Скорости, ускорения, невесомость - Стасевич Р.А., Исаков П.К.

Author: Стасевич Р.А. Исаков П.К.

Tags: физика астрономия аэродинамика космонавтика полет в космос

Year: 1962

Similar

Архитектура невесомости

Приключения в невесомости. Лучшие игры в космосе

Аэродинамика больших скоростей

Покорение невесомости. Записки космонавта

Text

ДОКТОР МЕДИЦИНСКИХ НАУК
П. к. ИСАКОВ
КАНДИДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
Р. А. СТ АСЕВ И Ч
СКОРОСТИ,
УСКОРЕНИЯ,
НЕВЕСОМОСТЬ
(НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ФИЗИКИ И ФИЗИОЛОГИИ
ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПОЛЕТАМ В АТМОСФЕРЕ
И КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ)
Издание второе,
переработанное и дополненное
ВОЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СССР
Москва — 1962
53
И 85
Настоящая книга является значительно дополненным и перера-
ботанным изданием брошюры тех же авторов «Скорости, ускорения,
перегрузки», изданной в 1956 г.
В книге в свете новых данных рассматриваются скорость дви-
жения, ускорение и невесомость. Вопросу невесомости посвящена
специальная глав'а, в которой изложены физические условия возник-
новения этого явления и влияние его на организм человека и жи-
вотных в условиях космических полетов.
Книга хорошо иллюстрирована. Она рассчитана на широкий
круг читателей, интересующихся вопросами 'авиации и космонавтики.
ВВЕДЕНИЕ
В природе все находится в движении. Движение ма-
терии бесконечно в пространстве и времени.
Под движением в глубоком, философском, смысле
слова понимается всякое изменение, наблюдаемое в при-
роде и обществе.
Форм движения существует несколько: механическое,
представляющее собой простейшую форму движения, —
обычное перемещение тел в пространстве; физическое, на-
пример перемещение молекул или электронов; химиче-
ское, заключающееся в соединении и разложении моле-
кул; органическое движение, или органическая жизнь, —
процесс развития клеток и организмов и, нако-
нец, высшая форма движения — развитие челове-
ческого общества. Различные формы движения не изоли-
рованы друг от друга, а, наоборот, тесно связаны между
собой.
Мы будем рассматривать только механическое дви-
жение.
Механическое движение может быть очень медлен-
ным, незаметным для глаза (например, изменение рель-
ефа земли, выветривание горных вершин, перемещение
русел рек), может быть и быстрым. Однако даже при
быстром движении, если одновременно с движущимся
телом с той же скоростью передвигаемся и мы сами,
заметить его очень трудно. Примером этого является
движение Земли.
Окружная скорость земной поверхности на широте
расположения Москвы (55°45') равна примерно
940 км!час (260 м/сек), скорость движения Земли по ор-
бите— примерно 108 000 км/час, или около 30 км/сек
(рис. 1). Тем не менее ни первое, ни второе движение
Земли непосредственно нами не замечается.
3
Равномерное прямолинейное движение можно обна-
ружить только тогда, когда наблюдатель перемещается
относительно окружающих предметов или предметы пе-
ремещаются относительно него.
Следовательно, можно говорить о движении тел
только о т н о с и т е л ь н о друг друга.
Приведем отрывок из книги великого итальянского
физика и астронома Галилея, в которой впервые был вы-
сказан принцип относительности:
Рис. 1. Движение Земли вокруг своей оси и вокруг
Солнца
«Заключите себя с приятелем в просторное помеще-
ние под палубой большого корабля. Если движение ко-
рабля будет равномерным, то вы ни по одному действию
не в состоянии будете судить, движется ли корабль или
стоит на месте. Прыгая, вы будете покрывать по полу те
же самые расстояния, как и на неподвижном корабле.
Вы не сделаете вследствие быстрого движения корабля
больших прыжков к корме, чем к носу корабля, хотя,
пока вы находитесь в воздухе, пол под вами бежит к
части, противоположной прыжку. Бросая вещь товарищу,
вам не нужно с большей силой кидать ее от кормы к носу,
чем наоборот... Мухи будут летать во все стороны, не
держась преимущественно той стороны, которая ближе
к корме...».
Когда появились первые железные дороги, поезда дви-
гались со скоростью около 20 км/час. Эта скорость дви-
4
жения считалась для того времени довольно значитель-
ной, и некоторые высказывали предположение, что она
будет вредна для человеческого организма.
Но эти опасения оказались необоснованными, и по
мере достижения все больших и больших скоростей стала
создаваться уверенность в полной ее безвредности для
людей.
Достаточно вспомнить, что мы вместе с Землей дви-
жемся с огромной скоростью. Однако мы не ощущаем
этой скорости ни на себе, ни на других. Но если водитель
автомобиля, троллейбуса, поезда начнет быстро увеличи-
вать скорость при трогании с места, резко поворачивать
в сторону или тормозить, все пассажиры это немедленно
почувствуют. Иногда в таких случаях дело кончается
падением и ушибами пассажиров.
Почему же, двигаясь вместе с Землей с огромной ско-
ростью, мы не ощущаем влияния последней, а при пере-
движении на каком-либо из средств транспорта мы на-
блюдаем явления, подчас крайне неприятные для нас?
Оказывается, что человек испытывает влияние не самой
скорости, а лишь изменений ее величины или направ-
ления.
Огромные скорости передвижения стали возможны
после осуществления давней мечты человечества — за-
воевания воздушного пространства.
На протяжении всей истории развития авиации ско-
рость полета неуклонно возрастала. Так называемый
«звуковой барьер», заключающийся в резком увеличении
сопротивления воздуха, был успешно преодолен внедре-
нием в авиацию реактивных двигателей и совершенство-
ванием аэродинамики летательных аппаратов.
Теперь самолеты летают со скоростями, намного пре-
вышающими скорость звука.
Особенно стремительный скачок в увеличении скоро-
сти полета совершила ракетная техника.
Родиной большинства современных ракет яв’ляется
Советский Союз. Идея ракетного полета впервые полу-
чила научное обоснование в трудах нашего замечатель-
ного ученого К. Э. Циолковского, который не только
предвидел, но и теоретически доказал возможность созда-
ния реактивных самолетов и ракет большого радиуса дей-
ствия.
Ровно полвека тому назад он высказал мысль, что
5
только с момента применения реактивных аппаратов нач-
нется новая, великая эра в астрономии — эпоха более
пристального изучения неба.
Заветная мечта гениального ученого-мечтателя о по-
летах в космическое пространство претворена в наши
дни в реальную действительность.
Вот они, этапы большого пути, которые привели к:
первым космическим полетам советских летчиков-космо-
навтов.
1957 год, 4 октября. Советский Союз первым в мире
создал и послал в космическое пространство искусствен-
ный спутник Земли. Этим полетом впервые в истории
человечества была превышена первая космическая ско-
рость (7910 м/сек).
Примерная схема запуска искусственного спутника
Земли приведена на рис. 2.
1957 год, 3 ноября. В космос направлен второй искус-
ственный спутник, на борту которого находился герме-
тический контейнер с первым «космонавтом» — собакой
Лайкой.
1958 год, 15 мая. Запущен третий искусственный спут-
ник для проведения научных исследований в верхних
слоях атмосферы и космическом пространстве. Спутник
был отделен от ракеты-носителя, и их движение можно
было наблюдать невооруженным глазом в лучах восхо-
дящего й заходящего Солнца.
1959 год, 2 января. Произведен успешный запуск пер-
вой в мире космической ракеты * в сторону Луны. Впер-
* Космической ракета была названа потому, что в отличие от
искусственного спутника Земли, связанного с Землей ее притяже-
нием и вращающегося вокруг нее по более или менее вытянутым
орбитам, она оказалась способной преодолеть земное притяжение и„
покинув Землю, совершать полеты в космосе. Вторая косми-
ческая скорость иначе называется параболической, так как движе-
ние ее в космическом пространстве происходит по параболической
кривой (рис. 3). По мере удаления от Земли скорость ракеты под
действием силы тяготения уменьшается и на расстоянии от нее в
100 000 км составляет только 3500 м!сек.
Если скорость ракеты превышает вторую космическую скорость,
то полет ее происходит по гиперболической кривой. С ростом ско-
рости гиперболическая траектория все больше и больше уменьшает
свою кривизну. При скорости, равной бесконечности (V==<x>),
траектория полета стала бы прямолинейной.
Для вылета ракеты за пределы солнечной системы, т. е. для
преодоления силы тяготения Солнца, ракета должна иметь ско-
рость, равную приблизительно 16 000 м!сек.
6
Рис. 2. Схема запуска искусственного спутника Земли:
/--вертикальный старт; 2 — конец работы первой ступени и отделение ее; 3 — конец работы второй ступени и отде-
ление ее; 4 — выход на орбиту; 5 — отделение последней ступени от спутника
вне в истории человечества был создай летательный ап-
парат, не только достигший, но и превысивший вторую
космическую скорость (11 200 м/сек).
1959 год, 12 сентября. Запущена в сторону Луны вто-
рая космическая ракета, которая 14 сентября в 0 часов
02 минуты 24 секунды по московскому времени достигла
поверхности Луны.
Рис. 3. Формы орбит при различных стартовых скоростях
(у поверхности Земли)
1959 год, 4 октября. Произведен запуск третьей кос-
мической ракеты, на борту которой была установлена
автоматическая межпланетная станция. С помощью фо-
тографической аппаратуры, установленной на автомати-
ческой межпланетной станции, учеными были получены
изображения недоступной до сих пор исследованиям об-
ратной стороны Луны и другие научные результаты.
1960 год, 15 мая. Произведен успешный запуск пер-
вого в мире советского космического корабля на орбиту
спутника Земли. На борту корабля находилась гермети-
ческая кабина с грузом, имитирующим вес человека.
1960 год, 19 августа. Осуществлен запуск на орбиту
спутника Земли второго космического корабля. В кабине,
оборудованной всем необходимым для будущего полета
8
человека, находились подопытные животные, в том числе
собаки Белка и Стрелка.
После завершения программы исследований впервые
в истории живые существа, совершив космический полет
протяженностью свыше 700 000 км, благополучно верну-
лись на Землю.
1960 год, 1 декабря. Произведен запуск третьего кос-
мического корабля на орбиту спутника Земли. В кабине
корабля находились подопытные животные, в том числе
собаки Пчелка и Мушка.
1961 год, 4 февраля. Запущен тяжелый искусственный
спутник Земли весом 6483 кг.
1961 год, 12 февраля. На орбиту выведен тяжелый
искусственный спутник Земли. В тот же день с этого
спутника стартовала управляемая космическая ракета,
которая вывела автоматическую межпланетную станцию
на траекторию к планете Венера.
1961 год, 9 марта. Выведен на орбиту вокруг Земли
четвертый корабль-спутник, в кабине которого находи-
лись собака Чернушка и другие биологические объ-
екты.
В тот же день по команде с Земли корабль-спутник
совершил посадку в заданном районе Советского Союза.
1961 год, 25 марта. Осуществлен запуск пятого кос-
мического корабля-спутника, в кабине которого находи-
лись собака Звездочка и другие биологические объ-
екты. В тот же день по команде с Земли корабль-
спутник совершил посадку в заданном районе Совет-
ского Союза.
1961 год, 12 апреля. В Советском Союзе выведен па
орбиту вокруг Земли первый в мире космический ко-
рабль-спутник «Восток» с человеком на борту.
Пилотом-космонавтом космического корабля-спут-
ника являлся гражданин Союза Советских Социалистиче-
ских Республик летчик майор Гагарин Юрий Алексеевич.
Старт космической ракеты прошел успешно. В тот же
день корабль-спутник «Восток» благополучно совершил
посадку в заданном районе Советского Союза.
1961 год, 6 августа. В этот день, в 9 часов по москов-
скому времени мощной советской ракетой на орбиту во-
круг Земли был выведен новый космический корабль-
спутник «Восток-2», пилотируемый летчиком-космонав-
том Титовым Германом Степановичем.
9
Товарищ Титов благополучно совершил 25-часовой по-
лет вокруг Земли и после выполнения намеченной про-
граммы успешно приземлился в заданном районе Совет-
ского Союза. Космический корабль «Восток-2», управляе-
мый товарищем Титовым, облетел 17 с лишним раз во-
круг земного шара, проделав путь в космосе, равный рас-
стоянию от Земли до Луны и обратно.
* . *
*
Первые в истории человечества полеты в космическое
пространство, осуществленные советскими и американски-
ми космонавтами, позволяют сделать вывод огромного
научного значения о практической возможности полетов
человека в космос. Этими полетами доказано, что человек
может нормально переносить условия длительного косми-
ческого полета, выведения на орбиту и возвращения на
поверхность Земли и что в условиях невесомости человек
полностью сохраняет работоспособность, координацию
движений, ясность мышления.
Первые успешные полеты человека в космическое про-
странство являются одним из крупнейших событий в ис-
тории цивилизации.
Летчик-космонавт
майор Юрий Алексеевич ГАГАРИН

Летчик-космонавт
майор Герман Степанович ТИТОВ

Глава I
СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ
Механическое движение характеризуется скоростью
и направлением перемещения тела. Скоростью движения
называют отношение длины пути ко времени, в течение
которого тело проходит этот путь.
По направлению движение может быть прямолиней-
ным и криволинейным.
Если скорость не изменяется с течением времени, дви-
жение называется равномерным и данное выше опреде-
ление скорости является справедливым для любого уча-
стка пути или промежутка времени, в течение которого
происходило движение. Если же движение неравномер-
ное, то частное от деления отрезка пути на время будет
выражать среднюю скорость движения на этом отрезке
пути.
Для того чтобы найти скорость движения в каждый
данный момент, надо брать достаточно маленькие уча-
стки пути и соответствующие им промежутки времени, в
течение которых можно принять, что скорость постоянна
или меняется незначительно.
Скорость — величина векторная (вектор), она
имеет, кроме численного значения, еще и направле-
ние.
1. Скорость прямолинейного движения
В зависимости от быстроты перемещения движущихся
тел скорость измеряют различными мерами. В технике
скорость измеряют в метрах в секунду (м/сек) и кило-
15
метрах в час (км/час); например, скорость полета само-
лета 200 м/сек, или 720 км/час. Таким образом, размер-
ность скорости выражается через длину и время *.
В физике приходится иметь дело со значительным
диапазоном скоростей, поэтому там для измерения ско-
рости приняты единицы, начиная от миллиметров в год
(мм/год) до километров в секунду (км/сек). Например,
диффузия (проникновение некоторых растворов друг в
друга) происходит со скоростью долей миллиметра в час,
а электромагнитные волны, в том числе свет, представ-
ляющий собой видимые электромагнитные излучения,
распространяются со скоростью 300 000 км/сек. Эта ско-
рость является наибольшей из всех известных в природе
скоростей.
К числу физических явлений, дающих наглядное
представление о скорости, относится звук. В обычных
условиях расстояние от источника звука до нас бывает
невелико, и мы редко замечаем промежуток времени
между моментом возникновения звука и моментом вос-
приятия его нами. Но в некоторых случаях этот проме-
жуток можно заметить.
Например, во время грозы звук грома, возникающий
одновременно с молнией, доходит до нас позднее, чем
свет молнии, что указывает на разность скоростей света
и звука. В горах звук, отражаясь от окружающих скло-
нов, возвращается к нам (эхо) спустя некоторое время
после того, как он был произведен. Время возвращения
звука будет тем больше, чем больше расстояние до гор.
При слушании одновременно нескольких репродукто-
ров, расположенных на различном расстоянии друг от
друга, мы обычно наблюдаем, что звуки от репродуктора,
находящегося вдали, доходят до нас позже звуков от
ближе расположенного репродуктора и даже мешают
слушать радиопередачу.
Скорость звука зависит от физического строения
среды, в которой распространяется звук, и от ее состоя-
ния. Например, скорость звука в значительной степени
зависит от температуры воздуха (табл. 1).
* Размерностью физических величин называется выражение их
через величины, положенные в основу системы единиц измерения.
16
Таблица 1
сти, значительно превышающей скорость звука. Теперь
часто можно наблюдать, как вначале над нами проно-
сится самолет, а затем уже доходит производимый им
шум.
В табл. 2, иллюстрируемой рис. 4, приведены некото-
рые данные, характеризующие диапазон скоростей в
окружающем нас мире.
2. Скорость криволинейного движения
Простейшим видом криволинейного движения яв-
ляется равномерное движение по окружности. Такой вид
движения совершают, например, все точки вращающе-
гося тела. Для вращающихся тел существует понятие
угловой скорости, или скорости вращения.
Угловой скоростью называют отношение угла пово-
рота тела ко времени, ь течение которого этот поворот
произошел. Угловая скорость измеряется в радианах в
секунду *. Обозначение размерности угловой скорости
\]сек.
В технике скорость вращения выражается числом обо-
ротов в минуту. Угловая скорость связана с числом обо-
ротов следующим равенством:
где а) — угловая скорость;
^=3,14;
П—‘ЧИСЛО об]мин.
* Радианом называется угол, дуга которого равна радиусу; в
угловой мере радиан равен 57,3°.
17
co
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Улитка.............................
Пешеход............................
Муха...............................
Физкультурник бегом................
Теплоход ..........................
Лошадь рысью.......................
Заяц...............................
Орел...............................
Поезд..............................
Легковой автомобиль................
Парашютист при затяжном прыжке . .
Ураган ............................
Гоночный автомобиль ...............
Самолет с турбовинтовым двигателем .
Реактивный самолет.................
Звук в воздухе (у земли при 15° С) . .
Пуля . . . ........................
Стратосферная ракета...............
Искусственный спутник Земли . . . .
Космическая ракета.................
Земля (по орбите)..................
Электрон по орбите в атоме водорода .
Электрон в электронно-лучевой трубке .
Свет...............................
Таблица 2
Около 1,5 мм/сек, или 5,4 м/час
1,5 м/сек, я 5,4 км/час
5 я я 18 я
10 я я 36 я
11,1 я я 40 я
13,0 я я 47 я
18 я я 65 я
Около 24 я я 86 я
28 я я 100 я
35 я я 126 я
50 я я 180 я
55 я я 198 я
Около 160 я я 575 я
220 я я 790 я
300 я я 1080 я
340 я я 1224 я
865 я я 3100 я
4 км/сек, я 14 400 я
Около 8 я я 28 800 я
11,2 я я 40 300 я
Около 30 я я 108 000 я
2200 я я 7 920 000 я
100 000 я я 360 000 000 я
300 000 я я 1 080 000 000 я
Рис. 4. к характеристике диапазона скоростей (табл. 2)
Если радиус окружности, по которой движется точка
вращающегося тела, обозначить через г, то скорость дви-
жения точки по окружности, или так называемую линей-
ную скорость v, можно выразить так:
v = озг (2)
или
7с//г
v ~‘
30
Определим угловую скорость воздушного винта и ли-
нейную скорость его концевой части, если радиус винта
г= 1,1 м, а винт делает 1500 об/мин*.
тт 3,14- 1500 1 1 /
о) =-----—----------=157 1/сек;
30 — 30
v = о)г= 157 • 1,1 = 173 м/сек.
Примером высоких скоростей вращения, имеющихся
в настоящее время, является вращение электродвигате-
лей, развивающих до 48 000 об!мин, гироскопов авиа-
ционных приборов, которые делают до 100 000 об/мин.
3. Измерение скорости
Скорость движения измеряют различными способами,
зависящими от характера движения и от того, что дви-
Рис. 5. Указатель скорости авто-
мобиля:
/ — магнит; 2 — картушка; 3—пружина;
4 — шкала указателя скорости;
5 — гибкий валик
жется (тела, молекулы,
электрические заряды и
т. д.). Существует не-
сколько приборов для из-
мерения скорости движе-
ния транспортных средств.
На автомобилях при-
меняются указатели ско-
рости, действующие на
принципе использования
свойств вращающегося
магнита (рис. 5).
Вращательное движе-
ние карданного вала или
одного из колес передает-
ся с помощью гибкого ва-
лика на магнит. Число
оборотов магнита, таким образом, пропорционально
скорости движения автомобиля.
20
Рис. 6. Лаг для измерения скорости
морских и речных судов:
/ — корпус лага; 2— вертушка;
3 — буксирный трос
Магнит выполнен в виде незамкнутого кольца и об-
рамлен картушкой (обоймой), сидящей на своей оси;
картушка удерживается в начальном положении спи-
ральной пружиной. При вращении магнита картушка
поворачивается, при этом угол поворота будет тем
больше, чем больше скорость вращения магнита. С кар-
тушкой связана стрелка прибора; которая указывает на
отградуированной шкале скорость движения.
Для измерения
скорости морских и
речных судов приме-
няются механиче-
ские или электроме-
ханические прибо-
ры— лаги (рис. 6).
Лаг буксируется суд-
ном. При движении
лага вертушка вра-
щается под дейст-
вием воды. Враще-
ние вертушки пере-
дается механически
или через электропривод на счетчик, указывающий ско-
рость движения судна.
Для измерения скорости самолетов применяются при-
боры, в которых используется эффект давления встреч-
ного воздуха, так называемое динамическое давление.
На самолете устанавливают, обычно спереди крыла,
приемник указателя скорости 1 (рис. 7), состоящий из
двух трубок. Одна трубка 5 воспринимает динамическое
давление, другая 6 — статическое, или атмосферное, дав-
ление. От приемника динамическое давление по тонкой
трубке передается к манометрической коробке 3. Гофри-
рованные стенки коробки под давлением воздуха могут
прогибаться, поворачивая при этом через систему рыча-
гов стрелку шкалы 4,
Прибор фактически замеряет не скорость самолета, а
разность между динамическим и статическим давле-
нием.
Давление, оказываемое воздухом на движущийся
предмет, пропорционально плотности воздуха и квадрату
скорости движения. Зависимость показаний указателя
скорости от плотности воздуха приводит к тому, что при
21
увеличении высоты полета одна и та же скорость, пока-
зываемая прибором, будет соответствовать большей
истинной скорости. Поэтому, чтобы узнать истинную ско-
рость полета на той или иной высоте, необходимо вно-
сить в показания прибора поправки. Поправки могут
Рис. 7. Схема указателя скорости самолета:
/ — приемник указателя скорости, 2 — корпус прибора; 3 — манометри-
ческая коробка, 4 — градуированная шкала, 5 — трубка динамиче-
ского давления; 6 — трубка статического давления
быть очень значительные (рис. 8). При больших скоро-
стях полета, близких к скорости звука, переводить при-
борную скорость в истинную сложнее, так как прихо-
дится учитывать сжимаемость воздуха.
На больших сверхзвуковых скоростях полета прием-
ники воздушного давления имеют большие погрешности,
пз-за которых определение скорости полета становится
неточным. В этом случае приходится изыскивать иные
принципы определения скорости.
Особенно остро эта проблема стоит в ракетной тех-
нике, где от точности определения скорости полета зави-
сит точность вывода спутника или космической ракеты на
требуемую орбиту. Высота полета ракет так велика, что
измерять скорость полета по изменению давления воз-
духа становится невозможно. Кроме того, при негоризон-
тальном полете (как раз обычном для ракет) давление
будет зависеть не только от изменения скорости полета,
22
но и от разницы в высоте. Одним из применяющихся спо-
собов измерения скорости ракет является применение ра-
диолокационной станции. Такой метод определения скоро-
сти ракеты обладает большой точностью и не нуждается
в наличии сложной и громоздкой аппаратуры. В военном
Рис. 8. График для перевода скорости по-
лета по прибору в истинную скорость (без
учета сжимаемости); Н—высота полета
отношении этот способ имеет недостаток, заключающийся
в том, что, как всякое радиосредство, он подвержен по-
мехам.
Более удобной является автономная система опреде-
ления скорости, основанная на использовании так назы-
ваемого эффекта Допплера. Автономной она называется
потому, что определяет скорость полета с помощью
аппаратуры, находящейся исключительно на борту
летательного аппарата. Эффект Допплера заклю-
чается в том, что при изменении расстояния между на-
блюдателем и источником колебаний происходит изме-
нение частоты этих колебаний в точке наблюдения. При
быстром приближении источника звука тон его кажется
23
выше, а при удалении — ниже. Изменение частоты ко-
лебаний пропорционально скорости между источником
звука и наблюдателем. Эффект Допплера применим и
для электромагнитных колебаний: при изменении рас-
стояния между радиопередатчиком и радиоприемником
частота радиосигнала, принятого приемником, отли-
чается от частоты сигнала, посланного передатчиком.
На основе этого метода скорость полета определяют
следующим образом. На ракете помещают передатчик,
излучающий радиосигналы строго определенной частоты
под некоторым углом вниз, к Земле. Так как ракета дви-
жется, радиосигналы ракеты приходят на Землю с не-
сколько повышенной частотой. Земля будет отражать
радиосигналы этой новой повышенной частоты, которые
достигнут ракеты снова измененными в связи с ее дви-
жением. Таким образом получается удвоенное измене-
ние частоты радиосигналов, что способствует повыше-
нию точности определения скорости движения ракеты.
На ракете происходит автоматическое измерение ча-
стоты сигналов, а так как изменение частоты пропорцио-
нально скорости полета, то таким образом достаточно
точно определяется и скорость полета.
При однолучевой системе распространения радиосиг-
налов можно определить скорость только в горизонталь-
ном полете. Двухлучевая система позволяет находить и
скорость бокового скоса, а применяя большее число лу-
чей, можно определять и вертикальную скорость.
Наиболее совершенная и простая автономная система
измерения скорости движения ракеты основана на изме-
рении и суммировании изменения скорости. Эта система
измерений называется инерциальной и совершенно не
подвержена помехам. Измерение и суммирование изме-
нения скорости движения, производящиеся с помощью
гироскопов или специальных датчиков и электронных
вычислительных устройств, позволяют судить пе только
о скорости движения, но и о пройденном пути ракеты.
4. Пути увеличения скорости
На протяжении всей своей истории люди мечтали об
увеличении скорости перемещения по сравнению с той,
которую может создать передвижение на животных или
ветер, наполняющий паруса судов. Но повышение ско-
24
ростП стало возможным только после изобретения па-
рового двигателя и в особенности после изобретения дви-
гателя внутреннего сгорания. Это и понятно: увеличение
скорости движения требует значительного увеличения
затрачиваемой мощности на преодоление сопротивления
среды, в которой мы перемещаемся. Например, прира-
щение скорости на 10% требует увеличения мощности
на 33%. Кроме того, с ростом скорости встречаются та-
кие трудности, которые не позволяют эффективно исполь-
зовать даже располагаемые мощности. Рассмотрим, на-
пример, движение автомобиля. При своем перемещении
он отбрасывает назад все, что лежит на земле, и оттал-
кивается от нее. Для движения колеса автомобиля дол-
жны иметь надлежащее сцепление с поверхностью зем-
ли, а с ростом скорости сила этого сцепления умень-
шается. Помимо этого, малейшие неровности поверхно-
сти дороги вызывают сильные удары в колеса, которые
и так очень напряжены от огромной скорости вращения
(колеса гоночного автомобиля делают более 50 об!сек).
