (почти вдвое превышающее нормальный вес) при выходе из параболы. Типичный полет длится около двух часов, в течение которого пролетает 30 парабол.

Самолет НАСА KC-135A поднимается для маневра в невесомости

Самолет НАСА с пониженной гравитацией

Версии таких самолетов эксплуатировались НАСА Программа исследований пониженной гравитации с 1973 года, откуда и возникло неофициальное прозвище.[2] Позже НАСА приняло для публикации официальное прозвище «Невесомое чудо».[3] Нынешний самолет НАСА с пониженной гравитацией "Невесомое чудо VI", Макдоннелл Дуглас C-9, основан на Эллингтон Филд (КЭФД), рядом Космический центр Линдона Б. Джонсона.

НАСА Университет микрогравитации - План возможностей полетов с пониженной гравитацией, также известный как Программа возможностей полетов студентов с пониженной гравитацией, позволяет группам студентов подавать предложения по эксперименту в условиях микрогравитации. Если выбрано, команды разрабатывают и реализуют свой эксперимент, а учащихся приглашают летать на комете Vomit Comet НАСА.

Европейское космическое агентство A310 Zero-G

В Европейское космическое агентство выполняет параболические полеты на специально модифицированном Airbus A310-300 самолет,[4] для проведения исследований в условиях микрогравитации. А также европейский ЕКА, Французский CNES и немецкий DLR летать кампании из трех полетов в последовательные дни, каждый пролетая около 30 парабол, в общей сложности около 10 минут невесомости за полет. Эти кампании в настоящее время проводятся с Бордо - Аэропорт Мериньяк в Франция компанией Novespace,[5] дочерняя компания французского CNES, а самолетом управляют летчики-испытатели из DGA Essais en Vol. Первые полеты ESA Zero-G были в 1984 году с использованием самолета NASA KC-135 в Хьюстон, Техас. По состоянию на май 2010 г.ЕКА провело 52 кампании, а также 9 студенческих параболических полетов.[6]

Другие самолеты, которые он использовал, включают русский Ильюшин Ил-76 MDK до основания Novespace, а затем использование французского Каравелла, затем Airbus A300 Zero-G а теперь Airbus A310 [7][8][9]

Коммерческие рейсы для пассажиров общественного транспорта

Внутри самолета Zero Gravity Corporation

Компания Novespace создала Air Zero G в 2012 году, чтобы поделиться опытом невесомости с 40 пассажирами на рейсах, используя тот же A310 ZERO-G, что и для научных экспериментов.[10] Эти рейсы продает Avico, в основном работают с Бордо-Мериньяк, Франция, и намереваются продвигать европейские космические исследования, позволяя пассажирам общественного транспорта ощущать невесомость. Жан-Франсуа Клервой, Председатель Novespace и ЕКА астронавт, летает с астронавтами-однодневками Air Zero G на борту A310 Zero-G. После полета он объясняет космические поиски и рассказывает о трех космических путешествиях, которые он совершил за свою карьеру. Самолет также использовался в кино, с Том Круз и Аннабель Уоллис за мамочка в 2017 году.[11]

В Zero Gravity Corporation, основанная в 1993 году Питером Диамандисом, Байроном Лихтенбергом и Рэем Кронисом, имеет модифицированный Боинг 727 который летает по параболическим дугам, создавая 25–30 секунд невесомости. Авиабилеты можно покупать как в туристических, так и в исследовательских целях.

Наземные десантные сооружения

Испытания в невесомости в НАСА Центр исследования невесомости

Наземные установки, создающие условия невесомости для исследовательских целей, обычно называются капельные трубки или падающие башни.

НАСА Центр исследования невесомости, расположенный в Исследовательский центр Гленна в Кливленд, Огайо, представляет собой 145-метровую вертикальную шахту, расположенную в значительной степени под землей, со встроенной вакуумной камерой, в которой экспериментальный автомобиль может свободно падать в течение 5,18 секунды, падая на расстояние 132 метра. Экспериментальный автомобиль останавливается примерно в 4,5 метрах от пеллеты расширенного полистирол и переживает пик замедление скорость 65грамм.

