menu 3 ЗАКОН НА НЮТОН ЗА ГРАВИТАЦИЯТA
Erasmus+: КД2: Стратегически партньорства в областта на образованието, обучението и младежта

ВЪВЕДЕНИЕ

Безтегловност е състояние, при което гравитационната сила, действаща върху тяло, се компенсира с друга сила, така че се създава впечатлението, че върху тялото не действа гравитацията. Типична ситуация, при която се създава състояние на безтегловност в близост до земната повърхност, е свободно падане на тяло, което е хвърлено нагоре във въздуха. Така може да се постигне усещане за безтегловност, но за много кратко време, максимум няколко секунди. В дългосрочен план безтегловността възниква, когато едно тяло се движи в космическото пространство, например, когато спътник обикаля около Земята. Състоянието на безтегловност обаче довежда до различни здравословни проблеми на човека. От друга страна, безтегловността може да се използва за редица технологични процеси. Тази употреба е все още в експериментална фаза.

Основна информация

Безтегловност наричаме състоянието, в което гравитационната сила, упражнявана върху тялото, е компенсирана от друга сила, така че крайният резултат е впечатлението или чувството на наблюдателя, че върху тялото не действа гравитационната сила. Състоянието на безтегловност възниква във всяка неинерциална отправна система, която се движи с ускорение, което е еднакво по величина и посока с гравитационното ускорение на даденото място. В такава неинерциална отправна система се проявява привидна инертна сила, която е равна на гравитационната сила, но е с обратна посока. Получената сила, която възниква, е сбор от гравитационната сила и инертната сила и е равна на нула. Това обаче не означава, че силата на гравитацията е изчезнала.


Свободно падане

Типична ситуация, при която възниква състояние на безтегловност в близост до земната повърхност, е свободното падане. При него тялото се движи под силата на тежестта Fg = mg с ускорение, насочено към земната повърхност, наречено земно ускорение g 10 ms–2. В неинерциалната отправна система (ускоряваща се с ускорение g), свързана с това тяло, се появява привидна инерчна сила Fs = –Fg = mas, където as е инерциалното ускорение (as = –g). Получената сила, действаща върху падащото тяло в свързаната с него неинерциална система, е Fg – Fs = 0.

Фактът, че такава привидна инерчна сила наистина възниква в ускоряващата се отправна система, може да бъде проверен с мисловен експеримент. Да предположим, че седим в кола, която се движи по права линия с ускорение a 10 ms–2 в хоризонтална посока. (Такава кола би достигнала скорост от 100 km/h за 2,8 секунди, което е наистина един мощен състезателен автомобил.) Инерчната сила е точно тази сила, която ни „залепва“ за седалката по време на това ускорение. В този случай обаче инерчната сила и силата на тежестта не се анулират – инерчната сила ни тласка обратно в облегалката на седалката, а силата на тежестта ни натиска надолу към седалката, така че усещаме и двете. Ако обаче движението на отправната система се ускорява надолу с ускорение a = –g, инерчната сила и силата на тежестта се обезсилват и се усеща безтегловност.

Терминологична бележка

Подходящо е да се разграничат гравитационна сила, сила на тежестта и тегло. Гравитационната сила (Fg) е силовото взаимодействие на два материални обекта, тя е една от основните физически взаимодействия. Ако отправната система е свързана със земната повърхност, трябва да се вземе предвид, че Земята се върти и самата отправна система е неинерциална. Това създава привидна центробежна сила, причинена от въртенето на Земята. Резултатът от гравитационната сила и тази центробежна сила е силата на тежестта (FG). Следователно, на повърхността на Земята, говорим за силата на тежестта и вече не е необходимо да включваме ефекта от въртенето на Земята при по-нататъшните разсъждения.

Следователно, при описването на състоянието на безтегловност, възникващо при локални движения в близост до земната повърхност (свободно падане и др.), е подходящо да се използва терминът сила на тежестта. Описвайки безтегловността на обектите в космическото пространство (спътници, космически станции и кораби, космически сонди) използваме термина гравитационна сила. 

Терминът тегло (G) се дефинира като силата на тежестта (гравитационната сила съгласно закона за всеобщото привличане), упражнявана върху тяло с маса m намиращо се в дадено гравитационно поле, в случая – това на Земята. Върху тялото действа силата на тежестта в посока надолу, а тялото действа върху повърхността със своето тегло. (Реакцията на тази тежест, т.е. на силата, упражнявана от повърхността върху тялото, е причината тялото да лежи на нея и да не пада.) В безтегловно състояние тялото „плава“, не упражнява натиск върху повърхността (например асансьорът не натиска пода, когато пада свободно). Следователно, теглото е наистина нулево и обозначението „безтегловност“ е на място. Трябва обаче още веднъж да се подчертае, че нито силата на тежестта, нито силата на гравитацията са нулеви в този случай.

Как да постигнем състояние на безтегловност

Свободно падане и хвърляне на тела

Както вече споменахме, ако едно тяло свободно пада към Земята, то е в безтегловност. Същата ситуация се наблюдава при сложни движения, при които единият компонент е свободното падане, т.е. във всички случаи - вертикално, хоризонтално и диагонално. Пример за вертикално падане може да бъде скачането на батут, при което скачащият е в безтегловност през цялото време, когато не е в контакт с батута. Същата категория включва гореспоменатото свободно падане на асансьорната кабина. Всички тези движения позволяват безтегловност за много краткото време от десети от секундата или най-много до няколко секунди. Например падането на парашутист отнема много по-дълко време. Той обаче е в състояние на безтегловност само малко след началото на падането. След само няколко секунди скоростта на парашутиста се увеличава до такава степен, че съпротивлението на средата е равно на силата на тежестта и по-нататъчшното падане вече се осъществява чрез равномерно движение, при което безтегловно състояние не настъпва. 

