+7 (495) 720-06-54
Пн-пт: с 9:00 до 21:00, сб-вс: 10:00-18:00
Мы принимаем он-лайн заказы 24 часа*
 

Состояние невесомости тела на искусственном спутнике вызвано: Состояние невесомости тела на искусственном спутнике вызвано. Состояние невесомости. Как симулируют невесомость на Земле

0

Искусственные спутники Земли. Первая космическая скорость. Вес тела. Невесомость. - Объяснение нового материала

Комментарии преподавателя

 Если шарик толкнуть, а затем предоставить самому себе, то он опишет некоторую дугу и остановится. Причиной остановки шарика является действие на него силы трения и силы сопротивления воздуха, препятствующих движению и уменьшающих его скорость.

Если уменьшить действие тормозящих сил, то шарик может описать вокруг точки О одну или несколько окружностей, прежде чем остановится (при этом крепление шнура в точке О должно быть таким, чтобы оно не препятствовало движению шарика).

Если бы нам удалось устранить все силы сопротивления движению, то шарик бесконечно двигался бы вокруг точки О по замкнутой кривой, например по окружности. При этом направление скорости шарика непрерывно менялось бы под действием силы, направленной к центру окружности.

Примером подобного движения служит обращение планет вокруг Солнца и спутников вокруг планет.

Рассмотрим более детально вопрос о запуске и движении искусственных спутников Земли (сокращенно ИСЗ).

Чтобы понять, при каких условиях тело может стать искусственным спутником Земли, рассмотрим рисунок. Он представляет собой копию рисунка, сделанного Ньютоном.

Рис. Копия рисунка Ньютона

На этом рисунке изображён земной шар, а на нём показана высокая гора, с вершины которой бросают камни, придавая им различные по модулю горизонтально направленные скорости.

В подписи к рисунку говорится: «Брошенный камень отклонится под действием силы тяжести от прямолинейного пути и, описав кривую траекторию, упадёт, наконец, на Землю. Если его бросить с большой скоростью, то он упадёт дальше». Продолжая эти рассуждения, Ньютон приходит к выводу, что при отсутствии сопротивления воздуха и при достаточно большой скорости тело вообще может не упасть на Землю, а будет описывать круговые траектории, оставаясь на одной и той же высоте над Землёй. Такое тело становится искусственным спутником Земли.

Земля, окружённая ИСЗ и так называемым космическим мусором

Движение спутника является примером свободного падения, так как происходит только под действием силы тяжести. Но спутник не падает на Землю благодаря тому, что обладает достаточно большой скоростью, направленной по касательной к окружности, по которой он движется. Так, естественный спутник Земли Луна (рис.) обращается вокруг планеты около четырёх миллиардов лет.

Рис. Обращение Луны вокруг Земли является примером свободного падения

Значит, для того чтобы некоторое тело стало искусственным спутником Земли, его нужно вывести за пределы земной атмосферы и придать ему определённую скорость, направленную по касательной к окружности, по которой он будет двигаться.

Наименьшая высота над поверхностью Земли, на которой сопротивление воздуха практически отсутствует, составляет примерно 300 км. Поэтому обычно спутники запускают на высоте 300—400 км от земной поверхности.

Выведем формулу для расчёта скорости, которую надо сообщить телу, чтобы оно стало искусственным спутником Земли, двигаясь вокруг неё по окружности.

Движение спутника происходит под действием одной только силы тяжести. Эта сила сообщает ему ускорение свободного падения g, которое в данном случае выполняет роль центростремительного ускорения.

Вы уже знаете, что центростремительное ускорение определяется по формуле:

Значит, для спутника

По этой формуле определяется скорость, которую надо сообщить телу, чтобы оно обращалось по окружности вокруг Земли на расстоянии г от её центра.

Движение ИСЗ по круговой орбите

Эта скорость называется первой космической скоростью (круговой).

Если высота h спутника над поверхностью Земли мала по сравнению с земным радиусом, то ею можно пренебречь и считать, что г ≈ R3.

Обозначим ускорение свободного падения вблизи поверхности Земли g0.

Тогда формула для расчёта первой космической скорости спутника, движущегося вблизи поверхности Земли, будет выглядеть так:

Рассчитаем эту скорость, принимая радиус Земли равным 6400 км (или 6,4 • 106 м), a g0 = 9,8 м/с2.

Если же высотой h спутника над Землёй пренебречь нельзя, то расстояние г от центра Земли до спутника и ускорение свободного падения g на высоте h определяются по следующим формулам:

В этом случае формула для расчёта первой космической скорости примет вид:

или

По этой формуле можно рассчитать первую космическую скорость спутника любой планеты, если вместо массы и радиуса Земли подставить соответственно массу и радиус данной планеты.

Из формулы следует, что чем больше высота h, на которой запускается спутник, тем меньшую скорость v ему нужно сообщить для его движения по круговой орбите (так как h стоит в знаменателе дроби). Например, на высоте 300 км над поверхностью Земли первая космическая скорость приблизительно равна 7,8 км/с, а на высоте 500 км — 7,6 км/с.

Первый искусственный спутник Земли

Если скорость тела, запускаемого на высоте h над Землёй, превышает соответствующую этой высоте первую космическую, то его орбита представляет собой эллипс. Чем больше скорость, тем более вытянутой будет эллиптическая орбита. При скорости, равной 11,2 км/с, которая называется второй космической скоростью, тело преодолевает притяжение к Земле и уходит в космическое пространство.

Для запуска спутников применяют ракеты. Двигатели ракеты должны совершить работу против сил тяжести и сил сопротивления воздуха, а также сообщить спутнику соответствующую скорость.

4 октября 1957 г. в Советском Союзе был запущен первый в истории человечества искусственный спутник Земли. Спутник в виде шара диаметром 58 см и массой 83,6 кг и ракета-носитель долгое время двигались над Землёй на высоте в несколько сотен километров.

Космический корабль «Восток»

12 апреля 1961 г. первый в мире лётчик-космонавт, наш соотечественник Юрий Алексеевич Гагарин совершил полёт в космос на космическом корабле «Восток».

В настоящее время сотни спутников запускаются каждый год в научно-исследовательских и практических целях: для осуществления теле- и радиосвязи, исследования атмосферы, прогнозирования погоды и т. д.

Вес тела

Весом тела называется сила, с которой данное тело давит на опору или растягивает подвес вследствие притяжения данного тела к Земле

.

Установим основные характеристики этой силы – причину ее возникновения, модуль и направление. Рассмотрим тело, подвешенное на пружине (Рис. 1.). Под действием силы тяжести тело стремится двигаться вниз, увлекая за собой нижний конец пружины. В свою очередь, пружина деформируется, что вызывает появление в ней силы упругости.

Рис. 1. Тело, подвешенное на пружине

Под действием силы упругости, которая приложена к верхнему краю тела, это тело, в свою очередь, также деформируется, возникает другая сила упругости, обусловленная деформацией тела. Эта сила приложена к нижнему краю пружины. Кроме того, она равна по модулю силе упругости пружины и направлена вниз. Именно эту силу упругости тела мы и будем называть его весом, то есть вес тела приложен к пружине и направлен вниз.

После того как колебания тела на пружине затухнут, система придет в состояние равновесия, в котором сумма сил, действующих на тело, будет равна нулю.

Это значит, что сила тяжести рана по модулю и противоположна по направлению силе упругости пружины (Рис. 2). Последняя равна по модулю и противоположна по направлению весу тела, как мы уже выяснили. Значит, сила тяжести по модулю равна весу тела. Данное соотношение не универсально, но в нашем примере – справедливо.

Рис. 2. Вес и сила тяжести

Приведенная формула не означает, что сила тяжести и вес – одно и то же. Эти две силы разные по своей природе. Вес – это сила упругости, приложенная к подвесу со стороны тела, а сила тяжести – это сила, приложенная к телу со стороны Земли.

Рис. 3. Вес и сила тяжести тела на подвесе и на опоре

Невесомость

Выясним некоторые особенности веса. Вес – это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес, из этого следует, что если тело не подвешено или не закреплено на опоре, то его вес равен нулю. Данный вывод кажется противоречивым нашему повседневному опыту. Однако он имеет вполне справедливые физические примеры.

Если пружину с подвешенным к ней телом отпустить и позволить ей свободно падать, то указатель динамометра будет показывать нулевое значение (Рис. 4). Причина этого проста: груз и динамометр движутся с одинаковым ускорением (g) и одинаковой нулевой начальной скоростью (V0). Нижний конец пружины движется синхронно с грузом, при этом пружина не деформируется и силы упругости в пружине не возникает. Следовательно, не возникает и встречной силы упругости, которая является весом тела, то есть тело не обладает весом, или является невесомым.            

Рис. 4. Свободное падение пружины с подвешенным к ней телом

Состояние невесомости возникает благодаря тому, что в земных условиях сила тяжести сообщает всем телам одинаковое ускорение, так называемое ускорение свободного падения. Для нашего примера мы можем сказать, что груз и динамометр движутся с одинаковым ускорением. Если на тело действует только сила тяжести или только сила всемирного тяготения, то это тело находится в состоянии невесомости. Важно понимать, что в этом случае исчезает только вес тела, но не сила тяжести, действующая на это тело.

Состояние невесомости – не экзотика, довольно часто многие из вас его испытывали – любой человек, подпрыгивающий или спрыгивающий с какой либо высоты, до момента приземления находится в состоянии невесомости.

Рассмотрим случай, когда динамометр и прикрепленное к его пружине тело движутся вниз с некоторым ускорением, но не совершают при этом свободного падения. Показания динамометра уменьшатся по сравнению с показаниями при неподвижном грузе и пружине, значит, вес тела стал меньше, чем он был в состоянии покоя. В чем причина такого уменьшения? Дадим математическое объяснение, опираясь на второй закон Ньютона.

Рис. 5. Математическое объяснение веса тела

На тело действуют две силы: сила тяжести, направленная вниз, и сила упругости пружины, направленная вверх. Эти две силы сообщают телу ускорение. и уравнение движения будет иметь вид:

 m =  + m

Выберем ось y (Рис. 5), поскольку все силы направлены вертикально, нам достаточно одной оси. В результате проецирования и переноса слагаемых получим – модуль силы упругости будет равен:

ma =  mg - Fупр

Fупр =  mg - ma,

где в левой и правой части уравнения стоят проекции сил, указанных во втором законе Ньютона, на ось y. Согласно определению, вес тела по модулю равен силе упругости пружины, и, подставив ее значение, получим :

P = Fупр =  mg - ma = m( g - а)

Вес тела равен произведению массы тела на разность ускорений. Из полученной формулы видно, что если модуль ускорения тела меньше модуля ускорения свободного падения, то вес тела меньше силы тяжести, то есть вес тела, движущегося ускоренно, меньше веса покоящегося тела.

Рассмотрим случай, когда тело с грузиком движется ускоренно вверх (Рис. 6).

Стрелка динамометра покажет значение веса тела большее, чем покоящегося груза.

Рис. 6. Тело с грузиком движется ускоренно вверх

Тело движется вверх, и его ускорение направлено туда же, следовательно, нам необходимо поменять знак проекции ускорения на ось у.

Из формулы видно, что теперь вес тела больше силы тяжести, то есть больше веса покоящегося тела.

Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением, называется перегрузкой.

Это справедливо не только для тела, подвешенного на пружине, но и для тела, укрепленного на опоре.

Рассмотрим пример, в котором проявляется изменение тела при его ускоренном движении (Рис. 7).

Автомобиль движется по мосту выпуклой траектории, то есть по криволинейной траектории. Будем считать форму моста дугой окружности. Из кинематики мы знаем, что автомобиль движется с центростремительным ускорением, величина которого равна квадрату скорости, деленной на радиус кривизны моста. В момент нахождения его в наивысшей точке, это ускорение будет направлено вертикально вниз. Согласно второму закону Ньютона это ускорение сообщается автомобилю равнодействующей силой тяжести и силой реакции опоры.

m =  + m

Выберем координатную ось у, направленную вертикально вверх, и запишем это уравнение в проекции на выбранную ось, подставим значения и проведем преобразования:

 

Рис. 7. Наивысшая точка нахождения автомобиля

Вес автомобиля, по третьему закону Ньютона, равен по модулю силе реакции опоры (), при этом мы видим, что вес автомобиля по модулю меньше силы тяжести, то есть меньше веса неподвижного автомобиля.

Пример задачи

Ракета при старте с Земли движется вертикально вверх с ускорением а=20 м/с2. Каков вес летчика-космонавта, находящегося в кабине ракеты, если его масса m=80 кг?

Совершенно очевидно, что ускорение ракеты направлено вверх и для решения мы должны использовать формулу веса тела для случая с перегрузом (Рис. 8).     

Рис. 8. Иллюстрация к задаче

Необходимо отметить, что если неподвижное относительно Земли тело имеет вес 2400 Н, то его масса составляет 240 кг, то есть космонавт ощущает себя в три раза массивнее, чем есть на самом деле.

 

Использованные источники:

  • https://www.youtube.com/watch?v=xQOns-yfmJI
  • https://www.youtube.com/watch?v=vWs4MIZTEwM
  • https://www. youtube.com/watch?v=hEXCvquS82c

 

Тестовое задание для итогового контроля по физике за Iполугодие. 9 класс

Тестовое задание для итогового контроля по физике

за I полугодие.

9 класс

Вариант - II

1) Какая единица времени является основной в Международной системе?

1) 1 с 2) 1 мин 3) 1 час 4) 1 сутки

2) Решаются две задачи:

а. Рассчитывается маневр стыковки двух космических кораблей;

б. Рассчитывается период обращения космических кораблей вокруг Земли

В каком случае космические корабли можно рассматривать как материальные точки?

1) Только в первом случае 2) Только во втором случае

3) В обоих случаях 4) Ни в первом, ни во втором случае

3) Когда говорят, что смена дня и ночи на Земле объясняется восходом и заходом Солнца, то имеют в виду систему отсчета, связанную

1) с Солнцем 2) с Землей 3) с центром галактики 4) с любым телом

4) Материальная точка движется в плоскости равномерно и прямолинейно по закону: Х=4+3t, Y=3-4t, где Х, Y – координаты тела, м; t – время, с. Какова величина скорости тела?

