Невесомость на Земле и в космосе.

Все мы слышали о невесомости. При этом слове мы представляем себе космонавтов, свободно плавающих внутри космической станции. Давайте с вами попытаемся ответить на простой с виду вопрос: что же такое эта самая невесомость?
НЕ ВЕСОМОСТЬ, то есть отсутствие у тела веса. То есть, чтобы правильно понять, что такое невесомость, мы должны чётко себе представлять, что такое вес тела.


Вес — сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести. Определяется выражением:

P = mg, где:

Р - вес тела, m - масса тела, g - ускорение свободного падения.

Значение веса пропорционально ускорению свободного падения, которое зависит от высоты над земной поверхностью, а также ввиду ее вращения - от географических координат точки измерения.

Если считать систему отсчёта неподвижной, значение веса тела совпадает со значением действующей на это тела силы тяжести.

При движении системы тело — опора (или подвес) относительно инерциальной системы отсчёта c ускорением а вес перестаёт совпадать с силой тяжести, действующей на это тело: 

P = m(g - а)

В результате вращения Земли существует широтное уменьшение веса: на экваторе примерно на 0,3 % меньше, чем на полюсах.

Надо ещё отметить, что согласно Третьему Закону Ньютона, не только тело воздействует на опору (подвес), но и опора (подвес) воздействуют на тело с силой, называемой силой реакции опоры (подвеса). Эта сила численно равна весу тела и направлена противоположно действию силы тяжести. Тогда, на тело действуют две силы, равные по величине и противоположные по направлению, то есть их равнодействующая равна нулю, значит тело либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Значит, невесомость (отсутствие веса) - это состояние, в котором отсутствует сила взаимодействия тела с опорой (или подвесом), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела.

Тогда, давайте подумаем, что будет, если и тело и его опора будут падать в поле сил тяготения.  Тогда, так как и опора и тело будут двигаться с одинаковой скоростью, тело не будет давить своей массой на эту опору, то есть не будет воздействовать на неё. То есть вес тела (сила, с которой оно воздействует на опору) равен нулю. Где это можно наблюдать на практике? Представим себе кабину лифта, сорвавшуюся с тросов и свободно падающую в шахте. И кабина и пассажир двигаются с одинаковым ускорением g = 9,8 м/с². Тогда, пассажир не будет воздействовать на пол лифта, то есть будет испытывать состояние невесомости. Тогда он сможет свободно плавать в пространстве кабины лифта. Естественно, этот эксперимент обычно приводит к гибели подопытного. Но есть более привычная ситуация. Когда лифт только начинает движение вниз (то есть движется ускоренно, набирая свою обычную скорость), ваше тело ещё не набрало этой скорости и почти не давит на пол, значит - почти ничего не весит. Потом, когда лифт разогнался и далее движется равномерно, вместе с ним равномерно движетесь и вы, следовательно, вы как обычно давите своим телом на опору (пол лифта), значит состояния невесомости нет.

Полёт на космическом аппарате, вращающемся по орбите вокруг Земли, представляет собой не что иное, как постоянное падение на Землю. Просто, аппарат движется по орбите с очень большой скоростью(ок. 8 км/сек), и падая на Землю (вертикально), он успевает пройти в горизонтальном направлении такое расстояние, что в виду шарообразности Земли, расстояние до её поверхности не уменьшается. Тело падает, при этом не падая. Парадокс? Реальность!

То есть, кабина космического аппарата - это тот же лифт, сорвавшийся с тросов. И все тела, находящиеся внутри неё будут испытывать состояние невесомости. Они будут свободно плавать в кабине космического аппарата, при этом будут иметь место несколько интересных эффектов, о которых я расскажу в одном из следующих постов.

Для тренировки космонавтов на Земле мы можем кратковременно создавать состояние невесомости. Специальный самолёт пикирует по  гиперболической траектории, то есть фактически падает с ускорением g, падают с тем же ускорением и люди в его кабине. То есть, они пребывают в состоянии невесомости. Таким способом можно создавать невесомость на время порядка одной минуты, после чего самолёт переходит из пикирования в набор высоты, а потом снова пикирует и всё повторяется опять. Так невесомость можно создать и на Земле.

Очень важным является понимание того, что вес и масса тела строго говоря не есть одно и то же, хотя в обиходе понятие "вес" часто употребляется, когда речь идёт о массе тел. Определение весу тела уже было дано выше. А масса тела - это мера его инертности, то есть способности сохранять своё состояние покоя или равномерного прямолинейного движения при воздействии на него других тел, пытающихся это состояние изменить. Взаимодействие тел характеризуется такой величиной, как силой. При воздействии на тело силой F, ему сообщается ускорение а, зависящее от массы тела m:

a = F / m.

Мы видим, что чем больше масса тела, тем меньше ускорение, сообщённое ему силой той же величины. Если мы попытаемся проверить это сначала на Земле, а потом на борту космического аппарата (в невесомости), мы увидим, что это правило выполняется в обоих случаях. То есть, масса и вес тела - не одно и то же. Вес тела может и исчезать, а масса тела всегда сохраняется. Правда, в релятивистской механике, масса тел может изменяться (увеличиваться вплоть до бесконечности), но это уже совсем другая история, которая, правда тоже однажды станет объектом нашего рассмотрения.

А пока - до новых встреч. Спасибо всем, кто дочитал до конца, ибо "многобукав" даётся не каждому, а только самым любознательным.

Удачи!!!