Zašto u svemiru postoji bestežinsko stanje. Što je bestežinsko stanje Bestežinsko stanje na umjetnom satelitu uzrokovano je

Težina tijela je sila kojom tijelo, uslijed privlačenja Zemlje, pritišće na nepomični (u odnosu na Zemlju) vodoravni stalak ili vuče nit ovjesa. Težina tijela jednaka je sili teže.

Budući da oslonac ili ovjes zauzvrat djeluje na tijelo, tada značajka težina - prisutnost deformacija u tijelu uzrokovanih njegovom interakcijom s nosačem ili ovjesom.

Pri slobodnom padu tijela u njima nema deformacija, u ovom slučaju tijela su unutra bestežinsko stanje. Slika prikazuje postavku pomoću koje se to može otkriti. Instalacija se sastoji od opružnih vaga na koje je obješen teret. Cijela instalacija može se pomicati gore-dolje duž vodilica.

Ako vaga s teretom slobodno pada, tada je pokazivač na vagi na nuli, što znači da opruga ravnoteže nije deformirana.

Analizirajmo ovaj fenomen pomoću zakona gibanja. Pretpostavimo da se uteg obješen na oprugu giba prema dolje s akceleracijom a. Na temelju drugog Newtonovog zakona možemo reći da na njega djeluje sila koja je jednaka razlici sila P i F, gdje je P sila teže, a F sila elastičnosti opruge koja djeluje na teret. . Tako,

ma = P - F ili ma = mg - F

F = m (g - a)

Uz slobodni pad tereta, a \u003d g i, prema tome,

F - m (g - a) \u003d 0

To ukazuje na nepostojanje elastičnih deformacija u opruzi (iu opterećenju).

Stanje bestežinskog stanja ne događa se samo u slobodnom padu, već iu svakom slobodnom letu tijela, kada na njega djeluje samo jedna sila teže. U tom slučaju čestice tijela ne djeluju na nosač ili ovjes i ne dobivaju ubrzanje u odnosu na ovaj oslonac ili ovjes pod utjecajem gravitacije prema Zemlji.

Ako je instalacija prikazana na slici napravljena tako da se slobodno pomiče prema gore oštrim trzajem užeta, tada će indikator skale tijekom takvog kretanja biti na nuli. I u ovom slučaju, vage i teret, krećući se prema gore s istim ubrzanjem, ne djeluju jedni na druge.

Dakle, ako na tijela djeluje samo jedna sila gravitacije, ona su u bestežinskom stanju, čija je karakteristična odsutnost deformacija i unutarnjih naprezanja u njima.

Bestežinsko stanje ne treba brkati sa stanjem tijela pod djelovanjem uravnoteženih sila. Dakle, ako je tijelo unutar tekućine, čija je težina u volumenu tijela jednaka težini tijela, tada je sila gravitacije uravnotežena silom uzgona, ali tijelo će vršiti pritisak na tekućinu (kao na nosaču), zbog čega naprezanja uzrokovana gravitacijom neće nestati, ali to znači da neće biti u bestežinskom stanju.

Razmotrimo sada bestežinsko stanje tijela na umjetnim Zemljinim satelitima. Tijekom slobodnog leta satelita u orbiti oko Zemlje, sam satelit i sva tijela koja se nalaze na njemu, u referentnom okviru povezanom sa središtem mase Zemlje ili sa "fiksnim" zvijezdama, kreću se istom akceleracijom pri svaki dati trenutak vremena. Veličinu tog ubrzanja određuju gravitacijske sile koje na njih djeluju prema Zemlji (sile gravitacije prema drugim svemirskim tijelima možemo zanemariti, one su vrlo male). Kao što smo vidjeli, to ubrzanje ne ovisi o masi tijela. U tim uvjetima neće doći do interakcije između satelita i svih tijela koja se na njemu nalaze (kao ni između njihovih čestica), zbog gravitacije prema Zemlji. To znači da će tijekom slobodnog leta satelita sva tijela u njemu biti u bestežinskom stanju.

Tijela koja nisu fiksirana u letjelici, sam astronaut slobodno lebde unutar satelita; tekućina ulivena u posudu ne pritišće dno i stijenke posude, pa ne istječe kroz otvor na posudi; visak (i ​​njihala) miruju u bilo kojem položaju u kojem su zaustavljeni.

Astronautu nije potreban nikakav napor da drži ruku ili nogu u nagnutom položaju. Gubi ideju o tome gdje je "gore", a gdje "dolje".

Ako se tijelu zada brzina u odnosu na kabinu satelita, ono će se kretati ravnomjerno i jednoliko dok se ne sudari s drugim tijelima.

Za otklanjanje mogućeg opasne posljedice Utjecaj bestežinskog stanja na vitalnu aktivnost živih organizama, a prije svega čovjeka, znanstvenici razvijaju razne načine za stvaranje umjetne "gravitacije", na primjer, dajući budućim međuplanetarnim stanicama rotacijsko gibanje oko središta gravitacije. Elastična sila stijenki stvorit će potrebno centripetalno ubrzanje, te uzrokovati deformacije u tijelima u dodiru s njima, slične teme koje su imali u zemaljskim uvjetima.

Težina kao sila kojom bilo koje tijelo djeluje na podlogu, nosač ili ovjes. Postoji težina zbog gravitacijske privlačnosti Zemlje. Brojčano gledano, uteg je jednak sili gravitacije, ali je potonja primijenjena na središte mase tijela, a uteg na oslonac.

Bestežinsko stanje – nulta težina, može nastati ako ne postoji gravitacijska sila, odnosno tijelo je dovoljno udaljeno od masivnih predmeta koji ga mogu privući.

Međunarodna svemirska postaja nalazi se na udaljenosti od 350 km od Zemlje. Na toj udaljenosti gravitacijsko ubrzanje (g) iznosi 8,8 m/s2, što je samo 10% manje nego na površini planeta.

U praksi rijetko vidite - gravitacijski učinak uvijek postoji. Astronauti na ISS-u još uvijek su pod utjecajem Zemlje, ali bestežinsko stanje je tamo prisutno.

Još jedan slučaj bestežinskog stanja događa se ako je gravitacija kompenzirana drugim silama. Na primjer, ISS je podložna gravitaciji, malo smanjenoj zbog udaljenosti, ali se isto tako stanica kreće po kružnoj orbiti prvom kozmičkom brzinom i centrifugalna sila kompenzira gravitaciju.

Bestežinsko stanje na Zemlji

Fenomen bestežinskog stanja moguć je i na Zemlji. Pod utjecajem ubrzanja težina tijela može se smanjiti, pa čak i postati negativna. Klasičan primjer koji daju fizičari je padajuće dizalo.

Ako se dizalo ubrzano kreće prema dolje, tada će se smanjiti pritisak na pod dizala, a time i težina. Štoviše, ako je akceleracija jednaka akceleraciji slobodnog pada, odnosno dizalo padne, težina tijela postat će nula.

Negativna težina se opaža ako ubrzanje dizala premašuje ubrzanje slobodnog pada - tijela iznutra se "zalijepe" za strop kabine.

Ovaj se efekt naširoko koristi za simuliranje bestežinskog stanja u obuci astronauta. Zrakoplov opremljen komorom za obuku diže se na znatnu visinu. Nakon toga zaroni duž balističke putanje, zapravo, stroj se nivelira na površini zemlje. Kada ronite s 11 tisuća metara, možete dobiti 40 sekundi bestežinskog stanja, koje se koristi za trening.

Postoji pogrešno mišljenje da takvi izvode složene figure, poput "Nesterovljeve petlje", kako bi dobili bestežinsko stanje. Naime, za obuku se koriste modificirani serijski putnički zrakoplovi koji nisu sposobni za složene manevre.

fizički izraz

Fizička formula za težinu (P) tijekom ubrzanog kretanja oslonca, bilo da se radi o padajućem stezniku ili letjelici za ronjenje, je sljedeća:

gdje je m tjelesna težina,
g je ubrzanje slobodnog pada,
a je akceleracija potpore.

Kada su g i a jednaki, P=0, odnosno postiže se bestežinsko stanje.

Uvođenje inercijskih sila pojednostavljuje i čini slikovitijim rješenje niza pitanja i problema o gibanju tijela u neinercijalnim sustavima. Dobijmo sada pročišćene izraze za težinu tijela i ubrzanje sile teže (vidi § 12).

Sila kojom tijelo privlači Zemlju naziva se gravitacija.Težina tijela jednaka je sili kojom tijelo nepomično u odnosu na Zemlju koje se nalazi u praznini pritišće vodoravni oslonac ili rasteže oprugu. zbog privlačnosti prema Zemlji.

Dakle, težina tijela jednaka je sili teže; stoga ćemo ove pojmove često koristiti naizmjenično.

Da Zemlja nema dnevnu rotaciju, tada bi težina tijela bila jednaka sili gravitacije tijela prema Zemlji, određenoj formulom (15). Zbog dnevne rotacije Zemlje (u kojoj sudjeluju sva zemljina tijela) na tijelu koje leži na Zemljina površina, osim sile teže usmjerene duž radijusa na središte Zemlje O, centrifugalna sila tromosti djeluje duž linije nastavka radijusa od osi rotacije Zemlje (slika 19). Rastavimo na dvije komponente: u smjeru radijusa u smjeru okomitom na Komponenta je uravnotežena silom trenja tijela o zemljinu površinu; komponenta

suprotstavlja se sili gravitacije tijela prema Zemlji. Dakle, sila privlačenja tijela prema Zemlji, odnosno težina tijela, bit će izražena razlikom između sile teže i komponente centrifugalne sile tromosti.

gdje je geografska širina položaja tijela. Uzimajući u obzir formule (15) i (20), dobivamo

gdje je masa tijela, masa Zemlje, rad/s kutna brzina dnevne rotacije Zemlje. Ali zato

Iz formule (21) slijedi da težina tijela ovisi o geografskoj širini mjesta: ona se smanjuje od pola prema ekvatoru zbog povećanja u tom smjeru (vidi § 13). Na stupu

Budući da je ubrzanje sile teže

Stoga se i ubrzanje gravitacije smanjuje od pola prema ekvatoru. Istina, ovo smanjenje je tako malo (ne premašuje da se u mnogim praktičnim izračunima ne uzima u obzir.

Uz pomoć sila inercije može se jednostavno objasniti takozvano bestežinsko stanje. Tijelo podložno ovom stanju ne vrši pritisak na nosače, čak ni kada je u kontaktu s njima; dok tijelo ne doživljava deformacije.

Stanje bestežinskog stanja nastaje kada na tijelo djeluje samo sila teže, odnosno kada se tijelo slobodno kreće u gravitacionom polju.

To se događa, na primjer, u umjetnom zemljinom satelitu koji je postavljen u orbitu i slobodno se kreće u Zemljinom gravitacijskom polju, tj. kruži oko Zemlje (vidi § 19).

Tijekom rotacijskog gibanja, kao što već znamo, nastaje centrifugalna sila tromosti. Budući da je centrifugalna sila tromosti koja djeluje na svaku česticu tijela koja se nalazi u satelitu (i na sam satelit) jednaka po veličini i suprotnog smjera gravitacijskoj sili koja djeluje na odgovarajuću česticu, te su sile međusobno uravnotežene. Kao rezultat toga, tijelo nije podvrgnuto deformaciji i ne vrši pritisak na zidove satelita (i druge moguće nosače), tj. ispada da je bez težine.

Tijela koja se nalaze u letjelici, slobodno (s ugašenim motorima) krećući se po bilo kojoj putanji u bezzračnom prostoru u gravitacijskom polju, također postaju bestežinska. Naravno, zajedno sa svim tijelima u brodu, i astronaut postaje bestežinski.

