что такое невесомость в космосе
Экскурсия в космос: как работает невесомость?
Мы часто видели фотографии астронавтов, плавающих, например, внутри Международной космической станции. Да что там говорить — фильм «Гравитация» не просто так «Оскара» получил. Свидетельства того, что существуют места, в которых притяжение отсутствует как таковое, можно найти везде. Но хотя невесомость выглядит забавно, и каждый из нас наверняка не отказался бы от возможности испытать ее на себе, тело человека относится к этому не очень хорошо. Голова гудит, а ножные мышцы сокращаются. В долгосрочной перспективе мышцы слабеют, а кости становятся хрупкими. Эти эффекты могут причинить серьезный ущерб вашему телу, особенно если вы отправитесь в долгий полет на Марс.
В этой статье мы отвезем вас на борт Международной космической станции и расскажем, что невесомость делает с вашим телом, какие изменения могут произойти, и что нужно делать, чтобы предотвратить или обратить вспять эти побочные эффекты.
Знакомьтесь: микрогравитация
Представьте себе, что вы одеты в скафандр и лежите на спине в летной кабине космического аппарата. Вы лежите на спине в течение нескольких часов, пока пилоты и центр управления полетами готовятся к запуску. Обычно, когда вы стоите прямо, сила тяжести тянет кровь вниз, поэтому целые бассейны ее собираются у вас в ногах. Однако, поскольку вы лежите на спине, кровь по-разному распределяется в вашем теле, в том числе накапливаясь и в голове, поскольку ваши ноги подняты. В голове немного тяжеловато, словно вы только что проснулись.
Ракетные двигатели зажигаются и вы чувствуете ускорение. Вас вдавливает в кресло, поскольку аппарат взлетает. Сила тяжести вместе с увеличением скорости корабля увеличивается в три раза (на некоторых американских горках можно испытать такой уровень ускорения). Ваша грудь сжимается, дышать становится немного трудно. Спустя восемь с половиной минут вы оказываетесь в космосе и начинаете испытывать совершенно другое ощущение: невесомость.
Правильный термин для невесомости — микрогравитация. Вы не невесомы, поскольку земная гравитация удерживает вас и летательный аппарат на орбите. Вы находитесь в состоянии свободного падения, словно только что прыгнули с самолета, за исключением того, что падаете горизонтально и никогда не упадете. Допустим, вы стоите на весах, и они показывают ваш вес, поскольку гравитация тянет вниз и вас, и весы. Поскольку весы находятся на земле, они отталкиваются вверх с равнозначной силой — и эта сила и есть ваш вес. Но если вы прыгнете со скалы, стоя на весах, и вы, и весы будете притягиваться гравитацией. Вы не будете давить на весы, и они не будут давить на вас. Ваш вес будет нулевым. Таков закон Ньютона.
Поскольку космический аппарат и все объекты в нем падают с одной скоростью — все, что не закреплено, плавает. Если у вас длинные волосы — они будут плавать вокруг лица. Если вы выльете воду из стакана — она соберется в большую сферическую каплю, которую можно будет разбить на меньшие капли. Галушки и конфеты сами будут заплывать вам в рот, если вы подтолкнете их по нужной траектории. Сидя в кресле, вы не будете знать, что сидите, поскольку ваше тело не будет давить на кресло. Если вы не будете держаться — вы уплывете. Более того, если вы не будете держаться за стену или пол рукой или ногой — вы не сможете сдвинуться с места — не от чего оттолкнуться. По этой причине в любом космическом аппарате всегда много поручней для рук и ног.
Какова микрогравитация на вкус?
Когда вы впервые окажетесь в состоянии невесомости, вы почувствуете следующее:
Чем дольше вы будете оставаться в условиях микрогравитации, тем слабее будут ваши мышцы и кости. Эти ощущения будут вызваны различными изменениями в системах вашего организма. Давайте подробно рассмотрим, как тело реагирует на невесомость.
Космическая болезнь
Тошнота и дезориентация, которая на вкус как сосущее чувство в желудке, когда автомобиль «летит» вниз по трассе или вас подхватывает на карусели. Только на борту корабля это чувство будет длиться несколько дней. Это чувство космической болезни, слабость моторики, когда ваш мозг получает противоречивую информацию от вестибулярных органов, расположенных в вашем внутреннем ухе. Ваши глаза видят, куда двигаться вверх и вниз в корабле, но ваша вестибулярная система полагается на силу тяжести, определяя направления, что не работает в невесомости. Поэтому ваши глаза могут говорить мозгу, что вы движетесь сверху вниз, но мозг этого не поймет. Это вызывает дезориентацию и тошноту, что может привести к потере аппетита и рвоте. К счастью, спустя несколько дней мозг адаптируется и начнет реагировать исключительно на визуальные сигналы. Таблетки тоже помогут.
Одутловатое лицо и куриные лапки
В условиях микрогравитации ваше лицо будет одутловатым, а пазухи — перегруженными, что вызовет головную боль и нарушение моторики. На Земле это можно почувствовать, если стоять вверх ногами — кровь приливает к голове.
На Земле гравитация притягивает вашу кровь, в результате чего значительные ее объемы скапливаются в венах ног. Как только вы окажетесь в условиях микрогравитации, кровь сдвинется из ваших ног в грудь и голову. Лицо опухнет, а ноги, наоборот, уменьшатся в размерах.
Когда кровь переходит в грудь, сердце увеличивается в размерах и качает больше крови с каждым ударом. Почки отвечают на этот увеличенный кровоток производством большего количества мочи, будто вы выпили большой стакан воды. Кроме того, увеличение кровотока снижает уровень секреции гипофизом антидиуретического гормона (АДГ), что уменьшает жажду. Вы не будете хотеть пить столько же воды, сколько на Земле. В совокупности эти два фактора помогут вашей груди и голове избавиться от лишней жидкости за несколько дней, а поток жидкости вашего тела нормализуется (для космических условий). По возвращении на Землю, вы будете больше пить и чувствовать усталость, но это пройдет.
Космическая анемия
По мере того, как ваши почки выводят лишнюю жидкость, они также уменьшают секрецию эритропоэтина — гормона, стимулирующего производство красных кровяных тел клетками костного мозга. Снижение производства красных кровяных клеток сопровождается уменьшением объема плазмы, поэтому гематокрит (процент объема крови, занимаемого красными кровяными телами) такой же, как на Земле. По возвращении на Землю, ваш уровень эритропоэтина будет расти, так же как и количество красных кровяных тел.
Слабые мышцы
Когда вы находитесь в условиях микрогравитации, ваше тело принимает позу «зародыша»: вы немного сгибаетесь, ваши руки и ноги также принимают полусогнутое состояние. В таком положении вы не используете многие мышцы, особенно те, которые помогают вам поддерживать осанку (антигравитационные мышцы). По мере пребывания на борту МКС, ваши мышцы меняются. Их масса уменьшается, что приводит к «куриным лапкам». Ваше тело больше не нуждается в мышцах, которые медленно сокращаются, вроде тех, что используются в положении стоя. Нужны быстро сокращающиеся волокна, чтобы быстрее передвигаться по станции. Чем больше вы остаетесь на МКС, тем меньше у вас будет мышечной массы. Потеря мышечной массы ослабляет вас, и это, между прочим, является серьезной проблемой для длительных полетов, особенно после возвращения на Землю.
Остеопсатироз
На Земле ваши кости поддерживают вес вашего тела. Размер и масса костей тщательно сбалансированы. В условиях микрогравитации вашим костям больше не нужно поддерживать ваше тело, поэтому все ваши кости, особенно несущие, в районе бедер, ляжек и нижней части спины, используются меньше, чем на Земле. Размер и масса костей в невесомости уменьшаются примерно на 1% в месяц. В результате по возвращении на Землю они просто могут разрушиться. Неизвестно, каков процент восстанавливаемых костей после возвращения на Землю, но он точно не равен 100. Именно эта проблема вносит ограничения на время пребывания в космосе.
В дополнение к слабым костям, концентрация кальция в крови приводит к болезни почек, которым нужно этот избыточный кальций выводить. Могут образоваться камни в почках.
Контрмеры
Что можно сделать, чтобы облегчить пребывание в условиях микрогравитации? Что касается неодушевленных вещей, каждый объект на станции или корабле должен храниться в шкафу, быть привязан или крепиться к стене липучкой.
К примеру, если вы едите в условиях невесомости, вы должны прочно стоять на ногах в аппарате, а ваш поднос с едой должен быть прикреплен к вам ремешком. Как вы знаете, еда обычно хранится в тюбиках и представляет собой полужидкую массу, какой-нибудь рис или паштет, который можно легко выдавить из тюбика, и он не уплывет. Портативное оборудование, вроде ноутбука, также привязывается к вам или к стене корабля.
Давайте вспомним, что на борту МКС наше тело подвергается в основном трем изменениям: потеря жидкости, потеря мышечной ткани и потеря костной массы. Что же нужно делать, чтобы минимизировать эти потери?
Потеря жидкости
Одна из контрмер при потере жидкости — это устройство, которое называется «отрицательное давление нижнего тела» (ОДНТ), которое работает как пылесос пониже вашей талии, удерживая жидкость в ногах. Это устройство можно прикрепить к тренажеру, например, к беговой дорожке. Раз в день можно упражняться с ОДНТ по 30 минут, поддерживая сердечно-сосудистую систему в близком к земному состоянии.
Кроме того, до возвращения на Землю, можно выпить большое количество воды или раствор электролита, чтобы помочь восстановить потерянную жидкость в теле. Это предупредит обморок после выхода из космического корабля.
Уменьшение мышц и костей
NASA и Роскосмос выяснили, что лучший способ свести к минимуму потери мышечной и костной массы в космосе — это постоянные тренировки. Они тренируют мышцы, предотвращают их деградацию и создают нагрузку на кости, имитируя вес. Каждый день по два часа на разных тренажерах в особых ремешках — и вы сможете минимизировать потери мышечной и костной масс.
Тем не менее, ученые признают, что нужно больше исследований для выявления качественных контрмер. Причем как на борту МКС, так и на Земле, как с помощью людей, так и животных. Результаты исследований могут проложить дорогу к длительным поездкам, например, на Марс.
Как имитировать микрогравитацию на Земле?
Есть несколько человеческих и животных моделей для моделирования и изучения микрогравитации на Земле.
Наклон головы
Человек ложится на кровать, наклоняя голову вниз примерно на 5 градусов от горизонтальной линии. Наклон воспроизводит смещение жидкостей в организме, возникающее в условиях гравитации. Кроме того, не используются несущие кости и мышцы, тем самым вызывая атрофию.
Погружение в бассейн
Помещение предмета в теплый бассейн с водой на длительный период времени. Плавучесть воды перераспределяет жидкости в организме и облегчает несущие кости и мышцы, создавая условиях микрогравитации.
Подвешенные за хвост крысы
Крысы подвешиваются за хвосты в клетках на длительные периоды времени. Такое положение провоцирует смещение жидкостей и бездействие задних конечностей, что приводит к ухудшению мышц и костей.
Искусственная микрогравитация
Полет на самолете, который летит по параболической траектории вверх и вниз, создавая 30-секундные периоды микрогравитации при каждом пике. NASA использует эту технику при подготовке космонавтов, а также дает возможность испытать это ощущение всем желающим.
Заблуждение: причина невесомости на орбите — отсутствие гравитации
Согласно закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу, и сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратна пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть выражение «отсутствие гравитации» вообще не имеет смысла. На высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли — там, где летают пилотируемые корабли и космические станции — сила притяжения Земли очень велика и практически не отличается от силы гравитации вблизи поверхности.
Если бы существовала техническая возможность сбросить некий предмет с башни высотой километров 300, он бы начал падать вертикально и с ускорением свободного падения, точно так же, как он падал бы с высоты небоскреба или с высоты человеческого роста. Таким образом, во время орбитальных полетов сила земного притяжения не отсутствует и не ослабевает в значимых масштабах, а компенсируется. Точно так же, как для водных судов и аэростатов, сила притяжения земли компенсируется архимедовой силой, а для крылатых летательных аппаратов — подъемной силой крыла.
Да, но вот самолет-то летит и не падает, а пассажиру внутри салона не летают как космонавты на МКС. При обычном полете пассажир прекрасно ощущает свой вес, и от падения на землю его удерживает не непосредственно подъемная сила, а сила реакции опоры. Лишь во время аварийного или искусственно вызванного резкого снижения человек вдруг чувствует, что перестает давить на опору. Возникает невесомость. Почему? А потому что если потеря высоты происходит с ускорением, близким к ускорению свободного падения, то опора больше не мешает пассажиру падать — она и сама падает.
Понятно, что когда самолет прекратит резкое снижение, или, к несчастью, упадет на землю, тут-то и станет ясно, что гравитация никуда не девалась. Ибо в земных и околоземных условиях эффект невесомости возможен только во время падения. Собственно продолжительным падением и является орбитальный полет. Космическому кораблю, двигающемуся по орбите с первой космической скоростью, мешает упасть на Землю сила инерции. Взаимодействие гравитации и инерции имеет название «центробежной силы», хотя в реальности такой силы не существует, это в некотором роде фикция. Аппарат стремится двигаться по прямой (по касательной к околоземной орбите), но земная гравитация постоянно «закручивает» траекторию движения. Здесь эквивалентом ускорения свободного падения является так называемое центростремительное ускорение, в результате которого меняется не значение скорости, а ее вектор. И поэтому скорость корабля остается неизменной, а направление движение постоянно меняется. Поскольку и корабль, и космонавт движутся с одной и той же скоростью и с тем же самым центростремительным ускорением, космический аппарат не может выступать в качестве опоры, на которую давит вес человека. Вес — это возникающая в поле сил тяжести сила воздействия тела на опору препятствующую падению, А корабль, как и резко снижающийся самолет, падать не мешает.
Невесомость в космосе
Вы, наверное, не раз видели фотографии космонавтов, плавающих внутри отсека Международной космической станции. Невесомость в космосе может показаться чем-то весёлым, но на самом деле она предъявляет большие требования к человеческому телу. При определённых обстоятельствах воздействие невесомости может нанести серьезный ущерб здоровью. Рассказываем об этом в статье.
Что такое невесомость?
Невесомость — это состояние, испытываемое при свободном падении, при котором действие силы тяжести отменяется инерционной силой, возникающей в результате орбитального полёта. За исключением космического полёта, истинная невесомость может быть испытана лишь на короткое время. Например, в самолете, идущем по параболической траектории.
Как невесомость влияет на здоровье человека?
Из первых советских и американских пилотируемых полётов стало известно, что даже во время относительно коротких космических миссий у астронавтов наблюдается снижение частоты сердечных сокращений и дыхания, а также прогрессирующая потеря массы тела и костного кальция. В более поздних миссиях большей продолжительности (американские «Скайлэб» и советские «Салют») были проведены обширные биомедицинские исследования. Их результаты показали, что периодические физические упражнения с правильно сконструированным аппаратом крайне необходимы для поддержания здоровья в условиях полёта.
Также было установлено, что человеческому организму требуется примерно 40 дней, чтобы приспособиться к невесомости. В такой среде происходит перераспределение телесных жидкостей, увеличивается рост, масса тела обычно, но не всегда, уменьшается с потерей мышечной ткани, вены и артерии ног становятся слабее, возникает анемия. По возвращении на Землю космонавты испытывают чувство слабости и утраты равновесия. На восстановление им требуется около недели.
Почему на орбите Земли в действительности не существует невесомости
С момента запуска первых спутников прошло более 60-и лет и, казалось бы, даже рядовые обыватели должны иметь базовые представления о принципах работы этих аппаратов. Ведь знаем же мы, каким образом удается удерживаться в воздухе тяжелым самолетам. А что там насчет спутников и всем известной МКС, онлайновые трансляции с которой сегодня можно просматривать в своем смартфоне? Как она летает и почему не падает, двигатели ведь у нее отключены? «Ну, это же понятно, ведь на орбите невесомость», — скажите вы и ошибетесь.
Надо сказать, что мнение, согласно которому для достижения невесомости нужно подняться на определенную высоту над Землей, довольно распространено. При этом весьма удивительным является его принятие как нечто неоспоримого, а ведь стоит задать себе один-единственный вопрос, как тут же возникают сомнения в истинности оного мнения. Скажите вот на милость, если в Космосе невесомость, то почему в него не улетает Луна? Почему планеты вращаются вокруг Солнца, а не разлетаются в разные стороны? Правильно, их удерживает гравитация, а по сути — то же самое притяжение.
Возможно, вы будете удивлены, но на высоте несколько сот и даже тысяч километров над Землей сила этой самой гравитации столь же велика, как и на ее поверхности. Представьте себе башню, вершина которой достигает орбиты МКС. Очень высоко, на 350 километров выше линии Кармана — границы, за которой условно начинается Космос. Если бросить с вершины этой башни какой-нибудь предмет, он устремится вертикально вниз с обычным для земных условий ускорением. То же самое должно произойти со спутниками и космическими станциями с их обитателями, но этого не происходит. Почему?
Оказывается, всё довольно просто. Сила тяготения на околоземной орбите не ослабевает, а компенсируется центробежной силой, возникающей вследствие вращения корабля вокруг Земли с определенной скоростью, а именно с первой космической, составляющей 28 тысяч километров в час. Если она станет меньше, начнет ощущаться сила земного притяжения, а сам корабль станет снижаться и «зарываться» в слои атмосферы. Увеличьте скорость до второй космической — и астронавтов потянет в противоположную сторону, а космический челнок покинет орбиту Земли и начнет вращаться вокруг Солнца, если, конечно, наберет достаточную для этого скорость.
Чтобы всё стало более понятно, налейте в ведерце немного воды и раскрутите вертикально. И хотя ведро в какой-то момент оказывается в верхней точке, вода из него не выливается под действием гравитации, будучи удерживаема противоположной силой инерции движения. Вот вам и весь секрет орбитальной невесомости. Если же вам нужна невесомость истинная, садитесь на сверхбыстрый космический корабль и отправляйтесь далеко за пределы Солнечной системы, в межгалактическое пространство, где гравитационные поля наиболее слабы. Впрочем, даже тогда вам не удастся полностью укрыться от их вездесущей силы, и вы продолжите неощутимо «падать» в направлении ближайшего скопления материи.
Почему невесомость для космонавта представляет угрозу
Без «Чибиса» и «Пингвина» полет не тот
Люди летают в космос уже шесть десятков лет, тем не менее эта среда продолжает оставаться для них чрезвычайно агрессивной. Но организм человека умный, довольно быстро адаптируется к новым условиям — состояние многих органов и систем значительно меняется. Ученые уже давно заметили: в невесомости выключается из работы мускулатура поддержания позы, отсутствует стимуляция гравирецепторов стоп и очень быстро наступает процесс деградации мышц. И если в космосе эти изменения можно считать благоприятными для жизни и деятельности человека, то по возвращении его на Землю представляют значительную угрозу.
Олег НОВИЦКИЙ во время тренировки в специальном нагрузочном костюме «Чибис».
