Научный консультант музея "Экспериментаниум" и физиолог Антон Захаров рассказывает, что происходит с телом человека, пока он летит в космос и пока он там находится.Сетевое издание M24.ru приводит полную текстовую версию лекции.

О том, что происходит с человеком на космической станции, мы поговорим чуть позже, а пока нам нужно разобраться с теми трудностями, которые ждут человека при взлете в космос. Первая трудность, с которой он сталкивается, - это что? Я думаю, вы догадаетесь?

- Невесомость.

Нет, невесомость чуть позже.

- Перегрузки.

Перегрузки, абсолютно правильно. Здесь небольшая табличка, табличка ощущений, которые возникают у человека, когда он испытывает перегрузки. Вообще, что такое перегрузка, откуда она берется? Как вы думаете, есть идеи? Пожалуйста.

- Самолет или космическая станция начинает подниматься, при этом человек начинает в другую сторону отклоняться, возникает перегрузка.

А почему она называется перегрузка?

- Наверно, потому что человек чувствует себя некомфортно.

На самом деле, мы с вами просто очень сильно привыкли жить с нагрузкой. Когда мы с вами находимся, как сейчас - вы сидите, я стою, - на нашей планете Земля, мы притягиваемся к Земле, и наша кровь притягивается к Земле сильнее, чем все остальные части нашего тела, потому что она жидкая. Она как бы собирается к Земле. А остальные части нашего тела более твердые, поэтому они чуть меньше притягиваются к Земле, но форма у них более постоянная. И мы к этой нагрузке очень хорошо приспособлены, и когда мы эту нагрузку потеряем, произойдет не очень приятное ощущение, о котором я поговорю попозже.

Но перед тем как попасть в невесомость, где этой нагрузки нет, человек испытывает перегрузки, то есть избыточное действие силы тяжести. При двукратной перегрузке - перегрузке в 2 g - тело человека наливается тяжестью, лицо немножко обвисает, трудно встать, понятное дело, нужно поднимать не 50-60-70 кг, которые вы обычно весите, а в два раза больше. При троекратной перегрузке человеку уже невозможно стоять, и у человека сначала отключается цифровое зрение, потому что клетки, которые отвечают за цифровое зрение, они очень много энергии потребляют. При 4,5 g совсем отключается зрение, крови не хватает уже нашей с вами сетчатке, дальше невозможно поднять руку или ногу. И при 12 g большинство людей теряет сознание. Все, что я говорю сейчас, касается перегрузок не мгновенных, а которые длятся какое-то время, хотя бы 10-20-30 секунд, мгновенные перегрузки бывают сильнее. Как вы думаете, такие перегрузки в обычной жизни можно встретить, не поднимаясь в космос?

Перегрузку в 4,5 g можно испытать, не взлетая в космос? На самом деле, обычно где-то 1,5, но, если вы катаетесь на аттракционах, как раз 3-4 g вполне можно испытать. А так, понятно, что человек, стоящий неподвижно, 1 g испытывает; в самолете – где-то 1,5; парашютист, который приземляется, - где-то 2 g; в момент раскрытия парашюта очень недолго он испытывает 10 g, то есть практически на грани потери сознания. При этом космонавты, которые сейчас летают, испытывают меньше - 3-4 g, у них вот этих 8-12 - очень сильных перегрузок - нет, их испытывали только космонавты, когда только строили космические корабли, тогда было 7-8 g, это была проблема. Сейчас все сделано так, чтоб взлетать было легче.

На самом деле, самые интенсивные перегрузки часто испытывают военные летчики. В момент исполнения каких-нибудь фигур высшего пилотажа вполне себе бывает 12 g, но достаточно кратковременно, поэтому они сознание не теряют - это раз, а два - они очень подготовленные, поэтому им легче справляться. Максимальные перегрузки, допустимые для здоровья, даже кратковременные - это примерно 25 g. Если перегрузка будет больше, даже кратковременная, то вероятность, что человек сломает себе позвоночник, начинает приближаться к 90%, а это уже, естественно, не очень хорошо.

Мы поговорили про обычные перегрузки, так называемые положительные перегрузки. Мы выяснили, что антигравитации не существует. А как вы думаете, отрицательные перегрузки могут быть? (Но перегрузка и гравитация - понятия немножко разные) И, действительно, отрицательные перегрузки бывают, если вы просто встанете на голову, то испытаете отрицательную перегрузку -1 g, потому что кровь, которая обычно приливает к ногам, и части тела, которые обычно давят друг на друга в одном направлении, начнут давить друг на друга в другом направлении, и кровь начнет приливать к голове. Это вполне себе отрицательная перегрузка и, естественно, большие отрицательные перегрузки тоже вредны для здоровья, и их тоже можно испытать, не летая ни в какой космос. Их, например, испытывают прыгуны с тарзанки – то, что по-английски называется банджи- джампинг.

На самом деле, этот банджи-джампинг... Во-первых, мне даже на фотографии смотреть страшно, а во–вторых, это очень интересный ритуал. Кто-нибудь знает, откуда он взялся? Дело в том, что индейцы племени Вануату в Южной Америке таким образом посвящали мальчиков в мужчины. Они забирались на высокое дерево, брали какую-то крепкую лиану, привязывали ее к ногам, и подросток должен был прыгнуть с этой лианой виз, не долетая до земли метра-двух. И если он спокойно выдерживал, он становился мужчиной. Когда об этом в 70-х годах ХХ века узнали студенты Оксфорда, они пришли в дикий восторг и решили, что такую традицию надо повторить. Но они решили, что первый прыжок должен быть преисполнен торжественности, и нарядились во фраки. Сейчас банджи-джамперы - неформальные люди, а первые прыгуны прыгали в костюмах, это было достаточно красиво.

Мы свами разговаривали про перегрузки, это не единственная проблема, которую испытывают космонавты. Космонавты взлетели, с перегрузками справились, поднимаются в космос, и тут же их ждут первые радости и первые проблемы.

Ну, радости, конечно, когда человек поднимается в космос, полные штаны, - это понятно. И у космонавтов, как у маленьких детей это бывает, - и это подтверждается биохимическими исследованиями - выше "гормон счастья" в крови, чем у обычных людей. И их можно, в принципе, понять, много там крутого происходит. Давайте одно видео посмотрим с МКС. В принципе, люди развлекаются, как могут, конечно. Не обязательно вещи носить руками, можно их и ногами поносить. Движения должны быть очень точно рассчитаны, должны быть очень аккуратными. Вот так на самом деле космонавты не моют руки, это было специально для видео снято, ради этих 10 красивых секунд очень много сил потратят потом космонавты, собирая эти капельки по одной. Это только кажется – вау, как круто они разлетелись, а они действительно разлетелись, их теперь все собрать нужно, проблема достаточно серьезная.

Итак, мы примерно видели, как живут космонавты в космосе, теперь давайте думать, какие проблемы их там ждут. Первая проблема связана с тем, что человек не испытывает там земного притяжения. Земного притяжения не испытывают в том числе и его органы равновесия. Где у нас находятся органы равновесия, кто-нибудь знает?

- В голове, мозжечок?

В ухе. Нет, мозжечок - это мозговой центр, который обеспечивает координацию равновесия, но это не чувствительная часть, а чувствительная часть у нас находится в ухе. Красивые камушки, которые здесь изображены, - это кристаллы отолиты, это камушки, которые находятся у нас в вестибулярном аппарате, его мешочке, и, когда мы крутим головой из стороны в сторону, они перекатываются внутри нашего вестибулярного аппарата, таким образом, мы понимаем, что голова наша повернута относительно остального тела. Вот в этих мешочках находятся эти кристаллы. Что происходит в космосе, в космосе происходит одна простая вещь, эти камушки начинают, как и все стальное, плавать внутри вестибулярного аппарата - у человека происходит сбой. С одной стороны, глаза ему говорят, что он по-прежнему вертикально стоит, все нормально, а с другой стороны, органы равновесия говорят: я не понимаю, что произошло, меня во все стороны колбасит, я не знаю, что делать. Есть проявление, похожее на космическую болезнь, - это морская болезнь. Тогда происходит то же самое, вестибулярный аппарат качается в разные стороны, а глаза качаются не так сильно, и у организма происходит сбой, и организм начинает что делать?

- Тошнить.

Тошнить начинает, и в космосе его начинает точно также тошнить, но, поскольку в космосе эта перестройка происходит намного более резко, космическая болезнь бывает почти у всех космонавтов. Не всех, правда, тошнит, но тех, кого тошнит, - это опасная штука. Потому что люди обычно испытывают приступы космической болезни в тот момент, когда они уже пристыковались к космической станции и еще в скафандрах. Они начинают делать первые движения, выходя на космическую станцию, то есть находятся в замкнутых скафандрах и, смех-смехом, но это одна из серьезных причин гибели космонавтов, просто потому что скафандр замкнутый, а лететь без скафандра нельзя. Почему, об этом расскажу чуть попозже.

Идем дальше, еще одна проблема, которая в космосе поджидает людей, - это уменьшение количества кровяных клеток. Разные причины у этого есть, одна из причин такая: в космосе происходит уменьшение костной ткани, а внутри костной ткани как раз кровяные клетки образуются. Поэтому, если косточек становится меньше, то и клеток становится меньше. В общем, достаточно неприятная штука, особенно неприятная, когда космонавт возвращается на Землю, и ему нужно пройти период адаптации обратно к условиям на Земле. Он в том числе испытывает мощный недостаток кислорода как раз потому, что у него не хватает вот этих кровяных клеток, которые кислород переносят. Собственно, подробнее про кости. Почему кости разрушаются в космосе, вы знаете? Есть идеи?

- Нагрузки нет.

Нагрузки нет, совершенно верно, чтобы наши кости нормально работали, они должны постоянно получать какую-то нагрузку, мы с вами должны постоянно трудиться. Но мы вспоминаем, что в космосе трудиться непросто: нет необходимости, нет возможности. Поскольку там ничего не весит, чтобы вы ни делали, вы тратите намного меньше сил. И, несмотря на то что космонавты все время тренируются, они все равно не могут испытывать тот же уровень физической нагрузки, что и на Земле. Поэтому через 3-4 полета начинаются проблемы с костями, которые, в частности, приводят к остеопорозу, когда костная ткань разрушается.

Еще одна проблема – снова с кровью. Я говорил, что мы очень хорошо приспособлены к нагрузке на Земле. Как мы приспособлены? Крови у нас избыточное количество, у каждого из взрослых примерно 5 литров крови. Это больше, чем нам нужно. Зачем нам этот избыток? Потому что мы прямоходящие, и большая часть крови у нас остается в ногах, внизу нашего тела, а до головы дотягивает не все, поэтому нам нужно некоторый избыток хранить, чтоб хватило крови и голове. Но в космосе сразу пропадает сила тяжести, и поэтому вот эта лишняя кровь, которая была в ногах, начинает срочно перемещаться куда-нибудь по всем организму. В частности, попадает человеку в голову и к мозгу, в результате чего бывают инсульты, микроинсульты, потому что слишком много крови попадает, и сосуды просто лопаются. В результате этого космонавты в первую неделю особенно часто бегают в туалет, как раз теряют лишнюю жидкость, они теряют порядка 20% лишней жидкости за первую неделю нахождения на орбите.

