Физические условия возникновения невесомости

При выполнении высшего пилотажа летчики сталкиваются с эффектом изменения силы тяжести, которая на вираже увеличивается в два — четыре раза, а на выходе из пикирования до восьми. Вход в пикирование может сопровождаться уменьшением силы тяжести вплоть до ее полного исчезновения, правда, лишь на короткое время. В иных случаях летчик может ощущать силу тяжести, изменившую привычное направление и действующую снизу вверх. В последнем случае летчик удерживается в кабине только благодаря привязным ремням.

В обыденной жизни мы часто сталкиваемся с очень кратковременным проявлением невесомости, например, при прыжке вверх с момента отталкивания до приземления, а также при прыжке со стула. В последнем случае состояние невесомости длится менее 0,3 сек. За такой короткий промежуток времени человек, конечно, не успевает осознать свои ощущения. Даже при рекордном прыжке в высоту (2 м 25 см, В. Брумель, СССР) тело находится в состоянии невесомости менее одной секунды.

При прыжках в воду с трамплина или выполнении прыжков на батуте невесомость продолжается в течение примерно одной секунды. Еще большую продолжительность невесомости человек может испытать, прыгая с парашютом с аэростата (около 3 сек). Но прыгающему все свое внимание приходится в это время сосредоточивать на сохранении правильного положения тела, на раскрытии парашюта, и, естественно, что на фоне впечатлений от свободного падения состояние невесомости не может оставить заметных следов.

Ощущение невесомости может возникнуть в полете вследствие болтанки. Известны случаи, когда не привязанные к креслам пассажиры падали на потолок кабины, хотя самолет находился в горизонтальном, неперевернутом положении.

Уже теперь благодаря большой скорости полета мы все чаще сталкиваемся с явлением невесомости, которое будет постоянно сопровождать космонавтов при полетах в космос.

Некоторое представление о проявлении невесомости на космическом корабле можно получить, если вообразить, что любой незакрепленный предмет останется в том положении, в котором выпущен из рук. Например, если какой-либо предмет выпустить из рук, он не упадет, а повиснет в воздухе. Если стакан с водой перевернуть, то вода из него не польется: не будет силы, заставляющей воду вылиться. Будучи каким-либо образом извлечена из стакана, например, встряхиванием, вода останется висеть в воздухе в виде блестящего шара. Этот шар можно разбить, тогда он распадется на множество разной величины капелек, висящих в воздухе.

Человеком может овладеть неприятное ощущение беспрерывного падения, вызванное отсутствием раздражений вестибулярного аппарата и расслабления мышц, которые не испытывают привычной тяжести.

Уже этих примеров достаточно, чтобы видеть, сколь новы и необычайны для человека явления -невесомости.

Чтобы разобраться в вопросах возникновения и существа невесомости следует отчетливо представить себе, что такое вес тела.

Известно, что каждому телу присуща определенная масса или определенное количество вещества. В природе существует закон всемирного тяготения (или гравитации), открытый Ньютоном, по которому тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Земля благодаря своей колоссальной массе обладает огромной силой притяжения. Поэтому тела, находящиеся на поверхности Земли или на каком-либо расстоянии от нее, испытывают действие силы притяжения, направленной к центру Земли. Луна меньше Земли, поэтому сила притяжения там меньше земной в 6 раз. На самой большой планете нашей солнечной системы, Юпитере, сила притяжения больше, чем на Земле, в 2,5 раза. Если бы мы представили себе колодец, вырытый в глубь Земли, до самого ее центра, и попробовали спускаться в него, то обнаружили бы (не считая увеличения атмосферного давления, изменения температуры и других явлений) постепенное уменьшение силы притяжения.

Опускающееся тело притягивали бы не только нижележащие массы, но и вышележащие. Наконец, в самом центре Земли, если ее считать строго сферической с равномерно распределенной плотностью, силы притяжения со всех сторон уравновешиваются и сила тяжести отсутствует. Стало быть, не будет и силы веса. Это случай так называемой статической невесомости.

На поверхности Земли на любое тело действует сила притяжения. Но Земля не неподвижна. Помимо движения вокруг Солнца, и вместе с ним, Земля вращается вокруг своей оси.

Вместе с Землей вращаются все предметы, находящиеся на ее поверхности и прижатые к ней силой притяжения. Но при криволинейном движении тела в соответствии с законом инерции возникает центробежная сила инерции, действующая на связь данного тела с Землей.

