Космонавты на околоземной орбите испытывают состояние невесомости потому что
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.
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 в космосе испытывают состояние невесомости?
Как Вы думаете почему космонавты в космосе испытывают состояние невесомости? Есть большая вероятность что ответите не правильно.
На вопрос, почему предметы и космонавты в условиях космического корабля предстают в состоянии невесомости, многие люди дают такой ответ:
1. В космосе отсутствует сила тяжести, поэтому они ничего не весят.
2. Космос — это вакуум, а в вакууме нет силы тяжести.
3. Космонавты находятся слишком далеко от поверхности Земли, чтобы на них могла действовать сила её притяжения.
Все эти ответы неверны!
Главное, что нужно понимать это то, что в космосе ЕСТЬ сила тяжести. Это довольно распространенное ошибочное представление. Что удерживает Луну на её орбите вокруг Земли? Сила тяжести. Что удерживает Землю на орбите вокруг Солнца? Сила тяжести. Что не позволяет галактикам разлетаться в разные стороны? Сила тяжести.
Сила тяжести существует в космосе везде!
Если бы вы построили на Земле вышку высотой 370 км (230 миль), приблизительно как высота орбиты космической станции, то сила тяжести, действующая на вас наверху вышки, была бы почти такой же, как и на поверхности земли. Если бы вы решились сделать шаг с вышки, вы бы устремились к Земле точно так же, как это собирается сделать чуть позже в этом году Феликс Баумгартнер (Felix Baumgartner), когда предпримет попытку совершить прыжок с края космоса. (Конечно, при этом мы не учитываем низкие температуры, которые мгновенно начнут вас замораживать, или как отсутствие воздуха или аэродинамического сопротивления будет убивать вас, а падение сквозь слои атмосферного воздуха заставит все части вашего тела испытать на собственном опыте, что такое «содрать три шкуры». И к тому же, внезапная остановка также причинит вам массу неудобств).
Да, так почему же космическая орбитальная станция или спутники, находящиеся на орбите, не падают на Землю, и почему космонавты и окружающие их предметы внутри международной космической станции (МКС) или любого другого космического корабля кажутся плавающими?
Оказывается, все дело в скорости!
Космонавты, сама международная космическая станция (МКС) и другие объекты, находящиеся на земной орбите, не плавают, — на самом деле, они падают. Но они не падают на Землю из-за своей огромной орбитальной скорости. Вместо этого они «падают вокруг» Земли. Объекты на земной орбите должны двигаться со скоростью, по меньшей мере, 28,160 км/ч (17,500 миль в час). Поэтому, как только они ускоряются относительно Земли, сила притяжения Земли сразу же изгибает и уводит траекторию их движения вниз, и они никогда не преодолеют этот минимум сближения с Землей. Поскольку космонавты имеют такое же ускорение, как и космическая станция, они испытывают состояние невесомости.
Случается, что мы тоже можем испытать это состояние — кратковременно — на Земле, в момент падения. Приходилось ли вам бывать на аттракционе «американские горки», когда сразу после прохождения наивысшей точки («вершины горки»), когда тележка уже начинает катиться вниз, ваше тело поднимает c сидения? Если бы вы находились в лифте на высоте стоэтажного небоскреба, и произошел обрыв троса, то пока лифт падал, вы бы парили в невесомости в кабине лифта. Конечно, в этом случае финал оказался бы намного драматичнее.
И потом, вы, вероятно, слышали об аэроплане, обеспечивающем состояние невесомости («Vomit Comet») — аэроплан KC 135, который НАСА использует для создания кратковременных состояний невесомости, для тренировок космонавтов и проверки экспериментов или оборудования в условиях невесомости (zero-G), а также для осуществления коммерческих полетов в невесомости, когда самолет летит по параболической траектории, как в аттракционе «американские горки» (но с большими скоростями и на больших высотах), проходит через вершину параболы и устремляется вниз, то в момент падения самолета создаются условия невесомости. К счастью, самолет выходит из пикирования и выравнивается.