Мышцы тоже не испытывают нагрузку. Независимо от размера груза, независимо от того, сколько он весит на Земле, в космосе его перекидывать трудности никакой не будет. Поэтому космонавты, я уже говорил, обязательно тренируются в космосе. Об этом следующее видео. Естественно, тяжести поднимать в космосе никакого смысла нет, можно попробовать побегать. Действительно, человек бегает, только, обратите внимание, он привязан к беговой дорожке, потому что, если бы он не был привязан к беговой дорожке, он бы просто улетел. Опять же, тяжести поднимать нельзя, но можно разгибать пружины, и космонавты минимум 4 часа в день проводят в физических упражнениях. Космонавты, как вы знаете, - это самые подготовленные люди, самые физически крепкие и стойкие. И все равно, когда они возвращаются из космоса, они, во-первых, никогда в жизни больше не достигают той формы, которая была до первого полета, а во-вторых, даже приблизительное восстановление после этих нагрузок занимает примерно столько же времени, сколько космонавт находился на орбите. То есть, если он был там полгода, он полгода будет восстанавливаться, первые несколько недель они ходить даже не могут. То есть у них мышцы ног практически атрофировались, они полгода ими не пользовались.

Идем дальше, очередная проблема, связанная с тем, чем космонавт должен дышать в космосе. Проблема двусторонняя: в первую очередь, нужно поднять на орбиту воздух или кислород. Как вы думаете, что лучше поднимать - воздух или кислород, чем мы дышим с вами?

- Кислород.

Кислород, вот американцы тоже думали, что лучше поднимать на орбиту чистый кислород, пускай немного разреженный. Хотя, на самом деле, чистый кислород - это довольно страшная штука. Во-первых, он опасен для организма, это яд - в больших количествах, а во-вторых, он очень хорошо взрывается. Первые несколько лет нормально взлетали ракеты, заполненные чистым кислородом, а потом в какой-то момент одна искорка побежала, и от космического корабля не осталось камня на камне. После этого решили делать так же, как делал Советский Союз, - просто баллоны с жидким воздухом. Это тяжелый вариант, это дорого, но безопасно.

Есть вторая проблема: когда мы дышим, мы выделяем углекислый газ. Если углекислого газа слишком много, сначала начинает болеть голова, появляется сонливость, а в какой-то момент человек может потерять сознание и умереть от избытка углекислого газа. Мы на Земле выделяем углекислый газ, и его поглощают растения; в космосе, даже если взять с собой одно-два растения, они не справятся с этой работой, а много растений с собой не возьмешь, потому что они тяжелые и занимают много места. Как же избавляться от углекислого газа? Есть одно специальное химическое вещество, которое может поглощать избыточный углекислый газ, называется гидроксид лития, его возят в космос, оно как раз поглощает избыточный углекислый газ. С этим веществом связана одна очень интересная, такая героическая история, история корабля "Апполон-13", я думаю, взрослые помнят эту историю.

Дети когда-нибудь слышали про корабль "Апполон-13"? Слышали, даже фильм такой сняли, что произошло с этим кораблем? У него был очень неудачный полет, там много разных вещей было, нас интересует, что происходило с гидроксидом лития. История такая: "Апполон-13" уже не в первый, не во второй раз летел к Луне, исследовать Луну. Туда летели три человека, у них был собственный космический корабль и специальная капсула, которая должна была прилуняться, и два человека, которые должны были выйти на Луне, что-то там поделать, а потом вернуться на капсуле обратно и улететь на Землю. Но где-то на 3 сутки полета вдруг произошел взрыв, и часть основного корабля разворотило, в том числе повредило систему жизнеобеспечения. В принципе, не такая уж страшная проблема, потому что шлюпка, на которой нужно было подлетать к Луне, была цела, и на ней вполне можно было вернуться на Землю. Но была проблема совершенно идиотская: канистры с гидроксидом лития, которые хранились на шлюпке, и канистры с гидроксидом лития, которые хранились на корабле, были разными, в них были просто разные входные отверстия. И все инженеры Америки, которые были связаны с проектом, и многие инженеры мира примерно сутки занимались тем, чем обычно занимаются люди в передаче "Очумелые ручки". Они придумывали, как при помощи клея, обрывков газет, скрепок и того, что найдется на корабле, переделать один выход в другой, чтобы люди могли полететь обратно к Земле. У них это, слава Богу, получилось, и этот корабль (пока он приземлялся, тоже много было разных проблем), слава Богу, приземлился нормально.

Мы выяснили, что у людей в космосе бывают проблемы, когда они бодрствуют: с кровью плохо, с мышцами плохо, с костями плохо, и так далее, и так далее. Спать в космосе тоже плохо. Причины две: первая причина - на космической станции никто не выключает свет, она должна работать все время, там все время проводятся какие-то эксперименты. Работа очень напряженная, поэтому спят космонавты по вахтам: сначала одни, потом другие. Это тяжело, если так день поспать, два поспать, три, то ничего страшного, но если так поспать две-три недели или месяц, то начинаются перестройки в организме, и это вредно. Это вредно и для нас тоже, потому что сейчас много людей в крупных городах живет в неправильном световом режиме, из-за этого мы страдаем и даже этого не замечаем. Еще одна проблема связана с тем, что, поскольку нет притяжения, и человек не может ни на что опереться, а это очень важное чувство, как психологи выяснили. Для того чтобы заснуть, человеку нужно к чему-нибудь прислониться и чувствовать себя уверенно. Поэтому космонавты надевают специальные повязки под колени и надевают специальные повязки на глаза, чтобы создать хотя бы какую-то имитацию того, что их куда-то тянет. Получается не очень хорошо, но получается. Есть третья проблема, связанная уже с углекислым газом: пока мы с вами спим, мы дышим и выделяем углекислый газ, мы с вами не двигаемся, и углекислый газ накапливается на поверхности нашего лица. На Земле это не страшно, почему?

- Он все время двигается.

Он действительно все время двигается, а почему? Потому что есть небольшой ветерок, но дело даже не в этом. Мы, когда выдыхаем углекислый газ, выдыхаем его теплым, а теплый газ будет подниматься наверх, потому что он легче, чем холодный. В космосе ни теплый, ни холодный газ веса не имеют, поэтому выдыхаемый газ будет накапливаться над человеком, и он просто в этом облаке будет спать, если с этим ничего не делать. Но с этим действительно что-то делают – и в космосе очень мощные системы вентиляции, которые разгоняют углекислый газ, чтобы мы могли спокойно спать. И эти же системы вентиляции фильтруют воздух от разных инфекций и болезнетворных организмов. Сейчас с этим научились справляться более или менее, а первое время космонавты очень много болели, потому что карантин был недостаточно строгим, а заразиться в космосе чем-нибудь намного легче. Потому что, когда мы чихаем на Земле, то, что мы чихнули, падает на землю и остается в пыли какой-нибудь, мы это напрямую не вдыхаем. А если космонавт чихает, то все, что он чихнул, остается в воздухе, поэтому вероятность подхватить эту инфекцию намного выше, поэтому там все фильтруют. Там действительно очень много пыли у космонавтов, по-прежнему много чихают, но уже болеют меньше, потому что карантин более строгий.

Еще одна проблема, которая поджидает космонавтов, - это космическая радиация. Мы на Земле от космической радиации защищены атмосферой, которая не пропускает радиацию, в частности, озоновым слоем неплохо от нее защищены. А в космосе озонового слоя нет, и космонавты испытывают повышенную радиацию. Это опасно, и этого очень долго боялись, пока не проверили, какое количество радиации человек там испытывает. Он испытывает примерно столько же, сколько испытывают жители тех мест, которые расположены в гранитных скалах, например. Гранитные скалы тоже немножко радиации излучают, примерно столько же получает космонавт. То есть жители, допустим, Корнуолла (это в Англии), считайте, космонавты в этом отношении, даже немножко больше радиации получают. А совсем много радиации получают пилоты и стюардессы сверхзвуковых самолетов ("Конкорд", например), которые летают на больших высотах.

Но мы надеемся, что когда-то человек не только будет летать на космические станции, а и до Марса долетит, до других планет. И в этих случаях нас поджидает угроза, потому что обычно космические станции летают вокруг Земли - там, где радиационное поле не очень сильное. Но вокруг Земли есть два "бублика" мощных радиационных полей, через которые нужно пролететь, чтобы добраться до Луны, Марса, других планет. И там радиация очень сильная, и одна из проблем отправки на Марс сейчас - это воздействие радиации на протяжении нескольких месяцев. Люди, может, и долетят туда, но долетят очень больными - этого, естественно, никто не хочет. Поэтому сейчас придумывают, как сделать одновременно легкий скафандр и легкую обшивку космического корабля, которая притом защищала бы от радиации. Потому что в принципе от радиации защититься не трудно, можно свинцом корабль обложить и окей – от радиации мы защищены, но свинец очень тяжелый.

Мы с вами говорили про минусы, минусы, минусы. Но не только минусы есть при полете в космос. Когда мы летим в космос, (это не то чтобы большой плюс, это просто очень приятно) мы становимся немножко выше. Под действием силы тяжести, пока мы весь день куда-то ходим, наши позвонки давят друг на друга, а главное - давят на межпозвоночные диски. Они в течение дня немножко "сплющиваются", поэтому человек с утра на несколько сантиметров выше, чем вечером. Можете, если не пробовали, дома проверить. Почему советуют всегда рост мерять в одно и то же время, потому что в течение дня он меняется. Так вот, в космосе сила тяжести не действует, поэтому космонавты немного вырастают, иногда даже слишком. Один космонавт вырос на целых 7 сантиметров, он был очень рад, ему много лет в этот момент уже было, одна проблема - скафандр при этом не вырос, было достаточно тесно. Сейчас все скафандры делают - сантиметров 10 оставляют на случай, если космонавт вырастет.

Интересная штука: в космосе, оказывается, быстрее идут процессы регенерации, ранки заживают быстрее и даже целые части тела могут восстанавливаться. Сейчас будет видео с улиткой. Здесь, конечно, ускоренная съемка, на самом деле, это две недели примерно росло. На земле улитки тоже регенерируют, но хуже. Почему это происходит, непонятно. К чему я все это говорю? Я сказал уже в начале: на наших глазах в ближайшем будущем количество людей, которые будут летать в космос, будет расти, и расти, и расти. Возможно, скоро это будет не тема для научно-популярной лекции, а стандартный урок в школе: нужно будет знать, что происходит с человеком, когда он просто решил полететь на экскурсию в космос. Я очень верю, что скоро это произойдет, и надеюсь, что вы тоже верите. Если есть вопросы, пожалуйста, задавайте.

- Скажите, а если перегрузки были, отключение сознания, как потом быстро человек восстанавливается, приходит в сознание?

Когда отключается сознание, система такая же, как когда человек падает в обморок. Кто-то сразу встает, кто-то не сразу, на кого-то сильно действует, на кого-то меньше. Вообще это, конечно, вредно. Человек теряет сознание, потому что у него недостаточно кислорода поступает в кровь, а значит, недостаточно кислорода поступает в мозг. В результате какие-то клетки мозга могут начать умирать, у кого-то более активно, у кого-то менее активно.

Сила, приложенная к телу, в системе единиц СИ измеряется в ньютонах (1 Н = 1 кг·м/с 2 ). В технических дисциплинах в нередко качестве единицы измерения силы традиционно используют килограмм-силу (1 кгс , 1 кГ ) и аналогичные единицы: грамм-силу (1 гс , 1 Г ), тонна-силу (1 тс , 1 Т ). 1 килограмм-сила определена как сила, сообщающая телу массой 1 кг нормальное ускорение, равное по определению 9,80665 м/с 2 (это ускорение приблизительно равно ускорению свободного падения). Таким образом, по второму закону Ньютона, 1 кгс = 1 кг · 9,80665 м/с 2 = 9,80665 Н . Можно сказать также, что тело массой 1 кг , покоящееся на опоре, имеет вес 1 кгс Часто ради краткости килограмм-силу называют просто «килограммом» (а тонна-силу, соответственно, «тонной»), что порождает порой путаницу у людей, не привыкших к использованию разных единиц.

Русская терминология, сложившаяся в ракетостроении, традиционно использует «килограммы» и «тонны» (точнее, килограмм-силы и тонна-силы) в качестве единиц тяги ракетных двигателей. Таким образом, когда говорят о ракетном двигателе с тягой 100 тонн, имеют в виду, что данный двигатель развивает тягу 10 5 кг · 9,80665 м/с 2 $\approx$ 10 6 Н .

Частая ошибка

Путая ньютоны и килограмм-силы, некоторые считают, что сила в 1 килограмм-силу сообщает телу массой 1 килограмм ускорение 1 м/с 2 , т. е. пишут ошибочное «равенство» 1 кгс / 1 кг = 1 м/с 2 . В то же время очевидно, что на самом деле 1 кгс / 1 кг = 9,80665 Н / 1 кг = 9,80665 м/с 2 — таким образом, допускается ошибка почти в 10 раз.

Пример

<…> Соответственно, сила которая давит на частицы в пределах средневзвешенного радиуса будет равна: 0,74 Гс/мм 2 · 0,00024 = 0,00018 Гс/мм 2 или 0,18 мГс/мм 2 . Соответственно, на среднюю частицу с поперечным сечением в 0,01 мм 2 будет давить сила в 0,0018 мГс.
Эта сила придаст частице ускорение, равное ее отношению к массе средней частицы: 0,0018 мГс / 0,0014 мГ = 1,3 м/сек 2 . <…>

(Выделение apollofacts .) Разумеется, сила величиной 0,0018 миллиграмм-сил сообщила бы частице массой 0,0014 миллиграмм ускорение почти в 10 раз больше того, что насчитал Мухин: 0,0018 миллиграмм-сил / 0,0014 миллиграмм = 0,0018 мг · 9,81 м/с 2 / 0,0014 мг $\approx$ 13 м/сек 2 . (Можно заметить, что с исправлением одной только этой ошибки насчитанная Мухиным глубина кратера, который якобы должен был бы образоваться под лунным модулем при посадке, сразу упадет с 1,9 м , которые требует Мухин, до 20 см ; однако весь остальной расчет настолько нелеп , что эта поправка не способна его исправить).

Вес тела

По определению, вес тела есть сила, с которой тело давит на опору или подвес. Вес тела, покоящегося на опоре или подвесе (т. е. неподижного относительно Земли или иного небесного тела) равен

(1)

\begin{align} \mathbf{W} = m \cdot \mathbf{g}, \end{align}

где $\mathbf{W}$ — вес тела, $m$ — масса тела, $\mathbf{g}$ — ускорение свободного падения в данной точке. На поверхности Земли ускорение свободного падения близко к нормальному ускорению (часто округляемому до 9,81 м/с 2 ). Тело массой 1 кг имеет вес $\approx$ 1 кг · 9,81 м/с 2 $\approx$ 1 кгс . На поверхности Луны ускорение свободного падения примерно в 6 раз меньше, чем у поверхности Земли (точнее, близко к 1,62 м/с 2 ). Таким образом, на Луне тела примерно в 6 раз легче, чем на Земле.

Частая ошибка

Путают вес тела и его массу. Масса тела не зависит от небесного тела, она постоянна (если пренебречь релятивистскими эффектами) и всегда равна одной и той же величине — и на Земле, и на Луне, и в невесомости

Пример

Пример

В газете «Дуэль », № 20, 2002 г. автор живописует страдания, которые должны испытывать астронавты лунного модуля при посадке на Луну, и настаивает на невозможности такой посадки :

Космонавты <…> испытывают длительную перегрузку, максимальное значение которой — 5. Перегрузка направлена вдоль позвоночника (самая опасная перегрузка). Спросите у военных летчиков, можно ли устоять в самолете в течение 8 мин. при пятикратной перегрузке да еще и управлять им. Представьте себе, что после трех дней пребывания в воде (три дня полета к Луне в невесомости) вы выбрались на сушу, вас поместили в Лунную кабину, а ваш вес стал 400 кг (перегрузка 5), комбинезон на вас — 140 кг, а рюкзак за спиной — 250 кг. Чтобы вы не упали, вас держат тросом, прикрепленным к поясу, 8 минут, а затем еще 1,5 мин. (никаких кресел, ложементов нет). Не подгибайте ноги, опирайтесь на подлокотники (руки должны быть на органах управления). Кровь отлила от головы? Глаза почти не видят? Не умирайте и не падайте в обморок <…>
уж совсем плохо заставлять космонавтов управлять посадкой в положении «стоя» при длительной 5-кратной перегрузке — это просто НЕВОЗМОЖНО.

Однако, как уже было показано, в начале спуска астронавты испытывали перегрузку $\approx$ 0,66 g — то есть заметно меньше их нормального земного веса (и никакого рюкзака за спиной у них не было — они были непосредственно подключены к системе жизнеобеспечения корабля). Перед посадкой тяга двигателя почти уравновешивала вес корабля на Луне, поэтому связанное с ней ускорение составляет $\approx$ 1/6 g — таким образом, в течение всей посадки они испытывали меньшую нагрузку, чем при простом стоянии на земле. По сути, одна из задач описыванной тросовая системы как раз и была в том, чтобы помочь астронавтам удержаться на ногах в условиях пониженного веса .

22 марта 1995 года космонавт Валерий Поляков вернулся из космоса после 438 суток полета. Этот рекорд продолжительности не побит до сих пор. Он стал возможен в результате постоянно проводимых на орбите исследований влияния космических факторов на человеческий организм.

1. Перегрузки при старте и посадке

Пожалуй, именно Поляков как никто другой был подготовлен к тому, чтобы пробыть на орбите полтора года. И не потому, что у него якобы феноменальное здоровье. И предполетной подготовкой он занимался не более других. Просто Поляков, будучи профессиональным врачом — кандидатом медицинских наук, работавшим в Институте медико-биологических проблем РАН, как никто другой в отряде космонавтов знал «устройство человека», реакции организма на дестабилизирующие факторы и методы их компенсации. Какие же они?

При старте космического корабля перегрузки лежат в диапазоне от 1g до 7g. Это крайне опасно, если перегрузка действует по вертикальной оси, то есть от головы к ногам. В таком положении у человека даже при перегрузке в 3g, действующей три секунды, возникают серьезные нарушения периферического зрения. При превышении этих значений изменения могут стать необратимыми, а человек гарантированно теряет сознание.

Поэтому кресло в корабле размещается так, что ускорение действует в горизонтальной плоскости. Также космонавт использует специальный компенсационный костюм. Это дает возможность поддерживать нормальное мозговое кровообращение при длительных перегрузках в 10g, а кратковременных — до 25g. Крайне важной также оказывается скорость нарастания ускорения. Если она превышает определенную границу, то губительными для космонавта могут стать даже незначительные перегрузки.

После длительного пребывания на орбите растренированный организм переносит перегрузки, возникающие при посадке, куда тяжелее, чем при старте. Поэтому космонавт за несколько дней до посадки готовится по специальной методике, предполагающей физические упражнения и медикаментозные средства. При посадке имеет огромное значение такая ориентация корабля в плотных слоях атмосферы, чтобы ось перегрузки располагалась горизонтально. Во время первых космических полетов достичь должной стабилизации корабля не удавалось, в связи с чем космонавты при посадке порой теряли сознание.

2. Невесомость

Невесомость является куда более сложным испытанием для организма, чем перегрузки. Потому что действует длительно и беспрерывно, вызывая изменения ряда жизненных функций в организме человека. Так, невесомость ставит центральную нервную систему и рецепторы многих анализаторных систем (вестибулярного аппарата, мышечно-суставного аппарата, кровеносных сосудов) в необычные условия функционирования. В результате замедляется кровоток, кровь скапливается в верхней части туловища.

«Подлость» невесомости состоит в том, что приспособительные процессы в физиологических системах, степень их проявления практически не зависит от индивидуальных особенностей организма, а только лишь от продолжительности пребывания в невесомости. То есть, как бы человек ни готовился к ней на земле, каким бы могучим ни был его организм, на процесс адаптации это мало влияет.

Правда, к невесомости человек довольно быстро привыкает: прекращаются головокружения и прочие негативные явления. Плоды невесомости космонавт «вкушает», вернувшись на землю.

Если на орбите не использовать никаких методов противостояния разрушительному действию невесомости, то в первые несколько суток у приземлившегося космонавта наблюдаются следующие изменения:

1. Нарушение процессов обмена веществ, особенно водно-солевого обмена, что сопровождается относительным обезвоживанием тканей, снижением объема циркулирующей крови, уменьшением содержания в тканях ряда элементов, в частности калия и кальция;

2. Нарушение кислородного режима организма при физических нагрузках;

3. Нарушение способности поддерживать вертикальную позу в статике и динамике; ощущение тяжести частей тела (окружающие предметы воспринимаются как необычно тяжелые; наблюдается растренированность в дозировании мышечных усилий);

4. Нарушение гемодинамики при работе средней и высокой интенсивности; возможны предобморочные и обморочные состояния после перехода из горизонтального положения в вертикальное;

5. Снижение иммунитета.

На орбите используется целый комплекс мер борьбы с разрушающим организм действием невесомости. Повышенное потребление калия и кальция. Отрицательное давление, приложенное к нижней половине тела для оттока крови. Барокомпенсационное белье. Электростимуляция мышц. Дозированный прием медикаментов. Тренировка на беговой дорожке и других тренажерах.

3. Гиподинамия

Беговая дорожка и различные тренажеры мускулатуры используются и для борьбы с гиподинамией. На орбите она неизбежна, поскольку движения в условиях невесомости требуют значительно меньших усилий, чем на земле. И вернувшись на землю даже после ежедневных изнурительных тренировок, у космонавтов наблюдается снижение мышечной массы. Помимо этого физическая нагрузка благотворно действует на сердце, которое, как известно, также является мышцей.

4. Радиация

Действие этого фактора на человеческий организм прекрасно изучено. Всемирная организация здравоохранения выработала нормативы доз радиации, превышение которых вредно для здоровья. На космонавтов эти нормативы не распространяются.

Считается, что человек может проходить флюорографию не более одного раза в год. При этом он получает дозу в 0,8 мЗв (миллизиверт). Космонавт ежедневно получает дозу до 3,5 мЗв. Однако по меркам космической медицины такой радиационный фон считается допустимым. Поскольку в определенной мере он нейтрализуется медикаментозно. Ежедневная доза облучения не является константой. У каждого космонавта имеется индивидуальный дозиметр, который ведет подсчет накапливающихся в организме миллизивертов. За год пребывания в космосе можно получить от 100 до 300 мЗв.

«Конечно, это не подарок, — утверждает заведующий лабораторией методов и средств космической дозиметрии Института медико-биологических проблем РАН Вячеслав Шуршаков, — но такова специфика профессии космонавтов».

При этом ежегодная пороговая доза — 500 мЗв. Что в 25 превышает порог для сотрудников атомных электростанций, который составляет 20 мЗв.

Ну, а суммарная доза, после которой космонавта не допускают к полетам, — 1000 мЗв. В те же времена, когда летал Гагарин, эта цифра равнялась 4000 мЗв. Наиболее близко подошел к порогу Сергей Авдеев, в общей сложности налетавший 747 суток. Полученная им доза составляет 380 мЗв.

Фото ИТАР-ТАСС/Альберт Пушкарев

Перегрузкой называется отношение равнодействующей всех сил (кроме веса), действующих на самолет, к весу самолета.

В связанной системе координат определены перегрузки:

nх - продольная перегрузка; nу - нормальная перегрузка; nz - боковая перегрузка.

Полная перегрузка определяется по формуле

Продольная перегрузка nх возникает при изменении тяги двигателя и лобового сопротивления.

Если тяга двигателя больше лобового сопротивления, то перегрузка положительная. Если же величина лобового сопротивления больше силы тяги двигателя, то перегрузка отрицательная.

Продольная перегрузка определяется по формуле

Боковая перегрузка nz возникает при полете самолета со скольжением. Но по величине боковая аэродинамическая сила Z очень мала. Поэтому в расчетах боковую перегрузку принимают равной нулю. Боковая перегрузка определяется по формуле

Выполнение фигур пилотажа в основном сопровождается возникновением больших нормальных перегрузок.

Нормальной перегрузкой nу называется отношение подъемной силы к весу самолета и определяется по формуле

Нормальная перегрузка, как видно из формулы (11.5), создается подъемной силой. В горизонтальном полете при спокойной атмосфере подъемная сила равна весу самолета, следовательно, перегрузка будет равна единице:

Рис. 6 Действие центробежной силы инерции на летчика а - при резком увеличении угла атаки, б - при резком уменьшении угла атаки

В криволинейном полете, когда подъемная сила становится больше веса самолета, перегрузка будет больше единицы.

При движении самолета по криволинейной траектории центростремительной силой является, как уже говорилось, подъемная сила, т. е. давление воздуха на крылья. При этом величине центростремительной силы всегда сопутствует равная, но противоположная по направлению центробежная сила инерции, которая выражается силой давления крыльев на воздух. Причем центробежная сила действует подобно весу (массе), а так как она всегда равна центростремительной силе, то при увеличении последней возрастает во столько же раз. Таким образом, аэродинамическая перегрузка подобна увеличению веса самолета (летчика).

При появлении перегрузки летчику кажется, что его тело стало тяжелее.

Нормальная перегрузка делится на положительную и отрицательную. Когда перегрузка прижимает летчика к сиденью, то эта перегрузкаположительная, если же отделяет его от сиденья и удерживает на привязных ремнях -отрицательная (Рис. 6).

В первом случае кровь будет отливать от головы к ногам, во втором случае - приливать к голове.

Как уже говорилось, увеличение подъемной силы в криволинейном движении равносильно увеличению веса самолета на ту же величину, тогда

(11.6)

(11.7)

где n ур - располагаемая перегрузка.

Из формулы (11.7) видно, что величина располагаемой перегрузки определяется запасом коэффициентов подъемной силы (запасов углов атаки) от потребного для горизонтального полета до его безопасного значения (Су ТР или Су КР).

Максимально возможная нормальная перегрузка может быть получена тогда, когда в полете на данной скорости и высоте полета будут полностью использованы возможности самолета по созданию подъемной силы. Эту перегрузку можно получить в том случае, когда самолет резко (без заметного уменьшения скорости полета) выводится на С у =С у макс:

(11.8)

Однако до такой перегрузки нежелательно доводить самолет, так как произойдет потеря устойчивости и срыв в штопор или штопорное вращение. По этой причине не рекомендуется на больших скоростях полета, особенно при выходе из пикирования, отклонять резко ручку управления на себя. Поэтому максимально возможную или располагаемую перегрузку принимают меньшей по величине, чтобы предупредить выход самолета на режим тряски. Формула определения этой перегрузки имеет вид

(11.9)

Для самолетов Як-52 и Як-55 графические зависимости располагаемых перегрузок от скорости полета показаны на Рис. 7, Рис. 8. При выполнении полетов на самолетах Як-52 и Як-55 располагаемая нормальная перегрузка в основном ограничена по прочностным характеристикам самолета.

Максимально допустимая эксплуатационная перегрузка для самолета Як-52:

с колесным шасси:

положительная +7;

отрицательная -5;

с лыжным шасси:

положительная +5;

отрицательная -3.

Максимально допустимая эксплуатационная перегрузка для самолета Як-55:

в тренировочном варианте:

положительная +9;

отрицательная -6;

в перегоночном варианте:

положительная +5;

отрицательная -3.

Превышение в полете этих перегрузок запрещается, так как могут появиться остаточные деформации в конструкции самолета.

При выполнении установившихся криволинейных маневров перегрузка зависит от запаса тяги силовой установки. Запас тяги определяется из условия сохранения заданной скорости в течение всего маневра.

