În acest articol, un tutore de fizică și matematică vorbește despre cum se calculează suprasarcina suferită de corp în timpul accelerației sau frânării. Acest material este foarte slab acoperit în școală, astfel încât elevii de foarte multe ori nu știu cum să pună în aplicare calculul suprasarcinii, dar sarcinile corespunzătoare se găsesc la examenul de stat unificat și la examenul de stat unificat în fizică. Așa că citiți acest articol până la sfârșit sau urmăriți tutorialul video atașat. Cunoștințele acumulate îți vor fi utile la examen.

Să începem cu definiții. Supraîncărcare este raportul dintre greutatea unui corp și mărimea forței gravitaționale care acționează asupra acestui corp la suprafața pământului. Greutate corporala- aceasta este forta care actioneaza din corp asupra suportului sau suspensiei. Vă rugăm să rețineți că greutatea este exact puterea! Prin urmare, greutatea se măsoară în newtoni, și nu în kilograme, așa cum cred unii.

Astfel, suprasarcina este o cantitate adimensională (newtoni împărțiți la newtoni, rezultând nimic rămas). Cu toate acestea, uneori această cantitate este exprimată în termeni de accelerație datorată gravitației. Ei spun, de exemplu, că suprasarcina este egală cu , ceea ce înseamnă că greutatea corpului este de două ori mai mare decât forța gravitației.

Exemple de calcul de suprasarcină

Vom arăta cum se calculează supraîncărcarea folosind exemple specifice. Să începem cu cele mai simple exemple și să trecem la altele mai complexe.

Evident, o persoană care stă pe pământ nu se confruntă cu nicio suprasolicitare. Prin urmare, aș dori să spun că supraîncărcarea sa este zero. Dar să nu tragem concluzii pripite. Să desenăm forțele care acționează asupra acestei persoane:

Două forțe sunt aplicate unei persoane: forța gravitațională, care atrage corpul spre sol, și forța de reacție care îl contracarează din partea suprafeței pământului, îndreptată în sus. De fapt, pentru a fi mai precis, această forță este aplicată pe tălpile picioarelor unei persoane. Dar în acest caz particular, acest lucru nu contează, așa că poate fi amânat din orice punct al corpului. În figură este trasat departe de centrul de masă uman.

Greutatea unei persoane este aplicată pe suport (pe suprafața pământului), ca răspuns, în conformitate cu a treia lege a lui Newton, o forță egală ca mărime și direcționată opus acționează asupra persoanei din partea suportului. Aceasta înseamnă că pentru a găsi greutatea corpului, trebuie să găsim mărimea forței de reacție a solului.

Deoarece o persoană stă nemișcată și nu cade prin pământ, forțele care acționează asupra ei sunt compensate. Adică și, în consecință, . Adică, calculul supraîncărcării în acest caz dă următorul rezultat:

Tine minte asta! În absența supraîncărcărilor, suprasarcina este 1, nu 0. Oricât de ciudat ar suna.

Să stabilim acum cu ce este egală supraîncărcarea unei persoane care se află în cădere liberă.

Dacă o persoană se află într-o stare de cădere liberă, atunci asupra ei acționează numai forța gravitației, care nu este echilibrată de nimic. Nu există forță de reacție a solului și nu există greutate corporală. O persoană se află într-o așa-numită stare de imponderabilitate. În acest caz, suprasarcina este 0.

Astronauții se află în poziție orizontală în rachetă în timpul lansării acesteia. Acesta este singurul mod în care pot rezista supraîncărcării pe care o experimentează fără a-și pierde conștiința. Să reprezentăm asta în figură:

În această stare, asupra lor acționează două forțe: forța de reacție a solului și forța gravitației. Ca și în exemplul anterior, modulul de greutate al astronauților este egal cu mărimea forței de reacție a suportului: . Diferența va fi că forța de reacție a suportului nu mai este egală cu forța gravitației, ca data trecută, deoarece racheta se mișcă în sus cu accelerație. Cu aceeași accelerație, astronauții accelerează și ei sincron cu racheta.

Apoi, în conformitate cu legea a 2-a a lui Newton în proiecție pe axa Y (vezi figura), obținem următoarea expresie: , de unde . Adică, suprasarcina necesară este egală cu:

Trebuie spus că aceasta nu este cea mai mare supraîncărcare pe care trebuie să o experimenteze astronauții în timpul lansării unei rachete. Supraîncărcarea poate ajunge până la 7. Expunerea prelungită la astfel de supraîncărcări asupra corpului uman duce inevitabil la moarte.

În punctul de jos al „buclei moarte”, două forțe vor acționa asupra pilotului: în jos - forță , în sus, spre centrul „buclei surde” - forță (din partea scaunului în care stă pilotul) :

Accelerația centripetă a pilotului va fi, de asemenea, direcționată acolo, unde km/h m/s este viteza aeronavei și este raza „buclei moarte”. Apoi, din nou, în conformitate cu legea a 2-a a lui Newton, în proiecție pe o axă îndreptată vertical în sus, obținem următoarea ecuație:

Atunci greutatea este . Deci, calculul suprasarcinii dă următorul rezultat:

O suprasarcină foarte semnificativă. Singurul lucru care salvează viața pilotului este că nu durează foarte mult.

Și, în sfârșit, să calculăm supraîncărcarea suferită de șoferul mașinii în timpul accelerației.

Deci, viteza finală a mașinii este km/h m/s. Dacă o mașină accelerează la această viteză din repaus în c, atunci accelerația sa este egală cu m/s 2. Mașina se mișcă orizontal, prin urmare, componenta verticală a forței de reacție a solului este echilibrată de forța gravitației, adică. În direcția orizontală, șoferul accelerează împreună cu mașina. Prin urmare, conform legii 2 a lui Newton, în proiecția pe axa co-direcționată cu accelerația, componenta orizontală a forței de reacție a suportului este egală cu .

