Как сделать невесомость в домашних условиях
Обновлено: 04.07.2024
Невесомость — что это простыми словами
Для того чтобы понять, что такое невесомость, нужно сначала познакомиться с понятием веса.
Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Очень часто понятие вес путают с массой. Вес обозначается P — давление, оказываемое телом на подвес или опору. F — сила упругости, оказываемая подвесом на предмет. Они равны по модулю, но противоположны по направлению.
Невесомость возникает в том случае, если тело не давит на опору или подвес. Еще Готфрид Лейбниц отметил изменение веса шарика в свободном падении в жидкости. В 1892 — 1893 г.г. профессором МГУ Любимовым Н. А. было поставлено несколько опытов, доказывающих возникновение невесомости в состоянии свободного падения. В своих экспериментах Любимов использовал маятник. Маятник, выведенный из положения равновесия при свободном падении, не качался.
Определение состояния невесомости, физические особенности
Простыми словами, состояние невесомости — отсутствие давления на предмет и его части, т.е. гравитационные силы в этом случае уравновешиваются.
Есть два вида невесомости.
Потеря веса, которая возникает на большом расстоянии от небесных тел из-за ослабления притяжения, называется статической невесомостью. А состояние, в котором находится человек во время полета по орбите, — динамической невесомостью.
Физическая формула веса (P) при ускоренном движении опоры имеет следующий вид:
P = m ( g - a ) ,
m — масса тела,
g — ускорение свободного падения,
a — ускорение опоры.
При равенстве g и a, P=0, достигается невесомость.
Динамическая невесомость возникает и на Земле. Невесомы пловцы-ныряльщики, летящие в воду с вышки. Лыжники во время прыжка с трамплина невесомы в течение нескольких секунд. Невесомы падающие камнем вниз парашютисты, пока они не раскрыли парашюты. При тренировках космонавтов на тридцать – сорок секунд создают невесомость в самолете.
Как проявляется, влияние на человека
Мы не замечаем собственного веса и привыкли к тому, что все предметы имеют вес. За миллионы лет развития все живущие на Земле организмы приспособились к тому, чтобы выдержать свой вес, люди не исключение. Для жизни в условиях земного притяжения у нас есть кости, связки и мышцы.
Естественно, что состояние невесомости существенно отличается от привычного нам. Организм человека в такой среде реагирует на невесомость как на раздражитель. Центральная нервная система страдает в первую очередь. Отсутствие привычной тяжести для человеческого тела — большой стресс.
В невесомости человеческий рост может увеличиться на 2 – 5 см из-за низкой гравитации. Это может вызвать мышечные и суставные боли. Но после возращения в привычные условия, рост вернется.
Сильный дискомфорт причиняет изменение давления жидкости в организме. Кровь приливает к голове и груди. Стоять и ходить в состоянии невесомости не получится, поэтому мышцы спины и ног начинают терять силу и уменьшаться в размерах. Невесомость действует и на кости человека. Каждый месяц, проведенный в состоянии невесомости, кости истончаются на 1%.
После возвращения на Землю космонавты должны снова привыкать к земным условиям. Даже за несколько дней в космосе, человеческое тело отвыкает от собственного веса. Многие космонавты не способны устойчиво держаться на ногах и ходить после пребывания в невесомости. Чтобы последствия не были тяжелыми, космонавты, помимо обычных силовых тренировок, проводят электростимуляцию мышц. Не исключается применение и фармакологических средств.
Можно ли создать условия невесомости на Земле
Чтобы привыкнуть к ощущению невесомости в космосе, космонавты тренируется в специальных самолетах-лабораториях:
Он взлетает и начинает просто падать, чтобы ускорение самолета было равно ускорению свободного падения. В этот момент, в формуле веса из g вычитается равное ему значение ускорения a и получается 0:
P = m ( g - a ) = m ( 9 , 8 - 9 , 8 ) = 0
Мы живём в век освоения космоса, в век полётов космических кораблей в межзвёздное пространство. И, конечно, все мы слышали о невесомости.
Начало космической эры поставило перед учеными задачу изучения проблемы невесомости, в частности влияния невесомости на человеческий организм. Для этого необходимо было разработать систему исследований и специальное оборудование. Говоря о невесомости, мы представляем себе космонавтов, свободно плавающих внутри космической станции, как рыбы в аквариуме.
