Парадокси ваги
"Техніка-молоді" 1961 № 7, вкл, с.5-7
 |
На вкладці: ракета разом з космонавтом, що знаходиться в ній, і вільно висить предмет є двома небесними тілами, кожне з яких рухається по своїй траєкторії навколо Землі. Тому предмет усередині ракети починає описувати еліпс.
| ЧИ ПРАВИЛЬНО МИ РОЗУМІЄМО НЕВАГОМІСТЬ? ЧОГО БІЛЬШЕ МІЖ НЕВАГОМІСТЬЮ ТА ПЕРЕВАНТАЖЕННЯМ — ВІДМІННІ ЧИ подібності? ЧИ МОЖЕ ЛЮДИНА ВЕСИТИ ТОННУ? |
ПРО ЦЬОМУ РОЗПОВІДАЄ СТАТТЯ
Н. СЕЛЯКОВ, доктор технічних наук, професор (м. Вологда)
| Р |
Галілей міркував приблизно так; припустимо, що важкий камінь падає швидше за легеню. Тоді при зв'язуванні цього каміння легкий гальмуватиме рух важкого, тобто діятиме на нього з силою, що перешкоджає його падінню. Але, з іншого боку, вага сполученого каміння більша, ніж вага одного важкого, тому зв'язка повинна падати швидше, ніж важкий камінь. Виходить, припущення не так. Усі тіла мають падати з однаковою швидкістю незалежно від їхньої ваги. Отже, між ними немає жодних зусиль. Отже, під час вільного падіння вони невагомі.
Професор МДУ М. А. Любимов добре ілюстрував думку Галілея. український фізик показував своїм студентам цікавий досвід. Крапка підвісу маятника зміцнювалася на дошці, яка могла вільно падати. Якщо відхиляли маятник у крайнє становище та звільняли його одночасно з початкомпадіння дошки, то він залишався нерухомим щодо дошки і жодних вагань не робив. Якщо початок руху дошки збігалося з моментом, коли маятник, падаючи вниз, знаходився у вертикальному положенні, то він починав здійснювати круговий рух. Залишалася лише інерція, яка або зберігала маятник у спокої. або змушувала його обертатися. Сила тяжкості обох випадках зникала маятника.
Льотчик, сидячи в кабіні літака, що вільно падає, почувається так. ніби сидіння літака йде з-під нього. Це відбувається через те, що пілот тисне на сидіння зі значно меншою силою, ніж при горизонтальному польоті або підйомі літака вгору. Щось подібне відчуває кожен, хто перебуває у кабіні ліфта при різкому спуску вниз. Тому одна справа, коли людина зважується, перебуваючи на Землі, і ваги нерухомі щодо неї (це буде її нормальна вага), і зовсім інша справа, якщо людина, що зважується, разом з вагами знаходиться в гіпотетичній кімнаті, яка падає вільно щодо Землі. Тоді ваги припиняють свою роботу, а людина стає невагомою.
Такий стан ми називаємо динамічною невагомістю. Воно з'являється тоді, коли система тіл знаходиться лише під впливом сили тяжіння, тобто коли на нашу систему не діють жодні інші сили (тертя, сила тяги двигуна тощо).
 |
Падаючий маятник поводиться досить дивно: він або завмирає, або починає обертатися.
У дослідах професора Любимова тривалість стану, близького динамічної невагомості, становила частки секунди. Льотчик, що знаходиться в кабіні літака, що падає з висоти 2-3 км, відчуває стан, близький до невагомості, більш тривалий час, але не більше однієї хвилини. Короткочаснимє зменшення ваги і для пасажира, що знаходиться в кабіні ліфта, що опускається. Тому раніше явище невагомості не викликало особливого інтересу. Нині інше становище. З появою супутників, лунників, кораблів-супутників та космічних ракет стан динамічної невагомості може бути тривалим. Тому зараз воно збуджує особливий інтерес: за винятком Ю. Гагаріна ще жодна людина довго не знаходилася в цьому стані.
ЩО ТАКЕ ДИНАМІЧНА НЕВАГОМІСТЬ?
Ппробуємо розібратися в цьому питанні докладніше. Це тим більше цікаво, що багато хто невірно уявляє стан динамічної невагомості.
Уявімо висотну ракету, що падає під дією сили тяжіння на Землю. Усередині неї буде динамічна невагомість.
Ракета рухається прямолінійно до центру Землі. Очевидно, що вся ракета загалом і все. що жорстко пов'язано з нею, буде рухатися з прискоренням, рівним прискоренню її центру тяжкості, що знаходиться в точці О. Дещо далі точки О ракеті знаходиться предмет, з нею не пов'язаний. Сили тяжіння між предметом і ракетою можна вважати зникаючими в порівнянні з силою тяжіння до Землі. Оскільки предмет знаходиться на більшій відстані від центру тяжіння, ніж точка О, він падатиме з меншим прискоренням, ніж точка О і стінки ракети. Отже, предмет буде віддалятися від точки О. Віддалятися від центру тяжіння ракети, але вже в протилежному напрямку, буде і предмет, що знаходиться ближче до Землі, ніж точка О. Тому в обох предметів утворюється деяка, дуже мала вага.
Повна невагомість буде тільки в точці Про і у всіх точках поверхні сфери, проведеної з центру Землі радіусом, що дорівнює відстані від нього до точки О.
