на каком расстоянии начинается невесомость
Невесомость, что называют состоянием невесомости и когда оно наступает
Содержание:
Космос и звёзды с детства привлекают внимание людей. Кто из вас не мечтал оказаться вне земного пространства, поближе к звёздам, или испытать состояние невесомости, находясь в полете? Рассмотрим особенности движения тел, на которые не действует сила тяжести или она компенсируется другими силами; на какой высоте начинается невесомость, где можно испытать это состояние на Земле.
Что такое и когда наступает невесомость
На лежащее неподвижно на горизонтальной поверхности тело действует сила тяжести и ровная ей сила упругости. При движении с ускорением вес и сила притяжения Fт отличаются по значению:
Fт + F = ma, где a – ускорение.
Здесь g – коэффициент свободного падения.
Из выражения следует, что состоянием невесомости называют случай, когда вещь падает свободно g = a, тогда она не обладает весом. То состояние, когда гравитационные силы уравновешиваются, не вызывая давления на предмет или его части. Действие гравитации распространяется на любые расстояния, причём значение этого воздействия изменяется по закону всемирного тяготения.
Где можно испытать невесомость
Для экстремалов созданы такие развлечения, как роуп-джампинг и банджи-джампинг. Это так называемые аттракционы, где человека привязывают к резиновому канату, и он прыгает с моста, башни или иного высокого сооружения ради свободного полёта. Аэротрубы, центрифуги, камеры сенсорной депривации, полёт на летательном аппарате – способы побывать в невесомости на Земле.
На искусственном спутнике состояние невесомости вызывается отсутствием действия на него каких-либо сил (их значениями преимущественно пренебрегают по причине их мизерности). Абсолютная невесомость нереальна, ведь на тело всегда действуют сторонние силы.
На какой высоте начинается невесомость
На подобный вопрос ответить невозможно по простой причине. Состояние невесомости достигается на Земле, например, при опускании лифта с ускорением, равным a. Станция или спутник может раскрутиться в космосе, тогда в ней появится вес, но люди и предметы будут притягиваться к стенкам, а не к полу.
В завершение закономерный вопрос любопытного школьника: находится ли земля в состоянии невесомости? Конечно, находится, как и вся материя в мире.
Невесомость
Многие думают, что в космосе невесомость возникает сама по себе и царит там повсеместно. Но безвоздушное пространство и сила тяжести никак между собой не связаны. Если бы ракета улетела строго вертикально хоть на сотни, хоть на тысячи километров от Земли, а потом выключила двигатели, то просто упала бы с этой высоты обратно, на то же место, откуда стартовала. Как обычный кирпич падает с верхнего этажа стройки.
Чтобы космический аппарат держался на орбите, ему необходимо разогнаться горизонтально. Абсолютная невесомость существует, но на значительном удалении от Земли, не менее 20 миллионов километров, а это в 500 раз больше расстояния до Луны. Чтобы не путать людей, следовало бы рассматривать и изучать отдельно абсолютную невесомость, которая существует только на значительном удалении от планеты или светила, и орбитальную невесомость, которая возникает при полёте вокруг Земли.
И вода в ведре и мотоцикл на арочном мосту обретают невесомость только благодаря центробежной силе (силе инерции). Аналогичным образом летают космические корабли и спутники. Только у Земли нет верха или низа. Вернее, низом следует считать ядро планеты – её центр, а верхом всю сферическую поверхность.
Сначала ракета подобно лифту, строго вертикально поднимается на высоту не менее ста километров. Очень экстремально и грандиозно. Сотни тонн железа и топлива «едут» вверх, в прямом смысле балансируя на столбе пламени, яростно вырывающегося из сопел двигателей. Это аналогично удержанию палки в вертикальном положении на кончике пальца.
Основные (маршевые) двигатели толкают ракету, а несколько мелких автоматически постоянно сохраняют равновесие, слегка изменяя углы направления своих реактивных струй. На документальных кадрах можно увидеть, как первые экспериментальные ракеты постоянно теряли баланс и сваливались на Землю.
При достижении необходимой высоты ракета начинает плавно, умышленно заваливаться на бок и увеличивает скорость. К этому моменту значительная часть топлива сгорает, а 4 из 5-ти двигателей (кроме центрального) и воздушные обтекатели отделяются, избавляя космический аппарат от бремени бесполезной массы. Теперь, в облегчённом виде, на единственном центральном двигателе, оставшаяся часть ракеты разгоняется до первой космической скорости и окончательно ложится горизонтально.
Когда почти всё топливо израсходовано, отделяется последний маршевый центральный двигатель. А космический аппарат в ещё значительно уменьшенном и облегчённом виде продолжает горизонтальный полёт только по инерции. Он «стремится» лететь по прямой линии, но Земля своим притяжением загибает его траекторию вокруг себя. В то же время, набранная скорость (28 тыс. км/ч.) позволяет бесконечно продлевать это «падение» за горизонт. Это и есть орбитальный полёт.
Для возвращения на землю включается небольшой тормозной двигатель, сопло которого направлено вперёд, и частично гасит скорость. Аппарат теряет высоту и «цепляется» за верхние рыхлые слои воздуха, проваливается ещё глубже, тормозится об атмосферу, после чего раскрывает парашют и благополучно спускается на землю.
Первая космическая скорость создаёт направленную вверх центробежную силу, которая уравновешивает земное притяжение, благодаря чему и возникает та самая невесомость. Для разных планет эта скорость будет разной. Для Земли она равна 8 км в секунду или 28 тысяч км в час. Это в 10 раз быстрее пули, и в 30 раз быстрее реактивного авиалайнера.
Если бы Земля не имела атмосферы и была гладкой, как бильярдный шар, то можно было прямо по поверхности разогнать до первой космической скорости тележку с реактивным двигателем. При достижении 28 тыс. км/ч эта колесница обретёт невесомость, оторвётся от Земли, благодаря её выпуклости, (как мотоцикл на арочном мосту) и перейдёт на бреющий орбитальный полёт.
А поскольку атмосферы у нас условно нет, то нет и сопротивления воздуха. И тележка, однажды получив ускорение в 28 тысяч км/час, так и будет вечно носиться низко вокруг Земли уже без тяги реактивного двигателя.
Так что высота, которую набирает космическая ракета, необходима только для того, чтобы подняться над атмосферой, не позволяющей разогнаться даже до десятой доли первой космической скорости. Вакуум не создаёт сопротивления разгону, и начинается на высоте 120 км. Оказавшись в безвоздушном пространстве (вакууме) ракета, чтобы обрести невесомость и остаться на орбите, плавно переходит из вертикального полёта в горизонтальный с набором скорости до 28 000 км/час
Чем массивнее планета, тем бОльшая скорость потребуется для орбитального полёта, и наоборот. Например, на Луне сила тяжести в 6 раз меньше Земной, и 90-килограммовый человек там будет весить всего 15 кг. Поэтому для орбитального полёта вокруг Луны достаточно скорости только 6 тыс. км/час. Поскольку на Луне нет атмосферы, а самая высокая гора 11,5 км, то орбиту можно заложить там уже на высоте 12 км.
А если бы наша Земля была более массивной, обладая бОльшим притяжением, то сегодня мы вряд ли жили в век космических полётов, потому что ещё не смогли строить столь мощные ракеты, которым для выхода на орбиту потребовалось бы разгоняться в разы быстрее.
Например, для Юпитера (самой массивной планеты солнечной системы) первая космическая скорость должна быть в сорок раз быстрее, чем для Земли (1 млн. 200 тыс.км/ч.)
Чем выше орбита, тем соответственно больше длина её окружности. То есть, чем выше летит космический аппарат, тем больше километров будет в одном витке. При этом сила притяжения Земли с увеличением расстояния от неё действует слабее. Следовательно, скорость, которая создаст необходимую центробежную силу для удержания аппарата на высокой орбите, потребуется меньше, чем для низкой орбиты.
Но для того, чтобы вырваться из «объятий» земного притяжения и улететь на значительное расстояние от планеты, необходимо разогнаться на низкой орбите до второй космической скорости – 42 тыс.км/ч. На такой скорости космический аппарат будет лететь вокруг Земли не по замкнутой орбите, а по спирали, пока не удалится за пределы зоны притяжения, после чего траектория полёта станет прямой.
