Сила тяжести, масса и вес тела, невесомость

Отсутствие гравитации меняет нейронные связи

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

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

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

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

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

Как поливать цветок

Не думайте, что белый декабрист, как и большинство его «родственников» кактусов, не нуждается в регулярном поливе. Наоборот, шлюмбергера не переносит пересыхание грунта, но и избыток влаги растению вредит. Поэтому с поливом цветка нужно быть предельно осторожным.

Как правило, увлажнять грунт следует раз в неделю. Если летом стоит жара, то увеличьте орошение, а зимой, наоборот, сократите. Перед процедурой проверьте земляной ком, если он недостаточно подсох, то вместо полива, обрызгайте листву растения. Это принесет цветку, куда большую пользу, чем лишнее увлажнение.

Осенью в период покоя поливы сократите до минимума. В это время желательно держать цветок на «сухом пайке». В ноябре начинайте увеличивать полив, и постепенно приведите его к обычному количеству.

В любое время года для увлажнения используйте исключительно фильтрованную, мягкую воду. Перед использованием отстаивайте ее не менее 2 дней.

Воздействие на организм человека

При переходе из условий наличия веса тела у поверхности Земли к условиям невесомости (в первую очередь — при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации .

При длительном (более недели) пребывании человека в космосе отсутствие веса тела начинает вызывать в организме определённые вредные изменения .

Первое и самое очевидное последствие невесомости — стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма . Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его (гемоглобин) .

Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведёт к снижению их прочности .

Какова микрогравитация на вкус?

Когда вы впервые окажетесь в состоянии невесомости, вы почувствуете следующее:

— тошнота;

— дезориентация;

— головная боль;

— потеря аппетита;

— запор;

— еще кое-что…

Чем дольше вы будете оставаться в условиях микрогравитации, тем слабее будут ваши мышцы и кости. Эти ощущения будут вызваны различными изменениями в системах вашего организма. Давайте подробно рассмотрим, как тело реагирует на невесомость.

Космическая болезнь

Тошнота и дезориентация, которая на вкус как сосущее чувство в желудке, когда автомобиль «летит» вниз по трассе или вас подхватывает на карусели. Только на борту корабля это чувство будет длиться несколько дней. Это чувство космической болезни, слабость моторики, когда ваш мозг получает противоречивую информацию от вестибулярных органов, расположенных в вашем внутреннем ухе. Ваши глаза видят, куда двигаться вверх и вниз в корабле, но ваша вестибулярная система полагается на силу тяжести, определяя направления, что не работает в невесомости. Поэтому ваши глаза могут говорить мозгу, что вы движетесь сверху вниз, но мозг этого не поймет. Это вызывает дезориентацию и тошноту, что может привести к потере аппетита и рвоте. К счастью, спустя несколько дней мозг адаптируется и начнет реагировать исключительно на визуальные сигналы. Таблетки тоже помогут.

Одутловатое лицо и куриные лапки

В условиях микрогравитации ваше лицо будет одутловатым, а пазухи — перегруженными, что вызовет головную боль и нарушение моторики. На Земле это можно почувствовать, если стоять вверх ногами — кровь приливает к голове.

На Земле гравитация притягивает вашу кровь, в результате чего значительные ее объемы скапливаются в венах ног. Как только вы окажетесь в условиях микрогравитации, кровь сдвинется из ваших ног в грудь и голову. Лицо опухнет, а ноги, наоборот, уменьшатся в размерах.

Когда кровь переходит в грудь, сердце увеличивается в размерах и качает больше крови с каждым ударом. Почки отвечают на этот увеличенный кровоток производством большего количества мочи, будто вы выпили большой стакан воды. Кроме того, увеличение кровотока снижает уровень секреции гипофизом антидиуретического гормона (АДГ), что уменьшает жажду. Вы не будете хотеть пить столько же воды, сколько на Земле. В совокупности эти два фактора помогут вашей груди и голове избавиться от лишней жидкости за несколько дней, а поток жидкости вашего тела нормализуется (для космических условий). По возвращении на Землю, вы будете больше пить и чувствовать усталость, но это пройдет.

