МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №4

имени

ПО ФИЗИКЕ НА ТЕМУ:

НЕВЕСОМОСТЬ

Работу выполнила:

10 «Б» класса Хлусова Анастасия

Руководитель:

учитель физики

Введение

Явление невесомости всегда вызывало у меня интерес. Еще бы, каждому человеку хочется летать, а невесомость – это что–то близкое к состоянию полета. До начала исследования мне было известно лишь то, что невесомость – состояние, которое наблюдается в космосе, на космическом корабле, при котором все предметы летают, а космонавты не могут стоять на ногах, как на Земле.

Теперь одно дело - подавить гравитацию, а другое - подавить ее эффекты, то есть достичь условий или систем отсчета, которые ведут себя без гравитационных эффектов, то есть, как будто силы тяжести не существует. К счастью, эта вторая цель возможна, поэтому, когда мы говорим о невесомости или невесомости, мы должны понимать это, во всяком случае, в этом смысле.

На практике, однако, невесомость невозможна в строгом смысле для материального объекта, и ученые решили указать термины. Любой объект, который имеет массу, генерирует гравитационное поле, так что объект или живое существо, изучаемое внутри капсулы в середине пространства, будет зависеть от небольшой гравитационной силы, вызванной массой капсулы и содержащихся в ней объектов.

Невесомость является скорее проблемой для космонавтики, чем необычным явлением. Во время полета в космическом корабле могут возникнуть проблемы со здоровьем, а после приземления космонавтов необходимо заново учить ходить, стоять. Таким образом, очень важно знать, что такое невесомость и как она влияет на самочувствие людей, путешествующих в космическом пространстве. Как следствие, необходимо решить эту проблему, создавая программы по уменьшению риска неблагоприятного влияния невесомости на организм.

С другой стороны, в ситуациях, когда могут быть достигнуты условия, которые имитируют отсутствие серьезности в длительном режиме, например, орбитальное судно, обычно производятся вибрации, которые добавляют небольшие ускорения, которые нарушают предполагаемую невесомость. Поэтому и говорить правильно, невесомость, хотя и действительна как понятие, не может иметь место при изучении материального объекта больше, чем на короткие моменты. Поэтому ученые предпочли термин «микрогравитация» относиться к тем условиям, при которых объект подвергается только воздействию слабых гравитационных сил собственного материала или его контейнера.

Цель моей работы – дать понятие невесомости в комплексном виде (т. е. рассмотреть его с разных сторон), отметить актуальность данного понятия не только в рамках изучения космического пространства, отрицательного воздействия на человека, но и в рамках возможности использования на Земле технологии, изобретенных для уменьшения этого воздействия; проведения некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях.

В количественном выражении микрогравитация рассматривается, когда ускорения, действующие, составляют менее одной десятитысячной величины гравитации. Общепризнано, что интенсивность микрогравитации настолько незначительна, что в большинстве исследований ее последствиями можно пренебречь. Иными словами, результаты экспериментов не были бы разными, если бы были достигнуты математически условия невесомости. Однако, чтобы быть строгим и признать этот факт, предпочтительно говорить о условиях микрогравитации вместо условий невесомости или невесомости.

Задачи этого реферата:

1) Разобраться в механизме возникновения этого явления;

2) Описать этот механизм математически и физически;

3) Рассказать интересные факты про невесомость;

4) Понять, как состояние невесомости влияет на здоровье людей, находящихся в космическом корабле, на станции и т. д., то есть посмотреть на невесомость с биологической и медицинской точек зрения;

Как получить условия микрогравитации

Существует несколько стратегий для достижения условий микрогравитации. Движения свободного падения Когда сила действует на массу, вы знаете, что она вызывает прогрессивные изменения в ее скорости или направлении, которые мы называем ускорением. Обычные эффекты силы тяжести отмечаются из-за сопротивления, которое объекты или живые существа могут изменить в результате силы тяжести. Мы замечаем вес нашего тела на наших ногах из-за сопротивления, которое земля предлагает силе тяжести, которая «тянет» наше тело к центру планеты.

5) Обработать материал, оформить его согласно общепринятым правилам;

6) Создать презентацию на основе обработанного материала.

Источники, которыми я пользовалась в процессе написания реферата – это учебные пособия , энциклопедии, интернет.

Глава 1. Вес тела и невесомость

Именно сопротивление этому движению воспринимается как сила тяжести. Но если объект движется свободно, регулируется только ускорением, создаваемым гравитацией, то гравитационные эффекты больше не замечены. Таким образом, самый простой способ нейтрализовать влияние силы тяжести - «увлечься им» в движении свободного падения. Это не приводит к тому, что гравитационная сила исчезает как таковая, но она сводит на нет ее последствия.

Существует несколько способов достижения траекторий контролируемого свободного падения. Освободительная башня Исла-Маджики. Самый простой пример - башни свободного падения, как в некоторых парках аттракционов. Фактически в них иногда проводились научные опыты такого типа. Проблема в том, что длительность падения очень короткая, недостаточная для изучения большинства биологических процессов и основных химических процессов. Второй вариант - использовать бесплатные полеты, совершаемые специальными самолетами.

1.1. Вес тела

В технике и быту широко используется понятие веса тела.

Весом тела называют суммарную силу упругости, действующую при наличии силы тяжести на все опоры, подвесы.

Вес тела P, то есть сила, с которой тело действует на опору, и сила упругости FУ, с которой опора действует на тело (рис.1), в соответствии с третьим законом Ньютона равны по модулю и противоположны по направлению: P = - Fу

Некоторые версии коммерческих самолетов с модифицированными кабинами могут выполнять параболические траектории полета, в верхней части которых могут быть созданы условия микрогравитации. Гравитационные условия во время параболического полета. Области нормальной гравитации, гипергравитации и микрогравитации.

Как правило, несколько циклов подъема и спуска выполняются в одном полете, в каждом из которых достигаются короткие периоды около полуминут, в которых доступны условия микрогравитации. Эти виды полетов являются обычными для обучения космонавтов и проведения некоторых научных экспериментов внутри этих самолетов. В последнее время рейсы «невесомости» также стали модным для туристических целей. Но времена все еще короткие для многих типов экспериментов и расходов, конечно, намного выше. Если мы хотим длительного движения свободного падения, нам придется прибегать к капсулам или орбитальным станциям, которые стабильно вращаются вокруг планеты.

Если тело находится в покое на горизонтальной поверхности или равномерно движется и на него действуют только сила тяжести FТ и сила упругости FУ со стороны опоры, то из равенства нулю векторной суммы этих сил следует равенство: FТ=- FУ.

http://pandia.ru/text/78/040/images/image005_5.png" width="22" height="12">.png" width="22" height="12">При ускоренном движении тела и опоры вес P будет отличаться от силы тяжести FТ.

Вероятно, вы думаете, что речь идет о том, что космическая станция вращается и не падает на землю, но наблюдайте, что на самом деле нет необходимости, чтобы объект перемещался перпендикулярно поверхности планеты для возникновения условий микрогравитации.

Все будет зависеть от начального движения объекта в тот момент, когда действует только гравитация. Международная космическая станция. На борту крупнейшей космической станции проводятся различные эксперименты для изучения того, как условия микрогравитации влияют на различные типы физических, химических и биологических процессов.

По второму закону Ньютона при движении тела массой m под действием силы тяжести FТ и силы упругости Fу с ускорением a выполняется равенство FТ + FУ = ma.

http://pandia.ru/text/78/040/images/image016_2.png" width="22" height="12">.png" width="22" height="12">.png" width="22" height="12">.png" width="22" height="12">.png" width="22" height="12">Из уравнений P = - Fу и FТ + FУ = ma получаем: P = FТ – ma = mg – ma, или P = m(g – a).

http://pandia.ru/text/78/040/images/image026_1.png" width="21" height="12">Рассмотрим случай движения лифта, когда ускорение a направлено вертикально вниз. Если координатную ось OY(рис.2) направить вертикально вниз, то векторы P, g и a оказываются параллельными оси OY, а их проекции положительными; тогда уравнение P = m(g – a) примет вид: Py = m(gУ – aУ).

Обратите внимание, что траектория спутника вокруг планеты изогнута, всегда оставаясь на том же расстоянии от поверхности Земли. Можно сказать, что орбитальная станция «падала» постоянно, но ее точная скорость и кривизна Земли не позволяют ей врезаться в землю.

Есть те, кто считает, что из-за расстояния от планеты существуют условия невесомости на космической станции. Фактически высотой 400 километров, что является средней высотой космической станции, гравитация по-прежнему очень интенсивна, около 90% того, что находится на поверхности планеты. Не зря международная космическая станция является самым дорогим международным технологическим проектом в истории. Магнетизм и гравитация У всех нас есть опыт того, как сила магнита воздействует на определенные материалы, но не на другие.

Так как проекции положительны и параллельны координатной оси, их можно заменить модулями векторов: P = m(g – a).

Вес тела, у которого направление ускорения свободного и падения и ускорения совпадают, меньше веса покоящегося тела.


1.2. Вес тела, движущегося с ускорением

Однако, если магнитное поле достаточно интенсивно, оно может оказывать воздействие на материалы или вещества, которые обычно не проявляют магнитных свойств. Эти явления называются парамагнитными. Вода из-за слабой поляризации ее молекул обладает парамагнитными свойствами, т.е. под действием очень интенсивных магнитных полей приобретает магнитные свойства и на нее влияют поля этого типа. Поэтому магнитную силу можно наложить на небольшую массу воды, которая противостоит гравитационной силе. Поскольку живые существа составляют 70% воды, этот метод также открывает возможность получения стабильных условий микрогравитации для живых организмов.

Говоря о весе тела в ускоренно движущемся лифте, рассматривается три случая (кроме случая покоя или равномерного движения):

1) http://pandia.ru/text/78/040/images/image029_1.png" width="21" height="12">Лифт движется с ускорением, направленным вверх (перегрузки, вес тела больше силы тяжести, P=mg+ma);

2) http://pandia.ru/text/78/040/images/image029_1.png" width="21" height="12">Лифт движется с ускорением, направленным вниз (вес уменьшается, вес тела меньше силы тяжести, P=mg-ma);

Трудность состоит в том, что расстояния, на которых возможно поддерживать такое интенсивное магнитное поле, очень малы, поэтому эти устройства полезны только в очень малых объемах всего в несколько кубических сантиметров, что справедливо только для очень мелких организмов и в очень особый.

Заметим, что в этом случае гравитационная сила не устраняется, добавляется только другая, противоположная, так что итоговая полная сила равна нулю. Клиностаты Существует альтернатива всем этим методам, которые позволяют более эффективно имитировать условия микрогравитации. простой и дешевый. Это электромеханические устройства, называемые клиностатами, которые обеспечивают непрерывное движение, которое изменяет ориентацию объекта относительно вектора гравитации.

3) Лифт падает (невесомость, вес тела равен нулю, P=0).

