Le poids est la force avec laquelle un corps agit sur une surface, un support ou une suspension. Le poids est dû à l’attraction gravitationnelle de la Terre. Numériquement, le poids est égal à la force de gravité, mais cette dernière est appliquée au centre de masse du corps, tandis que le poids est appliqué au support.
L'apesanteur - un poids nul, peut se produire s'il n'y a pas de force gravitationnelle, c'est-à-dire que le corps est suffisamment éloigné des objets massifs qui peuvent l'attirer.
La Station spatiale internationale est située à 350 km de la Terre. À cette distance, l’accélération de la gravité (g) est de 8,8 m/s2, soit seulement 10 % de moins qu’à la surface de la planète.
Ceci est rarement observé dans la pratique – l’influence gravitationnelle existe toujours. Les astronautes de l'ISS sont toujours affectés par la Terre, mais il y règne l'apesanteur.
Un autre cas d’apesanteur se produit lorsque la gravité est compensée par d’autres forces. Par exemple, l'ISS est soumise à la gravité, légèrement réduite en raison de la distance, mais la station se déplace également sur une orbite circulaire à une vitesse de fuite et la force centrifuge compense la gravité.
L'apesanteur sur Terre
Le phénomène d’apesanteur est également possible sur Terre. Sous l'influence de l'accélération, le poids corporel peut diminuer et même devenir négatif. L’exemple classique donné par les physiciens est la chute d’un ascenseur.
Si l’ascenseur descend avec accélération, la pression exercée sur le plancher de l’ascenseur, et donc le poids, diminuera. De plus, si l'accélération est égale à l'accélération de la gravité, c'est-à-dire que l'ascenseur tombe, le poids des corps deviendra nul.
Un poids négatif est observé si l'accélération du mouvement de l'ascenseur dépasse l'accélération de la gravité - les corps à l'intérieur « colleront » au plafond de la cabine.
Cet effet est largement utilisé pour simuler l’apesanteur lors de l’entraînement des astronautes. L'avion, équipé d'une chambre d'entraînement, s'élève à une hauteur considérable. Après quoi il plonge selon une trajectoire balistique, en fait, l'engin se stabilise à la surface de la terre. En plongeant à partir de 11 000 mètres, vous pouvez obtenir 40 secondes d'apesanteur, qui sont utilisées pour l'entraînement.
Il existe une idée fausse selon laquelle ces personnes exécutent des figures complexes, comme la « boucle Nesterov », pour atteindre l'apesanteur. En fait, des avions de ligne modifiés de série, incapables d'effectuer des manœuvres complexes, sont utilisés pour la formation.
Expression physique
La formule physique du poids (P) lors du mouvement accéléré d'un support, qu'il s'agisse d'un corsage en chute ou d'un avion en plongée, est la suivante :
où m est la masse corporelle,
g – accélération de chute libre,
a est l'accélération du support.
Lorsque g et a sont égaux, P = 0, c'est-à-dire que l'apesanteur est atteinte.
Nous vivons à une époque où les vols d’engins spatiaux autour de la Terre, vers la Lune et vers d’autres planètes du système solaire ne sont plus surprenants. Nous savons que pendant le vol, les astronautes et tous les objets à bord des vaisseaux spatiaux se trouvent dans un état particulier appelé état d’apesanteur. De quel genre d’état s’agit-il et peut-il être observé sur Terre ? L'apesanteur est un phénomène physique complexe. Pour le comprendre, vous devez vous souvenir de quelque chose du cours de physique.
Ainsi, par poids d'un corps, nous entendons la force avec laquelle le corps, en raison de l'attraction vers la Terre, appuie sur le support.
Imaginez que le support et le corps tombent librement. Après tout, un support est aussi un corps sur lequel agit la gravité. Quel sera le poids du corps dans ce cas : avec quelle force le corps agira-t-il sur le support ?
Faisons une expérience. Prenons un petit corps et suspendons-le à un ressort fixé à un support fixe. Sous l'influence de la gravité, le corps commence à se déplacer vers le bas, de sorte que le ressort s'étire jusqu'à ce qu'une force élastique apparaisse, qui équilibre la force de gravité. Si vous coupez le fil qui maintient le ressort et le corps, le ressort et le corps tomberont. Vous pouvez constater que lors de la chute, la tension du ressort disparaît et celui-ci retrouve sa taille initiale.
Ce qui se produit? Lorsqu'un ressort avec un corps tombe, il reste non étiré. C'est-à-dire que le corps qui tombe n'agit pas sur le ressort qui tombe avec lui. Dans ce cas, le poids du corps est nul, mais le corps et le ressort tombent, ce qui signifie que la force de gravité agit toujours sur eux.
De la même manière, si le corps et le support ou le support sur lequel il repose tombent librement, alors le corps cessera d'exercer une pression sur le support ou le support. Dans ce cas, le poids corporel sera égal à zéro.
Des phénomènes similaires sont observés sur les engins spatiaux et les satellites. Le satellite en orbite autour de la Terre, l'astronaute et tous les corps qui se trouvent à l'intérieur du satellite sont en chute libre continue (ils semblent tomber sur la Terre). De ce fait, les corps n'exercent pas de pression sur le support lors de la chute et n'étirent pas le ressort. De tels corps sont dits en état d’apesanteur (« sans poids », le poids est nul).
Les corps non fixés dans le vaisseau spatial « flottent » librement. Le liquide versé dans un récipient n'appuie pas sur le fond et les parois du récipient, il ne s'écoule donc pas par le trou du récipient. Les pendules d'horloge reposent dans n'importe quelle position dans laquelle ils sont laissés. L'astronaute n'a besoin d'aucun effort pour maintenir son bras ou sa jambe en position étendue. Son idée de où est le haut et où est le bas disparaît. Si vous donnez une vitesse au corps par rapport à la cabine satellite, alors il se déplacera de manière rectiligne et uniforme jusqu'à ce qu'il entre en collision avec d'autres corps.
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Rappelez-vous la définition de la gravité. Pourrait-elle disparaître ?
Comme on le sait, la gravité est la force avec laquelle la Terre attire un corps situé à sa surface ou à proximité de cette surface.
