Как имитируют невесомость в самолете
Как имитируют невесомость в самолете
В чем идея «Полета в Невесомости на ИЛ-76 МДК» для туристов?
Мы часто задаемся вопросом, что же такое невесомость (отсутствие гравитации), почему она есть только в Космосе и как ее испытать в реальной жизни на Земле?
Существует множество сложных определений, связанных с физикой, которые объясняют состояние невесомости. Говоря простым и понятным языком Невесомость – это состояние среды, в которой сила гравитации равна нулю.
В наше время, реальную невесомость испытывают космонавты в Космосе. Они живут и работают в состоянии невесомости. Перед длительным пребыванием в космосе, каждый космонавт проходит специальные тренировки, имитирующие невесомость на Земле. Эти тренировки и называются «Полет в Невесомости на самолете ИЛ-76 МДК». Осуществляют эти тренировочные Полеты в Невесомость для будущих космонавтов или туристов только очень высокотехнологичные космические тренировочные Центры, такие как Российский Центр Подготовки Космонавтов им. Ю. А. Гагарина.
На сегодняшний день обычный человек может проверить свой организм на переносимость к реальной невесомости в космосе совершив уникальное Приключение недалеко от Москвы – Полет в Невесомости на самолете-лаборатории ИЛ-76 МДК.
Переменное состояние невесомости на борту специального самолёта ИЛ-76 МДК достигается с помощью определённой траектории полёта самолета, которая называется «парабола Кеплера». Именно эта траектория полета самолета позволяет ему создавать во время своего полета кратковременныережимы невесомости.
Как происходят режимы невесомости на борту ИЛ-76 МДК?
Самолет-лаборатория ИЛ-76 МДК поднимается на высоту 6000 м. и потом под углом 45 градусов с максимальной скоростью набирает высоту до 9000 м. В это время на борту самолета туристы чувствуют перегрузку в 2G. Во время переваливания самолета через вершину параболы для последующего снижения и возникает режим невесомости длительностью около 25 до 28 секунд. В дальнейшем самолет снижается до высоты 6000 метров и летит некоторое время в горизонтальном полете. Далее все повторяется – самолет набирает высоту до 9000 метров, возникает режим невесомости и последующее снижение! Туристы, находящиеся на борту периодически ощущают перегрузку до 2G.
В процессе полета самолета ИЛ-76 МДК может выполняться от 10 до 15 режимов невесомости. Во время полёта на борту ИЛ-76 МДК так же находятся группа специалистов и инструкторов российского Центра подготовки космонавтов, которые контролируют проведение мероприятия и обеспечивают безопасность туристов во время Полета в Невесомости.
Количество участников полета не должно превышать 14 человек! Это позволит сделать Полёт в Невесомости для всех туристов комфортным, безопасным и весёлым!
Невесомость в самолете: как достичь?
Невесомость – это отсутствие силы взаимодействия веса тела с опорой. Вернее, это состояние, при котором гравитационное притяжение полностью отсутствует. В некоторых случаях такое состояние называется микрогравитацией.
Иногда разные научно-исследовательские центры проводят определенные эксперименты в условиях невесомости. Далеко не все могут отправиться в космос, где невесомость является естественным состоянием. По этой причине для достижения невесомости эксплуатируют специально оснащенные самолеты. Траектория движения самолета в этом случае представляет параболу.
Такой полет начинается на высоте 6 км. Происходит резкий набор высоты примерно до 7,5 км, что занимает около 20 секунд. Пассажиры в этот момент испытывают перегрузку до 1.8 g, что означает двойное увеличение веса. Затем самолет уменьшает тягу двигателя почти до 0 и направляется по параболической траектории.
Единственный метод образования невесомости на Земле называется параболическим полетом. В России подобные эксперименты ведутся на протяжении 30 лет. Как правило, используется аэробус ИЛ-76.
