8.3. Перегрузки и невесомость. Движение в безопорном пространстве. Искусственное тяготение

Перегрузки _ч

Вес тела приложен к опоре, а не к самому телу, и может изме­ниться в зависимости от движения опоры.

Например, вес тела в покое на Земле равен mg, а вес тела в покое в кабине стартующего корабля больше чем на Земле и ра­вен m-(g + а), как следует из формул 8.3 и 8.7.

Состояние, при котором вес тела больше, чем на Земле, назы­вают перегрузкой.

Если пользоваться системой отсчета, в которой тело находится в состоянии покоя, то вес тела равен (и по величине и по направ­лению) действующей на него силе тяжести (формула 8.7). Поэто­му можно сказать, что перегрузку испытывает тело, находящееся в системе отсчета, в которой сила тяжести превышает земную. Ве­личину перегрузки принято характеризовать отношением силы тяжести, действующей в данной системе отсчета, к силе тяжести на Земле. Например, если космический корабль стартует с уско­рением а = 4g, то согласно формуле (8.3) вес тела в корабле равен 5mg, а вес тела на земле равен mg. Отношение этих величин рав­но пяти. Поэтому в корабле человек испытывает пятикратную перегрузку.

Пропорции и размеры человеческого тела, сила мышц и проч­ность костей приспособлены к существованию в условиях земной силы тяжести. Поэтому если человек оказывается в системе, где сила тяжести значительно превышает земную, он испытывает за­труднения в выполнении самых обычных движений.

Для подготовки человека к работе в условиях значительной пере­грузки необходимы специальные тренировки. Для этого используют центрифугу, которая представляет собой кабину, вращающуюся в горизонтальной плоскости на длинной штанге, рис. 8.5.

Пусть радиус штанги г, и кабина вращается с угловой скоростью со. В этом случае кабина имеет центростремительное ускорение а = со²т и на тело внутри нее действует сила инерции F_K = т(й²т. Согласно принципу Д'Аламбера, сила тяжести в кабине равна век­торной сумме силы инерции и силы тяжести на Земле:

Для того, чтобы человек мог переносить значительные перегруз­ки, применяются специальные устройства: катапультные и амор­тизационные кресла, привязные системы, защитные шлемы и др.

Невесомость

Невесомость возникает внутри любого аппарата, который движет­ся под действием одной единственной силы — силы тяготения. В этом случае сила инерции равна по величине и противоположна по направ­лению силе тяготения и сила тяжести внутри аппарата равна нулю (формула 8.2). Поэтому предметы, покоящиеся относительно стан­ции, не оказывают воздействия на опору и их вес равен нулю.

Невесомостью называется такое состояние тела, при котором его вес равен нулю.

Невесомость возникает, например, внутри космического кораб­ля, который движется в безвоздушном пространстве с выключен­ными двигателями.

Практика показала, что работа человека в условиях невесомо­сти требует специальных навыков, а длительное пребывание в не­весомости отрицательно сказывается на физическом состоянии человека и животных. Все это необходимо учитывать при подго­товке пилотируемых космических полетов.

Для работы в условиях невесомости и пониженной силы тяже­сти (например, на Луне) космонавт должен понимать суть этих явлений и, конечно, уметь правильно двигаться. Знания о двига­тельной активности человека в невесомости и при пониженной силе тяжести накапливаются в ходе специальных медико-биоло­гических экспериментов, широко использующих биомеханические методы. Такие эксперименты, например, показали, что при пони­женном тяготении темп и энерготраты локомоторных движений человека снижаются; локомоции и состояние человека характери­зуются увеличенным сгибанием в крупных суставах; становится доступен способ передвижения прыжками.

Кратковременное состояние невесомости в земных условиях можно создать в самолете, движущемся по параболической траек­тории. Это используется при подготовке космонавтов. Кроме того, для имитации пониженного тяготения разработаны специальные стенды. С помощью биомеханики разрабатываются также средст­ва, облегчающие движения человека в необычных условиях.

Движение в безопорном пространстве

При выполнении стандартных упражнений или действий у чело­века вырабатываются определенные стереотипы движений, обес­печивающие бессознательное достижение требуемого результата. Так, при толкании ядра, спортсмен инстинктивно упирается ногой, чтобы не упасть при «отдаче»; бегун выполняет движения руками, препятствующие вращению корпуса, и т. д. При этом чело­век обязательно взаимодействует с опорой, к которой его прижи­мает сила тяжести. В невесомости сила тяжести отсутствует и исчезает привычное взаимодействие с опорой. Поэтому стан­дартное выполнение упражнений или действий приводит появ­лению существенных побочных эффектов. Так, законы сохранения импульса и момента импульса в условиях невесомости приводят к тому, что человек, бросивший предмет, начинает двигаться в про­тивоположном направлении и вращаться. При выполнении в не­весомости упражнения «угол» движение ног гимнаста вызовет в соответствии с законом сохранения момента импульса встречное вращение корпуса. При завинчивании гайки в условиях невесомо­сти возникнет вращение человека в противоположном направле­нии. Резкие движения существенно изменяют положение тела.

Искусственное тяготение

Длительное пребывание в условиях невесомости приводит к не-дозагрузке мышц и опорно-двигательного аппарата человека. В свя­зи с чем космонавты должны выполнять специальные физические упражнения, носить особые костюмы, затрудняющие движения и т. п. Однако, как показывает накопленный опыт, всего этого не­достаточно. Кардинальное решение проблемы может быть достиг­нуто только созданием искусственной силы тяжести. Рассмотрим один из способов.

На рис. 8.6. показано сечение космической станции в форме буб­лика, которая вращается вокруг центральной оси.

В системе отсчета, связанной со станцией, действуют: сила тя­готения, сила инерции, обусловленная вращением станции вокруг Земли и сила инерции, обусловленная вращением станции вокруг оси. Первые две силы компенсируют друг друга (этим и обуслов­лена невесомость). Последняя сила будет восприниматься как сила

В данном случае величина центростремительного ускорения да­ет значение местного ускорения свободного падения.

Выполним некоторые расчеты. Пусть жилые помещения рас­положены на расстоянии г = 50 м от оси вращения и требуется создать искусственную силу тяжести, равную половине земной: