«Техника-молодежи» 1961 №7, вкл, с.5-7

На вкладке: ракета вместе с находящимся в ней космонавтом и свободно висящий предмет являются двумя небесными телами, каждое из которых движется по своей траектории вокруг Земли. Поэтому предмет внутри ракеты начинает описывать эллипс.

ПАРАДОКСЫ ВЕСА

Рис. И. КАЛЕДИНА

Галилей рассуждал примерно так; предположим, что тяжелый камень падает быстрее легкого. Тогда при связывании этих камней легкий будет тормозить движение тяжелого, то есть будет действовать на него с силой, препятствующей его падению. Но, с другой стороны, вес соединенных камней больше, чем вес одного тяжелого, поэтому связка должна падать быстрее, чем тяжелый камень. Выходит, предположение неверно. Все тела должны падать с одинаковой скоростью независимо от их веса. Значит, между ними не возникает никаких усилий. Значит, во время свободного падения они невесомы.

МАЯТНИК ЛЮБИМОВА

Профессор МГУ Н. А. Любимов хорошо иллюстрировал мысль Галилея. Русский физик показывал своим студентам интересный опыт. Точка подвеса маятника укреплялась на доске, которая могла свободно падать. Если отклоняли маятник в крайнее положение и освобождали его одновременно с началом падения доски, то он оставался неподвижным относительно доски и никаких колебаний не совершал. Если же начало движения доски совпадало с моментом, когда маятник, падая вниз, находился в вертикальном положении, то он начинал совершать круговое движение. Оставалась лишь инерция, которая или сохраняла маятник в покое. или заставляла его вращаться. Сила тяжести в обоих случаях исчезала для маятника.

Летчик, сидя в кабине свободно падающего самолета, чувствует себя так. как будто сиденье самолета уходит из-под него. Это происходит оттого, что пилот давит на сиденье со значительно меньшей силой, чем при горизонтальном полете или при подъеме самолета вверх. Нечто подобное испытывает каждый, кто находится в кабине лифта при резком спуске вниз. Поэтому одно дело, когда человек взвешивается, находясь на Земле, и весы неподвижны относительно нее (это будет его нормальный вес), и совсем другое дело, если взвешивающийся человек вместе с весами находится в гипотетической комнате, которая падает свободно относительно Земли. Тогда весы прекращают свою работу, а человек становится как бы невесомым.

Такое состояние мы называем динамической невесомостью. Оно появляется тогда, когда система тел находится только под воздействием силы тяжести, то есть когда на нашу систему не действуют никакие другие силы (трение, сила тяги двигателя и т. п.).

Падающий маятник ведет себя довольно странно: он или замирает, или начинает вращаться.

В опытах профессора Любимова длительность состояния, близкого к динамической невесомости, составляла доли секунды. Летчик, находящийся в кабине самолета, падающего с высоты 2—3 км, испытывает состояние, близкое к невесомости, более длительное время, но не превосходящее одной минуты. Кратковременным является уменьшение веса и для пассажира, находящегося в кабине опускающегося лифта. Поэтому раньше явление невесомости не вызывало особого интереса. Сейчас иное положение. С появлением спутников, лунников, кораблей-спутников и космических ракет состояние динамической невесомости может быть длительным. Поэтому сейчас оно возбуждает особый интерес: за исключением Ю. Гагарина еще ни один человек длительно не находился в этом состоянии.

ЧТО ТАКОЕ ДИНАМИЧЕСКАЯ НЕВЕСОМОСТЬ?

Попробуем разобраться в этом вопросе поподробнее. Это тем более интересно, что многие неверно представляют себе состояние динамической невесомости.

Представим себе высотную ракету, падающую под действием силы тяжести на Землю. Внутри нее будет динамическая невесомость.

Ракета движется прямолинейно к центру Земли. Очевидно, что вся ракета в целом и все. что жестко связано с ней, будет двигаться с ускорением, равным ускорению ее центра тяжести, находящегося в точке О. Несколько дальше точки О в ракете находится предмет, с нею не связанный. Силы тяготения между предметом и ракетой можно считать исчезающе-малыми по сравнению с силой притяжения к Земле. Поскольку предмет находится на большем расстоянии от центра притяжения, чем точка О, он будет падать с меньшим ускорением, чем точка О и стенки ракеты. Следовательно, предмет будет удаляться от точки О. Удаляться от центра тяжести ракеты, но уже в противоположном направлении, будет и предмет, находящийся ближе к Земле, чем точка О. Поэтому у обоих предметов образуется некоторый, очень малый вес.

Полная невесомость будет только в точке О и во всех точках поверхности сферы, проведенной из центра Земли радиусом, равным расстоянию от него до точки О.

Между двумя предметами возникает сила, которая может быть рассчитана и измерена. Можно, например, соединить достаточно массивные предметы пружиной и по ее деформации измерить действующую между ними силу.

Состояние динамической невесомости будет и в том случае, когда ракета, получив значительную скорость, начнет замедленно удаляться вверх от поверхности Земли.

