Про те, що в Космосі спостерігається невагомість, сьогодні знає, мабуть, навіть маленька дитина. Такому поширенню даного факту послужили численні фантастичні фільми про Космос. Однак насправді, чому в Космосі невагомість знають небагато людей, і сьогодні ми постараємося дати пояснення цьому явищу.

Помилкові гіпотези

Більшість людей, почувши питання про походження невагомості, легко дадуть на нього відповідь, сказавши, що такий стан відчувається в Космосі через те, що сила тяжіння там не діє на тіла. І це буде докорінно невірна відповідь, оскільки в Космосі сила тяжіння діє, і саме вона утримує всі космічні тіла на своїх місцях, включаючи Землю та Місяць, Марс та Венеру, які неминуче обертаються навколо нашого природного світила – Сонця.

Почувши, що відповідь невірна, люди, напевно, дістануть з рукава інший козир – відсутність атмосфери, повний вакуум, що спостерігається в Космосі. Однак і ця відповідь не буде правильною.

Чому в Космосі невагомість

Справа в тому, що та невагомість, яку відчувають на собі космонавти, що знаходяться на МКС, виникає внаслідок цілої сукупності різноманітних факторів.

Причиною тому є те, що МКС обертається навколо Землі орбітою з величезною швидкістю, що перевищує 28 тисяч кілометрів на годину. Така швидкість впливає те що, що астронавтами на станції перестає відчуватися Земне тяжіння, і щодо корабля створюється відчуття невагомості. Все це і призводить до того, що космонавти починають пересуватися станцією саме так, як ми це бачимо у фантастичних фільмах.

Як симулюють невагомість на Землі

Цікаво, що стан невагомості можна штучно відтворити в межах Земної атмосфери, чим, до речі, успішно займаються фахівці НАСА.

На балансі NASA є такий літальний засіб, як Vomit Comet. Це звичайнісінький аероплан, який використовується для тренування астронавтів. Саме він здатний відтворювати умови перебування у стані невагомості.

Сам процес відтворення подібних умов виглядає так:

1. Аероплан різко набирає висоту, рухаючись заздалегідь запланованою параболічною траєкторією.
2. Досягаючи верхньої точки умовної параболи, аероплан починає різке рух униз.
3. За рахунок різкої зміни траєкторії руху, а також устремління літального апарату вниз, люди, що перебувають на борту, починають перебувати в умовах невагомості.
4. Досягаючи певної точки зниження, аероплан вирівнює свою траєкторію, і повторює процедуру польоту, або ж сідає на поверхню Землі.

Вага тіла (речовини) це поняття відносне. Говорячи про вагу потрібно обов'язково обговорювати щодо чого ця вага діє. Також слід мати на увазі, що вага тіла (речовини) виникає не тому, що Земля притягує це тіло, а тому, що навколо Землі існує повітряна оболонка (атмосфера). Взаємодія атомів повітря та атомів тіла, оточеного повітрям, викликає появу сили ваги (гравітаційної сили).

Сила ваги виникає тому, що тиск атомів повітря, що надається на тіло зверху більше, ніж тиск знизу (з боків тиск повітря однаково).

Дуже важливо також відзначити, що сила ваги залежить не від абсолютного значення величини тиску повітря, а від різниці тисків зверху і знизу тіла.

Тому вага тіла не зміниться якщо тиск зверху і знизу збільшити наприклад на 10 атмосфер. Так як різниця залишиться тією ж.

Якщо різниця в тисках зверху і знизу дорівнює нулю, тіло не має ваги щодо повітря, яке його оточує. Т. е. тіло знаходиться в невагомості щодо навколишнього повітря.

Іншими словами, у стані невагомості (наприклад залізної кулі), тиск атомів повітря на атоми кулі (що знаходяться в його поверхневому шарі), однаково з усіх напрямків (наприклад, на кожен сантиметр поверхні кулі діє тиск 3 атмосфери).