Именно уменьшение силы сцепления и большие нагруз-
ки, возникающие в колесах при быстром вращении, как
мы это увидим ниже, являются основным препятствием
идя дальнейшего увеличения скорости наземного транс-
порта.
Если мы обратимся к авиации, то увидим (рис. 9),
что рост скорости полета самолетов, особенно быстрый в
20—30 годах, позже стал заметно уменьшаться и в
1940 г. почти приостановился. Это объясняется, во-пер-
вых, тем, что к этому времени были достигнуты около-
звуковые скорости полета, при которых начал сказы-
ваться эффект сжимаемости воздуха, выразившийся
прежде всего в резком увеличении сопротивления дви-
жению. Во-вторых, движитель самолетов — воздушный
винт — благодаря вращению обтекается воздухом с боль-
шей скоростью, чем остальные агрегаты самолета — его
фюзеляж, крылья и оперение. Поэтому винт в большей
мере встречается с эффектом увеличения сопротивле-
ния, требуя повышенной мощности для своего вращения.
Эффект сжимаемости воздуха, кроме увеличения сопро-
тивления, приводит к снижению тянущих свойств воз-
душного винта, и при скорости около 800—900 км/час
коэффициент полезного действия его становится близким
к нулю.
25
Годы
Рис. 9. Изменение максимальной скорости полета самолетов
по годам (зарегистрированные рекорды)
Таким образом, хотя мощность поршневого двигателя
внутреннего сгорания при полете на любой скорости
остается постоянной, тяга, которую развивает движи-
тель самолета — воздушный винт, постепенно падает и
не позволяет достичь скорости полета более 750—
800 км/час.
Совсем другое положение возникает в случае приме-
26
нения реактивных двигателей. В воздушно-реактивном
двигателе сжатый воздух, смешиваясь с распыленным
горючим (чаще всего керосином), сгорает и с большой
скоростью выбрасывается из сопла наружу. Тяга такого
двигателя зависит от количества (массы) выбрасывае-
мых газов и от их скорости, но мало зависит от скорости
полета. Это принципиальное отличие реактивного двига-
теля от поршневого сняло вопрос о недостатке мощности
для полета на больших скоростях. Кроме того, реактив-
ный двигатель позволяет в сравнительно небольшом аг-
регате сосредоточить большие тяги и мощности.
Разрешив проблему мощности двигателя, авиаторы
столкнулись с необходимостью преодолевать другие пре-
пятствия «звукового барьера», выражающиеся в резком
изменении устойчивости и управляемости летательного
аппарата.
Так как характеристики летательного аппарата в
очень большой степени зависят от того, какова скорость
полета по отношению к скорости звука, а скорость звука
изменяется с высотой полета, принято измерять скорость
полета скоростных самолетов не в км!час, а в относи-
тельных единицах, показывающих отношение истинной
воздушной скорости к скорости звука на данной высоте
полета.
Это отношение называют числом М:
М = — ,
а
где а — скорость звука.
Для успешного преодоления «звукового барьера» по-
требовалось значительное изменение конфигурации ле-
тательных аппаратов — они приобрели стреловидные
крылья и оперение. Толщина профиля крыла намного
уменьшилась, так как выяснилось, что основная доля
сопротивления создается крылом, а его сопротивление
пропорционально квадрату относительной толщины про-
филя. Для улучшения управляемости самолетов на зву-
ковых скоростях полета движение рулевых поверхно-
стей стали осуществлять специальными устройствами с
подводом внешней энергии, а не мускульной силой че-
ловека. Все это способствовало тому, что с 1944 г. вновь
начался существенный прирост скорости полета (рис. 9).
Дальнейший еще более значительный рост скорости
полета в атмосфере в настоящее время встречает пре-
27
граду в виде так называемого кинетического нагрева
конструкции. Нагревание конструкции самолета проис-
ходит от трения и подтормаживания воздуха, обтекаю-
щего его поверхность. Степень нагрева зависит от квад-
рата числа М и начинает оказывать существенное влия-
ние при скоростях более М=1 (рис. 10).
Увеличение скорости полета может привести к недо-
пустимому нагреванию конструкции самолета. Поэтому
максимально допустимые из-за нагрева скорости полета
Рис. 10. Расчетная температура торможения в зависимости
от числа М
28
связывают с термином «тепловой барьер»*. Чем выше
скорость, тем большие трудности возникают для обес-
печения возможности полета в условиях нагрева. На-
грев конструкции приводит к понижению прочности
материалов, усложняет и ухудшает работу двига-
телей, вызывает большие трудности по обеспечению ра-
ботоспособности экипажа и аппаратуры. Такой широко
распространенный и хороший конструкционный мате-
риал, как дюраль, становится непригодным при скоро-
стях полета у Земли выше М=3. При скоростях полета
более М = 4 даже такие материалы, как титан или спе-
циальная сталь, тоже становятся неприемлемыми.
На условия нагревания влияет высота полета: чем
больше высота полета, т. е. разреженнее воздух, тем
меньше тепла передается самолету в единицу времени.
Таким образом, нагрев самолета является серьезным
препятствием для увеличения скорости полета на ма-
лой высоте. Если осуществлять полет не на малых вы-
сотах, а в стратосфере, то нагрев будет значительно
меньше. Однако полет на высотах более 30—35 км ста-
новится невозможным по другой причине — плотность
воздуха недостаточна для создания необходимой подъ-
емной силы крыльев даже при полете с большими сверх-
звуковыми скоростями.
При полете самолетов на малой высоте их скорость
ограничивается не только кинетическим нагревом, но и
величиной предельно допустимого скоростного напора
/ \
?пред — I Р ~ 1пред,
обусловливающего прочность конструкции. Дело в том,
что пропорционально с увеличением q растут и нагрузки
на самолет. Положение усугубляется тем, что увеличе-
ние скорости полета у Земли приводит не только к ро-
сту нагрузок, по и к снижению прочностных характери-
стик конструкционных материалов в связи с кинетиче-
ским нагревом.
* Этот термин, несмотря на широкое распространение, не со-
всем удачен, так как если «звуковой барьер» характеризуется опре-
деленной скоростью полета (близкой к скорости звука), после
преодоления которой открываются перспективы дальнейшего уве-
личения скорости полета, то «тепловой барьер» не характеризуется
какой-то определенной скоростью.
29
Итак, на малых высотах скорость полета самолета
ограничивается нагрузками и кинетическим нагревом, а
на больших высотах полет становится невозможным
из-за чрезвычайной разреженности воздуха.
5. Скорость ракет
Ракеты не нуждаются для своего движения в опоре,
какой представляется земля для автомобиля, вода для
корабля или воздух для самолета. Ракета движется, вы-
брасывая из сопла своего двигателя струю раскаленных
газов — продуктов сгорания топлива, находящегося на
борту. Тяга ракеты зависит от величины массы газов,
вырывающихся из сопла в единицу времени, и от их ско-
рости. Выталкивая часть своей массы с большой скоро-
стью, ракета тем самым отталкивается в противополож-
ную сторону.
В случае если топлива на ракете достаточно, она мо-
жет, постепенно 'разгоняясь, достичь скорости, превы-
шающей скорость истечения газов из сопла двигателя.
Правда, это возможно только в том случае, если будет
сожжено топлива не менее 75% полного начального
веса всей ракеты.
Так как ракета несет в себе горючее и окислитель,
богатый кислородом, который необходим для сжигания
горючего, то для работы двигателя нет необходимости
в кислороде воздуха. Наоборот, воздух является неко-
торым препятствием для полета ракеты, так как сопро-
тивляется быстрому движению ракеты и нагревает при
этом ее корпус.
Поэтому запуск ракеты производят вертикально,
чтобы пройти атмосферу по кратчайшему пути.
При вертикальном старте ракеты тяга ее двигателя
должна быть больше веса всей ракеты, иначе она не
сдвинется с места. Обычно тяга ракеты в 1,5—3 раза
больше ее начального веса.
По сравнению с поршневым ракетный двигатель имеет
огромные преимущества: его тяга не зависит ни от ско-
рости, ни от высоты полета. Более того, тяга двигателя
несколько возрастает с высотой благодаря отсутствию со-
противления воздуха струе газов, вылетающей из сопла
двигателя.
30
Так как расход топлива очень велик, двигатель мо-
жет работать лишь ограниченное время — несколько де-
сятков секунд.
За это время необходимо набрать как можно боль-
шую скорость для разгона ракеты («броска»*), кото-
рый осуществляется двигателем. Поэтому участок раз-
гона ракеты называют активным. Дальнейший полет ра -
кеты происходит по инерции, и участок этого полета
называют пассивным (рис. И).
Длина пути ракеты на активном участке по сравне-
нию с дальностью полета очень мала и для ракет даль-
него действия составляет только 1—5%.
Рис. 11. Схема полета баллистической ракеты:
/ — старт; 2 — активный участок; 3 — искривление траектории; 4 — выключе-
ние двигателя; г/к —конечная скорость на активном участке; 0К —угол на-
клона траектории в конце активного участка; 5 — пассивный участок;
6 — вход в атмосферу
С точки зрения точности попадания ракеты очень
большое значение имеют конечная скорость ракеты и
направление ее полета в конце активного участка
(vK и @к, рис. 11). Так, при дальности полета более
8000 км погрешность величиной в 3 км получается от
несовпадения конечной скорости vK с расчетной на
0,01% (менее 1 м!сек) или угла бросания 0 по сравне-
нию с расчетным на 2".
По мере выгорания топлива на активном участке
масса ракеты уменьшается, благодаря чему увеличи-
* Отсюда название полета ракеты «баллистический» от гре-
ческого сло-ва (Зсйо) («балло»), что означает «бросать».
31
бается ее разгон. Чем меньше конечный вес ракеты (пу-
стой) по сравнению с начальным, тем больше топлива
она несет и тем больше скорость полета в конце актив-
ного участка.
К. Э. Циолковский вывел формулу для определения
скорости полета ракеты.
С учетом действия на ракету силы тяжести и сопро-
тивления воздуха скорость ракеты при вертикальном
старте можно определить по формуле
»в = коИп|--^), (4)
\мк/
где vK —конечная скорость ракеты при выработке всего
топлива, м/сек\
к — коэффициент, учитывающий сопротивление воз-
духа и силу тяжести;
w — скорость истечения газов из сопла двигателя,
м/сек\
In — знак натурального логарифма (с основанием
е = 2,72);
Л40 — масса полной ракеты;
Л4К— масса пустой ракеты.
Как видно из формулы (4), конечная скорость ракеты
зависит главным образом от двух величин — скорости
истечения газов w и отношения масс полной и пустой ра-
кеты при этом решающее значение имеет ско-
\Л4к /
рость истечения газов, зависящая от вида топлива.
В принципе ракетные двигатели могут работать как
на твердом, так и на жидком или газообразном топливе.
Жидкие топлива (горючее + окислитель) имеют преиму-
щество перед твердыми топливами, заключающееся в
том, что при современном состоянии техники скорость
истечения газов при жидком топливе несколько больше
и имеется возможность регулировать тягу. Для подачи
топлива в двигатель приходится, правда, затрачивать не-
которую энергию.
Твердые топлива содержат в себе и горючее и окис-
литель.
* гч тт *
* Отношение —— называется числом Циолковского и- обоз-
начается буквой г.
32 Зак. 1393
Эксплуатационные преимущества твердого топлива,
заключающиеся в надежности действия, простоте хране-
ния, безопасности, отсутствии агрегатов подачи, стиму-
лируют ученых к созданию новых видов твердого топ-
лива с более высокими скоростями истечения газов.
Газообразные топлива имеют сравнительно высокие
скорости истечения газов, но смесь их (например, водо-
рода и кислорода, образующая так называемый гремучий
газ) очень взрывоопасна. По сравнению с жидкими топ-
ливами газообразные топлива имеют еще тот недоста-
ток, что в одинаковые по емкости баки их помещается
по массе меньше.
Отношение масс полной и пустой ра-
кеты (число Циолковского) также важнейший пара-
метр на пути увеличения скорости ракеты. Но если ско-
рость ракеты прямо пропорциональна скорости истечения
газов, то изменение скорости ракеты в арифметической
. Мо
прогрессии требует увеличения отношения масс—- в
Miz
геометрической прогрессии. Например, чтобы увеличить
скорость ракеты в два раза, надо чтобы отношение —-
увеличилось в четыре раза. Чтобы скорость возросла в три
раза, отношение должно быть в девять раз больше.
Мк
Увеличение отношения связано с большими кон-
структивными трудностями. Выясним, из чего склады-
вается вес пустой ракеты. Во-первых, ракета должна
нести какой-то полезный груз: кабину с подопытными
животными или человеком, исследовательскую аппара-
туру или заряд взрывчатого вещества. Во-вторых, ракета
должна нести двигатель и все агрегаты подачи и дозиро-
вания топлива. Кроме того, на ракете обязательно дол-
жна быть аппаратура управления, топливные баки и до-
статочно прочный, с теплоизоляцией корпус, объединяю-
щий все агрегаты в единое целое.
Ясно, что при столь многочисленном обязательном
оборудовании чрезвычайно трудно создать ракету, в ко-
торой топлива было бы в восемь — десять раз больше
веса самой ракеты.
Для примера определим скорость ракеты при верти-
кальном старте при следующих значениях параметров:
3 Зак. 1393
33
w = 2350 м/сек и —=8. Коэффициент к может быть взят
Л1к
равным 0,75.
Заменяя натуральный логарифхМ десятичным и под-
ставив в формулу (4) принятые для примера величины,
получим
t’B=oyln —°-— 2,3№>lg —2,3 • 0,75 • 2350 • 1g8 —
Мп ‘ Л1к
= 4050 • 0,903 = 3650 м/сек.
Такая ракета может взлететь вертикально вверх почти
на 600 км или пролететь над Землей около 1600 км.
Однако для запуска искусственного спутника Земли
необходима скорость почти вдвое больше этой — около
8000 м/сек.
Решение этой задачи стало возможным только благо-
даря идее, выдвинутой замечательным русским ученым
К. Э. Циолковским. Самые совершенные современные
топлива имеют пока немного большие скорости исте-
чения. Да и увеличением отношения масс тоже нельзя
достичь большого эффекта, так как для получения
скорости ракеты, равной 8000 м/сек, следовало бы иметь
-^- = 94. Это, конечно, невозможно.
Идея Циолковского заключается в том, что по мере
выгорания топлива следует сбрасывать ставшие лиш-
ними агрегаты. Таким образом, полезная работа выле-
тающих газов будет расходоваться не на увеличение
скорости этих бесполезных частей, а лишь на увеличе-
ние скорости частей, которые используются или будут
использоваться.
Циолковский предложил применять составные ракеты,
называемые сейчас многоступенчатыми. Многоступенча-
тые ракеты состоят из нескольких вполне самостоятель-
ных ракет, скрепленных вместе чаще всего по схеме
т а н д е м, т. е. одна за другой. Первая ступень, наиболее
массивная (рис. 12), начинает работать с земли, сообщая
скорость не только себе, но и остальным ступеням, кото-
рые по отношению к ней являются полезной нагрузкой.
По выгорании всего топлива первой ступени происходит
автоматическое отделение ее и запуск двигателя второй
34
ступени, которая начинает разгон-не с нулевой скорости,
а с конечной скорости первой ступени. Так происходит до
тех пор, пока не сгорит топливо последней ступени. Та-
ким образом, конечная скорость многоступенчатой ра-
кеты равна сумме скоростей составляющих ее ракет. Хотя
в данном случае отношение масс
будет меньшим, чем мо-
жет быть достигнуто в од-
ноступенчатой ракете,
суммарный эффект полу-
чается весьма значитель-
ным. Запуск искусствен-’
ного спутника Земли мо-
жет быть осуществлен с
помощью многоступенча-
той ракеты. Если отноше-
ние масс полной и пустой
ракет для всех ступеней
является величиной посто-
янной, а скорость истече-
ния газов одинаковой, ко-
нечную скорость много-
ступенчатой ракеты мож-
но получить из следую-
щей формулы:
vK — 2,3Knw lg , (5)
Мк
где п — количество ступе-
ней.
Следует иметь в виду,
что значение коэффициен-
та я для многоступенча-
той ракеты обычно боль-
ше, чем для одноступен-
чатой, так как при подъе-
ме на большие высоты со-
противление воздуха
Мо
Мк
в каждой ступени
Рис. 12. Принципиальная схема
многоступенчатой ракеты
очень мало и влияние си-
лы тяжести падает.
3*
35
Кроме многоступенчатых ракет, выполненных по
схеме тандем, могут применяться ракеты, построенные
по так называемой пакетной схеме (рис. 13). В этом
Рис. 13. Схема пакетной многоступен-
чатой ракеты
случае первая ступень может состоять из нескольких
самостоятельных ракет, прикрепленных по сторонам к
ракете второй ступени. Такая схема обладает рядом
преимуществ: компактностью, устойчивостью на старто-
вой позиции при ветре, возможностью использовать при
старте тягу двигателей не только первой, но и второй
ступени. Однако лобовое сопротивление такой ракеты
относительно велико, а надежность отсоединения ракет
первой ступени меньше.
6. Скорость движения и организм
Прогресс материальной культуры и потребности че-
ловеческого общества настоятельно требуют все боль-
ших скоростей передвижения. Уже сейчас реактивные
36
пассажирские самолеты типа Ту-104 успешно соперни-
чают во время полета со скоростью вращения Земли
вокруг своей оси. Экспериментальные самолеты с каждым
днем все больше отходят от скорости распространения
звука, перекрывая ее в несколько раз. Начаты космиче-
ские полеты людей со скоростью более 8 км! сек.
Известно, что равномерная скорость движения не
оказывает на организм непосредственного влияния.
В подобном случае в качестве доказательства принято
ссылаться на то, что люди не ощущают своего движе-
ния, совершаемого вместе с земной поверхностью, во-
круг оси нашей планеты. Также неощутимо организмом
движение Земли вокруг Солнца. Подобные примеры все-
ляют уверенность в то, что организм непосредственно не
реагирует на равномерную скорость движения. При этом
имеется в виду, что при движении организм защищен
от соприкосновения со средой, внутри которой происхо-
дит это движение. Так, если движение происходит в воз-
душной среде, человек не должен подвергаться дейст-
вию встречного потока воздуха. В случае если движе-
ние происходит в воде, организм должен быть огражден
от непосредственного соприкосновения с ней. Только в
таких условиях в организме не будет возникать непос-
редственных реакций на равномерную скорость дви-
жения.
Все вышесказанное относится к тем случаям движе-
ния, когда перемещаемый организм, например организм
человека, не принимает участия в управлении движе-
нием. Применяя слово «непосредственно» при опреде-
лении влияния на организм скорости движения, мы тем
самым подчеркиваем определенную условность того по-
ложения, что скорость не оказывает воздействия на ор-
ганизм человека.- На самом деле этот вопрос более сло-
жен. При более глубоком рассмотрении его нужно ис-
ходить из принципа взаимодействия любого организма
и среды его обитания.
При активном движении человека с большой ско-
ростью в ответ на меняющуюся обстановку в окружаю-
щей среде возникает необходимость изменений в управ-
лении движением и чем быстрее скорость движения,
тем труднее человеку контролировать свое перемещение
в пространстве.
Человек способен отвечать движением на какой-либо
37
простейший сигнал со скоростью примерно 0,2 сек. Так, в
ответ на световой сигнал человек не может нажать паль-
цем на кнопку быстрее, чем через 0,2 сек. Если задача
еще усложняется тем, что в ответ на появление какого-
либо сигнала требуется решить вопрос, на какую кнопку
надавить (т. е. «сообразить»), скорость ответной реак-
ции человека резко замедляется. Увеличение времени
ответной реакции человека на сигналы происходит так-
же и при воздействии на него одновременно других раз-
дражителей: шума, значительных колебаний окружаю-
щей температуры, влажности, газового состава воздуха,
ускорений и т. д.
Авиационная практика подтверждает значение скоро-
сти ответных реакций человека на сигналы из внешней
среды. Так, при скорости полета, равной скорости звука,
за 0,2 сек самолет пролетает около 70 м. Это значит,
что если на расстоянии до 70 м впереди самолета возни-
кнет какой-либо сигнал, летчик вследствие определенных
возможностей нервной системы не сможет на подобный
сигнал реагировать рулями управления. И чем больше
скорость полета, тем все длиннее такие «слепые рас-
стояния», т. е. участки пути, на которых летчик не в со-
стоянии что-либо сделать в ответ на сигнал, например
на появление препятствия. Вот почему наряду с ростом
скоростей полетов непрерывно совершенствуются и сред-
ства самолетовождения, создаются автоматические при-
боры, помогающие органам чувств человека и даже за-
меняющие их в случае необходимости.
При больших скоростях передвижения, кроме необ-
ходимости контроля за положением в пространстве, по-
лет человека затрудняется еще и возникновением дли-
тельных ускорений, необходимостью преодоления темпе-
ратурного барьера, появлением частичной или полной
невесомости, затруднением покидания самолета в слу-
чае аварии в полете и т. д. Во всех подобных случаях
организм может подвергаться воздействиям, достаточно
близким к пределам его выносливости, или, как в слу-
чае невесомости, попадать в необычные для него усло-
вия существования. С появлением космических скоро-
стей встает вопрос об их влиянии на протекание в орга-
низме биологических процессов, таких, например, как
обмен веществ и энергии, интенсивность сердечных со-
кращений, скорость кровотока и т. п.
38
Конечно, достигнутые в настоящее время космиче-
ские скорости еще очень мало соизмеримы со скоростью
света. Поэтому еще нельзя ожидать какого-либо зна-
чительного изменения в протекании времени внутри ле-
тящей ракеты, а следовательно, в протекании биологи-
ческих процессов организма.
Однако для достижения дальних планет Солнечной
системы и тем более для полетов за ее пределы потре-
буется значительное увеличение достигнутых сейчас ско-
ростей. Как подобные скорости отразятся на жизнедея-
тельности клеток организма, какие потребуются усло-
вия в ракете для того, чтобы избежать возможных не-
благоприятных последствий, вызванных большими ско-
ростями?
Аналогичных вопросов, возникающих в связи с даль-
нейшим увеличением скорости космических полетов,
особенно когда они будут соизмеримы со скоростью
света, много. Ответы на подобные вопросы находятся
еще на грани догадок и фантазии. Одно лишь ясно:
человечество сумеет преодолеть и эти трудности на пути
завоевания космического пространства.
Глава II
УСКОРЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ
Если какое-либо тело движется равномерно, т. е. с
постоянной скоростью, это значит, что все действующие
на него силы взаимно уравновешены *.
Тела могут быть закреплены или свободны. При дей-
ствии силы на закрепленное тело связи, которыми оно
удерживается на месте, деформируются — растягиваются
или сжимаются. При деформации связей в них возни-
кает сила упругости, или реакция, которая направлена
в сторону, противоположную направлению силы, дейст-
вующей на тело, и последняя, таким образом, уравно-
вешивается.
Если, например, запустить двигатели буксира, при-
швартованного к причалу, их работа будет затрачи-
ваться не на движение буксира, а на отбрасывание воды,
натяжение каната и изгиб причала. Сила тяги двигате-
лей будет, таким образом, уравновешена, и буксир не
будет двигаться.
В случае когда сила приложена к свободному телу,
она вызовет изменение величины или направления ско-
рости тела или того и другого одновременно. Например,
снаряд под давлением газов разгоняется в канале
ствола орудия до большой скорости; вне ствола орудия
газы уже не оказывают давления на снаряд и сила со-
противления воздуха начинает замедлять скорость дви-
жения снаряда.
Изменение скорости по величине или направлению
называется ускорением.
* Под словом «силы» имеется в виду другое физическое тело
или тела.
40
Ускорение пропорционально дейст-
вующей на тело силе и обратно про-
порционально массе тела. Это — одно из важ-
нейших положений механики. Математически оно вы-
ражается так:
а=—, (6)
т
где Р— сила, действующая на тело;
т — масса тела.
По величине ускорения можно судить о величине,
вызвавшей его силы. Из сущности ускорения свободного
падения* вытекает, что ускорение, равное 9,81 MjceK2,
вызывается действием силы, равной весу тела.
Если ускорение равно 2g, значит, создающая его
сила вдвое больше веса тела; при ускорении, равном
только части g, сила, вызывающая ускорение, равна та-
кой же части веса тела.
Различают линейное, центростремительное, угловое
и поворотное ускорения.
1. Линейное ускорение
Линейным ускорением называют отношение изме-
нения величины скорости ко времени, в течение которого
это изменение произошло. Видами движений с линей-
ным ускорением являются разгон и торможение авто'
мобиля, взлет самолета, разбег человека при прыж-
ке и т. д.
Размерность ускорения, принятая в технике, обозна-
чается м)сек,2.
Например, если скорость изменилась на 15 м]сек в
течение 0,5 сек, то ускорение
Ау 15 , о
а —----——= 30 м сек^,
М 0,5
где At/ — приращение скорости;
AZ — приращение времени.
* Свободным падением называется движение тела под действием
силы тяжести. В безвоздушном пространстве свободное падение
является равномерно-ускоренным движением с ускорением g, рав-
ным 9,81 м!сек2. О весе и силе тяжести подробнее см. в гл. IV.
41
Ускорение часто выражают через ускорение свобод-
ного падения. Тогда в нашем примере
— = — = 3,06,
g 9,81
откуда
а = 3,06g.
Когда скорость изменяется в сторону уменьшения
(например, торможение автомобиля, замедление паде-
ния парашютиста при раскрытии парашюта и т. д.),
принято говорить, что в этом случае имеется отрица-
тельное ускорение, и перед численным значением уско-
рения ставится знак минус. Отрицательное ускорение
иногда называется замедлением.
Найдем величину линейного ускорения при торможе-
нии автомобиля. По существующим правилам легковой
автомобиль, движущийся со скоростью 30 км!час
(8,4 м!сек), в случае необходимости должен остано-
виться, проехав не больше 6 м после начала торможе-
ния (рис. 14).