Эти три случая не исчерпывают качественно всех ситуаций. Имеет смысл рассмотреть и 4-ый случай, чтобы анализ был завершённым. (Действительно, во втором случае подразумевается, что a < g. Третий случай есть частный для второго при a = g. Случай a > g остался нерассмотренным.) Для этого можно задать ученикам вопрос, который сначала вызывает у них удивление: “Как должен двигаться лифт, чтобы человек мог ходить по потолку?” Ученики быстро “догадываются”, что лифт должен двигаться вниз с ускорением большим g . Действительно: при увеличении ускорения движения лифта вниз, в соответствие с формулой P=mg-ma, вес тела будет уменьшаться. Когда ускорение a станет равным g, вес станет равным нулю. Если и дальше увеличивать ускорение, то можно предположить, что вес тела изменит направление.

Существует несколько типов клиностатов, которые реагируют на разные цели и которые принципиально отличаются от числа используемых им ротационных осей. Вариантом классического дизайна является клиностат с быстрым вращением. В «медленных» клиностатах наблюдалось, что на клеточном уровне происходят некоторые различия в отношении экспериментов, выполненных в космосе. Кажется, что клетки подвергаются механической силе тяжести во всех направлениях, и это приводит к некоторым изменениям. С другой стороны, в быстро вращающихся клиностатах частицы не успевают оседать из-за силы тяжести, и это помогает лучше имитировать эффекты микрогравитации.

После этого можно изобразить на рисунке вектор веса тела:

Можно решить эту задачу и в обратной формулировке: “Каков будет вес тела в лифте, движущемся вниз с ускорением a > g?” Эта задача немного труднее, т. к. ученикам нужно преодолеть инерцию мышления и поменять местами “верх” и “низ”.

Недостатком быстро вращающихся клиностатов является то, что объем, при котором эти моделируемые условия микрогравитации могут быть достигнуты, очень мал. Как только мы отодвигаемся от оси вращения, центробежная сила становится намного более интенсивной из-за быстрого вращения, что влияет на все результаты.

Также возможно построить трехмерные клиностаты, которые включают 2 или 3 оси вращения, перпендикулярные друг другу. Программируя алгоритмы изменения скоростей вращения каждой оси, можно добиться того, что образец, помещенный в этот тип устройства, случайным образом изменяет свое положение относительно силы тяжести.

Может существовать возражение, что 4-ый случай не рассматривается в учебниках потому, что он не встречается на практике. Но и падение лифта встречается тоже только в задачах, но, тем не менее, его рассматривают, т. к. это удобно и полезно.

Движение с ускорением, направленным вниз или вверх, наблюдается не только в лифте или ракете, но и при движении самолёта, совершающего фигуры высшего пилотажа, а также при движении тела по выпуклому или вогнутому мосту. Рассмотренному 4-му случаю соответствует движение по “мёртвой петле”. В верхней её точке ускорение (центростремительное) направлено вниз, сила реакции опоры - вниз, вес тела – вверх.

В этом все эти устройства гравитация продолжает действовать нормально в каждый момент, но из-за вращения усредненный результат на определенный промежуток времени равен нулю. Это различие очень важно и должно учитываться как ограничение метода в зависимости от времени отклика исследуемой системы. Однако эта слабость может быть преимуществом при изучении механизмов, с помощью которых некоторые системы реагируют на гравитационные стимулы, играя просто со скоростью вращения. Опять же, эта простая стратегия не подавляет гравитационную силу, но нейтрализует ее направленность, которая является основной характеристикой, полезной в качестве стимула для растений.

Представим ситуацию: космонавт вышел из корабля в космос и с помощью индивидуального ракетного двигателя совершает прогулку по окрестностям. Возвращаясь, он несколько передержал двигатель включенным, подошел к кораблю с избытком скорости и стукнулся о него коленом. Будет ли ему больно?

– Не будет: ведь в невесомости космонавт легче перышка, – такой можно услышать ответ.

Моделирование микрогравитации с помощью клиностатов представляет собой некоторые важные методологические возражения, но взамен он предлагает очень разнообразные и доступные возможности экспериментов. Если вы хотите узнать больше о клиностатах и ​​их типах, вы можете посетить следующую ссылку.

После этого опыта многие люди спрашивали меня, из чего состоят эти полеты, как можно получить в них невесомость, или если невесомость, которая испытывается, имеет тот же тип, что и астронавты в космосе. В ноябре прошлого года у меня была возможность участвовать в моем втором полете без гравитации, в результате чего многие люди задавали мне много вопросов, связанных с невесомостью и полетом: как можно достичь невесомости в самолете? Как высоко летает самолет?

Ответ неправилен. Когда вы на Земле падали с забора, вы тоже были в состоянии невесомости. Ибо при ударе о земную поверхность вы ощутили заметную перегрузку, тем бóльшую, чем тверже то место, на которое вы упали, и чем больше была ваша скорость в момент контакта с землей.

Невесомость и весомость не имеют отношения к удару. Здесь важны масса и скорость, а не вес.

И все-таки космонавту при ударе о корабль будет не так больно, как вам при ударе о землю (при прочих равных условиях: одинаковых массах, относительных скоростях и одинаковой твердости препятствий). Масса корабля намного меньше массы Земли. Поэтому при ударе о корабль заметная часть кинетической энергий космонавта будет превращена в кинетическую энергию корабля, а на долю деформаций останется меньше. Корабль приобретет дополнительную скорость, а болевое ощущение космонавта будет не таким сильным большим.

1.3. Невесомость

Если тело вместе с опорой свободно падает, то a = g, то из формулы

P = m(g – a) следует, что P = 0.

Исчезновение веса при движении опоры с ускорением свободного падения только под действием силы тяжести называется невесомостью .