Така умова настає у тому випадку, коли куля перебуває у стані вільного падіння у бік поверхні Землі. У цьому випадку тиск на нижню частину кулі збільшується за рахунок лобового опору повітря, а зверху кулі створюється розрядження.

Зміна тиску повітря на кулю, викликане її рухом, призводять до того, що тиск повітря на кулю зверху та знизу вирівнюються. При цьому різниця в тисках стає рівною нулю. Відповідно і вага тіла теж дорівнюватиме нулю. Тіло уповільнює швидкість руху у напрямку Землі. При цьому сила тиску викликана лобовим опором і сила розрядження вгорі кулі також зменшуються. Знову виникає сила ваги і процес повторюється.

Звичайно ж цей процес не супроводжується такими стрибками як це я описав, він протікає плавно. І в процесі вільного падіння кулі сили тиску повітря на будь-яку площу поверхні залишаються однаковими.

Тому можна сказати, що вага вільно падаючого тіла відносно навколишнього повітря дорівнює нулю. Куля при вільному падінні перебуває у стані невагомості щодо атмосфери повітря навколишньої Землі, а щодо Землі куля має вагу.

Тепер припустимо, що наша залізна куля, що падає в повітрі, порожня, і внутрішній об'єм її заповнений повітрям.

Це і є той самий корпус ліфта або корпус космічного корабля.

Те, що корпус буде в невагомості, ми вже з'ясували.

Виникає питання, чи перебуватиме в невагомості тіло (наприклад космонавт), що знаходиться всередині порожньої кулі?

Виявляється він не перебуватиме у невагомості. Хоча сила ваги його настільки мала, що порівняно з вагою цього тіла на поверхні Землі їй можна нехтувати.

У невагомості тіло всередині кулястої кабіни корабля перебуватиме в тому випадку, якщо воно матиме форму кулі, і знаходитиметься точно в геометричному центрі кабіни корабля. У всіх інших точках воно матиме невелику вагу.

Ця маленька вага буде переміщати нашу кульку до внутрішньої поверхні великої кулі.

Тиск повітря в порожнині великої кулі буде розподілено в його обсязі таким чином, що чим ближче ми будемо наближатися до центру кулі, тим вищим буде тиск. Максимальним воно буде у геометричному центрі кулі. Тому маленька кулька, геометричний центр якої збігатиметься з геометричним центром великої кулі, відчуватиме рівномірний тиск на своїй поверхні.

Якщо його змістити відносно центру в будь-яку зі сторін, то на його поверхню діятимуть різні сили тиску. І це призведе до появи ваги.

Різниця цих тисків буде мала тому, що співвідношення розмірів великої та малої куль невеликі.

Слід так само відзначити, що якщо кулю заповнити не повітрям а водою, а як розглянуте тіло використовувати бульбашку повітря, то вона завжди буде прагнути зайняти положення в геометричному центрі великої кулі. Це відбувається тому, що питома вага повітря менша за воду. Детальніше про це тут не розповідатиму.

Перш ніж дати визначення поняття невагомості, зупинюся ще на одному прикладі.

Припустимо, що залізна куля лежить на горизонтальному майданчику Землі.

Що таке невагомість? Парячі чашки, можливість літати і ходити по стелі, легко переміщати навіть найпотужніші предмети — таке романтичне уявлення про це фізичне поняття.

Якщо спитати космонавта, що таке невагомість, він розповість, як складно буває в перший тиждень на борту станції і як довго після повернення доводиться відновлюватися, звикаючи до умов земного тяжіння. Фізик, швидше за все, опустить подібні нюанси і з математичною точністю розкриє поняття за допомогою формул і цифр.

Визначення

Почнемо наше знайомство з явищем із розкриття наукової суті питання. Невагомість фізика визначає як такий стан тіла, коли його рух або зовнішні сили, що впливають на нього, не призводять до взаємного тиску частинок один на одного. Останнє виникає завжди на нашій планеті, коли якийсь предмет переміщається або спочиває: на нього тисне сила тяжіння та протилежно спрямована реакція поверхні, на якій об'єкт розташований.

