НЕВЕСОМОСТЬ
Чан Ван Туан
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск Научный руководитель преподаватель
Явление невесомости всегда вызывало у меня интерес, так как каждому человеку хочется летать, а если он находится в невесомости, то он действительно летает. Что такое невесомость? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала понять что такое вес тела.
Что такое вес тела?
Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на горизонтальную опору или подвес. Рассмотрим тело, лежащее на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе.
Рис 1.Вес тела
mg – сила тяжести, N – сила реакции опоры, P – сила давления тела на опору (т. е P – вес тела). В соответствии с третьим законом Ньютона N= –P. В этом случае, нужно отличать силу тяжести mg от веса тела. Вес тела P равен силе тяжести mg, но эти силы приложены к разным телам.
Вес тела, движущегося с ускорением.
Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре в кабине лифта, который движется с некоторым ускорением a относительно Земли.
Рис 2. Вес тела, движущегося с ускорением.
Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело действуют сила тяжести mg и сила реакции опоры N, но теперь эти силы не уравновешивают друг друга. По второму закону Ньютона
mg + N = ma или N = m(a–g)
Так как P = –N, вес тела в ускоренно движущемся лифте это
P = m(g–a).
Координатную ось OY направим вертикально вниз, тогда вектор ускорения a будет направлен вертикально вниз (рис 2). Векторное уравнение для веса тела можно переписать в скалярной форме:
P = m(g – a).
Из формулы видно, что если a < g, то вес тела P в ускоренно движущемся лифте меньше силы тяжести. Если a > g, то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если a = g, то P = 0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью.
Рис 3. Перегрузка.
Если вектор ускорения a направлен вертикально вверх (рис. 3), то a < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой.
Невесомость
Исчезновение веса при движении опоры с ускорением свободного падения называется невесомостью.
За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением, поэтому в корабле наблюдается явление невесомости.
Очень интересно рассмотреть, как ведут себя в невесомости две противоположности: вода и пламя.
Вода в невесомости
В обычных земных условиях, на воду (вообще-то, на любую жидкость), налитую в сосуд действует несколько сил. В результате воздействия силы тяжести, она постоянно находится на дне сосуда, в который налита. Так же имеют место силы поверхностного натяжения жидкости, которые постоянно стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости. Эти две силы всегда находятся в равновесии.
Теперь, представим себе, что мы находимся в кабине космического корабля, в невесомости. Главную роль начинают играть силы поверхностного натяжения. Если выплеснуть жидкость из сосуда, она не польётся на пол, а будет плавать по кабине корабля. Не просто плавать, а плавать, собравшись в шар.
Рис 4. Вода в невесомости
Почему так происходит? Всё дело в том, что силы поверхностного натяжения всегда стремятся уменьшить площадь поверхности жидкости. А шар примечателен тем, что из всех геометрических тел при равном объёме он обладает минимальной площадью поверхности.
Пламя в невесомости
На Земле благодаря гравитации возникают конвекционные потоки, которые и определяют форму пламени. Они поднимают раскалённые частички сажи, которые излучают видимый свет. Благодаря этому мы видим пламя. В невесомости конвекционные потоки отсутствуют, частички сажи не поднимаются, а пламя свечи принимает сферическую форму. Так как материал свечи представляет собой смесь предельных углеводородов, они при сгорании выделяют водород, который горит голубым пламенем. Учёные стараются понять, как и почему огонь распространяется в невесомости. Изучение пламени в условиях невесомости необходимо для оценки пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения. Это позволяет обеспечить безопасность космонавтов и транспортных средств.
Рис 5. Пламя в невесомости
Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости
Французских физики проводили экспериментальное исследование того, как высокочастотные вибрации влияют на скорость кипения. В качестве рабочего вещества исследователи выбрали жидкий водород. Состояние невесомости создавалось искусственно, с помощью сильного неоднородного магнитного поля, которое как раз компенсировало силу тяжести. Основной результат экспериментов французских физиков состоит в том, что в условиях невесомости вибрация ускоряет превращение жидкости в пар. Под действием вибрации внутри слегка перегретой жидкости появляется «объемная рябь»: сеть мелких, размером доли миллиметра, пузырьков пара в жидкости. Вначале эти пузырьки растут медленно, но спустя 1-2 секунды от начала воздействия весь процесс резко убыстряется: жидкость в буквальном смысле слова вскипает. Детальное понимание процесса кипения жидкости в космосе крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива.
Рис 6. Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости.
Воздействие невесомости на организм человека
При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости (в первую очередь - при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации.
Рис 7. Космонавт в невесомости.
При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер.
Первое и самое очевидное последствие невесомости — стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма. 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).
Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведёт к снижению их прочности.
Список литературы:
ибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости. Режим доступа - http://elementy. ru/news/164820?page Пламя в невесомости. Библиотека Мошкова. – Режим доступа: http://n-t. ru/tp/nr/pn. htm Вес и невесомость. Режим доступа http://www. physics. ru/courses/op25part1/content/chapter1/section/paragraph11/theory. html#.UzhONuiVP0s