Автор в частном порядке беседовал с пилотом – ветераном, управлявшим самолётом НГ. Он тоже назвал 20 секунд. Покадровый анализ одного из клипов, снятых в самолёте НГ (см. раздел 7), показал длительность режима невесомости 19 секунд. Так что, по – видимому, 20 секунд – это значение, наиболее близкое к реальности.
Примечание. Пусть не смущает то обстоятельство, что в том же клипе [4а] общая длительность всех сцен «самолётной» невесомости составляет около двух минут. Киносъёмку вели сразу несколько кинооператоров. Это видно по клипу, где разные кинооператоры во время своей съёмки время от времени попадают в поле зрения кинокамер коллег. Так что клип смонтирован из многих отдельных эпизодов.
5. Второй признак: резкость перехода от двойного веса к невесомости, и обратно.
(переходные зоны «А – Б» и «Б – В»)
Короткие по времени участки А. Б и В разделены ещё более короткими во времени переходными зонами А – Б и Б – В, то есть невесомость в самолёте НГ и наступает, и кончается довольно резко. На илл.4 (голубая схема) соответствующие переходные зоны показаны светлыми вертикальными промежутками. Их длительность во времени составляет по 4 секунды на каждую зону.
На илл.6 показаны два стоп-кадра из клипа «Нулевая гравитация», из которых для правой переходной зоны Б – В следует близкое значение 3 секунды. Действительно, в момент 02:30 туристы под наблюдением инструкторов ещё веселятся под потолком, а уже через три секунды в салоне все сидят. Для переходной зоны А – Б автору не удалось найти аналогичные непрерывно снятые кадры.
Илл.6. Два кадра из клипа «Нулевая гравитация…», относящиеся к переходной зоне «Б – В»
(от невесомости к удвоенному весу)
Например, если кто-то из туристов в своём веселье замешкается под потолком, то при резком окончании невесомости он упадёт с высоты в 3 метра. Под силой двойного земного веса он «приземлится» с такой скоростью, как если бы он на Земле спрыгнул со второго этажа жилого дома. Конечно, весь пол салона укрыт толстыми мягкими матами, но это – на всякий менее значимый случай. А прыжки со второго этажа техникой безопасности не предусмотрены.
Поэтому в салоне самолёта и перед наступлением невесомости, и перед её окончанием зажигается предупреждающее световое табло, включается звуковое оповещение, инструкторы отдают соответствующие устные распоряжения. Все люди в салоне немедленно садятся или ложатся на мягкие маты
Для тех же, кто снимался в самолёте НГ, изображая при этом пребывание на орбите, осложнения будут другого плана. О них пойдёт речь в разделе 7.
6. Третий признак: во время режима невесомости все предметы и люди сохраняют примерно 1/50 от своего земного веса
То, что во время режима невесомости у всех предметов и у людей сохраняется некоторый остаточный вес, легко заметить даже при минимальной наблюдательности. Правда, для этого тот же клип «Нулевая гравитация…» надо просмотреть несколько раз и желательно с замедлением. Иначе круговерть прыжков, верчений и т.п. совершенно сбивает с толку. И, конечно, для такого анализа большую помощь окажут стоп-кадры.
Крутиться и вертеться в воздухе и даже летать по салону самолётная невесомость вполне позволяет.
Одновременно в салоне можно стоять на полу, ходить по нему и лежать на нём
Илл.7. Сцена из клипа «Нулевая гравитация…». Один сидит (1), двое стоят (2 и 3) и вертят в воздухе туриста (4)
Илл.8. Космонавт (1) летит, два сотрудника (2 и 3) идут по полу, а сотрудник (4) прилёг вздремнуть
Всё это опять говорит о том, что люди в салоне имеют вес, который составляет малую долю от земного веса. Но, если вес есть, то тогда космонавт (1) должен упасть на пол салона. Не так быстро, как на Земле, но – упасть! Конечно, на фотографии мы этого не увидим. Но мы можем посмотреть в клипе «Нулевая гравитация» аналогичный эпизод в динамике.
