Невесомость — Википедия

Космонавты на борту Международной космической станции Горение свечи на Земле (слева) и в невесомости (справа)

Невесо́мость — состояние, в котором отсутствует сила взаимодействия тела с опорой или подвесом (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением или действием других массовых сил (в частности, силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела).

Иногда в качестве синонима названия этого явления используется термин микрогравитация, что неверно (создаётся впечатление, что гравитация отсутствует или пренебрежительно мала).

Состояние невесомости имеет место, когда действующие на тело внешние силы являются только массовыми (силы тяготения), либо поле этих массовых сил локально однородно, то есть силы поля сообщают всем частицам тела в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения (что при движении в поле тяготения Земли практически имеет место, если размеры тела малы по сравнению с радиусом Земли), либо начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы (тело движется поступательно).

Например, космический аппарат и все находящиеся в нём тела, получив соответствующую начальную скорость, движутся под действием сил тяготения вдоль своих орбит практически с одинаковыми ускорениями, как свободные; ни сами тела, ни их частицы взаимных давлений друг на друга не оказывают, то есть находятся в состоянии невесомости. При этом по отношению к кабине аппарата находящееся в нём тело может в любом месте оставаться в покое (свободно «висеть» в пространстве). Хотя силы тяготения при невесомости действуют на все частицы тела, но нет внешних поверхностных сил, которые могли бы вызывать взаимные давления частиц друг на друга.^[1]

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.

Изменение веса шарика при его свободном падении в жидкости было отмечено ещё Лейбницем. В 1892—1893 гг. несколько опытов, демонстрирующих возникновение невесомости при свободном падении, поставил профессор МГУ Н. А. Любимов, например, маятник, выведенный из положения равновесия при свободном падении, не качался^[2].

Особенности деятельности человека и работы техники[править | править код]

В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т. д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести, в частности, требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т. д. Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов. Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки привычки и нужных навыков.

Влияние невесомости неизбежно учитывается в конструкции жидкостного ракетного двигателя, предназначенного для запуска в невесомости. Жидкие компоненты топлива в баках ведут себя точно так же, как и любая жидкость (образуют жидкие сферы). По этой причине подача жидких компонентов из баков в топливные магистрали может стать невозможной. Для компенсации такого эффекта применяется специальная конструкция баков (с разделителями газовой и жидкой сред), а также — процедура осадки топлива перед запуском двигателя. Такая процедура состоит во включении вспомогательных двигателей корабля на разгон; создаваемое ими небольшое ускорение осаживает жидкое топливо на днище бака, откуда система подачи направляет топливо в магистрали.

При переходе из условий наличия веса тела у поверхности Земли к условиям невесомости (в первую очередь — при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации.

При длительном (более недели) пребывании человека в космосе отсутствие веса тела начинает вызывать в организме определённые вредные изменения^[3].

Первое и самое очевидное последствие невесомости — стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма^[3]. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его (гемоглобин)^[3].

Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведёт к снижению их прочности

[3].

Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения, но это вовсе не так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС). На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 м/с², что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли. Состояние невесомости на МКС возникает не из-за «отсутствия гравитации», а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты как бы постоянно «падают вперёд» со скоростью 7,9 км/с.

Траектория маневра для достижения невесомости Астронавты Проекта Меркури на борту C-131 Samaritan, 1959

На Земле в экспериментальных целях создают кратковременное состояние невесомости (до 40 с) при полётах самолёта по баллистической траектории, то есть такой траектории, по которой летел бы самолёт под воздействием одной лишь силы земного притяжения. Эта траектория при небольших скоростях движения получается параболой, из-за чего её иногда ошибочно называют «параболической». В общем случае траектория представляет собой эллипс или гиперболу.

Такие методы применяются для тренировки космонавтов в России и США. В кабине пилота на нитке подвешен шарик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолёт покоится, либо движется равномерно и прямолинейно). Отсутствие натяжения нити, на которой висит шарик, свидетельствует о невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, чтобы шарик висел в воздухе без натяжения нити. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение равное g и направленное вниз. Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа «провал в воздухе». Пилоты резко начинают набор высоты, выходя на «параболическую» траекторию, которая заканчивается таким же резким сбросом высоты. Внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она представляет собой полностью обитую мягким покрытием пассажирскую кабину без кресел, чтобы избежать травм как в моменты невесомости, так и в моменты перегрузок.

Подобное чувство невесомости (частичной) человек испытывает при полётах рейсами гражданской авиации во время посадки. Однако в целях безопасности полёта и из-за большой нагрузки на конструкцию самолёта, любой рейсовый самолёт сбрасывает высоту, совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полёта в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). То есть спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир на несколько секунд ощущает, что его немного отрывает от кресла вверх. Это же чувство испытывают и автомобилисты, знакомые с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз.

Утверждения, что самолёт для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа «петли Нестерова» — не более чем миф. Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных пассажирских или грузовых самолётах, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полёта являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному износу несущих конструкций.

Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере, когда сопротивление воздуха ещё невелико.

Существует несколько самолётов, способных проводить полёты с достижением состояния невесомости без вылета в космос. Технология используется как для тренировок космическими агентствами, так и для коммерческих полётов частных лиц. Подобные полёты проводят американская авиакомпания Zero Gravity, Роскосмос (на Ил-76 МДК c 1988 года, полёты также доступны для частных лиц^[4]), NASA (на Boeing KC-135) , Европейское космическое агентство (на Airbus A-310)^[5] Типичный полёт продолжается около полутора часов. В течение полёта проводятся 10-15 сессий невесомости, для достижения которых самолёт совершает крутое пике. Длительность каждой сессии невесомости около 25 секунд^[6]. Более 15000 человек совершили полёты по состоянию на ноябрь 2017 года^[7]. Многие известные люди совершили полёты в невесомости на борту самолёта, в их числе: Баз Олдрин, Джон Кармак, Тони Хоук, Ричард Брэнсон, Артемий Лебедев. Стивен Хокинг также совершил короткий полёт 26 апреля 2007 года

[8]^[9][10].

Невесомость для космонавтов: помощь в работе или угроза жизни

11.01.2020

Невесомость для космонавтов – это совсем не прикольная развлекуха, это дистрофия и деградация скелета и мышечного корсета, которая возникает в отсутствие тяготения. То, что человек неделями и месяцами в космическом полёте не нагружен земным тяготением, живет и работает в условиях невесомости, его быстро детренирует. Это означает, что влияние невесомости на организм таково: мышцы и кости, испытывая воздействие невесомости, становятся слабыми, истончаются, трещат и ломаются. Жизнь в невесомости – это сущая мука для космонавтов.

Так что, ничего хорошего для космонавта в невесомости, когда сила тяжести равна нулю, на самом деле, нет. Космонавтам было бы гораздо комфортнее без нулевой силы тяжести. Но обществу и армии очень нужен космос – приходится терпеть.

Волшебная сила невесомости

Пудовая гиря в невесомости (скажем, на международной космической станции – МКС) имеет массу ровно 16 килограмм. Ни одним граммом меньше чем 16 000 граммов.

Даже в невесомости масса пудовой гири – ровно 16 кг

Да-да! Именно так. Масса в невесомости – точно такая, как на Земле. Другое дело, что вес пудовой гири на МКС равен нулю. Но это вес, а масса – как была на Земле один пуд, так и на орбите не стала другой – ровно один пуд.

Дело в том, что масса тела, о которой идет речь, бывает двух видов:

• инертная;
• гравитационная.

Инертная масса отвечает за ускорения и замедления тела. А гравитационная определяет силу гравитационного притяжения между телами. Этот закон сформулировал еще Исаак Ньютон. Говоря своими словами – если с размаху ударить пудовой гирей по голове космонавта, то вмятина будет одинаковой, находится ли космонавт на земле или в космическом корабле. Здесь имеет значение инерционная масса. А вот если перестать держать рукой пудовую гирю на МКС, то она не падает вниз. Но вверх она тоже не взлетает. Если что-то удерживает гирю от падения, то она висит в воздухе. Здесь играет свою роль гравитационная масса. Образно говоря, гиря висит в атмосфере отсека МКС, потому, что «падает» вместе со всей космической станцией. Они обе (МКС и гиря) летят по орбитальной траектории вокруг Земли. Причем летят по одинаковой траектории. И, поэтому не двигаются друг относительно друга. Это и есть явление невесомости. Условие невесомости – свободное падение. Жидкость в невесомости не растекается по полу, как было бы при наличии силы тяжести, а собирается в более или менее правильные шары, за счет силы поверхностного натяжения этой жидкости.

Зачем армии космос

Армия и космос – близнецы-братья. Напомню, что Юрий Гагарин улетел в первый космический полёт старшим лейтенантом, а вернулся майором Советской армии. Армия оценила подвиг.

Первый космонавт Юрий Гагарин – майор Советской Армии

Все космонавты первого призыва были военными летчиками. Только во втором наборе появилось несколько инженеров. Да и те работали в ракетном КБ. Сама космическая отрасль была задумана и появилась в стране как средство доставки ядерных боезарядов с континента на континент.

Беспилотная космонавтика

Три классических военных аспекта космоса: боевые баллистические ракеты, спутники связи и системы геолокации. Ни одна из частей этой триады не является пилотируемой. Это означает, что воздействие невесомости на человека отдыхает. Нет экипажа космического аппарата – нет влияния отсутствия силы тяжести на человека. Большую часть своей траектории баллистическая ракета летит в невесомости. Это необходимо учитывать, из этого исходить при расчетах, но человек здесь ни при чём, ощущение невесомости он не испытывает. Так что пока и поскольку военный космос не требует пилотируемых полётов, то терпеть невесомость и перегрузки офицерам не нужно.

