З АГЛЯНЕМ в завтрашний день! В межпланетных просторах несется звездный корабль, на котором отправились в свое первое путешествие отважные астронавты. На них пластмассовые костюмы, непроницаемые для ультрафиолетовых и космических лучей. Только что перестал работать двигатель, корабль летит по инерции. Сила тяжести исчезла. Одно неловкое положение — и вот в воздухе термос, из которого выплескиваются шары воды. Помахивая страницами-крыльями, летает по кабине бортовой журнал, да и сам путешественник парит над креслом, тщетно пытаясь укротить непослушные предметы.

П. К. ИСАКОВ,
кандидат биологических наук.

Рис. И. Фридмана.

Одной из важных особенностей космических полетов будет невесомость содержимого космического корабля на больших отрезках его пути в межпланетном пространстве. Первое научное описание этой особенности дал еще в 1911—1912 годах К. Э. Циолковский.

Однако конкретное изучение проблемы началось недавно.

Известно, что каждое тело под действием тяжести оказывает определенное давление на свою опору. При этом безразлично, в каком положении оно находится по отношению к последней: непосредственно стоит на ней или подвешено к ней. И в том и в другом случае возникает сила, которая и называется весом тела.

Вес любого тела, находящегося на Земле, является постоянным только в условиях некоторого ограниченного участка земной поверхности. Стоит переместить тело за пределы этого участка, и вес его изменится. Так, если какой-либо груз, взвешенный в Москве, перевезти на одну из дрейфующих станций Северного полюса, то обнаружится отчетливо выраженная прибавка в весе. Конечно, для обнаружения этой разницы необходимо использовать пружинные весы. Обычные гиревые весы ничего в данном случае не покажут, так как вес гирь, применяемых для взвешивания, будет изменяться в той же пропорции, что и вес взвешиваемых грузов.

Почему происходят подобные изменения веса? Дело в том, что величина давления тела на свою опору является результатом действия двух факторов: земного притяжения и центробежной силы, возникающей при вращении Земли вокруг своей оси.

Наша планета у полюсов несколько сплюснута. Расстояние от поверхности Земли до ее центра здесь меньше, чем у экватора. Поскольку же сила земного притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра Земли, она имеет у полюсов большую величину. Эффект центробежной силы, возникающей от вращения земного шара, также неодинаков.

Наибольшая линейная скорость поверхности Земли — в районе экватора, наименьшая — в районе полюсов. Центробежный эффект уменьшает вес тела вследствие того, что сила, с которой тело отрывается от Земли, направлена в сторону, противоположную силе земного притяжения. Таким образом, тела на полюсе весят больше еще и потому, что эффект центробежной силы здесь выражен слабее по сравнению с другими местами земной поверхности.

Центробежный эффект особенно заметно проявляется при движении тел на поверхности Земли. Так, поезд, идущий из Москвы во Владивосток, весит меньше, чем поезд, идущий в обратном направлении. В первом случае его скорость складывается с линейной скоростью земной поверхности, во втором — вычитается из нее. То же, только в более резко выраженной форме, имеет место и при движении самолетов на Восток или на Запад. Если принять вес самолета в 10 тысяч килограммов, то при полете в районе экватора на Восток со скоростью около тысячи километров в час такой самолет будет весить на 100 килограммов меньше, чем при стоянке в районе полюса. Понятно, что и летчик при этом будет весить соответственно меньше.

Еще большее изменение веса происходит при движении артиллерийских снарядов. При скорости в 2 500 метров в секунду их вес уменьшается примерно на 10 процентов, что заметно отражается на дальности полета.

Дальнейшее увеличение скорости движения тел приводит к еще большему снижению их веса. Последний при скорости в 8 километров в секунду (около 29 тысяч километров в час) полностью исчезнет. Аппарат, двигающийся с такой быстротой вокруг Земли, уже не будет ею притягиваться, поскольку сила тяготения в этом случае уравновесится центробежной силой.

Благодаря сплюснутости нашей планеты у полюсов и наличию значительной центробежной силы у экватора сила тяжести на Земле непостоянна: у полюсов она больше, чем у экватора.

Но вес тел изменяется не только скоростью их движения в пределах земной поверхности. При подъеме над нашей планетой сила ее притяжения, как уже говорилось, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Конечно, для обнаружения заметной разницы в весе тела его нужно поднять на соответствующую высоту. Так, на расстоянии в 6 400 километров от нашей планеты вес тела становится в четыре раза меньше, чем на поверхности Земли.

Все это лишь подтверждает то положение, что в условиях равномерного движения космического корабля в межпланетном пространстве все предметы, находящиеся внутри такого корабля, станут невесомыми. Правда, закон взаимного притяжения тел действителен в любой области Вселенной, а значит, и для тел, заключенных в космическом корабле. Однако взаимное притяжение этих предметов ничтожно мало по сравнению с притяжением Земли. Если, например, два тела весом по сто килограммов находятся на расстоянии одного метра друг от друга, то они притягивают друг друга с силой приблизительно в ¹/₄₀ миллиграмма. Понятно, что это не может оказать заметного влияния на предметы, которые практически будут находиться в условиях отсутствия веса до тех пор, пока при приближении космического корабля к другой планете не станет проявляться ее притяжение.

Каким образом у нас возникает ощущение собственного веса?

При любом положении человека на опорной поверхности (стоя, сидя, лежа) давление его тела вызывает такое же давление со стороны опоры — так называемую силу реакции опоры. Это приводит к некоторой временной деформации тканей организма, в первую очередь в местах соприкосновения тела с опорой. Находящиеся в тканях разветвления нервов получают соответствующие раздражения, идущие в мозг и вызывающие у человека ощущение веса тела, его тяжести.

В обыденной жизни бывает немало ситуаций (правда, кратковременных), когда происходит уменьшение веса человека, вплоть до почти полной невесомости. Наиболее знакомое всем ощущение невесомости наблюдается при опускании в лифте, находящемся внутри здания или в шахте. В первое мгновение, когда человек еще не приобрел скорости лифта, его тело давит на пол лифта значительно меньше, чем обычно, особенно если движение начинается достаточно энергично. В результате возникает ощущение невесомости. Но уже через короткий промежуток времени тело человека приобретает такую же скорость, что и лифт, и вес его возвращается к нормальному. Легко можно представить такой случай, когда ускорение лифта во время всего спуска будет равным ускорению, вызываемому земным притяжением, то есть около 9,81 м/сек². Тогда человек в лифте станет невесомым.

Аналогичное явление возникает при парашютном прыжке. В первые секунды, пока парашют не раскрыт и сопротивление воздуха ничтожно (вследствие малой начальной скорости падения), человек почти не имеет веса. Конечно, для этого нужно прыгать из неподвижного аппарата, например, из аэростата. При прыжке с самолета человек летит сначала со скоростью последнего, сопротивление воздуха при этом оказывается достаточно значительным и сила веса — достаточно ощутимой вследствие взаимного давления парашютиста на воздух и воздуха на парашютиста.

Во всех описанных выше случаях действие невесомости проявляется очень недолго. Более продолжительное уменьшение веса тела человек испытывает при нахождении в воде, особенно соленой. Но и здесь снижение веса выражено незначительно, хотя и вполне ощутимо, особенно в момент выхода из воды.

Таким образом, людям приходится сталкиваться с явлениями изменения веса тела и на Земле.

Следовательно, эти явления и их влияние на человека можно изучить, что весьма важно для решения ряда вопросов, связанных с космическими полетами.

Межпланетные сообщения будут длиться много дней, а иногда и месяцев. За это время человек подвергнется действию ряда необычных факторов, в том числе и невесомости. Как это отразится на его жизнедеятельности и работоспособности, что нужно учитывать при этом для обеспечения нормальных бытовых условий (включая сюда питание, одежду, сон, передвижение внутри корабля и т. п.) — все подобные вопросы требуют ответа для правильной организации и эффективного обеспечения космических полетов. Необходимо также предварительно выяснить, какие органы будут испытывать наибольшие затруднения в условиях невесомости, возможны ли приспособление организма к этим условиям и разработка мероприятий, ускоряющих такое приспособление.

Самолет, весящий на полюсе тысячу килограммов, при полете вокруг Земли над экватором со скоростью в тысячу километров в час в направлении с запада на восток теряет из-за центробежной силы 100 килограммов веса.

При уменьшении тяжести мышь, лишенная вестибулярного аппарата и приспособившаяся к ориентации с помощью зрения, ведет себя так, как в обычных условиях. Вторая (нормальная) мышь делает множество лишних движений, так как в изменившейся обстановке не может правильно ориентироваться в пространстве.

Следует сразу оговориться, что сейчас ученые пока еще не могут изучать влияние невесомости в течение сколько-нибудь длительного времени. Такие исследования будут проводиться лишь после создания ракет, совершающих полеты вокруг Земли с животными. Однако и теперь в распоряжении ученых имеются некоторые данные, позволяющие судить о действии невесомости на человека. Помимо давно уже изучаемых реакций организма на прыжки (например, с парашютом), на опускание в лифтах и т. п., предприняты и специальные опыты, где состояние невесомости продолжалось в течение нескольких секунд и даже минут. Наконец, для оценки влияния невесомости используются известные научные сведения о степени зависимости тех или иных функций организма от явлений, связанных с весом. При этом определяется, какие физиологические процессы происходят с участием веса тканей и какие процессы не зависят от последнего.

В итоге делаются ориентировочные выводы о возможностях того или другого органа к работе в условиях невесомости.

Два тела весом по 100 килограммов каждое притягиваются друг к другу на расстоянии в 1 метр с ничтожной силой в 1/40 миллиграмма.

Опыты по изучению влияния невесомости на животных производились с помощью изолированной камеры, находящейся в ракете типа «Фау-2» или более совершенной. При подъеме аппарата в верхние слои атмосферы и при достижении им известной скорости возникали явления невесомости, продолжавшиеся несколько секунд. У животных, находившихся внутри камеры, регистрировались автоматическими приборами различные функции. Так, у обезьян, над которыми осуществлялись такие опыты, фиксировались дыхание, пульс, электрокардиограмма, давление крови в артериях и в венах. При этом состояние невесомости длилось в течение 10—15 секунд. В результате выяснилось, что особых изменений в функциях не произошло. Исключение составило лишь давление крови в артериях, которое имело явную тенденцию к уменьшению. Возможно, что это в какой-то степени объясняется выключением гидростатического давления крови (вследствие потери ею веса), которое участвует в регуляции кровообращения при обычных условиях жизни.

В других аналогичных опытах изучению подвергалось поведение мышей в условиях более длительной невесомости (2—3 минуты). Предварительно у одной из мышей были удалены органы, сигнализирующие в мозг о положении тела в пространстве (так называемый вестибулярный аппарат, находящийся внутри височных костей черепа). Следовательно, уже в обычной жизни у этого животного нарушилась полноценная способность к ориентации в пространстве. Спустя некоторое время мышь приспособилась к такой ориентировке благодаря упражнению зрения. Другими словами, если у нормальных животных контроль за положением тела в пространстве осуществляется в большой мере благодаря сигналам, идущим от вестибулярного аппарата, то при удалении этого органа его роль в значительной мере компенсируется сигналами, идущими от других органов чувств, в частности от глаз.

Парашютист, выпрыгнувший из корзины аэростата, первые 2 секунды свободного падения практически не испытывает сопротивления воздуха. Поэтому вес его равен нулю. Постепенно сопротивление воздушной среды возрастает, и на двенадцатой секунде вес парашютиста становится нормальным.

В условиях невесомости мыши вели себя различно. У нормальной мыши, потерявшей контроль за вертикальным положением тела (из-за отсутствия сигналов от вестибулярного аппарата, которые возникают под действием веса его частей), были налицо признаки расстройства координации движений. Она находилась вверх лапками или лежала боком, производила массу движений конечностями, но без должного эффекта, ибо не могла установить свое тело вертикально. Наоборот, мышь, у которой вестибулярный аппарат был разрушен заранее, вела себя так, как и в обычных условиях, то есть сохраняла вертикальное положение.