Если же скорость будет меньше второй космической, то сила земного притяжения не отпустит аппарат (поскольку тянет его не только вниз, как при орбитальном полёте, а ещё и назад, потому что он как бы поднимается в гору), и постепенно загнёт траекторию его полёта обратно. Он начнёт падать к Земле, но не прямо на неё, а вскользь. С сокращением расстояния будет увеличиваться притяжение, а следовательно и скорость. Затем аппарат на близком расстоянии обогнёт Землю, но благодаря набранной скорости при «падении», разовьёт огромную центробежную силу, и она метнёт его обратно на высоту, с которой он свалился.
Как если на бегу схватиться рукой за столб, закрутиться вокруг него в пол-оборота, разжать руку и спотыкаясь помчаться обратно. Но между столбом и телом привязана резинка, которая постепенно затормозит убегание, потянет обратно и всё повторится.
По таким вытянутым орбитам летают кометы вокруг Солнца, замедляясь в апогее и максимально ускоряясь в перигелии (наименьшем расстоянии от светила). Например, комета Галея каждые 72 года возвращается к Солнцу, которое своим мощным притяжением разгоняет её, и центробежная сила снова выстреливает комету на окраину системы.
По этому принципу «забрасываются» геостационарные спутники. Достигнув апогея, они включают корректировочный двигатель, чтобы поддержать угасающую скорость, что позволяет закрепиться на высокой круговой орбите и не свалиться обратно.
Однако, скорость геостационарных спутников меньше первой космической (28 тыс.км/ч) в 3 раза. Это потому, что на таком расстоянии притяжение Земли в 3 раза слабее, чем вблизи. В то же время, длина окружности орбиты таких спутников равна 226 тысяч км. Это замкнутое расстояние геостационарные спутники пролетают на скорости около 10 тыс. км/ч. ровно за сутки (одно обращение Земли вокруг собственной оси).
Геостационарная орбита пролегает над экватором, то есть строго в плоскости вращения нашей планеты, на высоте 36 тыс. км. Потому что на этой высоте один виток аппараты пролетают за сутки, то есть синхронно с вращением Земли. Таким образом, спутники, выведенные на геостационарную орбиту, как бы висят над конкретными точками на земле. Благодаря этому эффекту родился фантастический проект космического лифта…
Идея такова, что если бы удалось изготовить очень лёгкую и прочную ленту, то её можно было спустить с геостационарного спутника на Землю, натянуть, и транспортировать по ней полезные грузы в космос. Но центробежной силы спутника едва хватает на то, чтобы он держался на своей высоте. А для передвижения лифта по натянутой между Землёй и спутником ленте необходим избыток этой силы.
Для этого спутник, а точнее конечная станция космического лифта должна располагаться выше геостационарной орбиты. За счёт того, что скорость этой станции такая же, как для высоты 36 тыс. км. (синхронной с вращением Земли), а располагается она выше (более 40 тыс.км.), где достаточно меньшей скорости, возникает избыток центробежной силы относительно Земли.
Массивная станция будет стремиться подняться выше, создавая тем самым натяжение ленты космического лифта. Подобно тому, как в лёгкой атлетике метатель «молота» раскручивает металлическое ядро на тросе, который сильно натягивается. Только в роли атлета будет выступать сама планета Земля. Скорости её суточного вращения достаточно, чтобы груз (конечная станция) на расстоянии более 40 тыс. км. создавал натяжение ленты, а космический лифт мог легко по ней подниматься…
А тут очень наглядный 2-х серийный док.фильм от 1-го канала «Открытый космос»
https://www.youtube.com/watch?v=qqBa_uxs6v8
С 58-летием первого орбитального полёта человека!
Где заканчивается гравитация Земли?
Огромная серебристая ракета не спеша поднимается со стартового стола. Но гравитация Земли пытается всеми силами остановить ее. Однако умные инженеры все просчитали — медленно, но уверенно ракета преодолевает притяжение нашей планеты. И выводит космический корабль на околоземную орбиту. Космонавты внутри него начинают плакать плавать, недоумевая от происходящего. Их тела становятся невесомыми. Все вокруг становится странным…
Куда исчезает гравитация Земли?