Самый долгий полёт, который автор нашёл в весёлом калейдоскопе этого клипа, длился 1,6 секунды (00:51:17 – 00: 53:07 = 1 сек + 15 кадров). Его начало и окончание показаны на илл.9. Отчётливо видно, что полёт закончился заметным снижением. Величина этого снижения вполне согласуется с законами падения тел.
Действительно, поскольку остаточный вес во время режима невесомости для всех предметов составляет 1/50 часть от их веса в земных условиях и что любой предмет в самолёте НГ за первую секунду падения теряет в высоте только 10 см. Такое снижение во время полёта человека незаметно, тем более, что линейки по салону не расставлены, да и человек в полёте может заметно менять свою позу. Но процесс падения – это движение с ускорением. Уже к концу второй секунды снижение высоты составит 40 см. А это уже заметно, что мы и видим на илл.9.
Илл.9. Иду на посадку! Полёт туриста от начала до конца. Длительность полёта 1,6 сек.
Итак, что малый остаточный вес (кто на Земле весил 80 кГ, тот будет весить чуть больше 1,5 кг) позволяет и летать, и кувыркаться в воздухе. По этой же причине те, кто стоит, как правило, одной рукой держатся за поручень. Без этого можно, случайно топнув ногой, некстати подлететь вверх. А вот для того, чтобы ходить по салону, уже нужен навык. Это должна быть воистину «лёгкая» походка, иначе при каждом шаге будешь нелепо подпрыгивать. И не удивительно, что такое умение демонстрируют только привычные к самолётной невесомости штатные сотрудники самолёта НГ (например, те, что видны на илл.7).
В самолёте НГ не удастся подвесить предметы в воздухе неподвижно,
Илл.10. Стоп-кадры эпизода « Космонавт бреется» из клипа «Будни на МКС».
Мы можем рассчитать, как вели бы себя куколка и бритва в самолётной невесомости. Кадры 00:35. и 00:37 разделяют 2 секунды. А мы знаем, что к исходу второй секунды в самолётной невесомости все висящие в воздухе предметы опустятся на 40 см. То есть, уже на втором кадре куколка уплыла бы за нижнюю границу кадра, как это показывает сделанная автором вставка с чёрно – белым изображением той же куколки. Бритва тоже опустилась бы на такое же расстояние, но автор не стал это показывать, чтобы не усложнять иллюстрацию. На последующих кадрах и куколка, и бритва в самолёте НГ уже лежали бы на полу салона.
Для сравнения на илл.11 показаны два стоп-кадра из популярного клипа на тему «нулевой гравитации» (около 7 млн. просмотров).
Илл.11. Аттракцион с цветными шариками. Стоп-кадры 1:50 и 1:54 из клипа
На кадре 1:50 множество лёгких цветных шаров заполнило пространство салона, а через 4 секунды большинство шаров уже лежат на полу. В общем одновременно видно и наличие у предметов веса, и то, что это вес мал. Такова уж самолётная невесомость: весёлая для туристов, очень нужная и полезная для тренировок космонавтов, но – не полная невесомость (как на орбите!). И этот факт можно выявить с помощью описанных выше признаков.
7. Практикум. Два примера «опознания» самолётной невесомости по её признакам
(из книги «Союз» без «Аполлона» [5] )
Следите за руками и шлемофонами
«Есть несколько странных фактов, связанных с видеоклипом «Союз – Аполлон. Рукопожатие в космосе» (эфир от 23 мая 2014 года). В клипе есть девятиминутный групповой момент с 15:26 по 24:29. В 23:00 статичная до этого момента картина «взрывается» чередой суетливых действий. Кубасов «подвешивает» камеру…
Далее идёт описание других суетливых действий других участников, после чего «вся суета заканчивается, ничего уже не летает, всё убрано из кадра или удерживается в руках, картинка снова становится статичной. Похожий эпизод есть с 25:46 по 26:11. Такое впечатление, что суета возникает именно в те моменты, когда появляется невесомость». Д. Горюнов, 30 июля 2015 г.
Илл.12. Следите за руками и шлемофонами А. Леонова (1) и Т. Стаффорда (2), а также за их глазами
Стоп-кадры из телефильма «Союз» и «Аполлон». Рукопожатие в космосе», созданного по архивам центрального ТВ. http://manonmoon.ru/addon/epas1975.mp4 [7]
Проследите за руками и шлемофонами Леонова (1) и Стаффорда (2). Оба «партнёра» якобы сняты 17 июля 1975 года во время якобы совместного полёта кораблей «Союз» и «Аполлон». Вот краткие пояснения к этим кадрам:
(21:05). Пока всё спокойно, но до «взрыва» суеты осталось всего две минуты;
(23:20). Стаффорд уже снял шлемофон, а Леонов ещё только снимает свой;
(23:24). Прошло всего четыре секунды, а Стаффорд уже надевает шлемофон, Леонов отстаёт от лидера в соревновании «сними и надень шлемофон»: свой шлемофон он только что снял.
(23:25). Прошла ещё секунда. Стаффорд уже надел шлемофон, тогда как Леонов только подносит свой шлемофон к голове. Сейчас он его тоже наденет.
Этот момент автор и считает моментом скорого окончания временной невесомости. Будь ей положено длиться дольше, не стал бы Леонов надевать свой шлемофон, едва его сняв.
Итого, на снимание/надевание шлемофонов затрачено 19 секунд. З а это время астронавты/космонавты, (а, по сути дела, актёры) должны были успеть продемонстрировать зрителям невесомость и тем убедить их, что телерепортаж идёт с орбиты. В этой спешке проявил себя первый признак: кратковременность режима самолётной невесомости.
В конце режима невесомости она резко «выключится» (второй признак). Астронавты/космонавты в своих упражнениях со шлемофонами не имели права пересечь эту временную границу. Травмы им, конечно не грозили, поскольку они сидели. Но зрители увидели бы, как только что невесомые шлемофоны вдруг ринулись вниз под воздействием своего двойного земного веса.
Может быть, именно поэтому в момент 23:25 у Стаффорда, только что надевшего шлемофон, глаза вытаращены, и он смотрит куда-то вбок и вверх по направлению белой стрелки. Глаза Леонова неразличимы из-за нерезкости изображения, но по положению его головы ясно, что и он смотрит туда же, куда и Стаффорд.
Что же так привлекло их внимание? Уж не на табло ли с сигналом «Внимание! Окончание невесомости через … секунд!»? На орбите такие табло не применяются за полной ненадобностью.
Как космонавт В. Кубасов пытался подвесить камеру в воздухе
В то самое время, когда Стаффорд и Леонов были озабочены снятием и одеванием своих шлемофонов, Кубасов пытался продемонстрировать невесомость тем, что « подвешивал камеру» в воздухе (илл.13).
Илл.13. В. Кубасов пытается заставить парить камеру, а она не слушается и падает под действием своего остаточного веса
Проследим за действиями Кубасова и за ответным «поведением» камеры:
(23:05) – Кубасов лёгким движением пальца снизу подталкивает камеру вверх. Видно, что она необычно легка для предмета, имеющего массу в несколько килограммов. Камера медленно поднимается.
(23:06) – приподнявшись до уровня подбородка Кубасова, камера останавливается. Какая же сила затормозила её движение, а затем остановила? Конечно же вес!
(23:12) – прекратив подъём, камера тут же начинает движение вниз и возвращается в прежнее положение. И опять – так действует только вес!
(23:15) – Кубасов ещё раз лёгким движением пальца снизу подталкивает камеру вверх.
