Перегрузка и невесомость

Любое крупное достижение науки в конечном счете как-то изменяет жизнь каждого из нас. Так было с открытием электричества и электромагнитных волн, с изобретением летательных аппаратов тяжелее воздуха, с созданием полупроводников... Сейчас в жизнь человечества входят ракеты и космические корабли.

Можно не сомневаться, что пройдет еще несколько десятков лет и люди будут пользоваться для межконтинентальных сообщений ракетным транспортом с такими же спокойствием и невозмутимостью, с какими сейчас они поднимаются на борт пассажирского реактивного лайнера. Станут обыденными и космические сообщения между Землей и Луной. Люди будут жить и работать на космических станциях, появятся профессии космических сварщиков, монтажников и др.

Но, пожалуй, впервые, благодаря научно-техническим достижениям в освоении космоса, человек попадет в принципиально новые условия, где по-иному проявляются привычные физические закономерности. Что-либо подобное может произойти разве лишь при освоении морских глубин.

Разумеется, основные законы физики и, в частности, механики одинаковы и на Земле, и под водой, и в космосе. Но проявляются они по-разному в зависимости от условий. А условия эти на Земле и в космосе далеко не одинаковы. На нашей планете они характеризуются двумя главными обстоятельствами. Во-первых, отсутствуют заметные изменения скорости - ускорения в движении точек земной поверхности. А во-вторых, наша планета притягивает к себе все предметы и заставляет их оказывать давление на свои опоры.

Отсутствие ощутимых ускорений связано с особенностями движения Земли в мировом пространстве. Вместе с нашей планетой мы участвуем в двух основных ее движениях: суточном вращении вокруг собственной оси и годовом обращении вокруг Солнца. И хотя мы мчимся вместе с Землей вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, а вместе с Солнечной системой вокруг центра Галактики с чудовищной скоростью около 230 км/с, мы этого не ощущаем, так как организм человека совершенно нечувствителен к скорости равномерного движения.

Впрочем, согласно одному из фундаментальных положений механики, вообще никакими внутренними физическими экспериментами и измерениями невозможно обнаружить равномерное и прямолинейное движение.

Ну, а если некоторая система, например, космическая ракета, будет двигаться с ускорением под действием двигателей или испытывая сопротивление среды? При таком движении возникает перегрузка, т. е. увеличение давления на опору. Наоборот, если движение происходит с выключенными двигателями в пустоте, давление на опору исчезает, наступает состояние невесомости.

В условиях Земли давление на опору связано с действием силы тяготения. Но некоторые думают, что сила давления на опору - это и есть та сила, с которой тел,р притягивается Землей. Если бы дело обстояло так, то, например, в космическом корабле, движущемся к Луне, невесомости не было бы, так как в любой точке орбиты на корабль действовала бы сила земного притяжения. Да и вообще в космосе вряд ли возможно найти такое место, где равнодействующая сил тяготения была бы равна нулю.

Рис. 17. Давление на опору и реакция опоры

Заметим, что давление на опору может быть вызвано не только действием силы тяготения, но и другими причинами, например, ускорением. Для неподвижного тела, покоящегося на земной поверхности, сила притяжения в самом деле совпадает с силой давления на опору. Но это только частный случай. На Земле человек с некоторой силой давит на ее поверхность. В свою очередь, согласно третьему закону механики, и поверхность Земли давит на человека снизу вверх с точно такой же силой. Эта сила «противодействия» называется реакцией опоры. Силы действия и противодействия всегда приложены к разным телам. В частности, в рассматриваемом случае сила давления на опору приложена к опоре, а реакция опоры к самому телу.

Между тем, сила притяжения приложена не к опоре, а к телу. Таким образом, сила давления на опору и сила притяжения - это совершенно разные силы.

Если космическая ракета движется с ускорением, давление опоры на тело возрастает во столько же раз, во сколько реактивное ускорение ракеты превосходит ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с². Другими словами, на ускоренном участке движения возрастает реакция опоры. Но при этом, в соответствии с третьим законом механики, во столько же раз увеличивается и давление на опору.

Отношение фактического давления на опору к его давлению на опору в условиях Земли получило название перегрузки. Для человека, находящегося на земной поверхности, перегрузка равна, таким образом, единице. К действию этой постоянной перегрузки человеческий организм приспособился, и мы ее просто не замечаем.