Означает ли все вышеописанное, что ракета покинула ту область пространства, где действует гравитация Земли? И почему вообще возникает невесомость в космосе?
Конечно же нет, гравитация Земли никуда не исчезает. Это просто еще одно распространенное заблуждение. Но почему это так происходит? Ведь очевидно, что космонавты на орбите свободно плавают по космической станции. И их ничего не притягивает к себе! Попробуем разобраться в этом интересном вопросе.
Международная космическая станция (МКС) совершает за сутки примерно 16 оборотов вокруг Земли. Все мы видели хотя бы один раз, как с борта МКС производят прямые трансляции и телемосты. Космонавты на этих мероприятиях кажутся плавающими в какой-то жидкости. И многим может показаться, что в космосе нет гравитации. Потому что космонавты могут летать, как воздушные шары. Однако гравитация там все же есть. И она играет очень важную роль.
Существует два основных фактора, которые удерживают МКС на орбите Земли:
1. Международная космическая станция на самом деле все время падает на Землю. И именно из-за притяжения, которое оказывает наша планета на МКС. Просто траектория ее падения замкнута. То есть падение происходит, но никогда не произойдет. Вот такой вот парадокс.😊
Представьте себе на секунду, что какое-то таинственное существо решило отключить гравитацию Земли. МКС сразу же перестала бы вращаться вокруг нашей планеты. И улетела бы в космическое пространство. И, вероятно, была бы захвачена гравитацией какого-то другого массивного объекта, такого, например, как Солнце. Поэтому можно сказать, что гравитация — это некая веревка, удерживающая космическую станцию на околоземной орбите.
2. МКС имеет определенную скорость относительно поверхности Земли.
Главное — не упасть
Поскольку выше линии Кармана (условной границы космоса) атмосферы почти нет, то для того, чтобы космический корабль оказался на стабильной околоземной орбите, его ускоряют до достижения определенной скорости. После чего он начинает равномерно двигаться по орбите, все время падая на Землю. Но если такой корабль каким-то образом потеряет свою скорость, гравитация Земли получит над ним полный контроль. И он на самом деле упадет на Землю. Поэтому очевидно, что именно скорость является очень важным параметром для нахождения на стабильной орбите.
Итак, с наличием гравитации в космосе мы вроде бы разобрались. Но где-же все-таки тогда заканчивается гравитация Земли? На самом деле никакой четкой границы нет. Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что влияние гравитации уменьшается в зависимости от расстояния. Так что, гравитация Земли простирается в космос на бесконечные расстояния? Согласно закону всемирного тяготения Ньютона — да.
Но ее влияние совсем ничтожно даже на другие планеты нашей Солнечной системы. А уж о том, как влияет гравитация Земли на другие звезды, и говорить не приходится. На таких расстояниях ее можно считать равной нулю…
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Как невесомость меняет человека и для чего она науке
Что такое невесомость и бывает ли она на Земле
Невесомость не равно антигравитация. Это популярное заблуждение. В 400 км от Земли, где со скоростью почти 8 км/с летит Международная космическая станция (МКС), сила притяжения сохраняется на 90% от привычной. Космонавты и предметы парят в воздухе, потому что вместе с МКС находятся в состоянии свободного падения, одновременно опускаясь и смещаясь в сторону. Наша планета их постоянно притягивает: корабль непременно рухнул бы, но поскольку Земля круглая, сохраняется орбитальное движение и постоянная высота. За счет формы планеты МКС постоянно «промахивается» мимо поверхности и продолжает двигаться по орбите дальше. Иначе говоря, падает и не может упасть.
Эффект свободного падения можно ощутить на аттракционах вроде «американских горок» или в скоростном лифте, который стремительно спускается с высокого этажа. На секунды они дарят состояние невесомости или, как ее еще принято называть, микрогравитации.
Чуть дольше — около 25 секунд — в невесомости можно оказаться в специальном самолете-лаборатории ИЛ-76 МДК. Он поднимается до 6 тыс. метров, после за 15 секунд с резким ускорением под углом 45º набирает высоту до 9 тыс. метров, а потом по плавной дуге (баллистической траектории) при отключенном моторе уходит вниз. В этот момент и наступает невесомость. На высоте 6 тыс. метров двигатели снова заводят и самолет переводится в обычный горизонтальный полет. Пилот выполняет такие «горки» (так называемые параболы Кеплера) 10-15 раз, он удерживает штурвал, не допуская даже малейших отклонений, что физически очень непросто.
