Бестежност

Бестежност, или недостиг на "тежина', е отсуството на стрес и напрегање, што резултира од влијанието на механичките сили, обично нормалните сили од подови, седишта, кревети, скали и слично. Истородното гравитациско поле не предизвикува само од себе стрес или притисок и тело кое се наоѓа во слободен пад во таква средина е во состојба на бестежност. Овој поим е исто познат и како „нулта гравитација“.

Кога тела се во контакт со без-гравитациски сили, како во центрифуга, вртечка вселенска станица, или во рамките на вселенски брод со отпуштање на ракети, се појавува тежина, како резултат на силите од движечкото тело кои пробуваат да ја преминат инерцијата на телото. Во такви случаи, чувство на тежина може да има, дури и ако гравитациското поле е еднакво на нула. Во такви случаи, гравитациските сили се чувствуваат и телата не се бестежни.

Кога гравитациското поле е разнородно, врз телото во слободен пад влијаат климатски ефекти и има појава на притисок. Близу до црна дупка, овие ефекти можат да бидат многу силни. Во случај на Земјата, ефектите се мали, особено на објекти со релативно мала димензија (како што е човечкото тело или вселенски летала). Оваа состојба е позната како микрогравитација.

Бестежинска состојба во Њутновата механика

Во левата половина, федерот е далеку од каков било извор на гравитација. Во десната половина е во константно гравитациско поле. a) Нулта гравитација и бестежност б) Нулта гравитација, но нема бестежност в) Федерот е во слободен пад и е бестежен г) Федерот почива на темел и има и тежина₁ и тежина₂.

Во Њутновата механика за терминот "тежина" се дадени две различни толкувања од страна на инженери.

Тежина₁: Според оваа интерпретација, ’’тежината’’ на телото е претставена преку гравитациските сили кои влијаат врз телото. Во близина на површината на земјата, тело чија маса е 1 кг ќе има тежина од околу 9.81 N, независно од неговата положба, дали е во слободен пад, или не. Бестежинска состојба во оваа смисла може да се постигне преку отстранување на телото далеку од изворот на гравитацијата. Тоа исто така може да се постигне со поставување на телото во неутрална точка помеѓу две гравитациски маси.

Тежина₂: Тежина, исто така може да се толкува и како квантитетот што се мери кога некој користи скали. Од телото што се мери постои сила која притиска на скалата. Телото што се мери е во состојба на рамнотежа како резултат на силата која притиска додека скалата го поништува гравитациското поле. По третиот Њутнов закон, постои еднаква и спротивна сила од телото која влијае на машината. Оваа сила се нарекува тежина₂. Силата не е гравитациска. Ако телото е ставено на скала во лифт во слободен пад со константна гравитација, скала ќе покажува нула, а телото ќе е бестежно, односно за неговата тежина₂ = 0. Ова ја опишува појавата кога телото е без напрегање и недеформирано. Ова ја опишува бестежинската состојба во слободен пад во истородно гравитациско поле.

Заклучок, имаме два вида на тежината каде што тежинан₁ е почеста. Сепак, бестежинска состојба е појасно објаснето со тежина₂.

Телото е без притисок и има тежина₂₌₀, кога единствената сила која дејствува на тоа тело е тежина₁ како кога во слободен пад во истородно гравитациско поле.Телото е бестежно кога единствената сила која дејствува во тоа е неговата тежина.

Ова може да се објасни со јаболкото кое паднало на главата на Њутн. Јаболкото тежи приближно 1 њутн. Оваа е тежината₁ на јаболкото и се смета дека е константна дури и додека е паѓа. За време на тој пад, неговата тежина₂ е нула: игнорирајќи го отпорот на воздухот, јаболкото нема притисок. Кога тоа го погодува Њутн, чувството почувствувано од страна Њутн ќе зависи од висината од која паѓа јаболкото и тежина₂ на истото во моментот на влијание може да биде многупати поголем од 1 N. На патот надолу, јаболкото во неговиот слободен пад нема никакви промени како резултат на тоа што гравитациското поле е истородно.

Притисокот при слободен пад

1. Во истородно гравитациско поле: За секој пресек кој го дели телото во два дела. Двата дела ги имаат истите забрзувања и сила притискана на двата дела е обезбедена од страна на надворешен извор. Не постои сила која дејствува од едниот на другиот дел. Притисокот кај пресекот е нула. Тежина₂ е нула.

2. Во разнородно гравитациско поле: Под гравитација едниот дел од телото може да има различни забрзувања од другиот дел. Со ова ќе настане деформирање на телото и генерирање на внатрешните притисоци ако телото е отпорен на деформација. Тежина₂ не е 0.

За користење на притисокот како индикатор на телесната тежина, било кој претходен притисок кој може да постои во рамките на телото предизвикан од сила која влијае од едниот на другиот дел не е релевантен. Единствените релевантни притисоци се оние кои се генерирани од страна на надворешни сили кои влијаат на телото.

Поимот бестежност е неразбирлив сè додека не се сфати дека чувството на тежина во секојдневието не резултира само од гравитацијата, туку од механичките сили кои се спротивставуваат на гравитацијата. Некој објект во слободен пад е во бестежинска состојба, бидејќи не ги искусил механичките сили кои предизвикуваат чувство на тежина.

Полиња со сила освен гравитација

Како што е наведено погоре, бестежинска состојба настанува кога

нерезултантна сила делува на објектот
истородна гравитација делува само од себе.

Кај телата електрично полнење може да ги замени вообичаените гравитациски полнења. Таквите тела тогаш ќе бидат без притисок и ќе бидат бестежни.

Бестежинска состојба и правилно забрзување

Тело во слободен пад во близина на површината на земјата има забрзување приближно еднакво на 9.8 m s⁻² . Ако телото е во слободно паѓање и ако не е привлекувано или одбивано, забрзувањето ќе биде еднакво на нула. Ако, од друга страна, врз телото дејствуваат други сили од други тела, забрзувањето ќе биде во однос на слободно паѓање лифт. Ова забрзување кое не е поради гравитацијата е наречено "соодветно забрзување".

Како да се избегне бестежинска состојба

Бестежинска состојба е во контраст со тековните човечки искуства во кои разнородната сила влијае, како што се:

стоење на земјата, седњењ на стол на под, итн., каде што гравитацијата е спротивставена од поддршката на силата на земјата,
летање во авион, каде поддршката на силата се пренесува од крилјата на авионот,
за време на атмосферското навлегување, или во текот на користење на падобран,
за време на движење на орбитала во вселенски летала, или за време на лансирањето.

Во случаи кога објектот не е бестежен, како и во горенаведените примери, сила не влијае подеднако на објектот. Воздушните подигнувања, привлекувањето и динамичката сила се разнородни сили, и на тој начин се создава појава на телесната тежина. Оваа сила може да се пренесе од едниот објект на другиот при контакт, како што е контактот помеѓу површината на Земјата и нозете.

Климатски сили

Две цврсти коцки поврзани со еластичен конец во слободен пад во близина на црна дупка. Конецот се протега како што телото паѓа на правото.

Климатските сили се јавуваат кога гравитациското поле е разнородно и постои промена на гравитациското забрзување. Секое тело со конечна големина, дури и во слободен пад има влијание од климатските сили. Овие сили се невозможни да се отстранат со инертно движење. Земјата е во слободен пад, но присуството на овие сили укажува на тоа дека е во разнородно гравитациско поле. Оваа разнородност е повеќе како резултат на месечината отколку на сонцето. Гравитациското поле на Сонцето е многу посилно отколку на тоа на месечината, но поради оддалеченоста, повеќе на Земјата влијае тоа на месечината. Тежина₁ на земјата се должи на гравитацијата на сонцето. Но, неговата состојба на напрегање и деформација е повеќе резултат на блиското разнородно гравитациско поле на Месечината. Кога големината на регионот е помала во однос на нејзината оддалеченост од гравитирачката маса, претпоставката за истородно гравитациско поле е фигуративно. Така лицето во однос на полупречникот на Земјата е релативно мало и полето за лице на површината на земјата е фигуративно истородно. Полето е строго разнородно поради појавата на микрогравитација. Телата во близина на црна дупка се наоѓаат во разнородни гравитациски полиња.

