Как измерить вес в невесомости

Космические весы

… продолжили предварительный сбор грузов для нашего «Союза», в том числе нашей личной квоты в 1,5 кг, и упаковали другие свои личные вещи для возвращения на Землю.

Задумался. ОК, с орбиты астронавты могут взять с собой 1,5 кг вещей. Но как они определят их массу в условиях невесомости (микрогравитации)?

Вариант 1 — бухгалтерский. Все вещи на космическом корабле надо взвесить заранее. Должно быть досконально известно, сколько весит колпачок от ручки, носок и флешка.

Вариант 2 — центробежный. На тарированной пружине раскручиваем предмет; из угловой скорости, радиуса вращения и деформации пружины высчитываем его массу.

Вариант 3 — второй ньютоновский (F=ma). Пружиной толкаем тело, замеряем его ускорение. Зная силу толчка пружины, получаем массу.

Оказалось четвертое.

Используется зависимость периода колебаний пружины от массы закрепленного на ней тела.
Измеритель массы тела и малых масс в невесомости «ИМ-01М» (массметр):

«ИМ» использовался на станциях «Салют» и «Мир». Собственная масса массметра составляла 11 кг, взвешивание занимало полминуты, в течение которых прибор с высокой точностью измерял период колебаний платформы с грузом.

Вот как описывает процедуру Валентин Лебедев в своем «Дневнике космонавта» (1982):

Первый раз приходится взвешиваться в космосе. Понятно, что обычные весы здесь работать не могут, так как нет веса. Наши весы в отличие от земных необычные, они работают на другом принципе и представляют собой колеблющуюся платформу на пружинах.
Перед взвешиванием опускаю платформу, сжимая пружины, до фиксаторов, ложусь на нее, плотно прижимаясь к поверхности, и фиксируюсь, группирую тело, чтобы не болталось, обхватывая профильный ложемент платформы ногами и руками. Нажимаю спуск. Легкий толчок, и ощущаю колебания. Частота их высвечивается на индикаторе в цифровом коде. Считываю его значение, вычитаю код частоты колебания платформы, замеренных без человека, и по таблице определяю свой вес.

Орбитальная пилотируемая станция «Алмаз», массметр под цифрой 5:

Модернизированный вариант этого устройства и находится сейчас на Международной космической станции:

Справедливости ради — вариант 1 (предварительное взвешивание всего) используется и сейчас для общего контроля, а вариант 3 (второй закон Ньютона) применяется в устройстве взвешивания Space Linear Acceleration Mass Measurement Device (SLAMMD) NASA:

Экспериментально установили, что показания ИМ-01М и SLAMMD при взвешивании космонавтов в среднем расходятся на 1,1 кг.

Источник

Вес тела

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Невесомость: что это такое

Невесомость — это состояние, при котором тело не давит на опору или подвес.

Само слово «невесомость» как бы подсказывает нам, что веса здесь быть не должно. При этом непонятно, что с ним тогда происходит. Давайте разбираться.

Вес тела

Вес — это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Измеряется вес, как и любая другая сила, в Ньютонах.

«Но погодите! Вес же измеряют в килограммах — я вот вешу 50»

Это не совсем верно. В быту мы часто подменяем понятие «масса» понятием «вес» и говорим: вес чемодана — десять килограммам. В физике это два совершенно разных понятия, которые при этом взаимосвязаны.

Если у вас неподалеку есть весы — приглашаем в эксперимент! Один нюанс: наша затея сработает именно с механическими весами, но не с электронными. Поехали!

Шаг 1. Если встать на весы ровно и не двигаться — ваш вес будет высчитываться по формуле:

P = mg

g — ускорение свободного падения [м/с2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

Здесь может возникнуть два возражения:

Точка приложения силы. Эта формула и правда аналогична силе тяжести. Вес тела в состоянии покоя численно равен массе тела, разница состоит лишь в точке приложения силы.

Сила тяжести — это сила, с которой Земля действует на тело, а вес — сила, с которой тело действует на опору. Это значит, что у них будут разные точки приложения: у силы тяжести к центру масс тела, а у веса — к опоре.