Физическая сущность явления перегрузки заключается в том, что не все точки тела получают ускорение одновременно. Действующая на тело сила» например, сила тяги ракетного двигателя, приложена в этом случае к сравнительно небольшой части его поверхности. Остальные же материальные точки тела получают ускорение с некоторым запозданием через деформацию. Другими словами, тело как бы сплющивается, прижимается к опоре.

Рис. 18. Физическая сущность перегрузки

Многочисленные экспериментальные исследования, которые были начаты еще К. Э. Циолковским, показали, что физиологическое воздействие перегрузки существенно зависит не только от ее продолжительности, но и от положения тела. При вертикальном положении человека значительная часть крови смещается в нижнюю половину тела, что приводит к нарушению кровоснабжения головного мозга. Внутренние органы в результате увеличения своего веса также смещаются вниз, вызывая сильное натяжение связок.

Чтобы избежать опасных для организма перегрузок на участках ускоренного движения, необходимо располагаться таким образом, чтобы действие перегрузки было направлено от спины к груди. Подобное положение позволяет переносить примерно втрое большие перегрузки.

Кстати сказать, именно по этой причине отдыхать лежа - лучше, чем стоя...

Если с действием перегрузки жителям Земли хотя и не часто, но все же приходится встречаться, то с невесомостью они практически не знакомы.

Это удивительное состояние наступает после выключения двигателей ракеты, когда и давление на опору и реакция опоры полностью исчезают. Исчезают и привычные для человека направления верха и низа, а незакрепленные предметы свободно плавают в воздухе.

Относительно невесомости существует целый ряд неправильных представлений. Некоторые думают, что это состояние возникает тогда, когда космический корабль оказывается в безвоздушном пространстве, «вне сферы земного притяжения». Другие полагают, что невесомость в спутнике Земли получается благодаря действию на него «центробежных сил».

Рис. 19. Физическая сущность невесомости

Все это, однако, совершенно неверно.

При каких же условиях возникает невесомость и давление на опору обращается в нуль? Это явление связано с тем, что при свободном движении в космическом пространстве и сама ракета, и все находящиеся в ней предметы под действием сил тяготения движутся с одинаковым ускорением. Опора все время как бы уходит из-под тела, и тело не успевает давить на нее.

Однако и движение на активных участках под действием ракетного двигателя, и движение под действием сил тяготения являются движениями ускоренными. Оба они совершаются под действием сил. Почему же в одном случае возникает перегрузка, а в другом - невесомость?

Парадокс этот кажущийся. Выше уже отмечалось, что при возникновении перегрузок ускорения сообщаются различным точкам тела через деформацию. Другое дело, когда ракета движется в поле тяготения. В пределах размеров ракеты поле тяготения практически однородно, а это значит, что на все частицы ракеты одновременно действуют равные силы. Ведь силы тяготения принадлежат к числу так называемых массовых сил, т. е. сил, которые приложены одновременно ко всем точкам рассматриваемой системы.

Благодаря этому все точки ракеты одновременно получают одинаковые ускорения и всякое взаимодействие между ними исчезает. Исчезает реакция опоры, исчезает давление на опору. Наступает состояние полной невесомости.

Не совсем обычно должны протекать в условиях невесомости и некоторые физические процессы. Еще А. Эйнштейн задолго до космических полетов поставил любопытный вопрос: будет ли гореть свеча в кабине космического корабля?

Великий ученый ответил отрицательно - он считал, что из-за невесомости раскаленные газы не будут уходить из зоны пламени. Тем самым доступ кислорода к фитилю окажется прегражденным, и пламя погаснет.

Однако дотошные современные экспериментаторы решили все же проверить утверждение Эйнштейна на опыте. В одной из лабораторий был поставлен следующий довольно элементарный эксперимент. Горящую свечу, помещенную в закрытую стеклянную банку, сбрасывали с высоты около 70 м. Падающий предмет находился в состоянии невесомости (если не учитывать сопротивления воздуха). Однако свеча вовсе не гасла, лишь менялась форма языка пламени - он становился более шарообразным, а испускаемый им свет становился менее ярким.

Видимо, все дело в диффузии, благодаря которой кислород из окружающего пространства все же попадает в зону пламени. Ведь процесс диффузии не зависит от действия сил тяготения.

И все-таки условия горения в невесомости иные, чем на Земле. Это обстоятельство пришлось учитывать советским конструкторам, которые создавали уникальный сварочный аппарат для проведения сварки в условиях невесомости.

Как известно, этот аппарат был испытан в 1969 г. на советском космическом корабле «Союз-8» и работал успешно.