Также в НАСА Гленн находится 2,2-секундная башня для падения с высоты 24,1 метра. Эксперименты помещаются в защитный экран, чтобы уменьшить влияние сопротивления воздуха. Вся посылка останавливается в воздушной подушке высотой 3,3 метра с максимальной скоростью замедления примерно 20грамм. В то время как установка невесомости производит одно или два сброса в день, 2,2-секундная башня падения может проводить до двенадцати капель в день.

НАСА Центр космических полетов Маршалла вмещает еще одну установку для сброса труб высотой 105 метров, обеспечивающую свободное падение 4,6 секунды под почтивакуум условия.[12]

Люди не могут использовать эти гравитационные валы, так как замедление, испытываемое падающей камерой, вероятно, убьет или серьезно повредит любого, кто их использует; 20грамм означает максимальное замедление, которое здоровый человек в хорошей форме может выдержать на мгновение, не получив травм.[нужна цитата ]

Другие пункты назначения по всему миру включают:

Нейтральная плавучесть

Условия, аналогичные некоторым условиям невесомости, также можно смоделировать, создав условие нейтральная плавучесть, в котором люди и оборудование помещаются в водную среду и взвешиваются или подпираются, пока они не зависнут на месте. НАСА использует нейтральную плавучесть, чтобы подготовиться к внекорабельная деятельность (EVA) на своем Лаборатория нейтральной плавучести. Нейтральная плавучесть также используется для исследований EVA на Университет Мэриленда с Лаборатория космических систем, который управляет единственным резервуаром нейтральной плавучести в колледже или университете.

Нейтральная плавучесть не тождественна невесомости. Гравитация по-прежнему действует на все объекты в резервуаре нейтральной плавучести; таким образом, астронавты, проходящие курс обучения нейтральной плавучести, по-прежнему ощущают весь свой вес в скафандрах, хотя вес хорошо распределен, подобно силе, действующей на человеческое тело в водяной постели или при простом плавании в воде. Костюм и космонавт вместе не подвергаются действию чистой силы, как любой объект, который плавает или поддерживается в воде, например аквалангист с нейтральной плавучестью. Вода также вызывает сопротивление, которого нет в вакууме.

Невесомость в космическом корабле

Связь между векторами ускорения и скорости в орбитальном космическом корабле
Астронавт США Марша Айвинс демонстрирует влияние невесомости на длинные волосы во время СТС-98

Находятся длительные периоды невесомости. космический корабль вне атмосферы планеты, при условии, что двигатель не работает и транспортное средство не вращается. Невесомость не возникает, когда космический корабль запускает двигатели или повторно входит в атмосферу, даже если результирующее ускорение является постоянным. Тяга, создаваемая двигателями, действует на поверхность сопла ракеты, а не действует равномерно на космический корабль, и передается через структуру космического корабля через сжимающие и растягивающие силы к объектам или людям внутри.

Невесомость в вращающийся по орбите космический аппарат физически идентичен свободному падению, с той разницей, что ускорение свободного падения вызывает чистое изменение направление, а не величина, космических аппаратов скорость. Это потому, что ускорение вектор перпендикулярна вектору скорости.

При обычном свободном падении ускорение свободного падения действует вдоль направления скорости объекта, линейно увеличивая его скорость когда он падает на Землю, или замедляя его, если он удаляется от Земли. В случае орбитального космического корабля, вектор скорости которого в основном перпендикуляр к силе тяжести, гравитационное ускорение не приводит к чистому изменению скорости объекта, а вместо этого действует центростремительно, чтобы постоянно "поворачивать" скорость космического корабля при его движении вокруг Земли. Поскольку вектор ускорения поворачивается вместе с вектором скорости, они остаются перпендикулярными друг другу. Без этого изменения направления вектора скорости космический корабль двигался бы по прямой линии, полностью покидая Землю.