И самом деле, ведь такое движение можно рассматривать как сложное, состоящее из прямолинейно-равномерного движения вверх и ускоренного падения вниз. Первое движение происходит без воздействия силы на тело, и потому в этом случае не может быть и речи о весе тела. Второе движение, как нам известно, сопровождается динамической невесомостью. Следовательно, при полете в космосе вверх с выключенным двигателем внутри ракеты тоже будет динамическая невесомость со всеми теми явлениями, о которых шла речь выше.

Как купаться в условиях невесомости. Изошутка В. КАЩЕНКО

Допустим для простоты, что искусственный спутник вышел на круговую орбиту с радиусом, равным примерно 7 тыс. км (все наши спутники двигались примерно на таком расстояний от центра Земли). Так как движение по кругу можно разложить на две составляющие — прямолинейно-равномерное и ускоренное падение вниз, то внутри ракеты установится динамическая невесомость.

Свободный предмет в спутнике, ориентированном относительно Земли, станет двигаться по эллипсу. Если в перигее расстояние между предметом и центром тяжести спутника составляет 2,5 м, то через полпериода оно возрастет до 17,5 м.

Период обращения такого предмета будет меньше периода обращения центра тяжести ракеты примерно на 0,005 сек. Следовательно, предмет начнет не только удаляться от центра тяжести, но и отставать от него. Через полпериода величина отставания составит около 40 м. С удалением ракеты от тяготеющего центра остаточный вес тела быстро уменьшится. При расстоянии в 70 тыс. км от центра Земли он станет уже в тысячу раз меньше, чем на расстоянии в 7 тыс. км, когда еще можно его обнаружить. Вот почему и считается, что внутри летящей в космосе ракеты полностью исчезает вес. Практически на больших расстояниях это так и будет.

В падающей ракете с тем же ускорением падают только предметы, находящиеся в центре тяжести ракеты. Другие предметы имеют свои ускорения и постепенно движутся по отношению к стенкам ракеты.

Вероятно, на практике явление динамической невесомости в ракетах может быть использовано для измерения расстояния ракеты от притягивающего центра, для более детального изучения полей силы тяжести и для создания прибора, отмечающего пролетающие мимо ракеты большие метеоры.

КОГДА ГОСПОДСТВУЕТ ПЕРЕГРУЗКА

Теперь обратимся к перегрузке, то есть к такому состоянию пространства внутри движущейся ракеты, когда она находится не только под действием силы тяжести, но и под действием силы тяги двигателя. Остановимся на наиболее простом случае — моменте запуска: высотная ракета поднимается вверх, преодолевая силу тяжести. Движение ракеты в это время можно рассматривать как сложное движение подъема вверх под действием силы тяги двигателя и падения под действием силы тяжести (сопротивление воздуха пока можно исключить).

При движении ракеты под действием силы тяжести пространство внутри ракеты будет находиться в состоянии невесомости, а при движении вверх под действием силы тяги тела, находящиеся внутри ракеты, будут испытывать давление снизу.

По третьему закону Ньютона действие всегда равно противодействию. Поэтому вес тела внутри ракеты в нашем случае определяется только силой тяги двигателя независимо от того, в каком поле тяжести движется ракета (остаточный вес тела, который очень мал по сравнению с весом тела, определяемым силой тяги двигателя, мы не принимаем во внимание).

Как уже говорилось, внутри высотной ракеты, поднимающейся вверх за счет запаса скорости, появляется динамическая невесомость. При наличии сопротивляющейся среды, атмосферы, сила тяги двигателя будет уменьшаться, и только. Но при выключенном двигателе, если ракета движется в той же атмосфере, появится обратный вес. Это такое состояние пространства внутри ракеты, когда свободные тела будут перемещаться к потолку ракеты (низ ракеты направлен к Земле).

При полете человека в космос некоторое время — всего несколько минут — ему приходится испытывать перегрузку и длительное состояние невесомости. Самое тяжелое при полете — перегрузка. Поэтому обязательна предварительная тренировка. По данным зарубежной печати, применялся, например, такой способ подготовки к перегрузке. Человек ставился на тележку, которой сообщалась скорость 1 100 км в час. Затем тележка внезапно тормозилась. При этом удавалось получить перегрузки, превосходящие нормальный вес в 50 раз.

Результаты опытов, проведенных на этой тележке, показали, что человек сравнительно хорошо переносит перегрузку, превышающую вес в 4— 5 раз, если тело расположено перпендикулярно к направлению ускорения. Если же стартовые ускорения вызывают увеличение веса в 8— 10 раз, необходимо, чтобы космонавт находился в специальном мягком кресле и чтобы перегрузки распределялись возможно равномернее по всему телу. Тем не менее перегрузки будут уже настолько велики, что во время старта человек не сможет управлять кораблем. Вместо него эту задачу выполнят надежные, точные, быстродействующие автоматы.

Полет советского летчика Гагарина в космос показал, что нашим ученым, инженерам и рабочим удалось преодолеть все трудности, связанные с космическим полетом, и что космонавты могут переносить перегрузки и длительное состояние динамической невесомости.