Центробежная сила инерции направлена в плоскости широт и равна

где R — расстояние от оси вращения Земли до тела (рис. 61).

Рис. 61. К объяснению природы силы тяжести: 1 — центробежная сила, 2 — сила тяготения; 3 — скорость точки на поверхности Земли

Центробежная сила имеет максимальную величину на экваторе. На полюсах она равна нулю. Но даже на экваторе величина ее по сравнению с силой притяжения очень мала (составляет только 0,3%).

Разность между силой притяжения и центробежной силой (а более строго —равнодействующая этих сил) называется силой тяжести.

Силу тяжести мы часто отождествляем с силой веса. Но в принципе это разные понятия.

Весом называется сила, с которой тело под действием силы тяжести давит на опору. Если же опору убрать, то под действием силы тяжести тело начнет падать, ускоряя свое движение. В этом случае тело не будет иметь веса, оно станет невесомым. Опорой в вышеуказанном смысле совершенно не обязательно должно быть твердое тело. Опорой является вода для пловца и воздух для самолета. Больше того, для проявления эффекта веса даже не обязательно наличие среды, окружающей тело и являющейся опорой. Важно иметь силу реакции опоры, а силу реакции может заменить наличие внешней силы, например тяга двигателя космического корабля.

Если говорят, что при свободном движении тела в космическом пространстве оно не имеет силы тяжести, то имеют в виду силу веса. Силу тяжести, обусловленную притяжением Земли или других небесных тел и центробежной силой при движении по криволинейной траектории, тело потерять не может. Всегда в той или иной степени небесные тела будут оказывать свое влияние на тело, находящееся в космосе, и влиять на характер его движения.

Сила тяжести сама по себе не ощущается, если на тело не действуют другие силы, например, сила реакции опоры или тяга двигателя. Это происходит потому, что в этом случае будут отсутствовать силы взаимодействия между клетками нашего тела. Сила тяжести будет действовать на каждую клетку в соответствии с ее массой, но между ними никаких сил воздействия не будет. Не будет и ощущения тяжести, тело будет невесомо.

Итак, силу тяжести мы не ощущаем, мы ничего «не весим», если нет опоры (реакции опоры) или какой-либо внешней силы, приложенной к телу.

Сила тяжести зависит от местонахождения тела на поверхности Земли. Земля не является точно сферической. На полюсах она немного приплюснута (радиус Земли у экватора 6378 км, а на полюсах на 20 км меньше), поэтому на полюсах и сила притяжения несколько больше. Кроме того, по мере приближения к экватору возрастает величина разгрузки от центробежной силы. Таким образом, вес тепа на полюсе и на экваторе будет различным. Тело, вес которого, например, в Москве будет равен 1000 г, на экваторе будет весить 997 г, на полюсе 1002 г.

Чтобы обнаружить эту разницу, взвешивание надо производить на пружинных весах. Чашечные весы для этой цели не годятся, так как вес гирь при перенесении их на другую географическую широту будет меняться так же, как изменяется вес любого другого тела.

С увеличением расстояния тела от земной поверхности сила тяжести будет уменьшаться, но в пределах атмосферы, пригодной для полетов самолетов (до 30—35 км), это изменение не превышает 1%.

Если же расстояние будет изменяться в масштабе земного радиуса, уменьшение силы тяжести будет очень значительным. Так, на расстоянии одного радиуса от поверхности Земли сила тяжести уменьшится в 4 раза, а на расстоянии трех радиусов — в 16 раз (рис. 62).

Рис. 62. Изменение величины силы тяжести по мере удаления от земной поверхности

Тело, покоящееся на какой-либо опоре, давит на нее с силой, равной силе тяжести. Опора сопротивляется и вызывает реакцию, равную силе тяжести. В любом элементе тела будут иметь место давления от силы тяжести выше расположенных частей. Эти давления, суммируясь, образуют силу, давящую на опору. Но если опору убрать, то исчезнут внутренние напряжения в теле. Тело, конечно, начнет падать под действием силы тяжести, но внутри тела не будет напряжений, вызванных тяжестью — исчезнет вес. Отсутствие внешних сил (кроме силы тяжести), приложенных к телу, характеризует состояние невесомости, называемой в отличие от статической динамической.