Есть два вида невесомости.

Потеря веса, которая возникает на большом расстоянии от небесных тел из-за ослабления притяжения, называется статической невесомостью. А состояние, в котором находится человек во время полёта по орбите, – динамической невесомостью.

Проявляются они совершенно одинаково. Ощущения человека одни и те же. Но причины разные.

Космонавты в полётах имеют дело только с динамической невесомостью.

Выражение «динамическая невесомость» означает: «невесомость, возникающая при движении».

Мы чувствуем притяжение Земли только тогда, когда сопротивляемся ему. Только когда «отказываемся» падать. А как только мы «согласились» падать, ощущение тяжести мгновенно пропадает.

Представьте себе - вы гуляете с собакой, держа её на ремешке. Собака куда-то устремилась, натянула ремешок. Вы чувствуете натяжение ремешка – «притяжение» собаки, – только пока сопротивляетесь. А если вы побежите за собакой, ремешок провиснет и ощущение притяжения исчезнет.

Также получается и с притяжением Земли.

Летит самолёт. В кабине приготовились к прыжку два парашютиста. Земля тянет их вниз. А они пока сопротивляются. Упёрлись ногами в пол самолёта. Чувствуют притяжение Земли – подошвы их ног с силой прижаты к полу. Они ощущают свой вес. «Ремешок натянут».

Но вот они согласились следовать туда, куда тянет их Земля. Стали на край люка и прыгнули вниз. «Ремешок провис». Ощущение притяжения Земли сразу же пропало. Они стали невесомы.

Можно представить продолжение этой истории.

Одновременно с парашютистами с самолёта сбросили большой пустой ящик. И вот летят рядом, с одной скоростью, кувыркаясь в воздухе, два человека, не раскрывшие парашютов, и пустой ящик.

Один человек протянул руку, схватился за летящий рядом ящик, открыл в нём дверцу и втянулся внутрь.

Теперь из двух человек один летит снаружи ящика, а другой летит внутри ящика.

У них будут абсолютно разные ощущения.

Тот, который летит снаружи, видит и чувствует, что он стремительно летит вниз. В ушах у него свистит ветер. Вдали видна приближающаяся Земля.

А тот, который летит внутри ящика, закрыл дверцу и начал, отталкиваясь от стенок, «плавать» по ящику. Ему кажется, что ящик спокойно стоит на Земле, а он, потеряв вес, плавает по воздуху, как рыба в аквариуме.

Строго говоря, разницы между обоими парашютистами нет никакой. Оба с одной и той же скоростью камнем летят к Земле. Но один сказал бы: «Я лечу», а другой: «Я плаваю на месте». Всё дело в том, что один ориентируется по Земле, а другой – по ящику, в котором летит.

Вот именно так и возникает состояние динамической невесомости в кабине космического корабля.

В первый момент может показаться непонятным вот что. Казалось бы, космический корабль летит параллельно Земле, как самолёт. А в горизонтально летящем самолёте никакой невесомости не бывает. Но мы знаем, что космический корабль-спутник непрерывно падает. Он гораздо больше похож на сброшенный с самолёта ящик, чем на самолёт.

Динамическая невесомость возникает иногда и на Земле. Невесомы, например, пловцы-ныряльщики, летящие в воду с вышки. Невесомы в течение нескольких секунд лыжники во время прыжка с трамплина. Невесомы падающие камнем вниз парашютисты, пока они не раскрыли парашюты. Для тренировок космонавтов секунд на тридцать – сорок создают невесомость в самолёте. Для этого лётчик делает «горку». Он разгоняет самолёт, круто взмывает наклонно вверх и выключает мотор. Самолёт начинает полёт по инерции, как брошенный рукой камень. Сперва немного поднимается, потом описывает дугу, заворачивая вниз. Пикирует к Земле. Всё это время самолёт находится в состоянии свободного падения. И всё это время в его кабине царит настоящая невесомость. Затем лётчик снова включает мотор и осторожно выводит самолёт из пикирования на нормальный горизонтальный полёт. При включении мотора невесомость сразу исчезает.

В состоянии невесомости на все частицы тела, находящегося в состоянии невесомости, силы тяжести действуют, но нет внешних сил, приложенных к поверхности тела (например, реакций опоры), которые могли бы вызвать взаимные давления частиц друг на друга. Подобное же явление наблюдается для тел, находящихся в искусственном спутнике Земли (или в космическом корабле); эти тела и все их частицы, получив вместе со спутником соответствующую начальную скорость, движутся под действием сил тяготения вдоль своих орбит с равными ускорениями, как свободные, не оказывая взаимных давлений друг на друга, то есть находятся в состоянии невесомости. Как и на тело в лифте, на них действует сила тяготения, но нет внешних сил, приложенных к поверхностям тел, которые могли бы вызвать взаимные давления тел или их частиц друг на друга.

Вообще тело под действием внешних сил будет в состоянии невесомости, если: а) действующие внешние силы являются только массовыми (силы тяготения); б) поле этих массовых сил локально однородно, то есть силы поля сообщают всем частицам тела в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения; в) начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы (тело движется поступательно). Таким образом, любое тело, размеры которого малы по сравнению с земным радиусом, совершающее свободное поступательное движение в поле тяготения Земли, будет, при отсутствии других внешних сил, находиться в состоянии невесомости. Аналогичным будет результат для движения в поле тяготения любых других небесных тел.