Космическая анемия

По мере того, как ваши почки выводят лишнюю жидкость, они также уменьшают секрецию эритропоэтина — гормона, стимулирующего производство красных кровяных тел клетками костного мозга. Снижение производства красных кровяных клеток сопровождается уменьшением объема плазмы, поэтому гематокрит (процент объема крови, занимаемого красными кровяными телами) такой же, как на Земле. По возвращении на Землю, ваш уровень эритропоэтина будет расти, так же как и количество красных кровяных тел.

Слабые мышцы

Когда вы находитесь в условиях микрогравитации, ваше тело принимает позу «зародыша»: вы немного сгибаетесь, ваши руки и ноги также принимают полусогнутое состояние. В таком положении вы не используете многие мышцы, особенно те, которые помогают вам поддерживать осанку (антигравитационные мышцы). По мере пребывания на борту МКС, ваши мышцы меняются. Их масса уменьшается, что приводит к «куриным лапкам». Ваше тело больше не нуждается в мышцах, которые медленно сокращаются, вроде тех, что используются в положении стоя. Нужны быстро сокращающиеся волокна, чтобы быстрее передвигаться по станции. Чем больше вы остаетесь на МКС, тем меньше у вас будет мышечной массы. Потеря мышечной массы ослабляет вас, и это, между прочим, является серьезной проблемой для длительных полетов, особенно после возвращения на Землю.

Остеопсатироз

На Земле ваши кости поддерживают вес вашего тела. Размер и масса костей тщательно сбалансированы. В условиях микрогравитации вашим костям больше не нужно поддерживать ваше тело, поэтому все ваши кости, особенно несущие, в районе бедер, ляжек и нижней части спины, используются меньше, чем на Земле. Размер и масса костей в невесомости уменьшаются примерно на 1% в месяц. В результате по возвращении на Землю они просто могут разрушиться. Неизвестно, каков процент восстанавливаемых костей после возвращения на Землю, но он точно не равен 100. Именно эта проблема вносит ограничения на время пребывания в космосе.

В дополнение к слабым костям, концентрация кальция в крови приводит к болезни почек, которым нужно этот избыточный кальций выводить. Могут образоваться камни в почках.

Человек

Нужно некоторое время, чтобы адаптироваться к условиям невесомости. Космонавты, которые провели некоторое время на орбите, хорошо приспосабливаются к необычным условиям, когда предметы движутся совсем не так, как на Земле. Но новички, попавшие на земную орбиту, некоторое время не могут справиться с обычными бытовыми проблемами (им трудно пить, есть, умываться). Но это является не столько проблемой, сколько поводом повеселиться, ведь полет на космическом корабле — это не только ежедневные трудности, но и веселый аттракцион. Влияние невесомости на человека:

потеря ориентации в пространстве, крутится голова, это происходит из-за того, что вестибулярный аппарат не может быстро приспособиться к новым условиям;
организм не может нормально распределить жидкость в орзанизме, может отечь лицо;
из-за отсутствии вертикальной нагрузке на хребет рост человека увеличивается от трех до пяти сантиметров;
космический корабль вокруг Земли летит очень быстро, поэтому Солнце восходит и садится 16 раз за сутки, это может отобразиться на состоянии организма, который привык к обычной смене дня и ночи;
так как жидкость превращается в шарики, которые повисают в воздухе, умывание проходит путем вытиранием влажными салфетками;
соль и перец жидкие, так как обычные приправы разлетаются по космическому кораблю;
при длительном нахождении в космосе ослабевают и могут атрофироваться мышцы, ослабевают кости, поэтому космонавты должны ежедневно тренироваться, в их одежду вшиты специальные эластичные ленты, которые заставляют космонавтов прикладывать усилия при движении.

Сила тяжести

Взаимное притяжение всех тел во Вселенной было открыто Исааком Ньютоном. Это притяжение и получило название гравитационного взаимодействия.

Им же была установлена зависимость этих сил от массы взаимодействующих тел и расстояния между ними.

Чем больше масса тел, тем больше сила их притяжения. Зато с увеличением расстояния она уменьшается.

Для нас — землян особенно важна сила тяготения нашей планеты. Сила, с которой Земля притягивает к себе тело, принято называть силой тяжести.

Она убывает по мере удаления от земной поверхности и всегда направлена к центру Земли. То есть земной шар притягивает внешние тела так, как материальная точка. Наша планета слегка сплюснута у полюсов (около 27 км), и тяготение в этих точках, немного превышает притяжение на экваторе или в других широтах. Соответственно сила тяжести на вершине горы немного меньше чем у ее подножья.