Попалась на глаза информация несколько лет назад, что изменения, происходящие в мышечной ткани и структуре кровеносных сосудов во время космического полета, очень похожи на клинические проявления при инсультах. Согласитесь, приятного мало. Как-то брала интервью у В. И. Почуева, начальника медицинского управления Центра подготовки космонавтов. В беседе со мной он вспомнил, как впервые принимал участие в послеполетной реабилитации космонавтов: «Я пришел в ЦПК, имея за плечами большой опыт работы в клиниках. Участвовал в первой реабилитации. Столкнувшись с оценкой состояния здоровья человека после космоса, посмотрев результаты его анализов, воскликнул: «Это же больной человек! Его нужно срочно госпитализировать! Почему мы тянем?!» Но мне подсказали опытные коллеги, что это специфические изменения кровеносной системы, системы белкового обмена и т.д., характерные для космонавта после полета. Сегодня мы уже знаем, к какому сроку те или иные изменения должны прийти в норму. Через три недели можно отменять меднаблюдение и направлять космонавта на санаторный этап реабилитации».
Я уже писала о том, что физкультуре на орбите уделяется много времени. Незадолго до приземления в занятия спортом вносятся небольшие коррективы. Олег недавно сказал, что беговую дорожку ему теперь планируют по два раза ежедневно. Кроме того, он тренируется в специальном нагрузочном костюме «Чибис» — герметичная одежда, управляемая компьютером. Если говорить научным языком, это профилактический вакуумный комплект, предназначенный для создания разряжения вокруг нижней части тела космонавта в целях оценки состояния сердечно-сосудистой системы и медицинского контроля за уровнем ортостатической устойчивости, а также для профилактики и тренировки сердечно-сосудистой системы. А проще… С его помощью в условиях невесомости на нижнюю часть тела создается отрицательное давление, тем самым имитируется земная гравитация.
В условиях микрогравитации жидкость в организме перераспределяется. И по сравнению с нормой, к которой мы все привыкли с рождения, в нижней половине туловища и в ногах ее количество уменьшается. При надевании «Чибиса», когда внутри создается отрицательное давление в диапазоне от 10 до 60 мм рт. ст., как раз и происходит перемещение жидкости к ногам. Олег рассказывал, что процесс тренировки занимает примерно час или чуть больше (вместе с подготовительной работой и снятием костюма). Обычно 6—7 раз бывает достаточно, чтобы подготовить космонавта к приземлению. Еще в первом полете он снял коротенькое видео на эту тему и прислал мне.
Кстати, о том, насколько тяжело организму человека без земной гравитации, впервые узнали в 1970 году, когда после 18-суточного полета на Землю вернулись космонавты Николаев и Севастьянов. Они несколько дней не могли не только ходить, но и стоять! Тогда на несколько лет отменили длительные полеты, а ученые озадачились необходимостью создания средств профилактики. И вскоре появился вакуумный комплект «Чибис».
Используют космонавты и еще один костюм с «птичьим» названием — «Пингвин». Как и все гениальное, он очень прост: это резиновые тяги, которые нагружают скелет человека, создавая тяги, аналогичные тем, которые создает мышца. Упругие элементы этого костюма соединяются между собой тканевыми и ленточными связями с пряжками, вследствие чего его легко можно регулировать как по росту, так и по величине нагрузки. При каждом движении «Пингвин» создает сопротивление, чем-то похожее на земное, заставляя тем самым работать мышцы.
Разработан костюм, если не ошибаюсь, все на том же легендарном предприятии «Звезда», где делают полетные и выходные скафандры. А вот видео Олега в нем у меня нет. Муж почему-то не присылал ни разу за все три полета, хотя перед посадкой космонавты обязательно надевают его и так работают. Наверное, не до съемок было.
Кстати, на Земле «Пингвин» стал прототипом костюма, который используют для лечения детского церебрального паралича и реабилитации пациентов после черепно-мозговых травм и ишемического инсульта. Он не только помогает прямо стоять, правильно двигаться и дает нагрузку мышцам, но даже, говорят, восстанавливает речь.
Что же касается космонавтов… По словам медиков, сколько человек в космосе, ровно столько будет восстанавливаться после возвращения на Землю. Вот почему через полгода после посадки проходит медицинская комиссия, на которой решают, годен ли космонавт к новому полету.