Референтни рамки

Во сите референтни рамки, додека бестежинската состојба е осетена, Првиот Њутнов закон за движење е почитуван во рамката. Во рамката (на пример, внатре кои орбитирачки брод или лифт кој се наоѓа во слободно паѓање), неприсилените објекти ја задржуваат нивната брзина во однос на рамката. Објектите кои не се во контакт со други предмети "лебдат" слободно. Ако интертната траекторијата е под влијание на гравитацијата, референтната рамка ќе биде забрзана рамка гледано надвор од гравитациското привлекување, и гледано од далеку, објектите во рамката (лифт, итн.) ќе бидат под влијание на некоја сила (т.н. сила на гравитација). Овие предмети не ги чувствуваат ефектите на гравитацијата. Бестежинска состојба може да се примети и за кратки периоди на време во авион по специфични елиптични патеки, кои погрешно се нарекуваат параболични летови.

"Нулта гравитација", направи за мерење на забрзување

"Нулта гравитација" е алтернативен термин за бестежинска состојба и има за пример во слободно паѓање на лифтот. "Нулта гравитација" е нешто различно од целосното отсуство на гравитација, нешто што е невозможно поради присуството на гравитацијата насекаде во универзумот. "Нулта гравитација", исто така може да се користи за да се опише ефикасната бестежинска состојба, запоставување на климатските ефекти. Микрогравитација (или µg) се користи за да се објаснат ситуации кои се значително бестежни, но каде што г-силата се нагласува и во рамките на објекти поради климатските ефекти. Направите за мерење на забрзувањето само може да ја откријат г-силата , односно губењето на тежина₂ (= маса × соодветно забрзување). Тие не можат да го откријат забрзување поврзано со слободен пад.

Чувството на тежина

Силата на нозете е приближно двојна поради крос-делот преку папокот.

Луѓето ги доживуваат нивните сопствени телесни тежини како резултат на потпорните сили, што дејствуваат како една нормална сила која влијае на лицето од површината на која се потпира, каде што лицето стои или седи. Во отсуство на оваа сила, една личност ќе биде во слободен пад, и би искуство бестежинска состојба. Тоа е пренесување на оваа реакција сила низ човечкото тело, и resultant компресија и напнатоста на телото ткива, што резултира со чувство на тежина.

Поради расподелбата на маса по телото на едно лице, големината на реактантната сила варира помеѓу нозете и главата на тоа лице. Во секој хоризонтален пресек на телото, големината на компресивната сила одбивајќи се од ткивата под пресекот, е еднаква на тежината на делот од телото над пресекот. Во илустрацијата, рамениците ја носат тежината на испружени раце и се предмет на значителна вртежна сила која е причина за ротација.

Честа заблуда

Заедничка замисла за вселенски летала кои кружат околу земјата е дека тие се движат во средина каде што нема гравитација. Иако ова има смисла во Ајнштајновата релативност, во рамките на Њутновата физика, ова нема смисла .

Геостацинарски сателит над обележаното место на Екваторот. Набљудувач на истото место ќе го види сателитот директно над него за разлика од другите небесни тела кои ги има низ небото.

Вселенските летала се наоѓаат во орбитата од гравитација на планетата која тие ја опкружувајаат. Во Њутновата физика, чувството на бестежинска состојба почувствувано од страна на астронаутите не е резултат од тоа дека има нула гравитациско забрзување (гледано од Земјата), туку од тоа што нема г-сили кои астронаутите може да ги осетат поради слободното паѓање и исто така од нултата разлика помеѓу забрзување на вселенски летала и забрзување на астронаутот.

Митот за тоа дека сателитите остануваат во орбитата бидејќи имаат излезено од гравитацијата на Земјата е погрешен и погрешно го објаснува поимот за “нулта гравитација“ за да се опише состојбата на вселенските летала додека се во слободен пад. Но, се разбира дека ова не е вистина, гравитацијата постои и во Вселената. Со тоа сателитите се привлечени кон вселенските тела и не одлетуваат во празнина. Тоа што фали е тежина, одбивањето на гравитациското привлекување од контра сила. Сателитите остануваат во Вселената поради нивната огромна хоризонтална брзина што им овозможува додека се привлечени кон Земјата, да паднат преку хоризонтот. Брзината, а не местоположбата или загубата на гравитација, овозможуваат сателитите да кружат околу Земјата.