Пилотируемая космонавтика

Но перед экипажем пилотируемого космического аппарата могут стоять военные задачи. Задачи дистанционного зондирования поверхности Земли всегда включают решение задач космической разведки, они нередко требуют активного участия членов экипажа.

Спутники-инспекторы часто требуют управления со стороны экипажа обитаемого космического аппарата. Особенно при боевой активности такого спутника-инспектора. В этом случае может осуществляться непосредственный визуальный контакт экипажа со спутником-инспектором, особенно при выполнении оперативных манёвров.

При выходе в открытый космос человек летит со скоростью 8 км/с

На орбитальной станции экипажи сменяют друг друга, как правило, через несколько месяцев: космонавты испытывают состояние невесомости по полгода и дольше. Вес тела невесомость компенсирует, при этом офицерам приходится ежедневно тренироваться под нагрузкой упругих элементов, моделируя работу организма в условиях гравитации, минимизируя эффект невесомости. Факты о невесомости таковы: после полета члены экипажа проходят серьезный и продолжительный процесс реабилитации, с трудом возвращают себя в привычную физическую форму. При условии возникновения изменений, их глубина зависит от того, какое время в невесомости провел человек. Длительность реабилитации сравнима со временем полета.

Технологическая невесомость

Бывают случаи, когда отсутствие силы тяжести это не побочный фактор, с последствиями которого надо бороться, а непосредственный технологический участник процесса. В отсутствие силы тяжести по-другому растут кристаллы. Сила тяжести на них не влияет, и они формируются по-другому, становятся более прямыми, не так как в условиях земного притяжения. То есть технологический процесс надо проводить именно в условиях невесомости, чтобы достигнуть необходимого результата. То есть фактором достижения успеха является не выигрышная позиция над Землёй, не первая космическая скорость, а именно невесомость. В этих случаях невесомость имеет технологическую ценность.

Это относительная экзотика, но если дело обстоит именно так, то работа в космосе неизбежна. Причём часто в эксперименте необходимо участие живого человека, который принимает по ходу дела осознанные управленческие решения.

Профилактика последствий

Альтернативой длительной и трудной реабилитации после космической экспедиции в отсутствии силы тяжести является постоянная и настойчивая профилактика неблагоприятных изменений в организме.

На орбите экипаж постоянно поддерживает физическую форму

В космическом полёте, когда отсутствует сила тяжести и вес невесомость обнуляет, космонавты постоянно занимаются физическими упражнениями, причём часто под нагрузкой. Например, пользуются бегущей дорожкой, будучи притянутыми к ней упругими резиновыми элементами, укрепленными на поясе.

Работа с эспандером хорошо укрепляет мышцы рук и плечевого пояса. Для укрепления мышц спины также используют упругие элементы, работающие на растяжение. Все эти упражнения способствуют укреплению сердечно-сосудистой системы, что тоже является очень хорошей профилактикой последствий длительного воздействия нулевой силы тяжести. Специально подобранный рацион обеспечивает необходимую перистальтику желудочно-кишечного тракта.

В длительном полете невесомость значение приобретает очень важное, но космонавты летают в отсутствие силы тяжести все дольше и дольше. В космосе космическая экспедиция может провести много месяцев. Рекордсмен по этой части – россиянин Валерий Поляков. Его полет проходил в 1994 и 1995 году. Поляков провел на станции «Мир» 438 суток. Это более 62 недель, более 14 месяцев. Нет предела совершенству!

Имитационные тренировки

В невесомости может побывать каждый. Буквально каждый. Просто подпрыгните на месте. И на несколько коротких долей секунды, когда ваши ноги не будут касаться земли, вы испытаете интересные ощущения – блаженное чувство полёта. Вы – в невесомости. Да, очень ненадолго. Но зато как просто.

Чуть дольше, несколько секунд, проводят в отсутствие силы тяжести прыгуны на батуте. Упругая сетка позволяет выполнить в воздухе несколько кувырков и пируэтов. В эти секунды можно получить первые представления о невесомости. В состоянии свободного падения, следующего за свободным взлетом.

Для того чтобы ощутить более длительную «невесомость на земле» уже нужна техника. Если не космический корабль, то хотя бы самолет. Например, в центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина в Звёздном городке используют самолёт Ил-76МДК. Самолет взлетает и, начиная с определенного момента, встаёт на траекторию, имитирующую процесс свободного падения тела в безвоздушном пространстве. В этот момент люди, находящиеся в салоне самолета, испытывают состояние без силы тяжести. Впрочем, как и пилоты самолета. Такая искусственная невесомость может длиться несколько десятков секунд. Иногда до полутора минут. Этого достаточно, чтобы приобрести навык перемещения в невесомости, чтобы человек уже чувствовал ощущение нулевой силы тяжести, понимал, как пить воду и есть космическую пищу из тюбиков. В определенном смысле, освоиться в невесомости, приобрести первоначальные навыки координации движений, выполнения профессиональных обязанностей. Такая «невесомость на земле» очень помогает освоиться с нулевой гравитацией в состоянии невесомости. Отличный урок.

