Невесомостью называется состояние, при котором действующие на тело гравитационные силы  не вызывают взаимных давлений его частей друг на друга.

Прежде, чем раскрыть содержание этого феномена, зададим себе та­кой вопрос: какими должны быть динамические характеристики нашей пла­неты, чтобы на ее поверхности возникло это состояние, когда сумма всех сил (F), действующих на материальную точку, будет равна нулю?

где:
m — масса материальной точки;
R₃ — радиус Земли;
r₀ — расстояние материальной точки от центра Земли;
ω₀ — угловая скорость вращения Земли;
V — скорость движения материальной точки относительно земной по­верхности;
Φ — географическая широта.

В этом уравнении первые два слагаемых определяют гравитационные (со знаком "+") и центробежные (со знаком "-") ускорения.

Третье слагаемое определяет ускорение Кориолиса, появляющееся при движении точки относительно вращающейся Земли.

Здесь следует сделать небольшое отступление. Дело в том, что это уравнение составлено исходя из известного из общей физики постулата то­ждественности силы инерции и силы тяготения, т.е. силы тяготения и силы инерции равны по величине и противоположны по направлению. В действи­тельности это не так. Дело в том, что эти силы имеют различную конфигура­цию. В качестве примера можно привести морские приливы и отливы, на­глядно показывающие, что там, где эти силы не равны, происходит колеба­ние уровня воды. Другой пример: явление физической либрации Луны и син­хронность ее вращения и обращения, которые свидетельствуют, что каждая их этих сил имеет свой центр, а на образовавшемся плече возникают дли­тельно действующие моменты сил, искажающие наше представление о тож­дественности массы инертной и массы инерционной. Это искажение весьма заметно для системы Луна-Земля и бесконечно мало для рассматриваемого нами случая.

При естественных скоростях движения человека ускорение Кориолиса в 30 тысяч раз меньше гравитационного ускорения, и поэтому им можно так­же пренебречь. Можно также принять, что r₀ = R, тогда:

Отсюда следует, что на полюсах Земли (Φ = 90°)

на экваторе (Φ = 0°)

Чтобы материальная точка, находящаяся на экваторе, оказалась в не­весомости, необходимо, чтобы F_min = 0. Из закона тяготения следует:

т.е.

V_kp — круговая скорость вращения Земли.

Подставляя в это уравнение известные величины, получим значение круговой скорости Земли, равное 30 тыс.км в час, при котором материаль­ная точка окажется в состоянии невесомости.

А действительная круговая скорость Земли равна 1500 км/час.

Если бы Земля вращалась с круговой скоростью в 20 раз больше дей­ствительной, смена дня и ночи чередовалась бы примерно через один час, а мы бы жили в состоянии невесомости.

Такая же картина наблюдается и вне Земли во вращающейся орби­тальной системе координат.

В этом случае:

где:
g — ускорение силы тяжести на высоте орбиты;
r — расстояние от орбиты до центра Земли.

Определим V_kp на орбите. Для этого рассмотрим рис. 1.

Материальная точка А находится на орбите, удаленной от центра Зем­ли на расстояние r, и движется с круговой скоростью V_kp. Если бы силы тяже­сти не существовало, материальная точка, двигаясь по касательной к траек­тории, за элементарный отрезок времени dt прошла бы путь V_kpdt. Но за этот же промежуток времени при наличии тяготения она должна "упасть" по на­правлению к центру Земли на расстояние ½g(dt)².

Образовался прямоугольный треугольник, где сумма квадратов кате­тов равна квадрату гипотенузы:

разделим левую и правую часть этого уравнения на (dt)²:

Пренебрегая бесконечно малыми величинами 2-го порядка и, произве­дя простейшие преобразования, получим:

Подставляя это выражение для V_kp в ранее полученное уравнение для F, получим F = 0, т.е. на орбите материальная точка не подвергается дейст­вию никаких сил и находится в состоянии невесомости.