Это повторяется несколько раз: «щелчок снизу – подъём – остановка в воздухе – медленное падение – возвращение в исходное положение – щелчок снизу…».
Следует подчеркнуть, что, конечно, вывод о фальсификации полёта «Союз – Аполлон» сделан не только на основании приведённых примеров со съёмками в самолёте НГ. Он сделан по совокупности многих очень разнородных доказательств, но знания свойств самолётной невесомости тоже сыграло свою роль.
Автор надеется, что читатели найдут и другие полезные применения для этих знаний.
Дополнение. Экспериментальное определение остаточного веса в самолёте НГ
Есть простой и интересный физический опыт, который позволяет определить (в долях от земного веса) остаточный вес предметов во время самолётной невесомости. Его любят демонстрировать космонавты в своих видеорепортажах о жизни на МКС, его часто пробуют исполнить и пассажиры самолёта НГ (правда с меньшим успехом). Наконец его можно проделать дома у водосточной раковины. Конечно же, не так эффектно, как это делают космонавты, но зато очень доступно для понимания (илл.14).
Илл.14. Опыт у водосточной раковины: невесомая струя воды разделяется на невесомые водяные шарики (фото автора)
В пластиковую бутылку наливаем воду и протыкаем в её стенке отверстие. Через него выливается тонкая струйка воды. Вода свободно падает, и поэтому она невесома. Вот тут и проявляют себя слабые силы поверхностного натяжения. Пока у воды есть вес, они не играют никакой роли из-за своей ничтожности. Но, как только вес исчезает, так тут же эти силы начинают «лепить» из воды шарики.
Опыт с водяным шариком на МКС
Всё познаётся в сравнении, и для того чтобы понять, насколько хорошо или плохо получается опыт с водяным шариком в самолёте НГ, вспомним, как выглядит этот опыт в клипе «Будни на МКС». На МКС этот о пыт проводится в очень неспешном темпе, поскольку невесомость полная и непрерывная, и шарик никуда не упадёт. Это хорошо видно в клипе. Это же наглядно показывают и стоп-кадры илл.15.
Илл.15. Стоп-кадры: космонавт МКС играет с висящими в воздухе водяными шариками [3]
Вода, выдавленная из специального большого шприца (из которого космонавты пьют на орбите воду), едва выйдя «на свободу», тут же образует шарик довольно большого размера, который спокойно и очень эффектно плавает в воздухе, в то время как космонавт размышляет, что ему с этим шариком делать (моменты 00:50 – 00:53). Через 8 секунд космонавт лёгким дуновением разделяет шарик пополам. Получившаяся «двойня» продолжает висеть в воздухе, чуть расходясь в стороны (01:01). Затем космонавт проглатывает шарики один за другим (01:01 и 01:02). Весь опыт длится 14 секунд. Мог бы длиться и дольше. Космонавт сам решает, когда ему наскучит играть с шариком.
Опыт с водяным шариком, проведённый в самолёте НГ
Илл.16. Вот так шарик!
Илл.17. Стоп-кадры из клипа [8]
Линейкой нам послужит указательный палец туриста. Длина этого пальца в сгибе равна 5 см. Приподнявшись на 3 – 4 см над горлышком бутылки, шарик на мгновение останавливается и начинает падать. В спокойном воздухе никакая сила, кроме веса (в данном случае, остаточного веса) не может изменить направление движения шарика вверх на обратное движение вниз.
На правом кадре видно, что, удачно проскочив мимо рта туриста, шарик опустился на 10 см. Между этими двумя кадрами, прошла 1 секунда (с точностью ± 0,04 с). Этих данных вполне достаточно, чтобы, руководствуясь законами падения, вычислить по ним остаточный вес шарика и тот путь, который он пройдёт в своём падении за следующие секунды.
Разделив (1) на (2), вычислим отношение S с / S з :
Ускорение падения тела связано с его массой m и весом Р следующими формулами:
Подставив a и g (4, 5) в правую часть формулы (3), получим
или в более удобной для нас форме
Подставляем в эту формулу (7) значения пути за 1 секунду падения: S с = 10 см (наше экспериментальное значение для самолёта НГ) и S з = 500 см (5 м) (общеизвестное значение) и получаем:
ПУТИ, ПРОЙДЕННЫЕ ШАРИКОМ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ПАДЕНИЯ В САЛОНЕ САМОЛЁТА НГ
за время Т = 2 сек, 3 сек, 4 сек и 5 сек
Нам известен путь падающего шарика за 1 секунду. Он равен 10 см. Тогда по закону равноускоренного движения шарик к концу 2-й секунды упадёт на 40 см, к концу 3-й – на 90 см, 4-й – на 160 см и 5-й – на 250 см.
Неудивительно, что длительность подавляющего большинства сцен самолётной невесомости в клипе «Нулевая гравитация…» и подобных ему [4] редко, когда превышает 1 секунду. Потому что уже к окончанию 2-й секунды падение людей к полу салона становится заметным, а это портит зрелищность «нулевой гравитации».
Автор выражает глубокую признательность В. Буджичу, А. Булатову, Л. Коновалову, Д. Кропотову, А. Кудрявцу и В. Насеннику за помощь в работе над этой статьёй.
2. Уникальный самолёт, на котором в России готовят космонавтов, а американцы снимают клипы в невесомости.
а) «Нулевая гравитация в России. Лучшие моменты».
Невесомость в самолете — Zero Gravity
Опубликовано 27.01.2020 · Обновлено 13.11.2021
Когда я смотрю фильмы про космос или различные научные сюжеты с международной космической станции, мне всегда хочется хотя бы раз в жизни испытать состояние невесомости. Конечно объективно я понимаю, что космонавтом мне уже не стать, как собственно и большинству людей на планете, но хоронить это желание все таки не стоит. Оказывается есть реальная возможность испытать состояние истинной невесомости, которая ничем не отличается от невесомости в космосе, только на Земле.
Во времена СССР подобное состояние невесомости для тренировки космонавтов отрабатывалось в условиях наполненного водой бассейна, или внутри специально оборудованного самолета, снижающегося с ускорением свободного падения. В наше время есть компания Zero Gravity, которая готова сделать космонавтов из всех желающих (с деньгами). Также самолет-корабль можно арендовать для съемки кино, что активно и делается.
Как же это работает?
В основе всего лежит физика. Любое тело, находящееся на Земле, попадает в гравитационное поле планеты. Это поле притягивает любое тело с постоянным ускорением, называемым G и равным 9,8 м/с2. Если одновременно бросить два тела с одинаковой высоты, пусть это будет даже маленький камушек и огромный кирпич, приземлятся они в один и тот же момент (аэродинамическим сопротивлением пренебрегаем).
Теперь для создания невесомости нам необходим аппарат, который будет падать на Землю с большой высоты с ускорением равным 9,8 (м/с)/с. Внутри аппарата возникнет состояние абсолютной невесомости, так как тело и аппарат будут двигаться с одним и тем же ускорением. Самым подходящим аппаратом для реализации задуманного является самолет.
Внутри самолета оборудована мягкая камера для уменьшения травматизма. Пристегнутые ремнями пилоты выходят в заранее разрешенный квадрат, после чего самолет начинает движение по параболе. Сначала происходит набор высоты до 12 тысяч метров, после чего автопилот настраивается на снижение именно с заданным ускорением, здесь важна точность (для этого и автопилот), ведь если ускорение будет чуть больше G, то люди «прилипнут» к потолку, а если будет меньше, то полная невесомость не возникнет. После того, как снижение достигло 1700 метров, начинается выравнивание воздушного судна, а после снова набор высоты. Дальше этот цикл повторяется в зависимости от оплаченного времени. Вот если снимается кино, то таких наборов высоты и снижений может быть до 15-ти за один полет.