Весы измеряют силу. Весы работают таким образом, что измеряют вес тела — силу, с которой мы на них действуем, а показывают — массу. Можно сделать вывод, что весы — это динамометр (прибор, измеряющий силу).

Шаг 2. Теперь пошалим и резко встанем на носочки! Стрелка резко отклонилась влево, а потом вернулась на место. Вы придали себе ускорение, направленное вверх — в то время, как ускорение свободного падения всегда направлено к центру Земли (вниз).

Теперь вес тела вычисляем по формуле:

P = m (g-a)

g — ускорение свободного падения [м/с2]

a — ваше ускорение [м/с2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

Шаг 3. Последняя часть эксперимента — резко опуститься на пятки. Теперь вы сильнее давите на весы, потому что придали ускорение, направленное вниз. Стрелка весов отклонится вправо и вернется на место, когда вы придете в состояние покоя.

Формула веса примет вид:

P = m (g+a)

g — ускорение свободного падения [м/с2]

a — ваше ускорение [м/с2]

На планете Земля g = 9,8 м/с2

Кстати, если ровно стоять на весах, но взвешиваться в лифте — все будет работать наоборот. Если лифт едет вверх, то он как будто давит весами на человека, стоящего на них, а это как раз ситуация с увеличением веса. А если вниз — весы как будто бы от вас «убегают», чтобы показать меньшее значение.

Этот случай мы можем описать через 2 закон Ньютона. Возьмем лифт, который едет вниз. Обозначим силы на рисунке.

N – сила реакции опоры [Н];

mg – сила тяжести [Н];

a – ускорение, с которым движется лифт [м/с2].

При проецировании на ось y, направленную вниз, мы получаем:

А теперь нам понадобится третий закон Ньютона — по нему сила реакции опоры равна весу тела:

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Снова невесомость

Ну что, с весом разобрались. А теперь давайте сделаем так, чтобы его не стало и получилась та самая невесомость.

Чтобы привыкнуть к ощущению невесомости в космосе, космонавты тренируется в специальных самолетах-лабораториях:

Он взлетает и начинает просто падать, чтобы ускорение самолета было равно ускорению свободного падения. В этот момент, в формуле веса из g вычитается равное ему значение и получается 0:

Вот мы и в невесомости!

Если они летят вокруг Земли, то да. Как писал Дуглас Адамс в книге «Автоспом по галактике»: «Летать просто. Нужно просто промахнуться мимо Земли».

Когда космический корабль обращается вокруг Земли, он просто пытается на нее упасть, но промахивается. Такой процесс происходит, когда корабль движется с первой космической скоростью, равной 7.9 км/с. Это та скорость, с которой корабль становится искусственным спутником Земли.

Кстати, есть еще вторая и третья космические скорости. Вторая космическая скорость — это скорость, которая нужна, чтобы корабль стал искусственным спутником Солнца, а третья — чтобы вылетел за пределы солнечной системы. Такие дела 🙂

Источник

Как измерить массу тела в космосе?

Содержание:

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

Феномен невесомости всегда вызывал у меня интерес. Тем не менее, каждый человек хочет летать, а невесомость это нечто близкое к состоянию полета. До начала исследования я только знал, что невесомость это состояние, которое наблюдается в космосе, на космическом корабле, при котором все объекты летают, а космонавты не могут стоять на ногах, как на Земле.

Негравитация это больше проблема для космонавтики, чем необычное явление. Во время полета на космическом корабле могут возникнуть проблемы со здоровьем, и после приземления космонавтов необходимо заново научиться ходить и стоять. Таким образом, очень важно знать, что такое невесомость и как она влияет на благополучие людей, путешествующих в космосе. Как следствие, необходимо решить эту проблему путем создания программ по снижению риска неблагоприятного воздействия невесомости на организм.

Цель моей работы дать концепцию невесомости в интегрированной форме (т. е.рассмотреть ее с разных сторон), отметить актуальность этой концепции не только при изучении космического пространства, негативного воздействия на человека, но и также в рамках возможности использования изобретенных на Земле технологий для уменьшения этого воздействия; проведение некоторых технологических процессов, которые сложно или невозможно реализовать в земных условиях.