1) 1м/с 2) 3 м/с 3) 5 м/с 4) 7 м/с

5) Какой путь пройдет автомобиль за 10 с после начала движения, двигаясь с ускорением 0,2 м/с2?

1) 0,1 м. 2) 1 м. 3) 10 м. 4) 20 м.

6) Используя данные графика, запишите уравнение скорости.

1) υ = 2 + 2t, м/с 2) υ = 2 + 0,5t, м/с 3) υ = 4 + 2t, м/с 4) υ = 4 + t, м/с.

7) В трубке, из которой откачан воздух, с одной и той же высоты одновременно сбрасываются дробинка, пробка и птичье перо. Какое из этих тел быстрее достигнет дна трубки?

1) дробинка 2) пробка

3) птичье перо 4) все три тела достигнут дна трубки одновременно

8) Тело брошено вертикально вверх со скоростью V0. Какой из представленных ниже графиков зависимости проекции скорости от времени соответствует этому движению? (Ось OY направлена вертикально вверх)

9) На рисунке изображены направление скорости и ускорение. На каком из рисунков правильно указано направление силы, действующей на тело ?

  1. Только так, как показано на рис. 1б

  2. Только так, как показано на рис. 2б

  3. Только так, как показано на рис. 3б

  4. Только так, как показано на рис. 4б

10) Мяч бросили вертикально вверх с начальной скоростью 4 м/с. На какую высоту поднялся мяч через 0,2 с после броска ?

1) 0,6м. 2) 0,8 м. 3) 1 м. 4) 0,2 м.

11) Изменяются ли масса и вес тела при его перемещении с полюса на экватор Земли?

1) Масса и вес не меняются. 2) Масса и вес изменяются. 3) Масса изменяется, вес нет
4) Вес изменяется, масса нет.

12) Камень брошен под углом 300 к горизонту. Каково ускорение a1 в начальный момент движения, и а2 в верхней точке траектории ?

1) а1 = а2 = 9,8 м/с2. 2) а1 = 4,9 м/с2,а1 = 9,8 м/с2. 3) а1 = 4,9 м/с2, а2 = 0. 4) а1 ≈ 4,9 м/с2, а1 = 9,8 м/с2.

13) Две материальные точки движутся по окружностям радиусами R1=R, R2=2R c одинаковыми скоростями. Сравните их центростремительные ускорения

1) a1=a2 2) а1=2а2 3) а12/2 4) a1=4a2

14) Тело движется по окружности радиусом 5 м со скоростью 20 π м/с. Чему равно частота обращения?

1) 2 с-1 2) 2 π2 с-1 3) 2 π с-1 4) 0,5 с-1

15) Максимально ускорение, с каким может двигаться автомобиль на повороте, равно 4 м/с2 . Каков минимальный радиус окружности, по которой может двигаться автомобиль на горизонтальном участке пути со скоростью 36 км/ч?

1) 9 м. 2) ≈ 324 м. 3) 25 м. 4) 10 м.

16) На рисунке 3 представлены векторы скорости υ и ускорения а движения тела. Какой вектор на рисунке 4 указывает направление вектора равнодействующей всех сил, действующих на это тело?

1) 1. 2) 2. 3)3 4) 4.

17) На тело не действуют другие тела. В каком состоянии находится тело?

1) тело обязательно находится в состоянии покоя

2) тело обязательно движется равномерно

3) тело движется равномерно или покоится

4) ответ не однозначен из-за отсутствия указания на систему отсчета.

18) К брусу, лежащему на горизонтальной поверхности, привязана нить. Человек рукой тянет за нить, и брусок скользит по поверхности. При этом на брусок действуют силы

1) от Земли, от нити, от человека 2) от Земли, от поверхности, от нити

3) от поверхности, от нити, от человека 4) от Земли, от поверхности, от человека

19) На рисунке 2 представлена зависимость силы, действующей на тело, от времени. Какой из графиков изменения ускорения тела с течением времени соответствует этой зависимости?

  1. 1

  2. 2

  3. 3

  4. 4

20) Тележка с грузом массой 9 кг за 3 с увеличила с Скорость своего движения на 4 м/c. Каково значение силы, действующей на тележку?

1) 108 Н. 2) 12 Н. 3) 6,75 Н. 4) 1,3 Н.

21) Система двух брусков, связанных нитью движется под действием горизонтальной силы F. Масса каждого бруска равна m. Трением пренебрегаем. Величина силы, действующей на брусок 1 со стороны нити, равна

1) F 2) F/2 3) F/4 4) 0

22) Какая из приведенных ниже формул выражает закон Гука?

1) F=ma 2) F=μN 3) Fx=-kx 4) F=G

23) Радиус Луны примерно в 4 раза меньше земного, а сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. Первая космическая скорость на Земле приблизительно равно 8 км/с. Первая космическая скорость на Луне приблизительно равно ?

1) 1,6 км/с 2) 3,2 км/с 3) 8 км/с 4) 16 км/с

24) Состояние невесомости тела на искусственном спутнике вызвано

1) отсутствием действия любых сил

2) отсутствием воздуха

3) равенством ускорения тела ускорению свободного падения

4) отсутствием силы Архимеда

25) Какую размерность имеет коэффициент трения?

1) Н/кг 2) кг/Н 3) безразмерен 4) Н/с

26) Брусок массой 0,2 кг прижат к вертикальной стене с силой 5 Н, коэффициент трения между бруском и стеной равен 0,2. Чему равно сила трения скольжения бруска о стену?

1) 0,4 Н 2) 0,6 Н 3) 1 Н 4)1,4 Н

27) Тело покоится на наклонной плоскости. Сила трения покоя, действующая на тело, направлена

1) вдоль наклонной плоскости вниз 2) вдоль наклонной плоскости вверх

3) горизонтально 4) вертикально

28) Тело массой m, движущее под действием только силы трения по горизонтально поверхности, тормозит с постоянным ускорением до полной остановки. Начальная скорость тела V0, коэффициент трения μ. Время торможения зависит от

1) μ, V0 2) m, V0 3) m, μ 4) m, μ, V0

29) На рисунке представлены графики зависимости модулей сил упругости от деформации для трех пружин. Жесткость какой пружины больше?

1) 1 2) 2 3) 3 4) жесткость всех пружин одинакова

30) Самолет, двигаясь с постоянной скоростью, совершает фигуру высшего пилотажа – «Мертвую петлю», т. е. движется по окружности в вертикальной плоскости. Где перегрузка летчика минимальна?

1) в нижней точке 2) в верхней точке

3) в средних точках 4) везде одинакова

31) Из-за вращения Земли вес различен в разных точках ее поверхности. Вес будет наименьшим

1) на полюсе 2) в Петербурге 3) в Москве 4) на экваторе

newecomoct

Вес тела (вещества) это понятие относительное. Говоря о весе нужно обязательно оговаривать относительно чего этот вес действует. Так же следует иметь ввиду, что вес тела (вещества) возникает не потому, что Земля притягивает это тело, а потому, что вокруг Земли существует воздушная оболочка (атмосфера). Взаимодействие атомов воздуха и атомов тела, окруженного воздухом вызывает появление силы веса (гравитационной силы).

Сила веса возникает потому, что давление атомов воздуха оказываемое на тело сверху больше, чем давление снизу (по бокам давление воздуха одинаково).

Очень важно также здесь отметить, что сила веса зависит не от абсолютного значения величины давления воздуха, а от разности давлений сверху и снизу тела.

Поэтому вес тела не изменится если давление сверху и снизу увеличить например на 10 атмосфер.Так как разница останется той же самой.

В случае когда разница в давлениях сверху и снизу равна нулю, тело не имеет веса относительно воздуха который его окружает. Т. е. тело находится в невесомости относительно окружающего воздуха.

Другими словами, в состоянии невесомости ( например железного шара), давление атомов воздуха на атомы шара (находящиеся в его поверхностном слое), одинаково со всех направлений (например на каждый сантиметр поверхности шара действует давление 3 атмосферы).

Такое условие наступает в том случае, когда шар находится в состоянии свободного падения в направлении к поверхности Земли. В этом случае давление на нижнюю часть шара увеличивается за счет лобового сопротивления воздуха, а вверху шара создается разряжение. 

Изменение давления воздуха на шар, вызванное его движением, приводят к тому, что давление воздуха на шар сверху и снизу выравниваются. При этом разница в давлениях становится равной нулю. Соответственно и вес тела тоже будет равен нулю. Тело замедляет скорость движения в направлении к Земле. При этом сила давления вызванная лобовым сопротивлением и сила разряжения вверху шара тоже уменьшаются. Снова возникает сила веса и процесс повторяется.

Конечно же процесс этот не сопровождается такими скачками как это я описал, он протекает плавно. И в процессе свободного падения шара силы давления воздуха на любую плошадь его поверхности остаются одинаковыми.

Поэтому можно сказать, что вес свободно падающего тела  относительно окружающего его воздуха равен нулю. Шар при свободном падении находится в состоянии невесомости  относительно атмосферы воздуха окружающей Землю, а относительно Земли шар имеет вес.

 

Теперь предположим, что наш , падающий в воздухе железный шар , полый, ивнутренний объем его заполнен воздухом.

Это как раз и есть тот самый корпус лифта или корпус космического корабля.

То, что корпус будет находится в невесомости мы уже выяснили.

Возникает вопрос, будет ли находиться в невесомости тело(например космонавт), находящееся внутри полого шара?

Оказывается он не будет находиться в невесомости. Хотя сила веса его будет настолько мала, что по сравнению с весом этого тела на поверхности Земли ей можно принебречь.

В невесомости тело внутри шарообразной кабины корабля будет находиться в том случае, если оно будет иметь форму шара, и находиться точно в геометрическом центре  кабины корабля. Во всех остальных точках оно будет иметь маленький вес.

Этот маленький вес будет перемещать наш шарик к внутренней поверхности большого шара.

Давление воздуха в полости большого шара будет распределено в его объеме таким образом, что чем ближе мы будем приближаться к центру шара, тем выше будет давление. Максимальным оно будет в геометрическом центре шара. Потому маленький шарик, геометрический центр которого будет совпадать с геометрическим центром большого шара, будет испытывать равномерное давление на своей поверхности.

Если же его сместить относительно центра в любую из сторон, то на его поверхность будут действовать различные силы давления. Это и приведет к появлению веса.

Разность этих давлений будет мала потому, что соотношение размеров большого и малого шаров невелики.

Следует так же отметить, что если шар заполнить не воздухом а водой, а в качестве рассматриваемого тела использовать пузырек воздуха, то он всегда будет стремиться занять положение в геометрическом центре большого шара. Это происходит потому, что удельный вес воздуха меньше чем воды. Подробнее об этом здесь рассказывать не буду.

 

Прежде чем дать определение понятия невесомости остановлюсь еще на одном примере.

Предположим, что железный шар лежит на горизонтальной площадке Земли.

Закон всемирного тяготения Ньютона • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Между всеми телами во Вселенной действует сила взаимного притяжения.

На склоне своих дней Исаак Ньютон рассказал, как это произошло: он гулял по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел луну в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения (см. Законы механики Ньютона), он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите.

Чтобы в полной мере оценить весь блеск этого прозрения, давайте ненадолго вернемся к его предыстории. Когда великие предшественники Ньютона, в частности Галилей, изучали равноускоренное движение тел, падающих на поверхность Земли, они были уверены, что наблюдают явление чисто земной природы — существующее только недалеко от поверхности нашей планеты. Когда другие ученые, например Иоганн Кеплер (см. Законы Кеплера), изучали движение небесных тел, они полагали что в небесных сферах действуют совсем иные законы движения, нежели законы, управляющие движением здесь, на Земле. История науки свидетельствует, что практически все аргументы, касающиеся движения небесных тел, до Ньютона сводились в основном к тому, что небесные тела, будучи совершенными, движутся по круговым орбитам в силу своего совершенства, поскольку окружность — суть идеальная геометрическая фигура. Таким образом, выражаясь современным языком, считалось, что имеются два типа гравитации, и это представление устойчиво закрепилось в сознании людей того времени. Все считали, что есть земная гравитация, действующая на несовершенной Земле, и есть гравитация небесная, действующая на совершенных небесах.

Прозрение же Ньютона как раз и заключалось в том, что он объединил эти два типа гравитации в своем сознании. С этого исторического момента искусственное и ложное разделение Земли и остальной Вселенной прекратило свое существование.

Результаты ньютоновских расчетов теперь называют законом всемирного тяготения Ньютона. Согласно этому закону между любой парой тел во Вселенной действует сила взаимного притяжения. Как и все физические законы, он облечен в форму математического уравнения. Если M и m — массы двух тел, а D — расстояние между ними, тогда сила F взаимного гравитационного притяжения между ними равна:

= GMm/D2

где G — гравитационная константа, определяемая экспериментально. В единицах СИ ее значение составляет приблизительно 6,67 × 10–11.

Относительно этого закона нужно сделать несколько важных замечаний. Во-первых, его действие в явной форме распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. В частности, сейчас вы и эта книга испытываете равные по величине и противоположные по направлению силы взаимного гравитационного притяжения. Конечно же, эти силы настолько малы, что их не зафиксируют даже самые точные из современных приборов, — но они реально существуют, и их можно рассчитать. Точно так же вы испытываете взаимное притяжение и с далеким квазаром, удаленным от вас на десятки миллиардов световых лет. Опять же, силы этого притяжения слишком малы, чтобы их инструментально зарегистрировать и измерить.

Второй момент заключается в том, что сила притяжения Земли у ее поверхности в равной мере воздействует на все материальные тела, находящиеся в любой точке земного шара. Прямо сейчас на вас действует сила земного притяжения, рассчитываемая по вышеприведенной формуле, и вы ее реально ощущаете как свой вес. Если вы что-нибудь уроните, оно под действием всё той же силы равноускоренно устремится к земле. Галилею первому удалось экспериментально измерить приблизительную величину ускорения свободного падения (см. Уравнения равноускоренного движения) вблизи поверхности Земли. Это ускорение обозначают буквой g.