Что такое невесомость? Когда наступает невесомость? В чем она проявляется? Бывает ли человек в состоянии невесомости в обыденной жизни? А можно ли получить невесомость на Земле? Чтобы найти ответы на эти вопросы, я решила провести исследование.
Актуальностьработы в том, что полет в космическое пространство 50 лет тому назад был чудом. А сегодня это реальность. В космосе невесомость – постоянное условие жизни и деятельности. Это резко отличает космос от среды, в которой обитает человечество. Чтобы дальнейшее освоение космоса было возможно, нужно изучить его воздействие на человека.
Цель исследования:
Выяснить, что такое невесомость, провести в домашних условиях опыты с невесомостью.
Задачи проекта:
Провести опрос среди ребят начальных классов, знают ли они, что такое невесомость.
Узнать, как влияет невесомость на человека.
Провести опыты с невесомостью в домашних условиях.
Обработать материал, отобрать информацию, необходимую для презентации.
Объект исследования: невесомость.
Предмет исследования: невесомость, созданная в домашних условиях.
Гипотеза:космические исследования помогают нам смотреть на привычные земные явления по-новому: невесомость, открытую в космосе, можно наблюдать в домашних условиях.
Новизна моей работы в том,что изучение данной темы не входит в школьную программу.
Методы исследования:
изучение теоретического материала о невесомости;
анализ полученных результатов.
Практическая значимость:
Данный материал можно использовать:
на занятиях по внеурочной деятельности в начальной школе с целью расширения кругозора обучающихся;
на уроках окружающего мира при изучении тем, связанных с космосом, с целью повышения интереса к изучаемому предмету.
Глава I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕВЕСОМОСТИ
1.1. Что такое невесомость?
Невесомость – состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой, возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. [5]
Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке. Однако в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета, гражданская авиация сбрасывает высоту совершая несколько протяженных спиральных витков. То есть спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. Такое же чувство знакомо и автомобилистам, знакомыми с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз.
Невесомость на космическом корабле возникает не из-за того, что он летит высоко, и сила притяжения Земли, действующая на него, мала. А из-за того, что космический корабль двигаясь по орбите как будто постоянно падает на Землю. Он все время летит вниз, поэтому и не имеет веса. А сила гравитации на космический корабль действует почти так же, как на Земле (всего на 10% меньше). Если бы мы могли построить башню высотой 350 км (именно такая высота орбиты МКС), то никакой невесомости мы бы там не почувствовали. [9]
Опрос учеников начальных классов
Узнав, что такое невесомость и как она возникает, я решила выяснить, что знают о невесомости мои одноклассники. Я провела опрос (Приложение 1).
На вопрос, что такое невесомость, ни один ученик не дал точного ответа. 3 человека (11%) были близки к правильному ответу, 11 человек (42%) ответили неправильно (Приложение 2).
Из 26 человек 6 человек (23%) считают, что невесомость можно наблюдать в домашних условиях (Приложение 3).
Все хотят узнать интересные факты о невесомости (Приложение 5).
При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемаясиндромом космической адаптации. По симптомам это состояние похоже на морскую болезнь: снижение аппетита, головокружение, головная боль, усиление слюноотделения, тошнота, иногда встречается рвота, пространственные иллюзии. Все эти эффекты обычно проходят после 3 – 6 суток полёта. При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер: быстрое атрофирование мышц – мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате понижаются все физические характеристики организма; следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода; из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего гемоглобин; ограничение подвижности нарушает фосфорный обмен в костях, что приводит к снижению их прочности.
Человеческий организм, попав в условия невесомости, начинает перестраиваться. Человек худеет. Всё тело становится дряблым, как при долгом лежании в постели. Кости становятся хрупкими - они здесь не испытывают нагрузки. Мышцы работают мало. А от бездействия все органы слабеют. Похоже на то, как пролежавший в постели несколько месяцев человек заново учится ходить. В отдельных случаях после длительного пребывания в невесомости космонавты вообще первое время не могут встать на ноги.
Возможно ли вырастить растения в невесомости?
Ученые считают, что растения выращивать в невесомости стало возможным.
Российский космонавт Михаил Тюрин в 2007 году выращивал на Международной космической станции горох. По его наблюдениям, горох в невесомости растёт так же быстро, как и на Земле. Семена были посажены в специальной бортовой оранжерее, и уже через две недели были хорошо видны зелёные ростки. А через месяц после посева началось цветение растения. Плоды гороха были достаточно крупные. Тюрин признался, что ему не удалось попробовать из нового урожая ни одной горошины, так как все собранные бобовые представляют важную научную ценность.[6]
Вода в невесомости
Естественная форма всякой жидкости – шар. В космосе вода принимает именно такую форму. А на Земле сила тяжести мешает жидкости образовывать шар, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него.
