Возникновение перегрузок и их действие на организм человека

При взлете и выходе на орбиту ракеты ее скорость увеличивается от нуля до первой космической скорости (порядка 28 000 — 30 000 км/час) за относительно небольшой промежуток времени — около 5 мин. Следовательно, на активном участке полета— взлет и посадка с работающими двигателями — возникают значительные ускорения.

Сама по себе скорость не оказывает на организм никакого действия. Вспомним, что согласно принципу относительности классической механики в равномерно и прямолинейно движущихся системах все процессы протекают точно так же, как и в неподвижных. Мы не замечаем ни орбитальной скорости Земли вокруг Солнца (108 тыс. км/час), ни скорости суточного вращения Земли (около 1000 км/час в наших широтах). Значит, опасаться следует не скорости, а ускорения.

Строго говоря, непосредственное действие на человека оказывает не само ускорение, а сила, в результате действия которой возникают ускорения. Поскольку, таким образом, речь должна идти только о силе, мы приходим к понятию перегрузки. На человека, стоящего на поверхности Земли, действует только одна сила — сила тяжести Р и реакция поверхности Земли (по третьему закону динамики) на действие силы тяжести, приложенной к Земле. На активном участке полета — ускоренное движение!— к силе реакции Земли добавляется сила реакции на

тягу двигателей Г. Если для человека, стоящего на Земле отношение F + P/P, равно единице, то для человека, испытывающего перегрузку, это отношение будет больше единицы. Отношение силы F, ускоряющей систему, к силе тяжести системы Р: N = F/P и называется перегрузкой.

Поскольку F = ma и P = mg, то можно записать, что N = ma/mg = a/g, и измерять перегрузку в единицах «g». Например, выражение «перегрузка равна 3 g» означает, что при ускорении на тело действует сила, втрое превосходящая вес тела. За время взлета космонавт движется с ускорением, величина которого изменяется от g до 7 g. На рис. 34 приведен метод обозначения направления ускорений. Он основан на определении действия инерционных сил.

Рис. 34. Схема направлений и величины перегрузок космонавта

Перегрузки, испытываемые космонавтом под действием ускорения, обозначают направлением смещения внутренних органов человека (показано стрелками). Здесь же приведена широко используемая система обозначения направления действия ускорений по смещению глазных яблок: 1 — ускорение вперед, глазные яблоки вдавливаются; 2 — ускорение вниз (к ногам), глазные яблоки смещаются вверх; 3 — ускорение вправо, глазные яблоки смещаются влево; 4 — ускорение назад, глазные яблоки выходят из орбит; 5 — ускорение вверх (к голове), глазные яблоки смещаются вниз; 6 — ускорение влево, глазные яблоки смещаются вправо.

Человек легче всего переносит перегрузки по оси +g_x. Далее, в порядке уменьшения выносливости следуют перегрузки в направлениях –g_x1 + g_z и –g_z.

Способность выносить перегрузки у различных людей различна; она зависит от скорости нарастания перегрузок, температуры окружающей среды, содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, длительности пребывания в условиях невесомости и от эмоционального состояния человека. Перегрузки вызывают значительное ухудшение состояния организма человека: замедляется ток крови, снижается острота зрения и мышечная активность.

На рис. 35 показано, какие максимальные перегрузки может преодолеть человек, двигая головой и конечностями: а — поднять и опустить, кисть руки; б — поднять и опустить предплечье; в — поднять и опустить всю руку; г — наклонить голову вперед и откинуть назад; д — передвинуть голень со ступней вперед и назад; е — поднять и опустить голень со ступней; ж — поднять и опустить всю ногу.

Рис. 35. Максимальные перегрузки при различных движениях космонавта

При перегрузке происходит замедление кровообращения. Давление крови у человека в норме на уровне сердца,— 0,12 ат, но так как голова на 30 см выше сердца, то при ускорении 4 g этого давления достаточно лишь для того, чтобы кровь могла дойти до головного мозга. Чтобы обеспечить кровоснабжение головного мозга при ускорении 8 g, сердце должно увеличить напор крови более чем вдвое.

При ускорении 5 g, направленном по оси — g_z, кровь «утяжеляется» настолько, что сердце вообще не может гнать ее к голове, человек испытывает ощущение «черной пелены» перед глазами и теряет сознание. Если ускорение направлено в противоположную сторону, по оси + g_z, перед глазами встает «красная пелена» и наступает потеря сознания в результате прилива крови к голове. Уже при ускорении, несколько большем g, у космонавта могут появиться нарушения зрения. При продольном ускорении у космонавта могут наблюдаться зрительные галлюцинации.

Перегрузка и является первым основным физическим фактором, действующим на организм на активном участке космического полета. На первый взгляд это обстоятельство не сопряжено с большими трудностями: малые перегрузки, действующие длительный срок, могут обеспечить нарастание ускорений и, в итоге, — получение первой космической скорости.

К сожалению, такой путь с технической точки зрения неприемлем: длительное преодоление поля тяготения Земли приведет к недопустимому увеличению расхода горючих материалов ракеты. Противоречие между объективными условиями динамики полета и субъективными требованиями физиологии организма разрешается космической медициной следующим образом: необходимо найти оптимальные условия для максимального ускорения, безопасного для организма, и одновременно разработать противоперегрузочные средства и методики.

Оказалось, что как с технической, так и с физиологической точки зрения оптимальной является перегрузка в 4 g при длительности 4,5 мин.