Невесомое тело. Презентация на тему "невесомость физика". Четыре случая веса тела в ускоренно движущимся лифте
Мы привыкли к тому, что все предметы вокруг нас имеют вес. Происходит это потому, что сила гравитации притягивает их к Земле. Даже если мы летим в самолёте или прыгаем с парашютом, вес никуда от нас не девается. Но что же произойдёт, если вес всё же исчезнет, когда это бывает и какие интересные явления наблюдаются в условиях невесомости? Обо всём этом — в данном посте.
Закон всемирного тяготения, открытый ещё Ньютоном, гласит, что все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. Для тел с маленькой массой такое притяжение практически не заметно, но если тело имеет большую массу, такую, как наша планета Земля (а её масса в килограммах выражается 25-значным числом), то притяжение становится заметным. Поэтому все предметы притягиваются к Земле — если их поднять, они падают вниз, а когда упадут, сила тяжести прижимает их к поверхности. Это и приводит к тому, что всё на Земле имеет вес, даже воздух прижимается к Земле силой тяжести и своим весом давит на всё, что находится на её поверхности.
Когда вес может исчезнуть? Либо тогда, когда сила тяжести вообще не действует на тело, либо тогда, когда она действует, но телу ничто не мешает свободно падать. Хотя с удалением от Земли сила притяжения к ней уменьшается, даже на высоте в сотни и тысячи километров она остаётся ещё большой, поэтому избавиться от силы тяжести непросто. А вот оказаться в состоянии свободного падения вполне возможно.
Например, можно оказаться в состоянии невесомости, если оказаться в самолёте, движущемся по специальной траектории — так же, как тело, которому не мешало бы сопротивление воздуха.
Выглядит всё это так:
Конечно, долго по такой траектории самолёт двигаться не может, т. к. врежется в землю. Поэтому с длительным пребыванием в условиях невесомости сталкиваются только космонавты, живущие на орбитальной станции. И им приходится привыкать к тому, что многие привычные нам явления в условиях невесомости происходят совсем не так, как на Земле.
1) В невесомости можно легко перемещать тяжёлые предметы и перемещаться самому, приложив лишь небольшое усилие. Правда, по этой же причине любые предметы нужно специально закреплять, чтобы они не летали по орбитальной станции, а на время сна космонавты забираются в специальные мешки, прикреплённые к стене.
Для того, чтобы научиться двигаться в невесомости, нужно время, и у новичков это получается не сразу. «Они толкаются со всей силы и ударяются головой, путаются в проводах и прочее, так что это источник бесконечного веселья» — сказал на эту тему один из американских астронавтов.
2) Жидкости в невесомости принимают шарообразную форму. Воду не получится, как мы привыкли на Земле, хранить в открытой посуде, вылить из чайника и налить в чашку, даже вымыть руки не получится привычным для нас способом.
3) Пламя в условиях невесомости очень слабое и со временем затухает. Если в обычных условиях зажечь свечу, она будет гореть ярко, пока не сгорит. Но происходит это потому, что нагретый воздух становится легче и поднимается вверх, освобождая место для свежего воздуха, насыщенного кислородом. В невесомости конвекции воздуха не наблюдается и со временем кислород вокруг пламени выгорает и горение прекращается.
Горение свечи в обычных условиях и в невесомости (справа)
Но постоянный приток кислорода нужен не только для горения, но и для дыхания. Поэтому если космонавт неподвижен (например, спит), то в отсеке должен работать вентилятор, чтобы перемешивать воздух.
4) В невесомости можно получать уникальные материалы, которые трудно или вообще невозможно получить в земных условиях. Например, сверхчистые вещества, новые композиционные материалы, большие правильные кристаллы и даже лекарства. Если бы удалось снизить стоимость доставки грузов на орбиту и обратно, это решило бы многие технологические проблемы.
5) В невесомости на борту орбитальной станции были впервые обнаружены некоторые ранее неизвестные эффекты. Например, образование структур, напоминающих кристаллические, в плазме, или «эффект Джанибекова» — когда вращающийся предмет через определённые промежутки времени внезапно меняет ось вращения на 180 градусов.
Эффект Джанибекова:
6) Невесомость оказывает существенное влияние на человека и живые организмы. Хотя к жизни в невесомости можно приспособиться, сделать это не так просто. Оказавшись в состоянии невесомости впервые, человек теряет ориентацию в пространстве, возникает головокружение, т. к. вестибулярный аппарат перестаёт нормально работать. Другие изменения в организме включают перераспределение жидкости в организме, из-за чего отекает лицо и закладывает нос, из-за пропадания нагрузки на позвоночник увеличивается рост, а при длительном пребывании в невесомости атрофируются мышцы и теряют прочность кости. Чтобы уменьшить негативные изменения, космонавтам приходится регулярно выполнять специальные упражнения.
После возвращения на Землю космонавтам приходится вновь приспосабливаться к прежним условиям не только физически, но и психологически. Они могут, например, по привычке оставить стакан в воздухе, забыв, что он упадёт.
«Физика невесомости». Как работают законы физики в условиях невесомости, рассказывают космонавты на МКС:
Слайд 2
ЦЕЛЬ: Дать понятие невесомости в комплексном виде ЗАДАЧИ: Разобраться в механизме возникновения этого явления; Описать этот механизм математически и физически; Рассказать некоторые интересные факты про невесомость; Понять, как состояние невесомости влияет на здоровье людей, находящихся в космическом корабле, на станции и т.д., то есть посмотреть на невесомость с биологической и медицинской точек зрения.
Слайд 3
Вес тела – сила, с которой тело вследствие его притяжения к земле действует на опору или подвес. По III закону Ньютона: Р = -Fу (1) (рис.1); 2) Также, по III закону Ньютона Fт = -Fу (2); 3) Сопоставив выражения 1 и 2, получим: Р = FТ; 4) По II закону Ньютона при движении тела массой m под действием силы тяжести Fт и силы упругости FУ с ускорением а выполняется равенство: FТ + FУ = ma 5) Из уравнений Р = -FУ и Fт + Fу = mа получаем: Р = Fт – ma = mg – ma, или Р = m(g – a). 6) OY (рис.2): Ру = m(gУ – aУ) или P = m(g – a).
Слайд 4
Четыре случая веса тела в ускоренно движущимся лифте
Говоря о весе тела в ускоренно движущимся лифте,обычно рассматриваются три случая: Лифт движется с ускорением, направленным вверх (P>mg, P=mg+a) Лифт движется с ускорением, направленным вниз (P
Слайд 5
А как должен двигаться лифт, чтобы человек мог ходить по потолку? Лифт должен двигаться с ускорением большим g. Когда ускорение а станет равным g, вес станет равным нулю. Если и дальше увеличивать ускорение, то можно предположить, что вес тела изменит направление.
Слайд 6
НЕВЕСОМОСТЬ Если тело вместе с опорой свободно падает, то a = g, и из формулы P = m(g – a) следует, что P = 0. Исчезновение веса при движении опоры с ускорением сводного падения называется невесомостью. Невесомость бывает двух видов: Статическая невесомость – потеря веса, которая возникает на большом расстоянии от небесных тел из – за ослабления притяжения. 2) Динамическая невесомость – состояние, в котором находится человек во время полета по орбите.
Слайд 7
Возникновение динамической невесомости
Слайд 8
Тело под действием внешних сил будет в состоянии невесомости, если: 1) Действующие на тело силы являются только массовыми (силы тяготения); Поле этих массовых сил локально однородно; Начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы.
Слайд 9
Пламя в невесомости В невесомости пламя свечи принимает сферическую форму и имеет голубой цвет Пламя свечи на Земле Пламя в невесомости
Слайд 10
Кипение жидкости в невесомости В невесомости кипение становится гораздо более медленным процессом. Однако вибрация жидкости может привести к ее резкому вскипанию. Этот результат имеет значение для космической индустрии. Кипение воды на Земле Кипение воды в условиях невесомости
Слайд 11
ЧЕЛОВЕК И НЕВЕСОМОСТЬ Пути решения проблем, связанных с невесомостью: Мышечная тренировка, электростимуляция мышц, отрицательное давление, приложенное к нижней половине тела, фармакологические и др. средства; Создание на борту космического аппарата искусственной тяжести; Ограничение мышечной активности, лишение человека привычной опоры по вертикальной оси тела, снижение гидростатического давления крови и т.д.
Слайд 12
Исследование проблем жизнедеятельности в космосе Американская орбитальная станция "Скайлэб" (от английского Skylab, то есть, sky laboratory - "небесная лаборатория")
Слайд 13
Операция в невесомости Французские медики во главе с профессором Домиником Мартеном из Бордо провели первую в мире хирургическую операцию в условиях невесомости. Эксперимент проводился на борту авиалайнера А-300 в специально оборудованном модуле. В его проведении участвовало трое хирургов и двое анестезиологов, которым предстояло в условиях невесомости удалить жировую опухоль на руке у пациента – добровольца – 46 – летнего Филлипа Саншо.
Слайд 14
Итоги Невесомость возникает тогда, когда тело свободно падает вместе с опорой, т.е. ускорение тела и опоры равно ускорению свободного падения; Невесомость бывает двух видов: статическая и динамическая; Невесомость может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях; Изучение пламени в условиях невесомости необходимо для оценки пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения;
Слайд 15
Итоги Детальное понимание процесса кипения жидкости в космосе крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива; Влияние невесомости на организм является отрицательным, так как вызывает изменение ряда его жизненных функций. Это можно исправить путем создания на космическом корабле искусственной тяжести, ограничения мышечной активности космонавтов и т.д.; Человек может быть прооперирован в космическом пространстве, в условиях невесомости. Это доказали Французские медики во главе с профессором Домиником Мартеном из Бордо.
Слайд 16
Слайд 17
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Посмотреть все слайды
НЕВЕСОМОСТЬ
- состояние, в к-ром находится
материальное тело, свободно движущееся в поле тяготения Земли (или любого др.
небесного тела) под действием только сил тяготения. Отличит. особенность состояния
H. в том, что при H. действующие на частицы тела внеш. силы (силы тяготения)
не вызывают взаимных давлений частиц тела друг на друга.
Когда тело покоится в поле тяготения Земли на
горизонтальной плоскости, на него действуют и численно равная ей,
но противоположно направленная сила - реакция плоскости. В результате в теле
возникают внутр. усилия в виде взаимных давлений частиц тела друг на друга.
Человеческий организм воспринимает такие внутр. усилия как привычное для него
состояние весомости. Появляются эти внутр. усилия за счёт действия реакции плоскости.
Реакция является силой поверхностной, т. е. силой, непосредственно действующей
на какую-то часть поверхности тела; другим же частицам тела действие этой силы
передаётся путём давления на них соседних частиц, что и вызывает в теле соответствующие
внутр. усилия. Аналогичные внутр. усилия возникают при действии на тело любых
др. поверхностных сил: силы тяги, силы сопротивления среды и т. п. Если поверхностная
сила численно больше силы тяжести, то соответственно больше и внутр. усилия,
что вызывает явление перегрузки и имеет, напр., место при старте ракеты.
Сила тяготения является силой массовой и, в отличие
от поверхностных сил, действует непосредственно на каждую из частиц тела. Поэтому,
когда на тело действуют только силы тяготения, они непосредственно сообщают
каждой из частиц тела одно и то же ускорение и эти частицы движутся как свободные,
не оказывая взаимных давлений друг на друга; тело находится в состоянии H.
Вообще состояние H. имеет место, когда: а) действующие
на тело внеш. силы являются только массовыми (силы тяготения); б) поле этих
массовых сил локально однородно, т. е. силы поля сообщают всем частицам тела
в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения, что при
движении в поле тяготения Земли практически имеет место, если размеры тела малы
по сравнению с радиусом Земли; в) нач. скорости всех частиц тела по модулю и
направлению одинаковы (тело движется поступательно).
Напр., космич. летат. аппарат (или ИСЗ) и все
находящиеся в нём тела, получив соответствующую нач. скорость, движутся под
действием сил тяготения вдоль своих орбит практически с одинаковыми ускорениями,
как свободные, и ни сами тела, ни их частицы взаимных давлений друг на друга
не оказывают, т. е. находятся в состоянии
H. При этом по отношению к кабине летат. аппарата находящееся в нём тело может
в любом месте оставаться в покое (свободно "висеть" в пространстве).
Хотя силы тяготения при Н. действуют на все частицы тела, но пет внеш. поверхностных
сил, к-рые могли бы вызывать взаимные давления частиц друг на друга. Отметим,
что внутр. усилия другой природы, вызванные не внеш. воздействиями, напр. молекулярные
силы, температурные , мускульные усилия в теле человека, могут иметь
место и в состоянии H.
H. может существенно влиять на ряд физ. явлений.
Напр., у жидкости, налитой в сосуд, силы межмолекулярного взаимодействия, малые
в "земных" условиях по сравнению с силами давления, обусловленными
весомостью, влияют только на форму мениска. При H. действие этих сил приводит
к тому, что смачивающая жидкость, помещённая в закрытый сосуд, равномерно распределяется
по стенкам сосуда, а воздух, если он есть, занимает среднюю часть сосуда, несмачивающая
же жидкость принимает в сосуде форму шара. Капли вылившейся из сосуда жидкости
тоже стягиваются в шарики.
Вследствие значит. отличия условий H. от "земных"
условий, в к-рых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты ИСЗ, космич. летат.
аппаратов и их ракет-носителей, проблема H. занимает важное место среди др.
проблем космонавтики. Так, в условиях H. непригодны приборы и устройства, в
к-рых используются физ. маятники или свободная подача жидкости и т. п. Учёт
H. становится особенно существенным для систем, имеющих ёмкости, частично заполненные
жидкостью, что, напр., имеет место в двигат. установках с жид-костно-реактивными
двигателями, рассчитанных на многократное включение при космич. полёте. Возникает
и ряд др. техн. проблем.
Особенно важно учитывать своеобразие условий
H. при полёте обитаемых космич. кораблей, т. к. условия жизни человека при H.
существенно отличаются от привычных, "земных" условий, что вызывает
изменения ряда его жизненных функций. Однако предварит. тренировка и профилактические
меры позволяют человеку долгое время пребывать и успешно работать в условиях
H.
Предполагается также, что при очень длит. полётах
на орбитальных (околоземных) или межпланетных станциях можно создавать искусств.
"тяжесть", располагая, напр., рабочие помещения в кабинах, вращающихся
вокруг центр. части станции. Тела в этих кабинах будут прижиматься к боковой
поверхности кабины, к-рая будет играть роль "пола", а реакция этого
"пола", приложенная к телам, и создаст искусств. "тяжесть".
Невесомость - точнее, микрогравитация, - это особое состояние за пределами земной (или какой-либо другой) гравитации, когда она практически не ощущается, и тело космонавта находится в состоянии непрекращаемого свободного падения. Невесомость можно испытать, например, в свободно падающем лифте или самолете (такие самолеты-акробаты используются для тренировок в искусственной невесомости), или на орбите Земли, на Международной космической станции. Длительное воздействие невесомости пагубно влияет на физическое состояние космонавтов, поэтому ученые изучают, как снизить уровень потери мышечной и костной массы в условиях микрогравитации, чтобы обезопасить будущих путешественников на Марс и дальше, за пределы Земли. Буквально полгода, проведенные на орбите, вызывают необратимые изменения в организме человека.
Длительное пребывание в условиях невесомости приводит к проблемам со здоровьем - это факт. Например, людям уже известно, что при полете на астронавты смогут испытать широкий спектр медицинских проблем, в числе которых есть атрофия мышц, недостаток кальция, ухудшение работы сердечно-легочной системы, нарушение зрения и даже ослабление иммунитета. Исследователи из мичиганской Больницы Генри Форда дополнили этот список еще одной проблемой - было доказано, что невесомость разрушает суставы, которые не восстанавливаются даже после возвращения на Землю.
Невесомость
Космонавты на борту Международной космической станции
Горение свечи на Земле (слева) и в невесомости (справа)
Невесо́мость - состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Иногда можно слышать другое название этого эффекта - микрогравитация . Это название неверно для околоземного полета. Гравитация (сила притяжения) остаётся прежней. Но при полете на больших расстояниях от небесных тел, когда их гравитационное влияние пренебрежимо мало, действительно возникает микрогравитация.
Для понимания сути невесомости можно рассмотреть летящий по баллистической траектории самолёт. Такие методы применяются для тренировки космонавтов в России и США. В кабине пилота на нитке подвешен грузик, который обычно натягивает нитку вниз (если самолет покоится, либо движется равномерно и прямолинейно). Когда нить, на которой висит шарик, не натянута, имеет место состояние невесомости. Таким образом, пилот должен управлять самолётом так, чтобы шарик висел в воздухе, а нить не была натянута. Для достижения этого эффекта самолёт должен иметь постоянное ускорение g, направленное вниз. Другими словами, пилоты создают нулевую перегрузку. Длительно такую перегрузку (до 40 секунд) можно создать, если выполнить специальную фигуру пилотажа (которая не имеет названия, кроме как "провал в воздухе"). Пилоты резко подают на снижение высоты, при стандартной высоте полета 11 000 метров это и дает требуемые 40 секунд "невесомости"; внутри фюзеляжа имеется камера, в которой тренируются будущие космонавты, она имеет специальное мягкое покрытие на стенах, чтобы избежать травм при наборе и сбросе высоты. Подобное невесомости чувство человек испытывает при полетах рейсами гражданской авиации при посадке. Однако в целях безопасности полета и большой нагрузки на конструкцию самолета, гражданская авиация сбрасывает высоту совершая несколько протяженных спиральных витков (с высоты полета в 11 км до высоты захода на посадку порядка 1-2 км). Т.е. спуск производится в несколько заходов, во время которых пассажир на несколько секунд ощущает, что его отрывает от кресла вверх. (Такое же чувство знакомо и автомобилистам, знакомыми с трассами, проходящими по крутым холмам, когда машина начинает съезжать с верхушки вниз) Утверждения, что самолет для создания кратковременной невесомости выполняет фигуры высшего пилотажа типа "петли Нестерова" - не более чем миф. Тренировки выполняются в слегка модифицированных серийных машинах пассажирского или грузового класса, для которых фигуры высшего пилотажа и подобные режимы полета являются закритическими и могут привести к разрушению машины в воздухе или быстрому усталостному разрушению несущих конструкций.