Găsim mărimea forței de reacție a suportului total folosind teorema lui Pitagora: . Acesta va fi egal cu modulul de greutate. Adică, suprasarcina necesară va fi egală cu:

Astăzi am învățat cum să calculăm suprasarcina. Amintiți-vă acest material, poate fi util atunci când rezolvați sarcini de la Examenul de stat unificat sau Examenul de stat unificat la fizică, precum și la diferite examene de admitere și olimpiade.

Material pregătit de Serghei Valerievich

Pe 22 martie 1995, cosmonautul Valery Polyakov s-a întors din spațiu după 438 de zile de zbor. Acest record de durată nu a fost încă doborât. A devenit posibil ca urmare a cercetărilor în curs de desfășurare pe orbită asupra influenței factorilor spațiali asupra corpului uman.

1. Supraîncărcări în timpul decolării și aterizării

Poate că Polyakov era cel care, mai mult decât oricine altcineva, era pregătit să rămână pe orbită timp de un an și jumătate. Și nu pentru că ar avea o sănătate fenomenală. Și nu a făcut mai multe pregătiri înainte de zbor decât alții. Doar că Polyakov, fiind medic profesionist - Candidat la Științe Medicale, care lucrează la Institutul de Probleme Medicale și Biologice al Academiei Ruse de Științe, cunoștea ca nimeni altcineva din corpul cosmonauților „structura umană”, reacțiile corpului la factori destabilizatori şi metode de compensare a acestora. Ce sunt ei?

Când o navă spațială este lansată, supraîncărcările variază de la 1 g la 7 g. Acest lucru este extrem de periculos dacă suprasarcina acționează de-a lungul axei verticale, adică de la cap la picioare. În această poziție, o persoană, chiar și cu o supraîncărcare de 3g care durează trei secunde, se confruntă cu o afectare gravă a vederii periferice. Dacă aceste valori sunt depășite, modificările pot deveni ireversibile, iar persoana este garantată să își piardă cunoștința.

Prin urmare, scaunul din navă este așezat astfel încât accelerația să acționeze în plan orizontal. Astronautul folosește și un costum special de compensare. Acest lucru face posibilă menținerea circulației cerebrale normale cu supraîncărcări pe termen lung de 10 g și supraîncărcări pe termen scurt de până la 25 g. Rata de creștere a accelerației este, de asemenea, extrem de importantă. Dacă depășește o anumită limită, atunci chiar și supraîncărcările minore pot fi dezastruoase pentru astronaut.

După o ședere îndelungată pe orbită, un corp deformat suportă supraîncărcările care apar în timpul aterizării, mult mai sever decât în ​​timpul decolării. Prin urmare, cu câteva zile înainte de aterizare, astronautul se pregătește folosind o metodă specială care presupune exerciții fizice și medicație. La aterizare, este foarte importantă orientarea navei în straturi dense ale atmosferei, astfel încât axa de suprasarcină să fie orizontală. În timpul primelor zboruri spațiale, nu a fost posibilă o stabilizare adecvată a navei și, prin urmare, astronauții și-au pierdut uneori cunoștința în timpul aterizării.

2. Gravitație zero

Imponderabilitate este un test mult mai dificil pentru organism decât suprasolicitarea. Pentru că acționează timp îndelungat și continuu, provocând modificări într-o serie de funcții vitale ale corpului uman. Astfel, imponderabilitate pune sistemul nervos central și receptorii multor sisteme de analiză (aparatul vestibular, aparatul musculo-articular, vasele de sânge) în condiții de funcționare neobișnuite. Ca urmare, fluxul sanguin încetinește și sângele se acumulează în partea superioară a trunchiului.

„Melodia” imponderabilității constă în faptul că procesele adaptative în sistemele fiziologice și gradul de manifestare a acestora practic nu depind de caracteristicile individuale ale organismului, ci doar de durata șederii în imponderabilitate. Adică, indiferent de modul în care o persoană se pregătește pentru asta pe pământ, indiferent cât de puternic este corpul său, acest lucru are puțin efect asupra procesului de adaptare.

Adevărat, o persoană se obișnuiește destul de repede cu imponderabilitate: amețelile și alte fenomene negative încetează. Astronautul „gustă” din fructele imponderabilității când se întoarce pe pământ.

Dacă nu sunt folosite metode de contracarare a efectelor distructive ale imponderabilității pe orbită, atunci în primele zile cosmonautul de aterizare va experimenta următoarele schimbări:

1. Perturbarea proceselor metabolice, în special a metabolismului apă-sare, care este însoțită de deshidratarea relativă a țesuturilor, o scădere a volumului sângelui circulant, o scădere a conținutului unui număr de elemente din țesuturi, în special potasiu și calciu ;

2. Încălcarea regimului de oxigen al organismului în timpul activității fizice;

3. Capacitate afectată de a menține o postură verticală în condiții statice și dinamice; o senzație de greutate a unor părți ale corpului (obiectele din jur sunt percepute ca neobișnuit de grele; există o lipsă de antrenament în dozarea eforturilor musculare);

4. Tulburări hemodinamice în timpul muncii de intensitate medie și mare; stările de pre-leșin și de leșin sunt posibile după trecerea de la o poziție orizontală la una verticală;

5. Scăderea imunității.

Pe orbită, o întreagă gamă de măsuri este folosită pentru a combate efectele de distrugere a organismului ale imponderabilitatii. Aport crescut de potasiu și calciu. Presiune negativă aplicată pe jumătatea inferioară a corpului pentru a drena sângele. Lenjerie barocompensare. Stimularea musculară electrică. Aportul dozat de medicamente. Antrenament pe bandă de alergare și alte echipamente de exerciții.

3. Inactivitatea fizică

Pentru a combate inactivitatea fizică se folosesc, de asemenea, o bandă de alergare și diverse antrenori musculare. Pe orbită, este inevitabil, deoarece mișcările în gravitate zero necesită un efort semnificativ mai mic decât pe pământ. Și la întoarcerea pe pământ, chiar și după antrenamentul zilnic obositor, astronauții experimentează o scădere a masei musculare. În plus, activitatea fizică are un efect benefic asupra inimii, care, după cum știți, este și un mușchi.

