Zapobieganie przeciw przeciążeniom

I. Przeciążenie.

Na powierzchni Ziemi utrzymujemy się na skutek działania siły skierowanej pionowo w dół, wynikającej z posiadania przez Ziemię masy; siła ta nazywa się siłą ciężkości. Podczas startu pojazdu kosmicznego astronauci, z powodu dużego przyspieszenia wznoszącej się rakiety, odczuwają działanie dodatkowej siły skierowanej w dół. Siłę działającą na nich nazywa się przeciążeniem, jej wielkość wyraża się wielokrotnością przyspieszenia ziemskiego g. Astronauci doświadczają działania podobnej siły przy lądowaniu, kiedy ich statek gwałtownie hamuje wchodząc w atmosferę ziemską. We wczesnym okresie lotów kosmicznych astronauci musieli znosić przeciążenia aż do 10 g, co oznacza siłę dziesięć razy większą niż normalna siła ciężkości. Pod działaniem takiej siły właściwie nie mogli się oni poruszyć. W nowoczesnych rakietach nośnych przeciążenia są utrzymywane na możliwie niskim poziomie. Astronauci na wahadłowcach doświadczają niewiele więcej niż, 3 g, co jest wielkością zbliżoną do przeciążeń, jakich każda osoba może doświadczyć w wesołym miasteczku, podczas przejażdżki niektórymi z najnowszych „szalonych kolejek” (roller-coaster). Niewielkie przeciążenie odczuwane na wahadłowcu jest jednym z powodów, dla których nie tylko supersprawni zawodowi astronauci, ale również zwykli ludzie, po niewielkim przygotowaniu, są zdolni do lotu wahadłowcem kosmicznym.


II. Skafandry kosmiczne.

W przestrzeni kosmicznej panują warunki skrajnie nieprzyjazne dla człowieka: nie ma tam niezbędnego do oddychania powietrza i nie występuje ciśnienie - przestrzeń kosmiczna jest po prostu próżnią. Przenika przez nią również niebezpieczne promieniowanie pochodzące ze Słońca i z przestrzeni kosmicznej. Światło słoneczne stanowi również zagrożenie z powodu swojego natężenia i braku jakiegokolwiek ośrodka obniżającego jego efekt cieplny. Z drugiej strony, tam gdzie światło słoneczne nie dochodzi, temperatura może gwałtownie się obniżyć do -150 stopni Celsjusza. Dlatego też astronauci decydujący się na wyjście na zewnątrz statku kosmicznego muszą posiadać skafandry kosmiczne, zapewniające właściwą ochronę przed środowiskiem przestrzeni kosmicznej. Pierwsze skafandry używane przez astronautów były jedynie zmodyfikowanymi skafandrami ciśnieniowymi używanymi przez pilotów samolotów wojskowych. Skafandry kosmiczne zaczęły przybierać swoją obecną formę począwszy od lotów Gemini oraz Woschod, kiedy to astronauci rozpoczęli spacery w kosmosie. W trakcie tych spacerów (w jęz. angielskim EVA) astronauci mieli na sobie skafandry składające się z wielu warstw ochronnych. Tlen był dostarczany do skafandra za pośrednictwem przewodu („pępowiny”) przymocowanego do liny zabezpieczającej astronautę przed poszybowaniem zbyt daleko od statku. U Amerykanów przełom w projektowaniu skafandrów kosmicznych nastąpił wraz z pojawieniem się samodzielnego wielowarstwowego skafandra kosmicznego Apollo, przeznaczonego do długotrwałego przebywania na Księżycu, na zewnątrz statku kosmicznego. Skafandry kosmiczne stosowane obecnie na wahadłowcach kosmicznych są jeszcze bardziej nowoczesne. Skafander kosmiczny załogi wahadłowca składa się (w odróżnieniu od skafandra Apollo) z dwóch części - jednej przeznaczonej na górną część tułowia oraz spodni. Obie części są łączone ze sobą w pasie za pomocą hermetycznego uszczelnienia. Te dwie części skafandra składają się z kilku warstw, aby zapewnić astronaucie odpowiednią ochronę. Tlen jest podawany przez rurę do wewnętrznej warstwy ciśnieniowej. Aby utrzymać stałą temperaturę ciała, pod tą warstwą astronauta ma na sobie chłodzone wodą spodnie. W górnej części skafandra znajduje się aluminiowa rama, do której jest na stałe przymocowane, umieszczone na plecach, urządzenie regulacji składu powietrza (układ życiodajny). Urządzenie to dostarcza astronaucie tlen, wodę chłodzącą oraz zasilanie. Ubranie się w skafander na pokładzie wahadłowca zajmuje astronaucie zaledwie około 10 minut, jednak przed rozpoczęciem działalności na zewnątrz statku musi on przynajmniej przez dwie godziny oddychać w atmosferze czystego tlenu w celu stopniowego usunięcia azotu z krwi. Zaniechanie tej czynności spowodowałoby atak choroby kesonowej przy przełączeniu się na oddychanie tlenem ze skafandra, który to gaz jest dostarczany pod zmniejszonym ciśnieniem. Astronauta nakłada skafander kosmiczny w śluzie powietrznej wahadłowca, na środkowym pokładzie statku orbitalnego, a następnie wychodzi przez luk śluzy powietrznej do komory ładunku użytecznego. W trakcie pobytu w komorze korzysta on z liny zabezpieczającej. Jeżeli chce się wybrać trochę dalej w przestrzeń, wówczas przemieszcza się przy pomocy załogowego urządzenia manewrującego (MMU) o napędzie odrzutowym. Pierwszy próbny lot załogowym urządzeniem manewrującym wykonał Bruce McCandless w lutym 1984 roku, a później, w tym samym roku, zostało ono wykorzystane przy operacji przechwycenia oraz naprawy satelity Solar Max.