Движение с ускорением, направленным вниз или вверх, наблюдается не только в лифте или ракете, но и во время движения самолета, выполняющего фигуры высшего пилотажа, а также когда тело движется по выпуклому или вогнутому мосту. Рассмотренный 4-й случай соответствует движению по «мертвой петле». На своей верхней точке, ускорение (центростремительное) направлено вниз, то сила реакции опоры направлено вниз, а вес тела направлен вверх.

Представьте себе ситуацию: астронавт оставил космический корабль в космосе и, используя индивидуальный ракетный двигатель, совершил прогулку по окрестностям. Вернувшись, он слегка переэкспонировал двигатель, приблизился к кораблю с чрезмерной скоростью и постучал по нему коленом. Будет ли ему больно?

Не будет: в невесомости космонавт легче пера, это ответ, который вы можете услышать.

Ответ неверный. Когда вы упали с забора на Земле, вы также находились в состоянии невесомости. Ибо, когда вы ударяете земную поверхность, вы ощущаете заметную перегрузку, чем больше, тем тяжелее место, на которое вы упали, и тем выше ваша скорость в момент контакта с землей.

Невесомость и вес не имеют ничего общего с воздействием. Здесь важны масса и скорость, а не вес.

Тем не менее, космонавт не будет столь болезненным при ударе космического корабля, как при ударе о землю (при прочих равных условиях: одинаковые массы, относительные скорости и одинаковая твердость препятствий). Масса корабля намного меньше массы Земли. Следовательно, при ударе по космическому кораблю заметная часть кинетической энергии космонавта будет преобразована в кинетическую энергию космического корабля, а доля деформаций останется меньшей. Космический корабль наберет дополнительную скорость, и болезненные ощущения космонавта не будут такими сильными.

Невесомость и измерение массы тел

Если тело вместе с опорой свободно падает, то а = g, то из формулы

Исчезновение веса, когда опора движется с ускорением силы тяжести только под действием силы тяжести, называется невесомостью.

Есть два типа невесомости. Потеря веса, которая происходит на большом расстоянии от небесных тел из-за ослабления гравитации, называется статической невесомостью. А состояние, в котором человек находится во время полета на орбите, это динамическая невесомость.

Они появляются точно так же. Человеческие чувства одинаковы. Но причины разные.

В полете космонавты имеют дело только с динамической невесомостью.

Выражение «динамическая невесомость» означает: «невесомость, возникающая в результате движения».

Мы чувствуем притяжение Земли только тогда, когда сопротивляемся ей. Только когда мы «отказываемся» от падения. И как только мы «согласились» упасть, чувство тяжести мгновенно исчезает.

Представьте, что вы выгуливаете свою собаку, держите ее на ремне. Собака куда-то бросилась, натянула ремень. Вы только чувствуете натяжение ремня «натяжение» собаки только пока вы сопротивляетесь. И если вы побежите за собакой, ремень будет провисать и чувство притяжения исчезнет.

Это также происходит с притяжением Земли. Самолет летит. В кабине два парашютиста готовились к прыжку. Земля тянет их вниз. И они все еще сопротивляются. Мы ставим ноги на пол самолета. Почувствуйте притяжение Земли подошвы их ног прижаты к полу. Они чувствуют свой вес. «Ремень натянут».

Но затем они согласились следовать туда, куда их тянет Земля. Мы стояли на краю люка и спрыгнули вниз. «Ремень провисает». Ощущение земного притяжения исчезло сразу. Они стали невесомыми.

Вы можете представить продолжение этой истории. Одновременно с десантниками с самолета упал большой пустой ящик. И теперь два человека, которые не открыли свои парашюты и пустую коробку, летят бок о бок с одинаковой скоростью, падая в воздух.

Один мужчина протянул руку, схватил пролетевшую мимо коробку, открыл в ней дверь и проник внутрь.