Противоперегрузочный костюм представляет собой систему бандажей, надеваемых на живот, бедра и голени пилота. В обычных (земных) условиях в момент возникновения перегрузки, направленной вдоль тела летчика, из баллончика А в бандажи поступает сжатый воздух, вызывая искусственное давление на соответствующие части тела пилота и препятствуя тем самым оттоку крови в нижнюю половину тела. Этот же костюм в условиях невесомости создаст искусственное сопротивление току крови, что будет способствовать повышению кровяного давления.

Из этих опытов можно сделать вывод о том, что если имеются зрительные ориентиры и есть возможность использования чувства осязания, то вполне реально сохранение пространственной ориентировки и в условиях невесомости, когда сигналы из вестибулярного аппарата не возникают.

Для создания искусственной тяжести может быть использована центробежная сила кабины, вращаемой специальными движками вокруг корабля.

Опыты, подобные вышеописанным и с аналогичными результатами, проделывались также на черепахах, находящихся в сосудах с водой.

Наконец, в научной литературе описаны наблюдения и над человеком в условиях невесомости, продолжавшейся в течение 10— 20 секунд. Эти условия достигались при пикировании самолета с большой высоты и с ускорением, примерно равным ускорению силы земного притяжения. Перед испытуемым ставилась задача: писать крестики внутри клеток листа бумаги. На земле и во время обычных полетов это задание выполнялось без ошибок. В состоянии же невесомости испытуемый решал указанную задачу с трудом и с большими ошибками. Однако после нескольких повторений человек привыкал соразмерять свои движения в условиях невесомости, и задание выполнялось вполне успешно.

Значит, и в этом случае тренировка может дать многое для нормального функционирования организма.

Вышеописанные и другие подобные же эксперименты позволяют высказать предположение, что и в условиях длительной невесомости имеется возможность сохранения известного минимума работоспособности человека. Конечно, для прямого доказательства этого нужны соответствующие исследования на животных и предварительные наблюдения на людях.

Еще большую уверенность в правильности такого предположения дают материалы изучения различных функций человека при нормальных условиях жизни. Как известно, большинство этих функций осуществляется под влиянием осмотических процессов, сил диффузии, а также благодаря мышечным сокращениям. Видимо, отсутствие веса не отразится здесь каким-либо образом, тем более, что многие функции организма протекают при любом положении тела.

Отдельного рассмотрения требует вопрос об обеспечении кровообращения. Дело в том, что при нормальных условиях в регуляции кровообращения участвует и давление крови в сосудах, зависящее от ее веса, так называемое гидростатическое давление. При невесомости в мозг не будут поступать сигналы от кровеносных сосудов, обусловленные таким давлением. Кратковременные опыты и наблюдения показали, что значительных нарушений при этом не происходит. Однако еще неизвестно, как справится система кровообращения со своей функцией в момент возврата к нормальным условиям после периода длительной невесомости. Имеются наблюдения над больными, долго находившимися в постели. У них гидростатическое давление крови во многих кровеносных сосудах значительно снижалось и потому участвовало в регуляции кровообращения в меньшей мере. При переходе таких людей в вертикальное положение часто наблюдались расстройства в кровообращении. По аналогии с этим можно ожидать подобные явления и при смене невесомости нормальными условиями.

Для предотвращения нежелательных последствий при переходе от невесомости к норме предлагаются различные мероприятия. Среди них заслуживают внимания специальные физические упражнения в период невесомости, использование особых противоперегрузочных костюмов и т. п. Очевидно, будет также целесообразным создание периодического вращения космического корабля в целях получения искусственной силы тяжести, как это было предложено еще К. Э. Циолковским. Но окончательное решение вопроса дадут лишь новые исследования в условиях более длительной невесомости, нежели та, которая была подучена до настоящего времени.

Сказанным далеко не исчерпывается круг проблем, относящихся к явлениям невесомости. Однако, несомненно, что наука даст решение всех этих проблем.

Тем самым будет сделан существенный вклад в обеспечение безопасности космических полетов.