Таким образом, невесомость проявляется, как свойство сложного дви­жения материальной точки (тела) в поле центральных сил, подчиняющееся законам Кеплера, при этом силы, вызываемые движением тела (например, корабля с выключенными двигателями), уравновешивают гравитационные силы.

Круговая скорость тела на орбите (V_kp) называется первой космической скоростью. Для Земли она равна 7,91 км/сек.

При превышении первой космической скорости круговая орбита стано­вится эллиптической и, когда скорость превысит некоторое значение (V_n), называемое второй космической скоростью, эллипс превращается в гипер­болу и тело покидает сферу действия тяготения планеты.

Теперь вернемся к проблемам невесомости.

Невесомость — это биологически высокозначимый фактор космическо­го полета. При длительном пребывании человека в состоянии невесомости:

• нарушается функция сохранения формы и положения тела;
• устраняется роль внутрисосудистого гидростатического давления в распределении крови и других биологических жидкостей;
• нарушается механизм определения положения тела в пространстве в связи с невозможностью ориентации на гравитационную вертикаль;
• снижается роль тепловой конвекции в теплообмене организма со сре­дой обитания.

Все эти процессы протекают на различных фазах полета со специфи­ческими особенностями.

На начальной фазе полета наблюдаются:

• нарушения пространственной ориентации;
• иллюзорные ощущения падения, переворотов, вращения тела;
• эмоциональные реакции;
• нарушение координации движений;
• отечность мягких тканей лица;
• ощущение тяжести в голове.

Все эти и другие особенности определяют космическую форму болез­ни движения.

Затем наступают приспособительные реакции (адаптация), и тем бы­стрее, чем лучше тренированность космонавтов и качество их отбора.

В процессе дальнейшего пребывания в невесомости возникают (как при­способительная реакция) следующие нарушения механизмов регуляции фи­зиологических функций:

• возрастает диурез (мочеотделение), т.е. уменьшается объем цирку­лирующей плазмы крови (рефлекс Генри-Гауэра), при этом смягчаются не­приятные ощущения прилива крови к голове;
• в ответ на сгущение крови уменьшается масса ее форменных эле­ментов и количество гемоглобина, что весьма нежелательно и вызывает ряд новых нарушений физиологически значимых функций;
• уменьшение усилий для поддержания позы тела приводит к явлени­ям гиподинамии, выражающимся деструктивными процессами в костях и мышцах, изменением обменных процессов, детренированностью сердечно­сосудистой системы.

Последнее нарушение является причиной похудания, уменьшения си­лы, выносливости, устойчивости к другим экстремальным воздействиям, т.е. астенизации организма.

Опыт космических полетов свидетельствует о том, что указанные пе­рестройки в организме сильно не мешают дальнейшему продолжению поле­та, однако в усложненных условиях могут вызвать новые нарушения, увели­чивающие вероятность заболевания.

Для исключения этих нарушений необходимо проведение профилак­тических мероприятий, чтобы адаптационные перестройки не заходили слиш­ком далеко, либо избавление от невесомости путем создания на корабле искусственной силы тяжести.

Практически в ходе всех советских и американских космических пило­тируемых полетов проводились обширные медицинские исследования влия­ния невесомости на физиологические функции организма, позволившие вы­работать методики и эффективные средства купирования и профилактики, разработать физиологические требования к системам жизнеобеспечения и к средствам спасения членов экипажа при возникновении аварийных ситуа­ций. Однако, по-прежнему серьезной проблемой оставалось изучение дли­тельного влияния невесомости и реадаптации организма при переходе от невесомости к нормальной силе тяжести при возвращении экипажа на Землю. Здесь потребовалось привлечение наиболее информативных методов космической биологии для изучения тонких физиологических механизмов на клеточном и субклеточном уровнях.

В связи с этим в СССР и США были начаты работы по созданию специализированных биологических спутников, предназначенных для про­ведения физиологических и морфологических исследований с использо­ванием низших и высших организмов. В СССР была создана серия био­логических спутников "Бион", в США - "Биос".