Космос без невесомости

Как ни странно, но это вполне возможно. По крайней мере, большую орбитальную станцию вполне реально сделать, как пример, в форме тора, этакого «бублика». И закрутить бублик вокруг его оси.

Космический «бублик» вращается и создает в отсеках силу тяжести

В этом случае, на всех людей, находящихся в отсеках этого орбитального тороидального космического корабля, будет действовать центробежная сила. Источники этой силы таковы. Это следствие движения космонавтов по кругу. Центробежная сила будет приложена в направлении от оси вращения, то есть она будет прижимать космонавтов к наружной (дальней от оси) стенке бублика. Космонавты испытают действие силы тяжести, пропорциональной их массе. При определенном соотношении радиуса этого орбитального тора и скорости его вращения, можно добиться того, что гравитационные условия для космонавтов будут такие же, как на поверхности Земли. Они почувствуют, будто имеют вес как на родной планете.

Кратко подводя итоги, можно констатировать, что невесомость для пилотируемых полетов в космос, в том числе и полетов военного назначения, действует не только во благо, но и во зло. Но зло это не является неизбежным, существует эффективные способы борьбы с негативными последствиями невесомости.

Если у вас возникли вопросы — оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

С друзьями поделились:

«Почему на МКС невесомость, а в самолете ее нету? Какой высотой определяется невесомость? Есть какая то определенная точка?» – Яндекс.Знатоки

1. «Весомость» vs невесомость

Видите ли, проблема понимания невесомости коренится в непонимании «весомости». Когда что-то сколько-то весит, то это значит, что весы давят на этот предмет снизу так, что движение вниз под действием силы тяжести прекращается. (Ставим качан капусты на весы и чаша весов идёт сначала вниз, но потом останавливается, и в этот момент весы показывают то, что мы называем «вес»). Не даром измерение веса обычно происходит в покое. При этом не только весы находятся в покое. Обычно при взвешивании ребёнку на напольных весах велят стоять смирно. А как весело было бы не только попрыгать на весах, но и кабинет педиатра устроить в лифте! Тогда в момент старта с первого этажа, пока идёт набор скорости, весы показывали бы заметно больше; а потом при остановке — заметно меньше. В падающем лифте весов ногами не достать они убегают точно с таким же ускорением, как и взвешиваемый объект.

Ощущение собственного веса при ходьбе — это именно ощущение того, как пол давит на наши ноги, препятствуя нашему движению к центру Земли. Вот и выходит, что при свободном падении веса нет.

2. А как же с МКС?

Вот Вы возражаете в комментариях, мол, МКС, не падает… Тут у Вас ошибочка. Секрет непонимания кроется в стереотипе, что ускоренное движение, это когда скорость увеличивается. Это справедливо только для прямолинейного движения, когда сила направлена вдоль скорости. (Это было бы исчерпывающей картиной только для одномерного мира.) Ускорение может выражаться в изменении не модуля скорости, а направления. Ускорение, это когда скорость меняется. А в двух- и трёхмерном пространстве изменение направления — это тоже изменение скорости. Криволинейное движение с вроде бы постоянной скоростью — это тоже движение с ускорением. Ровно это и происходит с МКС и спутниками. Движение спутника — это движение под действием силы притяжения. То есть движение МКС — это падение. Но, во-первых, сила прятяжения направлена перпендикулярно скорости, а, во-вторых, скорость по модулю такова, что за каждый момент времени угловое перемещение относительно центра Земли составляет ровно столько же градусов, на сколько меняется угол вектора скорости. Это и есть движение с первой космической скоростью по круговой орбите. Если бы не трение, не приливное взаимодействие, и не возмущения от гравитационных полей соседних объектов, и не гравитационные волны, то такое движение могло бы быть вечным.

3. А в далеке от галактик?

Если покинув галактику улететь в глубокое межзвёздное пространство, то там тоже будет невесомость, но связана она будет уже не с тем что взвешиваемый объект, и весы падают в одном направлении, а как раз с тем, что падать некуда.

Невесомость — урок. Физика, 9 класс.

Обрати внимание!

Вес тела, движущегося под действием только силы тяжести, равен нулю.

Подвесим к динамометру металлический грузик.

Зафиксируем показания покоящегося динамометра. Эти показания равны весу грузика в воздухе (рис. \(1\)).

 

Рис. \(1\)

 

Отпустим динамометр. Он будет свободно падать (сопротивлением воздуха в данном случае можно пренебречь). При этом указатель динамометра переместится на нулевую отметку, свидетельствуя о том, что вес грузика равен нулю (рис. \(2\)).

 

Рис. \(2\)

 

Вес свободно падающего динамометра тоже равен нулю. В данном случае и грузик, и динамометр движутся с одинаковым ускорением, не оказывая друг на друга никакого влияния. Другими словами, и динамометр, и грузик находятся в состоянии невесомости.

