В. И. ЛЕВАНТОВСКИЙ
ТЯЖЕСТЬ,
НЕВЕСОМОСТЬ,
ПЕРЕГРУЗКА
Scan AAW
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 1964

ОТ АВТОРА
Начало новой эры научного и технического прогресса — эры освоения
космического пространства сопровождалось проникновением в самые широкие
массы людей совершенно новых идей и понятий. Не последнее место
среди них принадлежит вопросам, связанным с невесомостью и перегрузкой.
Ни одно явление, вероятно, не вызывает столько кривотолков и ошибочных
суждений, как невесомость. Причиной этого, возможно, служит
определенный пробел в школьном образовании. В современном школьном
курсе физики невесомость рассматривается при изучении кругового движения
тел, в частности движения спутника, в то время как это следует
делать (и очень легко сделать!) при первом же знакомстве с законами
падения тел.
Так или иначе, но неправильным объяснением невесомости нередко
грешат и люди с высшим техническим образованием. Неверное представление
о невесомости автоматически приводит и к неточным взглядам на перегрузку,
хотя ошибки здесь менее заметны.
В последние годы о невесомости и перегрузке было написано много
популярных статей, но проблема рассматривалась главным образом с медико-биологической
точки зрения. Разъяснению же вопросов, связанных с
механикой явлений, не уделялось должного внимания. Этот пробел и должна
восполнить настоящая книга. Медицинские проблемы невесомости и
перегрузки рассматриваются в ней весьма бегло.
Учитывая непрерывное возрастание интереса к теории космического
полета, автор счел необходимым не ограничиваться только разъяснением
сущности рассматриваемых явлений, но и углубить их изучение. Однако
чтение книги не требует от читателя никаких предварительных сведений,
хотя и предполагает некоторый вкус к логическим рассуждениям. Читателю
придется познакомиться с, возможно, ранее неизвестными ему законами
механики, а иногда и взглянуть на давно и, казалось бы, хорошо известные
вещи с неожиданной стороны.
Изложение ведется на основе классической, ньютоновской механики.
Вопрос о невесомости и перегрузке получает глубокое освещение в общей
теории относительности, но этот аспект проблемы в книге не рассматривается.
Если книга пробудит у читателя интерес не только к космической технике,
но и к сущности законов механики, автор будет считать, что его
задача выполнена.
Автор пользуется случаем выразить благодарность проф. С. М. Таргу
и инж. Л. А. Чульскому, которые прочитали книгу в рукописи и дали много
ценных советов, учтенных при окончательном редактировании рукописи.
Автор
Владимир Исаакович
Левантовский
Редактор И. Б. Шустова
Техн, редактор Л. Е. Атрощенко
Корректор Э. А. Шехтман
Обложка А. Г. Ординарцева
Сдано в набор 20.1 1964 г. Подписано к печати 23.III 1964 г. Изд. № 38.
Формат бум. 60X90716. Бум. л. 3,0. Печ. л. 6,0. Уч.-изд. л. 5 79.
А 02834. Цена 18 коп. Тираж 17 400 экз. Заказ 267.
Опубликовано тем. план 1964 г. № 300.
Издательство «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.
Типография изд-ва «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.

НЕВЕСОМОСТЬ, ПЕРЕГРУЗКА — ПОЧЕМУ?
Еще задолго до первого космического полета человека невесомость
была предсказана и объяснена учеными, закладывавшими
основы теории межпланетных сообщений. Это явление
не один раз (и всегда очень красочно!) описывали писатели-фантасты,
но... никогда, пожалуй, оно не получало у них
правильного объяснения. Явление невесомости и теперь продолжает
волновать умы. Вероятно, не меньше оно будет волновать
нас и в будущем. Ведь все больше и больше людей станет
участвовать в космических полетах. На борту межпланетных
кораблей все чаще будут появляться не только летчики-
профессионалы, но и ученые — физики, астрономы, биологи и
представители многих других, пока еще, может быть, не существующих
даже научных специальностей и профессий.
Придет, вероятно, время, когда невесомость, хорошо изученная
и давно уже переставшая быть для кого бы то ни было
таинственным явлением, будет вызывать такое же к себе отношение,
какое теперь вызывают ощущения морского путешествия.
Возможно, что невесомость для некоторых людей останется
столь же непреодолимым препятствием, каким для многих
является сейчас «морская болезнь», и никто не удивится,
услышав слова: «Какая неудача! Я должен на этой неделе
обязательно быть на Луне, а, как на зло, не ожидается ни одного
рейса корабля с искусственной тяжестью. Придется мне
помучиться на обычном корабле: совершенно не выношу невесомости...»
Отчего же в космическом полете возникает невесомость?
Правильный ответ на этот вопрос можно услышать далеко не
всегда.
Часто высказывается мнение, что невесомость в космическом
полете возникает от того, что по мере удаления от Земли
уменьшается ее сила притяжения. Но почему же тогда невесомость
господствует на борту корабля-спутника, удаленного
от поверхности Земли на какие-нибудь 200 км? Почему она
может возникнуть при определенных условиях в кабине самолета
и даже испытывается нами иногда в обыденной жизни,
правда, в течение столь короткого промежутка времени, что
остается незамеченной?
Есть и другое «объяснение» невесомости. Невесомость якобы
возникает от того, что центробежная сила уравновешивает
3

силу притяжения Земли. Но почему же человек не испытывает
невесомости на карусели, когда центробежная сила уравновешивает
все действующие на него силы? Почему невесомость
возникает при свободном падении, когда вовсе нет центробежной
силы?
По мнению других, невесомость якобы объясняется различными
причинами в разных случаях ее возникновения: при
полете к Луне — удалением от Земли, при полете в корабле-
спутнике— центробежной силой.
Подобные мнения глубоко ошибочны. Все случаи невесомости
имеют единую физическую природу.
А перегрузка? Обычно говорят, что перегрузки, испытываемые
космонавтом при старте, объясняются тем, что он движется
с ускорением. Но почему же тогда не ощущается перегрузка
при свободном падении, которое, разумеется, происходит
с ускорением? Почему, наоборот, при этом господствует
невесомость?
Но прежде чем говорить о причинах, вызывающих невесомость,
— состояние полного отсутствия всякой тяжести, или
перегрузку — состояние увеличенной тяжести искусственного
происхождения, — мы должны понять физическую природу
обычного для нас, привычного состояния весомости. Для этого
прежде всего нам придется изучить действие сил тяготения.

ТЯГОТЕНИЕ И СИЛА ТЯЖЕСТИ
Закон всемирного тяготения
Одно из величайших научных открытий в истории человечества—
открытие в XVII в. великим английским математиком
и физиком Исааком Ньютоном закона всемирного тяготения.
Этот закон гласит: всякие две материальные точки притягиваются
друг к другу с силой, пропорциональной произведению
масс точек и обратно пропорциональной квадрату расстояния
между ними. Под материальной точкой мы здесь понимаем
такое тело, размеры которого можно не принимать во внимание
(в противном случае, кстати сказать, неясно было бы,
что считать расстоянием между двумя телами).
Обозначим (рис. 1) буквами 1Щ и т2 массы двух материальных
точек, буквой г — расстояние между ними, а буквой
F — величину силы притяжения, с которой первая материальная
точка действует на вторую, а вторая — на первую (эти
Рис. 1. Закон всемирного тяготения.
силы одинаковы по величине, так как «действие равно противодействию»).
Тогда закон всемирного тяготения выразится
хорошо известной, простой «школьной» формулой
F _ f m'm2
г2 ’
где f — так называемая универсальная постоянная тяготения
или гравитационная постоянная. Если массу измерять в килограммах,
расстояние в метрах, а силу в ньютонах (Международная
система единиц «СИ»), то, как показывают точные
измерения,
р СМ3
f = 6,670 • 10-и -
.
кг- сек
С помощью закона всемирного тяготения мы можем в принципе
вычислить силу притяжения между любыми двумя телами.
На практике это сделать, однако, не всегда просто.
5

Каждое тело состоит из бесчисленного количества частиц —
материальных точек, и нужно учесть притяжения их всех. Часто
думают, что можно «заменить тело материальной точкой,
сосредоточив всю массу тела в его центре тяжести». Такая
«мысленная операция» приносит пользу во многих задачах
механики, но ее применение при изучении гравитационных1
притяжений тел, как правило, незаконно. Оказывается, тело
кубической формы притягивает совсем иначе, чем тело той
же массы, но сферическое или цилиндрическое, даже если
центры тяжести этих тел занимают одно и то же место в пространстве.
Иными словами, один и тот же кусок глины у нас
в руке притягивает любое тело по-разному в зависимости от
той формы, которую мы ему придадим.
На первый взгляд это кажется неожиданным. Но давайте
представим себе, как будет притягивать материальное кольцо
какую-нибудь материальную точку, находящуюся на оси кольца,
перпендикулярной к его плоскости. Если эта материальная
точка расположена очень далеко от кольца, то она, конечно,
Рис. 2. Закон притяжения кольца.
очень слабо притягивается кольцом. По мере приближения к
кольцу притяжение его сначала увеличивается, но потом, естественно,
начинает уменьшаться, так как вблизи плоскости
кольца притяжения отдельных частей кольца почти уравновешиваются,
а в самом центре притяжение кольца, очевидно,
равно нулю (рис. 2). Такой закон притяжения (уменьшение
притяжения с уменьшением расстояния!) никак не укладывается
в формулу, выражающую закон всемирного тяготения,
и, значит, массу кольца нельзя «мысленно сосредоточить в его
центре тяжести». Эту мысль можно выразить иными словами,
если сказать: «Поле тяготения кольца не является центральным».
Только сферическая форма тела позволяет при расчетах
сил тяготения мысленно сосредоточивать всю его массу в цен-
1 Гравитационное притяжение — то же, что и тяготение.
Для простоты мы будем термин «притяжение» применять наряду с термином
«тяготение», так как другие виды притяжения (магнитное, электростатическое)
нас интересовать не будут.
6