Для обозначения этой силы используется символ F_тяж.

№4

Многие полагают, что в невесомости у космонавтов исчезает масса тела, но на самом деле это заблуждение. В космосе и астронавт, и их космические корабли имею массу, и на них также действует гравитация Земли. Отличие лишь в том, что гравитационная сила на орбите ниже, чем гравитационная сила на Земле. Однако астронавты не ощущают своего веса лишь по той причине, что на них ничего не давит. То есть, отсутствует контактная сила, какая возникала, когда человек стоял на земле. Иными словами, астронавты и космические корабли все время падают.

Да, другими словами невесомость – это свободное падение, когда на объект не действуют никакие другие силы, кроме неконтактной силы притяжения.

Космос без невесомости

Как ни странно, но это вполне возможно. По крайней мере, большую орбитальную станцию вполне реально сделать, как пример, в форме тора, этакого «бублика». И закрутить бублик вокруг его оси.

Космический «бублик» вращается и создает в отсеках силу тяжести

В этом случае, на всех людей, находящихся в отсеках этого орбитального тороидального космического корабля, будет действовать центробежная сила. Источники этой силы таковы. Это следствие движения космонавтов по кругу. Центробежная сила будет приложена в направлении от оси вращения, то есть она будет прижимать космонавтов к наружной (дальней от оси) стенке бублика. Космонавты испытают действие силы тяжести, пропорциональной их массе. При определенном соотношении радиуса этого орбитального тора и скорости его вращения, можно добиться того, что гравитационные условия для космонавтов будут такие же, как на поверхности Земли. Они почувствуют, будто имеют вес как на родной планете.

Кратко подводя итоги, можно констатировать, что невесомость для пилотируемых полетов в космос, в том числе и полетов военного назначения, действует не только во благо, но и во зло. Но зло это не является неизбежным, существует эффективные способы борьбы с негативными последствиями невесомости.

Автор статьи:
Штольц Константин

Инженер. Кандидат наук.

Момент силы тяжести

У каждого тела есть центр тяжести. Если за него мысленно подвесить тело, оно сохранит первоначальное положение. Например, центр тяжести шара, находится в его геометрическом центре. Чем ниже положение центра тяжести, тем устойчивее положение тела. Поэтому лыжник, мчащийся с горы, слегка приседает. Тем самым он смещает свой центр тяжести книзу, увеличивая этим свою устойчивость.

«Знакома» с законами физики и всем известная игрушка— неваляшка. Её центр тяжести находится внизу, поскольку там закреплен грузик. И даже незначительное отклонение этой игрушки в сторону приподнимает центр тяжести. Сила тяжести создает вращающий момент, восстанавливающий вертикальное положение тела.

Момент силы тяжести – это произведение силы тяжести на плечо этой силы:

M= F_тяжL=mgL,

где
M — момент силы тяжести;
L — плечо этой силы, т е. перпендикуляр между линией приложения силы и центром вращения.
Единицей измерения вращающего момента является 1Нм.

Размещая грузы в автомобилях или на морских судах, всегда располагают их как можно ниже. Это обеспечивает устойчивость, предохраняет грузовой транспорт от опрокидывания.

Знакомьтесь: микрогравитация

Представьте себе, что вы одеты в скафандр и лежите на спине в летной кабине космического аппарата. Вы лежите на спине в течение нескольких часов, пока пилоты и центр управления полетами готовятся к запуску. Обычно, когда вы стоите прямо, сила тяжести тянет кровь вниз, поэтому целые бассейны ее собираются у вас в ногах. Однако, поскольку вы лежите на спине, кровь по-разному распределяется в вашем теле, в том числе накапливаясь и в голове, поскольку ваши ноги подняты. В голове немного тяжеловато, словно вы только что проснулись.

Ракетные двигатели зажигаются и вы чувствуете ускорение. Вас вдавливает в кресло, поскольку аппарат взлетает. Сила тяжести вместе с увеличением скорости корабля увеличивается в три раза (на некоторых американских горках можно испытать такой уровень ускорения). Ваша грудь сжимается, дышать становится немного трудно. Спустя восемь с половиной минут вы оказываетесь в космосе и начинаете испытывать совершенно другое ощущение: невесомость.

Правильный термин для невесомости — микрогравитация. Вы не невесомы, поскольку земная гравитация удерживает вас и летательный аппарат на орбите. Вы находитесь в состоянии свободного падения, словно только что прыгнули с самолета, за исключением того, что падаете горизонтально и никогда не упадете. Допустим, вы стоите на весах, и они показывают ваш вес, поскольку гравитация тянет вниз и вас, и весы. Поскольку весы находятся на земле, они отталкиваются вверх с равнозначной силой — и эта сила и есть ваш вес. Но если вы прыгнете со скалы, стоя на весах, и вы, и весы будете притягиваться гравитацией. Вы не будете давить на весы, и они не будут давить на вас. Ваш вес будет нулевым. Таков закон Ньютона.

Поскольку космический аппарат и все объекты в нем падают с одной скоростью — все, что не закреплено, плавает. Если у вас длинные волосы — они будут плавать вокруг лица. Если вы выльете воду из стакана — она соберется в большую сферическую каплю, которую можно будет разбить на меньшие капли. Галушки и конфеты сами будут заплывать вам в рот, если вы подтолкнете их по нужной траектории. Сидя в кресле, вы не будете знать, что сидите, поскольку ваше тело не будет давить на кресло. Если вы не будете держаться — вы уплывете. Более того, если вы не будете держаться за стену или пол рукой или ногой — вы не сможете сдвинуться с места — не от чего оттолкнуться. По этой причине в любом космическом аппарате всегда много поручней для рук и ног.

Имитационные тренировки

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

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

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

Доклад 2

Невесомость – это физическое состояние, при котором отсутствует какое-либо давление на тело, а из сил остаётся только сила тяжести.

Одна из характерных черт состояния невесомости – отсутствие веса тела. Она также происходит от отсутствия давления. В быту весом принято называть массу тела, и из-за ошибок в использовании терминов некоторые считают что тело в невесомости ничего не весит, не имеет массы. Это не так. Масса – это скалярная величина, которая меняется только при изменении физической конфигурации тела. В то время как вес – это сила, характеризующая то, как тело давит на опору под действием силы тяжести. А так как в невесомости нет давления, то нет и веса и ответной пропорциональной реакции опоры (или подвеса), которые совместно образуют на Земле то, что человек ощущает как “весомость”.

Один из способов достижения невесомости – скомпенсировать силу гравитации другой силой. Часто такой силой является сила инерции, возникающая при ускоренном движении тела. Рассмотрим несколько случаев, в которых возникает невесомость.

Первый такой случай – падающая (или просто движущаяся с определенным ускорением) кабина лифта. В стоящей на месте кабине пассажир давит на опору – пол – с силой, равной его весу. Сила ответной реакция пола примерно равна ей. Но когда кабина начинает двигаться с ускорением по направлению, параллельному вектору приложения силы тяжести (то есть вниз), возникает сила инерции, создающая в пространстве внутри кабины эффект невесомости, распространяющийся и на пассажира. Впрочем, говорить о невесомости как о самостоятельном явлении несколько неправильно: она может существовать только при наличии человека или любого другого объекта, у которого есть вес и который может оказывать воздействие на опору или подвес. Нечто похожее происходит и в кабине самолета, резко меняющего направление, однако в обоих случаях невесомость может возникнуть лишь на несколько секунд.

Самый очевидный пример невесомости – космос, к примеру пространство внутри космической станции. Здесь ее также обеспечивает сила инерции, однако причина ее возникновения не так очевидна. Станция совершает постоянное движение по орбите Земли с развитым при выходе на нее ускорением, как бы совершая постоянное “падение”, в результате чего появляется невесомость – неспособность тел оказывать давление на опору.

7, 9 класс

Вес тела. Невесомость

В повседневной жизни мы очень часто используем слово «вес». Мы говорим: вес продуктов, вес нашего тела. При этом зачастую под словом «вес» подразумевается масса тела. В физике используют термины «вес», «масса» и «сила тяжести», и все они обозначают совершенно разные понятия.

ВЕС ТЕЛА

Рассмотрим тело, подвешенное к динамометру. На само тело действуют сила тяжести и сила упругости пружины. Именно поэтому тело находится в равновесии. Но и растянутая пружина также находится в равновесии, хотя сила упругости, возникающая в ней, стремится вернуть её в первоначальное состояние. То есть не только пружина действует на тело, но и тело действует на пружину с некоторой силой.

Силу, с которой тело, находящееся под действием силы тяжести, действует на опору или подвес, называют весом тела. Таким образом, на крючок динамометра действуют две силы: сила упругости пружины и вес тела.

Вес тела, как и любая сила, — векторная величина. Вес тела обозначают буквой Р. Сила упругости и вес тела имеют противоположные направления: сила упругости направлена вверх, а вес тела вниз. При этом модули этих сил равны: Р = F_упр.

Именно поэтому говорят, что динамометром можно измерять не только силу упругости, но и вес тела. Динамометр также называют пружинными весами.

ВЕС ТЕЛА И СИЛА ТЯЖЕСТИ

Вес возникает в результате притяжения Земли и зависит от состояния движения тела.

Если тело и опора находятся в покое или движутся равномерно и прямолинейно, то вес тела по своему числовому значению равен силе тяжести, действующей на тело: Р = F_тяж или Р = mg.

При этом важно помнить, что сила тяжести и вес тела не одно и то же, они имеют различную физическую природу: сила тяжести возникает вследствие взаимодействия тела и Земли, а вес — в результате взаимодействия тела и опоры. Именно поэтому сила тяжести приложена к телу, а вес приложен к опоре или подвесу

ВЕС ТЕЛА И МАССА

Единицей веса тела, как и любой силы, является ньютон. Вес имеет числовое значение, направление и точку приложения.

Вес тела не следует путать с массой тела, которая измеряется в килограммах и является скалярной величиной, т. е. величиной, не имеющей направления и точки приложения. Так, ребёнок, имеющий массу 30 кг, имеет вес, равный 300 Н, если считать, что g = 10 Н/кг.

ЗАВИСИМОСТЬ ВЕСА ОТ УСЛОВИЙ, В КОТОРЫХ НАХОДИТСЯ ТЕЛО

Вес тела равен по своему числовому значению силе тяжести, если тело находится на неподвижной опоре или опора движется равномерно и прямолинейно. Если же опора вместе с телом движется неравномерно по линии действия силы, т. е. вверх или вниз, то тело действует на опору сильнее или слабее, чем при равномерном движении. В этом случае вес тела может быть больше силы тяжести, меньше се или равным нулю.

Поднимаясь на скоростном лифте, в самом начале движения мы ощущаем, как нас слегка прижимает к полу. А при спуске нас как будто слегка приподнимает. Дело в том, что при движении лифта вверх вес тела увеличивается, а при движении вниз — уменьшается. Этот факт можно проверить, если подняться или опуститься в лифте стоя на весах.

НЕВЕСОМОСТЬ

Проведем следующий опыт. Подвесим за нитку пружину, а к ней прикрепим груз. В результате пружина растянется. Теперь перережем нить и понаблюдаем за процессом падения пружины вместе с грузом. В течение всего времени падения пружина будет оставаться нерастянутой. Получается, что при падении груз не действует на пружину и, следовательно, его вес в этот момент равен нулю.

Таким образом, свободно падающее тело не действует на свободно падающую вместе с нам пружину. В этом случае вес тела равен нулю.

Про такое тело говорят, что оно находится в состоянии невесомости. При этом сила тяжести по-прежнему действует на тело и заставляет его падать.

Подобные явления наблюдаются и на спутнике, обращающемся вокруг Земли.

Сам спутник и все находящиеся в нем тела, включая космонавта, обращаясь вокруг Земли, как бы непрерывно свободно падают на Землю. Вследствие этот, все находящиеся на спутнике тела не действуют на опоры, а подвешенные к пружине не растягивают её. Все предметы находятся в состоянии невесомости. Однако при разгоне космического корабля, когда он выходит на орбиту, или при торможении во время посадки вес космонавта оказывается больше силы тяжести и он испытывает сильные перегрузки.

Вы смотрели Конспект по физике для 7 класса «Вес тела. Невесомость»: Что такое вес тела. Чем отличается вес тела от силы тяжести. Чем отличается вес тела от массы. Что такое невесомость.

Вернуться к Списку конспектов по физике (В оглавление).