Сила тяжести, масса и вес тела, невесомость

Методы имитации для изучения

Большинство общепринятых методов имитации невесомости воспроизводит давление крови, функциональные и другие сдвиги, которые возникают в этом состоянии.

Для имитации вестибулярных нарушений, развивающихся в условиях невесомости, используется калориметрическая проба (раздражение внутреннего уха теплой водой) и кресло для исследования вестибулярного аппарата с вращением испытуемого.

При вращении человека на кресле  возникает конвекция жидкости в полукружных каналах уха, что обычно вызывает нистагм (непроизвольное колебание глаз) и нередко вестибулярные нарушения.

При проведении теста астронавта в кресле на борту космического корабля «Шаттл» (США) также проявился нистагм. Этот результат не соответствовал научным ожиданиям, так как давно предложенная для объяснения вестибулярных нарушений теория была основана на рецепторах внутреннего уха, что возможно только в условиях гравитации. В отсутствие последнего метод не должен, казалось бы, работать. Авторы эксперимента полагают, что теория для объяснения вестибулярных нарушений должна быть пересмотрена.

Это является еще одним убедительным примером того, как знания, добытые в космических просторах, позволяют по-новому подходить к тайнам, лежащим в «нас самих». Так или иначе, изложенное выше наблюдение заслуживает внимания и подтверждения. Можно лишь предположить, что при вращении кресла может возникать так называемая искусственная гравитация, и тогда все остается на «прежних местах».

Вопрос имитации физиологических эффектов, свойственных состоянию невесомости на Земле, является базисным для космической медицины.

Целесообразность изучения эффектов состояния невесомости в земных условиях продиктована трудностями комплексных исследований в космическом полете, необходимостью тщательного подбора космонавтов и изучения тех изменений, которые могут наблюдаться во время космических полетов.

Вес и гравитация

Рассмотрев закон гравитации, можно понять, что нет ничего удивительного в том, что лично мы ощущаем притяжение Солнца намного слабее, чем земное. Массивное Солнце хоть и имеет большую массу, однако оно очень далеко от нас. Земля тоже далеко от Солнца, однако она притягивается к нему, так как обладает большой массой. Каким образом найти силу притяжения двух тел, а именно как вычислить силу тяготения Солнца, Земли и нас с вами – с этим вопросом мы разберемся чуть позже.

Насколько нам известно, сила тяжести равна:

P = mg,

где m – наша масса, а g – ускорение свободного падения Земли (9,81 м/с2).

Важно! Не бывает двух, трех, десяти видов сил притяжения. Гравитация – единственная сила, дающая количественную характеристику притяжения

Вес (P = mg) и сила гравитации – одно и то же.

Если m – наша масса, M – масса земного шара, R – его радиус, то гравитационная сила, действующая на нас, равна:

.

Таким образом, поскольку F = mg:

.

Массы m сокращаются, и остается выражение для ускорения свободного падения:

.

Как видим, ускорение свободного падения – действительно постоянная величина, поскольку в ее формулу входят величины постоянные радиус, масса Земли и гравитационная постоянная. Подставив значения этих констант, мы убедимся, что ускорение свободного падения равно 9,81 м/с2.

На разных широтах радиус планеты несколько отличается, поскольку Земля все-таки не идеальный шар. Из-за этого ускорение свободного падения в отдельных точках земного шара разное.

Вернемся к притяжению Земли и Солнца. Постараемся на примере доказать, что земной шар притягивает нас с вами сильнее, чем Солнце.

Примем для удобства массу человека: m = 100 кг. Тогда:

• Расстояние между человеком и земным шаром равно радиусу планеты: R = 6,4∙106 м.
• Масса Земли равна: M ≈ 6∙1024 кг.
• Масса Солнца равна: Mc ≈ 2∙1030 кг.
• Дистанция между нашей планетой и Солнцем (между Солнцем и человеком): r=15∙1010 м.

Гравитационное притяжение между человеком и Землей:

.

Данный результат довольно очевиден из более простого выражения для веса (P = mg).

Сила гравитационного притяжения между человеком и Солнцем:

.

Как видим, наша планета притягивает нас почти в 2000 раз сильнее.

Как найти силу притяжения между Землей и Солнцем? Следующим образом:

.

Теперь мы видим, что Солнце притягивает нашу планету более чем в миллиард миллиардов раз сильнее, чем планета притягивает нас с вами.

Заразные бактерии

Некоторые существа в невесомости превращаются в монстров. В 2006 году экипаж шаттла «Атлантис» взял на орбиту бактерий Salmonella typhimurium, главных виновников отравлений у человека и животных. Опасные создания были запакованы в специальные контейнеры, от астронавтов требовалось всего лишь опустить поршень, чтобы сальмонеллы попали в емкость с питательным бульоном. Параллельно тот же эксперимент проводили специалисты на Земле. Перед возвращением космические микробы были зафиксированы специальным составом так, чтобы их внешний вид и ДНК остались такими же, какими они были в космосе.

Изучив привезенных астронавтами сальмонелл, исследователи выяснили, что по сравнению с земными бактериями у них стали иначе работать 167 генов и изменилась интенсивность синтеза 73 белков. Эти адаптации были ответом на стресс от невесомости и значительно повысили заразность S. typhimurium. Попав в космос, микроорганизмы активизировали гены, которые отвечают за формирование биопленок — объединений бактерий, внутрь которых не могут пробиться ни иммунные клетки, ни антибиотики. Поэтому в длительных миссиях, например на Марс, людям стоит опасаться не только радиации или инопланетян, но и «родных» бактерий.

Главное — не упасть

Поскольку выше линии Кармана (условной границы космоса) атмосферы почти нет, то для того, чтобы космический корабль оказался на стабильной околоземной орбите, его ускоряют до достижения определенной скорости. После чего он начинает равномерно двигаться по орбите, все время падая на Землю. Но если такой корабль каким-то образом потеряет свою скорость, гравитация Земли получит над ним полный контроль. И он на самом деле упадет на Землю. Поэтому очевидно, что именно скорость является очень важным параметром для нахождения на стабильной орбите.

Итак, с наличием гравитации в космосе мы вроде бы разобрались. Но где-же все-таки тогда заканчивается гравитация Земли? На самом деле никакой четкой границы нет. Закон всемирного тяготения Ньютона говорит нам, что влияние гравитации уменьшается в зависимости от расстояния. Так что, гравитация Земли простирается в космос на бесконечные расстояния? Согласно закону всемирного тяготения Ньютона — да.

Но ее влияние совсем ничтожно даже на другие планеты нашей Солнечной системы. А уж о том, как влияет гравитация Земли на другие звезды, и говорить не приходится. На таких расстояниях ее можно считать равной нулю…

Невесомость

Из четвертой из указанных особенностей следует, что если у тела нет опоры, то у него отсутствует вес, реакции опоры также нет. Говорят, что тело находится в состоянии невесомости. В таком состоянии отсутствует как вес, так и реакция опоры. Заметим, что масса тела и сила тяжести остаются прежними. Поэтому тело в состоянии невесомости будет двигаться равноускоренно по направлению действия силы тяжести.

Наиболее известный пример движения в невесомости — это движение космического корабля по орбите. Единственная сила, которая на него действует, — это сила тяжести. Она сообщает кораблю центростремительное ускорение, благодаря которому орбита имеет круговую или эллиптическую форму.

Однако, для исследования веса тела и невесомости не обязательно запускать космические корабли. Любое тело в начале падения движется без опоры, а значит, находится в состоянии невесомости. Правда, время нахождения в таком состоянии невелико. По мере набора скорости, на тело начинает действовать сила сопротивления воздуха, которая представляет собой опору, и у тела появляется вес.

Полноценное (хотя и очень кратковременное) состояние невесомости испытывает человек во время обычного прыжка.

Рис. 3. Невесомость.

Что мы узнали?

Вес — это сила, с которой тело действует на опору. В отличие от силы тяжести, которая действует независимо от опоры, для существования веса опора необходима. Фактически, вес — это частный случай силы упругости. Если тело не имеет опоры, оно находится в состоянии невесомости.

1. /5

   Вопрос 1 из 5

Имитационные тренировки

В невесомости может побывать каждый. Буквально каждый. Просто подпрыгните на месте. И на несколько коротких долей секунды, когда ваши ноги не будут касаться земли, вы испытаете интересные ощущения – блаженное чувство полёта. Вы – в невесомости. Да, очень ненадолго. Но зато как просто.

Чуть дольше, несколько секунд, проводят в отсутствие силы тяжести прыгуны на батуте. Упругая сетка позволяет выполнить в воздухе несколько кувырков и пируэтов. В эти секунды можно получить первые представления о невесомости. В состоянии свободного падения, следующего за свободным взлетом.

Для того чтобы ощутить более длительную «невесомость на земле» уже нужна техника. Если не космический корабль, то хотя бы самолет. Например, в центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина в Звёздном городке используют самолёт Ил-76МДК. Самолет взлетает и, начиная с определенного момента, встаёт на траекторию, имитирующую процесс свободного падения тела в безвоздушном пространстве. В этот момент люди, находящиеся в салоне самолета, испытывают состояние без силы тяжести. Впрочем, как и пилоты самолета. Такая искусственная невесомость может длиться несколько десятков секунд. Иногда до полутора минут. Этого достаточно, чтобы приобрести навык перемещения в невесомости, чтобы человек уже чувствовал ощущение нулевой силы тяжести, понимал, как пить воду и есть космическую пищу из тюбиков. В определенном смысле, освоиться в невесомости, приобрести первоначальные навыки координации движений, выполнения профессиональных обязанностей. Такая «невесомость на земле» очень помогает освоиться с нулевой гравитацией в состоянии невесомости. Отличный урок.

Отсутствие гравитации меняет нейронные связи

Ученые сделали фМРТ головного мозга одиннадцати космонавтам до и после полета, который длился в среднем шесть месяцев. Затем они сравнили данные томографии космонавтов с результатами добровольцев, которые не покидали Землю. Исследователей интересовали изменения в связях между зонами мозга, отвечающими за сенсомоторные функции — движение и восприятие положения тела. Для активизации этих зон использовалась стимуляция подошвы стоп, имитирующая походку.

На Земле восприятие пространства и положения тела регулирует вестибулярный аппарат — система мешочков и полукружных каналов во внутреннем ухе. Но в невесомости он работает со сбоями, так как для его работы необходима сила тяжести. Поэтому космонавты нередко испытывают головокружение и дезориентацию до тех пор, пока их тело не привыкнет к необычным условиям.

Выяснилось, что у космонавтов перестраиваются связи мозга, отвечающие за восприятие и движение. Чтобы компенсировать недостаток информации от органа равновесия, развивается вспомогательная система соматосенсорного контроля: мозг чаще обращается к зрительным и тактильным системам, чем к вестибулярному аппарату. Поэтому усиливаются нейронные пути, координирующие их работу. Так, фМРТ показало увеличение связи островковых долей с другими отделами. Островковые доли отвечают за интеграцию ощущений, поступающих из разных систем.

Что же касается связей мозжечка и вестибулярных ядер с полушариями, — в условиях земного притяжения эти структуры обеспечивают обработку ощущений, поступающих из вестибулярного аппарата. Ученые предполагают, что в космосе мозг тормозит активность этой системы, так как от нее поступает противоречивая информация об окружающем мире.

Это не первая попытка изучить влияние невесомости на мозг с помощью нейровизуализации. Более ранние исследования посвящены рискам для здоровья, с которыми сталкиваются космонавты.

Профилактика последствий

Альтернативой длительной и трудной реабилитации после космической экспедиции в отсутствии силы тяжести является постоянная и настойчивая профилактика неблагоприятных изменений в организме.

На орбите экипаж постоянно поддерживает физическую форму

В космическом полёте, когда отсутствует сила тяжести и вес невесомость обнуляет, космонавты постоянно занимаются физическими упражнениями, причём часто под нагрузкой. Например, пользуются бегущей дорожкой, будучи притянутыми к ней упругими резиновыми элементами, укрепленными на поясе.

Работа с эспандером хорошо укрепляет мышцы рук и плечевого пояса. Для укрепления мышц спины также используют упругие элементы, работающие на растяжение. Все эти упражнения способствуют укреплению сердечно-сосудистой системы, что тоже является очень хорошей профилактикой последствий длительного воздействия нулевой силы тяжести. Специально подобранный рацион обеспечивает необходимую перистальтику желудочно-кишечного тракта.

В длительном полете невесомость значение приобретает очень важное, но космонавты летают в отсутствие силы тяжести все дольше и дольше. В космосе космическая экспедиция может провести много месяцев

Рекордсмен по этой части – россиянин Валерий Поляков. Его полет проходил в 1994 и 1995 году. Поляков провел на станции «Мир» 438 суток. Это более 62 недель, более 14 месяцев. Нет предела совершенству!

Интересные эффекты гравитации

В современной физике существует два понятия механики: классическая и квантовая. Квантовая механика была выведена относительно недавно и принципиально отличается от механики классической. В квантовой механике у объектов (квантов) нет определенных положений и скоростей, все здесь базируется на вероятности. То есть, объект может занимать определенное место в пространстве в определенный момент времени. Куда переместиться он дальше, достоверно определить нельзя, а только с высокой долей вероятности.

Интересный эффект гравитации заключается в том, что она способна искривлять пространственно-временной континуум. Теория Эйнштейна гласит, что в пространстве вокруг сгустка энергии или любого материального вещества пространство-время искривляется. Соответственно меняется траектория частиц, которые попадают под воздействие гравитационного поля этого вещества, что позволяет с высокой долей вероятности предсказать траекторию их движения.

Теории гравитации

Сегодня ученым известно свыше десятка различных теорий гравитации. Их подразделяют на классические и альтернативные теории. Наиболее известными представителем первых является классическая теория гравитации Исаака Ньютона, которая была придумана известным британским физиком еще в 1666 году. Суть ее заключается в том, что массивное тело в механике порождает вокруг себя гравитационное поле, которое притягивает к себе менее крупные объекты. В свою очередь последние также обладают гравитационным полем, как и любые другие материальные объекты во Вселенной.

Следующая популярная теория гравитации была придумана всемирно известным германским ученым Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Эйнштейну удалось более точно описать гравитацию, как явление, а также объяснить ее действие не только в классической механике, но и в квантовом мире. Его общая теория относительности описывает способность такой силы, как гравитация, влиять на пространственно-временной континуум, а также на траекторию движения элементарных частиц в пространстве.

Самая точная гравитационная карта Земли

Среди альтернативных теорий гравитации наибольшего внимания, пожалуй, заслуживает релятивистская теория, которая была придумана нашим соотечественником, знаменитым физиком А.А. Логуновым. В отличие от Эйнштейна, Логунов утверждал, что гравитация – это не геометрическое, а реальное, достаточно сильное физическое силовое поле. Среди альтернативных теорий гравитации известны также скалярная, биметрическая, квазилинейная и другие.

Интересные факты

1. Людям, побывавшим в космосе и возвратившимся на Землю, достаточно трудно на первых порах привыкнуть к силе гравитационного воздействия нашей планеты. Иногда на это уходит несколько недель.
2. Доказано, что человеческое тело в состоянии невесомости может терять до 1% массы костного мозга в месяц.
3. Наименьшей силой притяжения в Солнечной системе среди планет обладает Марс, а наибольшей – Юпитер.
4. Известные бактерии сальмонеллы, которые являются причиной кишечных заболеваний, в состоянии невесомости ведут себя активнее и способны причинить человеческому организму намного больший вред.
5. Среди всех известных астрономических объектов во Вселенной наибольшей силой гравитации обладают черные дыры. Черная дыра размером с мячик для гольфа, может обладать той же гравитационной силой, что и вся наша планета.
6. Сила гравитации на Земле одинакова не во всех уголках нашей планеты. К примеру, в области Гудзонова залива в Канаде она ниже, чем в других регионах земного шара.

Ускорение свободного падения

Чтобы математически верно и красиво прийти к ускорению свободного падения, нам необходимо сначала ввести понятие силы тяжести.

Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает все тела.

Сила тяжести F = mg F — сила тяжести m — масса тела g — ускорение свободного падения [м/с2] На планете Земля g = 9,8 м/с2, но подробнее об этом чуть позже.

На первый взгляд сила тяжести очень похожа на вес тела. Действительно, в состоянии покоя на поверхности Земли формулы силы тяжести и веса идентичны. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, умноженной на ускорение свободного падения, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Также важно понимать, что сила тяжести зависит исключительно от массы и планеты, на которой тело находится. А вес зависит еще и от ускорения, с которым движется тело или опора

Например, в лифте вес зависит от того, куда и с каким ускорением двигаются его пассажиры. А силе тяжести все равно, куда и что движется — она не зависит от внешних факторов.

На второй взгляд сила тяжести очень похожа на силу тяготения. В обоих случаях мы имеем дело с притяжением — значит, можем сказать, что это одно и то же. Практически.

Мы можем сказать, что это одно и то же, если речь идет о Земле и каком-то предмете, который к этой планете притягивается. Тогда мы можем даже приравнять эти силы и выразить формулу для ускорения свободного падения:

F = mg

F = G * (Mm/R2)

Приравниваем правые части:

mg = G * (Mm/R2)

Делим на массу левую и правую части:

g = G * (M/R2)

Это и будет формула ускорения свободного падения. Ускорение свободного падения для каждой планеты уникально.

Закон всемирного тяготения g = G * (M/R2) g — ускорение свободного падения [м/с2] M — масса планеты R — расстояние между телами G — гравитационная постоянная G = 6,67 × 10-11м3·кг-1·с-2

Ускорение свободного падения характеризует то, как быстро увеличивается скорость тела при свободном падении.

Свободное падение — это ускоренное движение тела в безвоздушном пространстве, при котором на тело действует только сила тяжести.

Но разве это не зависит еще и от массы предмета?

Нет, не зависит. На самом деле все тела падают одинаково вне зависимости от массы. Если мы возьмем перо и мяч, то перо, конечно, будет падать медленнее, но не из-за ускорения свободного падения. Просто из-за небольшой массы пера сопротивление воздуха оказывает на него большее воздействие, чем на мяч. А вот если бы мы поместили перо и мяч в вакуум, они бы упали одновременно.

Нервная система космонавтов

Как вы понимаете, на орбите нет разделения на день и ночь, и это негативным образом отражается на состоянии нервной системы. В условиях открытого космоса космонавты видят рассвет и закат по нескольку раз за сутки, поэтому понять, когда нужно спать, а когда бодрствовать в таких условиях невозможно. Из-за такого положения дел нарушается работа суточных ритмов человека, что приводит к усталости и дискомфорту.

Еще одна проблема для нервной системы – управление телом в условиях, где нет доминирования вертикальной оси тела. В состоянии невесомости человеку достаточно сложно делать, например, хватательные движения. Вам может казаться, что вы сейчас возьмете какой-то предмет, но в итоге промахиваетесь, чем вводите в заблуждение мозг. Для мозга это серьезное испытание, поскольку к нему посылаются сигналы, которые он не может интерпретировать. Таким образом, нервная система вынуждена адаптироваться к новым условиям, а на это требуется несколько месяцев.

Центрифуга в ЦПК (Звездный городок)

Когда-то в одном из помещений ЦПК была построена специальная центрифуга весом 300 т и диаметром 18 м. Используется она для моделирования перегрузок в земных условиях и, в частности, позволяет испытать физиологическую невесомость. Желающего попробовать силу 300-тонной центрифуги одевают в глухой скафандр, затем сажают в специальное кресло, к которому сначала подключают многочисленные датчики. Полностью снаряженное кресло с усаженным в него добровольцем подвозят к центрифуге и, закатив внутрь, включают двигатель. Вращение на центрифуге длится три минуты, невесомость в данном случае достигается за счет перераспределения жидкости в организме. Все три минуты за показаниями датчиков будут наблюдать врачи и инструктор. Но есть и аварийный способ предупредить о невыносимости перегрузок: внутри центрифуги человек должен крепко держаться за специальный рычаг. Если его отпустить, медики и специалисты получат экстренный сигнал о том, что человек потерял сознание, и сразу отключат центрифугу.

Стоимость услуги: 2000$ с человека

Что такое гравитация простыми словами детям.

с лат. gravitas — «тяжесть» ) — невидимая сила , притягивающая объекты с меньшей массой к более массивным. Таким образом определяющая положение галактик, планет, спутников и всех небесных тел. В контексте Земли отвечает за то, что объекты притягиваются к поверхности и не улетают за пределы планеты. Это одно из четырех фундаментальных взаимодействий в физике, определяющих функционирование вселенной, наряду со слабым и сильным атомными взаимодействиями и электромагнетизмом.

Точного научного определения термина не существует, поскольку подходы к изучению гравитации и теории относительно её природы постоянно разрабатываются, дополняются и совершенствуются. Актуальными на сегодня являются закон всемирного тяготения Ньютона вместе с его дополнениями и общая теория относительности Эйнштейна.

Гравитация и закон всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения, предложенный Ньютоном, не ставит своей целью описание природы возникновения гравитации, но позволяет совершать верные математические расчеты на практике. Для этого пользуются формулой

, где:

• F — сила притяжения;
• r — расстояние между их центрами;
• G — гравитационная постоянная, равная 6.67×10 -11 м 3 /кг×с 2 и отражающая то, с какой силой бы действовали друг на друга два тела, размещенные на расстоянии 1 метра и имеющие одинаковую массу в 1 килограмм.

Собственное гравитационное поле создается каждым объектом Вселенной вне зависимости от его массы.

Гравитация на каждой из планет разная и напрямую зависит от массы астрономического тела. Так, к примеру, показатели гравитации на Юпитере многократно превышают земные. На тело, имеющее земной вес в 60 килограмм, Юпитер будет оказывать такую гравитацию, как Земля оказывает на тело с массой 142 килограмма.

Гравитация и общая теория относительности

Несмотря на то, что закон всемирного тяготения Ньютона отлично справляется с математическим описанием гравитации, он порождает конфликты и несоответствия, когда речь заходит о дальности действия и скорости распространения этой величины.

Дело в том, что в теории Ньютона предполагается, что гравитация окутывает всю вселенную и действует мгновенно в каждой её части. Однако, это невозможно исходя из того, что пределом допустимой скорости в физике является скорость света. Даже если бы скорость распространения гравитации была равна скорости света, она бы не могла мгновенно срабатывать даже на небольших участках космоса, поскольку нуждается в преодолении расстояния.

Решение проблемы нашлось в общей теории относительности Эйнштейна, которая рассматривает гравитацию не как силу, но как искривление времени-пространства под влиянием масс.

Для наглядности можно представить натянутую вокруг обруча ткань. После того, как на нее положат яблоко, она искривится. Если же после этого положить рядом тяжелую гирю, она искривится уже с центром в новом месте , а яблоко притянет к гире.

В физике элементарных частиц была выработана концепция гравитона — гипотетически существующей фундаментальной частицы, которая ответственна за гравитацию. Такая частица имеет нулевую массу, однако, обладает энергией, позволяющей ей влиять на поведение других элементарных частиц.

Понятие гравитационных волн

Несмотря на то, что общая теория относительности Эйнштейна уже давно была принята научным сообществом, она нашла очередное свое подтверждение с открытием физиками гравитационных волн в 2015 году.

Людям, далеким от теоретической физики и астрономии, будет нетрудно представить гравитационные волны в виде кругов, некоторое время разрастающихся, а затем затухающих после того, как в воду был брошен камень. Они имеют относительно похожую форму и структуру, но проявляются не на поверхности воды, а в пространстве-времени Вселенной.

Гравитационные волны оказывают дополнительное влияние на все близлежащие объекты и возникают при резкой смене массы в конкретной точке. Примером такого изменения в структуре космоса может быть слияние сверхмассивных черных дыр.

Ученые не могли столь долго открыть такие волны из-за низкой силы гравитации. Даже при сегодняшнем уровне развития технологий для этого пришлось поместить в вакуум четырехкилометровый детектор , состоящий из подвешенных зеркал.

Людям ошибочно кажется, что гравитация невероятно сильна. На самом же деле, это самая слабая из всех фундаментальных взаимодействий. Иллюстрацией того, насколько сильно её превосходит, к примеру, электромагнитное взаимодействие может служить факт того, что даже маленькие магниты на холодильник надежно закреплены магнитным притяжением на своем месте и будто игнорируют силу земного притяжения.

Огненный шар

На Земле пламя имеет вытянутую форму благодаря силе тяжести. Молекулы газов, которые входят в состав воздуха, притягиваются к планете точно так же, как и остальные объекты, обладающие массой. Поэтому чем ближе к поверхности, тем больше молекул скапливается на одном и том же пространстве.

Огонь нагревает окружающий воздух, то есть заставляет молекулы двигаться быстрее. Ускорившиеся газы разбегаются во все стороны от пламени и сталкиваются с более медленными, то есть холодными, молекулами. В нижней части огонька их больше, и спринтеры, врезаясь в неспешных товарищей, как в стену, выскакивают наверх, где плотность газа меньше. На освободившееся место приходят медленные молекулы, в том числе кислород, благодаря которому огонь продолжает гореть.

Такое перемещение газов называют конвекцией, и в невесомости она невозможна, потому что плотность газов одинакова во всем объеме (например, МКС). Поэтому огонь на космической станции (к счастью) горит очень плохо. Пламя не вытянуто, а выглядит как шар. Более того, огонь быстро тухнет, потому что молекулы кислорода не успевают вовремя добираться до него, а продукты горения, напротив, уходят слишком медленно.

Что такое перегрузка

Когда вес тела больше силы тяжести, говорят, что возникает перегрузка.

\

Когда говорят о перегрузке, принято сравнивать ускорение движения вверх с ускорением свободного падения \(\large \vec{g}\).

Например, при движении ракеты с ускорением вверх, космонавт может испытывать перегрузки до 7g. Это значит, что его вес увеличивается в 7 раз.

Первый космонавт мира — Юрий Гагарин, упоминал о перегрузке: «…какая-то сила вдавливает меня в кресло все больше и больше. … трудно пошевелить рукой или ногой…».

Подобным образом мы испытываем перегрузки в самолете во время взлета — эти перегрузки вдавливают нас в кресло. Правда, эти перегрузки значительно меньше, чем перегрузки летчиков — спортсменов, или военных, летчиков — космонавтов. Представители этих профессий тренируют свое тело для того, чтобы перегрузки легче переносить.

Гравитация, что это такое Как объяснить. Взаимодействие между элементарными частицами

Невероятная сложность окружающего нас пространства во многом связана с бесконечным множеством элементарных частиц. Между ними также существуют различные взаимодействия на тех уровнях, о которых мы можем только догадываться. Впрочем, все виды взаимодействия элементарных частиц между собой значительно различаются по своей силе.

Самые мощные из всех известных нам сил связывают между собой компоненты атомного ядра. Чтобы разъединить их, нужно потратить поистине колоссальное количество энергии. Что же касается электронов, то они «привязаны» к ядру только лишь обыкновенным электромагнитным взаимодействием. Чтобы его прекратить, порой достаточно той энергии, которая появляется в результате самой обычной химической реакции. Гравитация (что это такое, вы уже знаете) в варианте атомов и субатомных частиц является наиболее легкой разновидностью взаимодействия.

Гравитационное поле в этом случае настолько слабо, что его трудно себе представить. Как ни странно, но за движением небесных тел, чью массу порой невозможно себе вообразить, «следят» именно они. Все это возможно благодаря двум особенностям тяготения, которые особенно ярко проявляются в случае больших физических тел:

• В отличие от атомных сил гравитационное притяжение более ощутимо на удалении от объекта. Так, гравитация Земли удерживает в своем поле даже Луну, а аналогичная сила Юпитера с легкостью поддерживает орбиты сразу нескольких спутников, масса каждого из которых вполне сопоставима с земной!
• Кроме того, оно всегда обеспечивает притяжение между объектами, причем с расстоянием эта сила ослабевает с небольшой скоростью.

Формирование более-менее стройной теории гравитации произошло сравнительно недавно, и именно по результатам многовековых наблюдений за движением планет и прочими небесными телами. Задача существенно облегчалась тем, что все они движутся в вакууме, где просто нет других вероятных взаимодействий. Галилей и Кеплер — два выдающихся астронома того времени, своими ценнейшими наблюдениями помогли подготовить почву для новых открытий.

Но только великий Исаак Ньютон смог создать первую теорию гравитации и выразить ее в математическом отображении. Это был первый закон гравитации, математическое отображение которого представлено выше.

Пропадающий кальций

Одушевленные создания построены из тех же молекул и атомов, что и неживая материя, поэтому аномальное (на взгляд землянина) изменение законов физики действует и на них. Плюс сложнейшие биохимические и физиологические системы живых существ тоже реагируют на невесомость.

Например, во время первых длительных космических полетов выяснилось, что в невесомости из костей очень интенсивно вымывается кальций. За месяц на орбите космонавты теряют как минимум 1,5% костной массы. Причины этого неотвратимого процесса до конца неясны. Ученые предполагают, что дело, хотя бы отчасти, может быть в том, что механизмы, отвечающие за поддержание костей в нормальном состоянии, ориентируются на внешние стимулы, в том числе постоянное земное притяжение. Когда оно исчезает, системы, которые миллионы лет складывались с учетом гравитации планеты, дают сбой.

Не менее пагубно невесомость сказывается на мышцах. На Земле мускулатура работает даже тогда, когда мы смотрим телевизор или спим. В космосе мышцы практически выключаются и очень быстро «усыхают». Когда 10 декабря 1982 года Анатолий Березовой и Валентин Лебедев вернулись с орбиты после рекордно длительной на тот момент миссии — больше 211 суток, — их пришлось выносить из корабля «Союз Т-7». У космонавтов атрофировались мышцы, и только после интенсивного курса реабилитации они смогли нормально ходить.

Особенности веса тела

Из приведенного определения можно выделить важные особенности веса тела, отличающего его от близких понятий.

• Во-первых, вес — это сила. Этим он отличается от понятия «масса». Масса — это мера инертности тела, и она не зависит от того, есть ли у тела опора. Вес — это мера взаимодействия тел, без взаимодействия ее не будет.
• Во-вторых, сила тяжести приложена к самому телу, а вес — к опоре.

• В-третьих, сила тяжести зависит только от массы тела и от ускорения свободного падения. Вес же зависит от всех сил, приложенных к телу, в том числе от архимедовой силы (если тело находится в воздухе или в воде) и от силы инерции (если тело движется с ускорением).

• В-четвертых, поскольку вес — это сила, с которой тело действует на опору, то без опоры не может быть веса.

Фактически, вес — это частный случай силы упругости.

Рис. 2. Сила упругости.

Сущность веса тела

Как известно из курса физики в 10 классе, любое тело, находящееся на Земле, испытывает действие силы тяжести. Однако далеко не в любом случае сила тяжести приводит к движению тела. В большинстве случаев на тело действует еще одна сила, уравновешивающая силу тяжести. Эта уравновешивающая сила называется реакцией опоры. Равнодействующая силы тяжести и реакции опоры равна нулю, поэтому тело покоится.

А согласно третьему закону Ньютона, раз существует сила реакции опоры, должна существовать равная ей сила, действующая на саму опору.

Сила, с которой тело действует на опору или подвес, называется весом тела.

Рис. 1. Вес тела.

Третий закон Ньютона

Третий закон Ньютона обобщает огромное количество опытов, которые показывают, что силы — результат взаимодействия тел.

Он звучит так: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

Если попроще — сила действия равна силе противодействия.

Если вам вдруг придется объяснять физику во дворе, то можно сказать и так: на каждую силу найдется другая сила.

Третий закон Ньютона F1 — сила, с которой первое тело действует на второе F2 — сила, с которой второе тело действует на первое

Так вот, для силы тяготения третий закон Ньютона тоже справедлив. С какой силой Земля притягивает тело, с той же силой тело притягивает Землю.

Задачка для практики

Земля притягивает к себе подброшенный мяч с силой 5 Н. С какой силой этот мяч притягивает к себе Землю?

Решение

Согласно третьему закону Ньютона, сила, с которой Земля притягивает мяч, равна силе, с которой мяч притягивает Землю.

Ответ: мяч притягивает Землю с силой 5 Н.

Поначалу это кажется странным, потому что мы ассоциируем силу с перемещением: мол, если сила такая же, то на то же расстояние подвинется Земля. Формально это так, но у мяча масса намного меньше, чем у Земли. И Земля смещается на такое крошечное расстояние, притягиваясь к мячу, что мы его не видим, в отличие от падения мяча.

Если каждый брошенный мяч смещает Землю на какое-то расстояние, пусть даже крошечное, возникает вопрос — как она еще не слетела с орбиты из-за всех этих смещений. Но тут как в перетягивании каната: если его будут тянуть две равные по силе команды, канат никуда не сдвинется. Так же и с нашей планетой.