Виняток із цього правила — випадки, тобто падіння зі швидкістю, яке надає тілу сила тяжіння. У такому процесі немає тиску частинок одна на одну, з'являється невагомість. Фізика каже, що на такому ж принципі заснований стан, що виникає у космічних кораблях та іноді в літаках. Невагомість з'являється в цих апаратах, коли вони рухаються з постійною швидкістю в будь-якому напрямку і перебувають у стані вільного падіння. Штучний супутник або доставляється на орбіту з допомогою ракети-носія. Вона надає їм певну швидкість, яка зберігається після вимкнення апаратом власних двигунів. Корабель у своїй починає переміщатися лише під впливом сили тяжкості і виникає невагомість.

Будинки

Наслідки польотів для астронавтів не обмежуються. Після повернення Землю їм доводиться протягом деякого часу адаптуватися назад до тяжкості. Що таке невагомість для космонавта, який завершив політ? Насамперед це звичка. Свідомість ще якийсь період відмовляється прийняти факт наявності сили тяжкості. В результаті нерідкі випадки, коли космонавт замість того, щоб поставити чашку на стіл, просто відпускав її і усвідомлював помилку, тільки почувши дзвін розбитого об підлогу посуду.

Харчування

Одне з непростих і водночас цікавих завдань для організаторів пілотованих польотів — забезпечення космонавтів, що легко засвоюється організмом під впливом невагомості їжею у зручній формі. Перші досліди не викликали особливого ентузіазму серед членів екіпажів. Показовий у цьому плані випадок, коли американський астронавт Джон Янг всупереч суворим заборонам проніс на борт сендвіч, який, щоправда, не стали, щоб не порушувати статут ще більше.

На сьогоднішній день з різноманітністю проблем немає. Перелік страв, доступних російським космонавтам, налічує 250 пунктів. Іноді вантажний корабель, що стартує до станції, доставляє свіжу страву, замовлену кимось із команди.

Основу раціону складають усі рідкі страви, напої, а також пюре упаковуються в алюмінієві туби. Тара та оболонка продуктів продумується таким чином, щоб уникнути появи крихт, що ширяють у невагомості і можуть потрапити комусь у око. Наприклад, печиво стає досить маленьким і покритим оболонкою, що тане в роті.

Знайоме становище

На станціях, подібних до МКС, всі умови намагаються довести до звичних земних. Це і національні страви в меню, і необхідне як функціонування організму, так нормальної роботи апаратури рух повітря, і навіть позначення підлоги і стелі. Останнє має швидше психологічну значимість. Космонавту в невагомості все одно, в якому положенні працювати, проте виділення умовної статі та стелі знижує ризик втрати орієнтації та сприяє більш швидкій адаптації.

Невагомість — одна з причин, чому в космонавти беруть далеко не всіх. Адаптація після прибуття на станцію і після повернення на Землю можна порівняти з акліматизацією, посиленою в кілька разів. Людина із слабким здоров'ям такого навантаження може не витримати.

Вагам тіла називають силу, з якою тіло внаслідок тяжіння Землею тисне на нерухому (щодо Землі) горизонтальну підставку або натягує нитку підвісу. Вага тіла дорівнює силі тяжкості.

Оскільки опора чи підвіс у своє чергу діють тіло, то характерна ознака вагомості - наявність у тілі деформацій, викликаних його взаємодією із опорою чи підвісом.

При вільному падінні тіл деформації в них відсутні, тіла в цьому випадку знаходяться в стані невагомості. На малюнку зображено установку, за допомогою якої можна це виявити. Установка складається з пружинних ваг, до яких підвішено вантаж. Вся установка може рухатися напрямними вниз і вгору.

Якщо ваги з вантажем вільно падають, то покажчик ваг стоїть на нулі, отже пружина ваг при цьому не деформована.