Poids appelée force avec laquelle ce corps agit sur un support horizontal ou étire la suspension.
Le poids n’est pas une force de nature spécifique. Ce nom est donné à un cas particulier de manifestation d'une force élastique.
Le poids agit directement sur le plateau de la balance à ressort et étire le ressort ; sous l'influence de cette force, le joug de la balance à levier tourne.
Expliquons cela avec un exemple simple.
Posons le corps A sur un support horizontal B (Fig. 3.9), qui peut servir de plateau de balance.
On note la force de gravité par , et la force de pression du corps sur le support (poids) par 1.
Le module de la force de réaction du sol est égal au module du poids 1 selon la troisième loi de Newton.
La force est dirigée dans la direction opposée au poids 1
La force de réaction du sol n'est pas appliquée au support mais au corps situé dessus.
Alors que la force de gravité est due à l'interaction du corps avec la Terre, le poids 1 apparaît comme le résultat d'une interaction complètement différente : l'interaction du corps A et du support B.
Le poids possède donc des caractéristiques qui le distinguent considérablement de la gravité.
La caractéristique la plus importante du poids est que sa valeur dépend de l'accélération avec laquelle le support se déplace.
Lorsque les corps sont transférés du pôle à l'équateur, leur poids change, car en raison de la rotation quotidienne de la Terre, la balance avec le corps a une accélération centripète à l'équateur.
D’après la deuxième loi de Newton, pour un corps situé à l’équateur, on a
où N est la force de réaction du sol égale au poids corporel.
Au pôle, le poids du corps est égal à la force de gravité. Évidemment, au pôle le poids du corps est plus important qu’à l’équateur.
Concentrons-nous sur un cas plus simple.
Laissez le corps se trouver sur une balance à ressort dans un ascenseur se déplaçant avec accélération.
D'après la deuxième loi de Newton
Dirigons l'axe de coordonnées OY du système de référence associé à la Terre verticalement vers le bas.
Écrivons l'équation du mouvement du corps en projection sur cet axe :
mai = F y + N y.
Si l'accélération est dirigée vers le bas, alors, en exprimant les projections des vecteurs en fonction de leurs modules, nous obtenons ma = F - N. Puisque N = F 1, alors ma = F - F 1.
De là, il est clair que ce n'est qu'à a = 0 que le poids est égal à la force avec laquelle le corps est attiré vers la Terre (F 1 = F). Si une ≠ 0, alors F 1 = F - ma = m(g - une).
Le poids du corps dépend de l'accélération avec laquelle le support se déplace, et l'apparition de cette accélération équivaut à une modification de l'accélération de la gravité.
Si, par exemple, l'ascenseur est forcé de tomber librement, c'est-à-dire a = g, alors F 1 = m(g - g) = 0, le corps est en état d'apesanteur.
L'apparition d'un état d'apesanteur pour les corps signifie que les corps n'appuient pas sur le support et ne sont donc pas affectés par la force de réaction du support ; ils se déplacent uniquement sous l'influence de la force de gravité vers la Terre.
La nature de l’apesanteur est-elle la même pour les corps dans un ascenseur et pour les corps dans un satellite ?
L'essence mécanique de l'apesanteur est que dans un référentiel se déplaçant par rapport à la Terre avec l'accélération de la chute libre, tous les phénomènes provoqués par la gravité sur Terre disparaissent.
Des expériences ont été menées à plusieurs reprises au cours desquelles un état d'apesanteur a été créé. Par exemple, l'avion accélère et, à partir d'un certain moment, se déplace strictement le long d'une parabole, celle qui serait en l'absence d'air.
Dans le même temps, des phénomènes inhabituels sont observés dans la cabine : le pendule se fige en position déviée, l'eau projetée d'un verre pend dans l'air comme une grosse goutte sphérique, et à côté de lui tous les autres objets, quelle que soit leur masse et façonner, figer, comme suspendu à des fils invisibles.
La même chose se produit dans la cabine d’un vaisseau spatial lorsqu’il se déplace en orbite.
À haute altitude au-dessus de la Terre, il n’y a presque pas d’air, il n’est donc pas nécessaire de compenser sa résistance en faisant fonctionner des moteurs.
Et le vol ne dure pas une minute, mais plusieurs jours.
MINISTÈRE DE L'ÉDUCATION ET DES SCIENCES DE LA RF
INSTITUTION ÉDUCATIVE MUNICIPALE ÉCOLE SECONDAIRE N°4 nommé d'après I.S. Noir RÉSUMÉ SUR LA PHYSIQUE SUR LE SUJET : APESANTEURTravaux achevés:
Lycéen n°4
10 classe "B" Khlusova Anastasia
Superviseur:
Lebedeva Natalia Yurievna
Professeur de physique
| Introduction | |
| Chapitre 1. Poids corporel et apesanteur | |
| 1.1. Poids | |
| 1.2. Poids d'un corps se déplaçant avec accélération | |
| 1.3. Apesanteur | |
| 1.4. C'est intéressant | |
| 1.4.1. Flamme en apesanteur | |
| Chapitre 2. L'homme et l'apesanteur | |
| 2.2. Fonctionnement en apesanteur | |
| 2.3. Application des développements spatiaux sur Terre | |
| Conclusion | |
| Littérature | |
| Application |
Introduction
Le phénomène de l’apesanteur a toujours suscité mon intérêt. Bien sûr, tout le monde veut voler, et l’apesanteur est quelque chose de proche de l’état de vol. Avant de commencer la recherche, je savais seulement que l'apesanteur est une condition qui s'observe dans l'espace, sur un vaisseau spatial, dans lequel tous les objets volent et où les astronautes ne peuvent pas se tenir debout, comme sur Terre. L’apesanteur est plus un problème pour l’astronautique qu’un phénomène inhabituel. Lors d'un vol dans un vaisseau spatial, des problèmes de santé peuvent survenir et après l'atterrissage, les astronautes doivent réapprendre à marcher et à se tenir debout. Il est donc très important de savoir ce qu’est l’apesanteur et comment elle affecte le bien-être des personnes voyageant dans l’espace. En conséquence, il est nécessaire de résoudre ce problème en créant des programmes visant à réduire le risque d'effets néfastes de l'apesanteur sur le corps. Le but de mon travail est de donner le concept d'apesanteur sous une forme complexe (c'est-à-dire de le considérer sous différents angles), de constater la pertinence de ce concept non seulement dans le cadre de l'étude de l'espace extra-atmosphérique, de l'impact négatif sur l'homme , mais aussi dans le cadre de la possibilité d'utiliser une technologie inventée sur Terre pour réduire cet impact ; réaliser certains processus technologiques difficiles ou impossibles à mettre en œuvre dans des conditions terrestres. Objectifs de cet essai :
- Comprendre le mécanisme d'apparition de ce phénomène ; Décrire ce mécanisme mathématiquement et physiquement ; Racontez des faits intéressants sur l'apesanteur ; Comprendre comment l'état d'apesanteur affecte la santé des personnes dans un vaisseau spatial, dans une station, etc., c'est-à-dire considérer l'apesanteur d'un point de vue biologique et médical ; Traiter le matériel, le disposer selon les règles généralement acceptées ;
Chapitre 1. Poids corporel et apesanteur
1.1. Poids
Le concept de poids corporel est largement utilisé dans la technologie et dans la vie quotidienne. Poids est la force élastique totale agissant en présence de gravité sur tous les supports et suspensions. Le poids du corps P, c'est-à-dire la force avec laquelle le corps agit sur le support, et la force élastique F Y avec laquelle le support agit sur le corps (Fig. 1), conformément à la troisième loi de Newton, sont égaux en amplitude et direction opposée : P = - F y Si le corps est au repos sur une surface horizontale ou se déplace uniformément et n'est soumis qu'à la force de gravité F T et à la force élastique F Y du côté du support, alors du égalité à zéro de la somme vectorielle de ces forces l'égalité suit : F T = - F Y. En comparant les expressions P = -F y et F T = - F Y, on obtient P = F T, c'est-à-dire le poids P d'un corps sur un le support horizontal fixe est égal à la force de gravité F T, mais ces forces sont appliquées à des corps différents. Avec un mouvement accéléré du corps et du support, le poids P différera de la force de gravité F T. Selon la deuxième loi de Newton, lorsqu'un corps de masse m se déplace sous l'influence de la gravité F T et de la force élastique F y avec une accélération a , l'égalité F T + F Y = ma est satisfaite. A partir des équations P = -F у et F Т + F У = ma on obtient : P = F Т – ma = mg – ma, ou P = m(g – a). Considérons le cas du mouvement de l'ascenseur lorsque l'accélération a est dirigée verticalement vers le bas. Si l'axe de coordonnées OY (Fig. 2) est dirigé verticalement vers le bas, alors les vecteurs P, g et a s'avèrent parallèles à l'axe OY, et leurs projections sont positives ; alors l'équation P = m(g – a) prendra la forme : P y = m(g У – a У). Les projections étant positives et parallèles à l'axe des coordonnées, elles peuvent être remplacées par des modules vectoriels : P = m(g – a). Le poids d'un corps dont la direction d'accélération libre et la chute et l'accélération coïncident est inférieur au poids d'un corps au repos.
1.2. Poids d'un corps se déplaçant avec accélération
Parlant du poids d'un corps dans un ascenseur accéléré, trois cas sont considérés (sauf le cas du repos ou du mouvement uniforme) : Ces trois cas n'épuisent pas qualitativement toutes les situations. Il est logique de considérer le 4ème cas pour que l’analyse soit complète. (En effet, dans le second cas, cela sous-entend qu'un< g. Третий случай есть частный для второго при a = g. Случай a >g est resté non examiné.) Pour ce faire, vous pouvez poser aux élèves une question qui les surprend au départ : « Comment l'ascenseur doit-il se déplacer pour qu'une personne puisse marcher au plafond ? » Les étudiants « devinent » rapidement que l’ascenseur doit bouger vers le bas avec accélération gros g. En effet : avec l'accélération croissante de l'ascenseur descendant, conformément à la formule P=mg-ma, le poids du corps va diminuer. Lorsque l’accélération a devient égale à g, le poids devient nul. Si nous continuons à augmenter l'accélération, nous pouvons supposer que le poids corporel va changer de direction.
Après cela, vous pouvez représenter le vecteur de poids corporel sur la figure : 
Ce problème peut également être résolu dans la formulation inverse : « Quel sera le poids d’un corps dans un ascenseur descendant avec une accélération a > g ? » Cette tâche est un peu plus difficile car... les élèves doivent surmonter l’inertie de la pensée et échanger « haut » et « bas ». On pourrait objecter que le quatrième cas n’est pas abordé dans les manuels parce qu’il ne se produit pas dans la pratique. Mais la chute de l'ascenseur ne se produit également que lors de problèmes, mais elle est néanmoins considérée comme c'est pratique et utile. Un mouvement avec une accélération dirigée vers le bas ou vers le haut est observé non seulement dans un ascenseur ou une fusée, mais également lors du déplacement d'un avion effectuant des acrobaties aériennes, ainsi que lors du déplacement d'un corps le long d'un pont convexe ou concave. Le 4ème cas considéré correspond à un mouvement le long d'une « boucle morte ». À son point supérieur, l'accélération (centripète) est dirigée vers le bas, la force de réaction d'appui est dirigée vers le bas et le poids corporel est dirigé vers le haut. Imaginons une situation : un astronaute quitte le vaisseau dans l'espace et, à l'aide d'un moteur-fusée individuel, se promène dans les environs. En revenant, il a laissé le moteur allumé un peu trop longtemps, s'est approché du navire avec une vitesse excessive et s'est cogné le genou dessus. Cela lui fera-t-il du mal ? « Ce n’est pas le cas : après tout, en apesanteur, un astronaute est plus léger qu’une plume », telle est la réponse que vous pourriez entendre. La réponse est incorrecte. Lorsque vous êtes tombé d’une clôture sur Terre, vous étiez également en état d’apesanteur. Parce que lorsque vous heurtez la surface de la terre, vous ressentez une surcharge notable, d'autant plus grande que l'endroit sur lequel vous êtes tombé est plus dur et plus votre vitesse au moment du contact avec le sol est grande. L'apesanteur et le poids n'ont rien à voir avec l'impact. Ce qui compte ici, c'est la masse et la vitesse, pas le poids. Et pourtant, lorsqu’un astronaute heurte un vaisseau, cela ne fera pas autant de mal que lorsque vous touchez le sol (toutes choses étant égales par ailleurs : masses égales, vitesses relatives et dureté des obstacles égales). La masse du navire est bien inférieure à la masse de la Terre. Par conséquent, lorsqu’il heurte le navire, une partie notable de l’énergie cinétique de l’astronaute sera convertie en énergie cinétique du navire et il restera moins de déformation. Le vaisseau gagnera en vitesse et la douleur de l’astronaute ne sera pas aussi forte.