Предмет во геостационарска орбитала изгледа неподвижен на небото, објаснувајќи гравитација. Всушност, тој е во кружна екваторска орбитала со период од еден ден.

Релативност

Ајнштајновата теорија сугерира дека кога објектот е во интертно движење (како што е паѓањето во лифт, или во парабола во авион, или орбитирањето околу планети) може да се смета дека е осетена загуба на гравитациското поле во неговите рамки. Така, астронаут или орбитирачки брод, ќе има речиси соодветно забрзување еднакво на нула , исто како што ќе биде во случај далеку во вселената, далеку од каква било маса. Може да се земе предвид дека поголемиот дел од гравитациското поле во такви ситуации, всушност е отсутно. Сепак, ова губење на тежината при паѓање или орбитирање, во Ајнштајновата теорија, е поради самото паѓање и (како во Њутновата теорија) не поради зголемувањето на растојанието од Земјата. Гравитацијата, сепак, се смета за отсутна. Всушност, Ајнштајн дошол до сознание дека гравитациската интеракција не може да се почувствува, ако сите други сили се отстранети, па така може да се каже и дека гравитациската сила на некои начини може да е непостоечка. Објектите имаат тенденција да следат геодетски патеки во просторно време и ова е поради некоја сила, верувајќи дека просторното време е рамно и нема причина за криви патеки.

Во теоријата на општата релативност, само гравитацијата која останува за набљудувачот кој го следи интерниот пат близу гравитациско тело, е причина за разнородни појави кои ги има во гравитациските полиња . Оваа разнородност, која е едноставен климатски ефект во Њутновата динамика, претставува "микрогравитаицја" која се чувствува од страна на сите просторно-продолжени предмети што спаѓаат во било кое гравитациско поле што потекнува од компактна маса. Причината за овие климатски ефекти е тоа што полето ќе го има своето потекло во централизирано место (компактна маса), и на тој начин ќе се разминуваат, и варираат малку во јачина, според оддалеченоста од масата. На тој начин тоа ќе варира низ ширината од орбитирачкиот предмет.

Микрогравитација

Терминот микро-г средина (исто така µg, микрогравитација) е синоним на бестежинска состојба и нулта гравитација, но укажува на тоа дека г-силите не се сосема нула, само многу мали.

Бестежност и средини со намалени тежини

Нулта гравитација на лет кој се движи

Намалена тежина во авион

Авионите биле користени од 1959 година за да обезбедат бестежинска средина во која може да се обучуваат астронаути, спроведуваат истражувања.

За да создава бестежинска средина, авионот лета во шест километри долг параболички лак, прво искачувајќи се, потоа нурнувајќи се. Во текот на лакот, погонот и управувањето со леталото е контролирано така што привлиечната сила (отпорот на воздухот) на авионот е кон надвор, оставајќи го авионот да се движи како што би се движел ако слободно би паѓал во вакуум. Во текот на овој период, авионот чувствува 22 секунди бестежинска состојба, пред сè соочуви со околу 22 секунди на 1.8 g забрзување (речиси двапати од нивната нормална тежина) додека не се извлече од параболата. Типичен лет трае околу два часа, при што 30 параболи се прелетани.

На НАСА КС-135A авионот кој се движи растечки за нулта гравитација

Гравитациските летала на НАСА

Разни видови на летала биле создаени од оваа агнеција уште од 1973 година.

Европската вселенска агенција A300 Нула-Г

На Европскиот вселенска агенција има параболично летови на специјално-изменети Airbus A300 B2 авиони, со цел да се извршат истражувања во микрогравитација. АВ има кампањи од три летови, секој лета околу 30 параболи, за вкупно околу 10 минути од бестежинска состојба на летот.

Други

Novespace создаде исто така летало во 2012 година за да ги споделат искуството на бестежинска состојба на 40 патници на летот во истиот A310 НУЛА-G. Овие летови имале намера да ги промовираат АВ. кариера.

Копнени објекти

Нулта гравитација тестирање на НАСА Нулта Гравитација Истражувачки центар

Овие објекти кои произведуваат бестежин услови за истражувачки цели обично се наведени какоцевки или кули.

