Состояние невесомости

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие притяжения Землёй давит на неподвижную (относительно Земли) горизонтальную подставку или натягивает нить подвеса. Вес тела равен силе тяжести.

Поскольку опора или подвес в свою очередь действуют на тело, то характерный признак весомости - наличие в теле деформаций, вызванных его взаимодействием с опорой или подвесом.

При свободном падении тел деформации в них отсутствуют, тела в этом случае находятся в состоянии невесомости. На рисунке изображена установка, с помощью которой можно это обнаружить. Установка состоит из пружинных весов, к которым подвешен груз. Вся установка может двигаться по направляющим вниз и вверх.

Если весы с грузом свободно падают, то указатель весов стоит на нуле, значит, пружина весов при этом не деформирована.

Разберём это явление, пользуясь законами движения. Допустим, что груз, подвешенный на пружине, движется вниз с ускорением а. На основании второго закона Ньютона мы можем сказать, что на него действует сила, которая равна разности сил Р и F, где Р - сила тяжести, a F - сила упругости пружины, приложенные к грузу. Итак,

ma = Р - F или ma = mg - F

Отсюда

F = m (g - a)

При свободном падении груза а = g и, следовательно,

F - m (g - а) = 0

Это указывает на отсутствие в пружине (и в грузе) упругих деформаций.

Состояние невесомости имеет место не только при свободном падении, но и при любом свободном полёте тела, когда на него действует только одна сила тяжести. В этом случае частицы тела не действуют на опору или подвес и не получают под влиянием тяготения к Земле ускорения относительно этой опоры или подвеса.

Если установку, изображённую на рисунке, резким рывком за верёвку заставить свободно двигаться вверх, то указатель весов при таком движении будет стоять на нуле. И в этом случае весы и груз, двигаясь вверх с одинаковым ускорением, не взаимодействуют друг с другом.

Итак, если на тела действует лишь одна сила тяжести, то они находятся в состоянии невесомости, характерный признак которого - отсутствие у них деформаций и внутренних напряжений.

Состояние невесомости не следует смешивать с состоянием тела, находящегося под действием уравновешенных сил. Так, если тело находится внутри жидкости, вес которой в объёме тела равен весу тела, то сила тяжести уравновешивается выталкивающей силой, Но тело будет давить на жидкость (как на опору), вследствие чего напряжения, вызванные в нём силой тяжести, не исчезнут, а значит, оно не будет находиться в состоянии невесомости.

Рассмотрим теперь невесомость тел на искусственных спутниках Земли. При свободном полёте спутника по орбите вокруг Земли сам спутник и все тела, находящиеся на нём, в системе отсчёта, связанной с центром массы Земли или с «неподвижными» звёздами, движутся с одинаковым в каждый данный момент времени ускорением. Величина этого ускорения определяется действующими на них силами тяготения к Земле (силы тяготения к другим космическим телам можно не учитывать, они очень малы). От массы тела, как мы видели, это ускорение не зависит. При этих условиях между спутником и всеми находящимися на нём телами (а также и между их частицами), взаимодействия, обусловленного тяготением к Земле, не будет. Это значит, что при свободном полёте спутника все находящиеся в нём тела будут в состоянии невесомости.

Не закреплённые в корабле-спутнике тела, сам космонавт свободно парят внутри спутника; жидкость, налитая в сосуд, не давит на дно и стенки сосуда, поэтому она не вытекает через отверстие в сосуде; отвесы (и маятники) покоятся в любом положении, в котором их остановили.

Космонавту, чтобы удержать руку или ногу в наклонном положении, не требуется никакого усилия. У него исчезает представление о том, где «верх» и где «низ».

Если сообщить какому-нибудь телу скорость относительно кабины спутника, то оно будет двигаться прямолинейно и равномерно, пока не столкнётся с другими телами.

Чтобы ликвидировать возможные опасные последствия действия состояния невесомости на жизнедеятельность живых организмов, и прежде всего человека, учёные разрабатывают различные способы создания искусственной «тяжести», например путём придания, будущим межпланетным станциям вращательного движения вокруг центра тяжести. Сила упругости стенок будет создавать необходимое центростремительное ускорение, и вызывать деформации в соприкасающихся с ними телах, подобные тем, которые они имели в условиях Земли.

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