Движението по хоризонтална и вертикална траектория се използва за симулиране на безтегловността в някои самолети. Ако самолетът се движи по параболична траектория, по която би се движило хвърленото тяло, в самолета възниква безтегловност. По този начин е възможно да се създаде състояние на безтегловност за приблизително 25 секунди.

Движение по орбита около Земята

Когато едно тяло се движи в космическото пространство настъпва продължително състояние на безтегловност. Началното условие все още обаче трябва да е валидно, т.е. тялото трябва да бъде в неинерциална отправна система, която се движи с ускорение, имащо размера и обратно по посока на гравитационното ускорение на даденото място. Ако върху тялото се приложи допълнителна сила, например тягата на ракетните двигатели, безтегловност няма да настъпи.

При обикалянето на един спътник около Земята по кръгова траектория, върху него действа гравитационната сила, насочена към центъра на Земята. Именно тази сила, в отправната система, свързана със Земята, е централностремителната сила, която кара траекторията му да се извие в кръг. Ако наблюдаваме ситуацията от отправната система, свързана със сателита, отново става въпрос за референтна неинерциална отправна система, а върху спътника (обектите вътре в спътника) влияние оказва привидна интертчна центробежна сила, голяма колкото гравитационната сила, но имаща обратна посока. Сборът от взаимодействието между гравитационната сила и центробежната сила е нула.

Движение в космическото пространство

Не е задължително едно тяло в космоса да обикаля около Земята - то може да се движи по напълно различен начин. В този случай безтегловното състояние възниква в отправната система, свързана с тялото, а именно в случая, когато тялото се движи само под въздействието на гравитационните сили, т.е. с ускорение, равно на гравитационното ускорение на даденото място. Следователно, не е необходимо гравитационната сила, действаща върху тялото, да е нулева. Повечето от космическите обекти се движат по този начин, т.е. под действието на гравитационните сили. Единствените изключения са тези моменти от полета, когато изкуственото космическо тяло повишава или намалява скоростта си под тягата (действието) на двигателите или с тяхна помощ променя посоката си. В тези моменти от полета безтегловност не настъпва.

Симулация на състоянието на безтегловност

Във връзка с космическите полети, са много важни изучаването на безтегловността и тренирането на престоя в космоса. Както вече споменахме, постигането на състоянието на безтегловност на повърхността на Земята е възможно само за много кратко време. За някои цели не е необходимо да се използва директно състоянието на безтегловност, а е достатъчна само симулацията на състоянието на безтегловност. 

В такива случаи се използват скафандри, потопени в басейн с вода. Скафандърът е направен така, че подемната сила, действаща върху него да е толкова голяма, колкото силата на тежестта. Това позволява на човека в скафандъра във водата да се чувства като в състояние на безтегловност. Тази симулация обаче има два недостатъка. Съпротивлението на водната среда е значително по-голямо от съпротивлението на въздуха, така че някои движения се забавят във водата и по този начин се улесняват. Подемната сила действа само върху повърхността на скафандъра а той повдига човека със силата, действаща върху кожата. Върху вътрешните органи на човека действа напълно нормалната сила на тежестта, така че не се стига до нарушаване на равновесието или гадене, причинявани от истинската безтегловност. 

Вторият начин да симулирате безтегловност е да бъдете във вятърен тунел. В него човек е повдиган вертикално нагоре от въздуха (във вертикален тунел). Възможно е да се регулират приложената сила и степента на въздействието на въздуха. Недостатъците на тази симулация са подобни на тези в басейн – само че вместо по- голямото съпротивление на водата, влияние върху костюма оказва въздухът.

Трудности при движенията в състояние на безтегловност

Състоянието на безтегловност има неблагоприятни ефекти върху човека (и другите висши организми). В краткосрочен план (няколко часа или дни) в човека се появява морска болест, свързана със стомашно разстройство и главоболие (чувство за натиск в главата). То се причинява от нестандартно дразнене на центъра на равновесието във вътрешното ухо, който в нормално състояние определя посоката на действието на силата на тежестта. 

В дългосрочен план се стига до преразпределение на течностите в тялото. На повърхността на Земята сърцето изблъсква кръвта нагоре по тялото срещу силата на гравитацията, а в безтегловно състояние кръвта тече към горната половина на тялото много по-лесно. При космонавтите се поява зачервяване, а понякога – и подуване на лицето. Различният характер на движенията в безтегловност, когато не е необходимо да се преодолява силата на тежестта и цялостното физическо усилие е много по-малко, постепенно води до мускулна атрофия. Освен това са наблюдавани и хормонални промени, загуба на калций в костите, а при опитните животни – признаци на увреждане на черния дроб. Някои от последиците на състоянието на безтегловност могат да бъдат премахнати, например чрез редовни упражнения, а други трябва да бъдат подложени на допълнителни задълбочени изследвания в бъдеще. 

Пълната промяна на двигателните навици при изпълнението на рутинни дейности в орбита също може да се счита за проблем, причинен на човешкото тяло по време на престоя му в състояние на безтегловност. Безтегловността трябва да се взема предвид и при спазването на личната хигиена, храненето, ходенето по нужда, а разбира се - и при извършването на монтажните работи вътре и извън космическата станция. Голяма част от нормалните действия, извършвани на земната повърхност, разчитат на силата на тежестта, присъстваща навсякъде и осигуряваща един вид „опора“.

filter_none

Обучителна програма

Презентация 1
Презентация 2
track_changes