4. Radiația

Efectul acestui factor asupra corpului uman a fost bine studiat. Organizația Mondială a Sănătății a elaborat standarde pentru dozele de radiații, al căror exces este dăunător sănătății. Aceste standarde nu se aplică astronauților.

Se crede că o persoană poate fi supusă fluorografiei nu mai mult de o dată pe an. În același timp, primește o doză de 0,8 mSv (milisievert). Un astronaut primește o doză zilnică de până la 3,5 mSv. Cu toate acestea, conform standardelor medicinei spațiale, o astfel de radiație de fond este considerată acceptabilă. Pentru că într-o anumită măsură este neutralizat prin medicamente. Doza zilnică de radiații nu este constantă. Fiecare astronaut are un dozimetru individual, care numără milisieverturile acumulate în organism. Pe parcursul unui an în spațiu puteți obține de la 100 la 300 mSv.

„Desigur, acesta nu este un cadou”, spune Vyacheslav Shurshakov, șeful laboratorului de metode și mijloace de dozimetrie spațială de la Institutul de Probleme Medicale și Biologice al Academiei Ruse de Științe, „dar acesta este specificul cosmonautului. profesie."

În acest caz, doza-prag anuală este de 500 mSv. Care este de 25 de ori mai mare decât pragul pentru angajații centralei nucleare, care este de 20 mSv.

Ei bine, doza totală după care un astronaut nu are voie să zboare este de 1000 mSv. În același timp, când Gagarin a zburat, această cifră era de 4000 mSv. Serghei Avdeev s-a apropiat cel mai mult de prag, zburând în total 747 de zile. Doza pe care a primit-o a fost de 380 mSv.

Fotografie ITAR-TASS/Albert Pushkarev

Forțe, la accelerația standard a gravitației pe suprafața Pământului. Fiind un raport de două accelerații, forța g este o cantitate adimensională, totuși forța g este adesea specificată în unități de accelerație gravitațională standard g(pronunțat „zhe”), egal cu 9,80665 m/s². Supraîncărcare la 0 g este testat de un corp în stare de cădere liberă sub influența doar a forțelor gravitaționale, adică în stare de imponderabilitate. Sarcina suferită de un corp care se sprijină pe suprafața Pământului la nivelul mării este 1.

Supraîncărcarea este o mărime vectorială. Pentru un organism viu, direcția supraîncărcării este foarte importantă. Când sunt supraîncărcate, organele umane tind să rămână în aceeași stare (mișcare liniară uniformă sau repaus). Cu o suprasarcină pozitivă (accelerația este direcționată de la picioare la cap, iar vectorul de suprasarcină este de la cap la picioare), sângele se deplasează de la cap la picioare, stomacul coboară. Cu supraîncărcare negativă, fluxul de sânge către cap crește. Poziția cea mai favorabilă a corpului uman, în care poate percepe cele mai mari supraîncărcări, este întins pe spate, cu fața în direcția de accelerare a mișcării, cea mai nefavorabilă pentru transferul supraîncărcărilor este în direcția longitudinală cu picioarele spre direcția de accelerare. Atunci când o mașină se ciocnește de un obstacol staționar, o persoană care stă în mașină va experimenta suprasolicitarea spatelui pieptului. O astfel de supraîncărcare poate fi tolerată fără prea multe dificultăți. O persoană obișnuită poate rezista la supraîncărcări de până la 15 g aproape 3-5 secunde fara pierderea cunostintei. Supraîncărcare de la 20-30 g sau mai mult, o persoană poate rezista nu mai mult de 1-2 secunde fără a-și pierde cunoștința, în funcție de amploarea supraîncărcării.

Una dintre principalele cerințe pentru piloții militari și cosmonauți este capacitatea corpului de a rezista la suprasarcină. Piloții antrenați în costume anti-g pot rezista forțelor g de la -3...-2 g până la +12 g . De obicei, cu suprasarcină pozitivă 7-8 g ochii „devin roșii”, vederea dispare, iar persoana își pierde treptat cunoștința din cauza drenării sângelui din cap. Rezistența la supraîncărcări negative, în sus, este mult mai mică. În timpul decolării, astronauții suportă suprasolicitarea în timp ce stau întinși. În această poziție, supraîncărcarea acționează în direcția piept - spate, ceea ce vă permite să rezistați la o suprasarcină de mai multe unități timp de câteva minute g. Există costume speciale anti-supraîncărcare, a căror sarcină este de a atenua efectele supraîncărcării. Costumele sunt un corset cu furtunuri care sunt umflate de un sistem de aer și țin suprafața exterioară a corpului uman, împiedicând ușor scurgerea sângelui.

Supraîncărcarea crește stresul asupra structurii mașinilor și poate duce la defectarea sau distrugerea acestora, precum și la deplasarea sarcinilor neasigurate sau prost asigurate. Cantitatea de suprasarcină permisă de documentația operațională pentru aeronavele de pasageri [ care?] este 2,5 g .

Exemple de supraîncărcări și semnificațiile acestora:

Exemplu de supraîncărcare	Valoare, g
O persoană (sau orice obiect) într-o stare staționară față de Pământ	1
Pasager într-un avion în timpul decolării	1,5
Parașutist aterizează cu o viteză de 6 m/s	1,8
Parașutist își deschide parașuta	până la 10,0 (Po-16, D1-5U) până la 16 (Ut-15 ser. 5)
Cosmonauți în timpul coborârii în nava spațială Soyuz	până la 3,0-4,0
Pilot de aeronavă sportivă care efectuează manevre acrobatice	de la -7 la +12
Supraîncărcare (pe termen lung), corespunzătoare limitei capacităților fiziologice umane	8,0-10,0
Record pentru coborâre de urgență non-fatală

Dintr-un motiv special, în lume se acordă multă atenție vitezei de accelerare a unei mașini de la 0 la 100 km/h (în SUA de la 0 la 60 mph). Experții, inginerii, fanii mașinilor sport, precum și pasionații de mașini obișnuiți, cu un fel de obsesie, monitorizează constant caracteristicile tehnice ale mașinilor, care dezvăluie de obicei dinamica accelerației unei mașini de la 0 la 100 km/h. Mai mult, tot acest interes se observă nu numai la mașinile sport pentru care dinamica accelerației de la oprire este foarte importantă, ci și la mașinile de clasă economică complet obișnuite.

