Si osserva uno stato di assenza di gravità. Cos'è l'assenza di gravità dal punto di vista di un fisico e di un astronauta? Impatto sul corpo umano

Accendere una candela sulla Terra (a sinistra) e in assenza di gravità (a destra)

Assenza di peso- uno stato in cui non esiste alcuna forza di interazione tra un corpo e un supporto o sospensione (peso corporeo), derivante dall'attrazione gravitazionale o dall'azione di altre forze di massa (in particolare, la forza di inerzia che si verifica durante il movimento accelerato del corpo).

A volte il termine è usato come sinonimo del nome di questo fenomeno microgravità, il che non è corretto (dà l'impressione che la gravità sia assente o trascurabilmente piccola).

Cause

Lo stato di assenza di gravità si verifica quando le forze esterne che agiscono sul corpo sono solo di massa (forze gravitazionali), oppure il campo di queste forze di massa è localmente omogeneo, cioè le forze di campo impartiscono a tutte le particelle del corpo in ciascuna posizione lo stesso accelerazione in grandezza e direzione (che quando si muove nel campo gravitazionale terrestre avviene praticamente se le dimensioni del corpo sono piccole rispetto al raggio della Terra), o le velocità iniziali di tutte le particelle del corpo sono le stesse in grandezza e direzione direzione (il corpo si muove traslatoriamente).

Ad esempio, un'astronave e tutti i corpi in essa contenuti, avendo ricevuto la corrispondente velocità iniziale, si muovono sotto l'influenza delle forze gravitazionali lungo le loro orbite con quasi le stesse accelerazioni di quelle libere; né i corpi stessi né le loro particelle esercitano una pressione reciproca, cioè sono in uno stato di assenza di gravità. Allo stesso tempo, rispetto alla cabina del dispositivo, il corpo in esso situato può rimanere a riposo in qualsiasi luogo (“appendere” liberamente nello spazio). Sebbene le forze gravitazionali in assenza di gravità agiscano su tutte le particelle del corpo, non esistono forze superficiali esterne che potrebbero causare una pressione reciproca delle particelle l'una sull'altra.

Pertanto, qualsiasi corpo le cui dimensioni sono piccole rispetto al raggio terrestre, eseguendo un libero movimento di traslazione nel campo gravitazionale terrestre, si troverà, in assenza di altre forze esterne, in uno stato di assenza di gravità. Il risultato sarà simile per il movimento nel campo gravitazionale di qualsiasi altro corpo celeste.

Storia

Leibniz notò la variazione del peso di una palla quando cade liberamente in un liquido. Nel 1892-1893 diversi esperimenti che dimostrano il verificarsi dell'assenza di gravità durante la caduta libera sono stati condotti dal professore dell'Università statale di Mosca N.A. Lyubimov, ad esempio, un pendolo rimosso dalla sua posizione di equilibrio durante la caduta libera non ha oscillato.

Caratteristiche dell'attività umana e della tecnologia

In condizioni di assenza di gravità a bordo di un veicolo spaziale, molti processi fisici (convezione, combustione, ecc.) procedono in modo diverso rispetto alla Terra. L'assenza di gravità, in particolare, richiede una progettazione speciale di sistemi come docce, servizi igienici, sistemi di riscaldamento degli alimenti, ventilazione, ecc. Per evitare la formazione di zone stagnanti in cui può accumularsi l'anidride carbonica e per garantire una miscelazione uniforme di aria calda e fredda , L'ISS, ad esempio, ha un gran numero di ventole installate. Anche mangiare e bere, l'igiene personale, il lavoro con le attrezzature e, in generale, le normali attività quotidiane hanno caratteristiche proprie e richiedono che l'astronauta sviluppi abitudini e competenze necessarie.

Gli effetti dell'assenza di gravità vengono inevitabilmente presi in considerazione nella progettazione di un motore a razzo a propellente liquido progettato per il lancio a gravità zero. I componenti del carburante liquido nei serbatoi si comportano esattamente come qualsiasi liquido (formando sfere liquide). Per questo motivo l'alimentazione dei componenti liquidi dai serbatoi alle tubazioni del carburante potrebbe diventare impossibile. Per compensare questo effetto, viene utilizzato un design speciale del serbatoio (con separatori di gas e liquidi), nonché una procedura di sedimentazione del carburante prima di avviare il motore. Questa procedura consiste nell'accendere i motori ausiliari della nave per l'accelerazione; la leggera accelerazione che creano deposita il carburante liquido sul fondo del serbatoio, da dove il sistema di alimentazione convoglia il carburante nelle tubazioni.

Impatto sul corpo umano

Quando si passa da condizioni di peso corporeo vicino alla superficie terrestre a condizioni di assenza di gravità (principalmente quando un veicolo spaziale entra in orbita), la maggior parte degli astronauti sperimenta una reazione dell'organismo chiamata sindrome di adattamento allo spazio.

Quando una persona rimane nello spazio per un lungo periodo (più di una settimana), la mancanza di peso corporeo inizia a causare alcuni cambiamenti dannosi nel corpo.

La prima e più evidente conseguenza dell'assenza di gravità è la rapida atrofia dei muscoli: i muscoli vengono infatti disattivati ​​​​dall'attività umana, di conseguenza tutte le caratteristiche fisiche del corpo diminuiscono. Inoltre, la conseguenza di una forte diminuzione dell'attività del tessuto muscolare è una riduzione del consumo di ossigeno da parte dell'organismo e, a causa del conseguente eccesso di emoglobina, l'attività del midollo osseo che la sintetizza (emoglobina) può diminuire.

C'è anche motivo di credere che la mobilità limitata interromperà il metabolismo del fosforo nelle ossa, il che porterà a una diminuzione della loro forza.

Peso e gravità

Molto spesso la scomparsa del peso viene confusa con la scomparsa dell'attrazione gravitazionale, ma questo non è affatto vero. Un esempio è la situazione sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Ad un'altitudine di 350 chilometri (l'altitudine della stazione), l'accelerazione di gravità è di 8,8/², ovvero solo il 10% in meno rispetto alla superficie terrestre. Lo stato di assenza di gravità sulla ISS non si verifica a causa della “mancanza di gravità”, ma a causa del movimento in un'orbita circolare alla prima velocità di fuga, cioè i cosmonauti sembrano costantemente “cadere in avanti” ad una velocità di 7,9 km/s.

Assenza di gravità sulla Terra

Sulla Terra, per scopi sperimentali, viene creato uno stato di assenza di gravità a breve termine (fino a 40 s) quando un aereo vola lungo una traiettoria balistica, cioè la traiettoria lungo la quale l'aereo volerebbe sotto l'influenza della forza di gravità solo. Questa traiettoria a basse velocità risulta essere una parabola, motivo per cui a volte viene erroneamente chiamata “parabolica”. In generale, la traiettoria è un'ellisse o un'iperbole.

Tali metodi vengono utilizzati per addestrare gli astronauti in Russia e negli Stati Uniti. Nella cabina di pilotaggio, una palla è sospesa a una corda, che solitamente tira la corda verso il basso (se l'aereo è fermo o si muove uniformemente e in linea retta). La mancanza di tensione nel filo su cui pende la palla indica assenza di gravità. Pertanto, il pilota deve controllare l'aereo in modo che la palla rimanga sospesa in aria senza tensione sulla corda. Per ottenere questo effetto, l'aereo deve avere un'accelerazione costante pari a g e diretta verso il basso. In altre parole, i piloti creano una forza g pari a zero. Un tale sovraccarico può essere creato per un lungo periodo (fino a 40 secondi) eseguendo una speciale manovra acrobatica chiamata "fallimento in aria". I piloti iniziano improvvisamente a salire, entrando in una traiettoria “parabolica”, che termina con lo stesso brusco calo di quota. All'interno della fusoliera si trova una camera in cui si allenano i futuri cosmonauti; si tratta di una cabina passeggeri completamente rivestita e priva di sedili per evitare infortuni sia nei momenti di assenza di gravità che nei momenti di sovraccarico.

Una persona sperimenta una sensazione simile di assenza di gravità (parziale) quando vola su voli dell'aviazione civile durante l'atterraggio. Tuttavia, per ragioni di sicurezza del volo e a causa del carico pesante sulla struttura dell'aeromobile, qualsiasi aereo di linea scende di quota, effettuando diverse lunghe virate a spirale (da un'altitudine di volo di 11 km a un'altitudine di avvicinamento di circa 1-2 km). Cioè, la discesa viene effettuata in più passaggi, durante i quali il passeggero sente per alcuni secondi di essere leggermente sollevato dal sedile. La stessa sensazione la provano gli automobilisti che hanno familiarità con i percorsi che passano lungo ripide colline quando l'auto comincia a scivolare giù dall'alto.

Siamo abituati al fatto che tutti gli oggetti intorno a noi hanno un peso. Ciò accade perché la forza di gravità li attrae verso la Terra. Anche se voliamo in aereo o saltiamo con il paracadute, il peso non scompare da noi. Ma cosa succede se il peso scompare, quando ciò accade e quali fenomeni interessanti si osservano in condizioni di assenza di gravità? Tutto questo - in questo post.