Невесомость в центре планеты

Чистая гравитационная сила, создаваемая сферически симметричной планетой, равна нулю в центре. Это ясно из-за симметрии, а также из теории Ньютона. теорема оболочек который утверждает, что чистая гравитационная сила из-за сферически симметричной оболочки, например, полого шара, равна нулю в любом месте внутри полого пространства. Таким образом, материал в центре невесом.

Воздействие на здоровье человека

Основные статьи: Влияние космического полета на организм человека и Космическая медицина
Космонавт Клейтон Андерсон как большая капля воды плавает перед ним на Дискавери. Сплоченность играет большую роль в космосе.

После появления космические станции в которых можно жить в течение длительного времени, было продемонстрировано, что воздействие невесомости оказывает пагубное воздействие на здоровье человека.[13] Люди хорошо приспособлены к физическим условиям на поверхности Земли. В ответ на длительный период невесомости различные физиологические системы начинают изменяться и атрофироваться. Хотя эти изменения обычно временны, могут возникнуть долгосрочные проблемы со здоровьем.

Самая распространенная проблема, с которой люди сталкиваются в первые часы невесомости, известна как синдром космической адаптации или SAS, обычно называемый космической болезнью. Симптомы САС включают: тошнота и рвота, головокружение, головные боли, летаргия и общее недомогание.[14] О первом случае САС сообщили космонавт Герман Титов в 1961 году. С тех пор примерно 45% всех людей, которые летали в космос, страдали этим заболеванием. Продолжительность космической болезни варьируется, но ни в коем случае не превышает 72 часов, после чего организм приспосабливается к новой среде. НАСА в шутку измеряет САС с помощью «шкалы Гарна», названной в честь Сенатор США Джейк Гарн, чья SAS во время СТС-51-Д было худшим за всю историю. Соответственно, один «Гарн» эквивалентен самому тяжелому случаю САС.[15]

Наиболее серьезные побочные эффекты от длительной невесомости: мышечная атрофия (видеть Снижение мышечной массы, силы и работоспособности в космосе для получения дополнительной информации) и ухудшение скелет, или же остеопения космического полета.[14] Эти эффекты можно свести к минимуму с помощью режима упражнений,[16] например, езда на велосипеде. Астронавты, находящиеся в длительной невесомости, носят штаны с эластичными лентами между поясом и манжетами, чтобы сжать кости ног и уменьшить остеопению.[17] К другим значительным эффектам относятся перераспределение жидкости (вызывающее появление "лунного лица", типичного для изображений астронавтов в невесомости),[17][18] замедление сердечно-сосудистая система поскольку кровоток уменьшается в ответ на недостаток силы тяжести,[19] сокращение производства красные кровяные тельца, нарушение равновесия и ослабление иммунная система. Менее выраженные симптомы включают потерю массы тела, заложенность носа, нарушение сна, избыток метеоризм, и отечность лица. Эти эффекты начинают быстро меняться по возвращении на Землю.

Кроме того, после долгого космический полет миссии, космонавты могут испытать тяжелые зрение проблемы.[20][21][22][23][24] Такие проблемы со зрением могут стать серьезной проблемой для будущих полетов в дальний космос, включая миссия с экипажем на планету Марс.[20][21][22][23][25] Воздействие высоких уровней радиации также может влиять на развитие атеросклероза.[26]

31 декабря 2012 г. НАСА -поддерживаемое исследование сообщает, что полет человека в космос может нанести вред мозги из космонавты и ускорить наступление Болезнь Альцгеймера.[27][28][29] В октябре 2015 г. Управление генерального инспектора НАСА выпустил отчет об опасности для здоровья относится к полет человека в космос, включая человеческая миссия к Марс.[30][31]

Воздействие на нечеловеческие организмы

Основные статьи: Влияние космического полета на организм человека, Инфекционное заболевание, Лечение во время космического полета, и Космическая медицина

Российские ученые обнаружили различия между тараканами, зачатыми в космосе, и их наземными собратьями. Космические тараканы росли быстрее, а также становились все быстрее и выносливее.[32]