Теперь из двух человек один летит за пределы коробки, а другой внутри коробки. У них будут совершенно разные ощущения. Тот, кто летит снаружи, видит и чувствует, что он быстро летит вниз. Ветер свистит в ушах. Приближающаяся Земля видна на расстоянии.

И тот, кто летел внутри коробки, закрыл дверь и начал, отталкиваясь от стен, «плавая» на коробке. Ему кажется, что ящик спокойно стоит на Земле, и он, похудев, плывет по воздуху, как рыба в аквариуме.

Строго говоря, нет никакой разницы между обоими парашютистами. Они оба летят, как камень, к Земле с одинаковой скоростью. Но один скажет: «Я летаю», а другой «Я плаваю на месте». Дело в том, что один руководствуется Землей, а другой коробкой, в которой он летит.

Именно так возникает состояние динамического невесомости в кабине космического корабля.

В первый момент может показаться непонятным следующее. Казалось бы, космический корабль летит параллельно Земле, как самолет. А в горизонтально летящем самолете нет невесомости. Но мы знаем, что космический корабль спутник постоянно падает. Это больше похоже на коробку, сброшенную с самолета, чем на самолет.

Динамическая невесомость иногда возникает на Земле. Невесомые, например, пловцы-ныряльщики, летят в воду с вышки. Лыжники невесомые на несколько секунд прыгают с трамплина. Невесомые парашютисты падают, как камень, пока не открывают свои парашюты. Для подготовки космонавтов невесомость создается в самолете в течение тридцати-сорока секунд. Для этого пилот делает «слайд». Он ускоряет самолет, круто взлетает вверх и выключает двигатель. Самолет начинает летать по инерции, как камень, брошенный рукой. Сначала он немного поднимается, затем описывает дугу, поворачивая вниз. Ныряет к Земле. Все это время самолет находится в свободном падении. И все это время в его каюте царит настоящая невесомость. Затем пилот снова включает двигатель и осторожно выводит самолет из пикирования на нормальный ровный полет. Когда мотор включен, невесомость сразу исчезает.

В состоянии невесомости силы тяжести действуют на все частицы тела в состоянии невесомости, но на поверхность тела не действуют внешние силы (например, реакции опоры), которые могли бы вызвать взаимное давление частиц на друг друга. Подобное явление наблюдается для тел, расположенных на искусственном спутнике Земли (или на космическом корабле); эти тела и все их частицы, получив соответствующую начальную скорость вместе со спутником, движутся под действием гравитационных сил по своим орбитам с равными ускорениями, как будто свободные, не оказывая взаимного давления друг на друга, то есть они находятся в состояние невесомости. Подобно телу в лифте, на них действует сила тяжести, но на поверхности тел не действуют внешние силы, которые могли бы вызвать взаимное давление тел или их частиц друг на друга.

В целом, тело под воздействием внешних сил будет находиться в состоянии невесомости, если: а) внешние силы действуют только массивно (гравитационные силы); б) поле этих массовых сил локально однородно, то есть силы поля придают всем частицам тела в каждом из его положений одинаковую величину и направление ускорения; в) начальные скорости всех частиц тела одинаковы по величине и направлению (тело движется вперед). Таким образом, любое тело, размеры которого малы по сравнению с радиусом Земли, совершая свободное поступательное движение в гравитационном поле Земли, в отсутствие других внешних сил будет находиться в состоянии невесомости. Результат будет аналогичным для движения в гравитационном поле любых других небесных тел.