Рис. 14. Торможение вызвало появление отрицательного ускорения
(F — сила трения заторможенных колес)

В таком случае средняя скорость автомобиля на уча-
стке торможения
8 4
рОр =-у = 4,2 м}сек.
42
Разделив длину пути на среднюю скорость, найдем
время торможения:
, 6 . .
t = — = 1,4 сек,
4,2
Зная, на какую величину изменилась скорость за
время торможения (начальная скорость 8,4 м/сек, ко-
нечная скорость 0), легко получить величину среднего
ускорения, разделив величину изменения скорости на
время торможения:
__ Ди ____ 0 — 8,4
1,4 —“
6 м/сек2.
В данном случае ускорение, как и следовало ожи-
дать, получилось отрицательное, так как скорость дви-
жения уменьшилась.
При весе автомобиля, например, 1200 кг такое уско-
рение вызвано силой
F =-----— • 1200 = —0,61 • 1200 = —730 кг.
9,81
Отрицательный знак показывает, что сила F направ-
лена против движения.
2. Центростремительное ускорение
Центростремительным, или нормальным, называют
ускорение, характеризующее изменение направления
скорости (например, при повороте автомобиля, вираже
самолета, вращении колеса и т. д.).
Центростремительное ускорение выражается фор-
мулой
/«=7 лЦсек?, (7)
где v — скорость движения;
г — радиус поворота.
Центростремительное ускорение, следовательно,
прямо пропорционально квадрату скорости и обратно
пропорционально радиусу.
Физический смысл центростремительного ускорения
можно уяснить на следующем примере. Пусть мате-
риальная точка движется равномерно по окружности со
43
скоростью v (рис. 15) *. В положении Ai скорость точки
осталась по величине такой же, как и в положении А,
но направление ее изменилось (скорость всегда на-
правлена по касательной к окружности).
Рис. 15. К объяснению центро-
стремительного ускорения
Для того чтобы вы-
яснить, что произошло
со скоростью на уча-
стке 'пути А —Alf раз-
ложим (вектор скорости
точки при прохождении
ею положения Д1 по
правилу параллело-
грамма на два вектора,
из которых вектор А^
возьмем равным векто-
ру скорости в положе-
нии А. Тогда вектор
А[С выразит собой при-
ращение скорости Дг7,
образовавшееся за вре-
мя движения точки из
положения А в положе-
ние Ai. Это приращение скорости и является следствием
центростремительного ускорения, которое имеет точка,
движущаяся 1по криволинейной траектории. Математиче-
ски доказывается, что это ускорение направлено к цен-
тру окружности вращения.
3. Угловое ускорение
Угловым ускорением называют отношение изменения
величины угловой скорости ко времени, в течение кото-
рого это изменение произошло. Примером движения с
угловым ускорением может служить раскрутка валов и
колес различных механизмов.
При равномерном изменении угловой скорости со
связь между нею, угловым ускорением 8 и временем t
выражается простой формулой
о) = е/. (8)
Размерность углового ускорения обозначается 1/сек2.
Например, если вал или колесо равномерно раскручи-
* Горизонтальной чертой отмечаются векторные величины.
44
вается с угловым ускорением 6,28 1/сек2, это значит, что
скорость вращения изменяется на 6,28 радиана в се-
кунду. При запуске авиационных двигателей угловое
ускорение коленчатого вала равно 300—350 Х/сек?. При
запуске небольших электродвигателей угловое ускоре-
ние ротора достигает 2000 Х/сек?.
При вращении тела с угловым ускорением каждая
его точка имеет два ускорения: тангенциальное и нор-
мальное.
Тангенциальное ускорение направлено по касатель-
ной к окружности вращения, нормальное ускорение —
к оси вращения. Их физическая природа та же, что и
рассмотренных выше линейного и центростремительного
ускорений. Эти ускорения можно выразить через угло-
вое ускорение 8 (если оно равномерно) следующим об-
разом:
Л = гг; (9)
/;=И)2г, (10)
где jt—тангенциальное ускорение;
jn — нормальное ускорение;
г — радиус вращения точки;
t — время от начала возникновения углового
ускорения до момента определения величин jt
и jn-
4. Поворотное ускорение
Если тело вращается относительно какой-либо оси
и одновременно движется таким образом, что радиус
вращения тела непрерывно изменяется, то тело испыты-
вает добавочное, так называемое поворотное ускорение,
или ускорение Кориолиса.
Физическая природа поворотного ускорения заклю-
чается в следующем. Пусть материальная точка
(рис. 16), вращаясь с угловой скоростью со и одновре-
менно двигаясь вдоль радиуса вращения со скоростью v,
называемой в этом случае относительной скоростью, пе-
реместилась из положения А в положение Ль Как ви-
дим, относительная скорость v точки изменилась по на-
правлению и, следовательно, получила какое-то прира-
щение. Это — одна часть поворотного ускорения.
Другая часть поворотного ускорения обусловлена
45
Рис. 16. к объяснению поворотного
ускорения
Дем, что Изменяется величина скорости сог точки (эДа
скорость называется переносной), так как изменяется
радиус г.
Суммарную величину поворотного ускорения Д в
рассматриваемом нами случае можно выразить так:
/л = 2ио). (11)
Поворотное ускорение в данном примере направлено
в сторону, противоположную вращению,
когда точка движет-
ся к оси вращения, и
в сторону вра-
щения, когда точка
движется от оси вра-
щения.
Поворотным ус-
корением объясняет-
ся следухощее инте-
ресное явление при-
роды: в реках, теку-
щих с севера на юг'
или с юга на север,
вода подмывает по-
стоянно один и тот
же берег: в Север-
ном полушарии —
правый, в Южном
полушарии — левый.
В результате этого
один берег реки всег-
да -бывает крутым, а
другой — пологим. Возникновение в этом случае поворот-
ного ускорения связано с тем, что при перемещении масс
воды вдоль меридиана радиус их вращения вокруг зем-
ной оси (лежащий в плоскости широт) изменяется.
Материальным телом, сообщающим ускорение части-
цам воды, здесь является берег реки, который, вращаясь
вместе с Землей, отталкивает подходящие к нему ча-
стицы воды. Реакция воды в свою очередь воздействует
на берег.
Глава III
ПЕРЕГРУЗКИ
В течение последних 50 лет скорость средств пере-
движения увеличилась примерно в 20 раз — с 50 до
1000 км/час и в настоящее время продолжает интенсив-
но расти. Все больше и больше увеличиваются высота
и скорость полета самолетов. Ракеты могут достичь лю-
бого пункта земного шара, летя со скоростью более
25 000 км/час. Ракеты, запускающие искусственные спут-
ники, разгоняются до 30 000 км/час. Космические ракеты
имеют скорость более 40 000 км/час.
Наука достигла такого высокого развития, что в на-
стоящее время реальными являются полеты ракет на
ближайшие к Земле планеты Солнечной системы.
Но с ростом скоростей движения увеличиваются и
ускорения. При ускорении же благодаря инерции воз-
никает обратное действие, или реакция, ускоренно дви-
жущегося тела на тело, создающее ускорение.
Разберем прежде всего сущность инерции. Инерция
есть свойство тел при отсутствии воздействий (препят-
ствий) сохранять свое состояние покоя или прямоли-
нейного равномерного движения.
Обычно употребляемое нами выражение «сила инер-
ции» является условным, так как в действительности та-
кой силы не существует. Однако при торможении авто-
мобиля пассажиры стремительно, с большим ускорением
увлекаются вперед (см. рис. 14); инерция здесь прояв-
ляется подобно действию силы. В этом смысле и гово-
рят о силе инерции и ее действии.
Действие силы инерции реально недля
самого тела, а для его связей. Если, напри-
47
мер, пассажир автомобиля некрепко упрется руками и
ногами в кабину, то под действием силы инерции он
может быть даже сброшен с сиденья, но какого-либо
непосредственного воздействия на свое тело во время
движения ощущать не будет.
Направление силы инерции всегда противоположно
направлению ускорения. Величину силы инерции можно
выразить через произведение массы тела на
его ускорение.
Возвращаясь к нашему примеру торможения авто-
мобиля, можно, следовательно, считать, что на пасса-
жиров действует сила инерции, равная 0,61 части их
веса (они имеют то же ускорение, что и автомобиль).
Самолеты имеют большие скорости полета. Значит,
и ускорения, и силы инерции при полете также значи-
тельные. Поэтому летчики привязываются к своим крес-
лам специальными ремнями, чтобы при резких поворо-
тах самолета или при полете в неспокойном воздухе
удержаться на сиденье.
Привязная система экипажа самолета рассчиты-
вается таким образом, чтобы при возникновении инер-
?ционных сил нагрузка распределялась
по возможности равномерно по всему
телу. Обычно привязная система со-
стоит из плечевых и поясных ремней и
позволяет выдерживать действие силы,
превышающей вес летчика более чем в
десять раз. Подвесная система пара-
1 шютиста (рис. 17) позволяет выдержи-
вать действие еще больших сил.
3 Мы рассмотрели действие силы
инерции для случая прямолинейного
движения. При криволинейном движе-
нии на связи тела постоянно действует
сила инерции, называемая центробеж-
ной силой.
Что же такое центробежная сила?
п „ Как было показано выше, криволиней-
Рис. 17. Подвес- г
пая система пара- ное Движение сопровождается центро-
шютиста: стремительным ускорением. Но всякое
к?П2-Сгыенаябхпе- ускорение образуется в результате дей-
ремычка; 3 - ножные СТВИЯ СИЛЫ. СлеДОВаТеЛЬНО, ПрИ КрИВО-
обхвпояс (сз1Ги)П°лу линейном движении имеется сила,
48
искривляющая траекторию и не позволяющая телу дви-
гаться прямолинейно.
Сила, искривляющая траекторию, называется центро-
стремительной силой. Вращая в руке ведро с водой
(рис. 18), мы затрачиваем усилие не только на то, чтобы
ведро имело опреде-
ленную скорость
движения, но и на
то, чтобы удержать
его, так как оно стре-
мится вырваться из
рук. Следовательно1,
ведро двигается по
окружности благода-
ря центростреми-
тельной силе, соз-
даваемой нашей ру-
кой.
При (повороте
автом об и л я центр о -
стремительная сила
образуется вслед-
ствие трения покры-
шек передних ко-
лес о поверхность
дороги, при повороте
поезда — Вследствие ,Рис. 18. К объяснению центробежной
упора реборд колес силы
в рельсы.
Но одним из свойств инерции является стремление
тел сохранять прямолинейность движения. Центробеж-
ная сила и является проявлением этого свойства.
Центростремительная сила направлена к центру
окружности вращения (центру кривизны траектории)
и выражается формулой
р/=т'-=7'Т' (12)
где m — масса тела, равная отношению веса G к уско-
рению свободного падения g\
jn — центростремительное ускорение, равное отно-
шению квадрата линейной скорости v к радиу-
су вращения г.
4 Зак. 1393
49
в
Рис. 19. Схема сил при
повороте автомобиля на
наклонной поверхности:
G— сила веса; Рц - центро-
бежная сила; F —сила тре-
ния колес; G2 — про-
екции силы веса
Центробежная сила направлена противоположно
центростремительной силе и равна ей. Действие центро-
бежной силы реально не для самих тел, а для их свя-
зей. В наших примерах — для руки, держащей ведро,
для поверхности дороги, рельсов.
Фиктивность ее действия для тела подтверждается
тем, что в случае разрыва связи тело летит не по на-
правлению центробежной силы, т. е. не по направлению
радиуса, а по касательной к окружности вращения
(вспомним, как при работе на точильном круге летят от-
коловшиеся мелкие частицы круга — искры).
Реальность центробежной силы для связей обнару-
том, что на мокром асфальте или
в гололедицу автомобиль при
крутом повороте на ходу будет
скользить. Последнее как раз
и объясняется тем, что связь —
трение передних колес о по-
верхность дороги—не обеспечи-
вает в данном случае прочного
сцепления между ними. Учи-
тывая это, полотно железных
дорог и шоссе в местах крутых
поворотов делают наклонными,
чтобы часть веса автомобиля
или поезда, складываясь с си-
лой трения колес, увеличивала
центростремительную силу
(рис. 19).
Действие центробежной силы используется также в
интересном аттракционе — езде на велосипеде внутри
кольца (рис. 20). Верхнюю часть пути велосипедист
проезжает в положении вниз головой. Для того чтобы
велосипедист в момент прохождения верхней части
кольца был прижат к кольцу, центробежная сила дол-
жна быть больше силы веса человека с велосипе-
дом.
На этом же принципе основана езда на мотоцикле
«по вертикальной стенке» — по стенке цилиндра. На
определенной скорости движения мотоцикла образуется
значительная центробежная сила, при которой трение
покрышек колес становится достаточным, чтобы мото-
цикл удерживался от скольжения вниз.
50
Точно так же при выполнении петли Нестерова —
полета самолета по замкнутой кривой в вертикальной
плоскости — летчик может быть все время прижат к
сиденью благодаря действию центробежной силы.
Вернемся теперь к реакции тела, двигающегося с
ускорением. Реакция тела, двигающегося с ускорением,
равна по величине и противоположна по направлению
приложенной к телу силе, т. е. противоположна направ-
лению ускорения. Величина реакции равна, как и ве-
личина силы, произведению массы на ускорение.
Рис. 20. Использование
G— сила веса; Рц
центробежной силы в спортивных аттрак-
ционах:
— центробежная сила; F — сила трения
Реакцию тела можно уподобить дополнительной силе
веса, направленной в сторону, противоположную направ-
лению ускорения. Например, при подъеме на лифте мы
вначале, при разгоне лифта, давим на пол значительно
сильнее, чем обычно, — нас прижимает к полу, а когда
лифт перед остановкой замедляет свое движение, на-
оборот, давим на пол меньше обычного. Точно так же
при вираже самолета вес нашего тела становится
больше обычного.
Поэтому, когда тело испытывает ускорение, говорят,
что тело подвергается перегрузке. Перегрузка выра-
жается числом, показывающим, во сколько раз силы,
4* 51
действующие на тело в данном направлении (исключая
силу тяжести), больше веса тела.
Для случая, когда на тело действует только сила
его собственного веса, т. е. тело находится в состоянии
покоя *, принято считать, что тело подвергается пере-
грузке, равной единице. Из этого условия вытекает, что
если перегрузка равна нулю, то вес тела отсутствует.
1. Виды перегрузок
В обиходе принято говорить о действии пере-
грузки. Но это опять-таки надо понимать условно. В дей-
ствительности на тело действуют силы, перегрузка же
есть лишь безразмерная величина, показывающая соот-
ношение между приложенной к телу силой и его ве-
сом.
Перегрузки принято рассматривать как величины
векторные. Действие перегрузки обусловлено инерцией
тел, поэтому считается, что она подобно силе инерции
направлена против ускорения, т. е. при разгоне —
против движения, а при торможении — в сторону дви-
жения.
Перегрузки в зависимости от направления их дейст-
вия в вертикальной плоскости обычно делят на поло-
жительные— направленные вниз и отрицательные —
направленные вверх. В горизонтальной плоскости пере-
грузку считают положительной при разгоне (когда она
направлена против движения) и отрицательной при
торможении.
По отношению к человеку перегрузки называют про-
дольными, когда они направлены вдоль туловища, по-
перечными, когда они направлены спереди назад или
наоборот, и боковыми, когда они действуют справа на-
лево или слева направо. Кроме того, продольные пере-
грузки иногда делят на положительные и отрицатель-
ные, при этом к первым относят перегрузки, действую-
щие в направлении от головы к ногам, ко вторым — от
ног к голове (рис. 21). Отрицательная перегрузка пере-
носится тяжелее, чем положительная. В повседневной
жизни человек редко подвергается такой перегрузке.
* При этом, разумеется, на тело действует и реакция опоры.
52
Ее испытывает, например, прыгающий в воду вниз
головой вследствие торможения воды; летчик — при пе-
ревернутом полете или катапультировании (после отде-
ления от самолета).
В обыденной жизни человек часто испытывает пере-
грузку, превышающую единицу, и сравнительно редко —
перегрузку менее единицы
(т. е. эффект уменьшения
веса).
Термин «перегрузка» иногда
употребляется и в том смысле,
что то или иное тело или меха-
низм натружены больше, чем
это следует. На1пример, если на
автомобиль грузоподъемностью
1,5 т уложено 2 т груза, мы
говорим, что автомобиль пере-
гружен. Такое понятие пере-
грузки нельзя, конечно, сме-
шивать с ее физическим опре-
делением.
Если тело подвержено дей-
ствию нескольких сил, то для
вычисления перегрузки необхо-
димо найти их геометрическую
сумму. Сила веса при этом не
учитывается, так как по приня-
тому определению на тело, на-
ходящееся в покое, действует
перегрузка, равная единице. Если
Рис. 21. к объяснению
классификации перегру-
зок
же учитывать силу
веса, то в последнем случае перегрузка тела была бы
равна нулю (так как сила веса и реакция опоры взаим-
но уничтожаются).
При вычислении перегрузки силы инерции также не
должны входить в сумму действующих на тело сил.
Когда равнодействующая сила направлена горизон-
тально, перегрузку можно найти просто из отношения
ускорения, испытываемого телом, к ускорению свобод-
ного падения; например, если ускорение тела направ-
лено горизонтально и равно 50 м/сек2, то перегрузка
а 50 - .
п — — =---------= 5,1
g 9,81
53
При этом следует помнить, что Не ускорение яв-
ляется причиной возникновения перегрузки, а внешняя
сила. Ускорение движения есть только следствие дей-
ствия па тело внешней силы.
Если сумма приложенных к телу сил значительно
превышает вес тела, выражение перегрузки через уско-
рение свободного падения будет с некоторым приближе-
нием справедливо для любого направления сил.
Для точного выражения перегрузки можно пользо-
ваться следующей формулой:
g а а
п = —------= cos<p----,
g g 'g
где ср — угол между вертикалью и направлением, в
__ котором определяется перегрузка;
g — доля ускорения свободного падения, приходя-
щаяся на направление, в котором опреде-
ляется перегрузка;
а — приходящаяся на это же направление доля
ускорения от действующих на тело сил.
На величину перегрузки не влияет вид ускорения,
которому подвергается тело (линейное, центростреми-
тельное или поворотное ускорение); от вида ускорения
зависит только направление перегрузки. Например, при
выходе из пикирования на самолет и летчика действует
перегрузка, направленная от центра кривизны траекто-
рии самолета (рис. 22); летчик при этом прижат к си-
денью.
Если при выходе из пикирования тормозить самолет,
то возникает дополнительная перегрузка, направленная
по движению и увлекающая летчика вперед.
2. Перегрузки на каждом шагу
Любое повседневно наблюдаемое нами механическое
движение состоит из разгона, равномерного движения
(на всем пути или на определенных участках) и тормо-
жения. Этап равномерного движения может иногда от-
сутствовать. Например, при ходьбе ступня отрывается
от земли (вес тела в это время сосредоточен на второй
ступне), разгоняется, затем замедляет свое движение
и, опускаясь на землю, останавливается. Центр тяжести
54
тела переносится на эту ступню, а вторая ступня повто-
ряет движение первой.
Чем плавнее ходьба, тем меньше ускорение ног и,
следовательно, меньше сил затрачивается на передви-
жение.
При прыжках со ступеньки или стула наше
тело приобретает незначительную скорость падения
Рис. 22. Перегрузка при выходе самолета из пикирования:
— центростремительная сила (подъемная сила крыла); п — перегрузка
—2—4 м/сек, но ускорение (замедление), испытываемое
нами при соприкосновении с полом, может достигать
очень больших величин. При этом ускорение различных
частей тела будет неодинаково, так как части тела, нахо-
дясь на определенных расстояниях от пола и имея раз-
личную упругость, потеряют приобретенную при прыжке
скорость за различное время. Величина же ускорения
или резкость торможения зависит при данной скорости
движения от продолжительности и длины пути тормо-
жения.
55
Ступня прыгнувшего человека прикасается к поверх-
ности пола за какое-то мгновение — малую долю се-
кунды, и ускорение ее достигает огромных величин. На
величину ускорения значительное влияние оказывает
упругость обуви и поверхности пола. Определим вели-
чину замедления ступни. При прыжке со стула скорость
нашего падения достигает примерно 3 м/сек. Обычный
деревянный пол при этом несколько прогнется. Вели-
чина прогиба, допустим, будет около одного милли-
метра.
За среднюю скорость деформации пола, или сред-
нюю скорость, с которой ступня пройдет вместе с полом
расстояние от момента соприкосновения до полной оста-
новки, примем половину конечной скорости падения:
тогда время, за которое произойдет деформация пола,
будет равно
. S 0,-001
t —----= —-----0,0007 сек.
^ср 1,5
Следовательно, замедление ступни
tz 4300 м/сек*,
или почти в 440 раз больше ускорения свободного па-
дения.
При прыжке на ковер или при прыжке в обуви на
толстой резиновой подошве деформация их составит
около 10 мм, т. е. больше деформации деревянного пола
в 10 раз. Следовательно, в такой же степени увеличится
время торможения и уменьшится ускорение. Наоборот,
при прыжке на очень твердую поверхность деформация
ее практически равна нулю, ускорение же может дости-
гать 10 000 м/сек2. Перегрузка нижней поверхности
ступни будет при этом более 1000. Неудивительно, что
и наши ощущения при прыжке на ковер и на каменный
пол будут различны — прикосновение ступни к ковру
мало ощутимо, а каменный пол как бы обжигает ее.
В противоположность ступне голова и туловище
имеют примерно одинаковое ускорение как при прыжке
на твердую поверхность, так и на мягкий ковер. Это
происходит потому, что гибкость тела, прогиб ног в го-
56
леностопных суставах, изгиб колен увеличивают время
и путь торможения тела.
Найдем величину перегрузки головы. В нашем при-
мере, после того как человек коснется ногами деревян-
ного пола, его голова продолжает движение и проходит
при этом около 0,6 м (для случая опускания на полу-
согнутые ноги). Следовательно, в общей деформации
тела и пола деформация поверхности пола составляет
очень малую долю — около 0,15%, и ею можно прене-
бречь.
Время, в течение которого произойдет остановка
головы,
, S 0,6 п .
t —----= — =0,4 сек.
^ср 1,5
Ускорение головы
а = — = — 7,5 м/сек*.
Перегрузка головы (формула 13)
fi = cos<?— — = 1 — 2^5 = 1 — (— 0,76)= 1,76.
g 9,81 ' ’
При подъеме и спуске в лифте также создаются
перегрузки. Скорость обычного междуэтажного лифта
2—3 м/сек, лифт развивает ее в течение примерно одной
секунды. Следовательно, ускорение лифта равно 2—
3 м/сек2, а перегрузка—1,2—1,3. Таким образом, при
подъеме лифта вес пассажиров в момент разгона уве-
личивается на такую же величину.
В практике широко применяются устройства для
уменьшения перегрузок, создающихся при движении
транспортных средств. Такими устройствами являются
буфера, рессоры, амортизаторы.
При составлении поезда даже при большом искус-
стве невозможно собрать вагоны без толчков и ударов.
Часто вагоны ударяются один о другой и при движе-
нии железнодорожного состава, так как скорость его
движения не бывает постоянной вследствие изменения
тяги паровоза, неодинакового рельефа пути и т. д.
Буфер допускает сжатие его до 100 мм. Разность
скоростей, с которой допустима встреча (столкновение)
57
вагойов, примерно равна скорости пешехода (1,4 м/сек).
При величине сжатия двух соприкасающихся буферов
S = 0,2 м продолжительность удара составляет
t =----= —=0,29 сек,
Ucp 0,7
а среднее ускорение
л = — = Ail 4,8 м/сек2.
1 t 0,29 '
Перегрузка в этом случае будет равна примерно
0,5, т. е. опасности разрушения вагона нет.
Что бы произошло, если бы с такой же, хотя и не-
значительной, скоростью столкнулись вагоны весом
20 т, не имеющие буферов?
Погашение скорости, как и всякое ее изменение,
всегда происходит на некотором отрезке пути. Очевидно,
что чем меньше этот путь, тем будет больше ускорение
(замедление) и тем больше сила удара, создающаяся
при столкновении тела с препятствием.
При отсутствии специальных амортизирующих
устройств погашение скорости происходит за счет де-
формации самого тела и, следовательно, чем жестче
тело, тем большая сила возникнет при ударе.
Таким образом, если рама вагона достаточно жест-
кая и при ударе ее деформация не превышает 20 мм,
то при взятых нами условиях столкновение вагонов бу-
дет сопровождаться ударом силой около 100 т (пяти-
кратная перегрузка), могущим нанести серьезные по-
вреждения вагонам.
У первых автомобилей подвеска обычно состояла
только из рессор или пружин, а у первых самолетов —
из резиновых шнуров или резиновых шайб. С увеличе-
нием скоростей такие амортизационные устройства
стали малопригодны. Дело в том, что при большой ско-
рости движения перекатывание колес через неровности
дороги происходит одновременно с их резким подъемом.
Но рессора, будучи сжата при подъеме колеса, в сле-
дующее мгновение разжимается и почти с той же ско-
ростью, с какой было поднято колесо, опускает его и
бросает вверх корпус (кузов автомобиля или фюзеляж
самолета). Сжатие и распрямление рессор, затухая,
58
повторяются много раз. Все это неприятно отражается
на пассажирах.
Кроме того, частые перегрузки в противоположных
направлениях (знакопеременные) ослабляют крепления,
а повторяясь многократно, даже при незначительной
величине могут вызвать разрушение деталей из-за так
называемой усталости материала.
В настоящее время для предотвращения резкого
подъема корпуса на самолетах и автомобилях устанав-
ливают гидравлические амортизаторы, которые удли-
няют время подъема корпуса при ударах колес.
Гидравлический амортизатор по устройству очень
прост. Он состоит из одного или нескольких цилиндров
с поршнями, приходящими в движение при сжатии рес-
соры (подъеме колеса). В цилиндр заливается специаль-
ное масло.
При сжатии рессоры масло под давлением поршня
свободно перетекает через клапан из одной полости ци-
линдра в другую. При обратном ходе поршня клапан
автоматически закрывается и масло имеет возможность
перетекать в свою полость только через специальное ма-
ленькое отверстие. Поэтому обратный ход продолжается
более длительное время, а энергия сжатой рессоры ча-
стично расходуется на нагрев масла.
Определим, каковы будут ускорение и перегрузка
колеса при переезде через кочку высотой 55 мм на ско-
ростях 15 и 60 км!час.
Если ширина кочки равна 400 мм, подъем колеса на
вершину кочки (S = 0,2 ж) при скорости 15 км!час
(4,2 м)сек) произойдет за время
/ = —= 0,048 сек,
v 4,2
а при скорости 60 км!час— за 0,012 сек.