Куриные яйца, помещенные в микрогравитацию через два дня после оплодотворения, не развиваются должным образом, тогда как яйца, помещенные в микрогравитацию более чем через неделю после оплодотворения, развиваются нормально.[33]

Эксперимент с космическим челноком 2006 года показал, что Сальмонелла тифимуриум бактерия, которая может вызвать пищевое отравление, стала более опасной при выращивании в космосе.[34] 29 апреля 2013 г. ученые Политехнического института Ренсселера при финансовой поддержке НАСА, сообщил, что во время космический полет на Международная космическая станция, микробы похоже, адаптируется к космическая среда способами, «не наблюдаемыми на Земле» и способами, которые «могут привести к увеличению роста и вирулентность ".[35]

Было замечено, что при определенных условиях испытаний микробы процветают в почти невесомости космоса.[36] и чтобы выжить в вакууме космического пространства.[37][38]

Техническая адаптация в невесомости

Свеча пламя в условиях орбиты (справа) по сравнению с землей (слева)

Невесомость может вызвать серьезные проблемы с техническими приборами, особенно состоящими из множества подвижных частей. Физические процессы, зависящие от веса тела (например, конвекция, вода для приготовления пищи или горящие свечи) в свободном падении действуют иначе. Сплоченность и адвекция играют большую роль в космосе. Повседневная работа, такая как умывание или посещение туалета, невозможна без адаптации. Чтобы использовать туалеты в космосе, например, на Международная космическая станция, космонавты должны пристегнуться к креслу. Вентилятор создает всасывание, чтобы отодвинуть отходы. Пить можно с помощью трубочки или трубочки.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Примечание. Акселерометры могут обнаруживать внезапные изменять к свободному падению (например, при падении устройства), но они делают это, измеряя изменение ускорения от некоторого значения до нуля. Акселерометр, использующий один груз или вибрирующий элемент и не измеряющий градиенты на расстояниях внутри акселерометра (который может использоваться для обнаружения микрогравитации или приливных сил), не может определить разницу между свободным падением в поле силы тяжести и невесомостью из-за того, что он находится далеко от массы и источники гравитации. Это связано с тем, что Эйнштейн строгий принцип эквивалентности.

Рекомендации

  1. ^ Оберг, Джеймс (Май 1993 г.). «Космические мифы и заблуждения». Омни. 15 (7). В архиве из оригинала 2007-09-27. Получено 2007-05-02.
  2. ^ Программа исследования пониженной гравитации
  3. ^ "Загрузка ..." www.nasaexplores.com. Получено 24 апреля 2018.
  4. ^ «Полет в невесомости означает высокий стресс для старого А310». Flightglobal.com. 2015-03-23. В архиве из оригинала от 21.08.2017. Получено 2017-08-23.
  5. ^ «Novespace: микрогравитация, воздушные миссии». www.novespace.com. В архиве с оригинала 31 марта 2018 г.. Получено 24 апреля 2018.
  6. ^ Европейское космическое агентство. "Кампании параболических полетов". Веб-сайт ЕКА "Полет человека в космос". В архиве из оригинала от 26.05.2012. Получено 2011-10-28.
  7. ^ Европейское космическое агентство. «A300 Zero-G». Веб-сайт ЕКА "Полет человека в космос". Получено 2006-11-12.
  8. ^ Европейское космическое агентство. «Следующая кампания». Веб-сайт ЕКА "Полет человека в космос". Получено 2006-11-12.
  9. ^ Европейское космическое агентство. «Организация кампании». Веб-сайт ЕКА "Полет человека в космос". Получено 2006-11-12.
  10. ^ «Французский астронавт выполняет« Лунную походку »в параболическом полете - Air & Cosmos - International». Air & Cosmos - Международный. В архиве из оригинала от 21.08.2017. Получено 2017-08-23.
  11. ^ «Том Круз бросает вызов гравитации в Novespace ZERO-G A310». В архиве из оригинала от 21.08.2017. Получено 2017-08-23.
  12. ^ "Центр космических полетов им. Маршалла". nasa.gov. Получено 24 апреля 2018.
  13. ^ Чанг, Кеннет (27 января 2014 г.). «Существа, не созданные для космоса». Нью-Йорк Таймс. В архиве из оригинала 28 января 2014 г.. Получено 27 января 2014.
  14. ^ а б Канас, Ник; Манзи, Дитрих (2008), "Основные вопросы адаптации человека к космическому полету", Космическая психология и психиатрия, Библиотека космической техники, 22: 15–48, Bibcode:2008сп..книга ..... K, Дои:10.1007/978-1-4020-6770-9_2, ISBN  978-1-4020-6769-3
  15. ^ «Архивная копия» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 06.04.2012. Получено 2012-05-10.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь), стр. 35, Проект устной истории Космического центра Джонсона, интервью с доктором Робертом Стивенсоном:

    «Джейк Гарн был болен, был довольно болен. Я не знаю, стоит ли нам рассказывать подобные истории. Но в любом случае, Джейк Гарн, он оставил след в Корпусе астронавтов, потому что он представляет собой максимальный уровень космической болезни, который может когда-либо достигнуть, и поэтому признаком того, что он полностью болен и совершенно некомпетентен, является один Гарн. Большинство парней получат, может быть, десятую часть Гарна, если так высоко. И в Отряде астронавтов он навсегда останется в памяти этим ».

  16. ^ Келли, Скотт (2017). Выносливость: год в космосе, время открытий. С Маргарет Лазарус Дин. Альфред А. Кнопф, подразделение Penguin Random House. п. 174. ISBN  9781524731595. Одна из приятных вещей в жизни в космосе заключается в том, что упражнения - это часть вашей работы ... Если я не буду заниматься спортом шесть дней в неделю хотя бы пару часов в день, мои кости значительно потеряют массу - по 1 проценту каждая. месяц ... Наши тела умеют избавляться от ненужного, и мое тело начало замечать, что мои кости не нужны в невесомости. Не имея необходимости поддерживать свой вес, мы также теряем мышцы.
  17. ^ а б "Здоровье и фитнес В архиве 2012-05-19 в Wayback Machine ", Космическое будущее
  18. ^ "Удовольствие от космического полета В архиве 2012-02-21 в Wayback Machine ", Тоёхиро Акияма, Журнал космических технологий и науки, Том 9 №1 весна 1993, стр.21-23
  19. ^ «Безумное воздействие космических путешествий на человеческое тело». buzzle.com. Получено 24 апреля 2018.
  20. ^ а б Mader, T. H .; и другие. (2011). «Отек диска зрительного нерва, уплощение глобуса, хориоидальные складки и гиперметропические сдвиги, наблюдаемые у астронавтов после длительного космического полета». Офтальмология. 118 (10): 2058–2069. Дои:10.1016 / j.ophtha.2011.06.021. PMID  21849212.
  21. ^ а б Пуйу, Тиби (9 ноября 2011 г.). «Во время длительных космических полетов сильно ухудшается зрение космонавтов». zmescience.com. В архиве с оригинала 10 ноября 2011 г.. Получено 9 февраля, 2012.
  22. ^ а б "Видеоновости - CNN". CNN. В архиве из оригинала от 4 февраля 2009 г.. Получено 24 апреля 2018.
  23. ^ а б Space Staff (13 марта 2012 г.). "Космический полет вреден для зрения космонавтов, результаты исследования показывают". Space.com. В архиве из оригинала 13 марта 2012 г.. Получено 14 марта 2012.
  24. ^ Крамер, Ларри А .; и другие. (13 марта 2012 г.). «Орбитальные и внутричерепные эффекты микрогравитации: результаты 3-Т МРТ». Радиология. 263 (3): 819–827. Дои:10.1148 / радиол.12111986. PMID  22416248. Получено 14 марта 2012.
  25. ^ Фонг, Мэриленд, Кевин (12 февраля 2014 г.). «Странные, смертельные эффекты, которые Марс окажет на ваше тело». Проводной. В архиве из оригинала 14 февраля 2014 г.. Получено 12 февраля 2014.
  26. ^ Аббаси, Дженнифер (20 декабря 2016 г.). "Смерть астронавтов Аполлона проливает свет на радиацию в глубоком космосе и сердечно-сосудистые заболевания?". JAMA. 316 (23): 2469–2470. Дои:10.1001 / jama.2016.12601. PMID  27829076.