Нулта Гравитација Истражувачки центар на НАСА, кој се наоѓа во Глен Истражувачки Центар во Кливленд, Охајо, е 145 метри вертикално вратило, под земјата, со интегрална вакуум комора, каде што едно експериментално возило може да е во слободен пад за време на траење на 5.18 секунди, паѓајќи на оддалеченост од 132 метри. Луѓето не можат да ги користат овие гравитациски шахти, бидејќи забавување искусено од страна на комората може да го убие или сериозно му наштети на човекот.

Други копнени објекти ширум светот се:

Микро-Гравитацијата Лабораторија на Јапонија (MGLAB) – 4.5 s слободен пад
Експериментални цевки на металургијата од одделот за Grenoble – 3.1 s слободен пад
Fallturm Бремен Универзитетот од Бремен во Бремен – 4.74 s слободен пад
Квинсленд Универзитетот за Технологија Капка Кула - 2.0 s слободен пад

Неутрална пловност

Бестежинската состојба, исто така може да биде поврзана со создавање на состојбата на неутрална пловност, во која човековите предмети и опрема се ставаат во водена средина и се мерат додека тие лебдат во место.

Неутрална пловнст не е исто што и бестежинска состојба. Гравитацијата уште делува на сите објекти во резервоар на неутралната пловност ; на тој начин, астронаутите во неутрална пловна обука сè уште ја чувствуваат нивната целосна телесна тежина во нивните вселенски униформи, слична на силата на човечкото тело во воден кревет, или кога едноставно лебди во вода. Униформата и астронаут заедно се под никакви сили, како и за било кој објект што лебди, или што е во вода, како што се нуркачите во неутрална пловност. Водата, исто така, произведува привлечност, која не е присутна во вакуум.

Бестежинска состојба во вселенски летала

Односот помеѓу забрзувањето и брзината, вектори во орбитирачко летало

НИ астронаут Marsha Ivins го покажува ефектот на бестежинска состојба на долга коса за време на STS-98

Долги периоди на бестежинска состојба на летала надвор од планетата на атмосферата прават возилото да не е вртечко. Бестежинска состојба не се случува кога леталото ги користи своите мотори или кога повторно влегува во атмосферата, дури и ако резултантното забрзувањето е константно. Динамичката сила од страна на моторите дејствува на површината на ракетната млазница, наместо да дејствува подеднакво на леталото, и се пренесува преку структурата на летало преку компресија и затегнувачки сили на предмети или луѓе внатре.

Бестежинската состојба во орбитирачко летало е физички идентична со слободен пад, со разлика што гравитациското забрзување предизвикува промена во насоката, наместо на големината, на брзината на леталото. Ова е поради тоа што векторот на забрзување е нормален на векторот на брзината.

Во типичен слободен пад, забрзувањето на гравитацијата делува заедно насоката на брзината на објектот, линеарно зголемувајќи ја неговата брзина како тоа паѓа кон Земјата, или забавувајќи ја ако се движи подалеку од Земјата. Во случај на орбитирачко летало, кое има вектор на брзина нормален на силата на гравитација, гравитациското забрзување не прави промена во брзината на објекот, но делува центрипетално, постојано "да ја врти" брзината на леталото, како што се движи околу Земјата. Бидејќи векторот на забрзување се врти заедно со векторот на брзина, тие остануваат нормално едни на други. Без промената во насока векторот на брзина, леталотп ќе се движи во права линија, напуштајќи ја Земјата.

Бестежинска состојба во центарот на планетата

Гравитациската сила поради сферно-симетричната планета е нула во центарот. Ова е јасено, бидејќи на симетричноста, а исто така и од Њутновата теорема во кој се наведува дека гравитациската сила поради сферно-симетрична фомра, на пример, шуплива топката, е нула никаде во внатрешноста на празен простор. На тој начин материјалот во центарот е бестежен.

Здравствени ефекти врз човекот

Астронаут Клејтон Андерсон како вода балон лебди во пред него на Откривањето. Кохезија игра поголема улога во вселената.

Изложеноста на бестежност покажало дека има некои ефекти на човековото здравје. Луѓето се добро приспособени на физичките услови на површината на Земјата. Во одговор на подолг период на бестежинска состојба, разни физиолошки системи почнуваат да се менуваат и атрофираат. Иако овие промени се обично привремени, може да се појават долгорочни здравствени проблеми.