Для Галилея g было просто экспериментально измеряемой константой. По Ньютону же ускорение свободного падения можно вычислить, подставив в формулу закона всемирного тяготения массу Земли M и радиус Земли D, помня при этом, что, согласно второму закону механики Ньютона, сила, действующая на тело, равняется его массе, умноженной на ускорение. Тем самым то, что для Галилея было просто предметом измерения, для Ньютона становится предметом математических расчетов или прогнозов.

Наконец, закон всемирного тяготения объясняет механическое устройство Солнечной системы, и законы Кеплера, описывающие траектории движения планет, могут быть выведены из него. Для Кеплера его законы носили чисто описательный характер — ученый просто обобщил свои наблюдения в математической форме, не подведя под формулы никаких теоретических оснований. В великой же системе мироустройства по Ньютону законы Кеплера становятся прямым следствием универсальных законов механики и закона всемирного тяготения. То есть мы опять наблюдаем, как эмпирические заключения, полученные на одном уровне, превращаются в строго обоснованные логические выводы при переходе на следующую ступень углубления наших знаний о мире.

Картину устройства солнечной системы, вытекающую из этих уравнений и объединяющую земную и небесную гравитацию, можно понять на простом примере. Предположим, вы стоите у края отвесной скалы, рядом с вами пушка и горка пушечных ядер. Если просто сбросить ядро с края обрыва по вертикали, оно начнет падать вниз отвесно и равноускоренно. Его движение будет описываться законами Ньютона для равноускоренного движения тела с ускорением g. Если теперь выпустить ядро из пушки в направлении горизонта, оно полетит — и будет падать по дуге. И в этом случае его движение будет описываться законами Ньютона, только теперь они применяются к телу, движущемуся под воздействием силы тяжести и обладающему некой начальной скоростью в горизонтальной плоскости. Теперь, раз за разом заряжая в пушку всё более тяжелое ядро и стреляя, вы обнаружите, что, поскольку каждое следующее ядро вылетает из ствола с большей начальной скоростью, ядра падают всё дальше и дальше от подножия скалы.

Теперь представьте, что вы забили в пушку столько пороха, что скорости ядра хватает, чтобы облететь вокруг земного шара. Если пренебречь сопротивлением воздуха, ядро, облетев вокруг Земли, вернется в исходную точку точно с той же скоростью, с какой оно изначально вылетело из пушки. Что будет дальше, понятно: ядро на этом не остановится и будет и продолжать наматывать круг за кругом вокруг планеты. Иными словами, мы получим искусственный спутник, обращающийся вокруг Земли по орбите, подобно естественному спутнику — Луне. Так мы поэтапно перешли от описания движения тела, падающего исключительно под воздействием «земной» гравитации (ньютоновского яблока), к описанию движения спутника (Луны) по орбите, не изменяя при этом природы гравитационного воздействия с «земной» на «небесную». Вот это-то прозрение и позволило Ньютону связать воедино считавшиеся до него различными по своей природе две силы гравитационного притяжения.

Остается последний вопрос: правду ли рассказывал на склоне своих дней Ньютон? Действительно ли всё произошло именно так? Никаких документальных свидетельств того, что Ньютон действительно занимался проблемой гравитации в тот период, к которому он сам относит свое открытие, сегодня нет, но документам свойственно теряться. С другой стороны, общеизвестно, что Ньютон был человеком малоприятным и крайне дотошным во всем, что касалось закрепления за ним приоритетов в науке, и это было бы очень в его характере — затемнить истину, если он вдруг почувствовал, что его научному приоритету хоть что-то угрожает. Датируя это открытие 1666-м годом, в то время как реально ученый сформулировал, записал и опубликовал этот закон лишь в 1687 году, Ньютон, с точки зрения приоритета, выгадал для себя преимущество больше чем в два десятка лет.

Я допускаю, что кого-то из историков от моей версии хватит удар, но на самом деле меня этот вопрос мало беспокоит. Как бы то ни было, яблоко Ньютона остается красивой притчей и блестящей метафорой, описывающей непредсказуемость и таинство творческого познания природы человеком. А является ли этот рассказ исторически достоверным — это уже вопрос вторичный.

См. также:

Этапы большого пути | Наука и жизнь

Внутренний вид кабины космонавта корабля-спутника «Восток»: 1— пульт пилота; 2 — приборная доска с глобусом; 3 — телевизионная камера; 4 — иллюминатор с оптическим ориентатором; 5 — ручка управления ориентацией корабля; 6 — радиоприемник. ..

Первый космический полет мог совершить только человек, который, сознавая огромную ответственность поставленной перед ним задачи, сознательно и добровольно согласился отдать все свои силы и знания, а может быть, и жизнь...

12 апреля 1961 года советские люди вписали золотыми буквами в историю Земли: «Человек был в космосе».

Пройдут века, на смену одним эпохам придут другие, но никогда в истории человечества не померкнет слава этого дня. Внуки и правнуки будут завидовать нам, живым свидетелям грандиозной победы советского народа.

Свершилось то, о чем мечтали поколения людей, что предсказывал и над чем работал гениальный русский мыслитель, ученый и фантаст К. Э. Циолковский.

«Земля — колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели. Человечество не останется вечно «а Земле, но в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».

Да, человек вырос, встал на ноги и теперь, оторвавшись от своей колыбели — Земли, сделал первый уверенный шаг в космос. Совсем скоро космические корабли будут бороздить бескрайние просторы вселенной, неся на своем борту отважных первооткрывателей новых миров, наших современников.

Все трудности проделанного пути можно по достоинству оценить лишь сейчас, когда космические полеты человека стали делом сегодняшнего дня. Теперь можно оглянуться назад и окинуть единым взглядом долгий и трудный путь, приведший к дню торжества разума над природой.

Человек учится летать...

С тех пор, как человек стал сознавать самого себя, его не покидало чувство зависти к птицам, которые парили высоко в небе, легко и свободно перемещаясь в любом направлении. Человек, могущественное существо, наделенное разумом, не мог с этим смириться. Он должен научиться летать!

Мечты древних о возможности свободного полета человека воплощаются в сказки, легенды, мифы. Вот Икар, сделав из перьев и воска крылья, поднимается в воздух и летит свободно, как птица. Герой погиб, слишком близко подлетев к Солнцу...

Шло время. Напряженно работала мысль. Человек, не давая себе покоя, создавал летательный аппарат, способный поднять его в воздух. Увлекаемый теплым дымом, поднимается первый воздушный шар Крякутного, а за ним десятки и сотни других.' Все увереннее и выше становятся эти полеты. Вот Александр Можайский совершает рейс на первом в мире самолете. Воздушный океан стал подчиняться человеку. Но непоседа-мечта опережала действительность. Не было еще аппаратов, способных поднять человека в верхние слои атмосферы, а в мечтах он уже летел к Луне, к планетам, к Солнцу.

Много загадок таили в себе и серебристые крапинки звезд в темном ночном небе. Человечество уже знало, что они похожи на наше дневное светило. Но ведь, может быть, тогда около них существует жизнь? Кто сможет ответить на этот вопрос? Только сам человек!

Начало XX века. Калуга. В тиши кабинета, заваленного книгами и чертежами, сидит ученый. «Шарам м самолетам для полета необходим воздух. Только опираясь на него, они могут летать. А как же быть в безвоздушном пространстве, там, в космосе?» — задает себе вопрос Константин Эдуардович Циолковский. И тут же четкими рядами Цифр и линий ложатся на бумагу его дерзновенные планы. Он знает, как можно достигнуть других миров, и верит, что это сбудется. «Ракета, только ракета... лишь она способна разорвать оковы земного притяжения и вынести человека в межпланетное пространство».

С тех пор перед человеком засияла грандиозная цель, ясная, четкая, но необычайно трудная в своем осуществлении.

В ответе одному из зарубежных корреспондентов Н. С. Хрущев сказал, что «человека в космос мы пошлем тогда, когда будут созданы необходимые технические условия». Что же подразумевалось под этими техническими условиями? Прежде всего это — создание мощных ракет, способных вынести кабину с космонавтом на орбиту. Далее нужно было выяснить и преодолеть трудности, связанные с самим пребыванием человека в космосе. И, что, пожалуй, самое важное, предстояло отыскать надежный способ возвращения космонавта целым и невредимым на Землю.

Ракета, только ракета...

Развитие ракетной техники насчитывает чуть ли не десятивековую историю. В прогрессе мирного ракетостроения особенно велика роль русских ученых, прежде всего Н. И. Кибальчича, И. В. Мещерского и К. Э. Циолковского. В самые трудные минуты жизни их не покидала мысль о полете человека в космос. Но даже и после работ этих ученых космос оставался далекой мечтой, о которой осмеливались заявить во весь голос лишь писатели-фантасты. Большинство же серьезных попыток создать мощную ракету, способную поднять значительный груз на большую высоту, оканчивалось неудачей. За работу взялись советские ученые и инженеры. В основу ложатся 'Исследования и труды К. Э. Циолковского по применению жидкостных реактивных двигателей, по управлению ракетами, по ракетным поездам. Дальнейший рост науки и техники привел к созданию сверхмощных ракет, способных поднять многотонный груз на небывалые высоты.

Полет за пределы Земли невозможно было бы совершить без глубокого и точного знания тех условий, которые существуют в межпланетном пространстве. Первый барьер, через который приходится прорываться космическому кораблю и который может существенным образом повлиять на его возвращение на Землю,— это атмосфера. Какова ее плотность и состав? Как изменяются они с высотой? Эти и тысячи других вопросов стояли перед учеными. Их нужно было разрешить.

Исследования атмосферы велись уже давно. Но все это были робкие попытки получить сведения об атмосфере, не отрываясь от самой Земли. Необходимы были непосредственные измерения приборами там, у поверхности воздушного океана. Начало этим работам положил русский академик Я. Д. Захаров, поднявшись 30 июня 1804 года на аэростате с научной аппаратурой на высоту 2 550 метров.

С тех пор прямой метод исследований прошел в своем развитии огромный путь. 1933 год был ознаменован запуском первой исследовательской ракеты, работающей на жидком топливе. Сейчас это кажется нам совсем простым и не очень значительным. Тогда же это было первым актом завоевания космоса.

Гигантскими шагами шло развитие ракетной техники в нашей стране. Мирные советские ракеты начинают регулярно зондировать атмосферу. Массовое ракетное наступление на ее верхние слои началось в конце 40-х годов. Была покорена 100-километровая высота. 1957 год. Ракеты-лаборатории исследуют атмосферу уже до высоты 210 километров. А общий вес аппаратуры достигает 2 200 килограммов. Все новыми и новыми сведениями обогащается наука. Но решение некоторых научных проблем с помощью ракет связано с трудностями. Главной причиной этого является прежде всего малое время пребывания ракеты в исследуемых слоях. Газы, которые она заносит с собой из приземных слоев, не успевают улетучиваться и зачастую непоправимо портят тонкие и сложные эксперименты. Ученым и инженерам приходится пускаться на всевозможные ухищрения, чтобы потом, «очистив от примесей» полученные данные, завладеть золотыми крупинками истинных характеристик строения и режима атмосферы.

Был еще один путь к осуществлению наиболее интересных и точных исследований — искусственные спутники Земли. Этот метод хорош тем, что маленькая лаборатория способна длительное время производить измерения на разных высотах и широтах, в разное время суток и года.

4 октября 1957 года — день, вошедший в историю как день запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Коллективный разум, коллективный труд советских людей распахнул настежь двери в космос. Человек, преодолев земное притяжение и сопротивление атмосферы, отправил первого разведчика околоземного пространства. В течение полугода к границам воздушного океана были посланы еще два спутника-исследователя. Важность этого события невозможно переоценить. Наш спутник показал всему миру, что К. Э. Циолковский не был пустым мечтателем, что полеты человека в космос — близкая реальность.

Рос, мужал человек, и раздвигались границы его владений во вселенной. Одновременно со спутниками в полет устремляются космические ракеты — разведчики будущих межпланетных трасс.

Январь 1959 года. Создана десятая планета нашей солнечной системы.

Будущие космонавты, впервые вступившие на Луну, отыщут и, осторожно смахнув пыль вселенной, торжественно поднимут наш советский вымпел, доставленный туда 12 сентября 1959 года второй космической ракетой.

Подлинным триумфом нашей науки и техники был полет в октябре 1959 года третьей космической ракеты. Что было недоступно предыдущим поколениям, совершил наш современник — человек Страны Советов. Обратная сторона Луны перестала быть загадкой.

Что же дали нам исследования, проводимые на спутниках и космических ракетах? Было, например, установлено, что плотность и протяженность атмосферы гораздо больше, чем предполагалось ранее. Это очень важный факт. Ведь при огромных космических скоростях даже очень разреженный воздух оказывает заметное влияние на движение спутника, затормаживая его, заставляя снижаться. Рассчитывая орбиты спутников Земли и космических кораблей, невозможно обойтись без знания плотности атмосферы.

С помощью спутников и ракет множество новых и важных данных получили ученые о газах, из которых состоит атмосфера, о магнитном поле и форме Земли и Луны, о таинственных космических лучах, о разнообразных излучениях Солнца. Уточнялись законы небесной механики, изучались строение и жизнь ионосферы, отрабатывались системы управления космическим кораблем будущего и связи с космонавтами, появилась и стала развиваться новая отрасль радиотехники — космическое телевидение.

В итоге запусков спутников и космических ракет первая часть проблемы — создание средств, способных доставить человека в космос,— была решена.

Но как человек будет переносить такой полет, что нужно сделать, чтобы обезопасить его пребывание в космосе?

Решением этой задачи занялась новая наука — космическая медицина.