Розберемо це, користуючись законами руху. Припустимо, що вантаж, підвішений на пружині, рухається вниз із прискоренням а. З другого закону Ньютона ми можемо сказати, що у нього діє сила, яка дорівнює різниці сил Р і F, де Р - сила тяжкості, a F - сила пружності пружини, прикладені до вантажу. Отже,

ma = Р - Fабо ma = mg - F

F = m (g - a)

При вільному падінні вантажу а = g і, отже,

F - m (g - а) = 0

Це вказує на відсутність у пружині (і у вантажі) пружних деформацій.

Стан невагомості має місце не тільки при вільному падінні, але і при будь-якому вільному польоті тіла, коли на нього діє лише одна сила тяжіння. У цьому випадку частинки тіла не діють на опору чи підвіс і не отримують під впливом тяжіння до Землі прискорення щодо цієї опори чи підвісу.

Якщо установку, зображену на малюнку, різким ривком за мотузку змусити вільно рухатися вгору, то покажчик ваги при такому русі стоятиме на нулі. І в цьому випадку ваги та вантаж, рухаючись вгору з однаковим прискоренням, не взаємодіють один з одним.

Отже, якщо на тіла діє лише одна сила тяжіння, то вони перебувають у стані невагомості, характерна ознака якого – відсутність у них деформацій та внутрішніх напружень.

Стан невагомості не слід змішувати зі станом тіла, що під дією врівноважених сил. Так, якщо тіло знаходиться всередині рідини, вага якої в обсязі тіла дорівнює вазі тіла, то сила тяжкості врівноважується силою, що виштовхує, Але тіло буде тиснути на рідину (як на опору), внаслідок чого напруги, викликані в ньому силою тяжіння, не зникнуть, а значить, воно не перебуватиме у стані невагомості.

Розглянемо тепер невагомість тіл на штучних супутниках Землі. При вільному польоті супутника по орбіті навколо Землі сам супутник і всі тіла, що знаходяться на ньому, у системі відліку, пов'язаної з центром маси Землі або з «нерухомими» зірками, рухаються з однаковим у кожний момент часу прискоренням. Величина цього прискорення визначається силами тяжіння до Землі, що діють на них (сили тяжіння до інших космічних тіл можна не враховувати, вони дуже малі). Від маси тіла, як бачили, це прискорення залежить. За цих умов між супутником і всіма тілами, що знаходяться на ньому (а також і між їх частинками), взаємодії, обумовленої тяжінням до Землі, не буде. Це означає, що при вільному польоті супутника всі ті, що знаходяться в ньому, будуть в стані невагомості.

Не закріплені в кораблі-супутнику тіла, сам космонавт вільно ширяють усередині супутника; рідина, налита в посудину, не тисне на дно та стінки судини, тому вона не витікає через отвір у посудині; схилі (і маятники) покояться в будь-якому положенні, в якому їх зупинили.

Космонавту, щоб утримати руку чи ногу у похилому становищі, не потрібно жодного зусилля. У нього зникає уявлення, де «верх» і де «низ».

Якщо повідомити якомусь тілу швидкість щодо кабіни супутника, воно рухатиметься прямолінійно і поступово, доки зіткнеться коїться з іншими тілами.

Щоб ліквідувати можливі небезпечні наслідки дії стану невагомості на життєдіяльність живих організмів, і насамперед людини, вчені розробляють різні способи створення штучної «тяжкості», наприклад шляхом надання майбутнім міжпланетним станціям обертального руху навколо центру тяжіння. Сила пружності стін буде створювати необхідне доцентрове прискорення, і викликати деформації в стикаються з ними тілах, подібні до тих, які вони мали в умовах Землі.

Вага тіла Рназивають силу з якою тіло внаслідок його тяжіння до Землі діє на горизонтальну опору або розтягує нитку підвісу. Вагу тіла не слід плутати із його масою. Маса вимірюється у кілограмах, а вага як і будь-яка сила у ньютонах. Маса це скалярна величина (не має напряму), вага – векторна (має напрямок).