III. Nieważkość.

Jest to potoczne określenie dziwnego stanu doświadczanego podczas przebywania w przestrzeni kosmicznej, kiedy wydaje się, że nasze ciało nic nie waży. Innym określeniem tego stanu jest „zerowa siła ciążenia”, co oznacza brak siły ciążenia. Określenie „zerowa siła ciążenia” nie jest poprawne, ponieważ siła ciążenia nadal istnieje na orbicie przyciągając ciało w kierunku Ziemi. Jednakże, ponieważ poruszamy się wokół Ziemi z bardzo dużą prędkością (około 28 000 km/h), nasze spadanie w kierunku Ziemi jest równoważone przez efekt zakrzywienia toru lotu statku nad Ziemią. W rezultacie pozostajemy na tej samej wysokości nad Ziemią. Ten stan, w którym „spadamy dookoła Ziemi”, określany jest mianem spadania swobodnego. Nieważkość ma wpływ na wszystkie czynności wykonywane na orbicie - poruszanie się, jedzenie, picie, korzystanie z toalety oraz pracę z użyciem narzędzi. Na przykład, płyny nie będą się wylewać i dlatego nie można ich pić ze szklanki - trzeba je zasysać. W toalecie na statku kosmicznym odchody wydalone z organizmu są usuwane przez strumień powietrza. Długotrwały stan nieważkości może spowodować osłabienie organizmu, jednak można to ryzyko obniżyć do minimum przez regularne wykonywanie ćwiczeń fizycznych. Badaniem wpływu środowiska przestrzeni kosmicznej na organizm zajmuje się medycyna kosmiczna. Kosmonauci radzieccy, spędzający długie okresy w przestrzeni kosmicznej, dowiedli zdecydowanie, że człowiek może tam przebywać rok, a nawet dłużej, bez poniesienia jakiegokolwiek uszczerbku na zdrowiu, co jest pozytywnym znakiem, jeżeli chodzi o przyszłość ludzkości w przestrzeni kosmicznej.


IV. Grawitacja

1. Przyciąganie Ziemi

Jesienią jabłka dojrzewają i jeśli nie zostaną zerwane, oderwą się jedno po drugim od gałęzi i spadną na ziemię. Jakaś siła musi ciągnąć je w dół.
Kiedy rzucacie piłkę w powietrze, leci ona łukiem w górę i w przód, ale szybko spada z powrotem na ziemię. Jakaś siła ciągnie ją w dół. Ta ciągnąca w dół siła to ciążenie (grawitacja). Jest to przyciąganie, jakie Ziemia wywiera na wszystko, co jest na niej lub w jej pobliżu. Wszystkie inne ciała niebieskie w podobny sposób wywierają ciążenie. Grawitacja jest dosłownie tym, co trzyma wszechświat razem.
Jednym z pierwszych ludzi, którzy badali ciążenie ziemskie, był włoski uczony Galileusz na początku XVII wieku. Galileusz mieszkał w tym czasie w Pizie i przypuszczalnie wykonał doświadczenie ze szczytu słynnej krzywej wieży.
Zrzucił on z wieży dwa ciężarki, lekki i ciężki. Uczeni w tych czasach wierzyli, że ciężkie przedmioty spadają szybciej niż lekkie. Ale kiedy Galileusz zrzucił swoje ciężarki z wieży, obydwa spadły na ziemię jednocześnie.
Galileusz udowodnił tym doświadczeniem, że wszystkie ciała puszczone swobodnie, bez względu na ciężar, spadają na Ziemię z taką samą prędkością. Sprawdźcie to sami upuszczając piłeczkę golfową (ciężka) i piłeczkę pingpongową (lekka) z tej samej wysokości. Gdybyście zrzucili kamyk z wysokiego urwiska i mogli mierzyć jego prędkość w czasie spadania, to stwierdzilibyście, że po jednej sekundzie porusza się on z prędkością około 9,8 metrów na sekundę. Po następnej sekundzie poruszałby się o 9,8 metrów na sekundę szybciej, a po jeszcze jednej sekundzie o dalsze 9,8 metrów na sekundę szybciej. I tak dalej. Stwierdzilibyście, że jego prędkość wzrasta o 9,8 metrów na sekundę w czasie każdej sekundy spadania. Innymi słowy, że tempo przyrostu prędkości kamyka - jego przyśpieszenie - wynosi 9,8 metrów na sekundę.
Każde spadające ciało zwiększa swoją prędkość w takim tempie z powodu przyciągania Ziemi. Nazywamy to przyśpieszeniem na skutek ciążenia. Widzieliśmy wcześniej w doświadczeniu z piłeczką golfową i pingpongową, że obydwie piłeczki spadły na ziemię razem. Chociaż mają one różny ciężar spadają one z taką samą prędkością, ponieważ ciążenie przyśpiesza je jednakowo.

2. Spadanie w powietrzu

Moglibyśmy się spodziewać, że wszystkie przedmioty spadną na ziemię razem, jeśli zostaną razem upuszczone. Ale czy tak się stanie? Upuście razem pomarańczę i balon. Czy spadną one na ziemię razem? Zauważycie, że nie. Pomarańcza spada na ziemię przed balonem. A zatem nasza teoria, że wszystkie przedmioty spadają na ziemię z taką samą prędkością, została podważona.
Widocznie oprócz ciążenia wchodzi tu w grę jakaś inna siła. I to ona zwalnia balon. Tą siłą jest opór powietrza. Powietrze stawia opór wszystkiemu, co się w nim przemieszcza. A im większy jest przedmiot, tym większy jest stawiany mu opór. Tak więc balon, który jest dużo większy niż pomarańcza, napotyka na większy opór powietrza i jest bardziej hamowany w czasie spadania.
Tak samo młotek i piórko powinny spadać razem, kiedy zostaną upuszczone, ale nie spadają razem, ponieważ opór powietrza oddziałuje bardziej na piórko. Jednak gdybyście upuścili młotek i piórko na księżycu, spadłyby razem, ponieważ nie ma tam powietrza, nie ma więc i oporu powietrza.
Jeden z astronautów programu Apollo, David Scott, wykonał właśnie takie doświadczenie w czasie podróży Apollo 15 w lipcu 1971 roku. Podniósł on młotek geologiczny, którym pracował, i piórko, które przywiózł z Ziemi i upuścił je. Pod wpływem siły ciążenia księżyca obydwa spadły razem na grunt księżycowy. „No i co,” zawołał Scott, „pan Galileusz miał rację!”.

3. Newton i prawo ciążenia

Galileusz zmarł w 1642 roku. Zbiegiem okoliczności w tym samym roku urodził się inny geniusz naukowy, w Anglii. Był to Izaak Newton, którego prace teoretyczne i praktyczne przekształciły nauki przyrodnicze i matematykę. Jest on szczególnie wspominany za swoje odkrycie praw ciążenia, w opowieści, która nie wiadomo, czy jest prawdziwa.
Opowieść głosi, że pewnego dnia siedział on pod jabłonią, kiedy jabłko spadło na ziemię u jego stóp. Skłoniło go to do rozmyślań, czy siła, która ściągnęła jabłko na ziemię - to znaczy ciążenie - to ta sama siła, która utrzymuje Księżyc w nieustannym ruchu wokół Ziemi. Uznał, że tak.

Księżyc porusza się w przestrzeni kosmicznej. Gdyby nie działały na niego żadne siły, poruszałby się po linii prostej. Ale w rzeczywistości krąży on wokół Ziemi. Musi więc być jakaś siła związana z Ziemią, która przyciąga Księżyc i każe mu poruszać się po kole, po orbicie wokoło Ziemi. Tą siłą musi być ciążenie Ziemi.
Możecie zobaczyć, jak ciążenie działa na Księżyc, kręcąc nad głową kamieniem przywiązanym do kawałka sznurka. Upewnijcie się, że wokoło jest dużo miejsca i nikogo nie ma w pobliżu! Kamień krąży po kole, ponieważ ciągniecie za sznurek. Jeśli wypuścicie sznurek, kamień pomknie po linii prostej. I tak samo jest z Księżycem. Ciążenie (ciągnięcie ku środkowi) utrzymuje Księżyc (kamień) w ruchu po kole. Gdyby ciążenie nagle ustało, Księżyc odleciałby w przestrzeń kosmiczną po linii prostej.
Newton zdawał sobie sprawę, że siłę ciążenia ma nie tylko Ziemia, lecz każde ciało we wszechświecie. Ciążenie Słońca utrzymuje planety na ich orbitach w układzie słonecznym. Ciążenie wiąże gwiazdy w wielkie grupy gwiazd, czyli galaktyki, a galaktyki w skupiska galaktyk. Ciążenie trzyma razem cały wszechświat.
Newton ujął swoje myśli o ciążeniu w swoim prawie powszechnego ciążenia: Każdy kawałek materii we wszechświecie przyciąga każdy inny kawałek materii z siłą, która zależy od ich mas i odwrotnie zależy od kwadratu odległości pomiędzy nimi.
Wyrażając to matematycznie: siła ciążenia (F) pomiędzy dwoma ciałami o masach m1 i m2 i odległości d pomiędzy nimi jest proporcjonalna do iloczynu ich dwóch mas (m1 m2) oraz 1 podzielone przez d do kwadratu.
Wynika z tego, że jeśli powiększycie jedną z mas dwukrotnie, podwoicie siłę ciążenia. Ale jeśli powiększycie dwukrotnie odległość pomiędzy nimi, zmniejszycie siłę czterokrotnie (jeden podzielone przez dwa do kwadratu).

