Министерство образования, науки и молодежной политики Краснодарского края государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Краснодарского края «Краснодарский архитектурно-строительный техникум» (ГБПОУ КК КАСТ) ОТДЕЛЕНИЕ «СТРОИТЕЛЬСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ» 21.02.08 «Прикладная геодезия» ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «Невесомость» Выполнил студент 1 курса очного отделения, ____________ Гуров Данил Евгеньевич группы 464 ПГ (подпись) Руководитель ____________ Дмитриева Ангелина (подпись) Допущен (-а) к защите Федоровна «_____»_______________20__ г. Защищена «____»______________20__г Краснодар, 2022 Оценка _________________ СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3 1 Невесомость .......................................................................................................... 5 1.1 Сила тяжести .................................................................................................. 5 1.2 Невесомость .................................................................................................... 7 1.3 Воздействие невесомости на организм человека ..................................... 14 2 Практическая часть ............................................................................................ 16 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 19 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................. 20 ВВЕДЕНИЕ Актуальность проекта заключается в том, что не смотря на изученность такого понятия, как «невесомость», обычный студент не так много знает, что это и как оно действует. Явление невесомости всегда вызывало у меня интерес. Еще бы, каждому человеку хочется летать, а невесомость – это что-то близкое к состоянию полета. До начала исследования мне было известно лишь то, что невесомость – состояние, при котором все предметы летают, а космонавты не могут стоять на ногах, как на Земле. Невесомость является скорее проблемой для космонавтов, чем необычным явлением. Во время полета в космическом корабле могут возникнуть проблемы со здоровьем, а после приземления космонавтов необходимо заново учить ходить, стоять. Таким образом, очень важно знать, что такое невесомость, и как она влечет на самочувствие людей, путешествующих в космическом пространстве. Как следствие, необходимо решить эту проблему, создавая программы по уменьшению риска неблагоприятного влияния невесомости на организм. Цель моей работы – выяснить что такое «невесомость», а также рассмотреть её воздействие на человека. Для достижения этой цели следует поставить следующие задачи: дать понятие невесомости в комплексном виде (т.е. рассмотреть его с разных сторон), отметить актуальность данного понятия не только в рамках изучения космического пространства, отрицательного воздействия на человека, но и в рамках возможности использования на Земле технологии, изобретенных для уменьшения этого воздействия; проведения некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях. Теоретическая значимость проекта заключается в предоставлении знаний о теме проекта Практическая значимость проекта заключается в том, чтобы разобраться в теме и на основе приобретённых знаний уметь решать задачи, связанные с невесомостью 1 Невесомость 1.1 Сила тяжести Сила тяжести – сила, действующая на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела. Силу тяжести, с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни. Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. Также вес можно определить как реакцию опоры. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса. Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе. Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной. На тело действуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила упругости, с которой опора действует на тело. Силу называют силой нормального давления или силой реакции опоры. Силы, действующие на тело, уравновешивают друг друга. В соответствии с третьим законом Ньютона тело действует на опору с некоторой силой P равной по модулю силе реакции опоры и направленной в противоположную сторону. По определению, сила и называется весом тела. Из приведенных выше соотношений видно, что т.е. вес тела равен силе тяжести, но эти силы приложены к разным телам Рисунок 1. Вес тела и сила тяжести. Где, – сила тяжести, – сила реакции опоры, – сила давления тела на опору (вес тела). Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции опоры (подвеса) играет упругая сила пружины. По растяжению пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Привода в равновесие рычажные весы путем уравнивания веса тела суммарным весом гирь, мы одновременно достигаем равенства массы тела суммарной массе гирь, независимо от значения ускорения значения свободного падения в данной точки земной поверхности. Например, при подъеме в горы высотой 1 км показания пружинных весов изменяются на 0,0003 от своего значения на уровне моря. При этом равновесие рычажных весов сохраняется. Поэтому рычажные весы являются прибором для определения массы тела путем сравнения с массой гирь (эталонов). Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или подвешено на пружине) в кабинете лифта, движущейся с некоторым ускорением, относительно Земли. Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действует сила тяжести и сила реакции опоры, но теперь эти силы не уравновешивают друг друга. По второму закону Ньютона. Сила, действующая на опору со стороны тела, которую и называют весом тела, по третьему закону Ньютона равна. Следовательно, вес тела в ускоренно движущемся лифте есть. Пусть вектор ускорения направлен по вертикали (вниз или вверх). Если координатную ось OY направить вертикально вниз, то векторное уравнение для можно переписать в скалярной форме. В этой формуле величины 𝑃, 𝑔 и 𝑎 следует рассматривать как проекции векторов на ось OY. Так как эта ось направлена вертикально вниз, а величины 𝑃 и 𝑎 могут быть ка положительными, так и отрицательными. Пусть, для определенности, вектор ускорения направлен вертикально вниз. Рисунок 2. Вес тела в ускоренно движущемся лифте. Где, вектор ускорения направлен вертикально вниз. Из формулы видно, что если, то вес тела P, в ускоренно движущемся лифте, меньше силы тяжести. Если, то вес тела изменяет знак. Это означает что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если, то. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью. 1.2 Невесомость Итак, тело находится в состоянии невесомости, когда оно под действием силы тяжести движется с ускорением свободного падения. При этом оно не давит на опору и не растягивает подвес, поэтому их можно вообще убрать. Однако находящееся в состоянии невесомости тело не обязательно должно падать вниз. Вспомним, ускорение брошенного произвольным образом тела во время всего полета равно ускорению свободного падения (если можно пренебречь сопротивлением воздуха). Следовательно, брошенное тело находится в состоянии невесомости во время всего полета. Чтобы испытать кратковременное состояние невесомости, достаточно просто подпрыгнуть. Рисунок 3. Кратковременное состояние невесомости Длительное состояние невесомости испытывают космонавты при выключенных двигателях космического корабля. При этом как корабль, так и космонавты находятся под действием только силы тяжести, то есть движутся с ускорением свободного падения. Невесомость – это состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, пренебрежимо мала. Иногда можно слышать другое название эффекта – микрогравитация. Довольно часто исчезновение веса путают с исчезновением гравитационного притяжения. Это не так. В качестве примера можно привести ситуацию на Международной космической станции (МКС). На высоте 350 километров (высота нахождения станции) ускорение свободного падения имеет значение 8,8, что всего лишь на 10 % меньше, чем на поверхности Земли. Состояние невесомости на МКС возникает не из-за «отсутствия гравитации», а за счет движения по круговой орбите с первой космической скоростью, то есть космонавты как бы постоянно «падают вперед» со скоростью 7,9. Невесомость - сложное физическое явление. Состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Мы живем в век начала освоения космоса, в век полётов космических кораблей вокруг Земли, на Луну и на другие планеты Солнечной системы. Нам часто приходится слышать и читать о том, что лётчики-космонавты и все предметы на космическом корабле во время его полёта находятся в особом состоянии, называемом состоянием невесомости. Само слово невесомость говорит о том, что у тела отсутствует вес, то есть оно не давит на опору и не растягивает подвес. Причина невесомости заключается в том, что сила всемирного тяготения (взаимное притяжение всех тел во Вселенной) сообщает телу и его опоре одинаковые ускорения. Поэтому всякое тело, которое движется под действием только силы всемирного тяготения, находится в состоянии невесомости. Рассмотрим подробнее: Силу тяжести 𝑚𝑔⃗ которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни. Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса. Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе (рис.1.11.1). Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной. На тело действуют сила тяжести⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐹т = 𝑚𝑔⃗ направленная вертикально вниз, и сила ⃗⃗, с которой опора действует на тело. Силу 𝑁 ⃗⃗ называют силой упругости ⃗⃗⃗⃗ 𝐹𝑦 = 𝑁 нормального давления или силой реакции опоры. Силы, действующие на тело, ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ уравновешивают друг друга:𝐹⃗т = −𝐹 𝑦 = − 𝑁. В соответствии с третьим законом Ньютона тело действует на опору с некоторой силой 𝑃⃗⃗ равной по модулю силе реакции опоры и направленной в противоположную сторону:𝑃⃗⃗ = ⃗⃗. По определению, сила 𝑃⃗⃗ и называется весом тела. Из приведенных выше −𝑁 соотношений видно, что 𝑃⃗⃗ = ⃗⃗⃗⃗ 𝐹т = 𝑚𝑔⃗ т.