В связи с существенным отличием условий невесомости от земных условий, в которых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты искусственных спутников Земли, космических кораблей и их ракет-носителей, проблема невесомости занимает важное место среди других проблем космонавтики. Это наиболее важно для систем с емкостями, частично заполненными жидкостью. К ним относятся двигательные установки с жидкостными ракетными двигателями (жидкостные реактивные двигатели), предназначенные для многократной активации в условиях космического полета. В условиях невесомости жидкость может занимать произвольное положение в контейнере, нарушая тем самым нормальное функционирование системы (например, подачу компонентов из топливных баков). Поэтому для обеспечения запуска жидкостных двигательных установок в условиях невесомости используются: разделение жидкой и газообразной фаз в топливных баках с использованием упругих сепараторов; закрепление части жидкости на впускном устройстве сетчатой ​​системы (ракетная ступень Ajena); создание кратковременных перегрузок (искусственной «гравитации») перед включением главной двигательной установки с помощью вспомогательных ракетных двигателей и т. д. использование специальных методов также необходимо для разделения жидкой и газообразной фаз в невесомости в количество блоков системы жизнеобеспечения в топливных элементах системы электропитания (например, сбор конденсата системой пористых фитилей, отделение жидкой фазы с помощью центрифуги). Механизмы космического корабля (для открывания солнечных панелей, антенн, для стыковки и т. д.) дредназначены для работы в условиях невесомости.

Ученые проводят различные эксперименты в космосе, ставят эксперименты, но они мало знают об окончательном результате этих действий. Но если какой-либо эксперимент дал определенный результат, то он все еще должен быть проверен в течение длительного времени, чтобы в конечном итоге объяснить и применить полученные знания на практике.

Ниже приведены описания некоторых экспериментов и интересных новостей о невесомости, которые еще предстоит сделать.

Мы привыкли к нашей собственной гравитации. Мы привыкли к тому, что все предметы вокруг нас имеют вес. Мы не можем представить больше ничего. Не только наша жизнь прошла в условиях веса. Вся история жизни на Земле протекала в одинаковых условиях. Гравитация никогда не исчезала за миллионы лет. Поэтому все организмы, живущие на нашей планете, уже давно приспособлены для поддержания собственного веса.

Уже в самые древние времена в теле животных образовывались кости, которые становились опорами для их тела. Без костей животные под действием силы тяжести будут «ползти» по земле, как мягкая медуза, вытащенная из воды на берег.

Все наши мышцы адаптировались за миллионы лет, чтобы двигать нашим телом, преодолевая гравитацию Земли.

И все внутри нашего организма адаптировано к условиям веса. Сердце обладает мощными мышцами, предназначенными для непрерывной перекачки нескольких килограммов крови. И если вниз, в ноги, он все еще легко течет, то вверх, в голову, он должен питаться силой. Все наши внутренние органы подвешены на крепких связках. Если бы их там не было, внутренности «скатились бы» вниз, скопившись в куче.

Благодаря постоянному весу мы разработали специальный орган вестибулярный аппарат, расположенный глубоко в голове, за ухом. Это позволяет нам чувствовать, с какой стороны Земля находится от нас, где «вверх», а где «вниз».

Вестибулярный аппарат представляет собой небольшую полость, заполненную жидкостью. Они содержат крошечные камни. Когда человек стоит прямо, галька лежит на дне полости. Если человек ложится, камни переворачиваются и падают на боковую стенку. Человеческий мозг это почувствует. И человек, даже с закрытыми глазами, сразу скажет, где дно.

Итак, все в человеке приспособлено к условиям, в которых он живет на поверхности планеты Земля.

Условия жизни человека в невесомости

Особенность невесомости особенно важно учитывать при полете пилотируемых космических кораблей: условия жизни человека в состоянии невесомости резко отличаются от обычных земных, что вызывает изменение ряда его жизненных функций. Так, невесомость ставит центральную нервную систему и рецепторы многих анализирующих систем (вестибулярный аппарат, мышечно-суставной аппарат, кровеносные сосуды) в необычные условия функционирования. Поэтому невесомость рассматривается как специфический интегральный стимул, воздействующий на организм человека и животного в течение всего орбитального полета. Ответом на этот стимул являются адаптационные процессы в физиологических системах; Степень их проявления зависит от продолжительности невесомости и, в значительно меньшей степени, от индивидуальных особенностей организма.

Неблагоприятное влияние невесомости на организм человека в полете может быть предотвращено или ограничено с помощью различных средств и методов (тренировка мышц, электрическая стимуляция мышц, отрицательное давление, прикладываемое к нижней половине тела, фармакологические и другие средства). В полете, длившемся около 2 месяцев (второй экипаж на американской станции Skylab, 1973 г.), высокий профилактический эффект был достигнут в основном за счет физической подготовки космонавтов.