Вследствие значительного отличия условий невесомости от земных условий, в которых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты искусственных спутников Земли, космических кораблей и их ракет – носителей, проблема невесомости занимает важное место среди других проблем космонавтики. Это наиболее существенно для систем, имеющих емкости, частично заполненные жидкостью. К ним относятся двигательные установки с ЖРД (жидкостно – реактивными двигателями), рассчитанные на многократное включение в условиях космического полета. В условиях невесомости жидкость может занимать произвольное положение в емкости, нарушая тем самым нормальное функционирование системы (например, подачу компонентов из топливных баков). Поэтому для обеспечения запуска жидкостных двигательных установок в условиях невесомости применяются: разделение жидкой и газообразной фаз в топливных баках с помощью эластичных разделителей; фиксация части жидкости у заборного устройства систем сеток (ракетная ступень «Аджена»); создание кратковременных перегрузок (искусственной «тяжести») перед включением основной двигательной установки с помощью вспомогательных ракетных двигателей и др. Использование специальных приемов необходимо и для разделения жидкой и газообразной фаз в условиях невесомости в ряде агрегатов системы жизнеобеспечения, в топливных элементах системы энергопитания (например, сбор конденсата системой пористых фитилей, отделение жидкой фазы с помощью центрифуги). Механизмы космических аппаратов (для открытия солнечных батарей, антенн, для стыковки и т. п.) рассчитываются на работу в условиях невесомости.

Невесомость может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях (например, получение композиционных материалов с однородной структурой во всем объеме, получение тел точной сферической формы из расплавленного материала за счет сил поверхностного натяжения и др.). Впервые эксперимент по сварке различных материалов в условиях невесомости вакуума был осуществлен при полете советского космического корабля «Союз – 6» (1969). Ряд технологических экспериментов (по сварке, исследованию течения и кристаллизации расплавленных материалов и т. п.) был проведен на американской орбитальной станции «Скайлэб» (1973).

Ученые проводят в космосе различные эксперименты, ставят опыты, но они слабо представляют себе конечный результат этих действий. Но если какой - либо эксперимент дал определенный результат, то еще долгое время приходится его проверять, чтобы в конечном итоге объяснить и применить полученные знания на практике.

Ниже приведены описания некоторых экспериментов и интересных новостей про невесомость, над которыми еще предстоит работа.

1.4. Это интересно

1.4.1. Пламя в невесомости

На Земле благодаря гравитации возникают конвекционные потоки, которые и определяют форму пламени. Они поднимают раскалённые частички сажи, которые излучают видимый свет. Благодаря этому мы видим пламя. В невесомости конвекционные потоки отсутствуют, частички сажи не поднимаются, а пламя свечи принимает сферическую форму. Так как материал свечи представляет собой смесь предельных углеводородов, они при сгорании выделяют водород , который горит голубым пламенем. Учёные стараются понять, как и почему огонь распространяется в невесомости. Изучение пламени в условиях невесомости необходимо для оценки пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения. Так можно обеспечить безопасность космонавтов и транспортных средств.

1.4.2. Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости

В невесомости кипение становится гораздо более медленным процессом. Однако, как обнаружили французские физики, вибрация жидкости может привести к резкому ее вскипанию. Этот результат имеет значение для космической индустрии.

Каждый из нас не раз наблюдал фазовый переход жидкости в газ под действием высокой температуры, т. е., проще говоря, процесс кипения. Пузырьки пара, отрываясь от источника тепла, устремляются вверх, а на их место поступает новая порция жидкости. В результате кипение сопровождается активным перемешиванием жидкости, что многократно увеличивает скорость ее превращения в пар.

Ключевую роль в этом бурном процессе играет сила Архимеда, действующая на пузырек, которая, в свою очередь, существует благодаря силе тяжести. В условиях же невесомости нет веса, нет понятия «тяжелее» и «легче», и потому пузырьки нагретого пара не будут никуда всплывать. Вокруг нагревательного элемента образуется прослойка пара, которая препятствует передаче тепла всему объему жидкости. По этой причине кипение жидкостей в невесомости (но при том же давлении, а вовсе не в вакууме!) будет протекать совершенно иначе, чем на Земле. Детальное понимание этого процесса крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива.

Чтобы разобраться в этом процессе, очень важно понять, какие физические явления могут ускорять кипение в невесомости. В недавней статье французских физиков описываются результаты экспериментального исследования того, как высокочастотные вибрации влияют на скорость кипения.

В качестве рабочего вещества исследователи выбрали жидкий водород - самое легкое ракетное топливо. Состояние невесомости создавалось искусственно, с помощью сильного неоднородного магнитного поля, которое как раз компенсировало силу тяжести (про магнитную левитацию читайте в нашей заметке Магнитная сверхпроводимость: левитация в жидком кислороде). Температура и давление образца были подобраны так, чтобы фазовый переход происходил как можно медленнее и можно было бы заметить все его особенности.

Основной результат экспериментов французских физиков состоит в том, что в условиях невесомости вибрация ускоряет превращение жидкости в пар. Под действием вибрации внутри слегка перегретой жидкости появляется «объемная рябь»: сеть мелких, размером доли миллиметра, пузырьков пара в жидкости. Вначале эти пузырьки растут медленно, но спустя 1-2 секунды от начала воздействия весь процесс резко убыстряется: жидкость в буквальном смысле слова вскипает.

Как утверждают авторы, есть две причины такого поведения. Во-первых, пока пузырьки пара мелкие, вязкость жидкости как бы «держит» их на месте, не дает им быстро сближаться. Для крупных же пузырьков вязкость отходит на второй план, и их слияние и дальнейший рост становится интенсивнее. Вторая причина кроется в самой сути математических законов, управляющих движением жидкостей. Эти законы нелинейны, а значит, внешние вибрации не только заставляют жидкость «мелко трястись», но и порождают в ней крупномасштабные течения. Именно эти течения, разогнавшись, эффективно перемешивают рабочий объем и приводят к убыстрению процесса.

Авторы работы подчеркивают, что обнаруженное ими явление имеет не только прикладной, но и чисто научный интерес. В их экспериментах сложные гидродинамические течения, сопровождающие эволюцию сети пузырьков, идут параллельно с самим фазовым переходом. Оба этих явления поддерживают и усиливают друг друга, приводя к крайней нестабильности жидкости даже в невесомости.


Кипение воды на Земле и в условиях невесомости (изображение с сайта nasa. gov)

Итак, разобравшись в причинах возникновения невесомости и в особенностях этого явления можно переходить к вопросу о влиянии ее на организм человека.

Глава 2. Человек и невесомость

Мы привыкли к собственной тяжести. Привыкли к тому, что все окружающие нас предметы имеют вес. Иного мы и не представляем. Не только наша жизнь прошла в условиях весомости. Вся история жизни на Земле протекала в этих же условиях. Земное притяжение за миллионы лет ни разу не исчезало. Поэтому все организмы, живущие на нашей планете, уже давно приспособились к тому, чтобы выдерживать свой собственный вес.

Уже в самые давние времена в организме животных образовались кости, ставшие подпорками для их тела. Без костей животные под действием земного притяжения «расползлись» бы по земле, как мягкая медуза, вынутая из воды на берег.

Все наши мышцы приспособились за миллионы лет к тому, чтобы двигать наше тело, преодолевая притяжение Земли.

И внутри нашего тела всё приспособлено к условиям весомости. У сердца мощная мускулатура, рассчитанная на то, чтобы непрерывно перекачивать несколько килограммов крови. И если вниз, в ноги, она ещё течёт легко, то наверх, в голову, её надо подавать с силой. Все наши внутренние органы подвешены на прочных связках. Если бы их не было, внутренности «скатились» бы вниз, сбились там в кучу.

Из-за постоянной весомости у нас выработался специальный орган, вестибулярный аппарат, расположенный в глубине головы, за ухом. Он позволяет нам чувствовать, в какой стороне от нас Земля, где находится «верх» и где «низ».

Вестибулярный аппарат – это небольшие полости, заполненные жидкостью. В них лежат крохотные камушки. Когда человек стоит прямо на ногах, камушки лежат на дне полости. Если человек ляжет, камушки перекатятся и лягут на боковую стенку. Мозг человека это почувствует. И человек, даже с закрытыми глазами, сразу скажет, где низ.

Итак, в человеке всё приспособлено к условиям, в которых он живёт на поверхности планеты Земля.

А каковы же условия жизни человека в таком своеобразном состоянии, как невесомость?

Своеобразие невесомости особенно существенно учитывать при полете обитаемых космических кораблей: условия жизни человека в состоянии невесомости резко отличаются от привычных земных, что вызывает изменение ряда его жизненных функций. Так, невесомость ставит центральную нервную систему и рецепторы многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечно – суставного аппарата, кровеносных сосудов) в необычные условия функционирования. Поэтому невесомость рассматривают как специфический интегральный раздражитель, действующий на организм человека и животного в течение всего орбитального полета. Ответом на этот раздражитель являются приспособительные процессы в физиологических системах; степень их проявления зависит от продолжительности невесомости и в значительно меньшей степени от индивидуальных особенностей организма.

Неблагоприятное влияние невесомости на организм человека в полете можно предупредить или ограничить с помощью различных средств и методов (мышечная тренировка, электростимуляция мышц, отрицательное давление, приложенное к нижней половине тела, фармакологические и др. средства). В полете продолжительностью около 2 месяцев (второй экипаж на американской станции «Скайлэб», 1973) высокий профилактический эффект был достигнут главным образом благодаря физической тренировке космонавтов. Работа высокой интенсивности, вызывавшая учащение пульса до 150 – 170 ударов в минуту, выполнялась на велоэргометре в течение 1 часа в сутки. Восстановление функции кровообращения и дыхания наступало через 5 суток после приземления. Изменение обмена веществ, стато – кинетические и вестибулярные расстройства были выражены слабо.

Эффективным средством, вероятно, явится создание на борту космического аппарата искусственной «тяжести», которую можно получить, например, выполняя станцию в виде большого вращающегося (то есть движущегося не поступательно) колеса и располагая рабочие помещения на его «ободе». Вследствие вращения «обода» тела в нем будут прижиматься к его поверхности, которая будет играть роль «пола», а реакция «пола», приложенная к поверхностям тел, и будет создавать искусственную «тяжесть». Создание на космических кораблях искусственной «тяжести» может обеспечить предупреждение неблагоприятного влияния невесомости на организм животных и человека.

Для решения ряда теоретических и практических задач космической медицины широко применяются лабораторные методы моделирования невесомости, в том числе ограничение мышечной активности, лишение человека привычной опоры по вертикальной оси тела, снижение гидростатического давления крови, что достигается пребыванием человека в горизонтальном положении или под углом (голова ниже ног), длительным непрерывным постельным режимом или погружением человека на несколько часов или суток в жидкую (так называемую иммерсионную) среду.