Fiziološki osjećaj bestežinskog stanja kod astronauta izražava se u odsutnosti uobičajenih stresova i opterećenja koja su uzrokovana gravitacijom. Prestaje deformacija unutarnjih organa, nestaje stalna napetost niza skeletnih mišića, poremećena je aktivnost vestibularnog aparata (koji daje osjećaj ravnoteže u osobi), nestaje osjećaj "gore" i "dno", a provedba nekih prirodnih funkcija tijela komplicirana. Takve uobičajene radnje kao što je, na primjer, izlijevanje vode iz posude također uzrokuju poteškoće: vodu sada treba doslovno istresti iz posude.

Kako bi se uklonile ove i druge poteškoće tijekom dugog boravka osobe u svemiru, predlaže se stvaranje umjetne "težine" na svemirskoj stanici. U tu svrhu postaja će biti projektirana u obliku velikog rotirajućeg diska s radnim prostorijama smještenim na njegovoj periferiji. Centrifugalna sila inercije koja nastaje u ovom slučaju igrat će ulogu nedostajuće gravitacijske sile.

Uz rotaciju Zemlje oko svoje osi povezana je još jedna važna pojava: odstupanje tijela koja se kreću po zemljinoj površini od prvobitnog smjera. Neka se tijelo s masom koje se giba pravocrtno na sjevernoj hemisferi, na primjer po meridijanu, giba od zemljopisne širine koja odgovara linearnoj brzini rotacije do zemljopisne širine koja odgovara brzini (slika 20). Zadržavajući inercijom svoju početnu brzinu rotacije, tijelo će imati veću brzinu rotacije na geografskoj širini od Zemljine površine ispod njega. Drugim riječima, na geografskoj širini tijelo dobiva ubrzanje u odnosu na zemljinu površinu, usmjereno udesno, okomito na kretanje tijela. Zbog toga će tijelo skrenuti udesno od prvobitnog (meridionalnog) smjera gibanja i njegova će putanja (u odnosu na površinu zemlje) biti krivocrtna.

Promatrač povezan sa rotirajućom Zemljom (i samim tim ne primjećuje njezinu rotaciju) objasnit će ovu pojavu djelovanjem na tijelo određene inercijalne sile usmjerene udesno okomito na brzinu tijela i jednake joj po veličini. Ta se sila naziva Coriolisova sila, odnosno Coriolisova sila.

Coriolisova sila djeluje samo na pokretna (u odnosu na Zemlju) tijela. Budući da je okomit na brzinu tijela, ono mijenja samo smjer, ali ne i veličinu te brzine; na sjevernoj hemisferi Coriolisova sila usmjerena je udesno, a na južnoj hemisferi ulijevo. Kako bismo izbjegli nesporazume, naglašavamo da Coriolisova sila nastaje u bilo kojem (a ne samo u meridijalnom) smjeru gibanja tijela.

Veličina Coriolisove sile proporcionalna je brzini tijela, njegovoj masi i kutnoj brzini dnevne rotacije Zemlje. Budući da je kutna brzina rotacije Zemlje mala, Coriolisova sila može poprimiti velike vrijednosti i uzrokovati značajna odstupanja samo za tijela koja se kreću velikom brzinom (na primjer, za interkontinentalne balističke rakete u letu).

Ako je kretanje tijela na zemljinoj površini ograničeno (u bočnom smjeru) nekom vrstom veze, tada će tijelo na tu vezu vršiti pritisak silom jednakom Coriolisu. S produljenom izloženošću, Coriolisova sila, unatoč relativno maloj vrijednosti, uzrokuje zamjetan učinak. Zahvaljujući njemu, rijeke sjeverne hemisfere ispiraju desne obale (Beerov zakon), a zračne struje poprimaju desnu rotaciju (u smjeru kazaljke na satu). Djelovanje Coriolisove sile također je odgovorno za povećano trošenje desne tračnice željezničkih tračnica na sjevernoj hemisferi.

Zadatak 6. O tetivu duljine cm i promjera obješen je uteg koji se pritom produžio na cm. Odredite modul elastičnosti te tetive.

Riješenje. Tetiva je podvrgnuta jednostranoj deformaciji naprezanja, stoga, prema formuli (12),

gdje je površina poprečnog presjeka, iznos istezanja tetive.

Zadatak 7. Odredite vučnu silu koju razvija motor automobila koji se ubrzano kreće uzbrdo (slika 21). Nagib planine jednak je svakoj stazi, masa automobila je koeficijent trenja

Riješenje. Izrazi težinu automobila:

Rastavimo ga na dvije komponente (sl. 21): silu koja kotrlja automobil niz planinu (paralelno s površinom planine) i silu koja ga pritišće na površinu planine, tj. normalan pritisak(okomito na površinu planine).

Motor automobila koji se kreće uzbrdo mora svladati silu kotrljanja i silu trenja, osim toga, mora dati automobilu ubrzanje a. Prema tome, vučna sila

Prema zakonu univerzalne gravitacije sva se tijela međusobno privlače, a sila privlačenja izravno je proporcionalna masama tijela, a obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. Odnosno, izraz "nedostatak gravitacije" uopće nema smisla. Na visini od nekoliko stotina kilometara iznad Zemljine površine – gdje lete brodovi s ljudskom posadom i svemirske postaje – Zemljina je gravitacija vrlo jaka i praktički se ne razlikuje od gravitacijske sile u blizini površine.

Kad bi bilo tehnički moguće ispustiti neki objekt s tornja visokog 300 kilometara, on bi počeo padati okomito i s ubrzanjem slobodnog pada, kao što bi pao s visine nebodera ili s visine ljudske visine. Dakle, tijekom orbitalnih letova sila gravitacije ne izostaje i ne slabi u značajnijim razmjerima, već se kompenzira. Na isti način kao i za plovila i balone, sila gravitacije zemlje kompenzira se Arhimedovom silom, a za letjelice s krilima - silom podizanja krila.

Da, ali avion leti i ne pada, a putnik u kabini se ne vozi kao astronauti na ISS-u. Tijekom normalnog leta putnik savršeno osjeća svoju težinu, a od pada na tlo ga ne zadržava sila podizanja, već sila reakcije oslonca. Samo tijekom nužde ili umjetno uzrokovanog oštrog pada, osoba iznenada osjeća da prestaje vršiti pritisak na potporu. Nastaje bestežinsko stanje. Zašto? I zato što ako se gubitak visine dogodi s akceleracijom bliskom akceleraciji slobodnog pada, tada oslonac više ne sprječava putnicu da padne - ona sama pada.

spaceref.com Jasno je da kada avion prestane sa oštrim spuštanjem, ili, nažalost, padne na tlo, tada će postati jasno da gravitacija nije nikamo otišla. Jer u zemaljskim i prizemnim uvjetima učinak bestežinskog stanja moguć je samo tijekom pada. Zapravo, dugi pad je orbitalni let. svemirski brod, krećući se po orbiti prvom kozmičkom brzinom, sila inercije ga sprječava da padne na Zemlju. Interakcija gravitacije i inercije naziva se "centrifugalna sila", iako u stvarnosti takva sila ne postoji, to je na neki način fikcija. Uređaj se nastoji kretati pravocrtno (tangentno na orbitu blizu Zemlje), ali zemljina gravitacija stalno "okreće" putanju kretanja. Ovdje je ekvivalent ubrzanju slobodnog pada tzv. centripetalno ubrzanje, zbog čega se ne mijenja vrijednost brzine, već njezin vektor. I tako brzina broda ostaje nepromijenjena, a smjer kretanja se stalno mijenja. Budući da se i brod i astronaut kreću istom brzinom i istom centripetalnom akceleracijom, letjelica ne može djelovati kao oslonac na koji pritišće težina osobe. Težina je sila tijela koja djeluje na nosač koji sprječava pad, nastaje u polju gravitacije, a brod, poput zrakoplova koji se oštro spušta, ne ometa pad.