1.3. Apesanteur
Si un corps avec un support tombe librement, alors a = g, alors de la formule P = m(g – a) il s'ensuit que P = 0. La disparition du poids lorsque le support se déplace avec l'accélération de la chute libre uniquement sous l'influence de la gravité s'appelle apesanteur . Il existe deux types d'apesanteur. La perte de poids qui se produit à de grandes distances des corps célestes en raison de l'affaiblissement de la gravité est appelée apesanteur statique. Et l'état dans lequel se trouve une personne lors d'un vol orbital est l'apesanteur dynamique. Ils apparaissent exactement les mêmes. Les sentiments de la personne sont les mêmes. Mais les raisons sont différentes. Pendant les vols, les astronautes ne font face qu'à l'apesanteur dynamique. L'expression « apesanteur dynamique » signifie : « l'apesanteur qui se produit pendant le mouvement ». Nous ne ressentons l’attraction de la Terre que lorsque nous y résistons. Seulement quand nous « refusons » de tomber. Et dès que l’on « accepte » de tomber, la sensation de lourdeur disparaît instantanément. Imaginez : vous marchez avec un chien en le tenant par une sangle. Le chien s'est précipité quelque part et a tiré sur la sangle. Vous ressentez la tension de la sangle – la « traction » du chien – seulement tant que vous résistez. Et si vous courez après le chien, la sangle s'affaissera et la sensation d'attraction disparaîtra. La même chose se produit avec la gravité de la Terre. L'avion vole. Dans le cockpit, deux parachutistes se préparent à sauter. La terre les tire vers le bas. Et ils résistent toujours. Nous avons posé nos pieds sur le plancher de l'avion. Ils ressentent la gravité de la Terre : la plante de leurs pieds est fortement pressée contre le sol. Ils sentent leur poids. "La sangle est serrée." Mais ils ont accepté de suivre là où la Terre les entraînait. Nous nous sommes tenus au bord de la trappe et avons sauté. "La sangle s'affaisse." La sensation de gravité terrestre a immédiatement disparu. Ils sont devenus en apesanteur. On peut imaginer une suite de cette histoire. En même temps que les parachutistes, une grande caisse vide a été larguée de l'avion. Et voilà que deux personnes, qui n'avaient pas ouvert leurs parachutes, et une caisse vide volent côte à côte, à la même vitesse, dégringolant dans les airs. Un homme a tendu la main, a attrapé une boîte qui volait à proximité, a ouvert sa porte et s'est glissé à l'intérieur. Désormais sur deux personnes, l’une vole hors de la boîte et l’autre vole à l’intérieur de la boîte. Ils auront des sensations complètement différentes. Celui qui vole à l'extérieur voit et sent qu'il descend rapidement. Le vent siffle à ses oreilles. La Terre qui approche est visible au loin. Et celui qui volait à l'intérieur de la boîte ferma la porte et commença, en poussant les murs, à « nager » autour de la boîte. Il lui semble que la boîte repose calmement sur le sol et que lui, ayant perdu du poids, flotte dans les airs, comme un poisson dans un aquarium. À proprement parler, il n’y a aucune différence entre les deux parachutistes. Les deux volent vers la Terre à la même vitesse comme une pierre. Mais l’un dirait : « Je vole » et l’autre : « Je flotte sur place ». Le fait est que l'un est guidé par la Terre, et l'autre par la boîte dans laquelle il vole. C'est exactement ainsi qu'un état d'apesanteur dynamique apparaît dans la cabine d'un vaisseau spatial. Au premier abord, cela peut paraître incompréhensible. Il semblerait que le vaisseau spatial vole parallèlement à la Terre, comme un avion. Mais dans un avion volant horizontalement, il n’y a pas d’apesanteur. Mais nous savons que le satellite tombe continuellement. Cela ressemble beaucoup plus à une boîte larguée d’un avion qu’à un avion. L'apesanteur dynamique se produit parfois sur Terre. Par exemple, les nageurs et les plongeurs volant dans l’eau depuis une tour sont en apesanteur. Les skieurs sont en apesanteur pendant quelques secondes lors d'un saut à ski. Les parachutistes qui tombent comme des pierres restent en apesanteur jusqu'à ce qu'ils ouvrent leurs parachutes. Pour entraîner les astronautes, ils créent l’apesanteur dans l’avion pendant trente à quarante secondes. Pour ce faire, le pilote effectue un « slide ». Il accélère l'avion, s'envole brusquement vers le haut et coupe le moteur. L'avion se met à voler par inertie, comme une pierre lancée par une main. D'abord, il monte un peu, puis décrit un arc en descendant. Plonge vers la Terre. Pendant tout ce temps, l’avion est en chute libre. Et pendant tout ce temps, une véritable apesanteur règne dans sa cabine. Ensuite, le pilote rallume le moteur et amène soigneusement l'avion hors de la plongée en vol horizontal normal. Lorsque vous allumez le moteur, l'apesanteur disparaît immédiatement. En état d'apesanteur, la gravité agit sur toutes les particules d'un corps en état d'apesanteur, mais aucune force externe n'est appliquée à la surface du corps (par exemple, des réactions de support) qui pourraient provoquer une pression mutuelle des particules les unes sur les autres. . Un phénomène similaire est observé pour les corps situés dans un satellite artificiel terrestre (ou dans un vaisseau spatial) ; ces corps et toutes leurs particules, ayant reçu avec le satellite la vitesse initiale correspondante, se déplacent sous l'influence des forces gravitationnelles le long de leurs orbites avec des accélérations égales, comme s'ils étaient libres, sans exercer de pression mutuelle les uns sur les autres, c'est-à-dire