Выводы по первой главе
Я узнала, что невесомость в космосе возникает не из-за силы притяжения Земли, а из-за того, что космический корабль, двигаясь по орбите, как будто постоянно летит вниз.
Многие ребята начальных классов не имеют представления о невесомости и её влиянии на организм человека.
В космосе для привыкания человека к невесомости требуется время. В космическом корабле созданы специальные условия для занятий космонавтов физическими упражнениями, чтобы мышцы за время полёта не ослабевали.
В космосе возможно выращивать растения.
Глава II. ОПЫТЫ С НЕВЕСОМОСТЬЮ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ
2.1. Невесомость на Земле
В тот момент, когда камень падал, он был в невесомости.
2.2. Как почувствовать невесомость в домашних условиях?
Мы испытываем невесомость каждый раз, просто подпрыгнув – в момент, когда летим вниз. Во время прыжка вверх состояние невесомости длится один короткий миг. Мы испытываем невесомость, качаясь на качелях, – в тот момент, когда они на секунду застыли перед тем как поменять направление движения и опуститься вниз.
Парашютисты ощущают состояние невесомости, но испытывают они его только в начале падения, когда скорость растёт. Как только скорость становится постоянной, состояние невесомости прекращается. Я подумала о том, что прыжок с парашютом в земных условиях можно попробовать заменить спуском на лифте. Я живу в частном доме, лифт – непривычное для меня сооружение, но мы с родителями нашли возможность провести этот опыт. Действительно, в начале спуска я испытала необычное ощущение легкости в организме (Приложение 7).
Невесомость можно даже зафиксировать в домашних условиях при помощи обычных пружинных весов.
Я провела два опыта, мне помогал папа.
Опыт 1. На весы мы подвесили мой школьный рюкзак. Папа поднял весы на вытянутой руке вверх. Весы показали 4 кг. Папа резко опустил руку вниз. Я заметила, что стрелочка на весах поднялась вверх, к нулю, показав, что вес рюкзака при падении уменьшился (Приложение 8).
Опыт 2. Я стала на напольные пружинные весы. Мой вес – 26 кг. Затем я резко присела, стрелка приблизилась к нулю, показав, что я стала невесомой (Приложение 9).
В бутылке проделали отверстие и налили воду. Я подняла бутылку вверх, вода лилась струйкой из отверстия. Я бросила бутылку с небольшой высоты. Пока бутылка падала, струйка не текла. Вода при падении бутылки стала невесомой.
2.4. Жидкость в состоянии невесомости
Я продолжила опыты с жидкостью и невесомостью и попробовала придать жидкости форму шара. Если мне это удастся, значит, для жидкости можно создать на Земле состояние невесомости.
В прозрачный стакан с небольшим количеством воды я добавила такое же количество спирта. Шприцем ввела растительное масло. Масло расположилось в середине сосуда красивым желтым шаром. Значит, для масла созданы условия невесомости (Приложение 10).
Выводы по второй главе
Я на собственных опытах убедилась в том, что на Земле можно испытать состояние невесомости, причем, не только в специально созданных условиях, но и в домашних.
Варианты создания искусственной силы тяжести в космосе
Центрифуга короткого радиуса ИМБП первого поколения
Подготовка экспериментального оборудования и наложение датчиков на испытуемого перед началом вращения на современной центрифуге короткого радиуса ИМБП
Ход центрифуги нового поколения такой плавный, что человек в закрытой кабине не ощущает вращения
Искусственная гравитация — популярная тема научной фантастики. Но она давно уже вышла за рамки книг и фильмов, став практической задачей ученых. Технологии искусственной гравитации, создающие эффект силы притяжения, разрабатываются и исследуются в Институте медико-биологических проблем (ИМБП) РАН в интересах предстоящих полетов в дальний космос.
Чтобы лететь на Марс
Когда голова идет кругом
Наземные эксперименты проводились в ИМБП начиная с 1960-х годов. Они показали, что перемещение человека во вращающейся среде неизбежно приводит к возникновению в вестибулярном аппарате эффекта укачивания — вплоть до развития клинической формы болезни движения. И чем больше скорость вращения, тем сильнее воздействие на вестибулярный аппарат. В разные годы изучалось влияние на организм человека длительного (до одного месяца) пребывания во вращающихся системах.