  27. ^ Черри, Джонатан Д.; Фрост, Джеффри Л .; Lemere, Cynthia A .; Уильямс, Жаклин П .; Olschowka, John A .; О'Бэнион, М. Керри (2012). «Галактическое космическое излучение приводит к когнитивным нарушениям и увеличению накопления бляшек Aβ в мышиной модели болезни Альцгеймера». PLOS ONE. 7 (12): e53275. Bibcode:2012PLoSO ... 753275C. Дои:10.1371 / journal.pone.0053275. ЧВК  3534034. PMID  23300905.
  28. ^ Персонал (1 января 2013 г.). «Исследование показывает, что космические путешествия вредны для мозга и могут ускорить развитие болезни Альцгеймера». SpaceRef. Получено 7 января, 2013.
  29. ^ Корова, Кит (3 января 2013 г.). «Важные результаты исследований, о которых НАСА не говорит (обновление)». НАСА смотреть. Получено 7 января, 2013.
  30. ^ Данн, Марсия (29 октября 2015 г.). «Отчет: НАСА необходимо лучше справляться с опасностями для здоровья Марса». AP Новости. В архиве с оригинала 30 октября 2015 г.. Получено 30 октября, 2015.
  31. ^ Персонал (29 октября 2015 г.). «Усилия НАСА по управлению рисками для здоровья и деятельности человека при исследовании космоса (IG-16-003)» (PDF). НАСА. В архиве (PDF) с оригинала 30 октября 2015 г.. Получено 29 октября, 2015.
  32. ^ «Супер-тараканы-мутанты из космоса». Новый ученый. 21 января 2008 г. В архиве из оригинала от 4 июня 2016 г.
  33. ^ "Эксперимент с яйцом в космосе вызывает вопросы". Нью-Йорк Таймс. 1989-03-31. В архиве из оригинала от 21.01.2009.
  34. ^ Каспермейер, Джо (23 сентября 2007 г.). «Показано, что космический полет изменяет способность бактерий вызывать болезни». Университет штата Аризона. В архиве из оригинала 14 сентября 2017 г.. Получено 14 сентября 2017.
  35. ^ Ким В. и др. (29 апреля 2013 г.). "Космический полет способствует образованию биопленок синегнойной палочкой". PLOS ONE. 8 (4): e6237. Bibcode:2013PLoSO ... 862437K. Дои:10.1371 / journal.pone.0062437. ЧВК  3639165. PMID  23658630.
  36. ^ Дворский, Георгий (13 сентября 2017 г.). «Тревожное исследование показывает, почему некоторые бактерии в космосе более устойчивы к лекарствам». Gizmodo. В архиве из оригинала 14 сентября 2017 г.. Получено 14 сентября 2017.
  37. ^ Доза, К .; Bieger-Dose, A .; Dillmann, R .; Gill, M .; Kerz, O .; Klein, A .; Meinert, H .; Nawroth, T .; Risi, S .; Стридде, К. (1995). Космическая биохимия "ЭРА-эксперимент""". Достижения в космических исследованиях. 16 (8): 119–129. Bibcode:1995AdSpR..16..119D. Дои:10.1016 / 0273-1177 (95) 00280-Р. PMID  11542696.
  38. ^ Хорнек Г .; Eschweiler, U .; Reitz, G .; Wehner, J .; Willimek, R .; Штраух, К. (1995). «Биологические реакции на космос: результаты эксперимента« Экзобиологическая единица »ERA на EURECA I». Adv. Space Res. 16 (8): 105–18. Bibcode:1995AdSpR..16..105H. Дои:10.1016 / 0273-1177 (95) 00279-Н. PMID  11542695.

внешняя ссылка

Словарное определение нулевая гравитация в Викисловарь СМИ, связанные с Невесомость в Wikimedia Commons