Высокоинтенсивная работа, которая вызывала увеличение частоты сердечных сокращений до 150-170 ударов в минуту, выполнялась на велоэргометре по 1 часу в день. Восстановление функции кровообращения и дыхания произошло через 5 дней после приземления. Метаболические изменения, статокинетические и вестибулярные нарушения были слабо выражены.

Эффективным инструментом, вероятно, будет создание искусственной «гравитации» на борту космического корабля, которую можно получить, например, сделав станцию ​​в виде большого вращающегося (то есть движущегося нетрансляционно) колеса и поместив рабочие помещения на своем «ободке». Из-за поворота «обода» тела в нем будут прижиматься к его поверхности, которая будет играть роль «пола», а реакция «пола», приложенная к поверхностям тел, создаст искусственная «тяжесть». Создание искусственной «гравитации» на космическом корабле может обеспечить предотвращение неблагоприятного воздействия невесомости на организм животных и человека.

Для решения ряда теоретических и практических задач космической медицины широко используются лабораторные методы моделирования невесомости, в том числе ограничение мышечной активности, лишение человека обычной опоры вдоль вертикальной оси тела, снижение гидростатического давления крови, которое достигается путем нахождения человека в горизонтальном положении или под углом (голова находится на нижней части ног), длительным непрерывным постельным режимом или погружением человека на несколько часов или дней в жидкую (так называемую иммерсионную) среду.

Условия невесомости ухудшают способность правильно оценивать размеры объектов и расстояние до них, что не позволяет астронавтам ориентироваться в окружающем пространстве и может привести к авариям во время космических полетов, согласно статье французских ученых, опубликованной в журнале Acta. Astronautica. К настоящему времени накоплено много доказательств того, что ошибки космонавтов при определении расстояний не случайны. Часто отдаленные объекты кажутся им ближе, чем они есть на самом деле. Ученые из Национального центра научных исследований Франции провели экспериментальную проверку способности оценивать расстояния при искусственно созданной невесомости при полете самолета на параболе. В этом случае невесомость длится очень короткий период, около 20 секунд. Используя специальные очки, волонтерам показали незаконченное изображение куба и попросили завершить правильную геометрическую форму. При нормальной гравитации субъекты рисовали все стороны одинаково, но в условиях невесомости они не могли правильно выполнить тест. По мнению ученых, этот эксперимент показывает, что именно невесомость, а не долговременная адаптация к ней, следует рассматривать как важный фактор, искажающий восприятие.

Заключение

Невесомость возникает, когда тело свободно падает вместе с опорой, т.е. ускорение тела и опоры равно ускорению силы тяжести.

Невесомость бывает двух типов: статическая и динамическая.

Невесомость может быть использована для реализации некоторых технологических процессов, которые сложно или невозможно реализовать в земных условиях.

Исследование пламени в невесомости необходимо для оценки огнестойкости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения.

Детальное понимание процесса кипения жидкости в космосе чрезвычайно важно для успешной работы космического корабля с тоннами жидкого топлива на борту.

Влияние невесомости на организм отрицательное, так как вызывает изменение ряда его жизненно важных функций. Это можно исправить, создав искусственную гравитацию на космическом корабле, ограничив мышечную активность космонавтов и т. д.

Человек может быть прооперирован в космосе в условиях невесомости. Это доказали французские врачи во главе с профессором Домиником Мартином из Бордо.

Таким образом, можно найти много различной информации о невесомости, но я думаю, что в моей работе материал представлен довольно подробно, так как он рассматривается с двух разных точек зрения: физической и медицинской. Также в аннотации приводятся описания некоторых экспериментов, проведенных учеными в условиях невесомости. Это, на мой взгляд, дает четкое представление о невесомости, механизме ее возникновения, особенностях этого явления и воздействии на организм. Две точки зрения на феномен невесомости физическая и медицинская дополняют друг друга, поскольку медицина невозможна без физики!

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник