орбита - Blog Posts

Невесомость

Космонавты, находящиеся на орбите Земли, часто испытывают ощущение невесомости. Эти ощущения, испытываемые астронавтами, находящимися на орбите, аналогичны ощущениям, которые испытывает любой, кто временно подвешен над сиденьем во время поездки в парке развлечений. Не только ощущения одинаковы (для космонавтов и райдеров американских горок), но и причины этих ощущений невесомости одинаковы. К сожалению, многие люди не могут понять причины невесомости.

  Причину невесомости понять довольно просто. Однако упорство предубеждений по теме часто мешает пониманию. Рассмотрите следующий вопрос с несколькими вариантами ответов о невесомости в качестве проверки ваших предвзятых представлений по этой теме:

Проверьте свои предвзятые представления о невесомости:

Астронавты на орбитальной космической станции невесомы, потому что ...

а. в космосе нет гравитации и они ничего не весят.

б. пространство - это вакуум, и в вакууме нет гравитации.

c. пространство - это вакуум, и в вакууме нет сопротивления воздуха.

d. астронавты находятся далеко от поверхности Земли в месте, где гравитация оказывает минимальное влияние.

Если вы верите в любое из вышеперечисленных утверждений, то, возможно, потребуется небольшая перестройка и переназначение вашего мозга, чтобы понять настоящую причину невесомости. Как и в случае со многими темами по физике, перед изучением необходимо сначала изменить себя. 

Другими словами: не то, чего вы не знаете, делает изучение физики сложной задачей; именно то, что вы знаете, делает изучение физики сложной задачей. Поэтому, если у вас есть предвзятое мнение (или сильное предубеждение) о том, что такое невесомость, вам нужно осознавать это предвзятое мнение. И когда вы рассматриваете следующую альтернативную концепцию о значении невесомости, оцените разумность и логичность двух конкурирующих идей.

 Контакт против бесконтактных сил

Прежде чем понять невесомость, нам нужно будет рассмотреть две категории сил - силы контакта и силы действия на расстоянии. Когда вы сидите на стуле, вы испытываете две силы - силу гравитационного поля Земли, тянущую вас вниз, к Земле, и силу стула, толкающую вас вверх. Сила, направленная вверх на стул, иногда называется нормальной силой, и возникает в результате контакта между верхней частью стула и вашим нижним концом. Эта нормальная сила классифицируется как контактная сила. Контактные силы могут возникать только в результате фактического касания двух взаимодействующих объектов - в данном случае стула и вас. 

  Сила тяжести, действующая на ваше тело, не является контактной силой; ее часто называют силой, действующей на расстоянии. Сила тяжести является результатом взаимного притяжения вашего центра масс и центра масс Земли; эта сила существовала бы даже, если бы вы не контактировали с Землей. Сила гравитации не требует физического контакта двух взаимодействующих объектов (вашего тела и Земли); он может действовать на расстоянии в пространстве. Поскольку сила тяжести не является контактной силой, ее нельзя почувствовать при контакте. Вы никогда не почувствуете силу тяжести, воздействующую на ваше тело, так же, как вы почувствуете силу контакта. Если вы скользите по асфальтовому теннисному корту (не рекомендуется), вы почувствуете силу трения (силу контакта). Если в коридоре вас толкнет хулиган, вы почувствуете приложенную силу (силу контакта). Если вы качнулись на скакалке на уроке физкультуры, вы почувствуете силу натяжения (силу контакта). Если вы сядете на стул, вы почувствуете нормальную силу (силу контакта). Но если вы прыгаете на батуте, даже путешествуя по воздуху, вы не чувствуете, как Земля притягивает вас силой тяжести (сила действия на расстоянии). Невозможно почувствовать силу тяжести. Тем не менее, те силы, которые возникают в результате контакта, можно почувствовать. А в случае сидения на стуле вы можете почувствовать силу стула; и именно эта сила дает вам ощущение веса. Поскольку восходящая нормальная сила будет равна нисходящей силе тяжести в состоянии покоя, сила этой нормальной силы дает меру величины гравитационного притяжения. Если бы на ваше тело не действовала направленная вверх нормальная сила, вы бы не ощущали своего веса. Без контактной силы (нормальной силы) невозможно ощутить неконтактную силу (силу тяжести).

 Значение и причина невесомости

Невесомость - это просто ощущение, которое испытывает человек, когда нет никаких внешних объектов, соприкасающихся с его телом и оказывающих на него давление или давление. Ощущения невесомости возникают при снятии всех контактных сил. Эти ощущения характерны для любой ситуации, когда вы на мгновение (или постоянно) находитесь в состоянии свободного падения. В свободном падении единственная сила, действующая на ваше тело, - это сила тяжести - бесконтактная сила. Поскольку силу тяжести нельзя почувствовать без других противодействующих сил, вы не почувствуете ее. В состоянии свободного падения вы почувствуете себя невесомым.

Это чувство невесомости является обычным явлением в парках развлечений для водителей американских горок и других аттракционов, когда гонщики на мгновение поднимаются в воздух и поднимаются со своих сидений. Предположим, что вас подняли на стуле на вершину очень высокой башни, а затем ваш стул внезапно упал. Когда вы и ваш стул падаете на землю, вы оба ускоряетесь с одинаковой скоростью - g. Поскольку стул неустойчивый и падает с той же скоростью, что и вы, он не может давить на вас. Нормальные силы возникают только в результате контакта с устойчивыми опорными поверхностями. Сила тяжести - единственная сила, действующая на ваше тело. Никакие внешние объекты не касаются вашего тела и не действуют. Таким образом, вы испытаете ощущение невесомости. Вы бы весили столько же, сколько обычно (или так мало), но не ощущали бы этого веса.

Невесомость - это всего лишь ощущение; это не реальность, соответствующая похудевшему человеку. Поскольку вы свободно падаете на американских горках (или других аттракционах), у вас нет времени.

  Невесомость очень мало связана с весом и в основном связана с наличием или отсутствием контактных сил. Если под «весом» мы имеем в виду силу гравитационного притяжения к Земле, свободно падающий человек не «похудел»; он все еще испытывает гравитационное притяжение Земли. К сожалению, смешение фактического веса человека с его ощущением веса является источником многих заблуждений.

 Показания весов и вес

С технической точки зрения весы не измеряют вес. Хотя мы используем весы для измерения своего веса, показания весов на самом деле являются мерой восходящей силы, прилагаемой весами для уравновешивания нисходящей силы тяжести, действующей на объект. Когда объект находится в состоянии равновесия (в состоянии покоя или в движении с постоянной скоростью), эти две силы уравновешиваются. Сила, направленная вверх весами на человека, равна силе тяжести, направленной вниз (также известной как вес). И в этом случае показание весов (то есть мера восходящей силы) равно весу человека. Однако, если вы стоите на весах и подпрыгиваете вверх и вниз, показания весов быстро изменяются. Когда вы совершаете это подпрыгивающее движение, ваше тело ускоряется. Во время периодов ускорения восходящая сила шкалы меняется. И поэтому показания шкалы меняются. Ваш вес меняется? Точно нет! Вы весите столько же (или меньше), сколько и всегда. Показания весов меняются, но помните: ВЕСЫ НЕ ИЗМЕРяюТ ВАШ ВЕС. Весы измеряют только внешнюю контактную силу, приложенную к вашему телу.

Теперь рассмотрим Отиса Л. Эвадерза, который проводит один из своих знаменитых экспериментов с лифтами. Он стоит на весах в ванной и ездит на лифте вверх и вниз. Поскольку он ускоряется вверх и вниз, показания шкалы отличаются от показаний, когда он находится в состоянии покоя и движется с постоянной скоростью. Когда он ускоряется, восходящие и нисходящие силы не равны. Но когда он находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью, противодействующие силы уравновешивают друг друга. Зная, что показание шкалы является мерой вертикальной силы, действующей на его тело, ее значение можно предсказать для различных стадий движения. Например, значение нормальной силы (Fnorm), действующей на тело Отиса весом 80 кг, можно предсказать, если известно ускорение. Этот прогноз можно сделать, просто применив второй закон Ньютона, как обсуждалось в Разделе 2. В качестве иллюстрации использования второго закона Ньютона для определения различных контактных сил при поездке на лифте рассмотрим следующую диаграмму. На диаграмме 80-килограммовый Отис движется с постоянной скоростью (A), ускоряется вверх (B), ускоряется вниз (C) и свободно падает (D) после того, как трос лифта оборвался.

В каждом из этих случаев восходящую контактную силу (Fnorm) можно определить с помощью диаграммы свободного тела и второго закона Ньютона. Взаимодействие двух сил - восходящей нормальной силы и нисходящей силы тяжести - можно рассматривать как перетягивание каната. Чистая сила, действующая на человека, указывает, кто выигрывает в перетягивании каната (верхняя сила или нижняя сила) и насколько. Чистая сила 100-Н, направленная вверх, указывает на то, что направленная вверх сила «выигрывает» на величину, равную 100 Н. Гравитационная сила, действующая на всадника, определяется с помощью уравнения Fgrav = m * g.

Нормальная сила больше, чем сила тяжести, когда есть восходящее ускорение (B), меньше, чем сила тяжести, когда есть нисходящее ускорение (C и D), и равна силе тяжести, когда нет ускорения. (А). Так как это нормальная сила обеспечивает ощущение собственного веса, водитель лифта будет чувствовать свой нормальный вес в случае A, больше, чем его нормальный вес в случае B, и меньше, чем его нормальный вес в случае C. 

  Во всех четырех случаях водитель лифта весит одно и то же - 784 Н. Тем не менее, его ощущение веса колеблется на протяжении всей поездки на лифте.

 Невесомость на орбите

Космонавты, находящиеся на околоземной орбите, невесомы по тем же причинам, что и участники свободного падения в парке аттракционов или в свободнопадающем лифте. Они невесомы, потому что на их тело не действует внешняя контактная сила. В любом случае гравитация - единственная сила, действующая на их тело. Поскольку это сила, действующая на расстоянии, она не может быть ощутима и, следовательно, не будет давать никакого ощущения их веса. Но наверняка астронавты на орбите что-то весят; то есть на их тело действует сила тяжести. Фактически

, если бы не сила тяжести, астронавты не двигались бы по орбите по кругу. Это сила тяжести, которая обеспечивает центростремительную силу, необходимую для ускорения внутрь, характерного для кругового движения. Сила тяжести - единственная сила, действующая на их тело. Космонавты в свободном падении. Подобно падающему райдеру парка развлечений и падающему лифту, астронавты и их окружение падают к Земле под действием единственной силы тяжести. Астронавты и все их окружение - космическая станция с ее содержимым - падают на Землю, не сталкиваясь с ней. Их тангенциальная скорость позволяет им оставаться в орбитальном движении, в то время как сила тяжести тянет их внутрь.

Многие студенты считают, что астронавты, находящиеся на орбите, невесомы, потому что они не испытывают силы тяжести. Поэтому предполагать, что отсутствие гравитации является причиной невесомости, испытываемой астронавтами на орбите, было бы нарушением принципов кругового движения. Если человек считает, что отсутствие гравитации является причиной его невесомости, то ему сложно придумать причину, по которой астронавты вообще находятся на орбите. Дело в том, что для орбиты должна быть сила тяжести. 

А вы хотели бы побывать на орбите?