Особенности деятельности человека и работы техники в условиях невесомости
В условиях невесомости на борту космического аппарата многие физические процессы (конвекция, горение и т.д.) протекают иначе, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести, в частности, требует специальной конструкции таких систем как душ, туалет, системы разогрева пищи, вентиляции и т.д. Во избежание образования застойных зон, где может скапливаться углекислый газ, и для обеспечения равномерного смешивания теплого и холодного воздуха, на МКС, например, установлено большое количество вентиляторов. Прием пищи и питьё, личная гигиена, работа с оборудованием и в целом обычные бытовые действия также имеют свои особенности и требуют от космонавта выработки привычки и нужных навыков.
Влияние невесомости неизбежно учитывается в конструкции жидкостного ракетного двигателя , предназначенного для запуска в невесомости. Жидкие компоненты топлива в баках ведут себя точно так же, как и любая жидкость (образуют жидкие сферы). По этой причине подача жидких компонентов из баков в топливные магистрали может стать невозможной. Для компенсации такого эффекта применяется специальная конструкция баков (с разделителями газовой и жидкой сред), а также - процедура осадки топлива перед запуском двигателя. Такая процедура состоит во включении вспомогательных двигателей корабля на разгон; создаваемое ими небольшое ускорение осаживает жидкое топливо на днище бака, откуда система подачи направляет топливо в магистрали.
Воздействие невесомости на организм человека
При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости (в первую очередь- при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации .
При длительном (несколько недель и более) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определённые изменения, носящие негативный характер.
Первое и самое очевидное последствие невесомости - стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребления организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизиться деятельность костного мозга, синтезирующего его (гемоглобин).
Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведёт к снижению их прочности.
Вес и гравитация
Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения. Это не так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС). На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8 / ², что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли . Состояние невесомости на МКС возникает не из-за «отсутствия гравитации», а за счёт движения по круговой орбите с первой космической скоростью , то есть космонавты как-бы постоянно «падают вперед» со скоростью 7,9 км/с.
Невесомость на Земле
На Земле в экспериментальных целях создают кратковременное состояние невесомости (до 40 с) при полётах самолёта по параболической (а на самом деле - баллистической, то есть такой, по которой летел бы самолет под воздействием одной лишь силы земного притяжения; эта траектория является параболой лишь при небольших скоростях движения; для спутника это эллипс, окружность или гипербола) траектории. Состояние невесомости можно ощутить в начальный момент свободного падения тела в атмосфере , когда сопротивление воздуха ещё невелико.
Ссылки
- Астрономический словарь Санько Н. Ф.
- Парабола невесомости Видео телестудии Роскосмоса
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Невесомость" в других словарях:
Невесомость … Орфографический словарь-справочник
Легкость, эфирность, слабость, гидроневесомость, незначительность, воздушность Словарь русских синонимов. невесомость см. лёгкость 1 Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова … Словарь синонимов
Состояние, при котором действующие на тело внешние силы не вызывают взаимных давлений его частиц друг на друга. В поле тяготения Земли человеческий организм воспринимает такие давления, как ощущение весомости. Невесомость имеет место при… … Большой Энциклопедический словарь
Современная энциклопедия
НЕВЕСОМОСТЬ, испытываемое объектом состояние, при котором не проявляется действие веса. Невесомость можно испытать в космосе или во время свободного падения, хотя при этом и присутствует гравитационное притяжение «весомого» тела. Космонавты… … Научно-технический энциклопедический словарь
Состояние материального тела, движущегося в поле тяготения, при к ром действующие на него силы тяжести или совершаемое им движение не вызывают давлений ч ц тела друг на друга. Если тело покоится в поле тяжести Земли на горизонтальной плоскости,… … Физическая энциклопедия
Невесомость - НЕВЕСОМОСТЬ, состояние, при котором действующие на тело внешние силы не вызывают взаимных давлений его частиц друг на друга. Невесомость имеет место при свободном движении тела в поле тяготения (например, при вертикальном падении, движении по… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
