Невесомость для космонавтов: помощь в работе или угроза жизни
Невесомость для космонавтов – это совсем не прикольная развлекуха, это дистрофия и деградация скелета и мышечного корсета, которая возникает в отсутствие тяготения. То, что человек неделями и месяцами в космическом полёте не нагружен земным тяготением, живет и работает в условиях невесомости, его быстро детренирует. Это означает, что влияние невесомости на организм таково: мышцы и кости, испытывая воздействие невесомости, становятся слабыми, истончаются, трещат и ломаются. Жизнь в невесомости – это сущая мука для космонавтов.
Так что, ничего хорошего для космонавта в невесомости, когда сила тяжести равна нулю, на самом деле, нет. Космонавтам было бы гораздо комфортнее без нулевой силы тяжести. Но обществу и армии очень нужен космос – приходится терпеть.
Волшебная сила невесомости
Пудовая гиря в невесомости (скажем, на международной космической станции – МКС) имеет массу ровно 16 килограмм. Ни одним граммом меньше чем 16 000 граммов.
Да-да! Именно так. Масса в невесомости – точно такая, как на Земле. Другое дело, что вес пудовой гири на МКС равен нулю. Но это вес, а масса – как была на Земле один пуд, так и на орбите не стала другой – ровно один пуд.
Дело в том, что масса тела, о которой идет речь, бывает двух видов:
Инертная масса отвечает за ускорения и замедления тела. А гравитационная определяет силу гравитационного притяжения между телами. Этот закон сформулировал еще Исаак Ньютон. Говоря своими словами – если с размаху ударить пудовой гирей по голове космонавта, то вмятина будет одинаковой, находится ли космонавт на земле или в космическом корабле. Здесь имеет значение инерционная масса. А вот если перестать держать рукой пудовую гирю на МКС, то она не падает вниз. Но вверх она тоже не взлетает. Если что-то удерживает гирю от падения, то она висит в воздухе. Здесь играет свою роль гравитационная масса. Образно говоря, гиря висит в атмосфере отсека МКС, потому, что «падает» вместе со всей космической станцией. Они обе (МКС и гиря) летят по орбитальной траектории вокруг Земли. Причем летят по одинаковой траектории. И, поэтому не двигаются друг относительно друга. Это и есть явление невесомости. Условие невесомости – свободное падение. Жидкость в невесомости не растекается по полу, как было бы при наличии силы тяжести, а собирается в более или менее правильные шары, за счет силы поверхностного натяжения этой жидкости.
Зачем армии космос
Армия и космос – близнецы-братья. Напомню, что Юрий Гагарин улетел в первый космический полёт старшим лейтенантом, а вернулся майором Советской армии. Армия оценила подвиг.
Все космонавты первого призыва были военными летчиками. Только во втором наборе появилось несколько инженеров. Да и те работали в ракетном КБ. Сама космическая отрасль была задумана и появилась в стране как средство доставки ядерных боезарядов с континента на континент.
Беспилотная космонавтика
Три классических военных аспекта космоса: боевые баллистические ракеты, спутники связи и системы геолокации. Ни одна из частей этой триады не является пилотируемой. Это означает, что воздействие невесомости на человека отдыхает. Нет экипажа космического аппарата – нет влияния отсутствия силы тяжести на человека. Большую часть своей траектории баллистическая ракета летит в невесомости. Это необходимо учитывать, из этого исходить при расчетах, но человек здесь ни при чём, ощущение невесомости он не испытывает. Так что пока и поскольку военный космос не требует пилотируемых полётов, то терпеть невесомость и перегрузки офицерам не нужно.
Пилотируемая космонавтика
Но перед экипажем пилотируемого космического аппарата могут стоять военные задачи. Задачи дистанционного зондирования поверхности Земли всегда включают решение задач космической разведки, они нередко требуют активного участия членов экипажа.
Спутники-инспекторы часто требуют управления со стороны экипажа обитаемого космического аппарата. Особенно при боевой активности такого спутника-инспектора. В этом случае может осуществляться непосредственный визуальный контакт экипажа со спутником-инспектором, особенно при выполнении оперативных манёвров.
На орбитальной станции экипажи сменяют друг друга, как правило, через несколько месяцев: космонавты испытывают состояние невесомости по полгода и дольше. Вес тела невесомость компенсирует, при этом офицерам приходится ежедневно тренироваться под нагрузкой упругих элементов, моделируя работу организма в условиях гравитации, минимизируя эффект невесомости. Факты о невесомости таковы: после полета члены экипажа проходят серьезный и продолжительный процесс реабилитации, с трудом возвращают себя в привычную физическую форму. При условии возникновения изменений, их глубина зависит от того, какое время в невесомости провел человек. Длительность реабилитации сравнима со временем полета.
Технологическая невесомость
Бывают случаи, когда отсутствие силы тяжести это не побочный фактор, с последствиями которого надо бороться, а непосредственный технологический участник процесса. В отсутствие силы тяжести по-другому растут кристаллы. Сила тяжести на них не влияет, и они формируются по-другому, становятся более прямыми, не так как в условиях земного притяжения. То есть технологический процесс надо проводить именно в условиях невесомости, чтобы достигнуть необходимого результата. То есть фактором достижения успеха является не выигрышная позиция над Землёй, не первая космическая скорость, а именно невесомость. В этих случаях невесомость имеет технологическую ценность.
Это относительная экзотика, но если дело обстоит именно так, то работа в космосе неизбежна. Причём часто в эксперименте необходимо участие живого человека, который принимает по ходу дела осознанные управленческие решения.
Профилактика последствий
Альтернативой длительной и трудной реабилитации после космической экспедиции в отсутствии силы тяжести является постоянная и настойчивая профилактика неблагоприятных изменений в организме.
В космическом полёте, когда отсутствует сила тяжести и вес невесомость обнуляет, космонавты постоянно занимаются физическими упражнениями, причём часто под нагрузкой. Например, пользуются бегущей дорожкой, будучи притянутыми к ней упругими резиновыми элементами, укрепленными на поясе.
Работа с эспандером хорошо укрепляет мышцы рук и плечевого пояса. Для укрепления мышц спины также используют упругие элементы, работающие на растяжение. Все эти упражнения способствуют укреплению сердечно-сосудистой системы, что тоже является очень хорошей профилактикой последствий длительного воздействия нулевой силы тяжести. Специально подобранный рацион обеспечивает необходимую перистальтику желудочно-кишечного тракта.
В длительном полете невесомость значение приобретает очень важное, но космонавты летают в отсутствие силы тяжести все дольше и дольше. В космосе космическая экспедиция может провести много месяцев. Рекордсмен по этой части – россиянин Валерий Поляков. Его полет проходил в 1994 и 1995 году. Поляков провел на станции «Мир» 438 суток. Это более 62 недель, более 14 месяцев. Нет предела совершенству!
Имитационные тренировки
В невесомости может побывать каждый. Буквально каждый. Просто подпрыгните на месте. И на несколько коротких долей секунды, когда ваши ноги не будут касаться земли, вы испытаете интересные ощущения – блаженное чувство полёта. Вы – в невесомости. Да, очень ненадолго. Но зато как просто.
Чуть дольше, несколько секунд, проводят в отсутствие силы тяжести прыгуны на батуте. Упругая сетка позволяет выполнить в воздухе несколько кувырков и пируэтов. В эти секунды можно получить первые представления о невесомости. В состоянии свободного падения, следующего за свободным взлетом.
Для того чтобы ощутить более длительную «невесомость на земле» уже нужна техника. Если не космический корабль, то хотя бы самолет. Например, в центре подготовки космонавтов имени Юрия Гагарина в Звёздном городке используют самолёт Ил-76МДК. Самолет взлетает и, начиная с определенного момента, встаёт на траекторию, имитирующую процесс свободного падения тела в безвоздушном пространстве. В этот момент люди, находящиеся в салоне самолета, испытывают состояние без силы тяжести. Впрочем, как и пилоты самолета. Такая искусственная невесомость может длиться несколько десятков секунд. Иногда до полутора минут. Этого достаточно, чтобы приобрести навык перемещения в невесомости, чтобы человек уже чувствовал ощущение нулевой силы тяжести, понимал, как пить воду и есть космическую пищу из тюбиков. В определенном смысле, освоиться в невесомости, приобрести первоначальные навыки координации движений, выполнения профессиональных обязанностей. Такая «невесомость на земле» очень помогает освоиться с нулевой гравитацией в состоянии невесомости. Отличный урок.
Космос без невесомости
Как ни странно, но это вполне возможно. По крайней мере, большую орбитальную станцию вполне реально сделать, как пример, в форме тора, этакого «бублика». И закрутить бублик вокруг его оси.
В этом случае, на всех людей, находящихся в отсеках этого орбитального тороидального космического корабля, будет действовать центробежная сила. Источники этой силы таковы. Это следствие движения космонавтов по кругу. Центробежная сила будет приложена в направлении от оси вращения, то есть она будет прижимать космонавтов к наружной (дальней от оси) стенке бублика. Космонавты испытают действие силы тяжести, пропорциональной их массе. При определенном соотношении радиуса этого орбитального тора и скорости его вращения, можно добиться того, что гравитационные условия для космонавтов будут такие же, как на поверхности Земли. Они почувствуют, будто имеют вес как на родной планете.
Кратко подводя итоги, можно констатировать, что невесомость для пилотируемых полетов в космос, в том числе и полетов военного назначения, действует не только во благо, но и во зло. Но зло это не является неизбежным, существует эффективные способы борьбы с негативными последствиями невесомости.
Источник
Экскурсия в космос: как работает невесомость?
Мы часто видели фотографии астронавтов, плавающих, например, внутри Международной космической станции. Да что там говорить — фильм «Гравитация» не просто так «Оскара» получил. Свидетельства того, что существуют места, в которых притяжение отсутствует как таковое, можно найти везде. Но хотя невесомость выглядит забавно, и каждый из нас наверняка не отказался бы от возможности испытать ее на себе, тело человека относится к этому не очень хорошо. Голова гудит, а ножные мышцы сокращаются. В долгосрочной перспективе мышцы слабеют, а кости становятся хрупкими. Эти эффекты могут причинить серьезный ущерб вашему телу, особенно если вы отправитесь в долгий полет на Марс.
В этой статье мы отвезем вас на борт Международной космической станции и расскажем, что невесомость делает с вашим телом, какие изменения могут произойти, и что нужно делать, чтобы предотвратить или обратить вспять эти побочные эффекты.
Знакомьтесь: микрогравитация
Представьте себе, что вы одеты в скафандр и лежите на спине в летной кабине космического аппарата. Вы лежите на спине в течение нескольких часов, пока пилоты и центр управления полетами готовятся к запуску. Обычно, когда вы стоите прямо, сила тяжести тянет кровь вниз, поэтому целые бассейны ее собираются у вас в ногах. Однако, поскольку вы лежите на спине, кровь по-разному распределяется в вашем теле, в том числе накапливаясь и в голове, поскольку ваши ноги подняты. В голове немного тяжеловато, словно вы только что проснулись.
Ракетные двигатели зажигаются и вы чувствуете ускорение. Вас вдавливает в кресло, поскольку аппарат взлетает. Сила тяжести вместе с увеличением скорости корабля увеличивается в три раза (на некоторых американских горках можно испытать такой уровень ускорения). Ваша грудь сжимается, дышать становится немного трудно. Спустя восемь с половиной минут вы оказываетесь в космосе и начинаете испытывать совершенно другое ощущение: невесомость.
Правильный термин для невесомости — микрогравитация. Вы не невесомы, поскольку земная гравитация удерживает вас и летательный аппарат на орбите. Вы находитесь в состоянии свободного падения, словно только что прыгнули с самолета, за исключением того, что падаете горизонтально и никогда не упадете. Допустим, вы стоите на весах, и они показывают ваш вес, поскольку гравитация тянет вниз и вас, и весы. Поскольку весы находятся на земле, они отталкиваются вверх с равнозначной силой — и эта сила и есть ваш вес. Но если вы прыгнете со скалы, стоя на весах, и вы, и весы будете притягиваться гравитацией. Вы не будете давить на весы, и они не будут давить на вас. Ваш вес будет нулевым. Таков закон Ньютона.
Поскольку космический аппарат и все объекты в нем падают с одной скоростью — все, что не закреплено, плавает. Если у вас длинные волосы — они будут плавать вокруг лица. Если вы выльете воду из стакана — она соберется в большую сферическую каплю, которую можно будет разбить на меньшие капли. Галушки и конфеты сами будут заплывать вам в рот, если вы подтолкнете их по нужной траектории. Сидя в кресле, вы не будете знать, что сидите, поскольку ваше тело не будет давить на кресло. Если вы не будете держаться — вы уплывете. Более того, если вы не будете держаться за стену или пол рукой или ногой — вы не сможете сдвинуться с места — не от чего оттолкнуться. По этой причине в любом космическом аппарате всегда много поручней для рук и ног.
Какова микрогравитация на вкус?
Когда вы впервые окажетесь в состоянии невесомости, вы почувствуете следующее:
Чем дольше вы будете оставаться в условиях микрогравитации, тем слабее будут ваши мышцы и кости. Эти ощущения будут вызваны различными изменениями в системах вашего организма. Давайте подробно рассмотрим, как тело реагирует на невесомость.
Космическая болезнь
Тошнота и дезориентация, которая на вкус как сосущее чувство в желудке, когда автомобиль «летит» вниз по трассе или вас подхватывает на карусели. Только на борту корабля это чувство будет длиться несколько дней. Это чувство космической болезни, слабость моторики, когда ваш мозг получает противоречивую информацию от вестибулярных органов, расположенных в вашем внутреннем ухе. Ваши глаза видят, куда двигаться вверх и вниз в корабле, но ваша вестибулярная система полагается на силу тяжести, определяя направления, что не работает в невесомости. Поэтому ваши глаза могут говорить мозгу, что вы движетесь сверху вниз, но мозг этого не поймет. Это вызывает дезориентацию и тошноту, что может привести к потере аппетита и рвоте. К счастью, спустя несколько дней мозг адаптируется и начнет реагировать исключительно на визуальные сигналы. Таблетки тоже помогут.
Одутловатое лицо и куриные лапки
В условиях микрогравитации ваше лицо будет одутловатым, а пазухи — перегруженными, что вызовет головную боль и нарушение моторики. На Земле это можно почувствовать, если стоять вверх ногами — кровь приливает к голове.
На Земле гравитация притягивает вашу кровь, в результате чего значительные ее объемы скапливаются в венах ног. Как только вы окажетесь в условиях микрогравитации, кровь сдвинется из ваших ног в грудь и голову. Лицо опухнет, а ноги, наоборот, уменьшатся в размерах.
Когда кровь переходит в грудь, сердце увеличивается в размерах и качает больше крови с каждым ударом. Почки отвечают на этот увеличенный кровоток производством большего количества мочи, будто вы выпили большой стакан воды. Кроме того, увеличение кровотока снижает уровень секреции гипофизом антидиуретического гормона (АДГ), что уменьшает жажду. Вы не будете хотеть пить столько же воды, сколько на Земле. В совокупности эти два фактора помогут вашей груди и голове избавиться от лишней жидкости за несколько дней, а поток жидкости вашего тела нормализуется (для космических условий). По возвращении на Землю, вы будете больше пить и чувствовать усталость, но это пройдет.
Космическая анемия
По мере того, как ваши почки выводят лишнюю жидкость, они также уменьшают секрецию эритропоэтина — гормона, стимулирующего производство красных кровяных тел клетками костного мозга. Снижение производства красных кровяных клеток сопровождается уменьшением объема плазмы, поэтому гематокрит (процент объема крови, занимаемого красными кровяными телами) такой же, как на Земле. По возвращении на Землю, ваш уровень эритропоэтина будет расти, так же как и количество красных кровяных тел.
Слабые мышцы
Когда вы находитесь в условиях микрогравитации, ваше тело принимает позу «зародыша»: вы немного сгибаетесь, ваши руки и ноги также принимают полусогнутое состояние. В таком положении вы не используете многие мышцы, особенно те, которые помогают вам поддерживать осанку (антигравитационные мышцы). По мере пребывания на борту МКС, ваши мышцы меняются. Их масса уменьшается, что приводит к «куриным лапкам». Ваше тело больше не нуждается в мышцах, которые медленно сокращаются, вроде тех, что используются в положении стоя. Нужны быстро сокращающиеся волокна, чтобы быстрее передвигаться по станции. Чем больше вы остаетесь на МКС, тем меньше у вас будет мышечной массы. Потеря мышечной массы ослабляет вас, и это, между прочим, является серьезной проблемой для длительных полетов, особенно после возвращения на Землю.
Остеопсатироз
На Земле ваши кости поддерживают вес вашего тела. Размер и масса костей тщательно сбалансированы. В условиях микрогравитации вашим костям больше не нужно поддерживать ваше тело, поэтому все ваши кости, особенно несущие, в районе бедер, ляжек и нижней части спины, используются меньше, чем на Земле. Размер и масса костей в невесомости уменьшаются примерно на 1% в месяц. В результате по возвращении на Землю они просто могут разрушиться. Неизвестно, каков процент восстанавливаемых костей после возвращения на Землю, но он точно не равен 100. Именно эта проблема вносит ограничения на время пребывания в космосе.
В дополнение к слабым костям, концентрация кальция в крови приводит к болезни почек, которым нужно этот избыточный кальций выводить. Могут образоваться камни в почках.
Контрмеры
Что можно сделать, чтобы облегчить пребывание в условиях микрогравитации? Что касается неодушевленных вещей, каждый объект на станции или корабле должен храниться в шкафу, быть привязан или крепиться к стене липучкой.
К примеру, если вы едите в условиях невесомости, вы должны прочно стоять на ногах в аппарате, а ваш поднос с едой должен быть прикреплен к вам ремешком. Как вы знаете, еда обычно хранится в тюбиках и представляет собой полужидкую массу, какой-нибудь рис или паштет, который можно легко выдавить из тюбика, и он не уплывет. Портативное оборудование, вроде ноутбука, также привязывается к вам или к стене корабля.
Давайте вспомним, что на борту МКС наше тело подвергается в основном трем изменениям: потеря жидкости, потеря мышечной ткани и потеря костной массы. Что же нужно делать, чтобы минимизировать эти потери?
Потеря жидкости
Одна из контрмер при потере жидкости — это устройство, которое называется «отрицательное давление нижнего тела» (ОДНТ), которое работает как пылесос пониже вашей талии, удерживая жидкость в ногах. Это устройство можно прикрепить к тренажеру, например, к беговой дорожке. Раз в день можно упражняться с ОДНТ по 30 минут, поддерживая сердечно-сосудистую систему в близком к земному состоянии.
Кроме того, до возвращения на Землю, можно выпить большое количество воды или раствор электролита, чтобы помочь восстановить потерянную жидкость в теле. Это предупредит обморок после выхода из космического корабля.
Уменьшение мышц и костей
NASA и Роскосмос выяснили, что лучший способ свести к минимуму потери мышечной и костной массы в космосе — это постоянные тренировки. Они тренируют мышцы, предотвращают их деградацию и создают нагрузку на кости, имитируя вес. Каждый день по два часа на разных тренажерах в особых ремешках — и вы сможете минимизировать потери мышечной и костной масс.
Тем не менее, ученые признают, что нужно больше исследований для выявления качественных контрмер. Причем как на борту МКС, так и на Земле, как с помощью людей, так и животных. Результаты исследований могут проложить дорогу к длительным поездкам, например, на Марс.
Как имитировать микрогравитацию на Земле?
Есть несколько человеческих и животных моделей для моделирования и изучения микрогравитации на Земле.
Наклон головы
Человек ложится на кровать, наклоняя голову вниз примерно на 5 градусов от горизонтальной линии. Наклон воспроизводит смещение жидкостей в организме, возникающее в условиях гравитации. Кроме того, не используются несущие кости и мышцы, тем самым вызывая атрофию.
Погружение в бассейн
Помещение предмета в теплый бассейн с водой на длительный период времени. Плавучесть воды перераспределяет жидкости в организме и облегчает несущие кости и мышцы, создавая условиях микрогравитации.
Подвешенные за хвост крысы
Крысы подвешиваются за хвосты в клетках на длительные периоды времени. Такое положение провоцирует смещение жидкостей и бездействие задних конечностей, что приводит к ухудшению мышц и костей.
Искусственная микрогравитация
Полет на самолете, который летит по параболической траектории вверх и вниз, создавая 30-секундные периоды микрогравитации при каждом пике. NASA использует эту технику при подготовке космонавтов, а также дает возможность испытать это ощущение всем желающим.
Источник