Невесомость — состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой или подвесом (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, пренебрежимо мала.

Чтобы убедиться в том, что тело будет невесомым и в случае, если его начальная скорость не равна нулю, возьмём полиэтиленовый пакет и примерно на \(1/3\) заполним его водой. Затем из пакета удалим воздух, скрутив его верхнюю часть в жгут и завязав на узел (рис. \(3\)).

 

Рис. \(3\)

 

Если взять пакет за нижнюю, заполненную водой часть и перевернуть, то свитая в жгут часть пакета под действием веса воды раскрутится и заполнится водой (рис. \(4\)).

 

Рис. \(4\)

 

Если же, переворачивая пакет, удерживать жгут, не позволяя ему раскрутиться, а затем подкинуть пакет вверх, то и во время подъёма, и во время падения жгут не будет раскручиваться (рис. \(5\)).

 

Рис. \(5\)

 

Это свидетельствует о том, что во время полёта вода не действует своим весом на пакет, так как становится невесомой.

 

Можно перекидывать этот пакет друг другу, тогда он будет лететь по параболической траектории. Но и в этом случае пакет сохранит в полёте свою форму, которую ему придали при броске.

§ 23. Сила тяжести и вес. Невесомость

На любое тело, расположенное вблизи Земли, действует сила тяготения F, под влиянием которой, согласно второму закону Ньютона, тело начнет двигаться с ускорением свободного падения g. Таким образом, в системе отсчета, связанной с Землей, на всякое тело массой m действует сила

P = mg,

называемая силой тяжести.

Согласно фундаментальному физическому закону — обобщенному закону Галилея, все тела в одном и том же поле тяготения падают с одинаковым ускорением. Следовательно, в данном месте Земли ускорение свободного падения одинаково для всех тел. Оно изменяется вблизи поверхности Земли с широтой в пределах от

9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах. Это обусловлено суточным вращением Земли вокруг своей оси, с одной стороны, и сплюснутостью Земли — с другой (экваториальный и полярный радиусы Земли равны соответственно 6378 и 6357 км). Так как различие значений g невелико, ускорение свободного падения, которое используется при решении практических задач, принимается равным 9,81 м/с².

Если пренебречь суточным вращением Земли вокруг своей оси, то сила тяжести и сила гравитационного тяготения равны между собой:

P = mg=F=GmM/R²,

где M — масса Земли; R — расстояние между телом и центром Земли. Эта формула дана для случая, когда тело находилось на поверхности Земли.

Пусть тело расположено на высоте h от поверхности Земли, r₀ — радиус Земли, тогда

P=GmM/(R₀ + h)²,

т. е. сила тяжести с удалением от поверхности Земли уменьшается.

В физике применяется также понятие веса тела. Весом тела называют силу, с которой тело вследствие тяготения к Земле действует на опору (или подвес), удерживающую тело от свободного падения. Вес тела проявляется только в том случае, если тело движется с ускорением, отличным от g, т. е. когда на тело кроме силы тяжести действуют другие силы. Состояние тела, при котором оно движется только под действием силы тяжести, называется состоянием невесомости.

Таким образом, сила тяжести действует всегда, а вес появляется только в том случае, когда на тело кроме силы тяжести действуют еще другие силы, вследствие чего тело движется с ускорением а, отличным от g. Если тело движется в поле тяготения Земли с ускорением ag, то к этому телу приложена дополнительная сила N, удовлетворяющая условию

N + P = ma.

44

Тогда вес тела

Р’=-N =P-ma=mg-ma = m(g—a),

т. е. если тело покоится или движется прямолинейно и равномерно, то а=0 и P’ = mg. Если тело свободно движется в поле тяготения по любой траектории и в любом направлении, то а=g и Р’ = 0, т. е. тело будет невесомым. Например, невесомыми являются тела, находящиеся в космических кораблях, свободно движущихся в космосе.

§ 24. Поле тяготения и его напряженность

Закон тяготения Ньютона определяет зависимость силы тяготения от масс взаимодействующих тел и расстояния между ними, но не показывает, как осуществляется это взаимодействие. Тяготение принадлежит к особой группе взаимодействий. Силы тяготения, например, не зависят от того, в какой среде взаимодействующие тела находятся. Тяготение существует и в вакууме.

Гравитационное взаимодействие между телами осуществляется с помощью поля тяготения, или гравитационного поля. Это поле порождается телами и является формой существования материи. Основное свойство поля тяготения заключается в том, что на всякое тело массой т, внесенное в это поле, действует сила тяготения, т. е.

F = mg. (24.1)

Вектор g не зависит от m и называется напряженностью поля тяготения. Напряженность поля тяготения определяется силой, действующей со стороны поля на материальную точку единичной массы, и совпадает по направлению с действующей силой. Напряженность есть силовая характеристика поля тяготения.

Поле тяготения называется однородным, если его напряженность во всех точках одинакова, и центральным, если во всех точках поля векторы напряженности направлены вдоль прямых, которые пересекаются в одной точке (А), неподвижной по отношению к какой-либо инерциальной системе отсчета (рис.38).

Для графического изображения силового поля используются силовые линии (линии напряженности). Силовые линии выбираются так, что вектор напряженности поля действует по касательной к силовой линии.

Топ заблуждений об астрономии. 4. В космосе невесомость — из-за слабой гравитации

Так и хочется объяснить чарующее свободное перемещение космонавтов и вещей вокруг них тем, что их корабль или космическая станция далеко от Земли, а потому её сила притяжения близка к нулю. Вроде как именно это позволяет им, как показывается во множестве передач, зависать в центре помещения, эффектно перекидывать по прямой траектории из руки в руку какой-нибудь предмет или создавать парящие в воздухе водяные пузырьки, а потом ловить их ртом.

Однако сила тяжести на космических станциях не особо меньше той, которая действует на нас на Земле. Согласно закону всемирного тяготения.

G — это так называемая «гравитационная постоянная».

Её значение — 6,67408 × 10⁻¹¹м³/кг⋅с².

В интересующем нас частном случае, M — масса Земли, m — масса какого-то тела (например, космического корабля или человека в нём), а r — расстояние между центром Земли и этим телом.

Правда, эта формула введена для тел, которые можно считать точечными, а если тело находится вблизи поверхности Земли, то Землю — ввиду её нехилых по сравнению с космическим кораблём размеров — вряд ли можно считать точечным телом, однако всё равно приблизительно такая сила будет притягивать это тело к Земле. Для интересующей нас оценки этой приближённой формулы вполне достаточно.

Так вот, как легко видеть, все величины, кроме расстояния от интересующего нас тела до Земли, сохраняются, и при отдалении этого тела. Из чего можно заключить, что отношение сил, с которыми Земля притягивает это тело в разных точках пространства, обратно пропорционально квадрату отношения расстояний от центра Земли до каждой из этих точек.

Большинство космических кораблей, запущенных человечеством, летает не особо далеко от Земли. Например, Международная Космическая Станция находится на орбите, отстоящей от поверхности Земли примерно на 400 километров. Радиус же Земли — приблизительно 6400 километров.

Подставив эти сведения в вышеприведённую формулу, получим

Иными словами, внутри МКС Земля притягивает тела всего на 10% слабее, чем на поверхности Земли.

А чтобы сила притяжения упала хотя бы вдвое, надо отлететь на 2650 километров. Так далеко люди пока что залетали только во время лунных экспедиций. Все же остальные пилотируемые полёты проходили существенно ближе к поверхности Земли, а потому сила тяжести, действующая на космонавтов во время полёта, даже до половины от земной не опускалась.

Впрочем, беспилотные искусственные спутники есть и на гораздо бо́льших расстояниях. Так, часть спутников GPS летает на расстоянии 20 000 километров от поверхности, а спутник, запущенный недавно в рамках проекта «Радиоастрон», будет в самой дальней точке своей орбиты на расстоянии 330 000 километров от центра Земли.

Причина невесомости, таким образом, явно заключена в чём-то другом, однако давайте сначала разберёмся с тем, что вообще такое «вес».

Несмотря на то, что в бытовых условиях люди зачастую отождествляют между собой «массу», «вес» и «силу тяжести» — это три различные физические величины.

Масса — это неотъемлемая характеристика тела, которая остаётся одной и той же, где бы тело ни находилось, и обуславливает гравитационное и инерционное взаимодействия этого тела.

Правда, масса может поменяться при смене системы отсчёта, но при малых скоростях тела относительно точки отсчёта этим эффектом можно пренебречь.

Сила тяжести — это та сила, с которой нас притягивает некоторое массивное тело (чаще всего им подразумевается Земля).

В отличие от массы, сила тяжести — величина переменная. Чем дальше от земной поверхности, тем меньше сила тяжести. Но самое главное, это вообще две разных физических величины — масса и сила.

Даже единицы измерения у них разные: масса измеряется в килограммах, а сила — в ньютонах.

Наконец, вес — это та сила, с которой тело давит на опору или тянет за подвес.

Когда вы просто так стоите на Земле, то ваш вес — сила, с которой вы давите на поверхность, — обуславливается лишь действующей на вас силой тяжести. Однако если вы, например, возьмёте на руки своего приятеля, то ваш вес возрастёт — на величину силы тяжести, действующей на приятеля. Ведь действительно после этого на Землю вы начнёте давить сильнее.

Так вот, «невесомость» — это именно что отсутствие веса: когда вы или любое другое тело давят на пол или на что-то ещё с нулевой силой.

Именно этим эффектом обусловлены и все те странные чувства, которые мы ощущаем в невесомости.