Условия невесомости нарушают способность правильно оценивать размеры объектов и расстояния до них, что мешает космонавтам ориентироваться в окружающем пространстве и может приводить к авариям во время космических полетов, говорится в статье французских ученых, опубликованной в журнале Acta Astronautica. К настоящему времени накоплено множество свидетельств того, что ошибки космонавтов при определении расстояний происходят не случайно. Часто далекие объекты кажутся им расположенными ближе, чем они есть на самом деле. Ученые из французского Национального центра научных исследований провели экспериментальную проверку способности оценивать расстояния в условиях искусственно созданной невесомости при полете самолета по параболе. В этом случае невесомость длится очень короткий период - около 20 секунд. Добровольцам с помощью специальных очков показывали незавершенное изображение куба и просили дорисовать правильную геометрическую фигуру. В условиях обычной гравитации испытуемые рисовали все стороны равными, но во время невесомости им не удавалось правильно выполнить тест. По словам ученых, этот эксперимент показывает, что именно невесомость, а не длительную адаптацию к ней, следует рассматривать в качестве важного фактора, искажающего восприятие.

2.1. Исследование проблем жизнедеятельности в космосе

В книге «Орбитальная станция «Скайлэб», написанной еще в 1977 году американскими ведущими специалистами США по космонавтике профессором Э. Стулингером и доктором Л. Бэлью - научными руководителями осуществленной НАСА программы «Скайлэб» рассказывается об исследованиях проводившихся на орбитальной станции

влияния, оказываемого окружающим космическим пространством, на возможности членов экипажа. Программа медико-биологических исследований охватывала следующие четыре области: медицинские эксперименты предусматривали проведение глубоких исследований тех физиологических эффектов и периода их действия, которые наблюдались во время предшествующих полетов.

Биологические эксперименты предусматривали изучение фундаментальных биологических процессов, на которые могут влиять условия невесомости.

Биотехнические эксперименты были направлены на развитие эффективности систем человек-машина при работе в космосе и на улучшение техники использования биоаппаратуры. Вот некоторые темы исследования:

· исследование солевого баланса;

· биологические исследования жидкостей тела;

· исследование изменений костной ткани;

· создание отрицательного давления на нижнюю часть тела в полете;

· получение векторных кардиограмм;

· цитогенетические исследования крови;

· исследования иммунитета;

· исследования изменений объема крови и продолжительности жизни красных кровяных телец;

· исследования метаболизма красных кровяных телец;

· изучение специальных гематологических эффектов;

· изучение цикла сна и бодрствования в условиях космического полета;

· киносъемка космонавтов во время выполнения некоторых рабочих операций;

· измерения скорости обмена веществ;

· измерение массы тела космонавта в условиях космического полета;

· исследования влияния невесомости на живые клетки и ткани человека. (Приложение 1)

Большой научно-практический материал накоплен и российскими учеными и космонавтами.

А возможно ли оперировать людей в условиях невесомости? На первый взгляд этот вопрос кажется невероятным, но, на самом деле, в нашем мире возможно многое!

Это показало, что ученые смогли перейти от экспериментов, которые часто имели какие – либо недостатки и требовали доработки, к настоящим открытиям и смогли на практике доказать, что в невесомости возможно оперировать человека!

2.2. Операция в космосе

Французские медики во главе с профессором Домиником Мартеном из Бордо провели первую в мире хирургическую операцию в условиях невесомости. Эксперимент проводился на борту авиалайнера А-300 в специально оборудованном модуле. В его проведении участвовало трое хирургов и двое анестезиологов , которым предстояло в условиях удалить жировую опухоль на руке у пациента - добровольца – 46 - летнего Филиппа Саншо.

Как сказал профессор Мартен, задача медиков заключалась не в том, чтобы продемонстрировать технические достижения, а в том, чтобы проверить осуществимость операции в условиях невесомости. "Мы смоделировали ситуацию, соответствующую условиям космоса, и теперь знаем, что человек может быть без серьезных осложнений прооперирован в космическом пространстве", - добавил хирург. По его словам, операция по удалению опухоли заняла в общей сложности менее 10 минут. Режим трехчасового полета на борту А-300 был составлен таким образом, что за это время 32 раза создавалось состояние невесомости, при этом каждая ее фаза длилась около 20 секунд. "Если бы мы непрерывно находились в состоянии невесомости на протяжении двух часов, то смогли бы прооперировать аппендицит ", - сказал профессор Мартен.

Следующим этапом эксперимента, который планируется осуществить примерно через год, станет хирургическая операция, которую должен будет провести медицинский робот, управляемый по командам с наземной базы.

2.3. Применение космических разработок на Земле

Мы все меньше двигаемся и все больше походим на космонавтов, плавающих в невесомости. Во всяком случае, все минусы снижения двигательной активности, от которых страдают космонавты, мы испытываем на себе по полной программе. Для тех, кто работает на орбите, ученые придумали массу способов им противостоять. Как недавно выяснилось, на Земле некоторые из этих изобретений ставят на ноги даже тех, кто вообще никогда не ходил. «В космосе и на Земле факторы воздействия похожи, поэтому методы противодействия эффектам, развивающимся в невесомости, оказались применимы в обычной жизни, - рассказывает заведующая отделом сенсомоторной физиологии и профилактики Института медико-биологических проблем Инесса Бенедиктовна КОЗЛОВСКАЯ. - Снижение двигательной активности (гипокинезия) становится ведущим фактором жизни нашего общества: мы перестаем двигаться. Один американский исследователь провел мониторинг суточной мышечной активности у людей разных профессий и у животных. Оказалось, что наша активность по сравнению с активностью любого живого существа (крыс, кошек, собак, обезьян) меньше на два порядка.

Мы стоим на пороге гипокинетической болезни, болезни глубокой детренированности, самое яркое выражение которой мы увидели у космонавтов в 1970 году. Вернувшись из 17-суточного полета, они реально не могли ни встать, ни двигаться, им было трудно даже дышать, потому что дыхательные мышцы детренировались тоже.

«Мы смоделировали эффект невесомости на Земле с помощью сухой иммерсии, - рассказывает старший научный сотрудник, заведующая отделением «Клиническая физиология» ГНЦ РФ ИМБП РАН Ирина Валерьевна САЕНКО. - Для этого в бассейн с водой кладут тонкую водонепроницаемую пленку размером, существенно большим поверхности воды, и человек погружается в воду, будучи от нее отделен. При этом он лишается опоры, и мы видим, как безотлагательно начинают развиваться двигательные нарушения: страдает поза, координация моторных актов. Он неустойчиво стоит, плохо и неловко ходит, с трудом выполняет точные операции. Для предупреждения этих нарушений было предложено стимулировать опорные зоны стоп, подавая нагрузку, примерно равную той, что на Земле возникает при стоянии и ходьбе.

Кроме этого используются и другие эффективные способы лечения людей в земных условиях, например, в земную медицину костюм «Пингвин» начали внедрять в 1992 году (в космосе он используется уже больше 20 лет), высокочастотную и высокоинтенсивную электростимуляцию для лечения детей, больных ДЦП и людей, которые из-за болезни долго лежат.

Итак, подошла к концу вторая и последняя глава реферата. После изложения всего материала хотелось бы перейти к заключению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, в заключение моей работы хотелось еще раз напомнить основные положения реферата, которые раскрывают суть темы:

1) Невесомость возникает тогда, когда тело свободно падает вместе с опорой, т. е. ускорение тела и опоры равно ускорению свободного падения;

2) Невесомость бывает двух видов: статическая и динамическая;

3) Невесомость может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях;

4) Изучение пламени в условиях невесомости необходимо для оценки пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения;

5) Детальное понимание процесса кипения жидкости в космосе крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива;

6) Влияние невесомости на организм является отрицательным, так как вызывает изменение ряда его жизненных функций. Это можно исправить путем создания на космическом корабле искусственной тяжести, ограничения мышечной активности космонавтов и т. д.

7) Человек может быть прооперирован в космическом пространстве, в условиях невесомости. Это доказали Французские медики во главе с профессором Домиником Мартеном из Бордо.

Таким образом, про невесомость можно найти много разной информации, но я думаю, что в моей работе материал изложен довольно подробно, так как рассмотрен с двух разных точек зрения: физической и медицинской. Также в реферате приведены описания некоторых экспериментов, которые ученые проводили в условиях невесомости. Это, на мой взгляд, дает наглядное представление о невесомости, о механизме ее возникновения, особенностях этого явления, о действии на организм. Две точки зрения на явление невесомости – физическая и медицинская - являются взаимодополняющими, так как медицина невозможна без физики!

Литература

1) Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. . Изд.3. М., «Советская Энциклопедия», 1974.

2) Кабардин: Справочные материалы: Учебное пособие для уч-ся.-3 изд.- М.: Просвещение, 1991. – 367с.

3) , На орбите – космический корабль.- М.: Педагогика, 1980

4) Маковецкий в корень! Сборник любопытных задач и вопросов. – М.: Наука, 1979

5) Чандаева и человек. –М.: АО «Аспект Пресс», 1994

6) БэльюЛ., Стулингер Э. Орбитальная станция«Скайлэб». США, 1973. (Сокр. пер. с англ.). Под ред. д-ра физ.-мат. наук. М., «Машиностроение», 1977 - Режим доступа: http://epizodsspace. *****/bibl/skylab/obl. html

7) Дюбанкова О. Космическая медицина не долетает до Земли Сайт издательского дома «Аргументы и факты» - Режим доступа: http://gazeta. *****/online/health/511/03_01

8) Иванов И. Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости. Сайт: Элементы. Новости науки. Режим доступа - http://*****/news/164820?page

9) Клушанцев П. Дом на орбите: Рассказы об орбитальных станциях. - Л.: Дет. лит.,1975. - С.25-28. Пер. в эл. вид. Ю. Зубакин, 2007- Режим доступа: (http://www. *****, http://epizodsspace. *****/bibl/Klusantsev/dom-na-orb75/Klushantsev_04. htm )

10) Людей можно оперировать в космосе. Французские медики сделали первую хирургическую операцию в условиях невесомости. Сайт Российской газеты. РИА Новости. – Режим доступа: http://www. *****/2006/09/28/nevesomost-anons. html

11) Пламя в невесомости. Библиотека Мошкова. – Режим доступа: http://*****/tp/nr/pn. htm

12) Ученые определили чем опасна невесомость. Газета-24. – Режим доступа: РИА Новости http://24.ua/news/show/id/66415.htm

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1

http://pandia.ru/text/78/040/images/image038_0.jpg" width="265" height="188 src=">

Рис. 2. Прибор для определения массы образцов в условиях невесомости:
1 - эластичное покрытие

http://pandia.ru/text/78/040/images/image040.jpg" width="426" height="327 src=">

Рис. 4. Работа с аппаратом LBNP на борту станции "Скайлэб" (рисунок)

http://pandia.ru/text/78/040/images/image042.jpg" width="185" height="201">

Рис. 6. Измерение массы тела

http://pandia.ru/text/78/040/images/image044.jpg" width="242" height="455 src=">

Рис. 8. Изучение сна и реакций во время сна космонавтов


Рис. 9. Изучение метаболических характеристик космонавта при экспериментах на велоэргометре:
1 - велоэргометр; 2 - метаболический анализатор: 3 - мундштук; 4 - шланг; 5 - зонд для измерения температуры; 6 – электроды