Взлетает ИЛ-76 МДК с военного аэродрома «Чкаловский» в Подмосковье. Поучаствовать может любой более-менее здоровый человек, этим занимаются специальные коммерческие агентства, стоимость полета — ₽280 тыс.
В 2016 году альтернативная рок-группа Ok Go из Чикаго сняла в ИЛ-76 МДК клип на песню Upside down and Inside Out. Это первое профессиональное музыкальное видео в условиях невесомости. Самолет-лаборатория имитировал салон пассажирского S7 Airlines, роль стюардесс исполняли многократные призеры чемпионатов по художественной гимнастике Анастасия Бурдина и Татьяна Мартынова.
Как невесомость меняет человека
Невесомость — состояние из малоприятных. Отсутствие привычной силы тяжести для человеческого тела большой стресс. Начинается «космическая» болезнь: тошнота, головокружение, головная боль, дезориентация. На Земле человек всегда знает, где верх, а где низ. Данные об ориентации тела в пространстве мозгу подсказывают «датчики» во внутреннем ухе, которые являются частью вестибулярной системы. В космосе «прицел» сбивается, организм не чувствует знакомой силы тяжести и не может определить где стоят ноги — на полу или на потолке. Поэтому на МКС все надписи нанесены в одном направлении.
«Я чувствовал, что падаю, — делится впечатлениями астронавт NASA Майк Хопкинс (провел на МКС 166 дней в 2013-2014 гг.) — Это было, как если бы вы висели на стропилах в здании 24 часа. Моему мозгу потребовалось время, чтобы привыкнуть, что теперь так будет всегда. Это почти как заново научиться ходить. Однако довольно быстро это прошло».
В невесомости человек вырастает на 2-5 см, что объясняется низкой гравитацией. После возвращения земная сила притяжения возвращает все обратно, однако в самом полете новый рост может стать проблемой, он вызывает мышечные и суставные боли.
Основной дискомфорт причиняет изменение давления жидкости в организме, кровь приливает к груди и голове, сердце увеличивается в размерах, почки работают так, как будто человек выпил много воды. Лицо становится опухшим и одутловатым, а поскольку стоять или ходить в космосе не нужно, мышцы спины и ног начинают терять силу и уменьшаются в размерах.
Средняя продолжительность полета на МКС — 6 месяцев. За это время человек теряет в весе, снижается работоспособность, а утомляемость, наоборот, повышается. Кости истончаются примерно на 1% каждый месяц, проведенный в невесомости, идет потеря мышечной массы. Например, антигравитационные мышцы практически не используются, т.к. поддерживать осанку ни к чему, большую часть времени тело находится в позе зародыша: человек немного сгибается, руки и ноги в полусогнутом состоянии.
Проблемы со здоровьем могут вызвать даже несколько дней в невесомости. В 2006 году американская астронавт Хайдемари Стефанишин-Пайпер побывала 2 недели в космосе. После приземления Пайпер давала пресс-конференцию, во время которой дважды падала, т.к. организм не справился с земной гравитацией.
» Невесомость гораздо вреднее, чем космическая радиация, о которой ходит много мифов и слухов, — говорит Виталий Егоров, популяризатор космонавтики, известный как блогер Zelenyikot. — Медицинские исследования показывают, что после длительного пребывания в невесомости 100%-го возвращения организма в прежнее состояние нет, т.е. изменения, которые происходят в организме даже после недели нахождения в космосе практически необратимы. Но в целом они настолько незначительны, что человек не замечает разницы, что было до и стало после. По рассказам космонавтов, возвращение организма к земной норме происходит примерно за то же самое время, которое проведено наверху: был неделю, восстанавливаешься неделю, был год — год и адаптируешься».
Есть ли польза от невесомости
Практически все исследования на МКС связаны с невесомостью. В конце июля 2021 года к МКС присоединился новый 20-тонный российский модуль «Наука», предназначенный для множества экспериментов: от производства полупроводников до отработки технологий, важных для будущих пилотируемых полетов к дальним планетам.