Итак, сначала была создана медленно вращающаяся камера МВК-1. Она имела кабину цилиндрической формы с осью вращения, проходящей через центр пола. Привод установки обеспечивал равномерное вращение с угловой скоростью от 0.9 до 6 оборотов в минуту. Сравнительно небольшие размеры МВК-1 (площадь около 3 м²) были рассчитаны на двух испытателей в сидячем положении. Продолжительность непрерывного пребывания в ней ограничивалась одной неделей.
Гравитационная терапия
В результате исследований был решен вопрос о направлении действия перегрузок при вращении на центрифуге короткого радиуса в невесомости, а именно направление должно быть вдоль продольной оси тела от головы к ногам. Только этот вектор действия перегрузок создает гидростатическое давление крови, аналогичное тому, что испытывает человек стоя на Земле, и исчезающее в невесомости. В модельных исследованиях была доказана принципиальная возможность эффективного применения искусственной гравитации в профилактических целях.
Лежа стоять на Земле
Модуль с гравитацией
«Вопрос, когда будет создаваться данный модуль, на сегодняшний день открыт, — подчеркнул Олег Орлов. — Вероятнее всего, он просматривается в конфигурации новой российской орбитальной станции. На этапе создания макета бортового варианта центрифуги короткого радиуса мы совместно с коллегами из РКК „Энергия“ должны отработать медико-технические требования и решить вопросы не только габаритов изделия для проектируемого модуля, эргономики эксплуатации, но и ряд других: например, энергопотребление, образование воздушных потоков при вращении и т. п.
Не вместо, а вместе
Специалисты ИМБП отмечают: не следует рассматривать центрифугу короткого радиуса в качестве универсального профилактического средства от всех возможных неблагоприятных проявлений невесомости.
В ИМБП идет разработка периодичности использования центрифуги короткого радиуса. Возможно, она будет применяться в ранние сроки космического полета, начиная буквально со 2–3-го дня пребывания в невесомости и до окончания миссии.
Сила притяжения искусства
Проблемы с вестибулярным аппаратом — не единственное последствие длительного пребывания в условиях микрогравитации. Астронавты, которые проводят на МКС больше месяца, часто страдают от нарушения сна, замедления работы сердечно-сосудистой системы и метеоризма.
Недавно НАСА завершило эксперимент, в ходе которого ученые сравнили геном братьев-близнецов: один из них провел на МКС почти год, другой совершал лишь кратковременные полеты и большую часть времени находился на Земле. Долговременное пребывание в космосе привело к тому, что 7% ДНК первого астронавта изменились навсегда — речь идет о генах, связанных с иммунной системой, формированием костной ткани, кислородным голоданием и избыточным количеством углекислого газа в организме.
В условиях микрогравитации человек будет вынужден бездействовать: речь идет не о пребывании астронавтов на МКС, а о полетах в глубокий космос. Чтобы выяснить, как такой режим повлияет на здоровье астронавтов, Европейское космическое агентство (ESA) на 21 день положило 14 добровольцев в наклоненную в сторону головы кровать. Эксперимент, который позволит на практике проверить новейшие методы борьбы с невесомостью — такие как улучшенные режимы физических упражнений и питания — намерены совместно провести НАСА и Роскосмос.
Как гравитация может существовать в космосе
Прежде всего стоит понять, что гравитация существует везде — в некоторых местах она слабее, в других сильнее. И космическое пространство не является исключением.
МКС и спутники находятся под постоянным влиянием гравитации: если объект находится на орбите, он, говоря упрощенно, падает вокруг Земли. Подобный эффект возникает, если бросить мяч вперед — прежде чем упасть на землю, он немного пролетит в направлении броска. Если бросить мяч сильнее, он пролетит дальше. Если вы супермен, а мяч — ракетный двигатель, он не упадет на землю, а облетит вокруг нее и продолжит вращаться, постепенно выходя на орбиту.
Микрогравитация предполагает, что люди внутри корабля не находятся в воздухе — они падают с корабля, а тот, в свою очередь, падает вокруг Земли.
Благодаря тому, что гравитация является силой притяжения между двумя массами, мы остаемся на поверхности Земли, когда идем по ней, а не уплываем в небо. В этом случае вся масса Земли притягивает массу наших тел к своему центру.