La legge di gravitazione universale, scoperta da Newton, afferma che tutti i corpi dotati di massa sono attratti l'uno dall'altro. Per i corpi con una massa piccola, tale attrazione non è praticamente evidente, ma se un corpo ha una massa grande, come il nostro pianeta Terra (e la sua massa in chilogrammi è espressa in un numero di 25 cifre), l'attrazione diventa evidente. Pertanto, tutti gli oggetti sono attratti dalla Terra: se li sollevi, cadono e quando cadono, la gravità li spinge in superficie. Ciò porta al fatto che tutto sulla Terra ha un peso, anche l'aria viene pressata contro la Terra dalla forza di gravità e con il suo peso preme su tutto ciò che si trova sulla sua superficie.

Quando può scomparire il peso? O quando la forza di gravità non agisce affatto sul corpo, oppure quando agisce, ma nulla impedisce al corpo di cadere liberamente. Sebbene la forza di gravità diminuisca con la distanza dalla Terra, rimane forte anche a centinaia e migliaia di chilometri di altitudine, quindi liberarsi della forza di gravità non è facile. Ma è del tutto possibile ritrovarsi in uno stato di caduta libera.

Ad esempio, puoi trovarti in uno stato di assenza di gravità se ti trovi su un aereo che si muove lungo una traiettoria speciale, proprio come un corpo che non sarebbe ostacolato dalla resistenza dell'aria.

Sembra tutto così:

Naturalmente, l'aereo non può muoversi a lungo lungo una tale traiettoria, perché si schianterà al suolo. Pertanto, solo gli astronauti che vivono su una stazione orbitale devono affrontare soggiorni a lungo termine in condizioni di assenza di gravità. E devono abituarsi al fatto che molti fenomeni che ci sono familiari in condizioni di assenza di gravità si verificano in modo completamente diverso rispetto alla Terra.

1) A gravità zero, puoi spostare facilmente oggetti pesanti e muoverti con solo un piccolo sforzo. È vero, per lo stesso motivo, tutti gli oggetti devono essere fissati in modo speciale in modo che non volino attorno alla stazione orbitale e, mentre dormono, gli astronauti si arrampicano in borse speciali attaccate al muro.

Imparare a muoversi a gravità zero richiede tempo e i principianti non ci riescono subito. "Spingono con tutta la loro forza e sbattono la testa, si impigliano nei cavi e così via, quindi è una fonte di divertimento senza fine", ha detto a questo proposito uno degli astronauti americani.

2) I liquidi in assenza di gravità assumono una forma sferica. Non sarà possibile conservare l'acqua, come siamo abituati sulla Terra, in un contenitore aperto, versarla da un bollitore e versarla in una tazza, e nemmeno lavarci le mani come al solito.

3) La fiamma in condizioni di gravità zero è molto debole e si affievolisce nel tempo. Se accendi una candela in condizioni normali, brucerà intensamente finché non si spegnerà. Ma questo accade perché l'aria riscaldata diventa più leggera e sale verso l'alto, lasciando spazio all'aria fresca satura di ossigeno. A gravità zero, non si osserva la convezione dell'aria e nel tempo l'ossigeno attorno alla fiamma si brucia e la combustione si interrompe.

Accendere una candela in condizioni normali e a gravità zero (a destra)

Ma un flusso costante di ossigeno è necessario non solo per la combustione, ma anche per la respirazione. Pertanto, se l'astronauta è immobile (ad esempio, dorme), è necessario che nello scompartimento sia in funzione un ventilatore per mescolare l'aria.

4) In assenza di gravità è possibile ottenere materiali unici difficili o addirittura impossibili da ottenere in condizioni terrestri. Ad esempio, sostanze ultrapure, nuovi materiali compositi, grandi cristalli regolari e persino medicinali. Se fosse possibile ridurre i costi di trasporto delle merci in orbita e ritorno, ciò risolverebbe molti problemi tecnologici.

5) A gravità zero, a bordo della stazione orbitale, sono stati scoperti per la prima volta alcuni effetti precedentemente sconosciuti. Ad esempio, la formazione di strutture che ricordano quelle cristalline nel plasma, o l'effetto Dzhanibekov, quando un oggetto rotante cambia improvvisamente il suo asse di rotazione di 180 gradi a determinati intervalli.