4. Masa i ciężar

Na Ziemi siła ciążenia występuje pomiędzy każdym przedmiotem na powierzchni Ziemi a samą Ziemią. Działa ona ciągnąc przedmiot w dół ku powierzchni. Jest to siła, którą nazywamy ciężarem.
Z podanego przez Newtona prawa ciążenia widzimy, że ta siła jest proporcjonalna do masy przedmiotu. Im większa jest masa przedmiotu, tym bardziej Ziemia go przyciąga i tym większy jest jego ciężar.
Określenia „masa” i „ciężar” są często mylone. Ale jak widzicie, różnią się one od siebie. „Masa” jest ilością materii w przedmiocie. Nigdy się ona nie zmienia. „Ciężar” jest siłą działającą na przedmiot z powodu ciążenia. Zmienia się ona, kiedy zmienia się ciążenie.
Siła ciążenia, która przyciąga przedmiot do Ziemi, zależy oczywiście nie tylko od masy przedmiotu, lecz także od masy Ziemi, która go przyciąga. Możemy więc ogólnie powiedzieć, że dla danego przedmiotu siła ciążenia, jakiej on podlega, zależy od masy ciała przyciągającego.
Na przykład Księżyc jest dużo mniejszy i ma dużo mniejszą masę niż Ziemia. A więc jego ciążenie jest dużo słabsze - tylko około jednej szóstej ciążenia Ziemi. Znaczy to, że na Księżycu przedmioty ważą tylko jedną szóstą tego, co ważą na Ziemi.

Z drugiej strony, planeta Jowisz jest dużo większa i ma większą masę niż Ziemia. A więc jego ciążenie jest dużo większe - ponad dwa i pół raza. Znaczy to , że przedmioty na Jowiszu ważyłyby ponad dwa i pół raza więcej niż ważą na Ziemi.
Widzimy więc, że dany przedmiot miałby różny ciężar na Ziemi, na Księżycu i na Jowiszu. Ale miałby on stale taką samą masę. Jego masa jest stała. Jego ciężar zmienia się odpowiednio do ciążenia.




5. Ciążenie i satelity

Wracając do Ziemi i do prawa Newtona widzimy, że siła ciążenia na przedmiot zależy też od odległości (d we wzorze). Jest to odległość pomiędzy przedmiotem a środkiem Ziemi (jej środkiem masy).
A więc jeśli wspinacie się ponad powierzchnię, ciążenie się zmniejsza. Ale zmiana jest bardzo niewielka. Dopiero kiedy oderwiecie się na setki kilometrów w przestrzeń kosmiczną, ciążenie wyraźnie słabnie. A im wyżej, tym staje się ono słabsze. Wyjaśnia to, dlaczego satelity krążące na większych wysokościach nie muszą poruszać się tak szybko, żeby utrzymać się na orbicie.
Mówimy o astronautach w ich orbitującym pojeździe kosmicznym, że są oni w stanie zero-g (to znaczy bez siły ciążenia). Ale oczywiście to nie jest prawda. Na orbicie stale działa ciążenie. Gdyby nie działało, pojazd kosmiczny odleciałby w przestrzeń.
Stan „zero-g” nazywamy też „nieważkością”, ponieważ wszystko na orbicie wydaje się nie mieć żadnego ciężaru. Ciężar jest siłą ciągnącą przedmiot w dół, działającą z powodu ciążenia. A ponieważ ciążenie jest stale na orbicie obecne, przedmioty są stale ciągnięte w dół. Spadają one w stronę Ziemi. Ale nie można zmierzyć ich ciężaru - siły ciągnącej je w dół - za pomocą wagi, ponieważ waga też będzie spadała!