В многочисленных экспериментах, проведенных на этих биологиче­ских спутниках с использованием самых разнообразных биологических объектов (семена, водоросли, высшие растения, бактерии, жуки, черепа­хи, тритоны, мыши, крысы, обезьяны и др.) пока не обнаружено повреж­дающего влияния длительной невесомости на элементарные внутрикле­точные процессы, в том числе на процессы водно-солевого обмена, передачи наследственной ин­формации при размноже­нии организмов.

Правда, при этом выявлены структурные и функциональные пере­стройки в эндокринных железах, лимфоидных органах и опорно-двига­тельном аппарате, кото­рые не носят патологиче­ский характер, но требу­ют дальнейшего изуче­ния. Это необходимо, т.к. длительное пребывание человека на внеземной станции должно быть безусловно безопасным.

Космонавт Валерий Поляков летал в космосе в общей слож­ности один год и три ме­сяца. Значит ли это, что полет к Марсу, продол­жающийся от 2-х до 3-х лет, будет таким же безо­пасным?

В качестве защитных мероприятий от отрицательного влияния невесо­мости используют следующие средства и методики:

• предполетные средства и меры (отбор, физическая тренировка);
• профилактика неблагоприятного влияния невесомости на организм;
• создание искусственной тяжести как наиболее радикального средст­ва защиты (об этом мы поговорим более подробно в следующем разделе).

Профилактика невесомости осуществляется по специально разраба­тываемым программам с учетом конкретных особенностей полета (длитель­ность, режим труда и отдыха, количество операций выхода в космос и т.д.) и основана на оптимальном выборе мероприятий и средств из следующего перечня:

• тренажеры для ежедневных физических упражнений (бегущая дорож­ка, велоэргометр, эспандеры, устройства для декомпрессии нижней полови­ны тела и др.);
• водно-солевые добавки к пище перед возвращением на Землю для восстановления дегидратированного организма;
• послеполетные профилактические костюмы, препятствующие депо­нированию крови в ногах;
• электростимуляция мышц;
• дыхание под избыточным давлением;
• надувные манжеты, препятствующие венозному оттоку крови из ко­нечностей;
• фармакологические и гормональные препараты;
• комфортные условия обитания и питания.

При подготовке космических полетов используются различные спосо­бы имитации и моделирования невесомости.

В медицинской практике чаще всего используются методы, обеспечи­вающие снятие гидростатического давления крови путем "мокрого" и "сухо­го" погружения человека в водную среду (водная иммерсия), по­стельного режима с соответствующим углом наклона продольной оси тела к горизонту, пережатия кровеносных сосудов надувными манжетами и созда­ния условий гипокинезии (снижение двигательной активности).

Моделирование невесомости применяется как в целях подготовки кос­монавтов, так и в целях проведения кратковременных технологических экс­периментов в условиях так называемой микрогравитации.

Оно осуществляется в специально оборудованных самолетах - летаю­щих лабораториях, где состояние невесомости достигается после пологого пикирования и плавного набора высоты с выходом на параболическую тра­екторию "зависания" в течение нескольких секунд; либо в башнях невесомо­сти, где имитация невесомости достигается в течение 10 сек в режиме сво­бодного падения специальной капсулы.

Сегодня в мире имеется несколько летающих лабораторий, созданных на базе самолетов Ил-76, С-131В и др.

Что касается башен невесомости, то только в последнее время можно говорить о их практическом применении. Так, например, Японский центр микрогравитации создал в 1991 году, на базе старой шахты в городе Камисунагава глубиной 710 метров, башню невесомости и специальную капсулу массой в несколько тонн. Капсула в режиме свободного падения дости­гает скорости 100 м/сек и на конечном участке с помощью магнитных тормо­зов при допускаемых для испытуемого оборудования перегрузках останав­ливается.

Капсула оборудована средствами дис­танционного изменения технологических па­раметров, средствами связи, телевидения и обеспечения безопасности.

 

Источники

 

См. также