Вага тіла чисельно дорівнює силі тяжкості, якщо воно знаходиться на опорі, що лежить щодо Землі, або підвішено на нитці, нерухомій щодо Землі (тобто в інерційній системі відліку). Якщо ж опора чи підвіс разом із тілом будуть прискорено рухатися вгору чи вниз, то вага тіла відрізнятиметься від сили тяжкості, тобто. Р≠mg.

Силу N, що діє дане тіло з боку опори перпендикулярно до його поверхні, називають силою нормальної реакції опори .

Якщо тіло лежить на нерухомій опорі, то на нього діють дві сили: сила реакції опори та сила тяжіння (рис. 2.5).

З другого закону Ньютона , бо оскільки тіло спочиває, його прискорення . Отже, і . Отже, модулі цих сил рівні: N=mg. Вага тіла Р - це сила, що протидіє, згідно з третім законом Ньютона, силою нормального тиску N. Тоді N = P і P = mg.

Якщо ж опора чи підвіс разом із тілом будуть прискорено рухатися вгору чи вниз, то вага тіла відрізнятиметься від сили тяжіння.

Розглянемо три випадки.

· Якщо опора або підвіс разом з тілом рухатимуться вгору рівноприскорено або

вниз рівногайно (прискорення в обох випадках спрямоване вгору, а> 0), то

P = m (g+ а),

тобто. вага тіла більша за силу тяжкості Р > mg. Стан тіла, за якого його вага перевищує силу тяжкості, називають перевантаженням .

Кількісно перевантаження характеризують ставленням, яке позначають буквою n і називають коефіцієнтом навантаження.

Чим менший час дії навантаження, тим більшу за величиною навантаження здатна витримати людина. Так, встановлено, що людина, перебуваючи у вертикальному положенні, досить добре переносить перевантаження від 8g за 3с до 5g за 12-15 с. При миттєвій дії, коли вони тривають менше 0,1 с, людина здатна переносити двадцятикратні і навіть перевантаження.

На ділянці розгону ракети-носія коефіцієнт навантаження становить кілька одиниць.

· Якщо опора або підвіс разом з тілом рухатимуться вниз рівноприскорено або вгору рівногайно (прискорення в обох випадках спрямоване вниз, а< 0), то

P = m (g- а),

тобто. вага тіла менше сили тяжкості Р< mg.

· При а= g . P = 0, тобто. тіло не тисне на опору. Стан тіла, при якому його вага дорівнює нулю, називають невагомістю.

У стані невагомості знаходиться будь-яке тіло, що вільно падає. Щоб випробувати цей стан, достатньо зробити простий стрибок. Після вимкнення двигунів, коли космічний корабель виходить на орбіту навколо Землі, його прискорення стає рівним прискоренню вільного падіння, і космонавт в орбітальній космічній станції перебуватиме у стані рівноваги.

Кожне тіло, що знаходиться на Землі, масою m притягується до Землі під дією сили тяжіння, спрямованої до центру її і рівної

(M - маса Землі, R - відстань від тіла до її центру (поблизу поверхні Землі ця відстань приблизно дорівнює її радіусу R 3).

Якщо це тіло лежить на нерухомій опорі, то на нього діє дві сили: сила реакції опори N і сила тяжіння F. Ці дві сили дають рівнодіючу силу F n , спрямовану перпендикулярно до осі обертання (рис. 1.17):

Равнодіюча сила F n , згідно з другим законом Ньютона, викликає нормальне (відцентрове) прискорення, тобто.

Враховуючи, що υ= ωr, знаходимо

Отже, F n має максимальне значення на екваторі і F n =0 на полюсах. Тому у всіх точках земної поверхні, крім полюсів вага тіла Р менша за силу тяжіння F.Однак у ряді практичних завдань можна знехтувати добовим обертанням Землі і вважати, що вага тіла Р дорівнює силі тяжіння.