Најчестиот проблем искусен од страна на луѓето во почетокот бестежинска состојба е познат како вселенски адаптивен синдром, попознато како вселенска болест. Симптоми на овој синдром вклучуваат гадење и повраќање, вртоглавица, главоболки, замор и малаксаност. Првиот случај на овој синдром бил соопштен од страна на космонаутот Gherman Titov во 1961 година. Времетраењето на овој синдром варира, но во никој случај нема траеноповеќе од 72 часа, кога организмот се прилагодува на новата средина.

Најзначајните негативни ефекти на подолг рок изложеност на бестежинска состојба се мускулна атрофија и влошување на скелетот. Овие ефекти можат да се намалат преку режим на вежбање, како што е возењето на точан, на пример. Астронаутите се изложени на долги периоди на бестежинска состојба носат панталони со еластична појаси за да се намали можноста за појава на остеопенија. Други значајни ефекти вклучуваат прераспределба на флуидите, забавување на кардиоваскуларните системи, протокотот на крв се намалува како резултат на недостатокот на гравитација, се намалува и производството на црвените крвни зрнца, проблеми со држење на рамнотежа, нарушувања и слабеење на имунолошкиот систем. Помалку симптоми вклучуваат губење на телесна маса, нарушување на спиенјето, вишокот на гасови. Овие ефекти почнуваат да се јавуваат брзо по враќањето на Земјата.

Покрај овие ефекти, астронаутите може да имаат и проблеми со видот. Изложеноста на високо ниво на Зрачење може да влијае и за развој на атеросклероза.

На декември 31, 2012, НАСА-поддржани студија објави дека исто така може да им наштети на мозокот на астронаутите и да се забрза појавата на алцхајмерова болест.

Ефектите на не-човечки организми

Руските научници имаат забележано разлики помеѓу лебарки во Вселената и тие на Земјата. Таа во Вселената растеше побрзо и порасна посилна.

Кокошкиното јајце кое се става во микрогравитација два дена по оплодувањето не се развива правилно, а јајцето кое се става во микрогравитација повеќе од една недела по оплодување се развива нормално.

Во 2006 година спејс Шатлот експеримент покажа дека Salmonella typhimurium, бактерија што може да предизвика труење со храна, стана повеќе токсична кога се одгледува во вселената.

Техничка адаптација во нулта гравитација

Пламен на свеќа во орбитални услови (десно) наспроти на Земјата (лево)

Бестежинската состојба може да предизвика сериозни проблеми на технички инструменти, особено оние кои се состојат од многу мобилни делови. Физичките процеси што зависат од тежината на телото (како конвекција, готвење на вода или запалени свеќи) дејствуваат различно во слободен пад. Кохезијата игра поголема улога во вселената. Секојдневните работи како миење или одењето во тоалет, не се можни без адаптација. За да се користат тоалетите во Вселената, како оние на Меѓународната вселенска Станица, астронаутите треба да се зацврстат самите за седиштето. Има вентилатор кој создава вшмукување, така што отпадот се исфрла подалеку. Пиењето се врши со цевки.

Поврзано

Вештачка гравитација
Ефект на вселенското летање на човечкото тело
Европската Ниска Гравитација Истражувачка Асоцијација (ELGRA)
Микро-г средина
Микрогравитациски Универзитетот
Вселенски адаптивен синдром
Вселенска медицина

Белешки

↑ In General Relativity, GR, a body is inertial if it is in free fall i.e. it has no forces acting on it.

Наводи

Надворешни врски

Microgravity Центар Архивирано на 26 јули 2011 г.
Microgravity Лет со Нула-G авион^{[мртва врска]}
maniacworld.com "НАСА Намалената Гравитација Авиони" Архивирано на 16 јули 2011 г., видео на NASA Намалената Гравитација Авиони и на учесниците во лет на тој авион.
Како бестежинска состојба Работи на HowStuffWorks
НАСА - SpaceResearch - Човечката Физиологија Истражување и ISS: Престојуваат Одговара на Должината на Патувањето Архивирано на 25 мај 2009 г.
"Зошто се астронаутите бестежин?" Видео објаснување на заблудата на "нулта гравитација".

[1] In General Relativity, GR, a body is inertial if it is in free fall i.e. it has no forces acting on it.

[lower-alpha 1]