Наши стопы не давят на пол, а пол, соответственно, перестаёт давить на наши стопы. Наши внутренние органы не давят друг на друга. Каждая клетка организма перестаёт ощущать давление тех клеток, которые ранее находились «сверху» — дальше от земной поверхности, а потому мышцам уже не надо сопротивляться этому давлению. Вестибулярный аппарат перестаёт распознавать направление «вниз» и это вызывает чувство тревоги…

Ах да, в позапрошлом абзаце я не оговорился: почти все мы такое действительно постоянно ощущаем, хотя космонавтов среди нас очень мало. Дело в том, что для ощущения невесомости не обязательно лететь в космос — достаточно просто падать. Любой прыжок — это «невесомость». Те самые ощущения, хоть и очень кратковременные.

Ну а если хочется подольше, то можно прислушаться к своим чувствам, когда лифт начинает ехать вниз.

Так вот, в космических кораблях невесомость настаёт в те моменты времени, когда они падают — то есть движутся строго с ускорением свободного падения, обусловленного силой тяжести. В этот момент вместе с кораблём аналогичным образом движется и всё его содержимое, а также содержимое содержимого, поэтому никто ни на кого не давит. Всё имеет нулевой вес.

Причём космические корабли падают основную часть времени своего полёта — стоит выключить двигатель, как тут же начинается падение в сторону наиболее влиятельного по создаваемой им силе тяжести объекта.

Даже во время полётов на Луну каждый космический корабль почти всё время падал. В основном в сторону Земли, но, когда стало совсем близко до Луны — уже в её сторону.

Правда, это было своеобразное такое падение: падая на Землю, космический корабль продолжал лететь в сторону Луны — просто потому, что до того он набрал довольно большую скорость, которую всю дорогу снижала тянущая его к Земле сила, но так и не успела снизить скорость до нуля, чтобы потом начать двигать космический корабль в обратную сторону.

Впрочем, падение космических кораблей вблизи Земли ещё занимательнее: во время него они умудряются оставаться на одном и том же расстоянии от земной поверхности.

И вот как это можно себе представить.

Предположим, мы, стоя на земле, бросили камень параллельно её поверхности. Когда в нашем распоряжении лишь сила мышц, камень улетит на совсем небольшое расстояние. На нём кривизна поверхности Земли столь слабо ощутима, что её вообще можно считать плоскостью.

Но если мысленно выдать себе сверхсилу или воспользоваться каким-то из достижений цивилизации, то камень удастся зашвырнуть столь далеко, что кривизна Земли уже сыграет свою роль.

Как мы видим на первой картинке, в этом случае камень как бы «залетает за горизонт» — падает дальше, чем упал бы в случае с плоской Землёй. Но мы можем не останавливаться на достигнутом и швырнуть камень ещё сильнее — как на второй картинке. В эту точку мы бы точно не смогли попасть по прямой — поверхность Земли бы помешала.

Тут, впрочем, важна не только кривизна поверхности, а ещё и то, что у нас по мере полёта меняется направление, в котором сила тяжести тянет камень. Так, в точке броска сила тяжести тянула камень вдоль оси игрек, а при пересечении оси икс — уже вдоль оси икс: каждый раз примерно в сторону центра Земли.

Благодаря этим двум факторам мы можем подобрать такую силу броска (точнее, такую начальную скорость полёта камня), что камень будет падать вечно.

В одной из книг серии «Автостопом по галактике» рекомендовался именно такой способ полёта: «Вам надо натренироваться промахиваться мимо земли во время падения, и тогда вы на самом деле будете летать».

Эта шутка тем смешнее, что ни фига не шутка. Ведь ровно вот это самое и происходит с космическими кораблями и станциями на орбитах: они падают вечно, всё время «промахиваясь» мимо Земли, поскольку успевают во время падения пролететь «вдоль» поверхности достаточно много, чтобы её не зацепить, а нырнуть за горизонт.

Вот так и летают.

Точнее, вот так и падают вместе со всем содержимым, из-за чего всё содержимое, включая космонавтов, пребывает в невесомости.

Кстати, иногда на МКС невесомость всё-таки становится неполной.

На 400 километрах атмосфера Земли довольно разрежена, но всё ещё есть. В результате станция теряет скорость из-за трения об атмосферу и потихоньку снижается. Поскольку же падение её на Землю — это совсем не то, о чём говорили большевики, её временами приходится поднимать на прежнее место при помощи её собственных реактивных двигателей или двигателей специально подосланных космических кораблей.

В эти моменты МКС движется с ускорением, отличным от создаваемого силой тяжести, а потому её содержимое ненадолго обретает вес.

Поднимающий станцию корабль, по сути, толкает низ станции в сторону её содержимого и этот низ с неизбежностью начинает давить на всё, что его касается. По третьему же закону Ньютона, касающееся «пола» содержимое толкает этот «пол» в обратную сторону. А это ведь и есть вес — сила давления на опору. Пусть и получается этот вес столь непривычным способом.

Впрочем, ровно по той же причине ваш вес ненадолго возрастает в стартующем по направлению вверх лифте.

Из рассуждений про брошенный камень видно, что для вечного полёта вокруг Земли достаточно лишь набрать нужную скорость, а после этого двигатели уже можно выключать — дальше оно будет «промахиваться» мимо Земли уже само по себе. Именно поэтому наши космические корабли именно так и летают: иначе никакого топлива не напасёшься.

Одновременно с тем данный эффект является ещё одним отличным доказательством того, что Земля всё-таки не плоская, а что-то типа шара: в ином случае невозможно было бы «зависнуть» над ней с отключёнными двигателями. Шах и мат, плоскоземельщики.

Однако миф о плоской Земле мы всё-таки разбирать не будем. Вместо него взглянем на ещё один миф, связанный с околопланетным движением.

7. Сила тяжести. Вес тела. Перегрузки. Невесомость

Силу, с которой тело притягивается к Земле под действием поля тяготения Земли, называют силой тяжести. По закону всемирного тяготения на поверхности Земли (или вблизи этой поверхности) на тело массой m действует сила тяжести

,

где М – масса Земли; R – радиус Земли.

Если на тело действует только сила тяжести, то оно совершает свободное падение. Модуль ускорения свободного падения g находят по формуле

.

Из данной формулы следует, что ускорение свободного падения не зависит от массы m падающего тела, т.е. для всех тел в данном месте Земли оно одинаково.

Модуль силы тяжести можно определить по формуле . Эта сила имеет гравитационную природу. Вектор силы тяжести приложен к центру тяжести тела.

Из закона всемирного тяготения следует, что сила тяжести и вызываемое ею ускорение свободного падения уменьшаются при увеличении расстояния от Земли. На высоте от поверхности Земли модуль ускорения свободного падения определяют по формуле

.

Силу, с которой вследствие притяжения к Земле тело действует на свою опору или подвес, называют весом тела.

Вес тела является упругой силой, приложенной к опоре или подвесу (т.е. к связи).

Если тело покоится или движется прямолинейно и равномерно, то его вес равен силе тяжести, т.е. .

Если тело движется ускоренно, то его вес зависит от этого ускорения и его направления относительно направления вектора ускорения свободного падения.

Если тело движется с ускорением а, направленным вертикально вверх, то его вес Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называютперегрузкой.

Если тело движется с ускорением а, направленным вертикально вниз (т.е. совпадающим с направлением ускорения свободного падения), то его вес уменьшается. В этом случае он определяется по формуле

При свободном падении . Следовательно, в данном случае, т.е вес отсутствует. Если тело движется только под действием силы тяжести (свободно падает), то оно находится всостоянии невесомости. Характерным признаком этого состояния является отсутствие у свободно падающих тел деформаций и внутренних напряжений. Причина невесомости тел заключается в том, что сила тяжести сообщает свободно падающему телу и его опоре (или подвесу) одинаковые ускорения.

8. Импульс тела. Импульс силы. Закон сохранения импульса

Уравнение второго закона Ньютона можно представить в виде , или.

Внеся под знак дифференциала, получим.

Векторную величину, равную произведению массы тела на его скорость, называют импульсом тела. Таким образом, импульс тела определяется по формуле . Следовательно,, т.е. производная импульса материальной точки по времени равна равнодействующей всех сил, приложенных к точке.

Последнюю формулу можно представить в виде .

Приращение импульса за время равно

=.

При =. Величину, равную произведению силы на время её действия, называют импульсом силы.

Изменение импульса тела за время равно импульсу силы, действующей на тело в течение этого времени.

Рассмотрим систему, состоящую из N материальных точек (систему тел).

Силы, с которыми на данное тело действуют остальные тела системы, называют внутренними.

Силы, обусловленные воздействием тел, не принадлежащих системе, называют внешними.

В случае отсутствия внешних сил систему называют замкнутой.

Импульсом системы называют векторную сумму импульсов тел, образующих систему

.

Группу тел, взаимодействующих не только между собой, но и с телами, не входящими в состав этой группы, называют незамкнутой системой. Силы, с которыми на тела данной системы действуют тела, не входящие в эту систему, называю внешними (обычно внешние силы обозначают буквой , а внутренние силы – буквой.

Рассмотрим взаимодействие двух тел в незамкнутой системе. Изменение импульсов данных тел происходит как под действием внутренних сил, так и под действием внешних сил.

Согласно второму закону Ньютона, изменения импульсов рассматриваемых тел у первого и второго тел составляют

где t – время действия внешних и внутренних сил. Почленно сложив данные выражения, получим .

В этой формуле — полный импульс системы,

(согласно третьему закону Ньютона), — равнодействующая всех внешних сил, действующих на тела данной системы. С учетом вышеизложенного получаем формулу, из которой следует, чтополный импульс системы изменяется только под действием внешних сил. Если же система замкнутая, т.е. , тои, следовательно,.

Закон сохранения импульса для замкнутой системы тел формулируется следующим образом: импульс замкнутой системы тел остается постоянным при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

На законе сохранения импульса основано реактивное движение.