Effetto Dzhanibekov:

6) L'assenza di gravità ha un impatto significativo sugli esseri umani e sugli organismi viventi. Sebbene sia possibile adattarsi alla vita a gravità zero, non è così facile. Trovandosi per la prima volta in uno stato di assenza di gravità, una persona perde l'orientamento nello spazio, si verificano vertigini, perché l'apparato vestibolare smette di funzionare normalmente. Altri cambiamenti nel corpo includono una ridistribuzione dei liquidi nel corpo, che provoca il gonfiore del viso e il naso chiuso, aumenti di altezza dovuti alla perdita di carico sulla colonna vertebrale e con l'esposizione prolungata all'assenza di gravità, atrofia dei muscoli e delle ossa perdere forza. Per ridurre i cambiamenti negativi, gli astronauti devono eseguire regolarmente esercizi speciali.

Dopo il ritorno sulla Terra, gli astronauti devono riadattarsi alle condizioni precedenti, non solo fisicamente, ma anche psicologicamente. Potrebbero, ad esempio, lasciare per abitudine un bicchiere in aria, dimenticandosi che cadrà.

"Fisica dell'assenza di gravità". Gli astronauti della ISS ci raccontano come funzionano le leggi della fisica in condizioni di assenza di gravità:

Centrifuga presso l'impianto di lavorazione centrale (Star City)

C'era una volta, in uno dei locali del CPC, uno speciale centrifuga del peso di 300 tonnellate e con un diametro di 18 metri, viene utilizzato per simulare i sovraccarichi in condizioni terrestri e, in particolare, consente di sperimentare l'assenza di gravità fisiologica. Chi vuole provare la potenza di una centrifuga da 300 tonnellate deve indossare una tuta pressurizzata, quindi sedersi su una sedia speciale, alla quale vengono prima collegati numerosi sensori. Una sedia completamente attrezzata su cui è seduto un volontario viene portata nella centrifuga e, una volta fatta rotolare all'interno, il motore viene acceso. La rotazione in una centrifuga dura tre minuti; l'assenza di gravità in questo caso si ottiene grazie alla ridistribuzione dei liquidi nel corpo. Medici e un istruttore monitoreranno le letture del sensore per tutti e tre i minuti. Ma esiste anche un modo di emergenza per avvisare di sovraccarichi insopportabili: all'interno della centrifuga, una persona deve tenersi saldamente ad una leva speciale. Se viene rilasciato, medici e specialisti riceveranno un segnale di emergenza che la persona ha perso conoscenza e spegneranno immediatamente la centrifuga.

Costo del servizio: 55.000 rubli a persona

Tel.:

Hydrolab (Città delle Stelle)

Quest'anno segna trent'anni da quando hanno iniziato ad addestrare i cosmonauti prima dei voli nell'idrolaboratorio di Star City. Il laboratorio è un'enorme piscina lunga 23 metri e profonda 12 metri, sul fondo della quale si trova un modello della ISS. È qui che gli astronauti si allenano prima di andare nello spazio per la prima volta. Come in altre attrazioni del CTC, tutti si sottopongono a una visita medica obbligatoria, poi ascoltano una lezione teorica e dopo - e ci vuole almeno mezz'ora - indossano una tuta spaziale complessa, pesante ed estremamente goffa, dotata di speciali pesi di piombo. (tutto insieme pesa circa 200 kg) . E solo allora, con l'aiuto di una gru, i volontari vengono calati con cura sul fondo. L'immersione avviene con un istruttore, che allo stesso tempo dà il compito di spostare alcune parti del modello sott'acqua da un luogo all'altro. È alla massima profondità che appare la sensazione di assenza di gravità, simile a quella sperimentata da un astronauta che lavora nello spazio. L'intero processo dura quattro ore; una persona trascorre due ore sott'acqua. Nota: gli ordini non vengono accettati fino a giugno.

Costo del servizio: 182.000 rubli a persona

Tel.: 526 38 42, 526 38 79, 526 78 55

Volo sul MiG-29

Un altro modo per sperimentare l'assenza di gravità è prendere parte a un volo MiG-29. Durante le manovre acrobatiche, chi è nella cabina di pilotaggio sperimenta l'assenza di gravità, anche se solo per pochi secondi. Voli simili per civili sono organizzati a Nizhny Novgorod. L'evento dura tutta la giornata e inizia la mattina presto: si consiglia di arrivare e sistemarsi in hotel il giorno prima. In questo caso, un istruttore verrà in hotel e ti parlerà del prossimo programma. È necessario registrarsi con un mese e mezzo di anticipo in modo che il servizio di sicurezza abbia il tempo di verificare se il nuovo arrivato è una spia. Chiunque sia stato riconosciuto cittadino onesto è invitato a scegliere uno dei tre programmi possibili: un volo nella troposfera a 12 km di altitudine, a 18 km di altitudine e un volo nella stratosfera a 21 km di altitudine. In quest'ultimo caso, dall'oblò sarà visibile il cielo stellato da un lato e il contorno arrotondato della Terra dall'altro. A seconda dell'altitudine, i voli durano dai 25 ai 50 minuti. Prima del volo tutti vengono sottoposti a una rapida visita medica: i medici controllano la pressione sanguigna e il polso.