În zilele noastre, cel mai mare interes pentru dinamica accelerației este îndreptat către mașinile electrice moderne, care au început să înlocuiască încet supercarurile sport cu vitezele lor incredibile de accelerație din nișa mașinii. De exemplu, în urmă cu doar câțiva ani, părea pur și simplu fantastic că o mașină poate accelera până la 100 km/h în puțin peste 2 secunde. Dar astăzi unele moderne s-au apropiat deja de acest indicator.

Acest lucru vă face, în mod natural, să vă întrebați: ce viteză de accelerare a unei mașini de la 0 la 100 km/h este periculoasă pentru sănătatea umană? La urma urmei, cu cât mașina accelerează mai repede, cu atât șoferul care se află (șezând) la volan are o sarcină mai mare.

Sunteți de acord cu noi că corpul uman are propriile sale anumite limite și nu poate rezista la sarcinile în creștere nesfârșite care acționează și au un anumit efect asupra acestuia în timpul accelerației rapide a vehiculului. Să aflăm împreună ce accelerație maximă a unei mașini poate fi suportată teoretic și practic de o persoană.

Accelerația, după cum probabil știm cu toții, este o simplă schimbare a vitezei de mișcare a unui corp pe unitatea de timp. Accelerația oricărui obiect pe sol depinde, de regulă, de gravitație. Gravitația este o forță care acționează asupra oricărui corp material care se află aproape de suprafața pământului. Forța gravitațională de pe suprafața pământului constă din gravitație și forța centrifugă de inerție, care ia naștere din cauza rotației planetei noastre.

Dacă vrem să fim absolut precisi, atunci 1g supraîncărcare umană stând la volanul unei mașini se formează atunci când mașina accelerează de la 0 la 100 km/h în 2,83254504 secunde.

Și așa, știm că atunci când este supraîncărcat în 1g persoana nu are probleme. De exemplu, o mașină Tesla Model S de serie (o versiune specială scumpă) poate accelera de la 0 la 100 km/h în 2,5 secunde (conform specificației). În consecință, șoferul aflat la volanul acestei mașini va experimenta o supraîncărcare de 1,13 g.

Aceasta, după cum vedem, este mai mult decât suprasolicitarea pe care o experimentează o persoană în viața obișnuită și care apare din cauza gravitației și, de asemenea, din cauza mișcării planetei în spațiu. Dar acest lucru este destul de puțin și supraîncărcarea nu prezintă niciun pericol pentru oameni. Dar, dacă ne urcăm la volanul unui dragster puternic (mașină sport), atunci imaginea de aici este complet diferită, deoarece vedem deja diferite cifre de suprasarcină.

De exemplu, cel mai rapid poate accelera de la 0 la 100 km/h în doar 0,4 secunde. Ca urmare, se dovedește că această accelerație provoacă supraîncărcare în interiorul mașinii 7,08 g. Acest lucru este deja, după cum puteți vedea, mult. Conducând un vehicul atât de nebun, nu te vei simți foarte confortabil și totul datorită faptului că greutatea ta va crește de aproape șapte ori față de înainte. Dar, în ciuda acestei stări nu foarte confortabile cu o astfel de dinamică de accelerație, această (această) suprasarcină nu este capabilă să te omoare.

Deci, cum trebuie să accelereze o mașină pentru a ucide o persoană (șoferul)? De fapt, este imposibil să răspundem fără ambiguitate la această întrebare. Ideea aici este următoarea. Fiecare organism al oricărei persoane este pur individual și este firesc ca consecințele expunerii la anumite forțe asupra unei persoane să fie, de asemenea, complet diferite. Supraîncărcare pentru unii la 4-6g chiar și pentru câteva secunde va fi deja (este) critic. O astfel de supraîncărcare poate duce la pierderea conștienței și chiar la moartea acelei persoane. Dar, de obicei, o astfel de supraîncărcare nu este periculoasă pentru multe categorii de oameni. Există cazuri cunoscute de supraîncărcare 100 g a permis unei persoane să supraviețuiască. Dar adevărul este că acest lucru este foarte rar.

Astronautul, îmbrăcat într-un costum spațial greu și inconfortabil, s-a oprit pentru o clipă la trapa care ducea în interiorul navei spațiale, s-a uitat înapoi la mulțimea de îndoliați care stătea dedesubt, și-a ridicat mâna în semn de salut și a dispărut în deschiderea întunecată a compartimentului său. S-a așezat confortabil într-un scaun dintr-un material plastic poros, moale, a fixat curelele, a conectat contactele costumului la rețeaua generală de semnalizare a navei și a apăsat unul dintre butoanele de pe panoul de comandă, dând un semnal de pregătirea pentru recepția radio. Un minut mai târziu a auzit vocea comandantului de zbor:

E în regulă, mai sunt doar câteva minute! - Astronautul a pornit rețeaua generală de radiodifuziune și a auzit vocea unui comentator radio, care a raportat detalii despre pregătirile pentru lansare și a descris colorat emoțiile și stările de spirit dinaintea lansării. Cosmonautul și-a amintit încă o dată scenele de rămas bun de la familia și prietenii săi și de la oamenii de știință care conduc cercetările spațiale.

Declar disponibilitatea numărul unu! - vocea comandantului a răsunat brusc prin casca montată pe cască. După aceasta, a început numărătoarea inversă incitantă atât de familiară tuturor astronauților, fiecare număr din care a purtat cu sine o tensiune de anticipare din ce în ce mai mare.

Atenție, atenție, atenție! Zece... nouă... opt... șapte... șase... cinci... patru... trei... doi... unu... Începe!

Cabina astronautului a fost străpunsă mai întâi de o vibrație care venea în valuri de undeva dedesubt; Apoi s-a auzit un tunet înfundat, care s-a transformat rapid într-un vuiet lung și continuu. Un flux lung de fulgere de foc a apărut de sub fundul rachetei, iar corpul ei uriaș, în mijlocul fumului și al vuietului, s-a despărțit încet de pământ, crescându-și treptat viteza.

În timp ce toți cei îndoliați de la cosmodrom, încercând să urmărească zborul navei spațiale, își ridicau capetele din ce în ce mai sus, în cabină au început minute cruciale pentru astronaut.

Supraîncărcarea crește! - a relatat el la radio. - Totul este in regula, aparatele functioneaza corect! „Acestea au fost ultimele cuvinte pe care astronautul a reușit să le rostească fără prea multă dificultate, pentru că deodată o forță puternică i-a apăsat corpul pe scaun. O greutate uriașă i-a căzut pe piept, astfel încât astronautul nu a putut lua nici măcar o gură de aer. Se părea că încă puțin și va fi zdrobit. Picioarele și brațele au devenit grele, de parcă ar fi fost din plumb, mușchii feței s-au răsucit și s-au tras înapoi, ochii, ca două mingi, au fost strânși adânc în craniu.

De asemenea, astronautul a încercat să spună ceva în microfon, dar fără rezultat. Din buze îi ieși doar mormăi de neînțeles. Abandonând încercările de conversație, cosmonautul s-a concentrat pe experiențele sale, a încercat să reziste forței puternice și să ia o gură de aer prin buze.

Dintr-o dată a simțit un sentiment ascuțit de ușurare.

Capătul primei trepte a motorului rachetei îi trecu prin cap.

Dar aceasta a fost doar o pauză de moment în funcționarea motoarelor. De îndată ce prima etapă a rachetei s-a separat, motoarele din a doua etapă s-au pornit.

Viteza a început să crească din nou și, odată cu ea, sarcina a crescut, corpul astronautului a fost din nou presat în pernele scaunului. Câteva minute mai târziu, combustibilul din motoarele celei de-a doua etape a rachetei a rămas fără combustibil, a avut loc o scurtă pauză, după care motoarele din a treia etapă au început să funcționeze. Și deși organismul a avut încă mari dificultăți în a depăși sarcina, astronautul s-a gândit la sfârșitul iminent al testului. Știa că motoarele din treapta a treia trebuiau să funcționeze pentru o perioadă foarte scurtă de timp, iar în câteva minute - sfârșitul supraîncărcărilor!

Și așa s-a întâmplat. Nouăzeci de secunde mai târziu, motoarele s-au oprit din pornire și s-a făcut o tăcere bruscă.

Tranziția a fost atât de bruscă și rapidă, încât nici corpul, nici mintea astronautului nu au avut timp să se pregătească pentru ea. Inima îi bătea cu putere în piept, pieptul îi urca și cobora rapid, astronautul bâfâia după aer cu gura deschisă și respira frecvent, superficial. Dar brusc totul a dispărut.

* * *

Uf! - a oftat adânc și cu o senzație de ușurare astronautul. Prima parte a zborului s-a terminat. A pornit microfonul și, evidențiind clar silabele, a spus:

A intrat pe orbita. Toate echipamentele și dispozitivele funcționează fără probleme. Mă simt bine.

Am încercat să descriem o lansare obișnuită, obișnuită, a unui astronaut în spațiu, când sarcina este limitată doar la un zbor orbital în jurul Pământului. Un astfel de start reprezintă încă un test dificil pentru corpul uman din cauza acțiunii forței de accelerație.

Ce fel de putere este aceasta?

Cum se măsoară?

Să ne imaginăm pentru o clipă că am urcat într-un balon cu aer cald și, alegând un moment convenabil, am aruncat greutatea. În momentul eliberării, viteza greutății va fi zero, dar deja la sfârșitul primei secunde de zbor va fi de 9,8 metri pe secundă, la sfârșitul celei de-a doua secunde - de două ori mai mult, adică 19,6 m/sec, la sfârșitul celei de-a treia secunde - de trei ori mai mult, adică 29,4 m/sec și așa mai departe. Viteza de zbor a greutății crește cu 9,8 m/sec în fiecare secundă.

Această valoare este unitatea de accelerație. În știință, este de obicei notat cu litera latină „g”. Dacă orice corp fizic se ridică sau coboară vertical, forța de accelerație depinde de gravitație sau, ceea ce este la fel, de forța gravitației. Există însă și alte tipuri de accelerație, de exemplu în timpul rotației, când apare forța centrifugă, sau într-un avion, când pilotul, ieșind dintr-o scufundare, merge la așa-numita „alunecare”.

Toate aceste tipuri de accelerare sunt considerate pozitive.

În timpul frânării bruște a unui tren sau mașină cu mișcare rapidă, apare o forță de accelerație cu semnul opus - accelerație negativă. În acest caz, forța de inerție cauzată de frânare, adică pierderea vitezei, sau, dacă doriți, accelerația negativă, aruncă pasagerul înainte. În timpul accidentelor de mașină, oamenii mor cel mai adesea din cauza accelerației negative.

A fost o vreme când problemele de accelerare erau luate în considerare doar teoretic. După apariția aeronavelor de mare viteză, problemele de accelerație au început să fie studiate practic. În urmă cu aproximativ treizeci de ani, s-a făcut mult zgomot în cercurile aviatorilor când un pilot, în timp ce ieșea dintr-un zbor de scufundare, a pierdut controlul și s-a prăbușit. S-a dovedit că, sub influența forței de accelerație care a apărut în timpul unei schimbări bruște de direcție în timpul vitezei mari de zbor, pilotul și-a pierdut cunoștința și a pierdut controlul comenzilor.

Care este cauza pierderii cunoștinței? La urma urmei, era un pilot experimentat, puternic, cu o sănătate excelentă!

În momentul ieșirii din zborul de scufundare a apărut o forță centrifugă, care a provocat o accelerație negativă de ordinul a două până la trei. Pe măsură ce forța centrifugă a crescut, greutatea corpului pilotului și a sângelui acestuia a crescut. Când accelerația a ajuns la 4 g, o parte semnificativă a sângelui, sub influența acestei forțe, s-a scurs din creier și s-a mutat în părțile inferioare ale corpului, drept urmare pilotul a început să-și piardă vederea. Câteva momente mai târziu, când accelerația scăzuse, pilotul nu a văzut nimic, ca și cum ar purta o bandă neagră la ochi.

Cu toate acestea, accelerația a continuat să crească deoarece pilotul conducea avionul printr-o curbă la capătul căreia avionul se afla într-o poziție de zbor verticală în sus. Din ce în ce mai mult sânge curgea din creier în inima pilotului. Au apărut simptome formidabile. Pilotului i s-a părut că inima îi cade brusc în jos, că s-a mutat în abdomenul inferior, iar ficatul este și mai jos, undeva lângă genunchi. Pilotul nu mai vedea absolut nimic și trebuia să-și încordeze toată puterea pentru a nu-și pierde cunoștința. Până acum, nu a trăit niciodată o astfel de stare, dar pilotul nu a vrut să renunțe la luptă, nu a vrut să se supună slăbiciunii propriului său corp. El credea că toate senzațiile neplăcute vor trece de îndată ce forța centrifugă va înceta.

Dar de data asta a calculat greșit. Nu a ținut cont de viteza inițială mare în momentul ieșirii din zborul în scufundare și, astfel, de cantitatea semnificativă de forță centrifugă care a apărut în acest moment.

Zborul nereușit a continuat. Creierul pilotului, lipsit de sânge, a încetat să funcționeze. Când forța de accelerație a ajuns la 10 g, corpul pilotului nu mai cântărea 85 kg, ca de obicei, ci 850 kg. Fiecare centimetru cub de sânge cântărea nu 1 gram, ci 10, așa că sângele devenea mai greu decât fierul și cântărea aproape la fel ca mercurul.

Făcând un ultim efort, pilotul a decis să mai țină încă o secundă înainte de a trage maneta de comandă departe de el pentru a elibera presiunea monstruoasă a forței centrifuge. Totuși, în același moment și-a pierdut cunoștința. Am tras de sfoară, nu am putut suporta și... am pierdut.

Avionul a pierdut controlul, mașina puternică și grea a început să cadă la întâmplare și în cele din urmă s-a prăbușit în pământ. Acesta a fost sfârșitul tragic al acestui zbor.

Acest caz a fost discutat multă vreme în cercurile aviatorilor, mai ales în rândul fiziologilor implicați în problemele medicinei aviatice. Au început cercetări științifice cuprinzătoare.

S-a stabilit că, cu o accelerație de aproximativ 5 g, chiar și piloții bine antrenați și perseverenți își pierd vederea, capacitatea de a respira și dezvoltă dureri severe în urechi. Dacă această afecțiune nu durează mai mult de 30-40 de secunde, organismul o depășește rapid, dar dacă continuă mai mult, pot apărea tulburări grave și chiar răni.

După ce epoca zborului cu reacție a început în aviație, iar vitezele aeronavelor au început să depășească 1000 km/h, oamenii de știință au început să obțină o mulțime de informații despre rezistența organismului la suprasarcină observând comportamentul piloților în timp ce efectuau manevre acrobatice la viteze mari. Pe sol au fost construite și catapulte, cu ajutorul cărora au fost aruncate în aer manechine echipate cu numeroase instrumente de cercetare cu o viteză inițială mare. Au fost observate și fenomene care au loc în corpul parașutistului în timpul tranziției de la căderea liberă la zborul cu parașuta deschisă.

Dar astfel de studii au fost incomplete. A fost necesar să se creeze instrumente și instalații mai versatile, convenabile și precise pentru studierea fenomenelor care apar în corpul uman sub influența supraîncărcărilor.

"CARUSEL"

Curând a fost construită o astfel de instalație. Aceasta este o centrifugă, pe care piloții și cosmonauții din unele țări au numit-o „carusel”. A devenit principala instalație pentru studierea rezistenței organismului la suprasarcină. Cum arată acest „carusel”?

În vastul hol rotund, la aproximativ un metru deasupra podelei, se vede o consolă cu zăbrele din țevi de oțel, care amintește oarecum de o macara de construcții. La un capăt, consola este montată pe o axă verticală cu o acționare electrică cu o putere de 6000 CP. Cu. Lungimea consolei carusel este de 17 metri; la celălalt capăt al grilajului se află o cabină cu un loc în care să stea o persoană; Cabana găzduiește o varietate de echipamente complexe de cercetare.

Cabina este sigilată ermetic, ceea ce face posibilă setarea temperaturii și presiunii în interiorul acesteia în limite foarte largi, adică este posibil să se creeze în ea condiții foarte apropiate de cele care pot predomina în cabina astronautului în timpul unui zbor. in spatiu.

Un mecanism special de suspensie a cabinei o poziționează automat în timpul testării, astfel încât forța centrifugă să acționeze asupra unei persoane din interiorul cabinei în linie dreaptă, similar modului în care această forță acționează în timpul zborului în spațiu. Acest lucru facilitează calculele pentru medicii care observă experimentul.

Dintre numeroasele dispozitive situate în cabină, merită să acordați atenție obiectivului camerei de televiziune situat direct deasupra capului pasagerului din cabină. Odată ce pilotul își ia locul în carlingă, oamenii de știință îi atașează o varietate de senzori pe corpul său, conectați la echipamente electronice de control. Datorită acestui fapt, toate fenomenele care apar în corpul pilotului în timpul centrifugării sunt înregistrate cu precizie pe casetele de înregistrare.

De îndată ce consola „carusel” începe să se rotească, în cabină apare o forță centrifugă, care acționează asupra corpului pilotului ca forța de accelerație din cabina unei nave spațiale sau a unui avion. Pe măsură ce numărul de rotații crește, crește și această forță și poate ajunge la o valoare de 40 g, la care greutatea corporală a pilotului crește la 3200 kg. O astfel de supraîncărcare pentru o persoană poate duce la moarte, așa că este creată numai în cazuri excepționale în timpul experimentelor cu animale.

De remarcat, însă, că la baza aeriană americană din Jonesville (centrifuga instalată acolo este ceea ce descriem), un record stabilit de unul dintre piloți a devenit celebru la un moment dat. În ciuda faptului că accelerația a depășit limita periculoasă de 5 g, pilotul nu a dat semnal de oprire a experimentului și a refuzat propunerea transmisă telefonic de oprire a centrifugei. Mai mult, a cerut o creștere a vitezei. Pilotul a rezistat la accelerații de 8 g, apoi 10 și 12 g. Și numai când forța de accelerație a ajuns la 14 g și a rămas la acest nivel timp de două minute, pilotul a făcut în sfârșit clar că nu mai suportă.

Capacitatea corpului uman de a rezista la suprasolicitare nu este aceeași pentru diferiți indivizi și depinde în mare măsură de calitățile individuale, gradul de pregătire, starea de sănătate, vârsta persoanei etc. Practic, o persoană normală se simte rău la 5 g, dar piloții antrenați cu o sănătate excepțională pot rezista la aproximativ 10 g timp de 3-5 minute.

Ce fel de supraîncărcări au trebuit să suporte cosmonauții până acum?

Potrivit datelor sovietice, primul om din lume care a zburat în spațiul cosmic, Yuri Gagarin, a rezistat la o supraîncărcare de aproximativ 4 g în timpul lansării. Cercetătorii americani raportează că astronautul Glenn a rezistat la o suprasarcină tot mai mare de până la 6,7 ​​g din momentul lansării până în momentul separării primei etape a rachetei, adică timp de 2 minute și 10 secunde. După separarea primei etape, accelerația a crescut de la 1,4 la 7,7 g în 2 minute și 52 de secunde.

Deoarece în aceste condiții accelerația și, odată cu ea, supraîncărcările cresc treptat și nu durează mult, corpul puternic și antrenat al astronauților le suportă fără niciun rău.

SANIUĂ

Există un alt tip de instalație pentru studierea reacției corpului uman la supraîncărcare. Aceasta este o sanie cu reacție, care este o cabină care se deplasează de-a lungul unei căi ferate de lungime considerabilă (până la 30 de kilometri). Viteza cabinei pe derapaj atinge 3500 km/h. La acest stand este mai convenabil să studiezi reacțiile corpului la suprasolicitari, deoarece acestea pot crea nu numai accelerații pozitive, ci și negative. După ce un motor cu reacție puternic dă saniei o viteză de aproximativ 900 m/sec (adică viteza unui glonț de pușcă) la câteva secunde după lansare, accelerația poate ajunge la 100 g. În timpul frânărilor bruște, tot cu ajutorul motoarelor cu reacție, accelerația negativă poate ajunge chiar și la 150 g.

Testele pe săniile cu reacție sunt potrivite în principal pentru aviație, nu pentru astronautică și, în plus, această instalație este mult mai scumpă decât o centrifugă.

CATAPULTE

Catapultele funcționează pe același principiu ca și săniile cu reacție, care au ghidaje înclinate de-a lungul cărora se mișcă scaunul cu pilotul. Catapultele sunt deosebit de utile în aviație. Ei testează reacțiile corpului piloților, care ar putea în viitor să fie nevoiți să se ejecteze într-un accident de avion pentru a-și salva viața. În acest caz, cabina și pilotul sunt împușcați din avionul cu reacție prăbușit și cu ajutorul unei parașute coborâm la sol. Catapultele sunt capabile să accelereze nu mai mult de 15 g.

"SIRENA DE FIER"

În căutarea unei modalități de a preveni efectele dăunătoare ale supraîncărcării asupra corpului uman, oamenii de știință au descoperit că imersarea unei persoane într-un mediu lichid, a cărui densitate corespunde aproximativ cu densitatea medie a corpului uman, este de mare beneficiu.

S-au construit bazine umplute cu o suspensie lichida de densitate corespunzatoare, cu aparat de respiratie; Animalele de experiment (șoareci și șobolani) au fost plasate în bazine, după care s-a efectuat centrifugarea. S-a dovedit că rezistența șoarecilor și șobolanilor la supraîncărcare a crescut de zece ori.

Într-unul dintre institutele științifice americane au fost construite piscine care au făcut posibilă plasarea unei persoane în ele; (piloții au poreclit ulterior aceste piscine „sirene de fier”). Pilotul a fost plasat într-o baie umplută cu un lichid de densitate corespunzătoare și centrifugat. Rezultatele au depășit toate așteptările - într-un caz supraîncărcările au fost crescute la 32 g. Persoana a rezistat acestei suprasolicitari timp de cinci secunde.

Adevărat, „sirena de fier” este imperfectă din punct de vedere tehnic și, în special, există obiecții din punct de vedere al confortului pentru astronaut. Cu toate acestea, nu ar trebui să judeci prea grăbit. Poate că, în viitorul apropiat, oamenii de știință vor găsi o modalitate de a îmbunătăți condițiile de testare la o astfel de unitate.

Trebuie adăugat că rezistența la suprasarcini depinde în mare măsură de poziția corpului astronautului în timpul zborului. Pe baza multor teste, oamenii de știință au descoperit că o persoană poate suporta mai ușor supraîncărcările într-o poziție semiîntinsă, deoarece această poziție este mai convenabilă pentru circulația sângelui.

CUM SĂ CREȘTEȘTI STABILITATEA

Am menționat deja că în zborurile spațiale efectuate, supraîncărcările au fost relativ mici și au durat doar câteva minute. Dar acesta este doar începutul erei spațiale, când zborurile umane în spațiu au loc pe orbite relativ apropiate de Pământ.