Среднее ускорение колеса при подъеме на кочку при-
ближенно найдем из формулы линейного ускорения,
выраженного через путь и время:
где h — высота кочки.
При скорости 15 км!час ускорение будет равно
48 м!сек2, при скорости 60 км!ч,ас — 765 м!сек2.
59
Мы видим, что перегрузка, испытываемая колесом
при переезде через кочки, достаточно велика (в нашем
примере она составляет в первом случае около 5 и во
втором случае около 80) и что величина ее возрастает
пропорционально квадрату скорости движения: при из-
менении скорости в четыре раза перегрузка увеличи-
лась в шестнадцать раз.
Большие перегрузки испытывают механизмы и де-
тали машин. Коленчатый вал двигателя мотоцикла де-
лает 5000 оборотов в минуту, или 83 оборота в секунду.
Один оборот совершается за 0,012 сек. За это время
поршень цилиндра делает два хода — вверх и вниз.
Пусть ход поршня равен 80 мм. В продолжение полу-
оборота, т. е. за 0,006 сек, средняя скорость поршня
будет составлять, следовательно, 13,4 м/сек, а макси-
мальная скорость — около 21 м/сек*.
Чтобы легче себе представить, насколько велико
ускорение поршня, выразим его скорость в км/час. Ока-
зывается, что за время, меньшее одной сотой доли се-
кунды, поршень приобретает скорость, равную 76 км/час,
а затем, после остановки поршня в верхней или нижней
мертвой точке, скорость снова достигает этой величины
в обратном направлении.
Чему же равны ускорение и перегрузка поршня? Из-
менение скорости на 21 м/сек в течение 0,003 сек (за
V4 оборота) вызывает ускорение, в среднем равное
7000 м/сек2\ максимальное ускорение равно
j•7000 «
~ 11 000 м/сек2.Таким образом, перегрузка поршня дости-
гает 1120. Это значит, что при работе двигателя пор-
шень, весящий 200 г, в некоторые моменты будет весить
224 кг.
Колеса гоночного автомобиля подвергаются значи-
тельным нагрузкам: помимо сильных ударов о малей-
шие неровности, обод колеса и покрышка растягиваются
значительными центробежными силами, направленными
вдоль радиуса. В самом деле, при скорости, например,
500 км/час, или 139 м/сек (рекордная скорость движения
* Максимальная скорость равна
те
у fcp;
поршень достигает
этой скорости за первую четверть оборота.
60
гоночного автомобиля 607 км I час), перегрузка колеса на
радиусе 0,35 м будет равна
in 1392 19 300 -слг.
п = — = — =-----------=-------= 5640.
g gr 9,81-0,35 3,43
Таким образом, при весе колеса, допустим, 30 кг оно
в данном случае растягивается в радиальных направле-
ниях с силой около
Р = Gn = 30 • 5640 = 169000 кг=169 т!
При движении в стволе орудия снаряд приобретает
скорость до 2000 м!сек. Например, при длине ствола
4 ж и средней скорости снаряда 1000 м!сек время дви-
жения снаряда будет равно всего 0,004 сек. Если счи-
тать ускорение снаряда постоянным, то величина уско-
рения составит
а 2000 500 000 MjceK2
0,004
т. е. будет в 51 000 раз больше ускорения свободного па-
дения. Таким образом, во время своего разгона снаряд
«весит» в направлении движения в 51 000 раз больше,
чем обычно.
Пчела, весящая около 0,15 г, будучи помещенной в
такой снаряд, в момент выстрела «весила» бы
0,15-51 000 ^8 кг.
Перегрузки имеют и положительные свойства, что
широко используется в технике. Рассмотрим для при-
мера работу сепаратора — прибора, служащего для отде-
ления более плотных частиц жидкости от менее плотных.
Сепаратор состоит из вертикально расположенного ци-
линдра, вращающегося с большой скоростью вокруг
своей оси. В дне цилиндра имеются отверстия, в кото-
рые вставлены выводные трубки.
В цилиндр заливают жидкость, подлежащую разде-
лению, например молоко. При вращении цилиндра более
плотные частицы молока под действием перегрузки уст-
ремляются к стенкам сосуда и вытесняют оттуда менее
плотные частицы — жиры, которые собираются в цен-
тральной части цилиндра. Этот же эффект используют
для сушки выстиранного белья. Мокрое белье поме-
щается в сосуд, который затем приводится во вращение.
Вода, содержащаяся в ткани, собирается около стенок
сосуда и удаляется.
61
3. Измерение перегрузок
Для измерения перегрузок пользуются специальными
приборами: акселерометрами и акселерографами.
Простейший акселерометр представляет собой
пружинные весы с грузом (рис. 23). Когда акселерометр
метра:
1 — пружина; 2 — груз;
3 — шкала перегрузок
находится в покое, пружина урав-
новешивает вес груза и прибор
показывает перегрузку, равную
единице. Если придать акселеро-
метру ускорение, например, толк-
нуть его, то груз сместится со сво-
его первоначального положения.
Величина смещения будет тем
больше, чем больше ускорение.
С помощью пружинного аксе-
лерометра можно измерять толь-
ко вертикальные перегрузки. Та-
кие акселерометры теперь приме-
няются редко, так как они не
дают точных показаний вследст-
вие трения груза о направляю-
щие и колебаний пружины.
В настоящее время применя-
ются более совершенные акселе-
рометры, но основаны они на том же принципе — дефор-
мации упругого элемента под действием груза.
Для измерения больших перегрузок, например, имею-
щих место при стрельбе из орудий, используются ци-
линдрики из мягкого металла, называемые крешерами,
которые сжимаются тарированным грузом, движущимся
с измеряемым ускорением. По величине деформации
крешера судят о величине действовавшей на него силы,
а зная массу груза, находят перегрузку.
Акселерографы не только измеряют, но и запи-
сывают величину перегрузки. Они позволяют измерять ее в
больших диапазонах и с достаточно высокой точностью.
Заранее определить направление равнодействующей
перегрузок трудно, поэтому для нахождения перегрузки
могут применяться в зависимости от сложности экспе-
римента однокомпонентные, двухкомпонентные и трех-
компонентные акселерографы, записывающие перегрузку
по одной, двум и трем взаимно-перпендикулярным осям.
62
Акселерографы бывают механические, гидравличе-
ские, магнитные и пьезоэлектрические.
Сравнительно
большое распростра-
нение имеют 'пьезо-
электрические аксе-
лерографы (рис. 24).
Они основаны на
принципе замера
гальванометром (ве-
личины заряда на
поверхности кварце-
вой пластины. Вели-
Рис. 24. Схема пьезоэлетрического
акселерографа:
чина заряда изме-
няется в зависимо-
СТИ ОТ величины дав- 1 — гальванометр; 2 — камера; 3 — груз;
4 — пружины; 5 — кварцевая пластинка
ления на пластину
некоторой массы,
движущейся с измеряемым ускорением. Электрический
заряд усиливается и записывается особым прибором —
осциллографом.
4. Перегрузки в авиации
В полете самолет и его экипаж непрерывно подвер-
гаются перегрузкам, различным по величине, направле-
нию и продолжительности действия. Наибольшие пере-
грузки возникают при выполнении фигур высшего пило-
тажа, а также при катапультировании, раскрытии
парашюта и приземлении с парашютом. Перегрузка,
действующая перпендикулярно к направлению полета,
выражается отношением подъемной силы самолета к
его весу.
Полеты бывают установившимися и неустановивши-
мися. Установившимся называется полет, в котором ки-
нематические параметры движения (скорость, угол
атаки и т. д.) постоянны. В противном случае полет
называется неустановившимся.
Установившимся полетом является, например, гори-
зонтальный полет, подъем, планирование, вираж; неус-
тановившимся— взлет, полет в неспокойной атмосфере
(в болтанку), штопор и другие фигуры, а также пики-
рование и посадка.
63
Перегрузка при установившемся полете. В горизон-
тальном прямолинейном полете подъемная сила уравно-
вешена весом самолета, а сопротивление воздуха — тя-
гой двигателя (рис. 25). Перегрузка п равна единице
и направлена сверху вниз.
Рис. 25. Схема сил, действующих на самолет
в горизонтальном прямолинейном полете:
Г—подъемная сила; G —вес самолета; Р— тяга
двигателя; Q — сопротивление воздуха
При планировании (рис. 26) и подъеме перегрузка п
в вертикальном направлении также равна единице.
При вираже или развороте самолет движется по кри-
волинейной горизонтальной траектории, накренившись
в сторону поворота (рис. 27). Крен самолета (угол у)
Рис. 26. Схема сил, действующих
на самолет при планировании
необходим для того, что-
бы получить составляю-
щую подъемной силы Уг,
которая играет здесь
роль центростремительной
силы.
На вираже вес само-
лета уравновешивается
вертикальной проекцией
подъемной силы Уь Пе-
регрузка на вираже всег-
да больше единицы; ве-
личина ее выражается
формулой
cos у
(15)
64
Рис. 27. Схема сил, действующих на самолет при вираже
Из формулы видно, что чем больше крен самолета
(при правильном вираже — без скольжения), тем больше
перегрузка (рис. 28).
При других видах криволинейного полета, напри-
мер, при выходе из пикирования, бочке перегрузка мо-
Рис. 28. Зависимость перегрузки п на вираже
от величины крена (у° — угол крена)
5 Зак. 1393
65
жет быть значительно больше, чем на вйраже, но про-
должительность ее при этом невелика — около одной
секунды.
Перегрузки при неустановившемся полете. При
взлете самолет под действием силы тяги двигателя,
преодолевая сопротивление воздуха и трение колес
шасси, приобретает ускоренное движение вперед
(рис. 29). Вес самолета частично уравновешен подъем-
ной силой.
Рис. 29. Схема сил, действующих на самолет при
разбеге:
К — подъемная сила; G — вес самолета; Р — сила тяги;
Q — сопротивление воздуха; F — трение колес; R» Яг —
нагрузка на шасси
Если среднее ускорение при разбеге равно, допустим,
3,9 м!сек2, или 0,4 g, значит, перегрузка равна в сред-
нем 0,4. Она действует против направления разбега и
считается положительной.
Оторвавшись от земли, самолет продолжает разгон.
Неустановившийся полет самолета часто бывает
обусловлен состоянием атмосферы. Атмосфера никогда
не бывает длительное время спокойна. Ветер почти не-
прерывно изменяет свою скорость (порывы ветра) и на-
правление. В атмосфере, кроме того, всегда имеются
вертикальные потоки воздуха, образующиеся благодаря
нагреванию его у поверхности Земли или в районе куче-
вых и особенно грозовых облаков.
Что произойдет с самолетом при порыве ветра? По-
рыв ветра внезапно увеличивает или уменьшает ско-
рость воздушного потока относительно самолета, вслед-
66
ствие чего увеличивается или уменьшается подъемная
сила самолета и равновесие сил нарушается. Величина
перегрузки при этом незначительно (на 10—20%) откло-
няется от единицы.
Более существенное влияние на величину перегрузки
оказывают вертикальные потоки воздуха. В этом слу-
чае, во-первых, равнодействующая U скорости самоле-
та V и скорости вертикального потока W отличается от
скорости v самолета (рис. 30), а во-вторых, и это глав-
Рис. 30. Схема встречи самолета с вертикальным по-
током воздуха (№ — скорость вертикального потока)
ное, изменяется направление воздушного потока относи-
тельно самолета — увеличивается или уменьшается
угол атаки крыла. Возникающие в данном случае
перегрузки достигают значительных величин — от
+ 5 до —3.
Как же происходит полет самолета в неспокойном
воздухе с вертикальными порывами? При увеличении
угла атаки увеличивается подъемная сила крыла, рав-
новесие сил нарушается и самолет начинает подни-
маться вверх. Подъем продолжается до тех пор, пока
самолет не пройдет вертикальный поток или летчик не
вмешается в управление. При входе в восходящий по-
ток перегрузка будет превышать единицу только в мо-
мент входа в поток, пока скорость движения не уста-
новится. Выход из восходящего потока сопровождается
провалом самолета и кратковременным уменьшением
перегрузки до величины меньше единицы.
Покачивания, взмывания и провалы самолета при
полете в неспокойной атмосфере называются болтан-
кой. Хотя перегрузка при болтанке в большинстве слу-
чаев небольшая, длительное ее действие утомительно
для экипажа. При полете вблизи грозовой облачности
перегрузка от болтанки может быть значительной и даже
угрожать целости самолета.
5*
67
Рассмотрим перегрузки при штопоре и пикировании.
Штопором называется движение самолета по крутой
спирали малого радиуса с вращением в основном во-
круг нормальной и продольной осей (рис. 31). Полет
при этом происходит на закритических углах атаки.
Перегрузки при
штопоре невелики —
1,5—2, иногда 3, но ве-
личина и направление
их в процессе враще^
ния самолета непре-
рывно меняются. В раз-
личных точках самоле-
та перегрузки разные;
они зависят от расстоя-
ния данной точки до
центра тяжести самоле-
та. Вблизи центра тя-
жести перегрузки ми-
нимальные.
При вводе самолета
в пикирование подъем-
ная сила крыльев мень-
ше веса самолета (рис.
32) и следовательно,
перегрузка на некото-
рое время становится
меньше единицы.
При резком вводе
в пикирование пере-
грузка может стать да-
же отрицательной (при
абсолютной величине
порядка 0,5—1, а иног-
да и более). В этом
случае летчик удержи-
вается на сиденье толь-
.Рис. 31. Схема штопора самолета К0 С ПОМОЩЬЮ привяз-
ных ремней.
На установившемся пикировании все силы, действую-
щие на самолет, взаимно уравновешены и перегрузка
(равнодействующая) равна единице. По вертикальной
68
оси самолета при отвесном пикировании перегрузка
пу = 0.
Вывод самолета из пикирования нередко сопровож-
дается перегрузками, наибольшими из всех возможных
в полете. При выводе из пикирования в процессе пово-
рота самолета вокруг поперечной оси крыло становится
к потоку под значительным углом атаки, что в сово-
купности с большой скоростью пикирования может при-
Рис. 32. К объяснению изменения перегрузки при вводе
самолета в пикирование
вести к опасному увеличению подъемной силы (рис. 33).
Перегрузка при этом направлена примерно по радиусу
кривизны траектории самолета.
При выводе из пикирования между величиной пере-
грузки по вертикальной оси самолета пу, скоростью по-
лета и радиусом кривизны траектории существует сле-
дующая зависимость:
п = + cos 6, (16)
у gr
где V — скорость полета, м!сек\
г — радиус кривизны траектории, ж;
9 — угол между касательной к траектории и гори-
зонтом.
Величиной cos 0 учитывается влияние на перегрузку
положения самолета,
69
В табл. 4 приведены значения перегрузок пу для раз-
личных случаев вывода из пикирования (без величины
cos 0).
Таблица 4
Скорость пикирования, км^мс
траекто- рии, м 200 300 400 509 600 700 800 900 1000
200 1,5 3,5 6,1 9,6 13,9 18,9
400 0,8 1,7 3,1 4,8 7,0 9,5 12,3 15,6 19,2
600 0,5 1,2 2,1 3,2 4,6 6,3 8,3 10,4 12,8
800 0,4 0,9 1,5 2,4 3,5 4,7 6,2 7,8 9,7
1000 0,3 0,7 1,2 1,9 2,8 3,8 4,9 6,2 7,7
1200 — 0,6 1,0 1,6 2,3 3,2- 4,1 5,2 6,4
1500 — 0,5 0,8 1,3 1,8 2,6 з,з 4,2 5,1
Рис. 33. К объяснению изме-
нения перегрузки при выводе
самолета из пикирования.
Силы Р и Q, взаимно уравно-
вешивающие друг друга
(см. рис. 32), на этом рисунке
не показаны
При резких отклоне-
ниях руля высоты подъ-
емная сила крыла может
очень быстро увеличить-
ся. Для того чтобы не до-
пустить чрезмерной пере-
грузки самолета, нагруз-
ка на ручке (штурвале)
управления самолетом
должна зависеть от ско-
рости полета, угла откло-
нения руля и величины
перегрузки. При этом ус-
ловии, для того чтобы
создать в полете боль-
шую перегрузку, летчик
должен приложить к руч-
ке управления значи-
тельные усилия.
Максимально допу-
стимой положительной
перегрузкой самолета-
истребителя обычно счи-
тается восьмикратная. В
полетах перегрузка до-
стигает этой величины
редко и притом на корот-
кое время (рис. 34).
70
Вираж Вираж Пикирование
Рис. 34. Примерная акселерограмма полета по учебному заданию
Рассмотрим перегрузки при посадке (рис. 35). После
того как самолет коснулся земли, его вес частично еще
уравновешивается подъемной силой крыла kY (k— ко-
эффициент, учитывающий уменьшение скорости на про-
беге).
По мере уменьшения скорости на пробеге все боль-
шая и большая часть веса самолета приходится на ко-
леса. Перегрузка на пробеге равна в вертикальном
направлении единице и колеблется около этой величины
при перекатывании колес шасси через неровности и при
«козлах».
При торможении самолета сила трения F создает
перегрузку в горизонтальном направлении от 0,2 до 0,6.
Рис. 35. К объяснению перегрузки при посадке (нагрузка на шасси
не показана)
71
При более интенсивном торможении, например в слу-
чае посадки с убранным шасси, сила трения примерно
равна весу самолета и перегрузка в направлении про-
бега увеличивается до единицы. Для того чтобы при
такой посадке избежать ушибов, необходимо надежно
привязываться к сиденью поясными и плечевыми рем-
нями.
Еще более высокая перегрузка может возникнуть
при посадке на препятствия и при посадке сухопутного
самолета на воду.
Между длиной пути торможения, посадочной ско-
ростью самолета и перегрузкой существует следующая
зависимость (для случая равномерного торможения):
у2 у2
I _ пос пос (17)
20п#
где I — длина пути торможения;
Vnoc — посадочная скорость самолета;
g — ускорение свободного падения;
пх — перегрузка в горизонтальном направлении.
Пользуясь этой формулой, найдем длину пути тор-
можения при посадке на фюзеляж, если Vnoc =
= 108 км/час (30 м/сек), п = 1:
Перегрузки при прыжках с парашютом. При падении
тела на него действует сила тяжести и сила сопротив-
ления воздуха. Если падение происходит в течение ко-
роткого промежутка времени (при прыжке в воду, спор-
тивном прыжке в высоту), то сопротивление воздуха
ничтожно и можно считать, что в этом случае пере-
грузка равна нулю.
При длительном падении, когда скорость падения
достигает большой величины, например при
затяжном прыжке с парашютом, сопротивление воздуха
становится значительным. Перегрузка при этом по мере
падения возрастает (рис. 36). Сила сопротивления воз-
духа направлена в сторону, противоположную движем
нию тела, поэтому ускорение падения с некоторого мо«
мента начнет уменьшаться (рис. 37).
72
Рис.
при
перегрузки
аэростата до
36. Изменение
падении с
раскрытия парашюта:
сила сопротивления воздуха;
веса человека; t — время
падения; п — перегрузка
Когда же скорость 'па-
дения (будет такой, что
сила сопротивления воз-
духа окажется равной
силе веса, ускоренное (па-
дение (прекратится и тело
будет (падать с постоянной
равновесной ско-
ростью (см. рис. 37). При
дальнейшем падении ско-
рость падения начнет (мед-
ленно уменьшаться, так
как по мере приближения
к земле плотность воздуха
увеличивается, а вместе с
ней увеличивается и сила
сопротивления.
При затяжном прыжке
с парашютом на высотах
2—3 км парашютист при-
обретает равновесную
скорость на И —12 сек.
Она примерно равна
50 м/сек. При прыжках
на больших высотах рав-
новесная скорость вслед-
ствие разреженности воз-
духа наступает позже и
достигает больших вели-
чин. Так, при прыжке с
высоты 12 000 м скорость
становится равновесной
через 18—20 сек при величине 90 м/сек. Сказанное выше
относится к прыжку с аэростата. При прыжке с самолета
картина несколько меняется.
В первый момент после оставления самолета летчик
подвергается перегрузке только от действия встречного
потока воздуха; направление перегрузки совпадает с
направлением полета. При оставлении современного
скоростного самолета она может быть значительной.
Например, при прыжке из самолета, летящего со ско-
ростью 360 км/час, человек испытывает почти четырех-
кратную перегрузку.
Q- -
G — сила
6 Зак. 1393
73
По мере падения парашютиста составляющая пере-
грузки в направлении полета уменьшается и вскоре, че-
рез 10—12 сек, доходит до нуля; вертикальная же со-
ставляющая достигает единицы.
Парашют благодаря своей большой поверхности
(40—60 м2) и специальной форме имеет большое аэро-
динамическое сопротивление, вследствие чего он при
Рис. 37. Величина скорости V и ускорения g (за единицу g
принято 9,81 м!се1&) падающего человека в зависимости от
продолжительности падения t сек:
1 — скорость падения в безвоздушном пространстве; 2 — скорость па-
дения в воздухе; 3 — ускорение при падении в воздухе
ста. Процесс торможения происходит настолько быстро,
что со стороны он даже незаметен. Зрителю видна стре-
мительно падающая человеческая фигура, затем появля-
ется белое облачко купола, раскрывающегося с легким
хлопком, и человек уже висит под куполом (рис. 38).
Прыгающий с парашютом ощущает раскрытие пара-
шюта и торможение в виде более или менее резкого
удара. Перегрузка при этом колеблется в широких пре-
делах, зависящих от многих факторов (рис. 39).
Основным фактором, определяющим величину пере-
грузки при раскрытии парашюта, является скорость па-
дения парашютиста, причем перегрузка зависит от ква-
драта скорости падения.
74
Большое влияние на величину перегрузки при рас-
крытии парашюта оказывают плотность ткани и форма
купола.
Скорость падения парашютиста складывается из ско-
Рис. 38. Схема парашютного прыжка:
1 — оставление самолета; 2 — раскрытие ранца; 3 — выход вытяжного пара-
шюта; 4— вытягивание купола; 5 — вытягивание строп; 6 — наполнение ку-
пола; 7 — купол раскрыт; 8 — снижение
Изменение плотности воздуха с высотой при данной
истинной скорости падения почти не влияет на вели-
чину перегрузки, создающейся при раскрытии пара-
шюта. Однако при выполнении прыжков на больших вы-
сотах перегрузка значительно увеличивается.
Если, например, раскрыть парашют на высоте
1000 м после падения в течение 15 сек, перегрузка бу-
дет около 6; раскрытие парашюта после такой же за-
держки на высоте 7000 м вызывает перегрузку, равную
примерно 12, т. е. вдвое больше; на высоте 11 000 м при
тех же условиях перегрузка будет почти втрое больше,
чем на высоте 1000 м.
Увеличение перегрузок на большой высоте объяс-
няется тем, что вследствие уменьшения плотности воз-
духа величина равновесной скорости падения стано-
вится значительно больше.
6* 75
При прыжках с больших высот, если скорость само-
лета небольшая, целесообразно раскрывать парашют
тотчас после отделения от самолета или на малых вы-
сотах. Если скорость полета самолета большая, необ-
ходима задержка раскрытия парашюта до малых высот
(менее 4 км).
Рис. 39. График изменения перегрузок на различных фазах
раскрытия парашюта
При затяжном прыжке наиболее благоприятным по-
ложением для сохранения устойчивости при падении и
для обзора земли является положение плашмя с неко-
торым наклоном головы вниз. Но если иметь в виду
условия, облегчающие перенесение перегрузки, то наи-
более благоприятным является положение ногами вниз.
При прыжке с современным парашютом парашютист
оказывается в таком положении независимо от того, в
каком положении он находился за время вытягивания
купола и строп из чехла.
При приземлении перегрузка зависит от квадрата ско-
рости приземления парашютиста, его веса вместе с па-
рашютом и расстояния, на котором гасится скорость.
76
Скорость приземления является геометрической сум-
мой скоростей снижения и ветра. Следовательно, для
приземления во время ветра характерно увеличение пе-
регрузки.
Чем 'больше путь тормо-
жения, тем меньше при про-
чих равных условиях пере-
грузка. При приземлении на
мягкую почву перегрузка
уменьшается. При скорости
снижения 5 м!сек и погаше-
нии ее на пути около 0,5 м
за счет сгибания коленей и
туловища (рис. 40) пере-
грузка равна примерно 3,5.
Перегрузки при ката-
пультировании. Значитель-
ная перегрузка, направлен-
ная спереди назад, создает-
ся при катапультировании
(выталкивании) самолета с
ограниченной площадки или
с палубы корабля или при
старте реактивного снаряда
(рис. 41).
Рис. 40. Приземление пара-
шютиста
Рис. 41. Общий вид катапульты для запуска неуправляемого
реактивного снаряда
77
Рис. 42. Катапультирование летчика:
/ — сбрасывание фонаря; //—катапультирование;/// — летчик миновал оперение; /V —от летчика
автоматически отделяется кресло; V — летчик раскрывает парашют; V/— раскрытие парашюта
Максимальные, правда, очень кратковременные пе-
регрузки испытывает человек во время оставления само-
лета методом катапультирования (рис. 42).
При катапультировании скорость вылета сиденья из
кабины равна примерно 20 м/сек, путь разгона 1—1,8 м.
При этом максимальное значение ускорения достигает
180—190 м/сек2, а перегрузка соответственно 18—20.
Несмотря на большую величину такая перегрузка не
опасна для здоровья человека, так как она действует
кратковременно, примерно 0,1 сек.
Общий вид катапультируемого сиденья летчика по-
казан на рис. 43.
Действие перегрузок на лопатки турбин реактивных
двигателей и лопасти воздушных винтов. Быстро вра-
щающееся тело подвержено действию значительных
центробежных сил, поэтому, если материал недостаточно
прочен, тело при вращении может разорваться на части.
Если турбина реактивного двигателя делает
12 000 об/мин, то при диаметре турбины 0,5 м пере-
грузка на внешней окружности турбины равна
п — in — — ^3’142 • 120002 • °’25-.10 000
п g gr g900 9,81 . 900
Лопатки турбин удерживаются в гнездах при по-
мощи специальной заделки. При весе лопатки 50 а сила,
стремящаяся выдернуть ее, равна 2000 кг. Учитывая та-
кую большую перегрузку, колесо и лопатки изготов-
ляют из высококачественной специально обработанной
стали.