Costo del servizio: volo ad un'altitudine di 12 km - 380.000 rub./persona; volo ad un'altitudine di 18 km - 480.000 rub./persona; volo ad un'altitudine di 21 km - 595.000 rub./persona.

Tel.: 645 07 02

Voli su Il-76

Anche se può sembrare che Star City abbia il monopolio sulla vera assenza di gravità spaziale, esiste un altro modo per vivere la vita quotidiana degli astronauti: un volo sull'Il-76, un aereo da trasporto militare sovietico. Qui si applicano tutte le regole del Centro di addestramento per cosmonauti: una visita medica approfondita e quindi la preparazione pre-volo. Un volo dura fino a un'ora e mezza e durante questo periodo, come dicono gli organizzatori, "vengono eseguite fino a dieci modalità di assenza di gravità" per 25 secondi ciascuna. L'assenza di gravità trova a bordo 15 temerari durante un volo lungo la cosiddetta curva di Keplero. Secondo gli organizzatori, i turisti possono ordinare riprese video a bordo, ma qui bisogna essere preparati ad alcuni incidenti: molte persone hanno la nausea per abitudine. Attenzione: i voli sono stati temporaneamente sospesi, ma si promette di riprendere presto.

Costo del servizio: 1.800.000 per un gruppo di 15 persone

Galleria del vento

Una galleria del vento ti permette di sentirti un aeronauta: il flusso d'aria prende una persona e ti sospende in aria, lanciandoti in diverse direzioni. Queste sensazioni, ovviamente, non sono l'assenza di gravità nel senso stretto del termine, ma una galleria del vento ti consente di librarti fino a 10 m di altezza con una larghezza del flusso di 4 m.Il vantaggio principale di una galleria del vento rispetto a tutti i metodi di cui sopra sono la relativa economicità e l'assenza di esami medici. Inoltre, è completamente sicuro. Molti paracadutisti, ad esempio, si allenano nelle gallerie del vento. Nell'area di volo, tutte le pareti sono morbidamente imbottite, non ci sono oggetti duri e una speciale rete protettiva attenua la caduta dopo lo spegnimento del motore. Inoltre, nelle vicinanze c'è sempre un istruttore esperto che controlla il volo ogni minuto. La durata del volo consigliata per una ragazza è di cinque minuti; per un uomo - fino a dieci. Anche i bambini (dai 5 anni) possono volare nella galleria del vento, perché per questo non è necessario essere un atleta con una soglia di autoconservazione bassa. Secondo il programma gli interessati dovranno ascoltare attentamente l'istruttore, che racconterà in dettaglio come rimanere nel flusso d'aria. Successivamente, devi indossare una tuta speciale, indossare un casco, poi un po' di allenamento e - decollare! Attenzione: la velocità del vento nella galleria del vento raggiunge i 200 km/h.

Costo del servizio: 4 minuti - 3500 rubli a persona; 10 minuti - 6500 rubli

Camera di deprivazione sensoriale (galleggiante)

Un'altra opportunità per ritrovarti in assenza di gravità condizionale è sdraiarti per un'ora o due in una camera di deprivazione sensoriale (camera galleggiante). Ai clienti viene promesso che "la galleggiabilità che il corpo acquisisce grazie alla soluzione salina annulla gli effetti della gravità, avvicinando una persona all'esperienza della completa assenza di gravità". La vasca galleggiante, profonda circa 30 cm, è leggermente più larga di un letto matrimoniale; contiene una soluzione acquosa preparata da 400 kg di sale. Un termostato mantiene una temperatura costante di circa 35 gradi Celsius. Si ritiene che questo sia il regime di temperatura ottimale, al quale la maggior parte delle persone non sente né caldo né freddo e cessa rapidamente di sentire il contatto dell'acqua con il corpo. All'interno della camera galleggiante, una persona si ritrova isolata dagli stimoli esterni: nessun suono, nessuna luce, nessun odore penetra al suo interno.

Costo del servizio: 2000 rubli per procedura in 1 ora