qu'ils sont en un état d’apesanteur. Comme un corps dans un ascenseur, ils sont affectés par la force de gravité, mais aucune force externe n'est appliquée aux surfaces des corps qui pourraient provoquer une pression mutuelle des corps ou de leurs particules les uns sur les autres. En général, un corps sous l'influence de forces extérieures sera en état d'apesanteur si : a) les forces extérieures agissantes sont uniquement la masse (forces gravitationnelles) ; b) le champ de ces forces de masse est localement homogène, c'est-à-dire que les forces de champ confèrent à toutes les particules du corps dans chaque position des accélérations identiques en ampleur et en direction ; c) les vitesses initiales de toutes les particules du corps sont identiques en ampleur et en direction (le corps se déplace en translation). Ainsi, tout corps dont les dimensions sont petites par rapport au rayon de la Terre, effectuant un mouvement de translation libre dans le champ gravitationnel de la Terre, sera, en l’absence d’autres forces extérieures, en état d’apesanteur. Le résultat sera similaire pour le mouvement dans le champ gravitationnel de tout autre corps céleste. En raison de la différence significative entre les conditions d'apesanteur et les conditions terrestres dans lesquelles les instruments et les assemblages de satellites artificiels de la Terre, d'engins spatiaux et de leurs lanceurs sont créés et débogués, le problème de l'apesanteur occupe une place importante parmi d'autres problèmes de l'astronautique. Ceci est particulièrement important pour les systèmes dont les conteneurs sont partiellement remplis de liquide. Il s'agit notamment de systèmes de propulsion dotés de moteurs-fusées à propergol liquide (moteurs à réaction liquide), conçus pour une activation répétée pendant les conditions de vol spatial. En apesanteur, le liquide peut occuper une position arbitraire dans le conteneur, perturbant ainsi le fonctionnement normal du système (par exemple, l'approvisionnement en composants provenant des réservoirs de carburant). Ainsi, pour assurer le lancement des systèmes de propulsion liquide en apesanteur, sont utilisés : la séparation des phases liquide et gazeuse dans les réservoirs de carburant à l'aide de séparateurs élastiques ; fixation d'une partie du liquide au niveau du dispositif d'admission des systèmes de grille (étage fusée Agena) ; créer des surcharges à court terme (« gravité » artificielle) avant d'allumer le système de propulsion principal à l'aide de moteurs-fusées auxiliaires, etc. L'utilisation de techniques spéciales est également nécessaire pour séparer les phases liquide et gazeuse en apesanteur dans un certain nombre de unités du système de survie, dans les piles à combustible du système d'alimentation électrique (par exemple, collecte des condensats par un système de mèches poreuses, séparation de la phase liquide à l'aide d'une centrifugeuse). Les mécanismes des engins spatiaux (pour ouvrir les panneaux solaires, les antennes, pour l'amarrage, etc.) sont conçus pour fonctionner en apesanteur. L'apesanteur peut être utilisée pour réaliser certains procédés technologiques difficiles voire impossibles à mettre en œuvre dans des conditions terrestres (par exemple, obtention de matériaux composites avec une structure uniforme dans tout le volume, obtention de corps de forme sphérique précise à partir d'un matériau en fusion grâce aux forces de tension superficielle , etc.). Pour la première fois, une expérience de soudage de divers matériaux dans des conditions d'apesanteur sous vide a été réalisée lors du vol du vaisseau spatial soviétique Soyouz-6 (1969). De nombreuses expérimentations technologiques (sur le soudage, l'étude de l'écoulement et de la cristallisation des matériaux en fusion, etc. ) a été réalisée à la station orbitale américaine Skylab (1973). Les scientifiques mènent diverses expériences dans l'espace, mènent des expériences, mais ils ont peu d'idées sur le résultat final de ces actions. Mais si une expérience donne un certain résultat, elle doit alors être vérifiée pendant une longue période afin d'expliquer et d'appliquer finalement les connaissances acquises dans la pratique. Vous trouverez ci-dessous des descriptions de quelques expériences et des nouvelles intéressantes sur l'apesanteur sur lesquelles nous travaillons encore.
1.4. C'est intéressant
1.4.1. Flamme en apesanteur Sur Terre, en raison de la gravité, des courants de convection apparaissent, qui déterminent la forme de la flamme. Ils soulèvent des particules de suie chaudes qui émettent de la lumière visible. Grâce à cela, nous voyons la flamme. En apesanteur, il n'y a pas de courants de convection, les particules de suie ne montent pas et la flamme de la bougie prend une forme sphérique. Étant donné que le matériau de la bougie est un mélange d'hydrocarbures saturés, lorsqu'ils brûlent, ils libèrent de l'hydrogène qui brûle avec une flamme bleue. Les scientifiques tentent de comprendre comment et pourquoi le feu se propage en apesanteur. L'étude des flammes en apesanteur est nécessaire pour évaluer la résistance au feu d'un engin spatial et lors du développement de moyens spéciaux d'extinction d'incendie. De cette façon, vous pouvez assurer la sécurité des astronautes et des véhicules.
Ébullition de l'eau sur Terre et en apesanteur (image de nasa.gov) Ainsi, après avoir compris les causes de l'apesanteur et les caractéristiques de ce phénomène, nous pouvons passer à la question de son effet sur le corps humain.
Chapitre 2. L'homme et l'apesanteur
Nous sommes habitués à notre propre gravité. Nous sommes habitués au fait que tous les objets qui nous entourent ont du poids. Nous ne pouvons rien imaginer d’autre. Non seulement nos vies se sont déroulées dans des conditions de poids. Toute l’histoire de la vie sur Terre s’est déroulée dans ces mêmes conditions. La gravité terrestre n’a jamais disparu depuis des millions d’années. Par conséquent, tous les organismes vivant sur notre planète se sont depuis longtemps adaptés pour supporter leur propre poids. Déjà dans les temps anciens, des os se formaient dans le corps des animaux, qui devenaient des supports pour leur corps. Sans os, les animaux, sous l’influence de la gravité, se « répandraient » sur le sol, comme une méduse molle sortie de l’eau sur le rivage. Tous nos muscles se sont adaptés au fil des millions d’années pour déplacer notre corps, surmontant ainsi la gravité terrestre. Et tout ce qui se trouve à l’intérieur de notre corps est adapté aux conditions de poids. Le cœur possède des muscles puissants conçus pour pomper en continu plusieurs kilogrammes de sang. Et s’il coule encore facilement vers le bas, dans les jambes, puis vers le haut, dans la tête, il faut l’appliquer avec force. Tous nos organes internes sont suspendus par des ligaments solides. S’ils n’étaient pas là, l’intérieur « roulerait » et s’agglutinerait en un tas. En raison du poids constant, nous avons développé un organe spécial, l’appareil vestibulaire, situé profondément dans la tête, derrière l’oreille. Cela nous permet de sentir de quel côté de nous se trouve la Terre, où se trouve le « haut » et où se trouve le « bas ». L'appareil vestibulaire est une petite cavité remplie de liquide. Ils contiennent de minuscules cailloux. Lorsqu’une personne se tient debout, les cailloux reposent au fond de la cavité. Si une personne se couche, les cailloux rouleront et atterriront sur la paroi latérale. Le cerveau humain le ressentira. Et une personne, même les yeux fermés, dira immédiatement où se trouve le fond. Ainsi, tout chez une personne est adapté aux conditions dans lesquelles elle vit à la surface de la planète Terre. Quelles sont les conditions de vie d'une personne dans un état aussi particulier que l'apesanteur ? Il est particulièrement important de prendre en compte le caractère unique de l'apesanteur lors du vol d'un engin spatial habité : les conditions de vie d'une personne en état d'apesanteur diffèrent fortement de celles habituelles sur terre, ce qui entraîne une modification d'un certain nombre de ses fonctions vitales. . Ainsi, l'apesanteur met le système nerveux central et les récepteurs de nombreux systèmes d'analyse (appareil vestibulaire, appareil musculo-articulaire, vaisseaux sanguins) dans des conditions de fonctionnement inhabituelles. Par conséquent, l’apesanteur est considérée comme un stimulus intégral spécifique qui affecte le corps humain et animal tout au long du vol orbital. La réponse à ce stimulus est constituée de processus adaptatifs dans les systèmes physiologiques ; le degré de leur manifestation dépend de la durée de l'apesanteur et, dans une bien moindre mesure, des caractéristiques individuelles de l'organisme. Les effets néfastes de l'apesanteur sur le corps humain pendant le vol peuvent être prévenus ou limités par divers moyens et méthodes (entraînement musculaire, stimulation musculaire électrique, pression négative appliquée sur la moitié inférieure du corps, moyens pharmacologiques et autres). Au cours d'un vol d'environ 2 mois (deuxième équipage de la station américaine Skylab, 1973), un effet préventif élevé a été obtenu, principalement grâce à l'entraînement physique des astronautes. Un travail de haute intensité, entraînant une augmentation de la fréquence cardiaque jusqu'à 150-170 battements par minute, a été effectué sur un vélo ergométrique pendant 1 heure par jour. La restauration de la fonction circulatoire et respiratoire s'est produite 5 jours après l'atterrissage. Les modifications du métabolisme, les troubles stato-cinétiques et vestibulaires étaient légers. Un moyen efficace sera probablement la création d'une « lourdeur » artificielle à bord du vaisseau spatial, qui peut être obtenue, par exemple, en construisant la station sous la forme d'une grande roue rotative (c'est-à-dire sans mouvement de translation) et en plaçant zones de travail sur son « bord ». En raison de la rotation du « bord », les corps qui s'y trouvent seront plaqués contre sa surface, qui jouera le rôle de « sol », et la réaction du « sol » appliqué sur les surfaces des corps créera un effet artificiel. "la gravité". La création d’une « gravité » artificielle sur les vaisseaux spatiaux peut prévenir les effets néfastes de l’apesanteur sur le corps des animaux et des humains. Pour résoudre un certain nombre de problèmes théoriques et pratiques en médecine spatiale, des méthodes de laboratoire de simulation de l'apesanteur sont largement utilisées, notamment la limitation de l'activité musculaire, la privation d'une personne du soutien habituel le long de l'axe vertical du corps, une réduction de la pression artérielle hydrostatique, ce qui est obtenu en maintenant une personne en position horizontale ou inclinée (tête inférieure), jambes), alitement continu de longue durée ou immersion d'une personne pendant plusieurs heures ou jours dans un environnement liquide (dite immersion). Les conditions d'apesanteur perturbent la capacité d'estimer correctement la taille des objets et leur distance, ce qui empêche les astronautes de s'orienter dans l'espace environnant et peut conduire à des accidents lors des vols spatiaux, selon un article de scientifiques français publié dans la revue Acta Astronautique. À ce jour, de nombreuses preuves ont été accumulées selon lesquelles les erreurs des astronautes lors de la détermination des distances ne se produisent pas par hasard. Souvent, les objets éloignés semblent plus proches d’eux qu’ils ne le sont en réalité. Des scientifiques du Centre national de la recherche scientifique ont mené un test expérimental sur la capacité d'estimer les distances dans des conditions d'apesanteur artificiellement créées lorsqu'un avion vole dans une parabole. Dans ce cas, l'apesanteur dure une très courte période - environ 20 secondes. À l'aide de lunettes spéciales, les volontaires ont vu une image inachevée d'un cube et ont été invités à compléter le dessin de la figure géométrique correcte. Dans des conditions de gravité normale, les sujets ont dessiné tous les côtés de manière égale, mais en apesanteur, ils n'ont pas pu terminer le test correctement. Selon les scientifiques, cette expérience montre que c'est l'apesanteur, et non l'adaptation à long terme, qui doit être considérée comme un facteur important de distorsion de la perception. 2.1. Etude des problèmes de la vie dans l'espace Le livre « Skylab Orbital Station », écrit en 1977 par les principaux experts spatiaux américains, le professeur E. Stuhlinger et le Dr L. Belew, directeurs scientifiques du programme Skylab mis en œuvre par la NASA, parle des recherches menées à la station orbitale sur l'influence de l'espace spatial environnant, sur les capacités des membres d'équipage. Le programme de recherche biomédicale couvrait les quatre domaines suivants : les expériences médicales impliquaient des études approfondies des effets physiologiques et de la durée de leur action observés lors des vols précédents. Les expériences biologiques impliquaient l’étude des processus biologiques fondamentaux pouvant être affectés par les conditions d’apesanteur. Les expériences biotechniques visaient à développer l'efficacité des systèmes homme-machine lors du travail dans l'espace et à améliorer la technologie d'utilisation des bioéquipements. Voici quelques sujets de recherche :
- étude du bilan salin; études biologiques des fluides corporels; étude des modifications du tissu osseux; créer une pression négative sur le bas du corps en vol ; obtenir des cardiogrammes vectoriels ; tests sanguins cytogénétiques; études sur l'immunité; études des changements dans le volume sanguin et la durée de vie des globules rouges ; études sur le métabolisme des globules rouges; étude des effets hématologiques particuliers ; étude du cycle veille-sommeil dans des conditions de vol spatial ; tournage d'astronautes lors de certaines opérations de travail ; mesures du taux métabolique ; mesurer le poids corporel d'un astronaute pendant un vol spatial ; recherche sur l'effet de l'apesanteur sur les cellules et tissus humains vivants. (Annexe 1)
- L'apesanteur se produit lorsqu'un corps tombe librement avec un support, c'est-à-dire l'accélération du corps et du support est égale à l'accélération de la gravité ;
Littérature
- Grande Encyclopédie soviétique (en 30 volumes). Ch. éd. A.M. Prokhorov. Édition 3. M., « Encyclopédie soviétique », 1974. Kabardin O.F. Physique : Documents de référence : Manuel pour étudiants. - 3e éd. - M. : Education, 1991. - 367 p. Kolesnikov Yu.V., Glazkov Yu.N. Il y a un vaisseau spatial en orbite. - M. : Pédagogie, 1980 Makovetsky P.V. Regardez la racine ! Une collection de problèmes et de questions intéressants. – M. : Nauka, 1979 Chandaeva S.A. La physique et l'homme. –M. : JSC « Aspect Press », 1994 Belyu L., Station orbitale Stulinger E. Skylab. USA, 1973. (Abbr. traduit de l'anglais). Éd. Docteur en Physique et Mathématiques Sciences G. L. Grodzovsky. M., « Génie Mécanique », 1977 - Mode d'accès : /bibl/skylab/obl.html Dyubankova O. La médecine spatiale n'atteint pas la Terre Site Internet de la maison d'édition "Arguments et faits" - Mode d'accès : /en ligne/santé/511/03_01 Ivanov I. La vibration d'un liquide accélère son ébullition en apesanteur. Site Web : Éléments. Actualités scientifiques. Mode d'accès - http://
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Les gens peuvent être opérés dans l’espace. Des médecins français ont réalisé la première opération chirurgicale en apesanteur. Site Web d'un journal russe. RIA Nouvelles. - Mode d'accès: http://
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APPLICATION
Annexe 1
Riz. 1. Expériences pour surveiller les changements dans la masse des astronautes :
a - mesure de la masse des déchets ; b - mesure du poids corporel des astronautes ; c - mesure de la consommation alimentaire
Riz. 2. Dispositif de détermination de la masse d'échantillons en apesanteur :
1 - revêtement élastique
Riz. 3. Entraînement au sol dans un appareil permettant de créer une pression négative sur la partie inférieure du corps des astronautes :
1 - appareil pour créer une pression négative sur la partie inférieure du corps des astronautes ; 2 - dispositif pour déterminer la tension artérielle ; 3 - dispositif d'obtention de cardiogrammes vectoriels
Riz. 4. Travailler avec le dispositif LBNP à bord de la station Skylab (photo)
Riz. 5. Etude du fonctionnement de l'appareil vestibulaire sur chaise tournante
Riz. 6. Mesure du poids corporel
Riz. 7. Etude de l'effet de l'apesanteur sur les cellules et tissus humains vivants
Riz. 8. Etude du sommeil et des réactions pendant le sommeil des astronautes
Riz. 9. Etude des caractéristiques métaboliques d'un astronaute lors d'expériences sur vélo ergomètre :
1 - vélo ergomètre ; 2 - analyseur métabolique : 3 - embout buccal ; 4 - tuyau; 5 - sonde pour mesurer la température; 6 – électrodes
Mécanismes de régulation du statut en oxygène chez l'homme dans des conditions de simulation des effets de l'apesanteur et lors de l'utilisation de méthodes de soins intensifs 14h00 32 Médecine aéronautique, spatiale et marine 14h00.37 Anesthésiologie et réanimation
Résumé de la thèseLes travaux ont été réalisés au Centre scientifique d'État de la Fédération de Russie - Institut des problèmes médicaux et biologiques de l'Académie des sciences de Russie (SSC RF - IMBP RAS)
Conditions pour créer une simulation d'apesanteur et étudier l'orientation spatiale, la croissance et le développement du blé lors d'essais au sol d'un prototype de serre spatiale avec une surface d'atterrissage convexe
ÉtudeCONDITIONS DE CRÉATION D'APESANTÈS SIMULÉE ET ÉTUDE DE L'ORIENTATION SPATIALE, DE LA CROISSANCE ET DU DÉVELOPPEMENT DU BLÉ LORS D'ESSAIS AU SOL D'UN PROTOTYPE DE SERRE SPATIALE À SURFACE D'ATTERRISSAGE CONVEXE
Résumé du cours de physique : "Poids corporel. Apesanteur. Surcharges"
AbstraitObjectifs de la leçon : répéter la notion de poids corporel, établir comment le poids d'un corps change lorsqu'il se déplace avec une accélération, considérer quelle est la cause de l'apesanteur et des surcharges.
Thème de la séance de formation : « Gravité et poids corporel. Apesanteur"
SolutionButs et objectifs de la séance de formation : améliorer les connaissances sur l'interaction gravitationnelle, introduire les grandeurs physiques « gravité », « poids corporel », se forger des idées sur le phénomène d'apesanteur, développer la capacité d'isoler l'action
Nikolaï Nossov. Je ne sais pas sur la Lune
DocumentSelon le projet de l'architecte Vertibutylkin, même deux bâtiments tournants ont été construits dans la rue Kolokolchikov.
Nous sommes habitués au fait que tous les objets qui nous entourent ont du poids. Cela se produit parce que la force de gravité les attire vers la Terre. Même si nous volons en avion ou sautons en parachute, le poids ne nous disparaît pas. Mais que se passe-t-il si le poids disparaît, quand cela se produit-il et quels phénomènes intéressants sont observés en apesanteur ? À propos de tout cela - dans cet article.
La loi de la gravitation universelle, découverte par Newton, stipule que tous les corps ayant une masse sont attirés les uns vers les autres. Pour les corps de petite masse, une telle attraction n'est pratiquement pas perceptible, mais si un corps a une masse importante, comme notre planète Terre (et que sa masse en kilogrammes est exprimée par un nombre à 25 chiffres), alors l'attraction devient perceptible. Par conséquent, tous les objets sont attirés vers la Terre - si vous les soulevez, ils tombent et lorsqu'ils tombent, la gravité les presse contre la surface. Cela conduit au fait que tout sur Terre a du poids, même l'air est pressé contre la Terre par la force de gravité et, avec son poids, appuie sur tout ce qui se trouve à sa surface.
Quand le poids peut-il disparaître ? Soit lorsque la force de gravité n'agit pas du tout sur le corps, soit lorsqu'elle agit, mais que rien n'empêche le corps de tomber librement. Bien que la force de gravité diminue avec la distance à la Terre, même à des centaines et des milliers de kilomètres d'altitude, elle reste forte, il n'est donc pas facile de se débarrasser de la force de gravité. Mais il est tout à fait possible de se retrouver en chute libre.
Par exemple, vous pouvez vous retrouver en état d'apesanteur si vous vous trouvez dans un avion se déplaçant le long d'une trajectoire particulière - tout comme un corps qui ne serait pas gêné par la résistance de l'air.
Tout ressemble à ceci :
Bien entendu, l'avion ne peut pas suivre une telle trajectoire pendant longtemps, car il s'écraserait au sol. Ainsi, seuls les astronautes vivant sur une station orbitale sont confrontés à des séjours de longue durée en apesanteur. Et ils doivent s'habituer au fait que de nombreux phénomènes qui nous sont familiers en apesanteur se produisent complètement différemment de ceux sur Terre.
1) En apesanteur, vous pouvez facilement déplacer des objets lourds et vous déplacer avec seulement un petit effort. Certes, pour la même raison, tous les objets doivent être spécialement sécurisés afin qu'ils ne volent pas autour de la station orbitale, et pendant leur sommeil, les astronautes grimpent dans des sacs spéciaux fixés au mur.
Apprendre à se déplacer en apesanteur prend du temps et les débutants n’y parviennent pas tout de suite. "Ils poussent de toutes leurs forces et se cognent la tête, s'emmêlent dans les fils, etc., c'est donc une source de plaisir sans fin", a déclaré à ce sujet l'un des astronautes américains.
2) Les liquides en apesanteur prennent une forme sphérique. Il ne sera pas possible de stocker l'eau, comme nous en avons l'habitude sur Terre, dans un récipient ouvert, de la verser hors d'une bouilloire et de la verser dans une tasse, et même de se laver les mains de la manière habituelle.
3) La flamme en apesanteur est très faible et s’estompe avec le temps. Si vous allumez une bougie dans des conditions normales, elle brûlera intensément jusqu'à ce qu'elle s'éteigne. Mais cela se produit parce que l’air chauffé devient plus léger et s’élève, laissant place à de l’air frais saturé d’oxygène. En apesanteur, la convection de l'air n'est pas observée et avec le temps, l'oxygène autour de la flamme brûle et la combustion s'arrête.
Brûler une bougie dans des conditions normales et en apesanteur (à droite)
Mais un flux constant d’oxygène est nécessaire non seulement pour la combustion, mais aussi pour la respiration. Par conséquent, si l’astronaute est immobile (par exemple s’il dort), un ventilateur doit fonctionner dans le compartiment pour mélanger l’air.
4) En apesanteur, il est possible d'obtenir des matériaux uniques difficiles voire impossibles à obtenir dans des conditions terrestres. Par exemple, des substances ultrapures, de nouveaux matériaux composites, de gros cristaux réguliers et même des médicaments. S'il était possible de réduire le coût de livraison et de retour des marchandises en orbite, cela résoudrait de nombreux problèmes technologiques.
5) En apesanteur à bord de la station orbitale, des effets jusque-là inconnus ont été découverts pour la première fois. Par exemple, la formation de structures ressemblant à des structures cristallines dans le plasma, ou « l'effet Dzhanibekov » - lorsqu'un objet en rotation change soudainement son axe de rotation de 180 degrés à certains intervalles.
Effet Djanibekov :
6) L’apesanteur a un impact significatif sur les humains et les organismes vivants. Bien qu’il soit possible de s’adapter à la vie en apesanteur, ce n’est pas si facile. Se retrouvant pour la première fois en état d'apesanteur, une personne perd son orientation dans l'espace, des vertiges surviennent, car l'appareil vestibulaire cesse de fonctionner normalement. D'autres changements dans le corps incluent une redistribution des fluides dans le corps, ce qui provoque un gonflement du visage et un nez bouché, une augmentation de la taille en raison de la perte de charge sur la colonne vertébrale et une exposition prolongée à l'apesanteur, une atrophie musculaire et des os. perdre de la force. Pour réduire les changements négatifs, les astronautes doivent régulièrement effectuer des exercices spéciaux.
Après leur retour sur Terre, les astronautes doivent se réadapter aux conditions précédentes, non seulement physiquement, mais aussi psychologiquement. Ils peuvent par exemple, par habitude, laisser un verre en l'air, oubliant qu'il va tomber.
"Physique de l'apesanteur". Les astronautes de l'ISS nous expliquent comment les lois de la physique fonctionnent en apesanteur :