Acum ne aflăm în pragul zborurilor către Lună și pe durata de viață a următoarei generații - către Marte și Venus. Atunci poate fi necesar să experimentăm accelerații semnificativ mai mari, iar astronauții vor fi supuși la supraîncărcări semnificativ mai mari.

Există, de asemenea, problema rezistenței astronauților la supraîncărcări constante mici, dar pe termen lung, care durează pe toată durata călătoriei interplanetare. Datele preliminare sugerează că accelerația constantă de ordinul fracțiilor, „g”, este tolerată de o persoană fără nicio dificultate. Au fost deja dezvoltate proiecte pentru astfel de rachete, ale căror motoare vor funcționa cu o accelerație constantă. În ciuda faptului că în timpul experimentului în sine oamenii au trebuit să îndure diverse fenomene neplăcute, experimentele nu le-au adus niciun rău.

Este posibil ca în viitor să fie posibilă creșterea rezistenței corpului uman la suprasolicitare într-un alt mod. Experimente interesante au fost efectuate de oamenii de știință de la Universitatea Cambridge din SUA. Ei au supus șoarecilor gestante la o accelerație constantă de aproximativ 2 g până când au produs pui, care au fost ținuți într-o centrifugă pentru tot restul vieții până la moarte. Șoarecii născuți în astfel de condiții s-au simțit grozav sub influența unei supraîncărcări constante de 2 g, iar comportamentul lor nu a fost diferit de comportamentul omologilor lor care trăiesc în condiții normale.

Suntem departe de ideea de a efectua experimente similare cu oameni, dar încă credem că fenomenul unei astfel de adaptabilitati a corpului la suprasolicitari poate rezolva o serie de probleme cu care se confruntă biologii.

De asemenea, este posibil ca oamenii de știință să găsească o modalitate de a neutraliza forțele de accelerație, iar o persoană echipată cu echipamente adecvate va suporta cu ușurință toate fenomenele asociate supraîncărcărilor. Speranțe și mai mari sunt asociate cu metoda de congelare, atunci când sensibilitatea unei persoane scade brusc (despre asta scriem mai jos).

Progresele în domeniul creșterii rezistenței corpului uman la supraîncărcare sunt foarte mari și continuă să se dezvolte. S-a obținut deja un mare succes în creșterea rezistenței, oferind corpului uman poziția corectă în timpul zborului, folosind un scaun moale, din plastic din burete și costume spațiale special concepute. Poate că viitorul apropiat va aduce un succes și mai mare în acest domeniu.

CÂND TOTUL ÎN jur VIBRĂ

Dintre numeroasele pericole care îl așteaptă pe un astronaut în timpul unui zbor, mai trebuie menționat unul, legat de caracteristicile aerodinamice ale zborului și de funcționarea motoarelor cu reacție. Acest pericol, deși din fericire nu este foarte mare, vine din vibrație.

În timpul lansării funcționează motoare puternice, iar întreaga structură a rachetei este supusă vibrațiilor puternice. Vibrația este transmisă corpului astronautului și poate duce la consecințe foarte neplăcute pentru el.

Efectele nocive ale vibrațiilor asupra corpului uman sunt cunoscute de mult timp. Într-adevăr, lucrătorii care folosesc un ciocan pneumatic sau un burghiu mai mult sau mai puțin îndelungat se îmbolnăvesc de așa-numita boală a vibrațiilor, care se manifestă nu numai prin dureri severe la nivelul mușchilor și articulațiilor extremităților superioare, ci și prin dureri la nivelul abdomenul, inima și capul. Apare scurtarea respirației și respirația devine dificilă. Sensibilitatea corpului depinde în mare măsură de care dintre organele interne este cel mai susceptibil la vibrații. Organele digestive interne, plămânii, membrele superioare și inferioare, ochii, creierul, gâtul, bronhiile etc. reacționează diferit la vibrații.

S-a stabilit că vibrația unei nave spațiale are un efect dăunător asupra tuturor țesuturilor și organelor corpului uman - iar vibrația de înaltă frecvență este cea mai prost tolerată, adică una greu de observat fără instrumente precise. În timpul experimentelor cu animale și oameni, s-a constatat că sub influența vibrațiilor, bătăile inimii acestora cresc mai întâi, tensiunea arterială crește, apoi apar modificări în compoziția sângelui: numărul de globule roșii scade, numărul de globule albe. crește. Metabolismul general este perturbat, nivelul vitaminelor din țesuturi scade și apar modificări în oase. Interesant este că temperatura corpului depinde în mare măsură de frecvența vibrațiilor. Când frecvența de oscilație crește, temperatura corpului crește, iar când frecvența scade, temperatura scade.

Prin urmare, nu este surprinzător faptul că vibrația unei nave spațiale poate provoca perturbări semnificative în funcțiile vitale ale corpului și poate afecta negativ activitatea mentală a unui astronaut.

Desigur, consecințele vibrațiilor pot deveni periculoase dacă sunt expuse corpului uman pentru o perioadă lungă de timp. Dacă astronauții ar trebui să suporte vibrații timp de câteva zile, aceasta ar duce la o întrerupere completă și ireversibilă a vieții, cu toate consecințele care decurg din aceasta.

Din fericire, această problemă nu este atât de mare pe cât pare la prima vedere. Cert este că durata vibrațiilor în timpul lansării unei rachete este de doar câteva minute și, deși echipajul navei spațiale se confruntă cu unele inconveniente, acestea durează atât de puțin încât nu provoacă niciun rău. Vibrația durează ceva mai mult pe măsură ce nava trece prin atmosferă în timpul aterizării. Dar nici asta nu este chiar atât de periculos. În plus, designul special al suspensiei scaunelor flexibile și elastice, care izolează astronauții de corpul rachetei, precum și tapițeria din plastic moale a scaunelor și spătarului scaunelor, reduc semnificativ vibrațiile transmise de la corpul rachetei către corpul astronautului.