Например, в эксперименте «Перепел» в условиях микрогравитации россияне попытаются вывести птенцов японского перепела. Если все удастся — птенцы родятся, выживут и сумеют приспособиться к невесомости, это снимет острый вопрос пополнения рациона экипажа свежими продуктами в потенциальных дальних пилотируемых экспедициях, к тому же продолжит исследования размножения живых организмов в космосе.
С растениями все получилось еще в 2015-м, тогда космонавты впервые съели урожай, выращенный в невесомости. Им стал красный салат ромэн. Поскольку понятий верха и низа в космосе нет, корни растут во всех направлениях. Чтобы вода, субстрат и удобрения не разлетались повсюду, их упаковали в специальные пакеты, которые удерживают корни и «выталкивают» побеги. Свет для фотосинтеза дают светодиоды, они же указывают стеблям, в какую сторону расти.
Каждый космический экипаж сначала на советском «Салюте», американском Skylab, российском «Мире», теперь на международной МКС провел больше сотни научных экспериментов. Желающих же гораздо больше. Перед очередным стартом рассматриваются тысячи предложений: получить разрешение на проведение опытов в невесомости мечтает практически каждая отрасль современной науки. Космическая среда уникальна и обладает огромным потенциалом для открытий во многих областях: от исследования раковых клеток и биопечати органов до создания новых сплавов и военной разведки.
Чем же невесомость так привлекательна для исследований? Взять для примера биопечать, с помощью которой человек может создать клеточную ткань (в 2018 году на МКС были напечатаны щитовидная железа грызуна и человеческий хрящ), эксперимент инициировала российская компания 3D Bioprinting Solutions. Если заниматься этим на Земле, то сила тяжести при формировании биообъекта может заставить конструкцию «наклониться» и целостность органа окажется нарушенной. В космосе с влиянием гравитации проблем нет, на МКС «собрать» трехмерный тканевый экземпляр можно идеальной формы, сделать это на Земле пока практически нереально.
Какие секреты хранит микрогравитация
В 2019 году космическое агентство NASA на мышах изучало влияние невесомости на биологические объекты. На МКС грызуны быстро адаптировались к новой среде обитания и неожиданно начали «плавать» компанией по периметру клетки, будто развлекаясь. Такое нетипичное поведение ученые связывают с двумя причинами: тренировкой равновесия в условиях невесомости и игрой. Стресс, как одно из объяснений, исключили сразу, потому что после возвращения в земную лабораторию вес подопытных практически не изменился, шерсть была в отличном состоянии, а сами грызуны не демонстрировали никаких признаков волнения.
И хотя вроде бы влияние невесомости на человеческий организм изучено достаточно глубоко, космонавты сами иной раз удивляются некоторым результатам пребывания в космосе. «Невесомость оказывает самое благоприятное воздействие на кожу. Космонавты говорят, старая кожа слезает практически слоями, на ее месте появляется новая, молодая, и она остается гладкой, так как в космосе влияние силы тяжести на нее гораздо меньше. Прилетаешь с МКС — кожа, как у младенца. — говорит Виталий Егоров, — Но потом под воздействием земных факторов все возвращается на место. Хотя я предполагаю, что эффект молодой кожи может быть связан с тем, что космонавты гораздо меньше подвержены солнечному свету, чем дома».
Невесомость еще способна удивить человечество и отворить ему двери в мир новых, возможно, неожиданных открытий. И пусть еще не придумали, как воссоздать длительную микрогравитацию на Земле, зато предложили решение, как в 10 раз удешевить доставку к ней в космос. С €1 млн до €100 тыс. снизил присутствие на МКС американский стартап Yuriy Gravity, который для исследований предлагает клиентам использовать многоразовую коробочку размером всего 10 кубических см., представляющую собой миниатюрную лабораторию. Ее вместе с материалом внутри (например, опухолевыми клетками) астронавты возьмут с собой на космическую станцию. Так опытным путем будет выяснено, как поведет себя определенное вещество или материя в невесомости. Участие экипажа не предполагается, все опыты осуществляются автоматически.