Між двома предметами виникає сила, яка може бутирозрахована та виміряна. Можна, наприклад, з'єднати досить масивні предмети пружиною і з її деформації виміряти діючу між ними силу.
Стан динамічної невагомості буде й у тому випадку, коли ракета, отримавши значну швидкість, почне повільно віддалятися вгору від Землі.
І справді, адже такий рух можна розглядати як складний, що складається з прямолінійно-рівномірного руху нагору та прискореного падіння вниз. Перший рух відбувається без впливу сили на тіло, і тому в цьому випадку не може бути мови про вагу тіла. Другий рух, як відомо, супроводжується динамічною невагомістю. Отже, при польоті в космосі вгору з вимкненим двигуном усередині ракети теж буде динамічна невагомість з усіма тими явищами, про які йшлося вище.
 |
Як купатися за умов невагомості.
ІзжартВ. КАЩЕНКО
Допустимо для простоти, що штучний супутник вийшов на кругову орбіту з радіусом, рівним приблизно 7 тис. км (всі наші супутники рухалися приблизно на такій відстані від центру Землі). Оскільки рух по колу можна розкласти на дві складові — прямолінійно-рівномірне та прискорене падіння вниз, то всередині ракети встановиться динамічна невагомість.
Вільний предмет у супутнику, орієнтованому щодо Землі, рухатиметься еліпсом. Якщо перигеї відстань між предметом і центром тяжкості супутника становить 2,5 м, через півперіоду воно зросте до 17,5 м.
Період обігу такого предмета буде меншим за період обігу центру тяжіння ракети приблизно на 0,005 сек. Отже, предмет почне як віддалятися від центру тяжкості, а й відставати від нього. Через півперіоду величина відставання складе близько40 м. З видаленням ракети від центру, що тяжіє, залишкова вага тіла швидко зменшиться. На відстані 70 тис. км від центру Землі він стане вже в тисячу разів менше, ніж на відстані 7 тис. км, коли ще можна його виявити. Ось чому і вважається, що всередині ракети, що летить у космосі, повністю зникає вага. Практично на великих відстанях так і буде.
 |
У ракеті, що падає, з тим же прискоренням падають тільки предмети, що знаходяться в центрі тяжіння ракети. Інші предмети мають свої прискорення і поступово рухаються по відношенню до стінок ракети.
Ймовірно, на практиці явище динамічної невагомості в ракетах може бути використане для вимірювання відстані ракети від центру, що притягує, для більш детального вивчення полів сили тяжіння і для створення приладу, що відмічає пролітають повз ракети великі метеори.
КОЛИ ПЕРЕВАНТАЖУЄ
Теперь звернемося до перевантаження, тобто до такого стану простору всередині ракети, що рухається, коли вона знаходиться не тільки під дією сили тяжіння, але і під дією сили тяги двигуна. Зупинимося на найпростішому випадку - момент запуску: висотна ракета піднімається вгору, долаючи силу тяжіння. Рух ракети в цей час можна розглядати як складний рух підйому вгору під дією сили тяги двигуна та падіння під дією сили тяжіння (опір повітря поки що можна виключити).
Під час руху ракети під дією сили тяжіння простір усередині ракети перебуватиме у стані невагомості, а під час руху вгору під дією сили тяги тіла, що знаходяться всередині ракети, зазнають тиску знизу.
За третім законом Ньютона дія завжди дорівнює протидії. Тому вага тіла всередині ракети в нашомуУ випадку визначається тільки силою тяги двигуна незалежно від того, в якому полі тяжіння рухається ракета (залишкова вага тіла, яка дуже мала в порівнянні з вагою тіла, що визначається силою тяги двигуна, ми не беремо до уваги).
Як мовилося раніше, всередині висотної ракети, що піднімається вгору з допомогою запасу швидкості, з'являється динамічна невагомість. За наявності опору середовища, атмосфери, сила тяги двигуна буде зменшуватися, і тільки. Але при вимкненому двигуні, якщо ракета рухається у тій самій атмосфері, з'явиться зворотна вага. Це такий стан простору всередині ракети, коли вільні тіла переміщатимуться до стелі ракети (низ ракети спрямований Землі).
При польоті людини в космос деякий час - всього кілька хвилин - йому доводиться переживати і тривалий стан невагомості. Найважче при польоті – навантаження. Тому обов'язкове попереднє тренування. За даними зарубіжного друку, застосовувався, наприклад, такий спосіб підготовки до перевантаження. Людина ставилася на візок, яким повідомлялася швидкість 1 100 км на годину. Потім візок раптово гальмувався. При цьому вдавалося отримати навантаження, що перевищують нормальну вагу в 50 разів.
Результати дослідів, проведених на цьому візку, показали, що людина порівняно добре переносить перевантаження, що перевищує вагу в 4-5 разів, якщо тіло розташоване перпендикулярно до напрямку прискорення. Якщо ж стартові прискорення викликають збільшення ваги в 8-10 разів, необхідно, щоб космонавт знаходився в спеціальному м'якому кріслі і щоб навантаження розподілялися можливо рівномірніше по всьому тілу. Проте перевантаження будуть настільки великі, що під час старту людина зможе керувати кораблем. Замість нього це завдання виконають надійні, точні,швидкодіючі автомати.
Політ радянського льотчика Гагаріна в космос показав, що нашим вченим, інженерам та робітникам вдалося подолати всі труднощі, пов'язані з космічним польотом, і що космонавти можуть переносити навантаження та тривалий стан динамічної невагомості.