Как создать искусственную гравитацию
Искусственной гравитации как таковой не существует, чтобы ее создать, человеку необходимо узнать всё об естественной гравитации. В научной фантастике существует концепция имитации гравитации: она позволяет экипажу космических кораблей ходить по палубе, а предметам стоять на ней.
В теории существует два способа создать имитацию гравитации, и ни один из них пока не был использован в реальной жизни. Первый — это использование центростремительной силы для моделирования силы тяжести. Корабль или станция при этом должны представлять собой колесоподобную конструкцию, состоящую из нескольких постоянно вращающихся сегментов.
Будучи директором Центра космических полетов имени Маршалла НАСА, фон Браун популяризировал идею российского ученого Константина Циолковского о создании тороидальной космической станции на основе конструкции со ступицами, напоминающей велосипедное колесо. Если колесо вращается в пространстве, то инерция и центробежная сила могут создать своего рода искусственную гравитацию, которая тянет предметы к внешней окружности колеса. Это позволит людям и роботам ходить по полу, как на Земле, а не плавать в воздухе, как на МКС.
Однако у этого метода есть существенные недостатки: чем меньше космический корабль, тем быстрее он должен вращаться — это приведет к возникновению так называемой силы Корнолиса, при которой на точки, расположенные дальше от центра, сила тяжести будет влиять сильнее, чем на более близкие к нему. Другими словами, сила тяжести будет действовать на голову астронавтов сильнее, чем на ноги, что вряд ли им понравится.
Чтобы избежать этого эффекта, размер корабля должен в несколько раз превышать размер футбольного поля — вывод такого аппарата на орбиту будет стоить крайне дорого, учитывая, что стоимость одного килограмма груза при коммерческих запусках варьируется от $1,5 тыс. до $3 тыс.
Другой метод создания имитации гравитации более практичен, но также крайне дорог — речь идет о методе ускорения. Если корабль на определенном отрезке пути сначала будет разгоняться, а затем развернется и начнет тормозить, то возникнет эффект искусственной гравитации.
Для реализации этого метода потребуются колоссальные запасы топлива — дело в том, что двигатели должны работать почти непрерывно за исключением короткого перерыва в середине пути — во время разворота корабля.
Реальные примеры
Несмотря на высокую стоимость запуска аппаратов с имитацией гравитации, компании по всему миру пытаются построить такие корабли и станции.
Реализовать концепцию Фон Брауна пытается компания Gateway foundation — исследовательский фонд, который планирует построить вращающуюся станцию на орбите Земли. Предполагается, что по окружности колеса будут располагаться капсулы, которые смогут покупать государственные и частные аэрокосмические компании для проведения исследований. Некоторые капсулы будут проданы в качестве вилл самым богатым жителям Земли, а другие будут использоваться как отели для космических туристов.
Стыковочный отсек будет находится в центре станции — оттуда людей и грузы будут доставлять на лифтах в капсулы.
Способ привлечения денег компания выбрала неоднозначный: она намерена организовать лотерею, победители которой помимо денежного вознаграждения получат возможность бесплатно полететь на станцию и провести ночь в ее капсуле. Когда аппарат будет выведен на орбиту, в компании не раскрывают.
Над созданием аппарата с искусственной гравитацией для проведения долговременных космических исследований работала и НАСА. В 2011 году космическое агентство представило концепцию вращающегося космического корабля с надувными модулями Nautilus-X, который должен был снизить влияние микрогравитации на ученых, находящихся на его борту.
Предполагалось, что проект будет стоить всего $3,7 млрд — очень мало для подобных аппаратов, — а на его строительство потребуется 64 месяца. Однако Nautilus-X так и не вышел за рамки первоначальных чертежей и предложений.
Вывод
Пока самый вероятный способ получить имитацию гравитации, которая защитит корабль от последствий ускорения и даст постоянное притяжение без необходимости постоянно использовать двигатели — это обнаружить частицу с отрицательной массой. Все частицы и античастицы, которые ученые когда-либо обнаружили, имеют положительную массу. Известно, что отричательная масса и гравитационная масса равны друг другу, однако пока исследователям не удавалось продемонстрировать это знание на практике.
Исследователи из эксперимента ALPHA в ЦЕРНе уже создали антиводород — стабильную форму нейтрального антивещества — и работает над его изоляцией от всех других частиц на очень низких скоростях. Если ученым удастся это сделать, вероятно, в ближайшее время искусственная гравитация станет реальнее, чем сейчас.
Читайте также: