Treba odlíšiť gravitačnú silu, ktorou sú telesá priťahované k Zemi telesná hmotnosť. Pojem hmotnosť je široko používaný v každodennom živote.
telesná hmotnosť nazývaná sila, ktorou teleso v dôsledku svojej príťažlivosti k Zemi pôsobí na podperu alebo záves. Hmotnosť môže byť definovaná aj ako podporná reakcia. Predpokladá sa, že telo upevnené vzhľadom na podperu alebo zavesenie. Teleso necháme ležať na vodorovnom stole, ktorý je nehybný voči Zemi (obr. 1.11.1). Zohľadní sa referenčný systém spojený so Zemou zotrvačný. Na telo pôsobí gravitačná sila
smerované vertikálne nadol a elastická sila
s ktorou podpora pôsobí na telo. Sila sa volá sila normálneho tlaku alebo podporovať reakčnú silu . Sily pôsobiace na telo sa navzájom vyrovnávajú:
V súlade s tretím Newtonovým zákonom telo pôsobí na podperu určitou silou, ktorá sa v absolútnej hodnote rovná reakčnej sile podpery a smeruje v opačnom smere:
Podľa definície silaa nazýva sa to telesná hmotnosť.
Z vyššie uvedených vzťahov je vidieť, že
t.j. telesná hmotnosť sa rovná gravitácii
Ale tieto sily sú aplikované na rôzne telá!
Ak telo nehybne visí na pružine, potom úlohu reakčnej sily podpery (odpruženia) zohráva elastická sila pružiny. Natiahnutím pružiny môžete určiť hmotnosť tela a rovnakú silu príťažlivosti tela Zemou. Môžete tiež použiť na určenie telesnej hmotnosti. pákové váhy, porovnávajúc hmotnosť daného tela s hmotnosťou závaží na rovnoramennej páke. Vyrovnaním rovnováhy rovnováhy vyrovnaním hmotnosti tela s celkovou hmotnosťou závaží súčasne dosiahneme rovnosť hmotnosti tela s celkovou hmotnosťou závaží, bez ohľadu na hodnotu zrýchlenia voľného pádu pri a daný bod na zemskom povrchu. Napríklad pri výstupe na hory do výšky 1 km sa hodnoty jarnej bilancie zmenia o 0,0003 od hodnoty na hladine mora. V tomto prípade je zachovaná rovnováha pákových váh. Preto je bilančná váha prístrojom na určovanie telesnej hmotnosti porovnaním s hmotnosťou závaží (etalónov).
Uvažujme teraz o prípade, keď teleso leží na podpere (alebo je zavesené na pružine) v kabíne výťahu pohybujúcej sa s určitým zrýchlením voči Zemi. Vzťažná sústava spojená s výťahom nie je inerciálna. Na telo stále pôsobí gravitačná sila a reakčná sila opory, ale teraz sa tieto sily navzájom nevyvažujú. Podľa druhého Newtonovho zákona
Sila pôsobiaca na podperu zo strany tela, ktorá sa podľa tretieho Newtonovho zákona nazýva hmotnosť telesa, je preto, telesná hmotnosť v rýchlo sa pohybujúcom výťahu existuje
Nech je vektor zrýchlenia nasmerovaný vertikálne (dole alebo hore). Ak súradnicová os OY bod vertikálne nadol, potom vektorovú rovnicu pre možno prepísať do skalárnej formy:
V tomto vzorci sú množstvá P, g a a by sa mali považovať za projekcie vektorov a na os OY. Keďže táto os smeruje vertikálne nadol, g= const > 0 a množstvá P a a môžu byť pozitívne aj negatívne. Pre istotu nech je vektor zrýchlenia nasmerovaný vertikálne nadol a> 0 (obr. 1.11.2).
Zo vzorca (*) je vidieť, že ak a < g, potom telesná hmotnosť P v rýchlo sa pohybujúcom výťahu je menšia gravitácia. Ak a > g, potom sa hmotnosť tela zmení znamienko. To znamená, že telo nie je pritlačené k podlahe, ale k stropu kabíny výťahu ("záporná" hmotnosť). Nakoniec, ak a = g, potom P= 0. Teleso voľne padá na Zem spolu s kabínou. Takýto stav sa nazýva stav beztiaže . Vyskytuje sa napríklad v kokpite kozmickej lode, keď sa pohybuje po obežnej dráhe s vypnutými prúdovými motormi.
Ak je vektor zrýchlenia nasmerovaný zvisle nahor (obr. 1.11.3), potom a < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют preťaženie . Efekt preťaženia zažívajú kozmonauti ako pri štarte vesmírnej rakety, tak aj v spomaľovacom úseku, keď kozmická loď vstúpi do hustých vrstiev atmosféry. Piloti zažívajú veľké preťaženie pri vykonávaní akrobacie, najmä na nadzvukových lietadlách.
Čo je stav beztiaže? Vznášajúce sa poháre, schopnosť lietať a chodiť po strope, ľahko presúvať aj tie najmasívnejšie predmety – taká je romantická predstava tohto fyzického konceptu.
Ak sa opýtate astronauta, čo je stav beztiaže, povie vám, aké ťažké to je počas prvého týždňa na palube stanice a ako dlho trvá zotavenie sa po návrate, zvyknutí si na podmienky gravitácie. Fyzik na druhej strane takéto nuansy s najväčšou pravdepodobnosťou vynechá a koncept odhalí s matematickou presnosťou pomocou vzorcov a čísel.
Definícia
Oboznámenie sa s fenoménom začnime odhalením vedeckej podstaty problému. Fyzik beztiažový stav definuje ako taký stav telesa, keď jeho pohyb alebo vonkajšie sily naň pôsobiace nevedú k vzájomnému tlaku častíc na seba. Ten sa na našej planéte vyskytuje vždy, keď sa objekt pohybuje alebo spočíva: je pod tlakom gravitácie a opačne nasmerovanej reakcie povrchu, na ktorom sa objekt nachádza.
Výnimkou z tohto pravidla sú prípady, teda pády rýchlosťou, ktorú telu dáva gravitácia. Pri takomto procese nedochádza k vzájomnému tlaku častíc, objavuje sa beztiažový stav. Fyzika hovorí, že stav, ktorý sa vyskytuje vo vesmírnych lodiach a niekedy aj v lietadlách, je založený na rovnakom princípe. Beztiažový stav sa u týchto zariadení objavuje vtedy, keď sa pohybujú konštantnou rýchlosťou v ľubovoľnom smere a zároveň sú v stave voľného pádu. Umelý satelit alebo je vynesený na obežnú dráhu pomocou nosnej rakety. Dáva im určitú rýchlosť, ktorá sa udržiava po vypnutí vlastných motorov zariadenia. V tomto prípade sa loď začne pohybovať len vplyvom gravitácie a nastáva stav beztiaže.
Domy
Dôsledky letov pre astronautov nie sú obmedzené len na toto. Po návrate na Zem sa musia na nejaký čas opäť adaptovať na gravitáciu. Čo je stav beztiaže pre astronauta, ktorý dokončil let? V prvom rade ide o zvyk. Vedomie stále niektoré obdobie odmieta akceptovať skutočnosť prítomnosti gravitácie. V dôsledku toho nie je nezvyčajné, že astronaut namiesto toho, aby položil pohár na stôl, ho jednoducho pustil z ruky a chybu si uvedomil, až keď začuje rinčanie riadu rozbitého na podlahe.
Jedlo
Jednou z ťažkých a zároveň zaujímavých úloh pre organizátorov pilotovaných letov je poskytnúť astronautom v pohodlnej forme jedlo, ktoré je telom ľahko stráviteľné pod vplyvom stavu beztiaže. Prvé experimenty nevyvolali medzi členmi posádky veľké nadšenie. Príznačný je v tomto smere prípad, keď si americký astronaut John Young v rozpore s prísnymi zákazmi priniesol na palubu sendvič, ktorý však nezjedli, aby ešte viac neporušili chartu.
K dnešnému dňu neexistujú žiadne problémy s rozmanitosťou. Zoznam jedál, ktoré majú ruskí kozmonauti k dispozícii, obsahuje 250 položiek. Niekedy nákladná loď, ktorá začína na stanici, doručí čerstvé jedlo, ktoré si objednal niekto z tímu.
Základom stravy je Všetky tekuté jedlá, nápoje a zemiaková kaša sú balené v hliníkových tubách. Nádoba a obal produktov sú premyslené tak, aby sa predišlo vzniku omrviniek plávajúcich v nulovej gravitácii, ktoré by sa mohli niekomu dostať do oka. Napríklad sušienky sú dostatočne malé a pokryté škrupinou, ktorá sa topí v ústach.
Známe prostredie
Na staniciach ako ISS sa snažia dostať všetky podmienky do bežných pozemských. Toto sú národné jedlá na jedálnom lístku a pohyb vzduchu je potrebný tak pre fungovanie tela, ako aj pre normálnu prevádzku zariadení a dokonca aj označenie podlahy a stropu. To posledné má skôr psychologický význam. Astronautovi v nulovej gravitácii je jedno, v akej polohe bude pracovať, pridelenie podmienenej podlahy a stropu však znižuje riziko straty orientácie a prispieva k rýchlejšiemu prispôsobeniu.
Stav beztiaže je jedným z dôvodov, prečo nie každého berú ako astronauta. Adaptácia po príchode na stanicu a po návrate na Zem je porovnateľná s aklimatizáciou niekoľkonásobne posilnená. Človek s podlomeným zdravím nemusí takúto záťaž vydržať.
Stav beztiaže
Astronauti na palube Medzinárodnej vesmírnej stanice
Sviečka horiaca na Zemi (vľavo) a v nulovej gravitácii (vpravo)
Stav beztiaže- stav, v ktorom sila interakcie tela s podperou ( telesná hmotnosť) vyplývajúce z gravitačné chýba príťažlivosť, pôsobenie iných hmotnostných síl, najmä zotrvačnej sily vznikajúcej pri zrýchlenom pohybe telesa. Niekedy môžete pre tento efekt počuť iný názov - mikrogravitácia. Tento názov je nesprávny pre let blízko Zeme. Gravitácia (sila príťažlivosti) zostáva rovnaká. Ale pri lietaní na veľké vzdialenosti od nebeských telies, keď je ich gravitačný vplyv zanedbateľný, skutočne vzniká mikrogravitácia.
Aby sme pochopili podstatu stavu beztiaže, môžeme zvážiť lietadlo letiace po balistickej trajektórii. Takéto metódy sa používajú na výcvik astronautov v Rusku a Spojených štátoch. V kokpite je na závite zavesené závažie, ktoré závit väčšinou ťahá dole (ak je lietadlo v pokoji alebo sa pohybuje rovnomerne a priamočiaro). Keď niť, na ktorej gulička visí, nie je natiahnutá, nastáva stav beztiaže. Pilot teda musí ovládať lietadlo tak, aby bol balón zavesený vo vzduchu a niť nebola napnutá. Na dosiahnutie tohto efektu musí mať lietadlo konštantné klesajúce zrýchlenie g. Inými slovami, piloti vytvárajú nulové G. Takéto preťaženie (až 40 sekúnd) môže vzniknúť, ak vykonáte špeciálny akrobatický manéver (ktorý nemá iný názov ako „zlyhanie vo vzduchu“). Piloti náhle požiadajú o zníženie výšky, pri štandardnej výške letu 11 000 metrov to dáva požadovaných 40 sekúnd „beztiaže“; vnútri trupu je komora, v ktorej trénujú budúci kozmonauti, má špeciálny mäkký povlak na stenách, aby sa predišlo zraneniam pri stúpaní a klesaní. Podobný pocit beztiaže človek zažíva pri letoch civilného letectva pri pristávaní. V záujme bezpečnosti letu a veľkého zaťaženia konštrukcie lietadla však civilné letectvo znižuje výšku niekoľkými predĺženými špirálovitými zákrutami (z výšky letu 11 km na výšku priblíženia asi 1-2 km). Tie. klesanie prebieha v niekoľkých prejazdoch, počas ktorých cestujúci na pár sekúnd cíti, že je zdvihnutý zo sedadla. (Rovnaký pocit poznajú motoristi, ktorí poznajú trate prechádzajúce strmými kopcami, keď sa auto začne pohybovať zvrchu) Tvrdenia, že lietadlo vykonáva akrobaciu, ako napríklad „Nesterovova slučka“, aby vytvorilo krátkodobý stav beztiaže. mýtus. Výcvik sa vykonáva v mierne upravených komerčných vozidlách triedy osobnej alebo nákladnej dopravy, pre ktoré je akrobacia a podobné letové režimy nadkritické a môžu viesť k deštrukcii vozidla vo vzduchu alebo rýchlemu únavovému zlyhaniu nosných konštrukcií.
Vlastnosti ľudskej činnosti a fungovanie technológie v stave beztiaže
V podmienkach beztiaže na palube kozmickej lode prebiehajú mnohé fyzikálne procesy (konvekcia, horenie atď.) inak ako na Zemi. Najmä nedostatok gravitácie si vyžaduje špeciálny dizajn systémov, ako sú sprchy, toalety, systémy ohrevu jedla, vetranie atď. Aby sa predišlo vzniku stagnujúcich zón, kde sa môže hromadiť oxid uhličitý, a aby sa zabezpečilo rovnomerné miešanie teplého a studeného vzduchu, má ISS napríklad nainštalované veľké množstvo ventilátorov. Jedenie a pitie, osobná hygiena, práca s prístrojmi a vôbec bežné každodenné činnosti majú tiež svoje osobitosti a vyžadujú si od astronauta vypestovanie návykov a potrebných zručností.
Vplyv beztiaže sa pri návrhu nevyhnutne zohľadňuje raketový motor na kvapalné palivo navrhnutý na štart v nulovej gravitácii. Kvapalné palivové zložky v nádržiach sa správajú presne ako každá kvapalina (tvoria tekuté gule). Z tohto dôvodu môže byť dodávka kvapalných komponentov z nádrží do palivového potrubia nemožná. Na kompenzáciu tohto efektu sa používa špeciálna konštrukcia nádrží (so separátormi pre plynné a kvapalné médiá), ako aj postup usadzovania paliva pred naštartovaním motora. Takýto postup spočíva v zapnutí pomocných motorov lode na zrýchlenie; nimi vytvorené mierne zrýchlenie vyzráža kvapalné palivo na dne nádrže, odkiaľ prívodný systém smeruje palivo do potrubí.
Vplyv stavu beztiaže na ľudské telo
Pri prechode z podmienok pozemskej gravitácie do podmienok beztiaže (najskôr pri vstupe kozmickej lode na obežnú dráhu) väčšina astronautov zažije reakciu organizmu tzv. syndróm adaptácie priestoru.
Pri dlhom (niekoľko týždňov a viac) pobyte človeka vo vesmíre začne absencia gravitácie spôsobovať v tele určité zmeny, ktoré sú negatívneho charakteru.
Prvým a najzrejmejším dôsledkom stavu beztiaže je rýchla atrofia svalov: svaly sú v skutočnosti vypnuté z ľudskej činnosti, v dôsledku čoho klesajú všetky fyzické vlastnosti tela. Dôsledkom prudkého poklesu aktivity svalových tkanív je navyše zníženie spotreby kyslíka organizmom a v dôsledku vzniknutého nadbytku hemoglobínu môže dôjsť k zníženiu aktivity kostnej drene, ktorá ho syntetizuje (hemoglobín).
Existuje tiež dôvod domnievať sa, že obmedzenie pohyblivosti naruší metabolizmus fosforu v kostiach, čo povedie k zníženiu ich sily.
Hmotnosť a gravitácia
Pomerne často sa zmiznutie hmotnosti zamieňa so zmiznutím gravitačnej príťažlivosti. To nie je pravda. Príkladom je situácia v Medzinárodná vesmírna stanica(ISS). V nadmorskej výške 350 kilometrov(nadmorská výška stanice) gravitačné zrýchlenie má hodnotu 8,8/², čo je len o 10 % menej ako na povrchu Zem. Stav beztiaže na ISS nevzniká v dôsledku „nedostatku gravitácie“, ale v dôsledku pohybu v kruhovom obežná dráha S prvá kozmická rýchlosť, to znamená, že astronauti neustále „padajú dopredu“ rýchlosťou 7,9 km / s.
Stav beztiaže na Zemi
Na Zemi sa na experimentálne účely počas letov vytvára krátkodobý stav beztiaže (do 40 s). lietadla na parabolický(ale v skutočnosti je balistická, teda taká, po ktorej by lietadlo letelo len vplyvom gravitácie; táto dráha je parabolou len pri nízkych rýchlostiach; pre družicu je to elipsa, kružnica alebo hyperbola) dráhy. Stav beztiaže je cítiť v počiatočnom momente voľný pád telo v atmosféru keď odpor vzduchu ešte malý.
Odkazy
- Astronomický slovník Sanko N.F.
- Parabola beztiaže Video od štúdia Roscosmos TV
Poznámky
Nadácia Wikimedia. 2010.
Synonymá:Pozrite sa, čo je „Beztiaže“ v iných slovníkoch:
Beztiažový stav… Slovník pravopisu
Ľahkosť, éterickosť, slabosť, hydrováha, bezvýznamnosť, vzdušnosť Slovník ruských synoným. beztiaže, pozri ľahkosť 1 Slovník synoným ruského jazyka. Praktický sprievodca. M.: ruský jazyk. Z. E. Alexandrova... Slovník synonym
Stav, v ktorom vonkajšie sily pôsobiace na teleso nespôsobujú vzájomné tlaky jeho častíc na seba. V gravitačnom poli Zeme ľudské telo vníma takéto tlaky ako pocit hmotnosti. Stav beztiaže nastáva, keď ... ... Veľký encyklopedický slovník
Moderná encyklopédia
BEZVÁHA, stav prežívaný objektom, v ktorom sa neprejavuje vplyv hmotnosti. Stav beztiaže možno zažiť vo vesmíre alebo počas voľného pádu, hoci existuje gravitačná príťažlivosť „ťažkého“ tela. Astronauti ... ... Vedecko-technický encyklopedický slovník
Stav hmotného telesa pohybujúceho sa v gravitačnom poli, navyše gravitačné sily naň pôsobiace alebo pohyb, ktorý vykonáva, nespôsobujú tlaky medzi telesami na seba. Ak je teleso v kľude v gravitačnom poli Zeme v horizontálnej rovine, ... ... Fyzická encyklopédia
Stav beztiaže- BEZVÁHA, stav, kedy vonkajšie sily pôsobiace na teleso nespôsobujú vzájomné tlaky jeho častíc na seba. Stav beztiaže nastáva, keď sa teleso voľne pohybuje v gravitačnom poli (napríklad pri vertikálnom páde, pohybe pozdĺž ... ... Ilustrovaný encyklopedický slovník
Zdalo by sa, že tu je všetko jednoduché. Stav beztiaže je, keď nič nevážite. Môžete, ako vták, trepotať sa z okna - alebo krúžiť pod stropom, ako shorti v Nosovovej knihe Neviem na Mesiaci. Ale prečo si potom kozmonaut (bez skafandru) v nulovej gravitácii pri náraze čela o stenu dá buchot ako každý školák na dvore? Veď on akoby „nič neváži“, čo znamená, že si asi nemôže ublížiť? Alebo možno?
Fyzikálna „váha“ je sila, ktorou každé teleso pôsobí na povrch svojej podpery (alebo zavesenia). Predpokladajme, že osoba sedí na stoličke a hmotnosť je hmotnosť, ktorou telo spočíva na tejto stoličke. Jablko leží na stole, potom závažím bude gravitácia jablka pôsobiaca na povrch stola pod ním. Za určitých okolností však váha zmizne a namiesto toho, aby jablko pokojne ležalo na stole, zrazu začne hladko lietať po miestnosti. Prečo sa mu to deje? Nečakane, zrazu, ako v rozprávke, váha nemôže „odísť“: hoci v rozprávke o šorkoch existuje „zariadenie na stav beztiaže“, v skutočnosti ešte nič také nebolo vynájdené. Beztiažový stav sa však dá nájsť alebo vytvoriť.
Stav beztiaže sa vyskytuje v dvoch rôznych prípadoch. Vo vesmíre sa zdá, že sme príliš ďaleko od Zeme a iných veľkých nebeských telies, ktoré môžu k sebe priťahovať gravitačné sily. Niekedy sa stav beztiaže tohto pôvodu nazýva aj „mikrogravitácia“. Ale môžete vytvoriť stav beztiaže a umelo. Vedci to robia častejšie – napríklad na výskumné účely, aby dobre študovali správanie zvierat alebo baktérií v stave beztiaže. Občas sa efekt dočasného stavu beztiaže vytvorí na zábavné účely, napríklad pri lietaní v takzvanom aerodynamickom tuneli. Tam „lietajú“ na prúdoch vzduchu, bijú zdola nahor a svojou silou prekonávajú gravitačnú silu.
Telesná hmotnosť sa môže, na rozdiel od hmotnosti, meniť pod vplyvom zrýchlenia. Napríklad, keď sme vo vysokorýchlostnom výťahu, keď sa pohybuje hore, cítime sa ťažší ako zvyčajne a ak nás ten istý „chodec“ znáša dole, zdá sa nám, že telo sa stáva ľahším. Práve na tomto efekte je „umelo“ založené vytváranie stavu beztiaže. Keď sa lietadlo rýchlo a prudko rúti dole, cestujúci alebo pokusné zvieratá v ňom sa môžu cítiť v stave beztiaže a dokonca sa „vznášať“ po kabíne ako vo vesmírnej lodi. Tento efekt sa využíva ako pri výcviku astronautov, tak aj pri štúdiu reakcie živých bytostí na dočasnú absenciu gravitácie. V takejto „beztiaže“ sa vykonávajú rôzne vedecké experimenty, ktoré možno v budúcnosti poslúžia pokroku ľudstva. A na vytvorenie umelej „beztiaže“ je potrebné, aby sa zrýchlenie lietadla letiaceho dole rovnalo zrýchleniu voľného pádu tela alebo ešte o niečo viac. Ale presne tak – len trochu, inak sa všetky pokusné subjekty „prilepia k stropu“ a vznikne akási „obrátená gravitácia“. Rýchlosť na experimenty s beztiažovým stavom sa preto počíta veľmi presne a rafinovane – aby sa nikto „nerozmazal“ o strop.
Ak však v takom stave beztiaže rýchlo priplávate k stene alebo predmetu, môžete doň tvrdo udrieť ramenom, čelom alebo inou časťou tela. Háčik je v tom, že smerom k Zemi - alebo inej planéte, napríklad Mesiacu alebo Marsu, ak by sme sa tam dostali - nás ťahá gravitácia, ktorá vytvára našu váhu. A bolesť, keď čelo alebo iná časť tela zasiahne predmet, je „trikom“ hmoty. Aký je medzi nimi rozdiel?
Slovo „beztiaže“ sa používa aj v prenesenom význame. Napríklad nejaký veľmi ľahký objekt možno nazvať beztiažovým. Môže to byť vata, pierko alebo jemný obláčik. V skutočnosti, samozrejme, vždy existuje váha, ale slovo „bez tiaže“ sa používa na vyjadrenie toho, aká je malá a nepostrehnuteľná. Niekedy sa pocitu beztiaže hovorí aj silné „inšpirujúce“ emócie – inšpirácia, rozkoš alebo zamilovanosť.