Космическая медицина

Нужно было проверить влияние на живой организм многих факторов, связанных с полетом. Здесь и огромные перегрузки при взлете ракеты, и вибрации, и оглушающий грохот двигателей. Потом невесомость, гнетущая, непривычная тишина и чернота плоских, без ощущения глубины просторов вселенной, неестественно быстрая смена дня и ночи. А затем снова перегрузки, растущая температура, резкий удар — всем этим не может не сопровождаться возвращение космонавта на Землю.

Крайне низкая степень барометрического давления, полное отсутствие необходимого для дыхания человека молекулярного кислорода, опасность встречи с метеоритом, влияние на организм космической ультрафиолетовой и корпускулярной радиации, сложность проблемы питания при длительных полетах — вот беглый и далеко не полный перечень препятствий, которые нужно было преодолеть, чтобы обезопасить полет человека за пределы атмосферы.

Перегрузки. Понятно, что их невозможно устранить, как нельзя уничтожить земное притяжение. Перегрузки тем сильнее, чем больше набираемая скорость и чем быстрее происходит взлет ракеты. Где же граница сохранения жизни при воздействии повышенной силы тяжести? Ее необходимо было установить и с ней согласовать время и силу действия ускорения.

На помощь человеку приходят собаки. Наши четвероногие друзья, веселые и бойкие, крепкие и терпеливые, приняли на себя всю тяжесть первоиспытателей. К. Э. Циолковский предложил использовать для экспериментов центрифуги, на которых и сегодня обследуют животных и людей. Чуткие приборы регистрируют пульс, дыхание, биопотенциалы сердца, мозга, мышц, записывают кардиограммы исследуемых. Установлено, что наилучшим образом космонавт будет переносить воздействие перегрузок в поперечном направлении (грудь — спина). Найдена граница устойчивости организма и для этого случая.

Как же защитить космонавта от перегрузок? Прежде всего тренированность. Регулярные тренировки сделают организм устойчивым к многократному увеличению веса. Могут помочь и противоперегрузочные костюмы, обжимающие при помощи сжатого воздуха тело космонавта и ограничивающие смещение крови и внутренних органов. Не будут лишними и специальные, самоориентирующиеся по направлению ускорения кабины, благодаря чему перегрузки могут возникать только в наиболее благоприятном для организма направлении. Стоит подумать и над идеей К. Э. Циолковского о защите космонавта «посредством погружения в жидкость». Кстати, погружение в жидкость могло бы защитить и еще от одной опасности — ударных перегрузок. Они длятся доли секунды, но, несмотря на это, очень опасны для организма. Были обследованы животные и люди. Оказалось, что ударные перегрузки с многократным превышением веса удовлетворительно переносимы опять-таки в поперечном направлении. Теперь уже не так страшен и удар о землю при посадке и катапультирование в случае аварии.

Подробные исследования дали ясный ответ: человек в космическом полете сумеет преодолеть повышенную тяжесть.

На этот вопрос, вообще говоря, можно было ответить, не выходя из стен лаборатории. А вот невесомость? Как ее будет переносить космонавт?

Немецкий доктор О. Лангер утверждал, например, что сколько-нибудь длительная потеря живым организмом веса наверняка приведет к нарушению кровообращения. В состоянии невесомости исчезнет, говорил он, статическое давление крови, что будет аналогичным резкому понижению давления в нормальных условиях. А это, как .известно, крайне опасно для жизни.

Много споров было вокруг влияния невесомости на поведение, работоспособность и психические функции животных и человека. Были даже утверждения, что человек, попавший в космос, должен непременно лишиться рассудка. Ответ на все вопросы мог дать только эксперимент.

Скоростной самолет летит по параболе. В кабине — состояние невесомости, но... всего на минуту. Ракеты! Здесь это состояние длится уже несколько минут. Но вышли на орбиту спутники, и появилась возможность поддерживать невесомость в течение длительного времени.

3 ноября 1957 года в первое свое кругосветное заатмосферное плавание отправляется посланец Земли — Лайка. Много интересного и нужного человеку рассказал этот четвероногий космонавт, неоднократно облетевший Землю на втором советском ИСЗ.

Многочисленные лабораторные исследования, опыты с животными на ракетах и спутниках показали, что состояние невесомости довольно легко переносимо, организм способен привыкать к нему, никаких серьезных последствий оно не оставляет и уж, во всяком случае, не является препятствием для космического полета человека. Правда, при полной потере веса несколько нарушается координация движений. Может быть, если полет будет продолжительным, космонавт, научившись «плавать» в кабине корабля, при возвращении на Землю будет вынужден даже учиться ходить. Но это скорее забавный, курьез, чем серьезное препятствие. В крайнем случае можно создать искусственную тяжесть вращением корабля вокруг оси.

Благополучный исход опытов на животных позволил приступить к подготовке полета людей в космос.

Для нормальной жизни и работы человека в безвоздушном пространстве необходимо было создать условия, близкие к тем, в которых он привык находиться на Земле. От низкого барометрического давления защитит герметичная кабина с нормальным давлением и составом воздуха внутри. Конструкции такой кабины большое внимание уделял еще К. Э. Циолковский.

Изучение на ракетах и спутниках метеорной опасности показало, что с этим вопросом дело обстоит более или менее просто. Метеорная материя находится в космосе в крайне раздробленном состоянии, и преобладающее число метеоритов представляет собой хлопья, похожие на хлопья копоти или снега. Встреча с таким препятствием не страшна кораблю. В момент столкновения метеорит взрывается, или, как еще говорят, испаряется, оставляя в месте удара крошечный след — кратер. На обшивках ракет, возвращающихся из заатмосферных полетов на Землю, можно было обнаружить такие следы. Вероятность столкновения с опасным метеоритом чрезвычайно мала, хотя и не отсутствует полностью. Наши спутники, налетавшие много миллионов километров, с ними ни разу не встретились.

Однако при длительных космических полетах на больших кораблях будут, наверное, применяться и специальные средства защиты от таких метеоритов. Ну, хотя бы разделение кабины на несколько герметизированных отсеков.

Космонавтов поджидала другая невидимая простым глазом опасность: спутниковые и ракетные исследования показали, что наша планета окружена ореолом заряженных частиц, состоящим из нескольких слоев, или поясов. Их назвали поясами радиации. Во внутреннем, расположенном ближе к Земле (от 600 до 5 тысяч километров), поясе радиации существуют быстрые и сильные частицы, способные проникать даже через сантиметровую стальную броню. Это потребует в дальнейшем тщательного выбора траектории с целью избежать попадания во внутреннюю зону радиации и разработки специальных методов защиты космонавтов.

Подстерегает космонавтов и коварное Солнце. На Солнце произошла вспышка, и в разные стороны помчались опасные космические лучи. Защита от самих лучей не представляет трудностей, но вот ливни частиц, вызванные этими лучами в атмосфере? С этим придется бороться.

Но Солнце и друг космонавта. Вот корабль вышел на орбиту, раскрыл сложенные при взлете крылья. Они усеяны маленькими пластиночками. Это электростанция корабля, солнечные батареи. Непрерывно ориентируясь на светило, они преобразуют солнечную энергию в электричество, необходимое для работы приборов. Сейчас без таких батарей длительный полет в пределах нашей солнечной системы почти невозможен.

А как с запасами кислорода? При кратковременных полетах в космос можно пользоваться кислородом, захваченным в баллонах с Земли. Когда же сроки пребывания вне земной атмосферы будут велики, задачу придется решать иначе. Тогда корабль необходимо будет делать крохотным подобием Земли с ее непрерывным кругооборотом веществ. Самое важное — кислород. Здесь на помощь космонавту придут растения, поглощающие вредную углекислоту и выделяющие кислород. Растения же могут служить и пищей.

В кабине специальные устройства будут поддерживать необходимую температуру и влажность воздуха. А вентиляторы будут его перемешивать, не давая скапливаться углекислоте вблизи человека.

К началу прошлого года основные исследования по вопросу возможности пребывания человека в космосе были закончены.

И вот год назад в небо взмывает первый корабль-спутник, за ним второй, третий... Новое качественное отличие 1их от своих предшественников заключалось в том, что они были предназначены для полета человека. И лишь отработка всех вспомогательных систем заставила многократно повторить опыт.

На этих кораблях-спутниках ставились грандиозные биологические эксперименты с прицелом на будущие полеты людей к планетам и звездам. Население этих кораблей представляло все многообразие жизни: от живых существ, стоящих у самых истоков жизни, до высокоорганизованных животных. Изучались особенности жизни различных животных и растений в условиях космического полета. Каждый подопытный экземпляр имел свое задание, свое назначение в экспериментах. Например, нежная традесканция. Она могла довольно точно сказать о том, какова доза воздействующего космического излучения. Об опасности радиации для наследственности можно было судить по состоянию раствора дезоксирибонуклеиновой кислоты и по потомству маленькой плодовой мушки — дрозофилы. Была на кораблях и вероятная спутница человека в будущих рейсах к другим мирам, жительница наших вод — хлорелла. Она будет «заведовать» снабжением космонавта кислородом и пищей.

На кораблях-спутниках присутствовали и живые существа — мыши, крысы, собаки. Радиоволны приносили на Землю людям не только характеристики их состояния в виде линий и точек, записанных на фотопленку. Телевизионные камеры позволили наблюдать за животными почти в течение всего полета. Все животные чувствовали себя нормально. Анализ результатов запусков показал, что корабль-спутник годен к использованию по своему основному назначению.

Одновременно с решением первых двух проблем посылки человека в космос решалась и третья проблема — возвращение на Землю. -

Возвращение

Уже в первых полетах . исследовательских ракет, потолок которых не превышал 100 километров, начались опыты по возвращению животных на Землю. Собаки помещались в специальный герметичный контейнер, который отделялся от ракеты и самостоятельно спускался на Землю на парашюте.

Завоевывается следующий рубеж — 200 километров. Теперь собаки помещены в головной части ракеты. Здесь им предоставлена небольшая отдельная квартира. В привычной позе на лотках расположились две путешественницы. Они спокойны. Ко всему можно привыкнуть. Даже к слепящему свету ламп и непрерывному стрекоту киноаппарата. Ведь это нужно для человека. Полеты и благополучные возвращения следуют один за другим. Все идет отлично.

21 февраля 1958 года. На старте стоит одноступенчатая высотная геофизическая ракета. Она видна издалека, сверкающая в свете прожекторов на темном фоне ночи. Вокруг нее деловито снуют машины, люди. Идет подготовка к полету. До старта остается немного. Собаки занимают свои места в ракете. Сегодня предстоит штурм нового высотного рубежа.

Закрыты последние люки, включены приборы. Ракета готова к гигантскому прыжку в небо. Сигнал — и мгновенно пустеет стартовая площадка. Солнце вот-вот покажется из-за горизонта. Внимание! Старт! Вспышка, и вдруг рванулось и ударило в землю море огня. Вся стартовая площадка заволоклась дымом. И лишь шпиль ракеты возвышается над этим облаком, вздрогнув, как бы нехотя, он двинулся вверх. Ракета уже вся на виду, стройная, красивая, на мгновение уперев в землю упругий огненный хвост. Oт грохота дрожит земля.

Все больше и больше скорость. Уже не слышно рева двигателей, и лишь в нежно-голубом, безоблачном небе прямо в зените неестественно ярко сверкает звездочка. Двигатели выключились — звездочка погасла, но невидимые нити радиоволн крепко связывают Землю с ракетой. Они несут сведения обо всем, что делается сейчас внутри ракеты и вокруг нее. Чуткие приборы проверяют пульс, давление крови, дыхание животных. Все идет нормально. Но на Земле люди, замершие у зеленоватых экранов осциллографов, стараются скрыть волнение. Самое главное— возвращение— еще впереди.

Пройдена наивысшая точка траектории — 473 километра. Ракета, набирая скорость, устремляется к Земле.

Так живые существа, побывавшие на колоссальной высоте, были благополучно возвращены на Землю.

Один за другим приземляются космические корабли-спутники. Отлично работают все системы корабля. Четкий разворот—и включены двигатели торможения. Корабль плавно идет на посадку.

Полученные на кораблях-спутниках результаты подтвердили, что разработанные нашими учеными и инженерами средства, обеспечивающие безопасность полета и возвращение из космического пространства животных и человека, вполне себя оправдали. Последняя задача решена.

Путь человеку в космос открыт.

Вокруг света за 89 минут

Эти слова звучат как название нового научно-фантастического романа. Нет, это не фантазия. 12 апреля 1961 года наш соотечественник летчик-космонавт Юрий Алексеевич Гагарин пронесся в космическом корабле над миром, взметнув космическую пыль неезженых дорог вселенной.

Старт прошел нормально. Гигантская многоступенчатая ракета, преодолевая земное притяжение и теряя по пути пустые, теперь уже бесполезные баки из-под горючего, рвется ввысь, унося в неведомое почти пятитонный космический корабль, в кабине которого находится человек.

Все больше и больше скорость. Тело человека стало в несколько раз тяжелее.

Но предельно ясно работает мысль.

Скорость приближается к первой космической. Еще немного... Есть! Толчок — и корабль-спутник, отделившись от последней ступени ракеты, вышел на орбиту вокруг Земли. Кабина наполнилась тишиной. Лишь приборы, сопровождающие человека в этом полете, деловито издают разнообразные звуки.

Пора приниматься за работу. Человек сделал Движение и вдруг... повис над креслом. Невесомость. Вот она, таинственная спутница космических полетов. Все вдруг, как по мановению волшебной палочки, потеряло вес. Удивительное, непередаваемое словами ощущение.

А как с координацией? Не нарушалась? Нет, нисколько. Человек тянется к блокноту — нужно произвести запись. Строчки записи, как обычно, ровные, четкие. Единственное неудобство: блокнот во время записи приходится придерживать, иначе он «уплывет» из-под карандаша и начнет странствовать по кабине. Лови его тогда!

Включен передатчик. Управляемые рукой человека, к Земле понеслись радиосигналы: «Полет проходит нормально, чувствую себя хорошо».