Zbog toga je apsolutno pogrešno govoriti o odsutnosti zemaljske gravitacije ili prisutnosti "mikrogravitacije" (kao što je uobičajeno u izvorima na engleskom) u orbiti. Naprotiv, privlačnost zemlje jedan je od glavnih čimbenika fenomena bestežinskog stanja koji se javlja na brodu.

O pravoj mikrogravitaciji može se govoriti samo u odnosu na letove u međuplanetarnom i međuzvjezdanom prostoru. Daleko od velikog nebeskog tijela djelovanje privlačnih sila dalekih zvijezda i planeta bit će toliko slabo da će nastupiti efekt bestežinskog stanja. O tome kako se nositi s tim, više smo puta čitali u znanstvenofantastičnim romanima. Svemirske postaje u obliku torusa (upravljača) okretat će se oko središnje osi i pomoću centrifugalne sile stvarati imitaciju gravitacije. Istina, da biste stvorili ekvivalent gravitacije, morat ćete torusu dati promjer veći od 200 m. Postoje i drugi problemi povezani s umjetnom gravitacijom. Dakle, sve je ovo stvar daleke budućnosti.

Činjenica da se bestežinsko stanje promatra u svemiru danas je možda čak i poznato Malo djete. Takav raširen Toj činjenici poslužili su brojni znanstvenofantastični filmovi o svemiru. Međutim, u stvarnosti malo ljudi zna zašto u svemiru postoji bestežinsko stanje, a mi ćemo danas pokušati objasniti taj fenomen.

Lažne hipoteze

Većina ljudi, nakon što je čula pitanje o podrijetlu bestežinskog stanja, lako će na njega dati odgovor, rekavši da se takvo stanje doživljava u Kozmosu iz razloga što tamo na tijela ne djeluje sila privlačnosti. I to će biti fundamentalno pogrešan odgovor, jer sila gravitacije djeluje u Kozmosu, a ona je ta koja drži sva kozmička tijela na njihovim mjestima, uključujući Zemlju i Mjesec, Mars i Veneru, koji neizbježno kruže oko našeg prirodnog svjetla - sunce.

Čuvši da je odgovor pogrešan, ljudi će vjerojatno izvući još jedan adut iz rukava - nedostatak atmosfere, puni vakuum promatrana u prostoru. Međutim, ni ovaj odgovor nije točan.

Zašto je bestežinsko stanje u svemiru

Činjenica je da bestežinsko stanje koje doživljavaju astronauti na ISS-u nastaje zbog cijele kombinacije različitih čimbenika.

Razlog tome je što se ISS okreće oko Zemlje u orbiti ogromnom brzinom koja prelazi 28 tisuća kilometara na sat. Takva brzina utječe na to da astronauti na postaji više ne osjećaju Zemljinu gravitaciju, te se stvara osjećaj bestežinskog stanja u odnosu na brod. Sve to dovodi do činjenice da se astronauti počinju kretati po stanici točno onako kako to vidimo u znanstvenofantastičnim filmovima.

Kako simulirati bestežinsko stanje na Zemlji

Zanimljivo je da se bestežinsko stanje može umjetno stvoriti unutar Zemljina atmosferašto, usput, stručnjaci iz NASA-e uspješno rade.

Na ravnoteži NASA-e postoji takva letjelica kao što je Vomit Comet. Ovo je sasvim običan avion, koji služi za obuku astronauta. On je taj koji je u stanju ponovno stvoriti uvjete boravka u bestežinskom stanju.

Proces ponovnog stvaranja takvih uvjeta je sljedeći:

1. Zrakoplov brzo dobiva na visini, krećući se duž unaprijed planirane parabolične putanje.
2. Dostigavši ​​gornju točku uvjetne parabole, zrakoplov počinje oštro kretanje prema dolje.
3. Zbog oštre promjene putanje kretanja, kao i težnje zrakoplova prema dolje, svi ljudi u zrakoplovu počinju biti u bestežinskom stanju.
4. Dostigavši ​​određenu točku spuštanja, zrakoplov usmjerava putanju i ponavlja proceduru leta ili slijeće na površinu Zemlje.