Воздушные винты делают около 1200 об/мин. Лопа-
сти воздушных винтов подвергаются меньшей пере-
грузке, чем лопатки турбин, тем не менее вследствие
большой массы нагрузка на лопасти значительна. Центр
тяжести лопасти винта средних размеров удален от оси
вращения примерно на 0,6 м. Перегрузка лопасти со-
ставляет около 1000. При весе лопасти, например, 20 кг
сила, выдергивающая ее из втулки, будет равна почти
20 т.
Примером полезного использования центробежных
сил является полет вертолета. Вертолет, весящий не-
сколько тонн, держится в воздухе с помощью одного
или нескольких воздушных винтов (роторов), имеющих
длинные лопасти.
79
5
Рис. 43. Общий вид катапультируемого сиденья
летчика:
1 — цилиндр выстреливающего механизма; 2 — ролики; 3 —
поршень; 4 — кресло; 5 — привязные ремни
Лопасти рассчитываются таким образом, что при
вращении они занимают положение по направлению
равнодействующей N сил,
(рис. 44). Поэтому лопасти
гаются изгибу и работают
жении — на растяжение.
действующих на лопасть
сравнительно мало подвер-
в наиболее выгодном поло-
рис. 44. К объяснению работы лопасти ротора вертолета:
N — равнодействующая сил, действующих на лопасть; У — подъем-
ная сцла; Q — вес лопасти; Рц — центробежная сила
Глава IV
ВЛИЯНИЕ УСКОРЕНИЙ НА ОРГАНИЗМ
ЧЕЛОВЕКА
Изучение влияния ускорений (перегрузок) на орга-
низм начато нашими отечественными учеными задолго
до появления подобных исследований за рубежом. Еще
в семидесятых годах прошлого века К. Э. Циолковский
проводил опыты над животными и насекомыми, подвер-
гая их вращению на центрифуге. Целью его исследова-
ний было определение влияния на организм больших
перегрузок, с которыми человек столкнется при иссле-
дованиях космического пространства с помощью ракет-
ной техники.
К. Э. Циолковский считал, что «человек может вы-
держать огромную тяжесть малую долю секунды».
В данном случае под тяжестью К. Э. Циолковский под-
разумевал увеличение веса тела под влиянием ускоре-
ний. Впоследствии это предвидение полностью подтвер-
дилось экспериментальными данными.
В 1896 г. другой наш соотечественник Е. Б. Бориш-
польский проводил опыты на животных, изучая деятель-
ность головного мозга и состояние кровообращения при
длительном вращении их на центрифуге.
В 1930—1935 гг. в Советском Союзе подобные иссле-
дования проводили Н. А. Рынин и А. А. Лихачев. Ими
было установлено, что насекомые переносят ускорения
порядка 2000 g в течение 1—2 мин. В течение такого же
времени лягушки переносили ускорения величиной 50 gr
а кошки 20 g.
Из числа других отечественных исследований по оп-
ределению влияния ускорений, особенно на организм
81
человека, следует отметить работы В. И. Воячека,
А. П. Попова, А. А. Сергеева, В. В. Стрельцова,
В. И. Бабушкина, В. В. Усачева. Многие данные из ука-
занных работ положены в основу предупредительных
мероприятий, направленных на повышение выносливо-
сти человека к действию ускорений (перегрузок).
Рис. 45. Общий вид современной центрифуги для исследований
влияния радиальных ускорений (Швеция). Слева видны окна поме-
щения, где находятся экспериментаторы
Изучение воздействия ускорений на организм в на-
стоящее время производится на сложных установках,
которые позволяют воспроизводить практически все
нужные параметры: величину, продолжительность, ско-
рость нарастания и спада ускорений.
Одной из наиболее распространенных установок яв-
ляется центрифуга (рис. 45). В кабинах, вращающихся
на центрифугах, создаются условия, аналогичные тем,
которые имеются в кабинах самолетов. Контроль за ис-
пытуемым осуществляется с помощью радиотелеметрии
82
и телевизионной установки, передающей изображение
лица испытуемого.
Для изучения воздействия на организм линейных
ускорений используются установки, движущиеся по
рельсовому пути (рис. 46). Размещая на таких уста-
новках человека в нужных положениях, можно иссле-
довать влияние линейных ускорений в различных
Рис. 46. Установка на рельсовом пути для исследований влияния
линейных ускорений (США)
направлениях по отношению к продольной оси тела.
Движение таких установок обеспечивается работой мощ-
ных двигателей, в том числе и ракетных, что позволяет
воспроизводить ускорения с большой скоростью нара-
стания.
В США помимо наземных установок, для исследова-
ний влияния ускорений используются самолеты, а в по-
следнее время — ракеты.
1. Как человек воспринимает изменение скорости
движения
Люди передвигаются с изменяющейся скоростью и
направлением, и очень редки случаи, когда их движение
бывает прямолинейным и равномерным. В этой связи
рассмотрим вопрос о воздействии ускорений на орга-
низм человека.
83
Состояние любого участка тела находится под кон-
тролем центральной нервной системы. Любые измене-
ния в каждом участке тела, включая и изменения в про-
странственном положении, вызывают поток информации
в мозг по нервным путям, идущим от различных орга-
нов и тканей тела.
Нервные импульсы, сигнализирующие о пространст-
числе и головы, посту-
пают в специальный
венном перемещении тела, в том
Рис. 47. Схема вестибулярного аппа-
ортан — вестибуляр-
ный аппарат. Вести-
булярный аппарат
информирует голов-
ной мозг об измене-
нии скорости движе-
ния, поэтому его
еще называют орга-
ном- экселерацион-
ного чувства.
По существу ве-
стибулярный аппа-
рат можно поставить
в один ряд с такими
органами чувств, как
зрение, осязание,
слух, обоняние. По-
добно этим органам
чувств вестибул я р -
ный аппарат реаги-
рует только на
Рата «свои» раздражите-
ли—ускорения. Раз-
мещается он во внутреннем ухе, по обеим сторонам че-
репа (рис. 47).
Не все импульсы, идущие от вестибулярного аппа-
рата, ощущаются человеком. Для человека необходимо,
чтобы раздражение было достаточно интенсивным или,
как еще принято говорить, чтобы оно было выше поро-
говой величины *. Раздражения, лежащие ниже поро-
говой величины, человеком не воспринимаются.
* Пороговой величиной раздражений называется наименьшая
величина раздражителя, в данном случае ускорения, вызывающая
какой-либо эффект в реакциях организма.
84
Сравнительная характеристика пороговых величин
раздражений вестибулярного аппарата, доходящих до
сознания человека, приведена в табл. 5.
Таблица 5
Характер движения Пороговая величина ускорения, ощущае- мая человеком Примеры движений и средняя величина ускорений
Изменяю- щееся враща- тельное движе- ние Равномерное вращательное движение Прямолиней- ное движение Угловое ускоре- ние (е = 1,2 1/сек?) Центростреми- тельное ускорение (j — 1 м/сек?) Линейное уско- рение (а — = 0,1 м/сек?) Быстрые танцы с изменением направления вращения тела (е _ 6—10 \/сек%) Карусель (/ = 3—4 м/сек?). Самолет при выполнении фи- гур пилотажа (/ = 20—80 л/сек2) Лифт (а = 2—3 м/сек?). Раз- бег спортсмена на старте (а = 8—10 м/сек?). Катапультирование из само- лета (а — 200 м/сек?)
При раздражениях вестибулярного аппарата, вызы-
ваемых угловыми ускорениями, наряду с другими реак-
циями организма происходят изменения в кровоснабже-
нии головного мозга. При этом в тех отделах голов-
ного мозга, которые являются центрами регуляции дви-
жений тела, происходит расширение кровеносных сосу-
дов, а в других отделах мозга сосуды сжимаются. Тем
самым, импульсы от вестибулярного аппарата вызывают
улучшение кровоснабжения как раз наиболее важных
для организма в данный момент частей мозга — двига-
тельных центров коры мозга. С помощью последних
организм компенсирует влияние ускорений, изменяя
позу тела и напряжение соответствующих мышц.
Различные люди по-разному реагируют на раздра-
жения вестибулярного аппарата. Значительное число
людей получает удовольствие от качания на качелях,
вращения на карусели, катания на лодке и пр. Некото-
рые люди не переносят подобных движений, у них воз-
никают явления, называемые морской болезнью. Мор-
ская болезнь выражается в головокружении, сердцебие-
нии, появлении обильного пота и даже рвоты. У людей,
85
подверженных этим расстройствам, они проявляются
также при полете на самолете, особенно во время бол-
танки, при езде на автомобиле с частыми поворотами
и т. п. Интересно отметить, что летчики или водители
автомобилей, подверженные морской болезни, прояв-
ляют признаки заболевания лишь в случаях, когда они
являются пассажирами. Занятость внимания при управ-
лении полетом или при вождении автомобиля подав-
ляет импульсы от вестибулярного аппарата.
Повышение устойчивости против раздражений вести-
булярного аппарата можно достигнуть тренировкой. По-
следняя состоит в систе-
матических упражнениях,
связанных с раздраже-
нием вестибулярного ап-
парата движениями, с по-
степенным увеличением
интенсивности и 'продол-
жительности раздраже-
ний. Подобная трениров-
ка включает гимнастиче-
ские упражнения ,и заня-
тия на специальных спор-
тивных снарядах (батут,
лопинг, ренские колеса
и т. in.), с помощью кото-
рых тело подвергается
Рис. 48. К объяснению тренировки ускорениям в трех вза-
вестибулярного аппарата ИМНО перпендикулярных
плоскостях (рис. 48).
Воздействие ускорений на организм не ограничивается
реакциями вестибулярного аппарата. Более того, непри-
ятные ощущения, вызываемые у некоторых людей раз-
дражениями вестибулярного аппарата, при воздействии
больших линейных или центростремительных ускорений
перекрываются другими нарушениями в общем состоянии
организма. В этих случаях раздражения, поступающие в
центральную нервную систему от вестибулярного аппа-
рата, незначительны по сравнению с результатом дейст-
вия линейных или центростремительных ускорений на
внутренние органы и системы организма, в том числе на
кровообращение и дыхание. Поэтому в дальнейшем, рас-
сматривая воздействие на человека больших ускорений,
86
мы >нс будем выделять реакций организма, возникаю-
щих в этих случаях от раздражений вестибулярного
аппарата.
2. Общее влияние ускорений на организм
Ускорения — один из частных случаев воздействия на
организм механических сил. Во взаимоотношениях орга-
низма и среды воздействие механической энергии на ор-
ганизм является достаточно распространенным факто-
ром. Нельзя себе представить таких условий развития
организма, при которых исключалось бы воздействие на
него механической энергии. Несмотря на появление но-
вых разрушительных видов энергии (например, ионизи-
рующих излучений), продолжает оставаться правильным
известное положение И. П. Павлова о том, что «самая
частая из угрожающих энергий внешней среды механи-
ческая». В процессе эволюционного развития организмы
животных приспосабливаются к воздействию механиче-
ской энергии окружающей среды. В результате подобного
приспособления живых организмов многие структурные
и физиологические особенности тела животных в значи-
тельной мере определяются условиями действия на них
механических сил, в том числе и ускорений.
Наиболее защищена от воздействия ускорений цент-
ральная нервная система вследствие ее ведущей роли в
жизнедеятельности всего организма, во взаимоотноше-
ниях организма с внешней средой.
И. П. Павлов, введя понятие механического иммуните-
та, особое значение придавал механической устойчивости
центральной нервной системы. В это понятие включается
весь комплекс приспособлений, предохраняющих цент-
ральную нервную систему от действия механической
энергии. По этому поводу И. П. Павлов писал: «В нерв-
ной системе и специально в сложнейшем ее центральном
отделе, управляющем всем организмом, объединяющем
все частные деятельности организма, этот принцип ме-
ханической самозащиты, принцип механического иммуни-
тета должен был достигнуть высочайшего совершенства,
что действительно в массе случаев и оказывается». *
* И. П. Павлов. Избранные труды. М., Учпедгиз, 1950,
стр. 177.
87
Приспособляемости организма к механическим воз-
действиям в значительной мере способствует то, что цен-
тральная нервная система, и в первую очередь головной
и спинной мозг, надежно защищена костями (череп, по-
звоночник). Кроме того, между веществом мозга и ко-
стями имеется слой жидкости, играющей роль буфера,
смягчающего механические воздействия (рис. 49). Сле-
Рис. 49. Защитные барьеры головного мозга:
1 — кожа и подкожная клетчатка; 2 —сухожилия; 3—над-
костница; 4 — кость свода черепа; 5 — твердая мозговая
оболочка; 6 — сосудистая оболочка; 7 — мягкая мозговая
оболочка; 8 — кора головного мозга
дует отметить также, что в составе мозгового вещества
нет твердых образований, отличающихся большой разни-
цей в удельном весе по сравнению с другими частями.
Поэтому при воздействии ускорений не происходит сме-
щений отдельных частей мозгового вещества.
Сказанное выше о приспособлении организмов к дей-
ствию ускорений справедливо в полной мере лишь в от-
ношении таких воздействий механических сил на орга-
низм, которые достаточно часто повторялись в процессе
эволюционного развития организмов. Однако постоянно
растущий уровень технических средств обеспечения жиз-
ненных условий людей, и главным образом рост скоро-
стей передвижения, связан с возможностью воздействия
на организм необычных по величине или длительности
ускорений.
88
Как уже было сказано, в авиационной практике воз-
действие на организм ускорений является одним из наи-
более частых воздействий во время полетов. При осуще-
ствлении космических полетов ускорения будут также
непременным их спутником как при взлете ракеты, так и
во время возвращения на Землю или при посадках на
другие планеты. Вот почему проблема действия ускоре-
ний на организм уже давно разрабатывается авиацион-
ной медициной, а в настоящее время к пей привлечено
внимание и космической медицины. Материалы, получае-
мые в результате изучения влияния ускорений на орга-
низм, принимаются во внимание конструкторами, проек-
тирующими летательные аппараты. Так, в частности, в
конструкции рабочего места на кораблях «Восток» и
«Восток-2» было учтено наиболее безопасное действие на
организм перегрузок — в поперечном направлении к про-
дольной оси тела космонавта.
Воздействие на организм ускорений (помимо измене-
ния веса тела) проявляется в широком диапазоне возни-
кающих изменений: от едва уловимых сдвигов в тече-
нии физиологических функций до нарушений зрения и
невозможности выполнять необходимые движения. При
дальнейшем увеличении ускорений могут возникать на-
рушения сознания и повреждения структур тела.
Влияние ускорений на организм зависит от их пара-
метров (величины, продолжительности воздействия, ско-
рости нарастания до максимальной величины), от функ-
ционального состояния организма, от его устойчивости
к действию ускорений, а также от направления ускоре-
ний по отношению к осям тела человека.
При действии ускорений в местах приложения силы
к поверхности тела человека могут возникать значитель-
ные деформации тканей, вплоть до нарушений их цело-
сти. Такие последствия возможны, например, в случаях
большой скорости нарастания ускорений и значительной
величины их.
При действии на человека ускорений в первую оче-
редь возникает ощущение отяжеления тела. Это резуль-
тат перегрузки, результат увеличения веса тела под воз-
действием ускорений, Под влиянием ускорений происхо-
дит рефлекторное напряжение скелетной мускулатуры,
смещение кожных покровов в наиболее подвижных уча-
стках тела, затрудняются движения конечностями и го-
7 Зак. 1393
89
ловой. При достаточно интенсивных ускорениях проис-
ходит сжатие и некоторое перемещение внутренних орга-
нов тела.
Наибольшей возможностью инерционных смещений
под влиянием ускорений обладает кровь, а также дру-
гие жидкости организма. Последнее обусловлено сравни-
тельно большой массой крови, относительно слабыми
связями ее со стенками кровеносных сосудов, эластично-
стью стенок сосудов и возможностью перераспределения
циркулирующей массы крови между отдельными частями
тела. Нарушения в кровоснабжении вызывают различные
отклонения в физиологических функциях вплоть до по-
тери сознания.
По сравнению с нарушениями кровообращения все
другие сдвиги в организме при действии ускорений явля-
ются менее значимыми для общего состояния человека.
Сказанное относится ко всем видам ускорений, за исклю-
чением так называемых ударных ускорений, или ускоре-
ний ударного характера. Вследствие скоротечности по-
добных ускорений (менее 0,5 сек) значительные измене-
ния в кровообращении не успевают проявиться в пе-
риод их действия на организм. Основным результатом
влияния ударных ускорений при значительной их вели-
чине является сотрясение тела, в том числе и централь-
ной нервной системы, приводящее к ухудшению общего
состояния человека.
В схематическом виде общее влияние ускорений раз-
личной величины можно видеть на примерах радиальных
ускорений, действующих от головы к ногам. Так, при
действии подобных ускорений величиной в 2 g человек
ощущает давление своего тела на сиденье, некоторое на-
пряжение мышц, поддерживающих туловище в верти-
кальном положении. Нарушений в самочувствии обычно
не возникает, если такое ускорение не продолжается очень
долго и если человек здоров.
При ускорениях 2—4 g требуются большие усилия
для удержания головы в вертикальном положении, ощу-
щаются затруднения в дыхании вследствие опускания ди-
афрагмы под влиянием ускорений, появляются неприят-
ные, а подчас и болезненные ощущения от смещения вну-
тренних органов. Движения руками осуществляются с
большим трудом и далеко не всегда с требуемой точно-
стью и скоростью. Происходит заметное увеличение
90
числа ошибок при оценке показаний приборов, распо-
ложенных на приборной доске самолета. Смещение по-
движных участков кожи на лице меняет внешний вид
человека, делая его более старшим.
Ускорения величиной 4—5 g, помимо усиления всех
отмеченных выше явлений, часто еще вызывают и зри-
тельные нарушения. Последние проявляются в виде неяс-
ного, нечеткого различения предметов, находящихся в
поле зрения («серая пелена»). При дальнейшем дейст-
вии ускорений отмеченные здесь нарушения заканчива-
ются полной утратой зрения («черная пелена») при со-
хранении сознания. Следует отметить, что при большой
скорости нарастания ускорений выключение зрения про-
исходит без предварительных нарушений.
При действии ускорений величиной 5—6 g, если их
действие продолжается более 5 сек и если человек не за-
щищен противоперегрузочным костюмом, могут возни-
кать нарушения сознания.
Необходимо отметить, что все нарушения в состоянии
человека при действии ускорений носят временный ха-
рактер, т. е. по окончании действия ускорений тотчас же
ликвидируются последствия их влияния. Лишь в случаях
потери сознания после прекращения действия ускорений
отмечается кратковременная дезориентация человека в
окружающей обстановке.
3. От чего зависит конечный результат
действия ускорений
Переносимость ускорений тесно связана с величиной
и продолжительностью их действия. Чем больше вели-
чина ускорения и чем оно продолжительнее, тем больше
вызываемые им изменения в организме.
Кроме того, переносимость ускорений в большой мере
зависит от направления их относительно тела человека.
Одно и то же по величине и продолжительности ускоре-
ние при одном направлении может вызвать значитель-
ные последствия, а при другом не дать сколько-нибудь
заметного результата. В большинстве случаев наимень-
шие последствия вызывают ускорения, направленные от
спины к груди, от груди к спине и от одного бока к дру-
гому. Хуже всего переносятся ускорения, направленные
от головы к ногам. Промежуточное положение занимают
7*
91
ускорения, оказывающие воздействие на организм от ног
к голове (перегрузка от головы к ногам).
Для организма человека небезразлично, к какой ча-
сти тела приложена сила, создающая ускорение тела и
вызывающая его перегрузку. В самом деле, представим
себе, что сила, величина которой достаточна для переме-
щения всего тела, в одном случае приложена к. голове,
а в другом — к плечевому поясу. В первом случае влия-
ние приложенной силы будет, несомненно, значительнее,
чем во втором, даже если площадь соприкосновения ее
с телом в обоих случаях одна и та же. Значение дефор-
маций указанных в этих примерах участков тела неоди-
наково.
Наибольшие деформации тела происходят в точке
приложения силы. Связь между степенью деформации
частей тела и их удаленностью от точки приложения
силы выражена тем сильнее, чем меньше продолжитель-
ность ускорения, вызываемого приложением данной силы
к телу. Другими словами, чем короче продолжительность
воздействия ускорений, тем меньше успевают деформи-
роваться участки тела, удаленные от места приложения
силы.
Много споров в литературе возникает по поводу по-
вторного влияния ускорений на организм. Можно ска-
зать, что повторное воздействие ускорения на человека
переносится им легче при условии, что величина и про-
должительность ускорений неблизки к пределу перено-
симости его организмом. Однако при многократном воз-
действии ускорений, когда промежутки времени между
отдельными воздействиями недостаточны для восстанов-
ления функций организма, могут возникать нежелатель-
ные последствия, снижающие сопротивляемость орга-
низма к ускорениям (кумуляция или накопление эффекта
действия).
Результат действия ускорений на организм человека
зависит и от скорости их нарастания до наибольшей ве-
личины. Чем больше скорость нарастания ускорения
(рис. 50), тем более ударный характер оно имеет.
При прочих равных условиях при большой скорости на-
растания ускорения последнее оказывает на организм бо-
лее сильное влияние. Однако если ускорение продол-
жается в течение нескольких долей секунды, указанная
выше зависимость не столь резко выражена.
92
Немаловажное значение на переносимость ускорений
оказывает общее физическое развитие человека.
Известно, какое внимание уделялось физическому
развитию первых советских космонавтов.
В системе тренировочных занятий упор делался на по-
организма космонавтов к дейст-
п
15
вышение устойчивости
вию ускорений, выра-
ботку и усовершенство-
вание навыков свобод-
ного владения телом в
пространстве, коорди-
нированных движений
и других элементов,
повышающих способ-
ность космонавта пе-
реносить длительные
физические напряже-
ния без снижения рабо-
тоспособности.
Отдельного рассмо-
трения требует вопрос
переносимости ускоре-
ний ударного характе-
ра. Подобные ускоре-
ния испытывают пара-
Ю
5
Рис. 50. Акселерограммы перегру-
зок одинаковой продолжительности
и величины, но разной скорости на-
растания
шютист при прыжках с самолета, летчики и космонавты
при катапультировании.
При приложении к телу человека силы, вызывающей
ускорение ударного характера, от точки приложения этой
силы по телу распространяется волна деформации. В слу-
чае большой перегрузки деформация затрагивает все
ткани и органы тела, включая головной мозг. Однако
благодаря кратковременности подобных ускорений и вы-
сокой устойчивости человеческого организма к механи-
ческим воздействиям человек выдерживает весьма боль-
шие величины ударных ускорений без заметного ухудше-
ния общего состояния.
Для иллюстрации сказанного обратимся к простей-
шим примерам, т. е. рассмотрим прыжки человека с раз-
ной высоты (рис. 51).
Если регистрирующий прибор (акселерограф) раз-
93
местить на плечевом поясе, то при прыжке с высоты
1,2 м он зарегистрирует шестнадцатикратную пере-
грузку. Естественно, что на нижележащих частях тела,
особенно в местах соприкосновения ног с полом, вели-
чина перегрузки будет значительно большей. Несмотря
на столь высокие перегрузки, здоровый человек пере-
носит их вполне удовлетворительно.
В качестве другого примера можно сослаться на из-
вестный многим спортивный номер. Артист, стоя на под-
кидной доске, взлетает вверх с ускорением 5—6 g. Взле-

Рис. 51. К объяснению действия ускорений ударного характера
тев на высоту до 5 ж, он проделывает несколько перево-
ротов, после чего падает на плечи другому артисту. Та-
кое многократное «катапультирование» не сказывается
отрицательно на работоспособности артиста.
Наконец, при катапультировании из самолета летчик
подвергается ударному ускорению порядка 18 g, и в этом
случае не возникает нарушений в состоянии здоровья.
Необходимым условием безопасной переносимости
ускорений ударного характера является соответствую-
щая тоза человека, предотвращающая чрезмерные
отклонения частей тела в момент приложения к нему
силы.
Ориентировочные сведения о переносимости челове-
ком ускорений различного характера можно получить из
рис. 52.
94
Продолжительность перегрузки в сек
Рис. 52. Ориентировочный график границ безопасных для человека
ускорений
95
4. Способы повышения устойчивости организма
к ускорениям
Повышение переносимости ускорений, хотя бы на не-
большую величину, имеет большое практическое значе-
ние. Современный самолет за одну секунду перемещается
на 200—300 м и более. Если летчик выполняет маневр
близко от земли или в строю, а тем более участвует в воз-
душном бою, даже кратковременное нарушение его ра-
ботоспособности может иметь непоправимые последст-
2
Рис. 53. Моменты нарушения зрения (заштриховано):
1 — при выходе из пикирования; 2 — на вираже; 3 — на петле Нестерова
вия. Необходимо также учитывать, что нарушения зре-
ния не всегда совпадают по времени с наибольшей вели-
чиной ускорения. Летчики это замечают, например, при
выходе из пикирования, на петле Нестерова и при дру-
гих маневрах самолета (рис. 53). Такое явление объяс-
няется, с одной стороны, инерцией массы крови, не
сразу поддающейся воздействию ускорения, а с другой
стороны — противодействием компенсаторных механиз-
мов организма, направленных на предотвращение возни-
кающих нарушений в его функциях.
Маневренность самолета может быть использована в
полной мере лишь в том случае, если предельные пере-
96
грузки, переносимые летчиком, будут не меньше допу-
стимых для данного самолета.
Уже давно отмечено, что при систематической трени-
ровке под контролем врача устойчивость организма к дей-
ствию ускорений повышается.
В организме имеется большое количество нервных ме-
ханизмов, регулирующих кровообращение. Они включа-
ются в действие при изменениях кровообращения под
влиянием различных факторов, в том числе и при воз-
действии ускорений. Одним из таких механизмов яв-
ляется, например, синокаротидная зона, расположенная
в месте разветвления общей сонной артерии, в области
шеи. На внутренней стенке сонной артерии находятся
нервные окончания, воспринимающие изменения давле-
ния крови. Импульсы от этих нервных окончаний пере-
даются в центральную нервную систему, информируя ее
об изменениях давления крови в сонной артерии.
В зависимости от потребностей в кровоснабжении ка-
кой-либо части организма из центральной нервной си-
стемы направляются импульсы, изменяющие давление
крови в сосудах в ту или другую сторону и перераспре-
деляющие кровоток в организме.
Механизмов, подобных синокаротидному, в кровенос-
ной системе организма много. Все они поддерживают не-
обходимое давление крови в сосудах, предотвращая
тем самым нарушение кровообращения при ускорениях.
Конечно, такая компенсация не является беспредель-
ной.
Компенсация нарушений в кровообращении, вызывае-
мых ускорениями, обычно происходит не сразу. Однако
постепенной тренировкой достигается образование новых
условнорефлекторных связей в центральной нервной си-
стеме (коре головного мозга), в результате чего меха-
низмы, регулирующие кровообращение, включаются в
действие все раньше и раньше. В конце концов расстрой-
ство кровообращения начинает предупреждаться уже в
самом начале воздействия ускорений.
Для тренировок в сопротивляемости организма к уско-
рениям применяются центрифуги легкого типа (рис. 54),
подкидные сетки, лопинги и т. п. IB результате трениро-
вок удается повысить сопротивляемость организма к ус-
корениям на 1—2 g. Примерно такое же повышение вы-
носливости организма наступает и при постепенном уве-
97
личении ускорений, возникающих в полетах при манев-
рах самолета.
Повышению переносимости ускорений способствуют
сокращения мышц в момент воздействия ускорений, осо-
бенно мышц брюшного пресса. Напряжение брюшного
пресса противодействует смещению внутренних органов,
уменьшая связанные с этим болезненные ощущения.
Одновременно создается некоторое препятствие перерас-
Рис. 54. Схематический вид тренировочной центрифуги
пределению массы крови в нижнюю часть тела, что об-
легчает деятельность кровообращения при ускорениях.
Таким образом, развитие мышц тела является одним
из факторов, повышающих переносимость ускорений. Бы-
стрые переходы из вертикального положения в горизон-
тальное и обратно также являются эффективными для
повышения выносливости к ускорениям. Этому же спо-
собствуют и водные процедуры (душ, плавание). Необ-
ходимо лишь иметь в виду, что занятие каким-либо од-
ним видом спорта, даже при наличии значительных до-
стижений в нем, не дает преимущества в выносливости к
ускорениям. Только систематическая и разносторонняя
физическая подготовка может дать положительные ре-
зультаты в переносимости ускорений.
98
Известно, какое внимание уделялось и уделяется в
нашей стране физической подготовке летчиков и космо-
навтов.
«Физическая тренировка группы космонавтов, — пи-
сала «Правда» от 25 апреля 1961 г., — складывалась из
плановых занятий и утренней зарядки. Плановые заня-
тия проводились с учетом индивидуальных особенностей
физического развития каждого космонавта. Утренняя за-
рядка проводилась ежедневно в течение часа и имела це-
лью общефизическую подготовку. Занятия физкультурой
были направлены на повышение устойчивости организма
Рис. 55. к объяснению зависимости
эффекта действия ускорений от поло-
жения тела
к действиям ускорений, выработку и совершенствование
навыков свободного владения телом в пространстве, по-
вышение способности переносить длительные физические
напряжения.
Физическая тренировка проводилась под постоянным
врачебным наблюдением и сочетала специально подо-
бранные гимнастические упражнения, игры, прыжки в
воду, плавание и упражнения на специальных снарядах.»
Программа непосредственной подготовки космонав-
тов к космическому полету включала и такой элемент,
как испытание на центрифуге в скафандре при макси-
мальных значениях ожидаемых перегрузок.
В испытаниях на центрифуге исследовалась устой-
чивость к радиальным ускорениям. Установлено, что
устойчивость к радиальным ускорениям повышается при
изменении позы человека.
Так, например, в положении сидя при ускорении 5 g
иногда наступает потемнение в глазах. Стоит переменить
99
позу — скорчиться (рис. 55), как испытуемый уже не ис-
пытывает неприятных ощущений даже при шести — семи-
кратных перегрузках. Это объясняется тем, что в новом
положении улучшаются условия движения крови в бед-
рах и уменьшается расстояние от сердца до головного
мозга, что уменьшает нагрузку на сердечную мышцу,
Рис. 56. Схематический вид головной части ракеты
с космонавтами (проект «Меркурий» — США) •
создавая больше резервов для обеспечения мозгового
кровообращения. Кроме того, указанная поза улучшает
условия фиксации внутренних органов благодаря их не-
которому сжатию.
Для повышения способности летчиков переносить
длительные перегрузки предлагались различные способы.
Например, предлагалось применить пилотирование са-
молета при лежачем положении летчика или в момент
появления перегрузок изменять наклон спинки сиденья
(рис. 56).
100
В имеющихся проектах кабин для космических полетой
предусматривается лежачее положение космонавта, при
котором перегрузки действуют перпендикулярно оси гола.
Как известно, на корабле-спутнике «Восток» катапульти-
руемое кресло космонавта было установлено таким обра-
зом, чтобы перегрузки на участке выведения и на уча-
стке спуска действовали на космонавта в наиболее благо-
приятном направлении (грудь — спина).
Из защитных мер, применяемых летчиками во время
действия ускорений, необходимо указать на форсирован-
ный выдох через суженную голосовую щель, сопровож-
даемый громким криком. В итоге создается повышенное
внутригрудное и внутрибрюшное давление с увеличением
напряжения мышц брюшного пресса. Как отмечают лет-
чики, подобный прием помогает выдерживать несколько
большие перегрузки.
Имеются и медикаментозные средства, повышающие
выносливость к ускорениям. К числу их относится, на-
пример, эфедрин, экстракт задней доли мозгового при-
датка (гипофиза), углекислый газ и др. Однако подоб-
ные средства не нашли практического применения в лет-
ной практике и используются лишь в исследовательских
целях, при изучении влияния ускорений в опытах на цен-
трифугах.
Дальнейшее развитие противоперегрузочных уст-
ройств шло по линии создания специальных костюмов.
В 1940—1941 гг. в ряде стран были созданы образцы
противоперегрузочных костюмов пневматического типа,
явившиеся прототипом ныне существующих образцов.
Отечественный образец такого костюма (ППК-1) яв-
ляется типичным, хорошо зарекомендовавшим себя сред-
ством повышения выносливости к действию ускорений.
Принцип действия костюма заключается в передаче
давления на тело человека при заполнении воздухом ка-
мер костюма. Камеры раполагаются на животе, бедрах и
голенях летчика (рис. 57), все они соединены между со-
бой и имеют общий шланг для наполнения их воздухом.
Воздух в камеры подается автоматом по определенному
закону соответственно величине ускорения в каждый
данный момент.
Условием, повышающим эффективность противопере-
грузочного костюма, является хорошая его подгонка по
101
Рис. 57. Противопере-
грузочный костюм
(вид сзади)
размерам тела и предварительное ознакомление летчика
с ощущениями, возникающими от давления в камерах.
Противоперегрузочный костюм повышает выносливость
к действию ускорений на величину порядка 2 g.
Эффективность костюма основана на усилении дея-
тельности естественных механизмов организма, противо-
действующих неблагоприятному влиянию ускорений. Ска-
занное относится к улучшению фиксации внутренних ор-
ганов, к созданию дополнительного противодействия
инерционному смещению крови в нижнюю половину тела,
к улучшению условий возврата
венозной крови к сердцу из ниж-
ней половины тела, включая сюда
и ноги. В итоге противоперегру-
зочный костюм повышает уровень
кровоснабжения головного мозга,
снижающийся при действии уско-
рений без костюма.
Применение противоперегру-
зочного костюма снижает повы-
шенный уровень потребления
организмом кислорода, что очень
важно в условиях высотных поле-
тов, а также снижает расход энер-
гии, вызываемый воздействием
ускорений. Для непосредственной
практики летчика-истребителя
большое значение имеют данные,
характеризующие возможность
уменьшения времени на выпол-
нение маневра самолета при при-
менении противоперегрузочного
костюма.
Современный противоперегрузочный костюм наряду
с положительными качествами, обладает и некоторыми
недостатками. Вот почему в лабораториях ученых про-
должаются изыскания по дальнейшему усовершенство-
ванию противоперегрузочных устройств.
Одним из мероприятий, имеющих перспективы прак-
тического осуществления для повышения выносливости
человека к действию ускорений, является помещение
тела в жидкость. Подобный способ описан еще К. Э. Ци-
102
олковским, предлагавшим помещать тело в жидкость
одинаковой с ним плотности. Необходимо отметить, что
подобная защита организма от ускорений достаточно ши-
роко распространена в природе. Так защищен зародыш
в яйце, подобным же образом предохраняется плод в
утробе матери. Для демонстрации своего опыта К. Э. Ци-
олковский помещал куриное яйцо в банку с соленым ра-
створом и сбрасывал ее с высоты. Яйцо при этом не раз-
бивалось (рис. 58).
В настоящее время имеются данные о проведенных
опытах с рыбами и лягушками. Помещенные в воду рыбы,
лягушки выдерживали ускорения ударного характера ве-
личиной 1000 и больше. Аналогичные опыты проводи-
лись и с человеком (рис. 59, 60); при вращении на цен-
трифуге человек подвергался ускорениям намного боль-
шим, чем ускорения, переносимые без защиты водой.
Возможно, что в необходимых случаях, особенно при
осуществлении космических полетов человека за пределы
солнечной системы, защита организма жидкостью ока-
жется целесообразной наряду с другими мерами защиты
против ускорений.
Рассмотрим меры, предотвращающие отрицательное
воздействие перегрузок при парашютных прыжках и ка-
тапультировании.
Для уменьшения перегрузки, возникающей при рас-
крытии парашюта, необходимо выбирать наиболее вы-
годный момент его раскрытия. Если скорость самолета
больше, чем скорость свободного падения тела на дан-
ной высоте, то для погашения скорости парашютиста сле-
дует выполнять затяжной прыжок. Разумеется, что при
этом необходимо учитывать безопасную высоту раскры-
тия парашюта. При небольшом расстоянии до земли
нельзя рассчитывать на сколько-нибудь длительную за-
держку раскрытия парашюта.
После того как выдернуто кольцо, надо сразу же на-
прячь мышцы тела. Это предохраняет от непроизволь-
ных движений рук, ног и головы в момент наполнения
купола парашюта. Кроме того, напряжение мышц жи-
вота помогает фиксации внутренних органов.
Приземление с парашютом на мягкий грунт при со-
блюдении правил приземления не вызывает неприятных
ощущений от перегрузки. Под тяжестью парашютиста
мягкий грунт оседает, вследствие чего увеличивается
ЮЗ
Рис. 58. Опыт по установлению защитной роли
жидкости. Вверху слева сброс яйца без защиты,
справа— яйца, погруженного в стакан с водой;
внизу слева — остатки разбитого яйца, справа —
остатки разбитого стакана, яйцо невредимо
Рис. 59. Устройство для частичной
защиты человека водой от действия
ускорений (США)
Рис. 60. Капсула для размещения в ней человека во
время исследований по установлению защиты водой
от действия ускорений (США)
8 Зак. 1393
время торможения и уменьшается перегрузка. Опыт-
ные парашютисты с той же целью применяют мягкие
(резиновые) стельки, вкладываемые в обувь.
При приземлении на твердый грунт величина уско-
рений увеличивается, так как время торможения при-
земляющегося парашютиста уменьшается. При этом
рекомендуется немного согнуть ноги в коленных суста-
вах. При приземлении на выпрямленные ноги толчок о
землю не поглощается должным образом. С той же це-
лью при приземлении следует держать ноги сомкнутыми
вместе. При приземлении с расставленными ногами на-
грузка чаще всего приходится на одну ногу ввиду неров-
ности почвы или подворачивания ноги. Приземление
следует производить на всю стопу; при касании земли
пятками ухудшаются амортизационные свойства ног.
Основными предупредительными мерами против
ударных ускорений, возникающих при катапультиро-
вании, являются соблюдение вертикального положения
тела на катапультируемом сиденье и хорошая фиксация
конечностей на опорных поверхностях сиденья. Они
легко отрабатываются при тренировочных наземных
катапультированиях. В результате подобных тренировок
человек совершенно безвредно переносит ударные уско-
рения порядка 18—20 g.
Глава V
НЕВЕСОМОСТЬ
Пока люди перемещались медленно, у них было твер-
дое представление о незыблемости силы тяжести и поло-
жения вертикали. Первые полеты на самолетах поколе-
бали эти представления. При виражах возникает иллю-
зия, что самолет летит прямо, а поверхность земли на-
клонна. Эта иллюзия настолько велика, что представляет
опасность при полете в условиях плохой видимости
(в облаках, в тумане, ночью), и ее преодоление требует
от летчиков тщательной тренировки в управлении само-
летом только по приборам.
Современные самолеты оборудованы специальными
приборами, которые в сочетании с наземными средст-
вами обеспечивают безопасность полетов в любых усло-
виях погоды днем и ночью.
1. Физические условия возникновения невесомости
При выполнении высшего пилотажа летчики сталки-
ваются с эффектом изменения силы тяжести, которая на
вираже увеличивается в два — четыре раза, а на выходе
из пикирования до восьми. Вход в пикирование может со-
провождаться уменьшением силы тяжести вплоть до ее
полного исчезновения, правда, лишь на короткое время.
В иных случаях летчик может ощущать силу тяжести,
изменившую привычное направление и действующую
снизу вверх. В последнем случае летчик удерживается в
кабине только благодаря привязным ремням.
В обыденной жизни мы часто сталкиваемся с очень
кратковременным проявлением невесомости, например,
8* 107
при прыжке вверх с момента отталкивания до призем-
ления, а также при прыжке со стула. В последнем слу-
чае состояние невесомости длится менее 0,3 сек. За
такой короткий промежуток времени человек, конечно,
не успевает осознать свои ощущения. Даже при рекорд-
ном прыжке в высоту (2 м 25 см, В. Брумель, СССР)
тело находится в состоянии невесомости менее одной
секунды. При прыжках в воду с трамплина или выпол-
нении прыжков на батуте невесомость продолжается в
течение примерно одной секунды. Еще большую про-
должительность невесомости человек может испытать,
прыгая с парашютом с аэростата (около 3 сек). Но пры-
гающему все свое внимание приходится в это время со-
средоточивать на сохранении правильного положения
тела, на раскрытии парашюта, и, естественно, что на
фоне впечатлений от свободного падения состояние не-
весомости не может оставить заметных следов.
Ощущение невесомости может возникнуть в полете
вследствие болтанки. Известны случаи, когда не привя-
занные к креслам пассажиры падали на потолок ка-
бины, хотя самолет находился в горизонтальном, непе-
ревернутом положении.
Уже теперь благодаря большой скорости полета мы
все чаще сталкиваемся с явлением невесомости, которое
будет постоянно сопровождать космонавтов при полетах
в космос.
Некоторое представление о проявлении невесомости
на космическом корабле можно получить, если вообра-
зить, что любой незакрепленный предмет останется в том
положении, в котором выпущен из рук. Например, если
какой-либо предмет выпустить из рук, он не упадет, а по-
виснет в воздухе. Если стакан с водой перевернуть, то
вода из него не польется: не будет силы, заставляющей
воду вылиться. Будучи каким-либо образом извлечена из
стакана, например, встряхиванием, вода останется висеть
в воздухе в виде блестящего шара. Этот шар можно раз-
бить, тогда об распадется на множество разной вели-
чины капелек, висящих в воздухе.
Человеком может овладеть неприятное ощущение бес-
прерывного падения, вызванное отсутствием раздраже-
ний вестибулярного аппарата и расслабления мышц,
которые не испытывают привычной тяжести.
108
Уже этих примеров достаточно, чтобы видеть, сколь
новы и необычайны для человека явления невесо-
мости.
Чтобы разобраться в вопросах возникновения и суще-
ства невесомости следует отчетливо представить себе,
что такое вес тела.
Известно, что каждому телу присуща определенная
масса или определенное количество вещества. В природе
существует закон всемирного тяготения (или гравита-
ции), открытый Ньютоном, по которому тела притягива-
ются друг к другу с силой, пропорциональной произведе-
нию их масс и обратно пропорциональной квадрату рас-
стояния между ними.
Земля благодаря своей колоссальной массе обладает
огромной силой притяжения. Поэтому тела, находящиеся
на поверхности Земли или на каком-либо расстоянии от
нее, испытывают действие силы притяжения, направлен-
ной к центру Земли. Луна меньше Земли, поэтому сила
притяжения там меньше земной в 6 раз. На самой боль-
шой планете нашей солнечной системы, Юпитере, сила
притяжения больше, чем на Земле, в 2,5 раза. Если бы
мы представили себе колодец, вырытый в глубь Земли,
до самого ее центра, и попробовали спускаться в него, то
обнаружили бы (не считая увеличения атмосферного
давления, изменения температуры и других явлений) по-
степенное уменьшение силы притяжения. Опускающееся
тело притягивали бы не только нижележащие массы, но
и вышележащие. Наконец, в самом центре Земли, если
ее считать строго сферической с равномерно распреде-
ленной плотностью, силы притяжения со всех сторон
уравновешиваются и сила тяжести отсутствует. Стало
быть, не будет и силы веса. Это случай так называемой
статической невесомости.
На поверхности Земли на любое тело действует сила
притяжения. Но Земля не неподвижна. Помимо движе-
ния вокруг Солнца, и вместе с ним, Земля вращается во-
круг своей оси.
Вместе с Землей вращаются все предметы, находя-
щиеся на ее поверхности и прижатые к ней силой притя-
жения. Но при криволинейном движении тела в соответ-
ствии с законом инерции возникает центробежная сила
инерции, действующая на связь данного тела с Землей.
109
Центробежная сила инерции направлена в плоскости
широт и равна
Р = или то)2/?,
4 R
где R — расстояние от оси вращения Земли до тела
(рис. 61).
Центробежная сила имеет максимальную величину
на экваторе. На полюсах она равна нулю. Но даже на эк-
Рис. 61. К объяснению природы силы тяжести:
/ — центробежная сила, 2 — сила тяготения; 3 — ско-
рость точки на поверхности Земли
ваторе величина ее по сравнению с силой притяжения
очень мала (составляет только 0,3%).
Разность между силой притяжения и центробежной
силой (а более строго — равнодействующая этих сил) на-
зывается силой тяжести.
Силу тяжести мы часто отождествляем с силой веса.
Но в принципе это разные понятия.
Весом называется сила, с которой тело под действием
силы тяжести давит на опору. Если же опору убрать, то
под действием силы тяжести тело начнет падать, ускоряя
свое движение. В этом случае тело не будет иметь веса,
оно станет невесомым. Опорой в вышеуказанном смысле
совершенно не обязательно должно быть твердое тело.
Опорой является вода для пловца и воздух для само-
лета. Больше того, для проявления эффекта веса даже
не обязательно наличие среды, окружающей тело и яв-
110
ляющейся опорой. Важно иметь силу реакции опоры, а
силу реакции может заменить наличие внешней силы, на-
пример тяга двигателя космического корабля.
Если говорят, что при свободном движении тела в
космическом пространстве оно не имеет силы тяжести,
то имеют в виду силу веса. Силу тяжести, обусловленную
притяжением Земли или других небесных тел и центро-
бежной силой при движении по криволинейной траекто-
рии, тело потерять не может. Всегда в той или иной сте-
пени небесные тела будут оказывать свое влияние на
тело, находящееся в космосе, и влиять на характер его
движения.
Сила тяжести сама по себе не ощущается, если на
тело не действуют другие силы, например, сила реакции
опоры или тяга двигателя. Это происходит потому, что
в этом случае будут отсутствовать силы взаимодействия
между клетками нашего тела. Сила тяжести будет дей-
ствовать на каждую клетку в соответствии с ее массой,
но между ними никаких сил воздействия не будет. Не бу-
дет и ощущения тяжести, тело будет невесомо.
Итак, силу тяжести мы не ощущаем, мы ничего «не
весим», если нет опоры (реакции опоры) или какой-либо
внешней силы, приложенной к телу.
Сила тяжести зависит от местонахождения тела на
поверхности Земли. Земля не является точно сфериче-
ской. На полюсах она немного приплюснута (радиус
Земли у экватора 6378 км, а на полюсах на 20 км мень-
ше), поэтому на полюсах и сила притяжения несколько
больше. Кроме того, по мере приближения к экватору
возрастает величина разгрузки от центробежной силы.
Таким образом, вес тепа на полюсе и на экваторе будет
различным. Тело, вес которого, например, в Москве
будет равен 1000 г, на экваторе будет весить 997 г, на
полюсе 1002 г.
Чтобы обнаружить эту разницу, взвешивание надо
производить на пружинных весах. Чашечные весы для
этой цели не годятся, так как вес гирь при перенесении
их на другую географическую широту будет меняться так
же, как изменяется вес любого другого тела.
С увеличением расстояния тела от земной поверхности
сила тяжести будет уменьшаться, но в пределах атмо-
сферы, пригодной для полетов самолетов (до 30—35 км),
это изменение не превышает 1%.
111
Если же расстояние будет изменяться в масштабе
земного радиуса, уменьшение силы тяжести будет очень
значительным. Так, на расстоянии одного радиуса от по-
верхности Земли сила тяжести уменьшится в 4 раза, а
на расстоянии трех радиусов — в 16 раз (рис. 62).
Рис. 62. Изменение величины силы тяже-
сти по мере удаления от земной поверх-
ности
Тело, покоящееся
на какой-либо опо-
ре, давит на нее с си-
лой, равной силе тя-
жести. Опора сопро-
тивляется и вызы-
вает реакцию, рав-
ную силе тяжести.
В любом элементе
тела будут иметь ме-
сто давления от силы
тяжести выше распо-
ложенных частей. Эти
д ав ле ния, сумми-
руясь, образуют си-
лу, давящую на
опору. Но если опору
убрать, то исчезнут
внутренние напряже-
ния в теле. Тело, ко-
нечно, начнет падать
под действием силы
тяжести, но внутри тела не будет напряжений, вызван-
ных тяжестью — исчезнет вес. Отсутствие внеш-
них сил (кроме силы тяжести), приложен-
ных к телу, характеризует состояние, не-
весомости, называемой в отличие от статической ди-
намической.
Состояние невесомости может быть следствием ряда
обстоятельств.
Жюль Верн в своем романе «Из пушки на Луну» на-
рисовал увлекательную картину межпланетного путеше-
ствия, допустив при этом, что вполне закономерно и про-
стительно, ряд просчетов. В частности, он считал, что со-
стояние невесомости наступит лишь в то время, когда
сила притяжения Земли будет равна силе притяжения
Луны и, таким образом, тело будет лишено действия
сил притяжения. Вместе с тем, для того чтобы ощутить
112
момент, когда силы притяжения уравновесятся, следо-
вало бы создать гипотетическую лестницу между Землей
и Луной (рис. 63). Сила тяжести по мере удаления от
Земли постепенно бы уменьшалась. Наконец, на рассто-
янии 346 400 км от Земли силы тяготения уравновесятся,
а при дальнейшем подъеме сила тяжести была бы на-
правлена к Луне (рис. 64).
Действительно, на расстоянии 346 400 км от Земли
создаются условия невесомости, но эта точка — чисто
ИЗ
математическое понятие *. В космическом Полете к
Луне эта точка замечена не будет, так как с момента
выключения двигателя ракеты в течение всего полета
при условии отсутствия сопротивления среды никаких
внешних сил (кроме силы тяжести) на ракету действо-
вать не будет — она и все в ней находящееся станет
невесомым.
Рис. 64. Взаимодействие полей тяготения Земли И Луны
Итак, всякое падение до тех пор, пока сопротивление
среды в связи с ростом скорости не окажет своего вли-
яния, характеризуется невесомостью. Так как в назем-
ных условиях нас во всех случаях окружает достаточно
плотная материальная среда и любое движение сопро-
вождается преодолением некоторого сопротивления этой
среды, невесомость, если и проявляется, то не абсолют-
ная и в течение очень короткого времени.
Возьмем, к примеру, прыжок парашютиста. Выпрыг-
нув из самолета, он попадает под поток воздуха, кото-
рый давит на тело с силой, иногда гораздо большей веса
* Невесомость в этом случае, как и при нахождении тела в
центре Земли, называется статической и характеризуется отсутст-
вием силы тяжести.
114
человека. О какой невесомости может в этом случае
идти речь? Даже при прыжке с аэростата состояние не-
весомости продлится только несколько секунд. Ведь под
действием силы тяжести скорость падения парашюти-
ста будет нарастать, появится сопротивление воздуха,
заметное уже на 3—4-й секунде. Достаточно сказать,
что через И —12 сек падения сопротивление воздуха пол-
ностью уравновесит силу тяжести и тело перестанет па-
дать ускоренно: скорость тела будет иметь постоянную
величину, равную скорости в момент наступления рав-
новесия. В этом случае воздух будет такой же опорой
парашютисту, какой является он для самолета и какой
служит вода для плота, лодки или корабля.
Однако для того чтобы воздух стал достаточной опо-
рой парашютисту, скорость его движения должна быть
соответствующей величины, например 42—48 м/сек у
земли.
Скоростные самолеты, летящие параллельно земной
поверхности, теряют часть своего веса благодаря цент-
робежной силе.
Выше мы говорили, что центробежная сила является
реальной для его связей, а не для самого тела. Как же
нереальная сила может изменить вполне реальную силу
тяготения? Оказывается, может. Все зависит от системы
отсчета, по отношению к которой мы рассматриваем
силы. Например, центробежная сила вращающегося ма-
ховика какой-либо машины не является внешней силой,
приложенной к этой машине. Но если мы систему от-
счета расположим на оси маховика, то по отношению к
ней центробежные силы являются вполне реальными.
Под действием этих сил может произойти разрушение
маховика и других вращающихся частей механизмов.
С полетом самолета или искусственного спутника Земли
дело обстоит несколько сложнее, но суть его та же.
Рассмотрим полет самолета параллельно земной по-
верхности, т. е. по окружности очень большого радиуса.
По отношению к Земле на самолет, кроме подъемной
силы, сопротивления, тяги двигателей и сил притяжения,
никаких внешних сил не действует, и движение само-
лета определяют только перечисленные силы. В данном
случае центробежная сила является фиктивной и не оп-
ределяет движение самолета. Вот если систему отсчета
мы расположим в центре тяжести самолета и заставим
115
ее двигаться вместе с самолетом по круговой траекто-
рии, тогда центробежная сила может считаться реаль-
ной, направленной против силы притяжения и умень-
шающей силу тяжести.
К примеру рассмотрим полет искусственного спут-
ника Земли по круговой орбите. На него действует
только сила притяжения Земли, под действием которой
спутник искривляет траекторию своего полета и стре-
мится упасть на Землю. Но скорость спутника вдоль
поверхности Земли такова, что, падая, он не успевает
приблизиться к поверхности Земли и поэтому его тра-
ектория представляет окружность, или в общем слу-
чае — эллипс. Если же рассматривать спутник и силы,
действующие на него по отношению к системе отсчета,
связанной с ним и двигающейся по круговой орбите,
тогда, кроме силы притяжения, на него будет действо-
вать и центробежная сила, уравновешивающая силу
притяжения. Итак, по отношению к системе отсчета, свя-
занной со спутником, силы, действующие на него (вклю-
чая в этом случае и центробежную силу), будут урав-
новешены.
Определим, как изменится вес самолета и его частей
в зависимости от скорости полета. Для этого вычислим
отношение веса самолета в полете к весу его на земле:
Go G] — Рц ___ । _ Рц
Gi Gi Gx
где Gi — вес самолета на земле;
G2 — вес самолета в полете;
Рц — центробежная сила, действующая па самолет
mI/2
в полете и равная"
Подставив вместо Рц его выражение и помня, что
Gi — mg, получим
-^- = 1 _ _^=1 — ±1 . (18)
Gj Rmg gR
Например, при скорости полета 278 м/сек
(1000 км/час), считая радиусом траектории радиус Зем-
ли, получим
= !-------— = i _ о,012 = 0,988.
Gi 9,81-6 378 000
116
Самолет потеряет, таким образом, около 0,1% своего
веса, что не имеет практического значения. При скоро-
сти самолета 1000 mJ сек имеет место существенное
уменьшение веса, сказывающееся на увеличении даль-
ности полета. Если скорость летательного аппарата бу-
дет равна 4000 м/сек, то его вес уменьшится на 4/4» а
при скорости около 5500 м/сек — вдвое!
Рис. 65. Уравновешивание силы тяжести центро-
бежной силой:
Рц — центробежная сила; v — круговая скорость;
G — сила тяжести
По мере дальнейшего увеличения скорости вес тела
будет уменьшаться, а при скорости около 7910 м/сек
(29 000 км/час) станет равным нулю:
«= = 1_______2^— --,1-1=0.
Gx 9,81-6 378 000
Как известно, такая скорость движения тела назы-
вается круговой, так как траектория тела в этом слу-
чае представляет собой окружность. Тело, движущееся
с круговой скоростью, уже не упадет на Землю. Оно пре-
вратится в искусственный спутник Земли (рис. 65). Кру*
говые скорости по мере увеличения высоты над Землей
уменьшаются, так как уменьшается сила притяжения.
117
Круговая скорость на уровне поверхности Земли назы-
вается первой космической скоростью.
Значения круговой скорости для разных высот при-
ведены в табл. 6.
Таблица 6
Высота, км . . . ° 1 500 1000 2000 5000 10 000 35 870
Круговая ско- рость, м/сек . . 7909 7617 7354 6901 5921- 4935 3072
Интересно отметить, что при высоте круговой ор-
биты над поверхностью Земли 35870 км период обраще-
ния спутника вокруг Земли составит ровно 24 часа, т. е.
равен периоду обращения Земли вокруг своей оси.
Спутник, запущенный в восточном направлении и вы-
шедший на круговую орбиту, лежащую в плоскости эк-
ватора на высоте 35 870 км, находился бы, таким обра-
зом, все время над одной и той же точкой земной по-
верхности.
Если скорость тела будет превышать круговую ско-
рость для данной высоты, то тело будет совершать полет
не по круговой, а по эллиптической орбите (рис. 3). Один
из фокусов этого эллипса совмещен с центром Земли.
Точка траектории, максимально приближенная к поверх-
ности Земли, называется перигеем, а максимально уда-
ленная — апогеем. Скорость движения по эллиптиче-
ской траектории непрерывно меняется: в перигее она
максимальная, а в апогее — минимальная.
На высоте полета искусственных спутников сопро-
тивление их движению почти полностью отсутствует. По-
этому их полет происходит без затраты энергии очень
длительное время. Так, уже первый советский искусст-
венный спутник просуществовав 93 суток и выполнив
1400 оборотов вокруг Земли, пролетел около 60 миллио-
нов километров! Все это время спутник практически на-
ходился в состоянии невесомости. Практически потому,
что некоторое сопротивление своему движению он все-
таки испытывал. Это сопротивление составляло только
тысячные доли грамма, что и позволило спутнику без
затраты энергии (помимо необходимой для вывода на
118
орбиту) пролететь такое большое расстояние. Таким об-
разом, невесомость в этом случае не была абсолютной,
но практически могла считаться такой.
При движении по орбитам, находящимся выше
2500—3000 км над земной поверхностью, где нет и сле-
дов земной атмосферы, движение запущенного спутника
будет вечным, а состояние невесомости — абсолютным.
Но вернемся к определению веса тела. Как известно,
сила веса выражается формулой
G = mg,
где т — масса тела;
g— ускорение свободного падения.
Эта формула справедлива для случая, когда тело на-
ходится только в поле действия силы тяжести и никакие
ускорения на него не действуют. В формулу, выражаю-
щую величину силы веса, следовало бы в общем виде
вместо члена g ввести сумму ускорений, действующих
на тело по вертикальной оси. Но так как любое уско-
рение всегда есть следствие действия силы, удобнее вес
тела выразить через действующие на него силы.
Такой силой в обычных земных условиях является
реакция опоры тела против падения — будь то пол,
стул, земля, вода или воздух.
В общем случае, если на тело массой М действует
суммарная сила SP, вес элемента тела с массой т бу-
дет равен
Gm=^ZP. (19)
Например, если самолет на стоянке весит 80 т, а лет-
чик 80 кг, то отношение масс будет равно отношению
весов, т. е.
При подъемной силе самолета SP = 120 г, вполне
возможной при криволинейном полете, вес летчика со-
ставит
G = 0,001 • 120000=120 кг.
Для наземных условий это кажется парадоксальным,
но направление силы веса обратно направлению реак-
119
Цйй, Независимо от «низа» и «верха». Так как в обыден-
ной жизни мы редко сталкиваемся с силами, соизмери-
мыми с силой тяжести, то плохо представляем, что вес
может быть направлен, например, не вниз, а вперед.
Такой случай нам представляется в мчащемся авто-
бусе, если он резко затормозит.
Суммарная внешняя сила будет результирующей ре-
акции силы тяжести и силы, вызвавшей торможение и
распределенной между всеми телами, участвующими в
движении, в соответствии с их массой. По закону меха-
Рис. 66. Изменение величины и направления силы веса тела при
приложении к нему внешней силы
ники сила действия равна по величине силе противо-
действия (инерции), направленной в противоположную
сторону. Вместо реальных сил можно рассматривать
фиктивные силы, силы инерции. Как видно из рис. 66,
результирующая силы тяжести и силы инерции прохо-
дит далеко за ступнями стоящего человека, что может
вызвать его падение, если он не выставит ногу вперед
и не удержится руками.
В условиях космоса при отсутствии внешних сил
вес, как известно, исчезнет, а в случае наличия тяги
двигателя или сопротивления среды вес появится; при
этом его величина и направление могут быть самыми
разнообразными.
Рассмотрим для примера ощущения пассажира на
космическом корабле при полете вокруг Земли. Для
простоты представим себе двухступенчатую ракету.
120
15<
Сила сопр
I тивления
’ G-6-1QC.
Сила тяги
Рис. 67. Изменение веса при полете на ракете:
1 — вектор веса человека; а — начало подъема; б — конец активного участка первой ступени;
6 — полет ракеты с выключенным двигателем первой ступени; а — начало активного участка
второй ступени; д — поворот ракеты наклоном тяги; е — движение ракеты по наклонной тра-
ектории; ж — отключение двигателей второй ступени; з — вход ракеты в плотные слои
атмосферы
В момент взлета по вертикали вверх (рис. 67, а) ра-
кета полностью заполнена топливом и поэтому движется
со сравнительно малым ускорением. По мере выгорания
топлива ускорение будет увеличиваться, космонавты бу-
дут ощущать все больший и больший вес своего тела
(рис. 67,6). Поскольку ракета движется вертикально
вверх и силы инерции по направлению совпадают с на-
правлением силы тяжести, ощущения «верха» и «низа»
будут соответствовать их действительному положению.
Когда сгорит все топливо первой ступени и двига-
тель перестанет создавать тягу, на ракету будет дейст-
вовать только небольшое сопротивление разреженного
воздуха (направленного сверху вниз), создающего
незначительную силу веса, направленную к потолку, ко-
торый в этом случае станет «низом» (рис. 67, в). При
запуске двигателя второй ступени снова появится нор-
мальное ощущение тяжести, увеличивающееся стечением
времени (рис. 67,г). При управлении ракетой, напри-
мер при ее повороте, тяга двигателя будет некоторое
время направлена в сторону. Соответственно повернется
и направление силы веса (рис. 67, д). При движении
ракеты с работающими двигателями по траектории, на-
клоненной к Земле (рис. 67, е), ощущение тяжести по-
прежнему будет нормальным, т. е она будет направлена
к полу кабины, а земная поверхность покажется на-
клонной. С момента отключения двигателей (рис. 67, ж),
если ракета будет находиться достаточно высоко и со-
противление среды будет отсутствовать, внезапно насту-
пит состояние невесомости. Такое состояние будет про-
должаться до тех пор, пока снова не заработают дви-
гатели или ракета не встретит сопротивления атмос-
феры при приближении к Земле.
Если ракета запускается в не очень высокие слои
атмосферы, то какая-то небольшая сила сопротивления
среды останется. Благодаря ей все тела, свободно пла-
вавшие в кабине в условиях полной невесомости, станут
медленно двигаться к стенке, направленной по движе-
нию ракеты, и слабо к ней прижиматься. Под действием
даже незначительного сопротивления высота полета ра-
кеты будет постепенно уменьшаться, а траектория дви-
жения походить на спираль, все круче и круче склоняю-
щуюся к земной поверхности (рис. 68). При подходе к
сравнительно плотным слоям атмосферы (ниже 50 км
122
Рис. 68. Изменение формы орбиты ракеты по времени:
П — начальное положение перигея орбиты; А — начальное поло-
жение апогея орбиты
от поверхности Земли) произойдет резкое нарастание
сопротивления движению. Если ракета будет двигаться
к Земле носовой частью (рис. 67, з), то сопротивление
воздуха Q создаст ощущение силы тяжести, направлен-
ной «вверх» по отношению к ракете, т. е. к ее потолку.
2. Искусственное создание невесомости
Проблемы невесомости, этого непременного спутника
любого космического полета, в значительной степени по-
лучили освещение в результате исторических полетов пер-
вых советских космонавтов Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова.
В земных условиях возможно проведение ряда экспери-
ментов по исследованию невесомости с помощью обыкно-
венного самолета. Чем больше скорость полета самолета,
тем в течение более длительного времени сможет наблю-
9*
123
даться состояние невесомости. Если регулировкой тяги
двигателя уравновесить сопротивление самолета, а угол
атаки уменьшить до такой степени, чтобы подъемная сила
самолета стала равной нулю, наступит состояние неве-
сомости. Движение самолета будет подобно движению
тела в пустоте и определится только силой тяжести.
Вертикальная скорость движения самолета будет изме-
няться на 9,81 м/сек за каждую секунду, поэтому чтобы
увеличить продолжительность такого полета, начинать
Рис. 69. Схема полета самолета в состоянии невесомости:
а — вход в режим невесомости; б — выход из режима невесомости
его надо, разогнав самолет и направив его вверх. Как
известно, движение тела, определяемое только силой тя-
жести, происходит по параболе. Если учитывать кри-
визну земной поверхности и изменение силы тяжести с
высотой, эта траектория будет эллиптической.
Итак, если, выйдя на крутой набор высоты в точке а
(рис. 69), уравновесить сопротивление самолета тягой
двигателя и соответствующим движением руля высоты
устранить подъемную силу, наступит состояние невесо-
мости, и самолет будет двигаться, как брошенное в пу-
стоте тело. Невесомость будет продолжаться до тех пор,
пока самолет не вернется на исходную высоту (точ-
ка б). Падать ниже (это именно падение, а не полет)
нецелесообразно из-за возможного чрезмерного увели-
чения скорости.
Продолжительность состояния невесомости легко
вывести из следующих соображений. Если скорость са-
молета в точке а (рис. 69) будет V, то вертикальная со-
ставляющая скорости Vy=IZ sin 9. До вершины пара-
124
болы подъем самолета будет продолжаться в течение
времени
Такое же время уйдет и на спуск до точки б. Таким
образом, состояние невесомости будет продолжаться в
течение времени
t = 2tt=2 — = 2 (20)
<7 Cf
t>
Судя по этой формуле, с увеличением угла 0 состоя-
ние невесомости по времени должно увеличиваться. Но
при очень крутом подъеме произойдет нежелательное
понижение скорости, кроме того, на вершине траектории
произойдет слишком быстрый поворот самолета, при
котором будет трудно выдержать условие: Y = 0 и
Р = Q.
Оптимальный начальный угол подъема нужно ожи-
дать в пределах 45—65°. Приняв 0 = 55°, получим
/ 2V sinO 2;0,82 у _ q jgy у
g 9,81
Задаваясь разными скоростями, получим значения
продолжительности искусственно создаваемой невесомо-
сти в зависимости от скорости полета самолета
(табл. 7).
Т а б л и ц а 7
V i м/сек 1 100 200 300 400 500 750 2700 1000 3600
, км/час 1 360 720 1080 1410 1800
Продолжитель- ность невесомо- сти, мин • -сек 0.17 0.33 0.50 1.07 1.23 2.05 2.47
Во избежание нарушения состояния невесомости сле-
дует использовать специальный автопилот, сохраняющий
подъемную силу самолета, равную пулю, и регулирую-
щий тягу двигателя так, чтобы она была точно равна
сопротивлению самолета.
125
Еще большую продолжительность сохранения состоя-
ния невесомости можно получить, посылая ракету в
верхние слои атмосферы. Этот вариант осуществить
легче, чем выполнение полета на корабле-спутнике, так
как средства возвращения на Землю (например, спе-
циальные парашюты) можно включить в любой момент
на нисходящей ветви траектории, пока скорость паде-
ния не станет чрезмерно большой.
Так, учитывая сопротивление среды коэффициентом
0,9 и при вертикальном старте получим
t — 2 • 0,9 — = 0,182V.
ё
При конечной скорости ракеты на активном участке,
равной 2000, 3000 и 5000 м!сек, получим продолжитель-
ность состояния невесомости соответственно 6, 9 и
15 мин.
3. Организм и невесомость
Характеризуя явление невесомости, К. Э. Циолков-
ский писал: «Все неприкрепленные к ракете предметы
сошли со своих мест и висят в воздухе, ни к чему не
прикасаясь; а если они касаются, то не производят дав-
ления друг на друга или на опору. Сами мы также не
касаемся пола и принимаем любое положение и направ-
ление: стоим и на полу, и на потолке, и на стене; стоим
перпендикулярно и наклонно; плаваем в середине ра-
кеты, как рыбы, но без усилий и ни к чему не касаясь;
ни один предмет не давит на другой, если их не прижи-
мать друг к другу». Если учесть, что все вышеописан-
ное К. Э. Циолковским относится к периоду, когда не
было никаких попыток экспериментального изучения
явлений невесомости, нельзя не удивляться столь досто-
верному изложению существа вопроса.
Необходимо отметить, что среди различных описаний
явлений невесомости иногда указывается, что при этом
окажется возможным легко и быстро перемещать какие
угодно тяжелые, по земным представлениям, предметы.
Для оценки подобных утверждений следует учесть, что
потеря веса не равнозначна утрате массы тела. Поэтому
инертность тел, связанная с их массой, сохранится и в
условиях невесомости. Отсюда следует, что чем больше
126
будет масса тел, тем будет труднее преодолевать их
инерцию. Конечно, исчезновение веса тела снизит необ-
ходимые усилия для перемещения предметов в условиях
невесомости, однако далеко не полностью.
Невесомость окружающих предметов, жидкостей, га-
зов потребует многих приспособлений для облегчения
деятельности человека в подобных условиях. Как отра-
зится невесомость на состоянии организма, на его функ-
циях? Этот вопрос лишь сравнительно недавно стал
предметом систематических исследований.
Для того чтобы ответить на поставленный выше во-
прос, следует вначале обратиться к историческому про-
цессу развития живой материи, включая сюда животный
и растительный мир. Отрицательное влияние тяжести,
по-видимому, послужило основной причиной вымирания
на Земле бронтозавров, птицеящеров и других доистори-
ческих животных. Среди существующих видов животных
в подавляющем большинстве случаев голова находится
почти на одном уровне с сердцем. Подобное условие
значительно облегчает работу сердца по кровоснабже-
нию головного мозга. Одним из исключений из приве-
денного здесь правила является жираф. Голова жирафа
из-за длинной шеи находится на большом удалении от
сердца. Лишь в недавнее время удалось выяснить, что
нормальные условия кровообращения в головном мозгу
жирафа создаются благодаря тому, что его кровеносные
сосуды резко отличаются от сосудов других животных.
Стенки кровеносных сосудов жирафа чрезвычайно бо-
гаты мышечной тканью и поэтому являются дополни-
тельным прибором, участвующим в поддержании давле-
ния крови на нужном уровне.
Не все животные приспособлены к сохранению нор-
мального кровообращения в головном мозгу при изме-
нении положения тела. Так, если кролика подержать
некоторое время в вертикальном положении, то вслед-
ствие недостаточного кровообращения в мозгу он впа-
дет в обморочное состояние.
Развитие человека, особенно в раннем возрасте, во
многом связано с выработкой и закреплением рефлек-
сов, направленных на преодоление силы тяжести.
В период, когда ребенок учится сидеть, ползать на
четвереньках, стоять, делать первые неуверенные еще
шаги, он по существу овладевает приемами преодоления
127
силы тяжести. И в дальнейшем, при освоении любых
трудовых навыков, человек в той или иной степени
учится выполнять необходимые движения на фоне по-
стоянно действующей силы тяжести с учетом ее влия-
ния.
Действия силы тяжести на организм в повседневной
жизни мы обычно не замечаем. Лишь очень небольшая
часть людей испытывает неприятные ощущения от дей-
ствия силы тяжести, проявляемой в неблагоприятных
для них условиях. Речь идет о людях, которые не выдер-
живают длительного стояния, некоторые даже теряют
сознание в подобных случаях; у других возникают ана-
логичные состояния при вставании после длительного
постельного режима. За этими исключениями, несмотря
на постоянное влияние силы тяжести на все функции
организма, организм человека достаточно хорошо при-
способлен к компенсации подобного влияния.
Влияние земного притяжения достаточно отчетливо
ощущается при выходе человека из воды, после плава-
ния. Выходя па берег, человек ощущает как бы увели-
чение своего веса — для поддержания тела приходится
делать больше усилий, чем в воде. Это объясняется тем,
что по закону Архимеда в воде уменьшается вес нашего
тела. Последнее вызывает перестройку нервно-мышеч-
ных механизмов, устанавливающих степень мышечных
усилий, необходимых для поддержания тела в воде. Эти
усилия становятся меньшими. Но как только человек
выходит из воды, вес тела становится обычным и преж-
них мышечных усилий для удержания тела оказывается
недостаточно. Правда, в таком состоянии человек нахо-
дится очень недолго, оно исчезает буквально с первыми
шагами. Происходящая в этот период новая перестройка
центральных нервно-мышечных механизмов снова уста-
навливает присущее данному человеку соотношение
между весом его тела и мышечными усилиями, необхо-
димыми для его удержания в нужном положении.
В приспособлении человека к действию земного при-
тяжения легко убедиться на примере стойки на руках
или повисании на турнике вниз головой. Подобные со-
стояния не выносятся людьми длительное время, если
они специально не тренированы.
Еще задолго до появления возможностей изучения
влияния невесомости на организм с помощью опытов на
128
ракетах за руоежом производились опыты на скоростных
лифтах, выполнялись полеты на самолетах по специальной
траектории, изучалось поведение испытуемых в воде.
На основании этих опытов установлено, что при бы-
стром опускании скоростного лифта может возникнуть
почти полная невесомость продолжительностью 1—2 сек.
При этом было установлено, что испытуемые, имея в
руке груз, не в состоянии помешать отклонению руки
вверх во время уменьшения веса, возникающего в мо-
мент быстрого опускания лифта (рис. 70). Если испы-
Рис. 70. к объяснению опытов в лифте. Схема устройства для ре-
гистрации отклонений в положении руки в момент перехода
к невесомости:
а — датчики отклонений; б — фиксация датчиков на руке
туемые в момент частичной невесомости оказывались в
согнутом положении, то они непроизвольно выпрямля-
лись. Лишь после перехода лифта в нормальный режим
движения испытуемые занимали исходное положение
(рис. 71).
Объяснением приведенных здесь отклонений в мы-
шечных реакциях может служить следующее. Удержа-
ние груза в вытянутой руке требует определенных уси-
лий мышц, получающих сигналы на растяжение их гру-
зом. В момент, когда вес груза уменьшается (из-за
явлений частичной невесомости), установленные в ис-
ходном положении мышечные усилия оказываются из-
лишними. Они вследствие снижения веса груза подни-
мают вверх руку, держащую груз. Так как этот процесс
совершается автоматически, человек не успевает свое-
временно корректировать изменение позы после того,
как он обнаружил отклонение. Аналогичное положение
имеет место и в случае сгибания корпуса в тазобедрен-
ных суставах, когда мышцы спины распрямляют корпус
тела в момент его частичной невесомости.
129
Приведенные здесь некоторые результаты опытов мо-
гут иметь практическое значение с точки зрения конст-
руктивного оформления рычагов управления в кабинах
космических летательных аппаратов. В случаях пере-
хода к частичной или полной невесомости не приходится
рассчитывать на точность движений космонавтов, если
в подобных движениях вес будет иметь решающее зна-
чение.
Рис. 71. Схематическое изображение положений испы-
туемого в опытах. Пунктиром показана поза перед воз-
никновением невесомости. Испытуемый стоит на при-
боре, регистрирующем положение его центра тяжести
Изучение влияния на организм невесомости методом
погружения человека в воду, удельный вес которой
примерно равен удельному весу человеческого тела,
лишь частично отвечает задаче подобных исследований.
Удельный вес отдельных органов и тканей человека зна-
чительно отличается от среднего удельного веса тела.
Для иллюстрации рассмотрим следующий опыт. Возь-
мем бутылку, насыпем в нее такое количество дроби,
чтобы закрытая пробкой бутылка уравновесилась в воде,
заняв промежуточное положение между дном и поверх-
ностью воды. В этом случае вся система (бутылка,
дробь, воздух) будет иметь одинаковый удельный вес с
окружающей водой. Однако дробь внутри бутылки бу-
дет лежать внизу, что свидетельствует о наличии веса
130
у дроби. Если же бутылку с дробью поместить в усло-
вия подлинной невесомости (например, в ракете), в этом
случае дробь будет равномерно распределена во всей
бутылке.
Приведенные выше примеры позволяют понять отно-
сительность условий погружения человека в воду для
изучения явлений невесомости. Внутренние органы и
ткани с удельным весом, превышающим средний удель-
ный вес всего тела, будут оказывать давление друг на
друга, чего при невесомости не бывает.
Несмотря на указанные выше недостатки, метод по-
гружения человека в воду для изучения явлений невесо-
мости до настоящего времени находит применение в ис-
следованиях. Этим методом удается получить данные,
имеющие определенный научный интерес.
Так, погружая человека в воду и завязывая ему
глаза, добиваются почти полного исчезновения ощуще-
ния веса и прекращения зрительной информации. Разу-
меется, что дыхание человека в таких опытах обеспечи-
вается с помощью приборов, подающих в легкие воздух
через маску. При медленном перемещении испытуемого
в воде последний теряет способность определения своего
пространственного положения. В некоторых опытах по-
добного характера ошибка в определении истинного по-
ложения тела по отношению к вертикали достигала
весьма значительных величин.
Наиболее распространенным в настоящее время спо-
собом создания невесомости является использование для
этой цели самолета. При движении самолета по верти-
кальной параболе все находящееся в самолете стано-
вится невесомым.
Первые опыты подобного рода были проделаны на
животных. Так, в опытах с черепахами были получены
весьма интересные данные. Черепахи во время опытов
находились в воде. Таким образом, можно было изу-
чать их движения в трех взаимно-перпендикулярных
плоскостях пространства. В качестве испытания приме-
нялось кормление черепах кусочками пищи. В обычном
состоянии черепахи схватывали пищу из любого поло-
жения. При возникновении невесомости точность дви-
жений черепах резко снизилась, они стали промахи-
ваться. Как только состояние невесомости заканчива-
лось, черепахи вновь приобретали способность
131
Рис. 72. Опыт в самолете во время невесомости. Испытуемый
пытается поднести ко рту стакан с водой. От рук видны
провода, идущие к прибору для регистрации сердечной дея-
тельности (фото И. Дворжака)
безошибочно схватывать пищу при любом положении
тела.
Производились и другие опыты с черепахами. На-
пример, у одной черепахи был удален вестибулярный
аппарат. Оказалось, что расстройство движений, вы-
званное отсутствием сигналов из вестибулярного аппа-
рата, в условиях невесомости через некоторое время
прекращалось и черепаха по-прежнему захватывала
пищу при любом положении тела.
В данном случае отсутствие сигналов от вестибуляр-
ного аппарата было компенсировано у черепахи допол-
нительной нагрузкой на зрение.
Рассмотренный опыт с черепахой позволяет сделать
следующий вывод: в условиях невесомости с помощью
зрительной информации можно компенсировать выпаде-
ние функций вестибулярного аппарата. Однако подобная
компенсация небезгранична. Об этом будет рассказано
ниже.
132
Рис. 73. Общий вид опыта с воспроизведением невесомости
в полете. Испытуемый находится вверху, пытаясь удержаться
за спинку кресла. Остальные участники опыта привязаны
к сиденьям (фото И. Дворжака)
В опытах на кошках во время невесомости проверя-
лось действие прирожденных (безусловных) рефлексов.
Как известно, если кошку сбросить с небольшой вы-
соты лапами вверх, за время падения она успевает пере-
вернуться лапами вниз. Подобное явление носит назва-
ние рефлекса выпрямления. Любопытным оказался сле-
дующий факт. Если кошку выпустить из рук во время
невесомости, то указанного рефлекторного акта не на-
блюдается, так как отсутствуют вес и сигналы от вести-
булярного аппарата.
В исследованиях поведения человека в условиях не-
весомости (рис. 72—74) к настоящему времени накоп-
лено большое количество важных сведений.
Прежде всего следует отметить, что далеко не все
люди одинаково переносят состояние невесомости. Так,
133
Рис. 74. Испытуемый выполняет задание во время невесомости.
Экспериментатор (справа) дает задачу испытуемому через
микрофон
примерно третья часть испытуемых болезненно реаги-
рует на невесомость. У них возникает чувство непре-
рывного падения, они теряют способность к ориентиров-
ке положения в пространстве, часть из них проявляет
признаки морской болезни. Около половины испытуе-
мых, наоборот, во время невесомости ощущают приятное
возбуждение, что проявляется в заметном оживлении
речи, мимики, жестикуляции.
Наконец, небольшая часть испытуемых вообще не
проявляет каких-либо отклонений от нормы в период
испытаний в условиях невесомости. Именно эта группа
людей является наиболее подходящей для отбора кан-
дидатов в космонавты.
В опытных полетах также установлено, что, если
испытуемый привязан ремнями к креслу, у него почти
не возникает нарушений пространственной ориенти-
ровки.
134
Многократными опытами подтверждена возможность
организма к компенсации нарушений в движениях, про-
являющихся во время невесомости. После нескольких
пребываний в состоянии невесомости испытуемые посте-
пенно приучались выполнять заданные движения с необ-
ходимой точностью. Так, например, испытуемому стави-
лась задача вписывать крестики в семь квадратов на
листе бумаги. Квадраты размещались на бумаге по диа-
гонали, слева сверху, направо вниз. Результаты опы-
тов показали, что при воздействии ускорений размеще-
ние крестиков в квадратах, хотя было делом трудным,
но практически выполнимым. Однако, как только воз-
никала невесомость, вписывание крестиков сильно
усложнялось, а при завязанных глазах подобная работа
выполнялась с большими ошибками, т. е. после вписы-
вания третьего крестика, последующие перемещались
Рис. 75. Результаты опытов по вписыванию крестиков
в квадраты в условиях невесомости
после нескольких тренировочных полетов в условиях не-
весомости испытуемые научились более правильно впи-
сывать крестики в квадраты. Этот факт свидетельствует
о необходимости проведения систематических трениро-
вок при подготовке космонавтов.
Для понимания механизмов нарушения движений
человека в условиях невесомости следует учитывать за-
висимость между утратой веса и остающейся инерцией
массы руки. Так, при подъеме руки с помощью мышеч-
ных усилий человек преодолевает не только вес руки,
но и инерцию массы руки. В условиях невесомости,
когда исчезает ощущение веса, человеку для поднятия
руки потребуются лишь незначительные усилия для
преодоления ее инерции. Однако из-за отсутствия у че-
ловека практики к подобным условиям и отсутствия
необходимой информации в мозг от нервных образова-
135
ний, сигнализирующих о весе, движения человека в ус-
ловиях невесомости становятся более размашистыми.
Для коррекции этих движений человеку требуется более
повышенный уровень контроля со стороны зрения и
повышенное нервное напряжение. Опыты показывают,
что натренированный организм человека в состоянии
преодолеть указанные трудности.
Для облегчения жизни на космическом корабле вы-
сказано много проектов, направленных на снижение
влияния невесомости. Так, предлагается применить
Рис. 76. Космическая «внешняя» станция с оранжереей
по проекту К- Э. Циолковского в разрезе:
1—оранжерея; 2 — жилые помещения и лаборатории; 3 — пере-
ходы; 4 — вспомогательные помещения; 5 — воздушный тамбур.
Осевая линия показывает ось, вращение вокруг которой обеспечи-
вает создание на станции искусственной тяжести
обувь с железной подошвой и специальный «магнитный»
пол. Конечно, для передвижения в таких условиях че-
ловеку также потребуется подготовка, иначе его шаги
будут нарушенными, необычными.
К. Э. Циолковский предлагал снизить действие неве-
сомости путем ее перевода в частичную. С этой целью
им предлагалось создание искусственного веса с по-
мощью вращения кабины космического корабля вокруг
оси, лежащей за пределами корабля (рис. 76). В на-
стоящее время опубликовано несколько проектов в раз-
витие данного предположения К. Э. Циолковского. В них
предусматривается такая скорость вращения кабины
космического корабля, которая не вызовет неприятных
последствий благодаря воздействию угловых ускорений.
136
Развивающаяся при вращении кабины центробежная
сила вызовет появление некоторой части веса, невесо-
мость станет неполной, частичной. Надо полагать, что
подобная борьба с влияние^м невесомости может стать ре-
альной лишь при организации длительных космических
полетов, рассчитанных на многие месяцы или даже годы
нахождения космонавтов в пути.
4. Ускорения и невесомость в космических
полетах
Влияние на организм ускорений и невесомости при-
менительно к космическим полетам имеет свое специфи-
ческое проявление. Дело в том, что в космических по-
летах ускорения и невесомость чередуются в своем воз-
действии на организм. При этом влияние одного из
данных факторов происходит после длительного воз-
действия другого. Так, при старте ракеты на организм
воздействуют ускорения, продолжающиеся в течение не-
скольких минут, сменяемые в дальнейшем состоянием
невесомости.
При возвращении ракеты на Землю организм после
длительного нахождения в состоянии невесомости попа-
дает под воздействие ускорений, возникающих при тор-
можении ракеты в плотных слоях атмосферы.
При осуществлении длительных космических поле-
тов необходимость внесения поправок в траекторию по-
летов неизбежно увеличит частоту чередования периодов
воздействия на организм ускорений и невесомости.
Экспериментальными исследованиями установлено
следующее: если у человека под воздействием ускорения
возникает нарушение зрения («черная пелена»), то про-
должительность таких нарушений увеличивается, когда
после ускорения следует период невесомости. Одновре-
менно при тех же условиях затягивается и период на-
рушения ориентировки в пространстве после прекраще-
ния действия ускорения. Эти явления объясняются тем,
что для восстановления функций организма, нарушенных
ускорением, наиболее благоприятным фоном служит
возвращение к привычным условиям, но не к невесомо-
сти. Последняя сама по себе является условием, тре-
бующим приспособления функций организма.
10 Зак. 1393
137
Все эти вопросы составляют хотя и небольшую, но
очень важную часть общей проблемы обеспечения нор-
мальной жизнедеятельности человеческого организма в
условиях космического полета. В этом отношении неоце-
нимые услуги человеку оказывают собаки. Ценные
материалы дают наблюдения и над другими животными,
побывавшими в космосе (рис. 77).
Рис. 77. «Экипаж» одной из ракет после возвращения на Землю
Как известно, после старта ракеты, в период инерци-
онного движения головной части ракеты с находящимися
в ней животными, невесомость продолжается в течение
нескольких минут. В этот период с помощью автомати-
ческих приборов у животных регистрируются некоторые
основные показатели, характеризующие жизнедеятель-
ность организма: частота сердечных сокращений и дыха-
ния, величина артериального давления и т. п.
На основании многочисленных опытов было установ-
лено, что в период кратковременной невесомости у жи-
вотных отмечается небольшое урежение частоты сердеч-
ных сокращений и некоторое уменьшение артериального
давления. Других более или менее заметных отклонений
в функциях организма отмечено не было.
Первым наиболее выдающимся экспериментом, со-
здавшим условия длительного воздействия на организм
невесомости, был запуск второго искусственного спут-
13§
пика Земли, на борту которого находился герметический
контейнер с первым «космонавтом» — собакой Лайка.
В период полета Лайки у нее регистрировался доста-
точно большой и разносторонний комплекс физиологи-
ческих функций: пульс, дыхание, биотоки сердечной
мышцы, артериальное давление, ее движения и т. д.
В герметическом контейнере, где находилось живот-
ное, поддерживался необходимый режим давления, тем-
пературы, влажности воздуха.
Как известно, с начала старта у Лайки участилось
дыхание и увеличилась частота сердечных сокращений.
Подобные сдвиги в функциях организма являются за-
кономерными в ответ на воздействие ускорений. В даль-
нейшем в условиях длительной невесомости (полет
Лайки продолжался несколько суток) указанные выше
показатели функций организма стали нормализоваться,
т. е. приближаться к исходным величинам. Анализ био-
токов сердечной мышцы, зарегистрированных в период
невесомости, не обнаружил каких-либо существенных
отклонений от нормы.
Однако переданные со второго искусственного спут-
ника Земли на землю показания приборов, хотя и были
ценными для науки, но они не могли ответить на многие
вопросы. В частности, как влияют сильная перегрузка
и условия невесомости на состояние животного и коор-
динацию его движений.
Запуском второго советского космического корабля
(19.8.60) с собаками Белка и Стрелка (рис. 78 и 79) и
другими живыми существами был сделан новый круп-
ный шаг вперед. Впервые в историй из космоса были пе-
реданы не только показания приборов, но и непосредст-
венное изображение того, что происходило в кабине кос-
мического корабля.
Передача телевизионных изображений из космоса —
это огромная победа советской науки и техники. Теле-
визионные фильмы, полученные в результате полета вто-
рого корабля-спутника имеют большое научное значе-
ние. Вот что рассказывают те, кому посчастливилось не-
посредственно наблюдать на экранах телевизионную
передачу из космоса. «В момент старта собаки насторо-
женно и недоуменно смотрели в днище кабины. Что
за непривычный шум? Первые секунды полета; собаки
забеспокоились, заметались. По мере ускорения движе-
10*
139
ния корабля постепенно их прижимала к днищу возра-
стающая сила тяжести. Стрелка, упираясь лапами, пы-
талась сопротивляться, тревожно поглядывая по сторо-
нам. Потом животные замерли. Корабль вышел на ор-
биту. После больших перегрузок пришло состояние не-
весомости. Собаки «повисли» в кабине. Лапы и головы
их были расслаблены, опущены, и на первый взгляд жп-
Рис. 78. Собака Белка после возвращения
из космического рейса
вотные казались безжизненными. Не могу скрыть, мы
сильно волновались в эти минуты. Только показание те-
леметрической системы успокаивало: пульс и дыхание у
наших путешественниц постепенно восстанавливались.
Значит, животные просто отдыхали после «волнений»
взлета и осваивались с новыми, столь непривычными
ощущениями. Постепенно они стали поднимать головы,
двигать лапами. Все необычно — не так просто упра-
виться с собственными лапами в этих странных усло-
виях. Белка даже рассердилась и начала лаять. Но ко
всему привыкаешь. Привыкли к невесомости и живот-
140
пые. Они... начали есть. Кстати, автоматически откры-
лась кормушка. Невесомость невесомостью, а кушать
все равно надо.
Белка и Стрелка приступили к первому космиче-
скому завтраку. Потом на протяжении полета порой они
Рис. 79. Собака Стрелка после возвращения
из космического рейса
вновь начинали беспокоиться, но постепенно осваива-
лись...» *
Состояние животных, и в первую очередь Белки и
Стрелки, после возвращения их на Землю было вполне
удовлетворительным. Более того, наблюдение за их со-
* Второй советский космический корабль. Изд. «Правда», 1960,
стр. 95.
141
стоянием в период всего Полета (с помощью передачи
на наземные станции радиосигналов от датчиков, ук-
репленных на теле животных, а также путем прямого
наблюдения с помощью телевизионной аппаратуры) нс
выявило каких-либо имеющих значение отклонений.
Подобный факт еще раз продемонстрировал всему миру
то, что советская наука и техника вполне способны ре-
шить проблему создания всех необходимых условий для
космических полетов человека. С другой стороны, полет
Белки и Стрелки показал, что высокоорганизованный
организм вполне справляется с воздействием на него
длительных периодов ускорений и невесомости, в том
числе и с переходными состояниями между ними.
Завершающим этапом в подготовке полета человека
в космическое пространство явились успешные запуски
третьего, четвертого и пятого кораблей-спутников.
Целью этих полетов явилось исследование условий, га-
рантирующих безопасность космического полета чело-
века. Как известно, в космическом полете человека ожи-
дает целый ряд необычных для его земного существо-
вания условий. Например, организм человека будет
подвергаться действию силы тяжести, в несколько раз
превышающей силу земного притяжения. С выходом кос-
мического корабля на орбиту перегрузки сменяются
состоянием невесомости, а в период вывода корабля с
орбиты и спуска его на землю снова возникает действие
перегрузок.
Чтобы не отвлекаться от темы книги, мы здесь не
рассматриваем другие многочисленные факторы, влия-
ющие на организм космонавта в космическом полете.
Полеты в космос Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова под-
твердили предположение ученых, что из числа сущест-
вующих на нашей планете профессий профессия летчика
является наиболее подходящей для отбора кандидатов
в космонавты. Действительно, если проанализировать
условия полета на современных скоростных самолетах,
штурмующих верхние слои атмосферы, то можно отме-
тить следующее.
В подобных полетах от космического пространства
летчика отделяет лишь около одного процента всей
массы атмосферы. Защитная роль атмосферы на таких
высотах утрачивается почти полностью, и, следова-
тельно, приходится принимать меры к защите организма
142
летчика от многих факторов, свойственных космическому
пространству: различного вида ионизирующих излуче-
ний, температурных перепадов, метеоритного вещества
и т. п. В таких полетах и условия видимости и цвет ок-
ружающего пространства практически мало чем отли-
чаются от условий, характерных для космических поле-
тов. Но это не главное. В течение почти каждого полета
летчик подвергается ускорениям, на которые организм
реагирует все более совершенной компенсаторной реак-
цией. Следовательно, организм летчика по сравнению с
организмом людей других профессий в наибольшей мере
натренирован к воздействию ускорений — одного из
серьезных факторов космических полетов.
И в отношении применения различных видов специ-
ального снаряжения летчики также имеют наибольший
опыт. Сказанное относится к кислородным приборам,
высотно-компенсирующим костюмам, скафандрам, про-
тивоперегрузочным костюмам, к средствам связи, пла-
вательным и другим устройствам, предназначенным для
спасения при аварии.
Наконец, одним из важнейших качеств летчика сов-
ременного самолета является подвижность его нервных
процессов, способность быстро оценивать показания
множества приборов, сигнализирующих о различных па-
раметрах полета самолета, о состоянии двигателей само-
лета, о местонахождении самолета по отношению к ме-
стности, а также при полетах вне видимости земных
ориентиров. Молниеносные реакции летчика в ответ на
информацию от приборов как нельзя лучше способст-
вуют усвоению необходимых навыков для космического
полета. Если к этому добавить, что летчики наиболее
подготовлены к космическим скоростям полета, то ста-
нет очевидным, почему первые рейсы в космос совер-
шили летчики.
Возможно, что в дальнейшем, по мере все более пол-
ного освоения космических полетов, в качестве космо-
навтов будут привлекаться люди и других профессий.
В этом возникнет необходимость при полетах кораблей
с многочисленным экипажем, когда окажется целесо-
образным включать в состав экипажа лиц различных
специальностей, прошедших специальный отбор и соот-
ветствующий курс подготовки к полетам в мировое про-
странство.
из
Известно, что в период подготовок к первому полету
человека в космос советскими учеными была проделана
большая работа по отбору первых космонавтов из ог-
ромного числа желающих.
В результате тщательного отбора была сформиро-
вана группа, которая приступила к выполнению про-
граммы специального обучения, тренировок на спе-
циальных стендах и тренажерах, имитирующих в назем-
ных и летных условиях факторы космического полета.
В период полетов на самолетах исследовались инди-
видуальные реакции космонавтов в условиях невесомо-
сти и в переходе от невесомости к перегрузкам. Было
установлено, что все отобранные кандидаты в космо-
навты хорошо переносят состояние невесомости. Этот
важный вывод был подтвержден беспримерными в исто-
рии человечества полетами в космическое пространство.
Вот как описывает свои первые впечатления о неве-
сомости Ю. А. Гагарин. «Сначала это чувство было не-
обычным, но вскоре я привык к нему и продолжал вы-
полнять программу, заданную на полет». Вот первое
ощущение человека, попавшего в условия невесомости.
Нужно еще учесть, что Ю. А. Гагарин до космического
рейса испытывал невесомость в полетах на самолете.
Однако разница в- продолжительности невесомости в
период полетов на самолете и на корабле «Восток» вы-
звала необычные ощущения у космонавта. «Невесо-
мость — это явление для всех нас, жителей Земли, не-
сколько странное, — пишет Ю. А. Гагарин. Но орга-
низм быстро приспосабливается к нему, испытывая
исключительную легкость во всех членах. Что произо-
шло со мной в это время? Я оторвался от кресла, повис
между потолком и полом кабины. Все вдруг стало де-
лать легче. И руки, и ноги, и все тело стали будто со-
всем не моими. Они ничего не весили. Не сидишь, не ле-
жишь, а как бы висишь в кабине. Все незакрепленные
предметы тоже парят и наблюдаешь их словно во сне.
И планшет, и карандаш, и блокнот». Из этих впечатле-
ний можно сделать вывод о том, что организм чело-
века, особенно человека, прошедшего серьезную трени-
ровку, способен к выполнению необходимых действий
в условиях невесомости. Конечно, невесомость не яв-
ляется безразличным условием для работоспособности
человека. Если в это время «и руки, и ноги, и все тело
144
стали будто совсем не моими», как указывает Ю. А. Га-
гарин, это означает, что для выполнения тех или иных
действий необходимо преодолевать непривычные ощу-
щения, не способствующие выполняемым действиям.
Мы рассмотрели вопрос о влиянии невесомости на
организм человека в условиях кратковременного пребы-
вания в космическом полете. Полет Г. С. Титова под-
твердил выводы первого полета в космос и дал новые
данные об условиях длительного пребывания в космосе.
Невесомость не помешала космонавту принимать пишу,
пользоваться ассенизационным устройством и даже
спать. Однако длительное пребывание в условиях неве-
сомости вызвало некоторое раздражение вестибулярного
аппарата, что временами вызывало легкое головокруже-
ние и поташнивание. Но указанные явления почти пол-
ностью исчезали, как только космонавт принимал ис-
ходную собранную позу и не делал резких движений го-
ловой.
Отмеченные явления в значительной степени умень-
шались после сна и полностью исчезли после начала дей-
ствия перегрузок при возвращении корабля на Землю.
Таким образом, итоги полета Г. С. Титова в космос
позволяют сделать вывод, что длительное пребывание
человека в условиях невесомости проходит нормально и
не вызывает каких-либо патологических расстройств.
* * *
Триумфальными космическими полетами 10. А. Гага-
рина и Г. С. Титова человечеству открыта дорога в кос-
мос. Несомненно, что еще при жизни нашего поколения
космические полеты станут регулярными, систематиче-
скими. Будут совершаться полеты с высадкой на дру-
гие планеты и за пределы нашей Солнечной системы.
С каждым космическим рейсом человечество будет
получать все новую сумму знаний о Вселенной, о беско-
нечном разнообразии окружающего нас мира. И всюду:
в космических просторах Вселенной и в недрах ато'
мов — определяющим фактором является движение ма-
терии. Мы попытались выделить в этой книге лишь три
взаимосвязанных явления, обусловленных движением:
скорость, ускорения, невесомость. Понятно, что подоб-
ную связь можно проследить и в других направлениях,
145
в Том числе И во времени. Последнее тем более важно,
что в длительных и дальних космических полетах, осо-
бенно за пределы нашей Солнечной системы, космонавты
будут сталкиваться с реальными изменениями в проте-
кании времени. Скорость движения в таких космических
полетах будет определять собой величину различия в
протекании времени на Земле и в ракете. Скорость дви-
жения будет приводить к новым качествам явлений, ею
определяемых.
Для понимания существа излагаемого вопроса сле-
дует вначале обратиться к эволюции взглядов на поня-
тие времени. Как известно со времен Ньютона, понятие
времени было связано с длительностью вне зависимости
от каких-либо материальных явлений, вне связи с дви-
жением материи. Это понятие изменилось после появ-
ления трудов Ф. Энгельса. С материалистических пози-
ций Энгельс установил связь между материей и време-
нем, определив время как форму существования мате-
рии. Таким образом, можно утверждать, что время без
связи с материей является нереальным понятием.
Дальнейшее уточнение понятия времени связано в
значительной мере с развитием теории относительности.
В соответствии с указанной теорией устанавливается
связь между временем и изменениями материального
мира. Марксистская философия определяет время как
форму существования движущейся материи.
Высказано много предположений о протекании вре-
мени в космических полетах, о возможности влияния
различий в протекании времени на Земле и в ракете на
течение биологических процессов. Так, если рассмотреть,
например, деление клеток в многоклеточном организме,
или, другими словами, темп роста организма или его
старения, можно сделать вывод, что в космическом по-
лете со скоростью, соизмеримой со скоростью света, де-
ление клеток в единицу времени должно быть иным по
сравнению с земными условиями.
Если подтвердится предположение об изменении био-
логических ритмов в подобных космических полетах,
возникает ряд новых проблем, представляющих не
только практический интерес, но и имеющих философ-
ское значение. Могут быть обнаружены глубокие изме-
нения в основных жизненных проявлениях организма,
таких, как обмен веществ. Последнее качественно изме-
146
нит особенности организма в направлении, которое сей-
час трудно сколько-нибудь достоверно себе представить.
С этой точки зрения особый интерес вызывают испы-
танные на втором космическом корабле системы авто-
матической регистрации жизнедеятельности микроорга-
низмов. При дальнейшем развитии подобных систем ока-
жется возможным автоматически определять и деление
микроорганизмов в длительных космических полетах.
Весьма важным является тот факт, что подобные си-
стемы нет необходимости обязательно возвращать на
Землю. Сказанным значительно облегчаются условия
проведения подобных экспериментов. В течение длитель-
ного космического полета автоматические системы будут
сигнализировать на Землю о темпе размножения микро-
организмов. Тем самым появится возможность ответить
на вопрос об изменениях одного из основных показате-
лей жизнедеятельности при длительном космическом по-
лете.
Много подобных проблем будет решаться в процессе
дальнейшего освоения космических полетов. И нет сом-
нения в том, что советские ученые, воодушевленные
историческими решениями XXII съезда Коммунистиче-
ческой партии Советского Союза, с честью выполнят
свой патриотический долг — закрепят за советской нау-
кой уже завоеванные передовые позиции в важнейших
областях знания и обеспечат ей ведущую роль в миро-
вой науке по всем основным направлениям.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Г. Мильке. Путь в космос. Изд. иностр, лит., 1959.
2. В. Петров и Г. Сочи в ко. Управление ракетами. Воениз-
дат, 1959.
3. С. Г. А л е к с а н д р о в и Р. Е. Федоров. Советские спут-
ники и космическая ракета. Изд. АН СССР, 1959.
4. Материалы газеты «Правда» о советских космических раке-
тах и полете человека в космос.
5. Человек в условиях высотного и космического полета.
Сборник переводов. Изд. иностр, лит., 1960.
6. В. П ы ш н о в. Механические условия возникновения невесо-
мости. ВВФ, 1958, № 3.
7. П. К. Исаков и др. Искусственные спутники Земли
(100 вопросов и ответов). Всесоюзное общество по распространению
политических и научных знаний, 1959.
8. Н. Е. Ж о в и н с к и й. Тепловой барьер при сверхзвуковых
скоростях полета. Воениздат, 1959.
9. Ж. X э м ф р и с. Ракетные двигатели и управляемые снаряды.
Изд. иностр, лит., 1958.
10. В. И. Л е в а н т о в с к и й. Рассказ об искусственных спут-
никах. Гостехиздат, 1957.
11. И. Бах, О. Горбов, В. Яковлев, Е. Югов. Человек в
космосе. Изд. «Знание», 1958, серия 8, вып. 1, № 20.
12. П. К. Исаков. Проблемы полетов в космос. Изд. «Зна-
ние». Б-ка сельского лектора, 1958.
13. Вопросы медицины при межпланетных полетах. Сборник
сокращенных переводов иностр, литературы. Изд. иностр, лит., 1955.
1'4 . Исследование мирового пространства. Пер. с англ. Изд.
иностр, лит., 1959.
15. В. И. Л е в а н т о в с к и й. Ракетой к Луне. Физматгиз, 1960.
16. В. Л ей. Ракеты и полеты в космос. Пер. с англ. Воениздат,
1961.
17. К. Э. Циолковский. Труды по ракетной технике. Обо-
ронгиз, 1947.
18. А. А. Ш т е р н ф е л ь д. От искусственных спутников к меж-
планетным полетам. Изд. второе, Физматгиз, 1959.
148
19. О. Горлов, В. Борисов. Животные в космосе. Изд.
«Знание», 1960.
20. Второй советский космический корабль. Изд. «Правда»,
1960.
21. Первый полет человека в космос. Изд. «Правда», 1961.
22. Советский человек в космосе. Б-ка «Известий». Спецвыпуск
1961.
23. 700 тысяч километров в космосе. Б-ка «Известий». Спецвы-
пуск, 1961.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр-
Введение .................................................. 3
Глава I. Скорость движения................................ 15
1. Скорость прямолинейного движения.................. —
2. Скорость криволинейного движения................. 17
3. Измерение скорости............................... 20
4. Пути увеличения скорости......................... 24
5. Скорость ракет................................... 30
6. Скорость движения и организм..................... 36
Глава II. Ускорение движения.............................. 40
1. Линейное ускорение............................... 41
2. Центростремительное ускорение.................... 43
3. Угловое ускорение................................ 44
4. Поворотное ускорение............................. 45
Глава III. Перегрузки..................................... 47
1. Виды перегрузок.................................. 52
2. Перегрузки на каждом шагу........................ 54
3. Измерение перегрузок............................. 62
4. Перегрузки в авиации............................. 63
Глава IV. Влияние ускорений на организм человека ... 81
1. Как человек воспринимает изменение скорости дви-
жения .............................................. 83
2. Общее влияние ускорений на организм.............. 87
3. От чего зависит конечный результат действия уско-
рений ............'.................................. 91
4. Способы повышения устойчивости организма к уско-
рениям ............................................. 96
Глава V. Невесомость...................................107
1. Физические условия возникновения невесомости ... —
2. Искусственное создание невесомости...............123
3. Организм и невесомость...........................126
4. Ускорения и невесомость в космических полетах . . 137
Рекомендуемая литература............................148
Доктор медицинских наук
Петр Кузьмич ИСАКОВ
Кандидат технических наук
Ростислав Андреевич СТАСЕВИЧ
СКОРОСТИ, УСКОРЕНИЯ, НЕВЕСОМОСТЬ
(научно-популярная библиотека)
М., Воениздат, 1961, 152 с.
$
Редактор Шорин А. М.
Технический редактор Мясникова Т. Ф.
Корректор Узлова К. К.
Сдано в набор 1.11.61 г.
Подписано к печати 3.8.62 г.
Формат бумаги 84ХЮ81/з2—- 4% печ. л. 7,79 усл.
печ. л. 7,404 уч.-изд. л.
Тираж 12.500 экз. ТП 62—274
Изд. Ха 7/2484. ' Зак. 1393.
1-я типография
Военного издательства Министерства обороны СССР
Москва, К-6, проезд Скворцова-Степанова, дом 3
Цена 26 коп.
Цена 26 коп.