Хорошо! Человек в космосе чувствует себя хорошо! Как в такую минуту не помянуть добрым словом тех, оставшихся на Земле, с волнением следящих за твоим полетом! Это их руками построен замечательный корабль-спутник, оснащенный самой современной аппаратурой. Это их руками создана ракета, без труда вознесшая тебя на орбиту. Это они, скромные труженики, исследовав и изучив все, что связано с твоим полетом, изготовили приборы для того, чтобы ты чувствовал себя в космосе хорошо, чтобы благополучно возвратился на Землю.

Человек наклонился к иллюминатору, всматриваясь в лицо вселенной. На темном фоне космического пространства разбросаны мириады ярких немигающих звезд. Они гораздо ярче, чем мы их видим с Земли.

«Ничего,— шепчет человек,— скоро мы доберемся и до вас. Скоро разгадаем все ваши тайны!»

Но что это? Через стекло в глаза человеку ударил слепящий луч. Солнце... И оно здесь в десятки, в сотни рез ярче, чем для земного наблюдателя. Сейчас на него невооруженным глазом, даже зажмурившись, невозможно смотреть. Солнце уплывает куда-то в сторону. Теперь в поле зрения космонавта Земля. Человек впервые смотрит на нее с таких высот.

Небо, голубое, нежное, осталось внизу. Оно расположено теперь где-то между кораблем и Землей. Наша планета кажется отсюда окруженной голубым ореолом. Под лучами Солнца атмосфера приобретает фантастические цвета, гаммы из множества красок, от ярко-оранжевой до фиолетовой.

С Землей поддерживается непрерывная двухсторонняя связь. Радиоволны приносят космонавту слова привета всех людей планеты. Люди уже знают, что ты — советский человек — победил космос.

По намеченной программе нужно проверить еще возможность питания человека в состоянии невесомости. Ну что ж! Можно и позавтракать. Человек ест и пьет. Невесомость этому нисколько не мешает.

Мешает больше телеобъектив, нацелившийся своим глазом на космонавта. Чувствуешь себя немножко неловко, как в телестудии.

Полет длится уже более часа. Где-то внизу проплывает Африка. Отчетливо видны контуры берегов, большие лесные массивы, темноватые, поблескивающие пятнами водные просторы, ниточки крупных рек.

Корабль над нашей территорией. Кругосветное путешествие подходит к концу. Программа выполнена, пора идти на посадку.

Включаются тормозные двигатели, начинается спуск.

«12 апреля 1961 года в 10 часов 55 минут московского времени советский корабль «Восток» совершил благополучную посадку в заданном районе Советского Союза».

Планомерный штурм космоса ознаменовался еще одной изумительной победой человеческого разума. Теперь можно рассматривать новые проекты полета человека к Луне, Марсу, Венере. Это вопрос ближайшего будущего.

Человеку предстоит много работы в космосе. Скоро, вероятно, появятся такие дисциплины, как космическая агрономия, космическая геология и другие. Астрономия превращается из науки наблюдателей в науку практиков-экспериментаторов. А космическая радио- и телевизионная связь уже сейчас бурно развивается. И какой бы ни была деятельность людей в межпланетном пространстве, она всегда будет направлена к единой цели — сделать жизнь человека на Земле еще более прекрасной.

Отрадно сознавать, что первый полет в космос — заслуга, подвиг нашего, советского человека. Многие люди, комментируя этот полет, называют его «невероятным», «неожиданным» фактом. Нет, этот факт закономерен. Это очередная победа общественной системы, работающей для прекрасного будущего всего человечества, победа социализма.

Недаром наш обитаемый корабль был назван «Восток». С 1917 года для трудящихся всего мира это слово приобрело особый смысл. Оно означает теперь светлое будущее, с ним стали связывать люди все свои чаяния и мечты, с Востока для всего человечества засияло солнце счастья

И наш корабль-спутник «Восток» — еще один яркий луч солнца социализма, освещающий путь человечеству к прогрессу, миру, счастью.

Звездные собаки » Русскоязычное сообщество Kerbal Space Program

Для подготовки пилотируемых полетов в космос, в Советском Союзе проводились экспериментальные полеты с участием собак. В 1949 г. решениями президиумов Академии наук СССР и Академии медицинских наук СССР была утверждена научная доктрина космической биологии и медицины, предусматривающая экспериментальные полеты в космос животных.

Для эксперимента были выбраны не породистые собаки, а дворняжки, поскольку они более выносливы и неприхотливы. Для полетов отбирались животные весом не более 6 кг, ростом (в холке) не выше 35 см. Подготовка собак велась в специальной лаборатории Научно-исследовательского института авиационной медицины (НИИ АМ) ВВС Минобороны СССР (ныне - Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины Минобороны РФ, ГНИИИ ВМ; Москва).

Основной целью эксперимента, было исследование влияния факторов космического полёта на организм животных и других биологических объектов (перегрузка, длительная невесомость, переход от перегрузок к невесомости и обратно), изучение действия космической радиации на животные и растительные организмы, на состояние их жизнедеятельности и наследственность, отработка систем, обеспечивающих жизнедеятельность человека, безопасность полёта и благополучное возвращение на Землю. Также было проведено несколько медико-биологических экспериментов и научных исследований космического пространства.

В рамках подготовки к полетам человека в космос, а также в дальнейших космических экспериментах принимали участие более 40 собак.

 

С июля 1951 г. по июнь 1960 г. с полигона Капустин Яр в Астраханской области проводились запуски в стратосферу геофизических ракет (Р-1Б, Р-1В, Р-1Д, Р-1Е, Р-2А, Р-5А разработки Сергея Королева, главного конструктора ОКБ-1, ныне - РКК "Энергия" им. С.П. Королева) с собаками на борту. Первый состоялся 22 июля 1951 г.: ракета Р-1В подняла на 110-километровую высоту специальную герметическую кабину с собаками по кличке Дезик и Цыган, животные благополучно приземлились на парашюте. Всего было осуществлено 29 таких полетов (21 успешно). В них участвовали 36 собак (некоторые летали по несколько раз), из которых 15 погибли.

 

Белка и Стрелка являлись дублёрами собак Чайки и Лисички, которые погибли при неудачном старте 28 июля 1960 года. На 19-й секунде полёта у ракеты-носителя разрушился боковой блок первой ступени, в результате чего она упала и взорвалась.

Первым живым существом, побывавшем в космосе, стала собака Лайка. Стартовав 3 ноября 1957 г. с космодрома Байконур на втором искусственном спутнике Земли ("Спутник-2"), она несколько часов провела в невесомости. Погибла на орбите от удушья и жары из-за нагрева космического аппарата, поскольку в то время еще не были проработаны технологии для мягкого спуска аппаратов на Землю.

Первыми собаками, побывавшими на орбите и благополучно вернувшимися на Землю, стали Белка и Стрелка.

19 августа 1960 г. животные стартовали с Байконура на корабле-спутнике ("Спутник-5") - прототипе корабля "Восток".

Собаки были размещены в специальном контейнере в катапультирующей установке кабины корабля, для полета им сшили костюмы красного и зеленого цветов.

Во время старта и набора высоты у собак наблюдались сильно учащённые дыхание и пульс, но когда корабль был выведен на орбиту, они успокоились.

Катапультируемый контейнер, в котором находились собаки и другие био-объекты, был одним из вариантов контейнера, разработанного для будущих полётов человека. В контейнере были расположены кабина для животных с лотком, автоматом кормления, ассенизационным устройством, системой вентиляции и т. п., катапультные и пиротехнические средства, радиопередатчики для пеленгации после приземления, телевизионные камеры с системой подсветки и зеркал, блоки с ядерными фотоэмульсиями.

 

 

Система жизнеобеспечения, установленная в кабине корабля-спутника, полностью обеспечивала нормальную жизнедеятельность животных. Давление, температура и влажность воздуха в кабине корабля обеспечивались системами жизнедеятельности в пределах установленной нормы. Периодически проводилась очистка воздуха. Автоматы кормления обеспечивали пищей и водой Белку и Стрелку два раза в сутки, в рамках эксперимента по возможности приёма пищи в невесомости. Регистрацию физиологических функций в течение всего полёта обеспечивал специально разработанный комплект медицинской исследовательской аппаратуры. Установка для регенерации воздуха содержала специальное регенерационное вещество, которое поглощало углекислоту и водяной пар и выделяло при этом необходимое количество кислорода. Запас регенерационного вещества обеспечивал потребности животных в кислороде в течение продолжительного времени.

 

Видеоинформация, передававшаяся с борта корабля во время прохождения корабля-спутника в зоне действия наземных приемных пунктов, регистрировалась на кинопленку. В дальнейшем при просмотре этой пленки можно было определить, как вело себя животное в определенный момент и какие физиологические изменения в этот период происходили. Кроме того, информация, накопленная во время нахождения корабля вне зоны видимости наземных служб, передавалась на Землю позднее. В полете регистрировались частота пульса, дыхания, артериальное давление (в сонных артериях), электрокардиограммы, фонокардиограммы (тоны сердца), двигательная активность животных и температура тела. Координация движения животных изучалась с помощью телевидения и контактно-реостатных датчиков, воспринимавших движения животных и передававших о них по телеметрии. Медицинская информация с борта корабля-спутника передавалась на наземные радиотелеметрические системы. Врачи-физиологи обрабатывали полученные данные и специальным кодом передавали их в центр управления полетом. Информация обрабатывалась с помощью ЭВМ.

После стресса, вызванного взлетом, Белка и Стрелка вели себя спокойно, вначале даже немного вяло. Несмотря на перегрузки и вибрацию вначале, собаки с аппетитом ели свою специализированную пищу. Состояние невесомости не оказывало существенного воздействия на систему кровообращения. Температура тел собак не изменялась в течение всего полета. Однако после четвертого витка вокруг Земли Белка почему-то стала крайне беспокойна, пыталась вырваться из привязных ремней и лаяла. Ее стало тошнить. Несмотря на это, послеполетные анализы не выявили у Белки особых отклонений от нормы. Через несколько часов после старта выяснилось, что на корабле отказал датчик инфракрасной вертикали, поэтому для предпосадочной ориентации была использована резервная система ориентирования по солнцу.

На околоземной орбите они находились 25 часов, совершив 17 витков вокруг Земли. 20 августа ТАСС сообщил: "Корабль-спутник и отделившаяся от него капсула с подопытными животными благополучно приземлились... Собаки Белка и Стрелка после полета и приземления чувствуют себя хорошо". Для наблюдения за ними на борту корабля была установлена радиотелевизионная система "Селигер" с двумя телекамерами, изображение фиксировалось на кинопленку.

После полета собаки жили в вольере НИИ АМ. Через несколько месяцев Стрелка принесла потомство - шесть щенков. Одного из них по личному распоряжению Никиты Хрущева подарили супруге президента США Джона Кеннеди - Жаклин. В настоящее время чучела Белки и Стрелки экспонируются в московском Мемориальном музее космонавтики. К 50-летию полета собак, в марте 2010 г. на экраны вышел мультфильм "Белка и Стрелка. Звездные собаки".

Позднее успех Белки и Стрелки был закреплен удачными полетами других собак. Впрочем, было и два аварийных запуска, приведшие к гибели 4 животных.

Незадолго до старта Юрия Гагарина, 25 марта 1961 г. собака по кличке Звездочка на корабле-спутнике "Восток" полностью проделала путь, который предстоял первому космонавту: взлет, один виток вокруг Земли и посадка. После ее благополучного возвращения было принято окончательное решение о полете человека в космос.

Всего в космосе, в рамках проводимых Советским Союзом исследований, побывали 9 собак. Последними были Ветерок и Уголек. Стартовав 22 февраля 1966 г. с Байконура, они установили рекорд по продолжительности полета - провели на орбите 22 дня.

В память о животных, погибших в научных экспериментах, в 1958 г. перед Парижским обществом защиты собак была воздвигнута гранитная колонна. Ее вершину венчает устремленный ввысь спутник, из которого выглядывает мордочка Лайки.

 

На острове Крит (Греция), на территории музея Homo Sapiens, установлен памятник собакам - Лайке, Белке и Стрелке. В Москве на здании лаборатории ГНИИИ ВМ, где готовили Лайку к полету, была открыта мемориальная доска (1997), перед институтом установлен памятник Лайке (2008). В Ижевске в 2006 г. был открыт памятник собаке Звездочка.

 

Официальный интернет-портал Администрации Томской области - Ошибка

array
(
    'code' => 404
    'type' => 'CHttpException'
    'errorCode' => 0
    'message' => 'Невозможно обработать запрос \"uploads/ckfinder/272/userfiles/files/%d0%9f%d1%80%d0%b8%d0%ba%d0%b0%d0%b71089(1).docx\".'
    'file' => '/var/www/production/yii/framework/yiilite.php'
    'line' => 1803
    'trace' => '#0 /var/www/production/yii/framework/yiilite.php(1719): CWebApplication->runController(\'uploads/ckfinde...\')
#1 /var/www/production/yii/framework/yiilite.php(1236): CWebApplication->processRequest()
#2 /var/www/production/public/index.php(72): CApplication->run()
#3 {main}'
    'traces' => array
    (
        0 => array
        (
            'file' => '/var/www/production/yii/framework/yiilite.php'
            'line' => 1719
            'function' => 'runController'
            'class' => 'CWebApplication'
            'type' => '->'
            'args' => array
            (
                0 => 'uploads/ckfinder/272/userfiles/files/%d0%9f%d1%80%d0%b8%d0%ba%d0%b0%d0%b71089(1).docx'
            )
        )
        1 => array
        (
            'file' => '/var/www/production/yii/framework/yiilite.php'
            'line' => 1236
            'function' => 'processRequest'
            'class' => 'CWebApplication'
            'type' => '->'
            'args' => array()
        )
        2 => array
        (
            'file' => '/var/www/production/public/index.php'
            'line' => 72
            'function' => 'run'
            'class' => 'CApplication'
            'type' => '->'
            'args' => array()
        )
    )
)
Официальный интернет-портал Администрации Томской области - Ошибка | Департамент общего образования Томской области

404

Просим прощения, ведутся технические работы

/var/www/production/yii/framework/yiilite.php at line 1803

#0 /var/www/production/yii/framework/yiilite.php(1719): CWebApplication->runController('uploads/ckfinde...')
#1 /var/www/production/yii/framework/yiilite.php(1236): CWebApplication->processRequest()
#2 /var/www/production/public/index.php(72): CApplication->run()
#3 {main}

Невесомость и спутники | Ресурсы Wyzant

Автор: Томас Л.