Однако, давайте вернемся к нашей вышке. Если бы вместо обыкновенного шага с вышки вы совершили прыжок с разбега, ваша энергия, направленная вперед, отнесла бы вас далеко от вышки, вместе с тем, сила тяжести снесла бы вас вниз. Вместо того, чтобы приземлиться у основания вышки, вы бы приземлились на расстоянии от неё. Если бы при разбеге вы увеличили скорость, вы смогли бы прыгнуть дальше от вышки, прежде чем достигли бы земли. Ну, а если бы вы могли бегать так же быстро, как движется по орбите вокруг Земли космический корабль многоразового использования и МКС, со скоростью 28,160 км/ч (17,500 миль в час), то дуговая траектория вашего прыжка сделала бы круг вокруг Земли. Вы бы находились на орбите и испытывали состояние невесомости. Но вы бы падали, не достигая поверхности Земли. Правда, скафандр и запасы воздуха, пригодного для дыхания, вам все же понадобились бы. А если бы вы могли бегать со скоростью примерно 40,555 км/ч (25,200 миль в час), вы бы выпрыгнули сразу за пределы Земли и начали вращаться вокруг Солнца.
Международная орбитальная космическая станция, космический корабль многоразового использования («Шаттл»), а также спутники специально спроектированы так, чтобы оставаться на орбите, не падая на землю и не срываясь в космос. Они совершают полный виток вокруг Земли примерно каждые 90 минут.
Поэтому, когда вы на орбите, вы находитесь в состоянии свободного падения и испытываете невесомость.
ТЕПЕРЬ ВЫ ЗНАЕТЕ ВСЕ!!
спасибо за внимание.
Почему космонавты попадают в невесомость — объяснение для детей
Состояние невесомости в космосе – описание для детей: влияние гравитации Земли, падение в пространстве, скорость орбиты вокруг Земли, роль кривизны планеты.
Расскажем о том, Почему космонавты попадают в невесомость на доступном для детей языке. Данная информация будет полезна детям и их родителям.
Для самых маленьких будет интересно познакомиться с этой темой, потому что каждый мечтал попасть в космос. Мы не устаем рассматривать снимки и видео, а также наблюдать за космонавтами на Международной космической станции в реальном времени. Когда дети спрашивают о невесомости или почему астронавты летают по станции, то чаще всего получают стандартный ответ: «Там нет гравитации». И это неверно.
Родители и учителя в школе подтвердят, что невесомость – это не выдумки. Но, чтобы объяснить детям дальше, нужно решить задачку: Земля своей гравитацией притягивает Луну, удаленную на 384 400 км. Поэтому, если Земля достает гравитацией так далеко, почему бы не притянуть станцию, расположенную всего в 330 км?
Здесь не так легко сориентироваться. Но разгадка в том, что космическое пространство не лишено полностью силы тяжести, поэтому невесомость астронавтов никак не связана с гравитацией.
Объяснения для детей станет легче, если рассказать, что космическая станция и ее работники находятся не в состоянии полета, а падают. Дети должны помнить, что планета окружена множеством мусора, а также спутниками. Все они тоже падают.
Наверняка, вы подумали: «Да ладно! Если бы все они падали, то давно уже б разбились об землю». Ну, не совсем. Секрет в том, что падение происходит слишком быстро, что и создает весь эффект невесомости.
Чтобы объекты не упали и не сгорели в атмосфере, они должны облетать Землю с конкретной скоростью – как минимум 28 160 км/час. Кроме того, наша планета имеет форму шара, так что, когда они «падают», она как бы отворачивает от них. Скорость и планетная кривизна приводят тому, что чем быстрее объекты движутся к Земле, тем больше отдаляются. Космонавты и станция обладают одинаковой скоростью, поэтому и переживают чувство невесомости.
Дети могут удивиться, если родители или в школе им не рассказывали, что на Земле тоже можно почувствовать то, что испытывают члены космического экипажа. Если вы когда-то катались на американских горках, то знаете, что, когда поезд поднимается и опускается, вы чувствуете, как будто вылетаете со своего места. Это одно и то же ощущение невесомости, возникающее из-за скорости и кривизны горки. Однако, по физическим законам вы буквально падаете с вершины.
Те же принципы относятся к космонавтам: скорость и падение к искривленному объекту создают невесомость.
Почему космонавты испытывают состояние невесомости?
Это видео позволяет нам ознакомиться с некоторыми, довольно интересными представлениями людей об условиях невесомости на борту МКС и показывает, почему на самом деле, космонавты кажутся нам парящими в невесомости.
На вопрос, почему предметы и космонавты в условиях космической орбитальной станции пребывают в состоянии невесомости, многие люди дают такой ответ:
1. В космосе отсутствует сила тяжести, поэтому они ничего не весят.
2. Космос — это вакуум, а в вакууме нет силы тяжести.
3. Космонавты находятся слишком далеко от поверхности Земли, чтобы на них могла действовать сила её притяжения.
Все эти ответы неправильные!
Главное, что нужно понимать это то, что в космосе ЕСТЬ сила тяжести. Это довольно распространенное ошибочное представление. Что удерживает Луну на её орбите вокруг Земли? Сила тяжести. Что удерживает Землю на орбите вокруг Солнца? Сила тяжести. Что не позволяет галактикам разлетаться в разные стороны? Сила тяжести.
Сила тяжести есть во всём космосе!
Если бы вы построили на Земле вышку высотой 370 км (230 миль), что равно высоте орбиты МКС, то сила тяжести, действующая на вас наверху вышки, была бы почти такой же, как и на поверхности земли. Если бы вы решились сделать шаг с вышки, вы бы устремились к Земле точно так же, как это сделал Феликс Баумгартнер (Felix Baumgartner), когда совершил прыжок с края космоса. При этом мы не учитываем низкие температуры, которые мгновенно начнут вас замораживать, или отсутствие воздуха или аэродинамического сопротивления будет убивать вас, а падение сквозь слои атмосферного воздуха заставит все части вашего тела испытать на собственном опыте, что такое «содрать три шкуры». И жёсткая посадка на Земле также причинит вам массу неудобств.
Так почему же космическая орбитальная станция или спутники, находящиеся на орбите, не падают на Землю, и почему астронавты и предметы внутри международной космической станции (МКС) или любого другого космического корабля кажутся невесомыми?
Все дело в скорости!
Космонавты, международная космическая станция и другие объекты, находящиеся на земной орбите, не плавают — на самом деле, они падают. Но они не падают на Землю из-за своей огромной орбитальной скорости. Вместо этого они «падают вокруг» Земли. Объекты на земной орбите должны двигаться со скоростью, по меньшей мере, 28 160 км/ч (17 500 миль в час). Поэтому, как только они ускоряются относительно Земли, сила притяжения Земли сразу же изгибает и уводит траекторию их движения вниз, и они никогда не преодолеют этот минимум сближения с Землей. Поскольку космонавты имеют такое же ускорение, как и космическая станция, они испытывают состояние невесомости.
Случается, что мы тоже можем испытать это состояние на Земле, в момент падения. Приходилось ли вам бывать на аттракционе «русские горки», когда сразу после прохождения наивысшей точки, когда тележка уже начинает катиться вниз, ваше тело поднимает c сидения? Если бы вы находились в лифте на высоте многоэтажного небоскреба, и произошел обрыв троса, то пока лифт падал, вы бы парили в невесомости в кабине лифта. Конечно, в этом случае финал оказался бы драматичным.
И потом, вы, вероятно, слышали об аэроплане, обеспечивающем состояние невесомости («Vomit Comet») — аэроплан KC 135, который НАСА использует для создания кратковременных состояний невесомости, для тренировок космонавтов и проверки экспериментов или оборудования в условиях невесомости (zero-G), а также для осуществления коммерческих полетов в невесомости, когда самолет летит по параболической траектории, как в аттракционе «американские горки» (но с большими скоростями и на больших высотах), проходит через вершину параболы и устремляется вниз, то в момент падения самолета создаются условия невесомости. К счастью, самолет выходит из пикирования и выравнивается.
Однако, давайте вернемся к нашей вышке. Если бы вместо обыкновенного шага с вышки вы совершили прыжок с разбега, ваша энергия, направленная вперед, отнесла бы вас далеко от вышки, вместе с тем, сила тяжести снесла бы вас вниз. Вместо того, чтобы приземлиться у основания вышки, вы бы приземлились на расстоянии от неё. Если бы при разбеге вы увеличили скорость, вы смогли бы прыгнуть дальше от вышки, прежде чем достигли бы земли. Ну, а если бы вы могли бегать так же быстро, как движется по орбите вокруг Земли космический корабль многоразового использования и МКС, со скоростью 28,160 км/ч (17,500 миль в час), то дуговая траектория вашего прыжка сделала бы круг вокруг Земли. Вы бы находились на орбите и испытывали состояние невесомости. Но вы бы падали, не достигая поверхности Земли. Правда, скафандр и запасы воздуха, пригодного для дыхания, вам все же понадобились бы. А если бы вы могли бегать со скоростью примерно 40,555 км/ч (25,200 миль в час), вы бы выпрыгнули сразу за пределы Земли и начали вращаться вокруг Солнца.
Международная орбитальная космическая станция, космический корабль многоразового использования («Шаттл»), а также спутники специально спроектированы так, чтобы оставаться на орбите, не падая на землю и не срываясь в космос. Они совершают полный виток вокруг Земли примерно каждые 90 минут.
Поэтому, когда вы на орбите, вы находитесь в состоянии свободного падения и испытываете невесомость.