е. вес тела 𝑃⃗⃗ равен силе тяжести 𝑚𝑔⃗ Но эти силы приложены к разным телам! Рисунок 1 – Тело на столе ⃗⃗ – сила реакции опоры, 𝑃⃗⃗ Вес тела и сила тяжести. 𝑚𝑔⃗ – сила тяжести, 𝑁 ⃗⃗ = 𝑃⃗⃗ – сила давления тела на опору (вес тела). 𝑚𝑔⃗ = −𝑁 Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции опоры (подвеса) играет упругая силы пружины. По растяжению пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Приводя в равновесие рычажные весы путем уравнивая веса тела суммарным весом гирь, мы одновременно достигаем равенства массы тела суммарной массе гирь, независимо от значения ускорения свободного падения в данной точке земной поверхности. Например, при подъеме в горы на высоту 1 км показания пружинных весов изменяются на 0,0003 от своего значения на уровне моря. При этом равновесие рычажных весов сохраняется. Поэтому рычажные весы являются прибором для определения массы тела путем сравнения с массой гирь (эталонов). Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или подвешено на пружине) в кабине лифта, движущейся с некоторым ускорением 𝑎⃗ относительно Земли. Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действуют сила тяжести 𝑚𝑔⃗ и сила ⃗⃗ опор, но теперь эти силы не уравновешивают друг друга. По реакции 𝑁 второму закону Ньютона ⃗⃗ = 𝑚𝑎⃗ или 𝑁 ⃗⃗ = 𝑚(𝑎⃗ − 𝑔⃗) 𝑚𝑔⃗ + 𝑁 Сила 𝑃⃗⃗ действующая на опору со стороны тела, которую и называют ⃗⃗ Следовательно, вес тела в весом тела, по третьему закону Ньютона равна − 𝑁 ускоренно движущемся лифте есть 𝑃⃗⃗ = 𝑚(𝑔⃗ − 𝑎⃗) Пусть вектор ускорения 𝑎⃗ направлен по вертикали (вниз или вверх). Если координатную ось OY направить вертикально вниз, то векторное уравнение для 𝑃⃗⃗ можно переписать в скалярной форме: 𝑃 = 𝑚(𝑔 − 𝑎) В этой формуле величины P,g и a следует рассматривать как проекции векторов 𝑃⃗⃗,𝑔⃗ и 𝑎⃗ на ось OY. Так как эта ось направлена вертикально вниз, 𝑔 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 > 0, а величины 𝑃 и a могут быть как положительными, так и отрицательными. Пусть, для определенности, вектор ускорения 𝑎⃗ направлен вертикально вниз, тогда 𝑎 > 0 (рис. 2). Рисунок 2 – Тело в лифте Вес тела в ускоренно движущемся лифте. Вектор ускорения направлен вертикально вниз. 1)𝑎 < 𝑔, 𝑃 < 𝑚𝑔; 2) 𝑎 = 𝑔, 𝑃 = 0(невесомость); 3)𝑎 > 𝑔,𝑃 < 0 Из формулы видно, что если 𝑎 < 𝑔, то вес тела 𝑃 в ускоренно движущемся лифте меньше силы тяжести. Если 𝑎 > 𝑔, то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если 𝑎 = 𝑔, то 𝑃 = 0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью. Оно возникает, например, в кабине космического корабля при его движении по орбите при выключенными реактивных двигателями. Если вектор ускорения 𝑎⃗ направлен вертикально вверх (рис.1.11.3), то 𝑎 < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки испытывают космонавты, как при взлете космической ракеты, так и на участке торможения при входе корабля в плотные слои атмосферы. Большие перегрузки испытывают летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, особенно на сверхзвуковых самолетах. Рисунок 3 – Тело в поднимающемся лифте Вес тела в ускоренно движущемся лифте. Вектор ускорения 𝑎⃗ направлен вертикально вверх. Вес тела приблизительно в два раза превышает по модулю силу тяжести (двукратная перегрузка) Рисунок 4 - Человек в лифте Итак, длительную невесомость человек испытывает в космосе, в космическом корабле, на орбитальной станции. Невесомость - главное отличие космической жизни от земной. Она влияет на всё: на кровообращение, дыхание, настроение, физиологические и биологические процессы. Невесомость - уникальное явление космического полёта. На Земле мы привыкли, если, например, дождевая капля упадёт с ветки или листа, то она обязательно попадёт на землю. На орбитальной станции всё иначе: лети, куда хочешь, и не упадёшь. Тяжесть - самое надежное качество, которым обладает каждый предмет на Земле. Тяжесть — это то, что природа распределила равномерно: поровну на каждую единицу массы. В течение всего времени орбитального полёта космонавты находятся в состоянии невесомости. Они теперь не ходят, а плавают, отталкиваясь как от опоры, от стен или от заземлённых предметов. Космонавты могут, образно говоря, ходить по потолку. Сила притяжения отсутствует, тело делается непривычно лёгким, при этом кровь тоже делается невесомой. Несмотря на кажущуюся лёгкость, передвижение в невесомости - дело непростое. Оказавшись в невесомости, - рассказывает космонавт - у космонавта вся кровь и жидкость приливает в голову. Голова тяжёлая, заложен нос, глаза красные, плохо думается. После длительного полёта в невесомости организм космонавта испытывает резкий переход к большим перегрузкам, которые будут вызваны включением тормозной установки корабля. Длительное пребывание в невесомости - отрицательно сказывается на здоровье космонавта. Влияние невесомости на организм человека так полностью и не разгадано. Невесомость можно обнаружить лишь вдали от массивных тел, вызывающих гравитационное поле. Но ощутить невесомость, можно и не покидая поля притяжения Земли! Например, парашютист, пока он не раскрыл свой парашют и пребывает в состоянии свободного падения, находится в состоянии невесомости. Правда, сильнейший встречный воздушный поток не даёт насладиться невесомостью в полной мере. 1.3 Воздействие невесомости на организм человека При переходе из условий земной гравитации к условиям невесомости (в первую очередь – при выходе космического корабля на орбиту), у большинства космонавтов наблюдается реакция организма, называемая синдромом космической адаптации. При длительном (более недели) пребывании человека в космосе отсутствие гравитации начинает вызывать в организме определенные изменения, носящие негативный характер. Первое и самое очевидное последствие невесомости – стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма. Кроме того, следствием резкого уменьшения активности мышечных тканей является сокращение потребление организмом кислорода, и из-за возникающего избытка гемоглобина может понизится деятельность костного мозга, синтезирующего его (гемоглобин). Также есть основания полагать, что ограничение подвижности нарушит фосфорный обмен в костях, что приведет к снижению их прочности. Еще один бонус от невесомости – это увеличение роста из-за низкого давления. Оно воздействует на позвоночник и человек вырастает как минимум на 5 сантиметров. Те, кто возвращается из космоса, рассказывают, что очень трудно двигать руками и ногами сразу же после прилета. Поэтому приземление многие называют вторым рождением. А еще возникают проблемы с адаптацией к восприятию притяжения. Если предмет падает, то он все-таки падает и для астронавтов это несколько непривычно. 2 Практическая часть Изучив предоставленную информацию, я решил выяснить: «Как много людей знают о свойствах невесомости?». Для ответа на мой вопрос я задал несколько других вопросов своим одногруппникам. Мои вопросы: «Знаете ли Вы из-за чего появляется гравитация?», «Знаете ли Вы как образуется невесомость?», «Знаете ли Вы как достичь состояния невесомости в домашних условиях?», «Знаете ли Вы какой вред может нанести невесомость астронавтам?», «Знаете ли Вы силу похожую на силу тяжести, но при этом центр силы смещён ниже, чем у силы тяжести?» Вариантов ответа на данные вопросы предложено два. Ответы указаны на диаграммах. Знаете ли Вы из-за чего образуется гравитация? 30 25 20 15 10 5 0 Да Нет Диаграмма 1 - Результаты вопроса: «Знаете ли Вы из-за чего появляется гравитация?» «Знаете ли Вы как образуется невесомость?» 13,2 13 12,8 12,6 12,4 12,2 12 11,8 11,6 11,4 Да Нет Диаграмма 2 – Результаты вопроса: «Знаете ли Вы как образуется невесомость?» «Знаете ли Вы как достичь состояния невесомости в домашних условиях?» 25 20 15 10 5 0 Да Нет Диаграмма 3 – Результаты вопроса: «Знаете ли Вы как достичь состояния невесомости в домашних условиях?» «Знаете ли Вы какой вред может нанести невесомость астронавтам?» 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Да Нет Диаграмма 4 – Результаты вопроса: «Знаете ли Вы какой вред может нанести невесомость астронавтам?» «Знаете ли Вы силу похожую на силу тяжести, но при этом центр силы смещён ниже, чем у силы тяжести?» 25 20 15 10 5 0 Да Нет Диаграмма 5 – Результаты вопроса: ЗАКЛЮЧЕНИЕ Слово «невесомость» сейчас знакомо каждому. Невесомость - главное отличие космической жизни от земной. Но в начале 20 века Циолковскому К.Э. пришлось «придумать» для обозначения совершенно необычного состояния, которое наступает в ракете, когда она, отключив двигатели, вращается вокруг Земли или движется к другим планетам. Данная работа позволила мне расширить и углубить свои знания о невесомости, усилить свой интерес к физике, космосу. Невесомость можно получить не только в космосе, но и на Земле. Но на Земле может быть получена только кратковременная невесомость, невесомость с частичной потерей веса тела. Что такое невесомость? Когда наступает невесомость? В чем она проявляется? Бывает ли человек в состоянии невесомости в обыденной жизни? А можно ли получить невесомость на Земле? В своем проекте я попыталась ответить на данные вопросы. Цели и задачи, поставленные мной были успешно выполнены СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. Физика. 10 класс: учеб. для общеобразовательных организаций; под ред. Н.А. Парфентьевой. – М.: Просвещение, 2014. – 416. 2. https://ru.m.wikipedia.org/wiki 3. http://phscs.ru/physics10/weight 4. http://www.its-physics.org/ves-i-nevesomost 5. http://moesoznaye.ru/kosmos/268-7-interesnyh-faktov-o- nevesomosyi.html