Предельной перегрузкой по располагаемой тягеnу ПРЕД называется наибольшая перегрузка, при которой тяга силовой установки еще уравновешивает лобовое сопротивление. Она определяется по формуле

(11.10)

Предельная по располагаемой тяге перегрузка зависит от скорости и высоты полета, так как вышеуказанные факторы влияют на располагаемую тягу Рр и от скорости аэродинамическое качество К. Для расчета зависимости n у ПРЕД V необходимо иметь кривые Рр (V)для различных высот и сетку поляр.

Для каждого значения скорости с кривой Рр (V) снимают значения располагаемой тяги, определяют с поляры для соответствующей скорости V снимают величину коэффициента Су и рассчитывают по формуле (11.10).

При маневрировании в горизонтальной плоскости с перегрузкой меньше располагаемой, но более предельной по тяге самолет будет терять скорость или высоту полета.

Перегру́зка - отношение абсолютной величины линейного ускорения, вызванного негравитационными силами, к ускорению свободного падения на поверхности Земли. Будучи отношением двух сил, перегрузка является безразмерной величиной, однако часто перегрузка выражается в единицах ускорения свободного падения g . Перегрузка в 1 единицу (то есть 1 g ) численно равна весу тела, покоящемуся вполе тяжести Земли. Перегрузка в 0 g испытывается телом, находящемся в состоянии свободного падения под воздействием только гравитационных сил, то есть в состоянии невесомости.

Перегрузка - векторная величина. Для живого организма важно направление действия перегрузки. При перегрузке органы человека стремятся оставаться в прежнем состоянии (равномерного прямолинейного движения или покоя). При положительной перегрузке (голова - ноги) кровь уходит от головы в ноги, желудок опускается вниз. При отрицательной перегрузке увеличивается приток крови к голове. Наиболее благоприятное положение тела человека, при котором он может воспринимать наибольшие перегрузки - лёжа на спине, лицом к направлению ускорения движения, наиболее неблагоприятное для перенесения перегрузок - в продольном направлении ногами к направлению ускорения. При столкновении автомобиля с неподвижной преградой сидящий в автомобиле человек испытает перегрузку спина-грудь. Такая перегрузка переносится без особых трудностей. Обычный человек может выдерживать перегрузки до 15 g около 3 - 5 секунд без потери сознания. Перегрузки от 20 - 30 g и более человек может выдерживать без потери сознания не более 1 - 2 секунд и зависимости от величины перегрузки.

Симптоматика и механизм действия перегрузок
Общие симптомы. Реакция человека на перегрузки определяется их величиной, градиентом нарастания, временем действия, направлением по отношению к магистральным сосудам тела, а такжі" исходным функциональным состоянием организма. В зависимости вот характера, величины и сочетаний указанных факторов в организме могут возникнуть изменения вот едва уловимых функциональных сдвигов к крайне тяжелых состояний, сопровождающихся полной потерей зрения и сознания при наличии глубоких расстройств функций сердечно-сосудистой, дыхательной, нервной и вторых систем организма.

Общие изменения в состоянии человека при действии перегрузок проявляются ощущением тяжести во всем теле, вначале затруднением, а при нарастании величины перегрузки и полным отсутствием движений, особенно в конечностях, в некоторых случаях болевыми ощущениями в мышцах спины и шеи [Бабушкин В. П., 1959; de Graef P., 1983]. Происходит четко выраженное смещение мягких тканей и их деформация. Во время длительного воздействия достаточно больших положительных перегрузок на незащищенных противодавлением участках ног, ягодиц, мошонки могут появится кожные петехиальные кровоизлияния в виде точек или больших пятен, интенсивно окрашенных, но безболезненных, которые спонтанно исчезают в течение нескольких суток. Иногда наблюдается и отечность в этих местах, а при отрицательных перегрузках - отечность лица. Рано наблюдается расстройство зрения. При больших величинах перегрузок развивается потеря сознания, которая продолжается 9-21 с.

Механизм действия положительных и отрицательных перегрузок сложен и обусловлен первичными эффектами, вызываемыми инерционными силами. Наиболее важными из их являются следующие: перераспределение крови в организме в нижнюю (+G Z) или в верхнюю (-G z)половину тела, смещение органов и деформация тканей, являющихся источниками необычной импульсации в ЦНС, нарушением кровообращения, дыхания и стресс-реакцией. Развивающиеся гипоксемия и гипоксия влекут за собой расстройства функции ЦНС, сердца, эндокринных желез. Нарушается биохимизм жизненных процессов. Могут наступит повреждения клеточных структур обратимого или необратимого характера, выявляемые цитохимическими и гистологическими методами.

Одно из основных требований к военным летчикам и космонавтам - способность организма переносить перегрузки. Тренированные пилоты впротивоперегрузочных костюмах могут переносить перегрузки от −3 … −2 g до +12 g . Сопротивляемость к отрицательным, направленным вверх перегрузкам, значительно ниже. Обычно при 7 - 8 g в глазах «краснеет», пропадает зрение, и человек постепенно теряет сознание из-за прилива крови к голове. Космонавты во время взлёта переносят перегрузку лёжа. В этом положении перегрузка действует в направлении грудь - спина, что позволяет выдержать несколько минут перегрузку в несколько единиц g. Существуют специальные противоперегрузочные костюмы, задача которых - облегчить действие перегрузки. Костюмы представляют из себя корсет со шлангами, надувающимися от воздушной системы и удерживаюшими наружную поверхность тела человека, немного препятствуя оттоку крови.

Перегрузка увеличивает нагрузку на конструкцию машин и может привести к их поломке или разрушению, а также к перемещению не закрепленного или плохо закрепленного груза. Допустимое значение перегрузок для гражданских самолётов составляет 2,5 g