Концепция невесомости - это концепция, которую большинство людей легко понимают неправильно, пока они не познакомятся с вводной физикой впервые. Например, многие из нас рано узнают (правильно), что вес зависит от силы тяжести F г = мг, и что мы весим больше на Земле, чем на Луне, потому что сила гравитации на Земле ( г = 9.8 м / с 2 ) больше, чем у Луны ( г = 1,6 м / с 2 ). Поэтому неудивительно, что распространенное заблуждение состоит в том, что объект становится невесомым, когда сила тяжести становится равной нулю. Строго говоря, это утверждение было бы правдой, если бы не тот факт, что сила тяжести никогда не может быть в точности равна нулю (см. Урок по гравитации, чтобы узнать больше о формуле силы тяжести). Это потому, что гравитация действует даже на невероятно больших расстояниях, несмотря на то, что это самая слабая из фундаментальных сил.Итак, если сила тяжести никогда не равна нулю, как что-то можно считать невесомым? Проще говоря, невесомость можно более точно определить как «ощущение отсутствия веса». Это ощущение обычно вызывается / усиливается из-за (a) отсутствия толкающей или тянущей силы со стороны близлежащих поверхностей и / или (b ) восприятие того, что скорость человека относительно окружающей его среды равна нулю. Давайте рассмотрим каждую ситуацию по очереди.

Тянущие и толкающие силы

Я чувствую свой вес, когда стою, потому что земля толкает меня вверх.Чем больше силы я ощущаю от земли (или любой другой поверхности), тем «тяжелее» я себя чувствую. Эту силу, которую я ощущаю от соприкасающейся поверхности, обычно называют нормальной силой. В общем, обычно существует сила (например, сила тяжести), которая толкает или тянет тело к поверхности. В ответ поверхность отталкивается от рассматриваемого тела. Мы можем определить, насколько сильно эта поверхность отталкивается, глядя на чистую силу. Обычно мы суммируем все силы, действующие на тело, чтобы определить результирующую силу (2-й закон Ньютона), используя это уравнение

, но заранее зная чистую силу, мы можем найти нормальную силу.Например, если я стою на ровной поверхности и не ускоряюсь в каком-либо направлении, результирующая сила на моем теле равна нулю, что означает, что нормальная сила равна по величине силе тяжести ( см. Рисунок ). Подводя итог, нормальная сила отвечает за ощущение веса, и величина нормальной силы может зависеть от направления и величины чистого ускорения.

Рассмотрим следующий сценарий: вы находитесь внутри движущегося лифта и стоите на весах.Шкала используется для измерения того, насколько сильно нижняя часть лифта толкает вас. Если лифт ускоряется вверх (положительное чистое ускорение), чистая сила на вашем теле направлена ​​вверх, поэтому 2-й закон Ньютона дает нам уравнение

Решение относительно N (веса, который вы чувствуете) дает нам

, что превышает ваш вес на земле. Если лифт ускоряется вниз (отрицательное чистое ускорение), мы получаем уравнение

Решение для N дает нам

, что меньше вашего веса на земле.Если a net = g , то N = 0 и вы почувствуете себя совершенно невесомым.

Относительная скорость

Если N = 0 достаточно для невесомости, то почему люди обычно не считают себя «невесомыми», когда прыгают с трамплина (или прыгают с парашютом для более смелых)? Это потому, что я чувствую, что двигаюсь относительно своего окружения. Если мы вернемся к примеру с лифтом, я чувствую себя невесомым в падающем лифте, потому что я могу «плавать» внутри лифта, просто потому, что мы оба падаем с одинаковой скоростью и имеем одинаковое чистое ускорение.Кстати, вы, возможно, уже заметили, что условие body = a lift = g должно быть выполнено, чтобы N = 0 было истинным, поскольку тот факт, что оба объекта падают вместе, означает, что они падают. не нужно оказывать друг на друга нормальную силу. И толкающие, и тянущие силы, а также относительная скорость - это взаимосвязанные события, которые происходят одновременно и вызывают ощущение невесомости.

Следовательно, мы можем уточнить наше предыдущее утверждение об относительной скорости объекта относительно его окружения следующим образом: ощущение невесомости достигается, когда и объект, и его окружение испытывают одинаковое чистое ускорение.Эта концепция ясно объясняет, почему астронавты на Международной космической станции невесомые. Интуитивно многие люди могут сказать, что «гравитации в космосе нет» или что сила гравитации на орбите намного меньше. На самом деле, наоборот. Без гравитации спутники не могли бы вращаться вокруг Земли и просто двигались бы по прямой линии в космос. Причина, по которой астронавты чувствуют себя невесомыми, заключается в том, что они ускоряются к Земле с той же скоростью, что и транспортное средство, в котором они находятся.

Тест на невесомость

1. Муравей сидит на теннисном мяче, который подбрасывают прямо вверх. Какие из следующих утверждений верно?

Ответ (E). Утверждения (B) и (C) неверны, потому что сила тяжести постоянна и равна массе муравья, умноженной на ускорение свободного падения. Утверждения (A) и (D) верны, потому что нормальная сила шара, действующая на муравья, равна нулю при движении шара вверх и вниз.Это связано с тем, что чистое ускорение мяча и чистое ускорение муравья равны g = 9,8 м / с 2 .

2. Муравей находится в машине массой м , которая проезжает холм с радиусом кривизны r с постоянной скоростью v . Насколько быстро должна ехать машина, чтобы на вершине холма чувствовать себя невесомой?

Ответ (B). Если мы нарисуем диаграмму свободного тела автомобиля на вершине холма, силы будут нормальной силой (направленной вверх) и силой тяжести.Сумма этих двух сил равна чистой (центростремительной) силе, направленной вниз. Мы знаем, что результирующая сила должна быть направлена ​​к центру, чтобы автомобиль двигался по круговой траектории. Таким образом, мы получаем уравнение

Поскольку автомобиль невесом (N = 0) и формула для центростремительного ускорения имеет вид ac = v2 / r, наше уравнение можно переписать как

ньютоновских механик - Невесомость в спутниках

Предположим, что объект находится на круговой орбите (для простоты)

Гравитационное притяжение уравновешивается центростремительной силой

Это звучит для меня как случай, когда антицентробежная бригада «исправляет» утверждение, заменяя слово «центробежный» словом «центростремительный» и тем самым превращая это утверждение в бессмыслицу.

Мы можем взглянуть на проблему орбиты с помощью двух систем отсчета.

Сначала давайте посмотрим на вещи из вращающейся системы отсчета, которая вращается вместе с орбитой спутника. Поскольку это вращающаяся система отсчета, у нас есть центробежная сила, и мы можем сделать следующее утверждение:

  • Гравитационное притяжение уравновешивается центробежной силой .

Теперь посмотрим на вещи из невращающейся рамы.

  • Чтобы что-то двигалось по кругу, необходима центростремительная сила.В случае орбиты центростремительная сила обеспечивается силой тяжести.

Важно понимать, что это всего лишь два способа описания одной и той же ситуации из разных систем отсчета.

Однако это не имеет ничего общего с «невесомостью». Ключ к пониманию невесомости заключается в том, что мы не чувствуем силы тяжести или ускорения (а центробежная сила - это просто еще один способ взглянуть на ускорение) напрямую. Когда мы говорим о ощущении своего веса, на самом деле мы ощущаем не гравитацию, а контактные силы, напряжения и сжатия на / в нашем теле, которые действуют против силы тяжести.Когда мы говорим о перегрузке, то на самом деле мы ощущаем не ускорение, а контактные силы, напряжения и сжатия на / в нашем теле, которые вызывают ускорение.

Если эти контактные силы (и, следовательно, результирующие напряжения / сжатия) незначительны *, мы не чувствуем гравитации. Это в равной степени относится к нахождению на орбите, к комете NASA Vomit Comet или к ранним этапам прыжков с парашютом (до того, как ваше тело наберет достаточное ускорение, чтобы сопротивлением воздуха можно было пренебречь).

Орбита

интересна в первую очередь тем, что ее можно поддерживать в течение гораздо более длительных периодов времени, чем в других сценариях невесомости.

* На самом деле они не равны нулю на спутнике, потому что гравитационное поле не совсем однородно по всему спутнику и потому, что спутники на низкой орбите испытывают некоторое сопротивление воздуха.

невесомость | Определение, эффекты и факты

Невесомость , состояние, возникающее при свободном падении, при котором действие силы тяжести нейтрализуется инерцией (т.е.g., центробежная) сила, возникающая в результате орбитального полета. Термин невесомость часто используется для описания такого состояния. Исключая космический полет, истинную невесомость можно испытать лишь на короткое время, как если бы самолет двигался по баллистической (т. Е. Параболической) траектории.

невесомость

Астронавты демонстрируют невесомость на Международной космической станции.

NASA

Экипажи космических кораблей подвержены проблемам невесомости. Это было извлечено из раннего Советского Союза и У.В ходе пилотируемых миссий S. наблюдалось снижение частоты сердечных сокращений и дыхания, а также прогрессирующая потеря массы тела и кальция в костях во время относительно коротких полетов. Однако по возвращении на Землю происходит обращение большинства этих эффектов. Во время более поздних полетов с продолжительным сроком действия, например, с участием американских космических станций "Скайлэб" и "Салют", были предприняты обширные биомедицинские исследования. Их выводы показали, что периодические физические упражнения с использованием правильно спроектированного оборудования необходимы для поддержания здоровья и что человеческому организму требуется около 40 дней, чтобы приспособиться к условиям невесомости.В такой среде телесные жидкости перераспределяются, причем меньше в нижних конечностях и больше в верхней части тела; высота увеличивается; масса тела обычно, но не всегда, уменьшается с потерей мышечной ткани; слабеют вены и артерии ног; возникает анемия, сопровождающаяся значительным снижением показателей крови. По возвращении на Землю возникает чувство слабости и потеря чувства равновесия. Восстановление от всех этих эффектов относительно быстрое и почти полное примерно через неделю.Однако серьезным поводом для беспокойства является потеря кальция в костях, которая увеличивается с продолжительностью миссии и не имеет никаких признаков прекращения. Возможность непоправимого ухудшения состояния в будущих космических полетах большой продолжительности указывает на необходимость искусственной гравитации. Использование центробежной силы в вращающемся космическом корабле подходящей конструкции - очевидный способ имитации силы тяжести.

Помимо изучения эффектов продолжительной невесомости на мышечное напряжение, кровообращение и вестибулярные функции, ученые исследовали их влияние на клеточный метаболизм, циркадные ритмы, формирование паутины, а также рост и ориентацию корней растений.Также были проведены эксперименты для определения влияния силы тяжести и последствий ее отсутствия в физических, химических и металлургических процессах. Смешивание сплавов и химических реагентов без расслоения, которое происходит на Земле, смешение газов и металлов с получением вспененных металлов с необычными свойствами, а также образование больших совершенных кристаллов иллюстрируют некоторые из возможностей технологии невесомости.

The Editors of Encyclopaedia Britannica Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​Адамом Августином, управляющим редактором, Справочное содержание.

Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:

Невесомость и ее влияние на космонавтов

Ощущение невесомости или невесомости возникает, когда не чувствуется влияние гравитации. С технической точки зрения гравитация существует повсюду во Вселенной, потому что она определяется как сила, притягивающая два тела друг к другу. Но космонавты в космосе обычно не ощущают его воздействия.

Международная космическая станция , например, , постоянно находится в свободном падении над Землей.Однако его поступательное движение примерно равно скорости его «падения» на планету. Это означает, что космонавтов внутри не тянет ни в каком конкретном направлении. Итак, они плавают.

Отсутствие веса на ногах звучит расслабляюще, но в долгосрочной перспективе с этим связано множество проблем со здоровьем. Кости и мышцы ослабевают, и в теле также происходят другие изменения. Одна из функций МКС - изучить, как на здоровье космонавта влияют длительные периоды пребывания в невесомости.

Испытание невесомости

Вам не нужно покидать Землю, чтобы (ненадолго) вырваться из оков силы тяжести . Любой, кто взошел на вершину холма на быстрых американских горках или сидел в небольшом самолете, внезапно сброшенном ветром, на короткое время испытал невесомость.

Более продолжительные периоды возможны в самолетах, летающих по параболе. Например, программа NASA с сокращенной гравитацией полета , например, запускает серию из 30-40 парабол, чтобы исследователи могли проводить эксперименты на борту.Каждый подъем создает силу, примерно в два раза превышающую силу тяжести в течение 30 секунд. Затем, когда самолет, также называемый «рвотной кометой», потому что вызывает тошноту у некоторых пассажиров, достигает вершины параболы и снижается, пассажиры ощущают микрогравитацию примерно на 25 секунд. (Если вы хотите испытать это на себе, такие компании, как Zero G Corp., предлагают прогулки в невесомости на самолетах, конечно же по цене.)

Съемочная группа и актеры фильма «Аполлон-13» провели часы на борту летящего самолета. параболические полеты снова и снова.Это позволяло актерам действительно "плавать" во время пребывания в космическом корабле фильма, а не полагаться на громоздкие провода.

Астронавты, однако, испытывают невесомость гораздо дольше. Самый продолжительный период пребывания в космосе имел место в 1994-95 годах, когда Валерий Поляков провел в космосе почти 438 дней.

Даже несколько дней в космосе могут вызвать временные проблемы со здоровьем, как обнаружила Хайдемари Стефанишин-Пайпер, проведя две недели в космосе во время STS-115 в 2006 году.Во время пресс-конференции после приземления Пайпер упала в обморок, так как она не была полностью приспособлена к гравитации.

Временное воздействие на здоровье

Невесомость заставляет несколько ключевых систем тела расслабляться, так как оно больше не борется с силой тяжести. По словам НАСА, у астронавтов возникает путаница, потому что вестибулярная система больше не может определить, где находятся земля и потолок. Это учитывают конструкторы космических кораблей; например, на МКС все надписи на стенах указывают в том же направлении .

Члены экипажа также испытывают нарушение своей проприоцептивной системы, которая сообщает, где руки, ноги и другие части тела ориентированы относительно друг друга. «В первую ночь в космосе, когда я засыпал, - сказал один астронавт« Аполлона »в интервью НАСА, - я внезапно понял, что потерял из виду ... свои руки и ноги. конечностей там не было ".

Эта дезориентация может вызвать у космонавтов тошноту на несколько дней. Один известный пример имел место во время Apollo 9 в 1969 году.Расти Швейкарту пришлось изменить запланированный выход в открытый космос, потому что он чувствовал себя плохо. Обеспокоенность заключалась в том, что, если его вырвало, находясь в скафандре, жидкость могла распространиться через его шлем (что сделало его трудно увидеть) или повлиять на дыхательный аппарат и вызвать удушье.

Космические аппараты также должны проектироваться с учетом микрогравитации. Например, во время выхода в открытый космос астронавтам требуются дополнительные опоры для рук и опоры на внешней стороне своего космического корабля, чтобы они могли закрепиться и не уплыть.(Астронавты также прикрепляют к ним привязи на случай, если они потеряют хватку.)

Долгосрочные последствия для здоровья

Астронавты, находящиеся в космосе от недель до месяцев, могут столкнуться с проблемами. Кальций в костях выделяется с мочой. По мере ослабления костей астронавты более подвержены их переломам, если они поскользнутся и упадут, как и люди с остеопорозом. Мышцы тоже теряют массу.

Но время на Международной космической станции помогло НАСА провести исследования того, как время в невесомости влияет на здоровье космонавта.Агентство уже внесло изменения. Например, в 2008 году он заменил временное устройство для резистивных упражнений (iRED) на усовершенствованное устройство для упражнений с сопротивлением в 2008 году, что позволило астронавтам заниматься поднятием тяжестей, не превышая свой максимальный вес. ARED связан с лучшими результатами в отношении плотности костей и силы мышц, хотя все выводы из космоса сделать трудно (в общем, так как), поскольку популяция астронавтов уже приспособлена и чрезвычайно мала.

Астронавтам обычно выделяется два часа в день для физических упражнений в космосе, чтобы противодействовать этим эффектам; это время включает не только сердечно-сосудистые упражнения и поднятие тяжестей, но и время, чтобы переодеться и установить или снять оборудование.Несмотря на физические упражнения, после типичного шестимесячного космического полета, чтобы адаптироваться на Земле, требуются месяцы реабилитации. Совсем недавно врачи обнаружили изменения глазного давления на орбите. НАСА зафиксировало изменений зрения у астронавтов, которые были на космической станции , но ничего настолько серьезного, чтобы вызвать беспокойство. Его причина все еще исследуется, хотя один из возможных виновников - спинномозговая жидкость, которая остается постоянной в условиях микрогравитации, а не обычное смещение, которое происходит на Земле, когда вы ложитесь или встаете.Помимо спинномозговой жидкости, исследование 2017 года отслеживало изменения как у космонавтов, так и у дальних полетов. Некоторые исследования также указывают на то, что астронавты испытывают на станции немного повышенный уровень углекислого газа из-за системы фильтрации; этот газ также может вызывать проблемы с глазами.

Бывший астронавт НАСА Скотт Келли участвовал в редкой однолетней миссии на Международную космическую станцию ​​в 2015–16 годах. Его брат-близнец и бывший астронавт НАСА Марк (который ушел на пенсию раньше Скотта) согласился участвовать вместе со Скоттом в нескольких «экспериментах с близнецами», чтобы сравнить здоровье Скотта в космосе с здоровьем Марка на земле.

Предварительные результаты одного исследования, опубликованного в октябре 2017 года, показали, что в космосе включаются и выключаются разные гены. Другие исследования, обсуждавшиеся ранее в том же году, также выявили незначительные изменения. Например, теломеры (замедляющие разрушение хромосом) у Скотта временно удлинились в космосе. У Скотта также было небольшое ухудшение когнитивных способностей (скорости и точности мышления) и формирования костей, хотя этого было недостаточно, чтобы беспокоиться.

Ученые, работающие с экспериментами по здоровью в условиях микрогравитации, отмечают, что часто изменения, наблюдаемые на орбите, имитируют то, что происходит с естественным старением людей, хотя часто процессы отличаются.Группа канадских исследователей, некоторые из которых обладают опытом в области космической медицины, имеют доступ к медицинскому учреждению для пожилых людей в Университете Ватерлоо. Там исследователи могут измерять пожилых людей в их домах, а не приводить их в лабораторию, где условия являются искусственными и могут маскировать или преувеличивать определенные состояния здоровья.

Гравитация и движение спутников - Science Learning Hub

Гравитация - это сила, притягивающая все объекты друг к другу. Люди тянутся к Земле, а Земля - ​​к людям, Луна и Земля тянутся друг к другу, а Солнце и Земля тянутся друг к другу.Все эти притяжения вызваны гравитацией. Гравитационное притяжение больше для более массивных объектов. Гравитация уменьшается с увеличением расстояния между объектами.

Гравитация притягивает все друг к другу

Каждый объект во Вселенной притягивается к любому другому объекту силой гравитации. Это означает, что вам некуда идти во Вселенной, где бы не действовала гравитация. Примеры гравитации в действии:

  • Гравитация удерживает атмосферу вокруг Земли.
  • Гравитация удерживает людей на поверхности Земли.
  • Гравитация удерживает Международную космическую станцию ​​на орбите вокруг Земли.
  • Гравитация удерживает Луну на орбите вокруг Земли.
  • Гравитация удерживает Землю на орбите вокруг Солнца.

Исаак Ньютон был первым, кто высказал идею, что все объекты притягиваются друг к другу под действием силы тяжести. Даже людей притягивает друг к другу гравитация, но эта сила настолько мала, что незаметна.Гравитация становится заметной, только если один (или оба) объекта имеют большую массу, например, Земля.

В космосе есть гравитация

Гравитация не исчезает только потому, что вы находитесь над атмосферой. Даже если объект находится высоко над атмосферой Земли, все равно будет сильная сила тяжести, притягивающая его к центру Земли. На высоте 30 км вы будете выше 99% атмосферы Земли. На 100 км вы официально окажетесь в космосе, но сила тяжести останется почти такой же.Вы и Земля все равно будете сближены.

Ньютон вычислил, что если расстояние от центра Земли удваивается, сила тяжести становится в четверть от того, что было на поверхности. Спутник массой 1000 кг имеет весовую силу 9800 Н у поверхности Земли. Радиус Земли составляет около 6366 км, поэтому на высоте 6366 км над поверхностью Земли расстояние от центра Земли увеличится вдвое. Весовая сила, тянущая его к центру Земли, теперь будет только четвертью, но все равно будет составлять 2450 Н.

Так почему же спутник массой 1000 кг не упадет обратно на Землю?

Боковая скорость удерживает спутники на орбите

На высоте 100 км вы окажетесь настолько высоко, что если посмотрите вверх, то увидите черное небо и звезды. Если вы поднимете спутник на эту высоту и отпустите его, он все равно упадет на Землю, потому что сила тяжести почти такая же, как у поверхности Земли.

Однако, если спутнику задана скорость в любом направлении, горизонтальном по отношению к поверхности Земли, он будет двигаться дальше, прежде чем столкнется с Землей.Если ему дать достаточную скорость, он продвинется так далеко, что, поворачиваясь к Земле, он вообще пропустит Землю. При правильной скорости он будет вращаться вокруг Земли. Этот тип движения и траектория, по которой движется спутник, называется орбитой.

Вблизи Земли на высоте 100 км спутник должен двигаться со скоростью 8 километров в секунду (28 000 км / ч), чтобы оставаться на орбите. На больших высотах спутникам не нужно двигаться так быстро. Спутники телевизионной связи находятся на высоте 36 000 км, и им нужно двигаться только со скоростью 3 км / с (11 000 км / ч).

Луна находится в 360 000 км от Земли, и ей нужно двигаться только со скоростью 1 км / с, чтобы оставаться на орбите вокруг Земли.

Если в космосе есть гравитация, почему космонавты кажутся невесомыми?

Астронавты кажутся невесомыми по той же причине, по которой человек на батуте чувствует себя невесомым в воздухе. По-прежнему действует та же сила тяжести, но на астронавта нет пола, толкающего вверх, поэтому сила веса не ощущается.

Если бы человек находился в лифте, и тросы оборвались, и тормоза вышли из строя (мы уверены, что этого не произойдет), человек и лифт упали бы на Землю с одинаковой скоростью.Пол не будет удерживать человека вверх, чтобы человек мог наслаждаться ощущением невесомости (на короткое время).

То же самое и с космонавтами, находящимися высоко над атмосферой на Международной космической станции (МКС) на высоте около 400 км. Гравитация все еще сильна, но космонавт и МКС падают на землю с одинаковой скоростью. Они оба движутся по горизонтали со скоростью 28 000 км / ч. Падая на землю, они перемещаются по горизонтали с такой скоростью, что вообще не попадают в Землю и вращаются вокруг нее каждые 90 минут.

Природа науки

Научные идеи меняются со временем. Основанное на гравитации мировоззрение Ньютона было заменено идеями Эйнштейна о том, что все массы искажают пространство и время. Это подчеркивает тот факт, что наука не является фиксированной совокупностью знаний. Хотя теория Эйнштейна широко признана, закон всемирного тяготения Ньютона все еще используется в практических ситуациях, таких как движение спутника.

Полезная ссылка

Посетите веб-сайт Звездной обсерватории и планетария, чтобы найти ресурсы и информацию об орбитах - части раздела Солнечной системы.

Используйте это моделирование Университета Колорадо, чтобы поэкспериментировать с движением снаряда.

Почему астронавты в космосе невесомые?

Большинство наших постоянных читателей понимают, почему астронавты и объекты, кажется, плавают на Международной космической станции, но есть некоторые заблуждения и предвзятые мнения по этой теме, которые не соответствуют действительности и которые не представляют собой очень хорошего понимания физика! Это видео дает интересный взгляд на некоторые из представлений людей о невесомости на борту орбитального космического корабля и показывает, почему астронавты на самом деле кажутся невесомыми.

Но давайте обсудим и это:

На вопрос, почему объекты и космонавты в космических кораблях кажутся невесомыми, многие люди отвечают:

1. В космосе нет гравитации и они ничего не весят.

2. Космос - это вакуум, и в вакууме нет силы тяжести.

3. Астронавты находятся слишком далеко от поверхности Земли, чтобы быть подверженными ее гравитационному притяжению.

Все ответы неверны !

Здесь главное понимать, что в космосе IS гравитация.Это очень распространенное заблуждение. Что удерживает Луну на орбите вокруг Земли? Гравитация . Что удерживает Землю на орбите вокруг Солнца? Гравитация . Что объединяет галактики? Гравитация .

Гравитация повсюду в космосе!

Если вы построите башню на Земле высотой 370 км (230 миль), примерно такой же высоты, как орбита космической станции, гравитация на вершине башни будет почти такой же сильной, как если бы вы были на земле. Если вы ступите с вершины башни, вы упадете на Землю, как это сделает Феликс Баумгартнер позже в этом году, когда попытается спрыгнуть с края космоса.(Конечно, это не учитывает отрицательные температуры, которые в конечном итоге приведут к вашей кончине, или то, как отсутствие воздуха или давление воздуха не убьют вас, или то, как падение через атмосферу серьезно скажется на частях вашего тела. остановиться тоже было бы плохо.)

Итак, почему космическая станция или спутники на орбите не падают на Землю и почему астронавты и объекты внутри МКС или других космических кораблей кажутся парящими?

Из-за скорости !

Астронавты, сама МКС и другие объекты на околоземной орбите не летают, они фактически падают.Но они не падают с на Землю из-за своей огромной орбитальной скорости. Вместо этого они падают вокруг Земли. Объекты на околоземной орбите должны двигаться со скоростью не менее 28 160 км / ч (17 500 миль в час). Итак, когда они ускоряются к Земле, Земля изгибается под ними, и они никогда не приближаются. Поскольку у космонавтов такое же ускорение, как у космической станции, они чувствуют себя невесомыми.

Бывают времена, когда мы можем быть невесомыми - ненадолго - на Земле, когда вы падаете.Вы когда-нибудь катались на американских горках и только что миновали вершину холма, когда машина начала спускаться, ваше тело приподнялось с сиденья? Если бы вы были в лифте высотой в сотню этажей, и трос оборвался, когда лифт упал, вы бы поплыли в кабине лифта. Конечно, в этом случае финал был бы довольно плачевным.

А также вы, вероятно, слышали о «Vomit Comet» - самолете KC 135, который НАСА использует для создания коротких периодов невесомости для обучения космонавтов и для тестирования экспериментов или оборудования в невесомости, а также коммерческого самолета Zero- G - полеты, когда самолет летит по параболе, и, как американские горки (но с большей скоростью и большей высотой), когда самолет пересекает верхнюю часть параболы и направляется вниз, при падении самолета создается среда невесомости.К счастью, самолет вылетает из обрыва и выравнивается.

Вернемся к башне. Если вместо того, чтобы просто спрыгнуть с башни, вы совершите прыжок с разбега, ваша поступательная энергия унесет вас от башни в то же время, когда гравитация потянет вас вниз. Вместо того, чтобы удариться о землю у основания башни, вы приземлитесь на некотором расстоянии. Если вы бежите быстрее, вы можете прыгнуть дальше от башни, прежде чем упадете на землю. Если бы вы могли бежать со скоростью космического шаттла и МКС по орбите вокруг Земли со скоростью 28 160 км / ч (17 500 миль в час), дуга вашего прыжка сделала бы круг вокруг Земли.Вы были бы на орбите в невесомости. Вы бы упали, не ударившись о землю. Однако необходимы скафандр и достаточное количество пригодного для дыхания воздуха.

И если бы вы могли бежать со скоростью примерно 40 555 км / ч (25 200 миль в час), вы бы прыгнули прямо мимо Земли и начали вращаться вокруг Солнца.

Международная космическая станция, космический шаттл и спутники предназначены для того, чтобы оставаться на орбите, не падая на землю и не улетая в космос. Они вращаются вокруг Земли примерно каждые 90 минут.

Итак, когда вы находитесь на орбите, вы находитесь в свободном падении и в невесомости.

Как это:

Нравится Загрузка ...

13.4 Спутниковые орбиты и энергия

Луна вращается вокруг Земли. В свою очередь, Земля и другие планеты вращаются вокруг Солнца. Пространство прямо над нашей атмосферой заполнено искусственными спутниками на орбите. Мы исследуем простейшую из этих орбит, круговую орбиту, чтобы понять взаимосвязь между скоростью и периодом планет и спутников в зависимости от их положения и тел, по которым они вращаются.

Круговые орбиты

Как отмечалось в начале этой главы, Николай Коперник первым предположил, что Земля и все другие планеты вращаются вокруг Солнца по кругу.Он также отметил, что орбитальные периоды увеличиваются с увеличением расстояния от Солнца. Более поздний анализ Кеплера показал, что эти орбиты на самом деле являются эллипсами, но орбиты большинства планет Солнечной системы почти круговые. Орбитальное расстояние Земли от Солнца варьируется всего на 2%. Исключение составляет эксцентрическая орбита Меркурия, орбитальное расстояние которого варьируется почти на 40%.

Определение орбитальной скорости и орбитального периода спутника намного проще для круговых орбит, поэтому мы делаем это предположение в следующем выводе.Как мы описали в предыдущем разделе, объект с отрицательной полной энергией гравитационно связан и, следовательно, находится на орбите. Наш расчет для частного случая круговых орбит подтвердит это. Мы сосредоточены на объектах, вращающихся вокруг Земли, но наши результаты могут быть обобщены для других случаев.

Рассмотрим спутник массой м , движущийся по круговой орбите вокруг Земли на расстоянии r от центра Земли ((Рисунок)). У него центростремительное ускорение, направленное к центру Земли.{2}} {r}. [/ латекс]

Рис. 13.12 Спутник массы m, движущийся по орбите с радиусом r от центра Земли. Сила тяжести обеспечивает центростремительное ускорение.

Решаем для скорости орбиты, отмечая, что м отменяется, чтобы получить орбитальную скорость

[латекс] {v} _ {\ text {orbit}} = \ sqrt {\ frac {G {M} _ {\ text {E}}} {r}}. [/ латекс]

В соответствии с тем, что мы видели на (Рисунок) и (Рисунок), м не отображается на (Рисунок).Значение g, , космическая скорость и орбитальная скорость зависят только от расстояния от центра планеты, а , а не , от массы объекта, на который воздействуют. Обратите внимание на сходство в уравнениях для [латекса] {v} _ {\ text {orbit}} [/ latex] и [latex] {v} _ {\ text {esc}} [/ latex]. Ускользающая скорость в [латекс] \ sqrt {2} [/ latex] раз больше, примерно на 40%, чем орбитальная скорость. Это сравнение было отмечено на (Рисунок), и оно справедливо для спутника любого радиуса.{3}} {G {M} _ {\ text {E}}}}. [/ латекс]

В следующем разделе мы увидим, что это представляет третий закон Кеплера для случая круговых орбит. Это также подтверждает наблюдение Коперника о том, что период планеты увеличивается с увеличением расстояния от Солнца. Нам нужно только заменить [latex] {M} _ {\ text {E}} [/ latex] на [latex] {M} _ {\ text {Sun}} [/ latex] на (Рисунок).

Мы завершаем этот раздел, возвращаясь к нашему предыдущему обсуждению астронавтов на орбите, которые кажутся невесомыми, как если бы они свободно падали к Земле.Фактически они находятся в свободном падении. Рассмотрим траектории, показанные на (рисунок). (Этот рисунок основан на рисунке Ньютона в его Principia , а также ранее в «Движении в двух и трех измерениях».) Все показанные траектории, попадающие на поверхность Земли, имеют меньшую, чем орбитальную скорость. Астронавты будут ускоряться к Земле по показанным некруглым траекториям и чувствовать себя невесомыми. (Астронавты на самом деле тренируются для жизни на орбите, летая на самолетах, которые свободно падают в течение 30 секунд за раз.) Но при правильной орбитальной скорости поверхность Земли изгибается от них с той же скоростью, с какой они падают к Земле. Конечно, оставаться на таком же расстоянии от поверхности - это точка круговой орбиты.

Рисунок 13.13 Круговая орбита - это результат выбора тангенциальной скорости, при которой поверхность Земли изгибается с той же скоростью, что и объект падает на Землю.

Мы можем резюмировать наше обсуждение орбитальных спутников в следующей стратегии решения проблем.

Стратегия решения проблем: орбиты и сохранение энергии
  1. Определите, применимы ли уравнения для скорости, энергии или периода для рассматриваемой задачи. Если нет, начните с первых принципов, которые мы использовали для вывода этих уравнений.
  2. Чтобы начать с первых принципов, нарисуйте диаграмму свободного тела и примените закон всемирного тяготения Ньютона и второй закон Ньютона.
  3. Наряду с определениями скорости и энергии, примените к интересующим телам второй закон движения Ньютона.{3} \, \ text {s} [/ латекс]

    , что составляет чуть более 90 минут.

    Значение

    Считается, что МКС находится на низкой околоземной орбите (НОО). Почти все спутники находятся на НОО, включая большинство метеорологических спутников. Спутники GPS, расположенные на расстоянии около 20 000 км, считаются средней околоземной орбитой. Чем выше орбита, тем больше энергии требуется для ее установки и тем больше энергии требуется для достижения ее при ремонте. Особый интерес представляют спутники на геостационарной орбите. Все стационарные спутниковые антенны на земле, направленные к небу, такие как телевизионные приемные антенны, направлены на геостационарные спутники.Эти спутники размещены на точном расстоянии и чуть выше экватора, так что период их обращения по орбите составляет 1 день. Они остаются в фиксированном положении относительно поверхности Земли.

    Проверьте свое понимание

    На какой коэффициент должен измениться радиус, чтобы орбитальная скорость спутника уменьшилась вдвое? На какой фактор это изменит период?

    Показать решение

    В (рисунок) радиус появляется в знаменателе внутри квадратного корня. Таким образом, радиус должен увеличиться в 4 раза, чтобы уменьшить орбитальную скорость в 2 раза.Окружность орбиты также увеличилась в 4 раза, поэтому при половине орбитальной скорости период должен быть в 8 раз больше. Это также можно увидеть непосредственно из (Рисунок).

    Пример

    Определение массы Земли

    Определите массу Земли по орбите Луны.

    Стратегия

    Мы используем (рисунок), решаем [latex] {M} _ {\ text {E}} [/ latex] и подставляем вместо периода и радиуса орбиты. Радиус и период орбиты Луны были измерены с достаточной точностью тысячи лет назад.{24} \, \ text {kg} [/ latex], которое мы получили на (Рисунок), используя значение г на поверхности Земли. Хотя эти значения очень близки (~ 0,8%), в обоих расчетах используются средние значения. Значение г меняется от экватора к полюсам примерно на 0,5%. Но Луна имеет эллиптическую орбиту, в которой значение r изменяется чуть более чем на 10%. (Видимый размер полной Луны на самом деле варьируется примерно на эту величину, но это трудно заметить при случайном наблюдении, поскольку время от одной крайности до другой составляет много месяцев.)

    Проверьте свое понимание

    Есть еще одно соображение по поводу этого последнего вычисления [латекса] {M} _ {\ text {E}} [/ latex]. Мы вывели (рисунок), предполагая, что спутник вращается вокруг центра астрономического тела с тем же радиусом, который использовался в выражении для гравитационной силы между ними. Какое предположение сделано, чтобы оправдать это? Земля примерно в 81 раз массивнее Луны. Обращается ли Луна по орбите вокруг точного центра Земли?

    Показать решение

    Предполагается, что вращающийся объект намного менее массивен, чем тело, вокруг которого он вращается.Это не совсем оправдано в случае Луны и Земли. И Земля, и Луна вращаются вокруг своего общего центра масс. Мы рассмотрим эту проблему в следующем примере.

    Пример

    Галактическая скорость и период

    Давайте вернемся к нему (рисунок). Предположим, что галактики Млечный Путь и Андромеда вращаются по круговой орбите друг относительно друга. Какова будет скорость каждого из них и как долго будет их орбитальный период? Предположим, масса каждого из них составляет 800 миллиардов солнечных масс, а их центры разделены на 2.5 миллионов световых лет.

    Стратегия

    Мы не можем использовать (Рисунок) и (Рисунок) напрямую, потому что они были получены при предположении, что объект массой m вращался вокруг центра гораздо большей планеты с массой M . Мы определили гравитационную силу на (Рисунок), используя закон всемирного тяготения Ньютона. Мы можем использовать второй закон Ньютона, примененный к центростремительному ускорению любой галактики, чтобы определить их тангенциальную скорость. По этому результату мы можем определить период орбиты.{2}. [/ латекс]

    Поскольку галактики вращаются по круговой орбите, они обладают центростремительным ускорением. Если мы проигнорируем влияние других галактик, то, как мы узнали из статей «Линейный импульс, столкновения и вращение с фиксированной осью», центры масс двух галактик останутся неизменными. Следовательно, галактики должны вращаться вокруг этого общего центра масс. Для равных масс центр масс находится ровно посередине между ними. Таким образом, радиус орбиты [latex] {r} _ {\ text {orbit}} [/ latex] не равен расстоянию между галактиками, а составляет половину этого значения, или 1.25 миллионов световых лет. Эти два разных значения показаны на (Рисунок).

    Рис. {2}} { {r} _ {\ text {orbit}}} \ hfill \\ \ hfill 1.{18} \, \ text {s} [/ latex], около 50 миллиардов лет.

    Значение

    Сперва орбитальная скорость 47 км / с может показаться большой. Но эта скорость сопоставима со скоростью ухода от Солнца, которую мы рассчитали в предыдущем примере. Чтобы дать еще большую перспективу, этот период почти в четыре раза длиннее, чем время существования Вселенной.

    Фактически, нынешнее относительное движение этих двух галактик таково, что ожидается, что они столкнутся примерно через 4 миллиарда лет.Хотя плотность звезд в каждой галактике делает прямое столкновение любых двух звезд маловероятным, такое столкновение окажет драматическое влияние на форму галактик. Примеры таких столкновений хорошо известны в астрономии.

    Проверьте свое понимание

    Галактики - это не отдельные объекты. Как гравитационная сила одной галактики, действующая на «близкие» звезды другой галактики, по сравнению с более далекими? Как это повлияет на форму самих галактик?

    Показать решение

    Звезды «внутри» каждой галактики будут ближе к другой галактике и, следовательно, будут чувствовать большую гравитационную силу, чем звезды снаружи.Следовательно, у них будет большее ускорение. Даже без этой разницы сил внутренние звезды вращались бы по орбите с меньшим радиусом, и, следовательно, развивались бы удлинение или растяжение каждой галактики. Разница в силе только усиливает этот эффект.

    Энергия на круговых орбитах

    В статьях «Гравитационная потенциальная энергия» и «Полная энергия» мы утверждали, что объекты гравитационно связаны, если их полная энергия отрицательна. Аргумент был основан на простом случае, когда скорость была прямо от планеты или по направлению к ней.{}}. [/ латекс]

    Мы видим, что полная энергия отрицательна, с той же величиной, что и кинетическая энергия. Для круговых орбит величина кинетической энергии составляет ровно половину величины потенциальной энергии. Примечательно, что этот результат применим к любым двум массам на круговых орбитах вокруг их общего центра масс на расстоянии r друг от друга. Доказательство этого оставлено как упражнение. В следующем разделе мы увидим, что очень похожее выражение применимо к эллиптическим орбитам.

    Пример

    Энергия, необходимая для орбиты

    На (рис.) Мы рассчитали энергию, необходимую для простого подъема 9000-кг космического корабля «Союз » с поверхности Земли на высоту МКС, находящуюся на высоте 400 км над поверхностью. Другими словами, мы нашли его изменение потенциальной энергии. Теперь мы спрашиваем, какое полное изменение энергии требуется в космическом корабле Союз , чтобы отвести его от поверхности Земли и вывести на орбиту с МКС для сближения ((Рисунок))? Какая часть этой общей энергии составляет кинетическая энергия?

    Рисунок 13.15 "Союз" на рандеву с МКС. Обратите внимание, что эта диаграмма не в масштабе; Союз очень маленький по сравнению с МКС, а его орбита намного ближе к Земле. (кредит: модификация работ НАСА)

    Стратегия

    Требуемая энергия - это разница между суммарной энергией космического корабля Союз на орбите и у поверхности Земли. Мы можем использовать (рисунок), чтобы найти полную энергию корабля Союз на орбите МКС. {}} \ hfill \\ & = \ frac {(6.{11} \, \ text {J.} [/ Латекс]

    Значение

    Кинетическая энергия «Союз » почти в восемь раз превышает изменение его потенциальной энергии, или 90% от общей энергии, необходимой для сближения с МКС. И важно помнить, что эта энергия представляет собой только ту энергию, которая должна быть отдана кораблю Союз . С нашей нынешней ракетной технологией масса двигательной установки (ракетного топлива, ее контейнера и системы сгорания) намного превышает массу полезной нагрузки, и этой массе необходимо придать огромное количество кинетической энергии.Таким образом, фактическая стоимость энергии во много раз превышает изменение энергии самого полезного груза.

    .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2019 © Все права защищены. Карта сайта