тре тяжести. Точнее, любое однородное (постоянной плотности)
тело, имеющее форму шара, притягивает все, что находится
вне его1, совершенно так же, как материальная точка, находящаяся
в центре шара и обладающая массой этого сферического
тела, т. е. поле тяготения однородного шара является
центральным. Неоднородный шар тоже может иметь в особом
случае центральное поле тяготения. Это тот случай, когда
шар составлен из того или иного числа сферических слоев,
вложенных один в другой, причем каждый слой однороден
(«сферическая симметрия»).
Наша Земля представляет собой пример тела, довольно
близкого к последнему случаю. Она также состоит, по-видимому,
из подобного рода слоев. Поэтому поле тяготения Земли
близко к центральному.
Отличие земного поля тяготения от центрального в основном
сводится к эффекту сплюснутости Земли у полюсов, а также
к некоторой (гораздо меньшей) «сплюснутости» земного
экватора. Нецентральность земного притяжения сказывается
на движении спутников, космических аппаратов и даже Луны,
и она учитывается в расчетах ученых. И наоборот, отклонения
спутников от «правильного» движения в центральном поле
тяготения позволяют уточнить форму нашей планеты.
Вес и сила тяжести
Силы тяготения играют основную роль в движении небесных
тел и самым серьезным образом сказываются на движении
всех тел на поверхности нашей планеты или вблизи нее.
Нас сейчас будут интересовать именно эти «земные» тела.
Прежде всего заметим, что взаимные притяжения тел, расположенных
на земной поверхности, не играют никакой роли
ни в повседневной жизни, ни в технике. Например, два корабля
водоизмещением каждый по 10 000 т, разделенные расстоянием
в 1 км, притягиваются друг к другу с силой, меньшей
той силы, которая требуется, чтобы удержать в руке копеечную
монету. В случае расстояния, равного 100 м, сила притяжения
между кораблями не будет в 100 раз больше, чем в
предыдущем случае, как, казалось бы, следует из закона всемирного
тяготения (обратная пропорциональность квадрату
расстояния). Дело в том, что поле тяготения каждого корабля,
конечно, не центральное — вспомним пример с кольцом.
Впрочем, и в тысячи раз большая сила не оказала бы сколько-
нибудь заметного влияния на движение корабля.
Все, что нас окружает, находится под воздействием бес-
1 Эта оговорка «вне его» не случайна. Внутри материального шара
его притяжение подчиняется другому закону (см. стр. 33).
7

численного количества сил тяготения, из которых основная
роль принадлежит силе притяжения со стороны всей массы
нашей планеты. Эта сила доминирует и над силами притяжений
отдельных тел на поверхности Земли и над силами притяжений
со стороны других небесных тел. Она существенно влияет
как на движущиеся, так и на покоящиеся тела.
Согласно обычному определению, принятому и в школьных
учебниках, сила, с которой действует притягиваемое Землей
тело на покоящуюся, неподвижную относительно земной поверхности
горизонтальную опору или подвес, называется весом
тела.
По известному третьему закону Ньютона, сила, с которой
одно тело действует на другое, всегда равна и противоположна
по направлению силе, с которой
второе тело действует на первое,
или, короче, «действие равно
противодействию». Поэтому принятое
нами определение веса говорит
о том, что вес, т. е. «действие»
тела на опору, равен по величине
реакции опоры, т. е. «противодействию»
опоры давящему на
нее телу. Реакция опоры приложена
к самому телу и направлена
вверх. Она уравновешивает ту
силу, которая приложена к телу, направлена вниз и численно
равна весу (рис. 3). Эту силу мы будем называть силой тяжести.
Сила тяжести
Сила тяжести несколько
отличается от силы притяжения
Земли. Она была бы в
точности равна этой силе,
если бы наша планета не
вращалась вокруг своей оси.
Тогда неподвижное относительно
Земли тело находилось
бы в равновесии под
действием силы притяжения
и реакции опоры, и, естественно,
ЭТИ СИЛЫ были бы Рис. 4- Сила тяжести и центростре-
равны по величине, т. е. сила мительная сила.
притяжения равнялась бы силе тяжести.
Но благодаря вращению Земли каждое тело на поверхности
нашей планеты движется равномерно вокруг земной оси
по окружности, совпадающей с географической параллелью
(рис. 4), т. е. покой на самом деле отсутствует. Чтобы удержать
тело на этой окружности, нужна сила, которая сообщила
бы телу необходимое для такого движения центростреми-
8
Рис. 3. Сила тяжести и реакция
опоры.

тельное ускорение. Разложим силу притяжения, направленную
к центру Земли, на две силы по известному «правилу параллелограмма»,
причем одну из них направим к центру географической
параллели, лежащему на земной оси. Эта сила
называется центростремительной. Вторая сила, изображенная
другой стороной параллелограмма, — сила тяжести. Итак,
сила тяжести представляет собой результат векторного вычитания
центростремительной силы из силы притяжения.
Мы видим, что сила тяжести во всех точках земной поверхности,
кроме полюсов, меньше силы притяжения и, вдобавок,
нигде, кроме экватора, не совпадает с ней по направлению.
На полюсах центростремительная сила равна нулю и сила
тяжести равна силе притяжения. На экваторе центростремительная
сила — наибольшая по величине и вдобавок совпадает
по направлению с силой притяжения; поэтому здесь сила
тяжести — наименьшая по величине. Однако благодаря тому,
что Земля вращается сравнительно медленно, сила тяжести
даже на экваторе меньше силы притяжения лишь на V289 ее
часть.
Таким образом, сила тяжести зависит от скорости вращения
планеты. На быстро вращающихся планетах — Юпитере
и Сатурне — сила тяжести сильно отличается от силы притяжения.
Если бы Земля вращалась быстрее, чем сейчас, то сила
тяжести была бы меньше. Если бы наша планета совершала
один оборот за 1,5 часа, то для тел на экваторе центростремительная
сила сравнялась бы с силой притяжения и на долю
силы тяжести ничего не осталось бы. Давление тела, находящегося
на экваторе, на опору равнялось бы нулю, так как вся
сила притяжения «расходовалась» бы на сообщение телу центростремительного
ускорения. Иными словами, вес тела, согласно
принятому выше определению, равнялся бы нулю. При
этом любое тело на экваторе получило бы скорость 7,9 км!сек
(т. е. первую космическую скорость) и превратилось бы в
спутник Земли, который совершал бы один оборот вокруг
Земли также за 1,5 часа, т. е. все время находился бы над
одной и той же точкой экватора.
Часто приводится и другой «мысленный» пример исчезновения
силы тяжести на земном экваторе. Если бы наша планета
при нынешней скорости вращения имела экваториальный
радиус, равный 42 188 км, или, что то же самое, если бы
в каком-нибудь месте экватора реальной Земли мы построили
башню высотой 35 810 км, то сила тяжести на вершине
такой башни равнялась бы нулю. Дело в том, что центростремительная
сила с удалением от центра Земли возрастает, а
сила притяжения падает, и на вершине такой башни эти силы
оказались бы равными. Любопытно, что тело на вершине башни
опять имело бы местную круговую скорость, т. е. было бы
9

стационарным спутником — иначе говоря, экваториальным
спутником с суточным периодом обращения.
Эти чисто умозрительные примеры, которые иногда приводят
как «объяснения» невесомости, господствующей во время
космического полета, представляют известный интерес. Но
они отнюдь не объясняют физической сущности невесомости в
общем случае. В обоих примерах рисовались фантастические
методы запусков спутников. Между тем невесомость при полете
в космос совершенно не связана ни с вращением Земли,
ни с достижением первой космической скорости, ни с подъемом
на высоту 35 810 км. Но не будем забегать вперед.
Сделаем еще некоторые замечания о термине «вес».
Слово «вес» зачастую употребляется в различных смыслах
и в быту, и в технике, и даже в учебной и научной литературе,
хотя формально приведенное выше определение всеми признается.
Например, мы говорим (и пишем!) о «спутнике весом
5 тонн», хотя никакого давления на опору спутник не оказывает
(опоры нет). Если бы спутник на той высоте, на которой
он находится, вдруг оказался неподвижным относительно
Земли и на что-то опертым, то давление на опору было бы
меньше 5 т, потому что под весом спутника мы, конечно же,
подразумеваем то давление, которое оказывал бы спутник на
опору, если бы покоился на поверхности Земли. По существу
говоря о «весе спутника», мы просто стремимся дать оценку
его массы (которой вес пропорционален).
Точно так же, говоря о килограмме винограда, мы имеем
в виду, если так можно выразиться, его «съедобную» массу,
и нас меньше всего волнует, что покупаемые нами кисти винограда
оттягивали когда-то вниз ветви с силой в один килограмм
(1 кГ).
В технической системе единиц, господствовавшей в
технике до недавних пор, сила измеряется в килограммах (кГ),
а в Международной системе единиц СИ, которая сейчас начинает
употребляться в науке и технике, килограмм (кг) означает
единицу массы. По существу килограмм (кг) как
единица массы употреблялся и раньше, так как в физической
системе единиц CGS за единицу массы принимается его
тысячная доля — грамм (г). Таким образом, гиря массой 5 кг
на Земле оказывает давление на опору, равное 5 кГ («весит
5кГ»).
Во вводимой в настоящее время Международной системе
единиц единицей силы является ньютон (н), равный
0,101 971 кГ. С другой стороны, 1 кГ = 9,80665 н. Таким образом,
теперь следовало бы говорить не о гире весом 5 кГ, а о
гире весом 49,03325 н, но вряд ли мы будем это делать. Скорее,
мы просто скажем, что масса гири составляет 5 кг. Это
лучше всего показывает, что обычно, называя вес тела, мы
по существу даем оценку его массы.
Ю

В некоторых случаях, наоборот, мы отождествляем вес
тела с силой притяжения его каким-нибудь небесным телом,
необязательно даже Землей. Так, например, часто можно
услышать, что «вес космонавта на Луне уменьшается в 6 раз».
Разумеется, никто при этом не утверждает, что космонавт за
2— 3 дня полета так страшно исхудает...
Приведенные соображения заставляют из-за могущих
быть кривотолков по возможности не употреблять термина
«вес». Мы будем говорить о силе тяжести тела в указанном
выше смысле, иногда пренебрегая отличием силы тяжести по
величине и направлению от силы притяжения Земли. Слово
же «вес», когда оно будет встречаться, будет означать численную
величину силы тяжести. Справедливо будет сказать, что
вес, в отличие от силы тяжести, не векторная, а скалярная
величина.
Состояние весомости
Рассмотрим с точки зрения механики условия, в которых
находятся тела, покоящиеся относительно земной поверхности,
под действием силы тяжести. Каждому знакомо «ощущение
веса». Мы ощущаем тяжесть гири, зажатой в руке, так
как притягиваемая Землей гиря действует на опору— руку.
Мы ощущаем и тяжесть собственного тела, верхние части которого
давят на нижние, служащие им опорой. Когда мы стоим,
наше тело находится в равновесии под действием приложенных
к нашим членам отдельных сил тяжести и силы реакции,
действующей со стороны пола. В согласии с третьим законом
Ньютона («действие равно противодействию») эта сила
реакции равна общему весу нашего тела. Под влиянием всех
этих сил органы нашего тела в какой-то мере деформируются,
и в этом проявляется привычное нам ощущение «весомости».
Конечно, под действием сил тяжести возникают деформации
и в «мертвых» телах, хотя говорить здесь об «ощущениях»
не имеет смысла. Под действием сил тяжести частицы твердых
тел смещаются, вследствие чего и возникают деформации.
Пружина с грузом, подвешенная за верхний конец, растягивается,
опертая нижним концом— сжимается. То же происходит
и при отсутствии груза — под действием сил тяжести отдельных
частей пружины. При этом деформация пружины под
действием сил тяжести происходит особым образом. На рис. 5
изображены недеформированная пружина, лежащая на столе
(а), та же пружина, сжимаемая руками (б), и та же пружина,
опертая одним концом о поверхность стола и сжимаемая
действием собственной тяжести (в). В последнем случае пружина
деформирована сильнее всего внизу и совсем слабо —
у своего верхнего конца.
11

Рис. 5. Пружина в недеформированном
состоянии (а), в деформированном
под действием поверхностных
сил (б) и под действием сил
тяжести и реакции опоры (в).
Рис. 6. Внутренние напряжения в бруске: при действии
поверхностных сил (а), при действии массовых
и поверхностных сил (б).
12
Подобное же различие мы обнаружим, если будем изучать
внутренние напряжения в телах, сжимаемых различными
способами. Представим себе что мы сжимаем в руках
(рис. 6, а) брусок, причем каждая рука действует на него
с силой 10 н, т. е. примерно
1 кГ в «старой» технической
системе единиц. Пусть теперь
другой брусок поставлен на
опору (рис. 6, б), причем он
действует на нее своей тяжестью
с силой 10 н. Внутренние
состояния брусков будут совершенно
различными, хотя каждый
из них сжат и находится в
равновесии под действием двух
равных по величине, противоположно
направленных сил.
Рассечем в каком-либо месте
мысленно на две части первый
брусок (рис. 6, а) в поперечном
направлении. На правую
часть бруска со стороны
левой будет действовать сила,
равная 10 н. На левую часть
со стороны правой будет действовать
сила такой же величины
(«действие равно противодействию»).
Величина этой
силы, отнесенная к площади
сечения, называется напряжением
в сечении бруска. Это напряжение
будет одним и тем
же для любого поперечного
сечения.
Если мы теперь будем проводить поперечные сечения во втором
бруске (рис. 6, б), то сразу обнаружим, что напряжения бу-

дут тем больше, чем ниже сечение, так как чем оно ниже, тем
больше вес верхней части, давящей на нижнюю (и противодействующее
давление со стороны нижней части на верхнюю).
Разница в распределении напряжений объясняется тем,
что каждая из сил, действующих на первый брусок, распределена
по поверхности его торца. Во втором случае сила тяжести
распределена по всей массе бруска, а уравновешивающая
ее реакция опоры действует лишь на поверхность одного торца.
В результате напряжения, возникающие в поперечных сечениях
первого бруска, одинаковы на всем его протяжении, а
во втором бруске они равномерно возрастают от нуля на одном
конце до максимального значения на другом (см. графики
напряжений, показанные штриховкой на рис. 6).
Дело бы почти не изменилось, если бы второй брусок был
не оперт на подставку, а подвешен. Напряжения в поперечных
сечениях равномерно увеличивались бы снизу вверх, только
теперь бы это были не напряжения сжатия, а напряжения
растяжения. Поэтому морские канаты, когда их опускают на
большую глубину, всегда обрываются в верхней части, если
их длина превысит некоторую определенную величину.
Мы здесь столкнулись с очень характерным проявлением
весомости тел. которое объясняется тем, что притяжение (а
следовательно, и сила тяжести) — массовая, объемная сила.
Подчеркнем, что обязательным условием существования состояния
весомости является одновременное действие на тело
и массовых сил тяжести и поверхностных сил.
Не только твердая опора создает поверхностные силы.
В состоянии весомости находится, например, плавно опускающийся
на Землю парашютист. Силы сопротивления воздуха,
надувающие купол парашюта, как раз и представляют собой
необходимые поверхностные силы.
Очень характерно поведение в состоянии весомости жидких
и гибких тел. Частицы жидкости в состоянии весомости
смещаются таким образом, что спокойная поверхность жидкости
оказывается перпендикулярной к направлению силы тяжести.
Такую поверхность мы называем горизонтальной.
Под действием силы тяжести нить с грузом располагается
по определенному направлению, которое называется направлением
отвеса или вертикалью места. Это же направление
определяет «верх» и «низ». Направление силы тяжести нигде,
кроме полюсов и экватора, не совпадает с направлением силы
притяжения. Поэтому нигде, кроме полюсов и экватора, вертикаль
не совпадает с направлением к центру Земли. Максимальное
ее отклонение от этого направления составляет угол
в 1 Г и имеет место на геоцентрической широте 45О1.
1 Геоцентрической широтой называют угол, образуемый направлением
силы притяжения с плоскостью экватора (угол X на рис. 4). Она отличается
от географической широты — угла между направлением отвеса и экваториальной
плоскостью (угол ф на рис. 4).
13

По этой причине поверхность океанов, которая должна в
любой своей точке быть перпендикулярной к вертикали (горизонтальной),
не может принять форму поверхности шара,
и наша планета в основом имеет форму эллипсоида вращения
или сфероида — шара, приплюснутого у полюсов. Поверхность
суши, в общем, сравнительно мало отклоняется от этой
формы.
Притяжение земного сфероида
Очевидно, земной сфероид притягивает иначе, чем шар.
Отдельные точки поверхности Земли теперь оказываются
неравноправными, даже если забыть о вращении Земли, так
как расстояния точек от центра планеты не одинаковы. Поэтому
сила притяжения — именно сила притяжения, а не сила
тяжести!— одного и того же тела Землей на полюсе отличается
от силы притяжения на экваторе, а именно: на полюсе
она больше.
Мы можем представить себе земной сфероид схематично в
виде шара с надетым на него на экваторе массивным обручем.
Математический анализ показывает, что эта добавочная масса
сильнее воздействует на тело на полюсе, чем на то же тело
на экваторе (что, вообще говоря, не очевидно).
Часто утверждается, что так как полюс ближе находится
к центру Земли, чем экватор, то «согласно закону всемирного
тяготения Земля сильнее притягивает тело на полюсе, чем то
же тело на экваторе». Ссылка на закон всемирного тяготения
здесь по существу неправильна: коль скоро Земля — не шар,
мы не имеем права считать ее поле тяготения центральным и
«мысленно сосредоточивать» ее массу в центре. Эта логическая
ошибка лучше всего видна на таком примере. Если бы
Земля имела форму очень сильно сплюснутого сфероида, напоминающего
блин, то нетрудно понять, что тело на полюсе,
подвергаясь притяжению с почти противоположных сторон,
имело бы очень малый вес (вспомним наш пример с кольцом).
а тело на экваторе имело бы больший вес уже хотя бы потому
что притягивалось бы с одной стороны. Выходит, что величина
сжатия сфероида имеет существенное значение.
Теперь мы видим, что вес одного и того же тела в разных
точках земной поверхности имеет разные значения по двум
причинам. Во-первых, из-за вращения Земли часть силы притяжения
затрачивается на удержание тела на географической
параллели и не проявляется в весе (в давлении на опору) „
причем эта часть равна нулю на полюсах и максимальна на
экваторе. Во-вторых, сама сила притяжения максимальна на
полюсах и минимальна на экваторе. Обе причины, действуя в
одном направлении, приводят к тому, что вес (и сила тяжести)
на полюсах больше веса (силы тяжести) на экваторе.
14

Центробежная сила инерции
В предыдущем разделе мы говорили об эффекте действия
силы тяжести на неподвижные относительно земной поверхности
тела. При этом нас совершенно не интересовал тот факт,
что эти тела фактически не были неподвижны, так как участвовали
во вращении Земли вокруг своей оси. И это совершенно
естественно, как естественно то, что мы в нашей повседневной
жизни не часто вспоминаем о вращении Земли.
Тысячи лет люди вообще не подозревали о вращении Земли,
и еще 300 лет назад утверждение, что Земля вращается,
жестоко преследовалось церковью.
Рис. 7. Сила тяжести и центробежная сила.
Нам, наблюдателям, участвующим во вращении Земли
вокруг своей оси, отличие силы тяжести от силы притяжения,
объясняющееся этим вращением, вовсе не так уж легко заметить.
В частности, трудно заметить несовпадение направления
отвеса с направлением к центру Земли.
Допустим, однако, что нам это удалось, и мы, ничего не
зная о вращении Земли, вдруг обнаружили, что отвес
(рис. 7, а) отклонен от направления к центру Земли. (Вообразим
для простоты, например, что мы способны каким-то образом
видеть центр Земли сквозь толщу пород). Тем самым мы
убедимся, что груз А на конце нити отвеса находится в равновесии
под действием двух сил, не направленных прямо противоположно
друг другу. Эти две силы — сила реакции нити и
сила притяжения Земли — должны поэтому дать некоторую
результирующую силу. И под действием этой силы груз не
приходит в движение, а остается в состоянии покоя! Тем самым,
с точки зрения наблюдателя, участвующего во вращении
Земли, нарушается фундаментальный закон механики—
закон инерции, который утверждает, что тело сохраняет свое
состояние покоя или равномерного прямолинейного движения
только в том случае, если на него не действуют никакие силы
15

или если действующие силы взаимно уничтожаются (их векторная
сумма равна нулю). Здесь же силы не уничтожаются
хотя бы уже потому, что они не прямо противоположны, а
между тем сохраняется покой подвешенного груза.
Вместо того чтобы говорить о «точке зрения» наблюдателя,
в механике обычно говорят о той или иной «системе отсчета»
или «системе координат». Точка зрения наблюдателя, участвующего
во вращении Земли, соответствует системе координат,
оси которой жестко связаны с вращающейся Землей. Эту
систему отсчета мы вынуждены назвать неинерциальной, так
как в ней не соблюдается закон инерции, а следовательно, и
все другие законы механики.
К счастью для нас, неинерциальность этой системы из-за
медленного вращения Земли выражена слабо, поэтому все законы
механики в ней, в общем, не так уж плохо соблюдаются.
Кто знает, как выглядела бы механика, по крайней мере на
начальном этапе своего развития, если бы мы жили в худшей
системе отсчета, например если бы Земля вращалась в несколько
раз быстрее! Если бы на Юпитере или Сатурне, обращающихся
вокруг оси за 10 с лишним часов, жили разумные
существа, они, возможно, создали бы иную механику.
Неинерциальными являются все системы отсчета, которые
совершают движение, отличающееся от поступательного, равномерного,
прямолинейного движения по отношению к неподвижным
звездам. Мы встретимся в этой книге с различными
примерами неинерциальных систем отсчета. Было бы крайне
хлопотливо для каждой неинерциальной системы создавать
свой свод законов механики. Поэтому при рассмотрении движения
в такой системе пользуются общим приемом, позволяющим
вернуться к привычным представлениям. Этот прием
заключается во введении сил инерции.
Чтобы в нашем примере с отвесом (см. рис. 7, а) удовлетворился
закон инерции, достаточно компенсировать результирующую
реакции нити и силы притяжения дополнительной
силой, равной ей по величине и противоположной по направлению.
Эта сила называется центробежной силой инерции.
Она равна тЛ, где m масса тела, со — угловая скорость
Земли, а — расстояние до оси Земли, т. е. радиус географической
параллели. Здесь со2# представляет собой величину центростремительного
ускорения, направленного к оси Земли —
по результирующей реакции нити и силы притяжения. Центробежная
же сила направлена в противоположную сторону.
И вообще для любой неинерциальной системы сила инерции
равна по величине массе тела, умноженной на переносное
ускорение (ускорение, с которым тело как бы переносится системой
отсчета), и направлена в сторону, противоположную
ускорению. Определенная таким образом сила инерции называется
переносной.
16

Примечательная особенность любой силы инерции всегда
та, что нельзя указать тело, которое ее вызывает, со стороны
которого она действует. Как известно, любая сила в обычной,
инерциальной системе координат представляет собой действие
на тело со стороны другого тела, на которое первое тело, в
свою очередь, «противодействует» с силой, подчиняющейся
«закону равенства действия и противодействия». С силой
инерции дело обстоит иначе. Она не имеет «противодействия».
И она сама не является «действием», ибо действие должно
происходить со стороны какого-то тела, а такого тела в данном
случае нет.
Выше, на стр. 9, мы определили силу тяжести как векторную
разность силы притяжения и центростремительной силы
(см. рис. 4). Тогда мы рассуждали с точки зрения наблюдателя,
не участвующего во вращении Земли, т. е. находящегося
в инерциальной системе отсчета. С точки зрения этого наблюдателя,
результирующая реакции нити и силы притяжения,
изображенная на рис. 7, а, есть не что иное, как центростремительная
сила, заставляющая груз описывать вокруг земной
оси географическую параллель. В этой системе отсчета груз
отнюдь не находится в покое.
В системе же отсчета, жестко связанной с вращающейся
Землей, груз находится в покое. В этой системе мы можем
дать иное определение силы тяжести (рис. 7,6): сила тяжести
представляет собой векторную сумму силы притяжения и центробежной
силы.
Движение относительно земной поверхности
До сих пор нас интересовали только тела, покоящиеся относительно
поверхности Земли, т. е. неподвижные во второй
из рассмотренных нами систем отсчета. Обратимся теперь к
телам, совершающим движение в этой вращающейся системе
отсчета, т. е. будем рассматривать движение тел с нашей
обычной, повседневной точки зрения. Пусть это будет падающий
камень, или идущий поезд, или летящая ракета, или течение
в океане, или качающийся маятник.
В предыдущем разделе мы говорили о наблюдателе, который
«замечает» отклонение отвеса от направления к центру
Земли и таким образом устанавливает факт вращения Земли.
Конечно, предположение о возможности видеть центр Земли
относилось к области чистейшей фантазии и было использовано
нами лишь для наглядности изложения.
Обнаружить вращение Земли в случае, когда тела покоятся
относительно поверхности, не так-то просто, поскольку
из-за медленного вращения Земли сила тяжести мало отлича-
17

ется от силы притяжения. Это, однако, можно сделать, если
обратиться к движущимся телам.
Самолет, летящий в северном полушарии, постепенно отклоняется
вправо от выбранного направления. В южном полушарии
он отклоняется влево. То же происходит и с межконтинентальной
баллистической ракетой и с искусственным спутником
Земли.
Аналогично отклоняются постоянно дующие ветры — пассаты.
У двухколейных железных дорог в северном полушарии
скорее снашивается правый рельс, чем левый. В южном полушарии
— наоборот.
В северном полушарии реки, как правило, подмывают правый
берег, в южном — левый.
Тело, падающее с высокой башни, отклоняется от вертикали,
хотя нет ни малейшего ветерка, а ведь сила тяжести направлена
вертикально вниз! Отклонение происходит в основном
на восток и в очень незначительной степени на юг.
При долгих колебаниях маятника плоскость, в которой
происходят эти колебания, заметно поворачивается, хотя сила
тяжести (в которую, напомним, включена центробежная сила)
не выходит из этой плоскости.
Все эти явления объясняются вращением Земли. Если бы
Земля вращалась гораздо быстрее, то это вращение замечалось
бы и в повседневной жизни. При ходьбе нас бы, например,
сносило в сторону подобно тому, как будет сносить в сторону
человека, пытающегося идти от края вращающейся карусели
к ее центру.
Обычно (но не всегда) бывает удобно рассматривать движение
по отношению к земной поверхности, т. е. с точки зрения
наблюдателя, участвующего во вращении Земли и потому
не замечающего его. Эффект вращения Земли компенсируется
введением кориолисовой, или поворотной, силы инерции.
Эта сила присутствует почти во всех случаях движения тел
относительно земной поверхности, хотя из-за малой угловой
скорости вращения Земли она обычно очень невелика. Она
делается заметной лишь в тех случаях, когда движение происходит
с очень большой скоростью или в течение длительного
времени. Кориолисова сила равна нулю, когда направление
движения оказывается параллельным оси вращения Земли
(например, в момент пересечения поездом окватора с севера
на юг или с юга на север) или когда скорость равна нулю, г. е.
тело покоится относительно земной поверхности (этот случай
и рассматривался нами в предыдущем разделе).
Итак, если нас интересует движение тела в системе координат,
связанной с вращающейся Землей, то мы должны
ввести в рассмотрение и учитывать силу притяжения Земли,
переносную центробежную силу инерции (эти две силы вме-
18

сте образуют силу тяжести) и кориолисову силу \ а также и
другие действующие силы — силу тяги, сопротивление внешней
среды, «реакцию связи» (например, действие рельсов на
колеса поезда) и т. п. В случае покоящегося тела достаточно
учесть лишь силу притяжения и центробежную силу, составляющих
вместе силу тяжести, а также реакцию опоры.
Какой системой отсчета следует пользоваться при решении
тех или иных задач? Той, которая приводит к более простым
вычислениям. Даже в тех случаях, когда нас интересует путь,
вычерчиваемый на поверхности Земли движущимся телом, т. е.
для нас важно именно движение во вращающейся системе отсчета,
иногда оказывается проще пользоваться инерциальной
системой отсчета, не участвующей во вращении Земли.
Если, например, мы хотим выяснить, над какими точками
земного шара должен пролететь спутник, то можно рассматривать
Землю вращающейся внутри неподвижного обруча —
орбиты, по которой движется спутник. Движение спутника по
круговой орбите-обручу происходит равномерно. Поэтому
простая механическая модель — глобус внутри проволочного
кольца — поможет решить задачу. Между тем исследование
движения спутника в системе отсчета, связанной с вращающейся
Землей, требует очень громоздких вычислений.
Ускорение силы тяжести
Когда мы говорили, что сила тяжести на земной поверхности
неодинакова, то речь шла, конечно, о силе тяжести одного
и того же тела. Во избежание недоразумений лучше всего
относить силу тяжести к единице массы, т. е. делить ее на величину
массы тела.
Результат деления величины силы на массу часто называют
напряжением силы.
С другой стороны, согласно основному закону динамики
сила F равна произведению массы т тела на ускорение а, которое
сила сообщает этой массе:
F = ma.
Р
Отсюда а= —
. Поэтому ускорение совпадает с нап-
т
ряжением силы тяжести. В частности, ускорение силы тяжести
g измеряет собой напряжение силы тяжести.
1 В общем случае вращающейся системы отсчета может добавиться
-еще одна переносная сила инерции, перпендикулярная центробежной, происходящая
от неравномерности вращения. Но Земля вращается равномерно,
и поэтому эта сила инерции в наших рассуждениях отсутствует.
19

Ускорение силы тяжести может быть найдено опытным
путем по наблюдению свободного падения тел. При этом мож≪
но пренебречь тем незначительным искажающим влиянием,
которое будет оказывать кориолисова сила, и считать ускорение
свободного падения равным ускорению силы тяжести.
На полюсе §=983,1 1 см/сек2, на экваторе £=978,10 см1сек,2,
в Москве §=981,52 см1сек2, в Ленинграде §=981,93 см!сек2.
Эти значения, конечно, учитывают и центробежную силу и
влияние сплюснутости Земли. Обычно пользуются средним
значением §=981 см!сек2 или его округленными значениями
§=9,8 м!сек2 и даже §=10 м1сек,2. Естественно, что в последних
двух случаях нет нужды делать различие между ускорением
силы тяжести и ускорением силы притяжения.

НЕВЕСОМОСТЬ
Природа невесомости
Мы видели, что состояние весомости тесно связано с существованием
реакции опоры — поверхностной силы, уравновешивающей
объемные силы тяжести, приложенные к различным
частям тела. Очевидно, весомость отсутствует в двух
случаях: 1) если нет опоры, а значит и нет силы реакции, если
вообще отсутствуют поверхностные силы; 2) если нет силы
тяжести, т. е. отсутствует тяготение. Сначала рассмотрим наиболее
интересный первый случай.
Представим себе, что мы находимся в кабине лифта, и
трос, поддерживавший ее, вдруг внезапно оборвался. До этого
мы стояли на полу и чувствовали под собою опору. Когда
же началось падение, пол стал уходить у нас из-под ног.
Правда, мы тоже падаем вниз, но падаем точно с таким же
ускорением и такой же скоростью, с какой опускается пол
(если, как мы предполагаем, сопротивление воздуха падающему
лифту невелико). Пол ни в малейшей степени не препятствует
падению, т. е. реакция опоры равна нулю. Весомость
исчезла. Верхняя часть нашего тела не давит на нижнюю —
мы не ощущаем тяжести. Пружинные весы, на которых был
подвешен груз, показывают нуль: пружина не натянута. Тяжесть
исчезла.
Обрыв троса лифта — это, конечно, лишь «мысленный эксперимент».
Можно, однако, легко ощутить внезапное освобождение
ног от нагрузки, когда начинается движение вниз
скоростного лифта. В это время на короткое мгновение ослабляется
натяжение поддерживающего троса.
Парашютист во время затяжного прыжка с аэростата в
первые секунды падает почти свободно и при этом чувствует
себя невесомым. (При прыжке с самолета состояние невесомости
отсутствует, так как из-за большой скорости самолета
с самого начала ощущается очень большое сопротивление
встречного потока воздуха). Но дальше все больше и больше
дает себя знать сопротивление воздуха, которое стремительно
возрастает с увеличением скорости, и парашютист, еще до
раскрытия парашюта, снова обретает весомость, он начинает
чувствовать опору — его поддерживает воздух.
Возьмите в руки тяжелый чемодан и спрыгните со стола
на пол. В момент падения вы не почувствуете тяжести чемодана.
Правда, опыт продолжается такое короткое мгновение,
что нелегко проверить свои ощущения.
21

Подвесим груз на пружине. Освободим затем закрепленный
ранее верхний конец пружины, предоставив пружине с
грузом возможность свободно падать. Можно будет заметить,
что пружина в самом начале падения сократилась до длины,
которой она обладает в недеформированном состоянии.
Итак, при свободном падении наступает невесомость, если
скорость падения еще не велика и потому сопротивлением
воздуха можно пренебречь. Однако невесомость наступает не
только при свободном падении, но и при любом движении,
происходящем под действием одних только сил тяготения.
Рассмотрим движение космического корабля после того,
как уже в безвоздушном пространстве его двигатель прекратил
свою работу и корабль отделился от ракеты-носителя. Теперь
сам космический корабль, все его составные части, его
экипаж, приборы, все материальные частицы, образующие его,
получают совершенно одинаковые ускорения, сообщаемые силами
притяжений небесных тел. В самом деле, сила притяжения,
действующая со стороны Земли на какую-нибудь частицу
массой т, согласно закону всемирного тяготения, равна
F = f Mm
г* ’
где f — постоянная тяготения, М— масса Земли, аг — расстояние
частицы до центра Земли. С другой стороны, по основному
закону динамики эта сила равна F=ma, где a— ускорение,
сообщаемое частице притяжением Земли. Следователь-
fM
но, а = - -
.
г2
Но расстояние г от всех частиц космического корабля до
центра Земли практически одинаково. Поэтому земное тяготение
сообщает всем частицам одинаковые по величине ускорения.
Кроме того, эти ускорения, будучи все направлены к
центру Земли — по направлению силы притяжения, — практически
параллельны между собой, так как размеры космического
корабля ничтожно малы по сравнению с расстоянием
до центра Земли. Точно так же будут равны и параллельны
между собой ускорения, сообщаемые частицам корабля любым
другим небесным телом. Значит, и полные ускорения (от
всех сил тяготений небесных тел) для всех частиц будут одинаковы.
Но никакие другие внешние силы на частицы корабля не
действуют. Поэтому все частицы, если только в момент отделения
от ракеты-носителя они получают одинаковые скорости
будут в дальнейшем совершать под действием сил тяго-
1 При разных скоростях корабль получит вращательное движение
вокруг своего центра масс, что приведет к явлениям, описываемым в разделе
«Искусственная тяжесть в космическом полете».
22

тения абсолютно одинаковые движения, т. е. будут иметь
одинаковые скорости и траектории. Если бы все, что связывает
отдельные части корабля в одно целое, вдруг исчезло и корабль
превратился бы в совокупность разрозненных деталей,
то он бы сохранил неизменной свою форму; ни одна из его
частей не обогнала бы другую, так как ее движение ничем не
отличалось бы от движения другой части. На корабле же,
который не представляет собой совокупность разрозненных
деталей, этот эффект проявляется в том, что совершенно исчезает
обусловленное весомостью давление одной части корабля
на другую, давление головы на плечи человека, ступней человека
— на пол; человек не чувствует тяжести предмета, который
он держит; исчезает давление кресла пилота на опору и
т. д. и т. п. (Разумеется, давления и внутренние напряжения,
вызванные причинами иного характера, могут существовать
и в состоянии невесомости).
Все наши рассуждения в равной степени справедливы и
для корабля-спутника Земли, и для корабля, летящего на Луну,
и для межпланетного лайнера, движущегося в направлении
Марса или Венеры.
Более того, все сказанное практически верно не только для
случая космического полета, но и для любого свободного движения
вблизи земной поверхности, когда на тело действуют
только гравитационные силы, а сопротивление воздуха настолько
незначительно, что им можно пренебречь. Такое слабое
сопротивление бывает при малых скоростях тел. Поэтому,
например, в состоянии невесомости находится человек, перепрыгивающий
через препятствие (но не совершающий прыжок
на лыжах с трамплина, сопровождающийся значительным
сопротивлением воздуха). Чрезвычайная кратковременность
этого состояния не позволяет нам обратить на него внимания,
В состоянии невесомости находится брошенный камень.
При этом не имеет никакого значения направление бросания:
камень, летящий вверх, так же невесом, как и падающий
вниз или описывающий криволинейную траекторию.
Строго говоря, конечно, в этом случае, как и в других аналогичных,
следует говорить о «почти»-невесомости, а не о полной
невесомости, так как в какой-то степени при движении в
атмосфере должно сказываться сопротивление воздуха.
На рис. 8 изображена траектория американской ракеты
«Аэроби». На ее борту находились белые мыши, которых испытывали
на невесомость. Двигатель ракеты выключался на
высоте 19,2 км, и далее ракета летела в состоянии «почти»-
невесомости вверх до высоты 55 км и вниз до момента раскрытия
парашюта. После этого «почти»-невесомость исчезала.
Как видим, мыши находились в состоянии практической невесомости
в основном во время полета вверх, а вовсе не только
«при падении», как это часто утверждается в популярных
23

статьях. «Неполнота» невесомости объяснялась тем, что на
указанных высотах еще ощутимо сопротивление воздуха. Однако
тяжесть на борту ракеты нигде не превышала 10% нормальной
тяжести.
Невесомость в связанной системе отсчета
Возможно, что читатель, прочитавший предыдущий раздел.
окажется в некотором недоумении. «Ну, хорошо, — скажет
он. — Что такое состояние невесомости — понятно. Но ведь
все мы, миллионы советских и зарубежных граждан, видели
24
Рис. 8. Траектория высотной
ракеты при испытании
животных на невесомость.
Вблизи вершины траектории
из-за малой скорости ракеты
очень мало и сопротивление
воздуха; поэтому здесь наступают
условия почти полной невесомости.
Но, конечно, это
происходит не из-за того, что,
как думают некоторые, «ракета
оказывается далеко от Земли».
Испытание животных на невесомость
в ракетах производилось
неоднократно как в Советском
Союзе, так и в США. Ракеты,
несущие контейнеры с
животными, поднимались на
несколько сот километров над
Землей. «Почти»-невесомость
наступала при этом на высоте
нескольких десятков километров
(в момент выключения двигателя),
а условия полной невесомости
достигались значительно
раньше достижения вершины
траектории. Уже выше
100— 160 км сопротивление воздуха лишь в ничтожной степени
ощущается даже спутником Земли (оно сказывается на
большом числе оборотов); между тем движение спутника
происходит во много раз быстрее полета высотной ракеты и,
следовательно, должно сопровождаться значительно большим
сопротивлением.
Случай сопротивления среды мы рассмотрим подробнее в
следующей главе, когда будем говорить о перегрузке, сейчас
же подчеркнем еще раз, что при поступательном (без вращения)
движении тел под действием одних лишь сил тяготения
эти тела находятся в состоянии невесомости.

невесомость собственными глазами на экранах телевизоров,
когда советские космонавты совершали свой полет. Космонавты
даже специально для нас демонстрировали ее. Мы видели
карандаш, ускользающий из рук Павла Поповича, мы видели,
как Валерий Быковский слабым дуновением губ заставлял
бортовой журнал плавать по кабине, как Валентина Терешкова
следила глазами за беспорядочным движением предметов
в корабле.
Мы верим, что и карандаш, и бортовой журнал не испытывали
на корабле-спутнике внутренних напряжений, но нам
кажется, что чудо невесомости заключается не только в этом
и не столько в этом, а в том, что ни карандаш, ни журнал не
падали вниз, что они стали буквально легче пуха, что силы
тяготения, увлекающие все вниз, к Земле, как будто бы исчезли
на борту корабля, их действие совершенно ни в чем не проявлялось—
ни статически (тела не деформировались), ни динамически
(движение тел происходило независимо от сил тяготения).
Пусть на борту космического корабля исчезли опоры
для всех тел, но не могли же исчезнуть силы тяготения!».
Попробуем в этом разобраться. Начнем с сил тяготения.
Они, конечно, никуда не исчезли. Разумеется, карандаш, выпущенный
из пальцев руки космонавта, находится под действием
силы притяжения Земли, но «упасть на пол» он не
может. Как и все предметы на корабле, он и сам — спутник
Земли. Если бы карандаш не притягивался Землей, то совершал
бы прямолинейное движение со скоростью около
8 км!сек. Притяжение же Земли искривляет его путь, сообщая
ему ускорение, направленное к центру Земли. В результате
карандаш должен двигаться вокруг Земли по определенной
орбите1 — той же самой, по которой движется и весь космический
корабль.
Карандаш, когда он был отпущен космонавтом, имел ту
же скорость (если ему не был сообщен дополнительный толчок),
что и сам космонавт, неподвижный относительно кабины.
Иными словами, карандаш имел скорость космического
корабля, а так как притяжение Земли сообщало ему то же
ускорение, что и кораблю, то он, естественно, не мог ни догнать
какую-нибудь стенку кабины корабля (в частности, ту,
которую условно можно считать «полом»), ни отстать от нее.
Как видим, наблюдавшееся нами явление объясняется теми
же причинами, что и отсутствие взаимных давлений тел на
корабле, деформаций и внутренних напряжений — одинаковостью
величин и направлений гравитационных ускорений
всех частиц.
1 Если пренебречь сплюснутостью Земли, сопротивлением верхних слоев
атмосферы и влиянием других небесных тел, то орбита представляет
собой какой-нибудь эллипс (в частном случае, окружность).
25

Были ли предметы на корабле «легче пуха»? На этот вопрос
можно ответить по-разному в зависимости от того, какой
смысл вкладывается в выражение «легче пуха». Карандаш,
действительно, мог парить в воздухе сколько угодно, в то
время как пушинка в обычных, земных, условиях станет снижаться,
если нет направленного вверх тока воздуха.
Но разница в массах тел на космическом корабле не исчезла,
как не исчезли и сами массы тел. Космонавт мог бы легко
убедиться в этом, если бы вздумал вбить куда-нибудь
гвоздь. Это удалось бы ему не хуже, чем на Земле, ибо масса
молотка осталась неизменной. И если бы кабина корабля была
столь просторна, что в ней мог бы поместиться, скажем,
шкаф, то космонавту нелегко было бы простым дуновением
заметно сдвинуть его с места. И сила удара предметов, брошенных
космонавтом с одинаковыми скоростями, об одно и
то же препятствие оказалась бы тем больше, чем больше масса
тела. В этом смысле тела на корабле не стали легче пуха.
Вернемся, однако, к тем незабываемым минутам, которые
мы провели у экранов телевизоров, наблюдая советских космонавтов.
Почему столь яркое впечатление оставляло падение
предметов внутри кабины космического корабля? Только потому,
что мы наблюдали картину «глазами» телекамеры, находившейся
на борту космического корабля. Совершая то же
движение относительно Земли, что и космический корабль (со
скоростью 8 км!сек), камера неспособна заметить само это
движение. Разумеется, так же не замечает проявлений сил тяготения
и космонавт.
Говорят, что, когда воздушный шар уносится ураганом,
воздухоплаватель в корзине шара может прикурить от зажженной
спички. Спичка не гаснет, так как уносимый ветром
воздушный шар имеет скорость урагана, и поэтому скорость
ветра относительно шара равна нулю. Действия ветра воздухоплаватель
не замечает. Лишь взглянув вниз, он обнаруживает,
что стремительно проносится над полями и лесами.
Аналогичным образом, с точки зрения наблюдателя, движущегося
вместе с космическим кораблем под действием одних
лишь сил тяготения, на корабле как бы исчезают эти силы,
они не проявляют себя ни статически (в давлении на опору),
ни динамически (в падении тел). На корабле исчезают
понятия «низа» и «верха», «пола» и «потолка». Не глядя в
иллюминатор, космонавт не сможет определить, в какой стороне
находится Земля. Замечательно, что действие сил тяготения
«исчезает» (кажущимся образом) лишь потому, что эти
силы фактически получают максимальную свободу проявления:
никакие другие силы не влияют на полет корабля.
Рассмотрение явлений с точки зрения космонавта означает,
выражаясь языком механики, рассмотрение явлений в системе
отсчета, связанной с телом (или системой тел), движу-
26

щимся под действием одних лишь сил тяготения. Такую систему
отсчета мы будем для краткости называть связанной.
Связанная система отсчета, конечно, неинерциальна. Она
не может двигаться равномерно и прямолинейно, так как тело,
с которым она связана, под действием сил тяготения получает
какое-то ускорение. В неинерциальной же системе описание
явления требует (стр. 16) введения сил инерции, которые
должны как бы компенсировать отказ от рассмотрения
ускоренного движения системы отсчета.
Обратимся снова к примеру лифта, падающего после обрыва
троса. Нетрудно понять, что внутри лифта не только
исчезнут обусловливавшиеся весомостью внутренние напряжения
и деформации тел (о чем мы уже говорили), но и не
будет наблюдаться падение тел. Вода не будет выливаться
из бутылки. Маятник не будет качаться. Полностью исчезнет
представление о верхе и низе.
Неподвижный наблюдатель вне кабины лифта скажет, что
гиря попросту не может догнать пол кабины, так как движется
с тем же ускорением g и той же скоростью, что и пол, а
вода не выливается из бутылки просто потому, что не может
обогнать бутылку.
А наблюдатель, движущийся вместе с лифтом? Вообще
говоря, он тоже может стать на точку зрения неподвижного
наблюдателя и поймет причины происходящего. Но если он
захочет рассмотреть явление в естественной для него связанРис.
9. Невесомость в падающем
лифте.
27
ной системе отсчета, то должен
будет ввести силы инерции. При
этом к каждому телу внутри
кабины окажется приложенной
переносная сила инерции, равная
mg, где т — масса тела, а
g — ускорение падения, и направленная
противоположно ускорению,
т. е. вверх (рис. 9). Так как
сила тяжести каждого тела также
равна mg, то она уравновесится
силой инерции и потому в рассматриваемой
системе отсчета не
сможет себя ппоявить.
Аналогично, если мы желаем рассматривать явления в системе
отсчета, связанной с космическим кораблем, то должны
и тут ввести силы инерции. Каждая переносная сила инерции
будет равна силе притяжения данного тела (например, карандаша)
Землей, так как сила притяжения равна f —
J а
г2
fM
сила инерции равна та, где а - ускорение гела (см.
стр. 16). Но сила инерции направлена противоположно уско-

рению, т. е. от центра Земли, и потому уравновешивает направленную
к центру силу притяжения. В результате силы
притяжения не ощущаются. (Кориолисовы же силы инерции
отсутствуют, так как корабль движется вокруг Земли постутательно,
не вращаясь, — см. сноску на стр. 22).
Именно в этом заключается широко распространенное
объяснение явления невесомости. Обычно это объяснение приводится
для частного случая, когда космический корабль
является спутником Земли с круговой орбитой и сила инерции
представляет собой центробежную силу.
Объяснение это порочно в самой своей основе. Во-первых,
сил инерции фактически нет. Поэтому они по существу ничего
уравновесить не могут. Они лишь формально вводятся в
неинерциальной системе отсчета для того, чтобы в этой системе
можно было пользоваться законами механики.
Во-вторых, если даже забыть об условности сил инерции,
разве не может сила инерции «уравновесить» поверхностную
силу? Например, на рис. 7, а (стр. 15) сила инерции уравновешивала
силу притяжения и реакцию нити, на которой был подвешен
груз, но груз отнюдь не был в состоянии невесомости,
потому что одна из сил — сила натяжения нити — была поверхностной.
Конечно, когда поверхностных сил нет, то силы инерции
уравновешивают силы тяготения. Но сказать, что силы инерции
уравновешивают силы тяготения — это то же самое, что
сказать: никакие другие внешние силы, кроме сил тяготения,
на космический корабль не действуют. И все объяснение должно
начаться сначала.
Силы инерции только формально описывают явления в
неинерциальной системе отсчета, но чтобы понять то, что происходит,
в частности физическую природу невесомости, нужно
рассмотреть космический корабль «со стороны».
Точно так же можно было бы объяснить подмыв правого
берега рек в северном полушарии существованием кориолисовой
силы (см. стр. 18). Но сказать так было бы мало.
Нужно было бы еще объяснить происхождение кориолисовой
силы и значит признать, что причина подмыва — вращение
Земли.
Многие века люди объясняли восход и заход Солнца тем,
что Солнце движется вокруг Земли, и со своей «точки зрения»
они были правы: в системе отсчета, неизменно связанной с
Землей, т. е. вращающейся вместе с ней, Солнце и в самом
деле совершает за сутки один оборот вокруг Земли. Но согласимся
ли мы сейчас с таким «объяснением»?.
В заключение подчеркнем, что невесомость в смысле отсутствия
весомости, т. е. определенного внутреннего состояния
тел (определенного характера деформаций и напряжений в
них), наблюдает и тот, кто находится на борту космического
28

корабля, и тот, кто остался на Земле. Оба они заметят исчезновение
деформаций в момент наступления невесомости, заметят,
что жидкость приняла форму шара, и т. д.
Кстати сказать, исчезновение деформаций, происходивших
от весомости тел, объясняет, почему после выхода корабля
на орбиту все незакрепленные предметы сразу же поднимаются
с пола и начинают парить. Они отталкиваются от пола
подобно тому, как отталкивается мяч, восстанавливающий
свою шарообразную форму. Еще при первых испытаниях животных
на невесомость в высотных ракетах было замечено,
что после наступления невесомости кабина тотчас же наполнялась
облаками поднявшейся пыли.
Таким образом, невесомость носит абсолютный характер.
Это физическое явление не зависит от точки зрения наблюдателя.
Поэтому неудачно часто встречающееся употребление
термина «относительная невесомость».
Относительно только кажущееся (с точки зрения космонавта)
исчезновение влияния сил тяготения на движение тел.
Силы тяготения действительно не вмешиваются в перемещение
тел относительно друг друга внутри корабля. Иными словами
это можно выразить, если сказать, что на космическом
корабле исчезают динамические проявления сил тяготения.
Видимо, по этой причине иногда употребляется и неудачный
термин «динамическая невесомость».
Эквивалентность тяготеющей и инертной масс
В начале этой главы при выяснении причин невесомости
мы нашли выражение для ускорения, сообщаемого притяжением
Земли материальной точке с массой т. Оно оказалось
fM п
равным а = '
- , т. е. вовсе не зависящим от массы т. При
г2
этом мы воспользовались тем обстоятельством, что величина
массы т, входящая в выражения и закона всемирного тяготения
и основного закона динамики, попросту сократилась.
Но имели ли мы право на сокращение?
Масса т, входящая в закон всемирного тяготения
г с Мт
г2
характеризует способность тела притягиваться Землей и способность
его притягивать Землю. Ее можно назвать тяготеющей
массой. Масса же т, входящая в выражение основного
закона динамики (F=ma), характеризует нечто совсем иное,
а именно: инертность тела, его способность сопротивляться
воздействию силы (любой, а не только силы притяжения), его
29

«стремление» сохранить состояние покоя или равномерного
прямолинейного движения. Эту массу можно назвать инертной
массой.
То, что эти две массы эквивалентны, отнюдь не очевидно,
так как закон всемирного тяготения и основной закон динамики
в классической механике найдены на опыте совершенно
независимыми способами. Эквивалентность этих масс по существу
была доказана на опыте еще Галилеем, впервые обнаружившим,
что все тела — и легкие и тяжелые — падают в
пустоте совершенно одинаково, с одним и тем же ускорением.
Но одинаковость ускорений, сообщаемых силами тяготения в
одной и той же точке пространства, как раз и обусловливает
невесомость1.
Таким образом, и опытный факт, открытый Галилеем, и
невесомость представляют собой по существу одно и то же
явление, которое вытекает из эквивалентности тяготеющей и
инертной масс и, с другой стороны, является ее опытным доказательством.
Опыт Галилея повторялся неоднократно различными
физиками со все возрастающей точностью. Последнее
повторение относится к 1961 г., когда эквивалентность была
установлена с точностью до одной стомиллиардной части.
В заключение отметим, что эквивалентность тяготеющей и
инертной масс для классической механики лишь «счастливое»
случайное обстоятельство. Такое же обстоятельство, следовательно,
и невесомость. В природе, однако, не может быть
счастливых случайностей подобного рода, и неслучайно указанный
опытный факт лежит в основе общей теории относительности
А. Эйнштейна.
Влияют ли на вес и невесомость
притяжения небесных тел?
В предыдущей главе мы подробно рассмотрели влияние на
силу тяжести вращения Земли и ее сплюснутости у полюсов.
При этом мы совершенно забыли, что каждое тело на нашей
планете притягивается не только Землей, но и всеми другими
небесными телами, например Луной и Солнцем. Безусловно
притяжения этих тел вблизи земной поверхности гораздо слабее
притяжения Земли, но, казалось бы, они должны быть все
же замечены нами. В самом деле, ускорение, сообщаемое
Солнцем любому телу на Земле, составляет при среднем расстоянии
Земли от Солнца 0,592 сж/сек2, т. е. примерно 0,0006
ускорения силы притяжения Земли. Значит, тело весом в 1 т
1 Сокращавшиеся нами массы могли бы быть и не равны, а лишь пропорциональны
друг другу. Тогда в выражение для ускорения вошел бы
лишь постоянный коэффициент.
30

должно терять в своем весе (меньше давить на опору) 600 г,
когда в полдень Солнце находится в зените (что возможно в
тропических странах), и прибавлять столько же в полночь.
Однако никто никогда не замечал ничего подобного...
Наконец, нам бы следовало давно уже заметить, что в
течение суток, по мере того как Солнце перемещается по небу,
отвес изменяет свое положение, отклоняясь вслед за Солнцем.
При восходе и при заходе Солнца, когда направление на
дневное светило составляет прямой угол с направлением
верх— низ, отвес должен, казалось бы, отклониться от своего
среднего положения на угол, тангенс которого равен 0,0006,
т. е. примерно на 2 угловые минуты. При длине отвеса в 5 м
грузик отклонился бы на 3 мм в сторону! Это было бы легко
заметить. Однако не пытайтесь проделать и этот эксперимент:
он не удастся.
В чем же тут дело? Почему притяжение Солнца совершенно
не замечается нами в повседневной жизни, хотя его величина,
если и мала, то отнюдь не «пренебрежимо»?
Все дело в том, что притяжение Солнца сообщает и грузу
в 1 т и той платформе, на которой он находится, совершенно
одинаковое ускорение, совершенно одинаковое движение, так
как расстояние и от груза и от платформы до Солнца одно и
то же. Поэтому давление груза на платформу из-за притяжения
Солнца не может ни увеличиться, ни уменьшиться.
Точно так же движение под действием Солнца грузика, натягивающего
нить подвеса, не отличается от движения точки
прикрепления верхнего конца нити. Оба эти движения практически
не отличаются от движения всей нашей планеты вокруг
Солнца.
Попросту говоря, при рассмотрении явлений в нашей «земной»
системе отсчета притяжение Солнца не может быть замечено
по тем же причинам, по которым отсутствуют какие
бы то ни было проявления сил тяготения в системе отсчета,
связанной с космическим кораблем, движущимся под действием
одних лишь сил тяготения. Сама наша планета разве не
подобна космическому кораблю, совершающему вечное орбитальное
движение вокруг Солнца? Естественно, что на борту
такого корабля должна господствовать «невесомость по отношению
к Солнцу».
Чтобы мы могли «ощутить нашу солнечную тяжесть», мы
должны обрести опору относительно Солнца, для чего нужно
или совершить посадку на его поверхность или... закрепить
Землю в пространстве, прекратив ее «естественное» (под действием
одних лишь сил тяготения) орбитальное движение.
Нет, «солнечную» нашу тяжесть мы не ощутим никогда!
В космическом корабле, вплоть до посадки на поверхность
Луны или какой-нибудь планеты, заметить притяжение этих
небесных тел тоже невозможно. Это обстоятельство обычно
31

совершенно ускользает от внимания писателей-фантастов. Напротив,
в их произведениях часто утверждается прямо противоположное.
Даже у такого автора фантастических романов,
как известный польский писатель Станислав Лем, мы находим
в романе «Астронавты» утверждение, что когда космический
корабль, следующий на Венеру, пролетел вблизи Луны, то
уже на расстоянии 20 000 км от нее ощущался вес, вшестеро
меньший, чем на Земле. Между тем даже на расстоянии одного
метра от лунной поверхности при таком полете господствовала
бы невесомость, хотя на поверхности Луны вес тел и
в самом деле в 6 раз меньше, чем на поверхности Земли. То
же касается, конечно, и полета вблизи других планет, сколь бы
мощными полями тяготения они ни обладали.
Невесомость при отсутствии тяготения
До сих пор мы имели дело с невесомостью, возникающей
из-за отсутствия поверхностных сил. Но невесомость возникает
еще и при отсутствии сил тяготения. Это настолько очевидно,
что некоторым ошибочно представляется объяснением
той невесомости, о которой мы читаем в газетах.
Еще Жюль Верн в романе «Из пушки на Луну» проглядел
тот факт, что невесомость должна была наступить для его
героев уже в самом начале путешествия, в тот самый момент,
когда уносивший их пушечный снаряд оставил позади толщу
земной атмосферы. В романе невесомость, очень красочно
описанная, наступает значительно позже, уже вблизи Луны—
в момент достижения точки пространства, где уравновешиваются
земное и лунное притяжение. На самом же деле все чудесные
явления, происходившие внутри снаряда, должны
были начаться сразу же после выстрела фантастической
«колумбиады».
К сожалению, несмотря на то, что на ошибочность такого
объяснения невесомости неоднократно указывалось (например,
в книге Я. И. Перельмана «Межпланетные путешествия»),
оно стало почти традиционным в научно-фантастической
литературе.
Только в последнее время писатели-фантасты стали часто
рассказывать о почти полной, по их мнению, невесомости при
большом удалении от Земли. Так, в сыскавшем заслуженную
популярность романе И. Ефремова «Туманность Андромеды»
мы находим описание монтажа космической станции на высоте
57 000 км: «Работавшие стали ловки и уверенны, когда привыкли
к отсутствию — точнее, к ничтожности1— силы тяжести.
Но этих умелых работников скоро придется заменить новыми.
Курсив всюду в этой цитате наш
32

Длительная физическая работа без тяжести приводит к нарушению
кровообращения, которое могло стать устойчивым и
при возвращении на Землю превратить человека в инвалида.
Поэтому каждый работал на спутнике не более ста пятидесяти
рабочих часов и возвращался на Землю, пройдя реакклиматизацию
на станции «Промежуточная», вращающейся на высоте
девятисот километров над планетой». Автор явно полагает,
что на высоте 57 000 км невесомость на спутнике гораздо более
полная, чем на «промежуточной» высоте 900 км...
Но, конечно, отсутствие сил тяготения должно было бы
действительно привести к автоматическому исчезновению
весомости. Полностью исчезнуть притяжение какого-нибудь
небесного тела не может, хотя и может стать практически
совершенно несущественным. Кроме того, оно может быть
полностью уравновешено притяжением другого небесного
тела. Но так как в космическом полете невесомость возникает
прежде всего из-за исчезновения всех внешних поверхностных
сил, то последовавшее затем исчезновение сил тяготения ни
в чем не проявится. Поэтому достижение точки, в которой
уравновешиваются притяжения Земли и Луны (она находится
в среднем на расстоянии 38 000 км от центра Луны) с точки
зрения состояния невесомости, никакой роли не играет. Интересно,
что эта точка, вопреки распространенному мнению,
не играет никакой роли и в теории траекторий полетов
к Луне1.
Можно, однако, указать особый случай невесомости, возникающей
только от взаимного уравновешивания сил тяготения.
Правда, этот случай пока еще является чисто теоретическим,
но разве не была такой еще совсем недавно и «космическая»
невесомость? Речь идет о невесомости в центре Земли.
Вследствие полной симметрии
притягивающих
масс (мы предполагаем
Землю однородным сфероидом)
в центре Земли
уравновешиваются все силы
притяжения.
С углублением в недра
Земли сила притяжения
будет не увеличиваться,
как иногда думают, а Рис' ,0' Закон пр“ения °*«0P°*H°ro
уменьшаться по закону
прямой пропорциональности
расстоянию до центра. Это объясняется тем, что с прибли*
жением к центру Земли все большую роль играет «отрицатель-
1 Если читатель заинтересуется этим вопросом, он может обратиться к
книге «Ракетой к Луне» В. И. Левантовского. М., Физматгиз, 1960.
33

ное» притяжение «оставшейся позади» массы Земли. На рис.
10 показан график изменения силы притяжения Земли вне Земли
и внутри нее. Конечно, в центр Земли проникают силы тяготения
Солнца и планет (для сил тяготения нет никаких преград),
но по причинам, разъясненным в предыдущем разделе,
эти силы не должны ощущаться.
Рассмотрим еще один случай, сугубо теоретический, но
весьма поучительный. В известном научно-фантастическом
романе академика В. А. Обручева «Плутония» повествуется о
путешествии в недра Земли, причем Земля оказывается полой
внутри. В центре полости путешественники обнаруживают
Рис. 11. Закон притяжения однородного
полого шара≪
раскаленное тело. В отличие от автора романа допустим, что
в центре Земли нет никакого тела и что Земля представляет
собой однородный шар с пустой шарообразной же сердцевиной.
Математический анализ показывает, что, каков бы ни
был радиус шарообразного внутреннего «выреза», внутри полости
в любой ее точке (а не только в центре!) притяжение
должно полностью отсутствовать. На рис. 11 показан график
изменения силы притяжения такой «пустотелой» гипотетической
Земли.
Если бы Земля и в самом деле имела описанную структуру,
то, оказавшись на ее внутренней поверхности, мы не обнаружили
бы никаких проявлений сил притяжения. Тела не
только не давили бы на опоры и не были бы деформированы,
но и не падали бы. Они описывали бы при толчке лишь прямолинейные
траектории, так что малейший толчок мог бы
унести какое-нибудь тело за тысячи километров (в зависимости
от величины внутренней полости и направления толчка).
Подпрыгнув, путешественник мог бы достичь противоположной
точки поверхности шарообразной полости. В этом своеобразном
мире весомость можно было бы получить лишь искусственно,
с помощью методов, с которыми мы познакомимся.
Невесомость, происходящую от уравновешивания сил притяжения,
иногда называют «статической невесомостью».

ПЕРЕГРУЗКА
Негравитационная тяжесть
Допустим, что мы находимся на космическом корабле, пассивно
(с выключенным двигателем) движущемся в безвоздушном
пространстве под действием одних лишь гравитационных
сил. Силы тяготения совершенно не ощущаются нами.
На борту корабля господствует невесомость, т. е. полностью
отсутствуют обусловленные тяжестью деформации и внутренние
напряжения тел, причем силы тяготения совершенно не
вмешиваются в какие бы то ни было перемещения тел внутри
корабля.
Представим себе теперь, что мы включили на какое-то
время ракетный двигатель для того, чтобы совершить маневр
в мировом пространстве. В реальном космическом полете такой
маневр может понадобиться для выхода корабля на орбиту
искусственного спутника Луны или Марса, при исправлении
или изменении курса полета, при переходе на траекторию
спуска и т. д. Мы предположим, что продолжительность
действия двигателя такова, что космонавт имеет возможность
оглядеться и даже чуть-чуть поразмыслить.
Сначала будем рассуждать формально-логически. Если
корабль уже больше не находится под действием одних только
гравитационных сил, то на нем должно исчезнуть состояние
невесомости. В то же время нет никаких причин, которые бы
вдруг заставили обнаружиться силы тяготения, ничем себя
ранее не проявлявшие. Иными словами, на корабле должна
возникнуть весомость, но весомость совершенно особого происхождения,
никак не связанного с силами тяготения. Такую
весомость можно было бы назвать фиктивной, но лучше назвать
ее негравитационной весомостью, так как никакой «фикции»
тут нет: вновь возникшая весомость тел на борту космического
корабля, как мы сейчас убедимся, вполне реальна,
необычна лишь ее природа.
В самом деле, обратимся к физической сути явления.
На рис. 12 схематично изображен космический корабль,
летящий в безвоздушном пространстве с работающим двигателем.
Стремительно расширяющиеся газы — продукты сгорания
топлива — вытекают из сопла двигателя, создавая силу
тяги. Эта сила действует на корабль, заставляя его изменить
то движение, которое он совершал бы под действием одних
лишь гравитационных сил (не изображенных на рисунке).
35

Мы сказали «действует на корабль», но точнее будет сказать
«действует на корпус корабля», еще точнее «на двигатель
корабля» или даже «на сопло двигателя». В отличие от
сил тяготения, которые являются массовыми, т. е. действуют
на все частицы корабля, сила тяги непосредственно приложена
лишь в одном каком-то месте, а именно к соплу двигателя.
Заставляя двигаться сопло, а следовательно, и весь двигатель,
Рис. 12. Негравитационная тяжесть.
сила тяги, конечно, приводит в движение и весь корпус корабля,
и все, что к нему прикреплено. Но так как сила тяги—
не массовая сила, она заставляет в какой-то мере деформироваться
(сжиматься) корпус корабля подобно тому, как сжимается
пружина с грузом на конце, свободно лежащая на столе,
если мы, толкая другой ее конец в продольном направлении,
приведем ее в движение. Деформации корпуса будут
напоминать деформации любого предмета на земной поверхности
под действием тяжести. Причины именно такого характера
деформации станут более ясными из дальнейшего изложения
(стр. 39).
Космонавт в кабине корабля обретет весомость. Дно кабины,
движущейся под действием тяги двигателя, будет давить
на ноги космонавта, а ноги, естественно, на пол — «действие
равно противодействию». Тело космонавта будет испытывать
деформации, так как оно будет прижиматься к опоре
36

(полу) подобно тому, как прижимается к спинке дивана пассажир,
сидящий по ходу набирающего скорость поезда.
Если ранее, до включения двигателя, веревка с грузом,
привязанная в точке А одним своим концом, занимала произвольное
положение, то теперь она натянулась, так как конец
ее Л увлекается корпусом корабля.
После того как веревка натянулась, груз на другом ее
конце тоже стал участвовать в движении корпуса, совершаемом
под действием силы тяги F, но веревка продолжала быть
натянутой, поскольку ускорение грузу сообщалось лишь косвенно,
при посредстве конца веревки Л. Натянутая веревка
стала весьма напоминать отвес.
Итак, на космическом корабле после включения двигателя
стали обнаруживаться давления тел друг на друга, деформации,
характерные для весомых тел. Для каждого тела, связанного
с корпусом корабля, обнаружилась опора: дно кабины
— для человека, веревка — для груза, потолок кабины (теперь
уже можно говорить о «потолке») — для веревки...
Но этого мало. Тела, не прикрепленные к корпусу корабля,
стали с точки зрения космонавта совершать внутри кабины
такие движения, будто бы на них подействовали какие-то силы,
притягивающие их к дну кабины. В самом деле, перережем
веревку около точки А. Теперь она не участвует в движении
корабля, создаваемом двигателем, а участвует лишь вместе
со всем кораблем в движении, сообщаемом силами тяготения.
Поэтому дно кабины, движущееся ускоренно, начнет приближаться
к веревке с грузом и достигнет ее тем быстрее, чем
большее ускорение сообщает тяга двигателя корабля.
Но космонавт, участвующий в движении корабля и потому
не замечающий этого движения, скажет иначе. Он ясно увидит,
что веревка с грузом движется к дну кабины, а не дно —
к веревке с грузом. «Она падает на пол», — скажет космонавт.
Он увидит, что карандаш, выпущенный из пальцев, упадет
на пол, а вода выльется из опрокинутого стакана.
Мы, не участвующие в движении корабля, как бы наблюдающие
явления в его кабине сквозь прозрачные стенки, скажем:
пол, движущийся ускоренно, нагоняет карандаш, который,
будучи выпущен из пальцев руки, перестал участвовать
в движении под действием тяги двигателя; стакан, уносимый
космонавтом, принимающим участие в этом движении, как бы
«соскочил» с заключенной в него воды, которая, участвуя (как
и весь корабль) лишь в движении под действием сил тяготения,
не может «угнаться за стаканом».
Но в системе отсчета, связанной с кораблем и вполне естественной
для космонавта, ибо это та система, в которой он
живет, все явления происходят так, будто бы в кабине имеется
некоторое поле сил тяжести, прижимающее к опоре (дну кабины)
притягиваемые предметы, а также заставляющее их па-
37

дать ускоренно сверху вниз. Направление отвеса указывает
направление этих своеобразных сил тяжести негравитационного
происхождения. Очевидно, эти силы направлены в точности
противоположно силе тяги, т. е. направлены в ту же
сторону, в какую из сопла двигателя вытекают раскаленные
газы (рис. 12, а).
В начале этого раздела мы предположили, что двигатель
космического корабля включается уже после того, как в течение
какого-то времени на корабле господствовала невесомость.
Это предположение делалось исключительно ради наглядности
рассуждений, так как оно облегчало нам понимание
природы возникновения негравитационной тяжести на космическом
корабле. Но в наших рассуждениях, конечно, ничего
не изменится, если предположить, что невесомость еще не
наступала и космический корабль, оторвавшийся с помощью
мощной ракеты-носителя от земной поверхности, набирает
необходимую для выхода на орбиту скорость, вырвавшись в
заатмосферное пространство. Любопытно, что если при этом
разгон происходит в направлении, параллельном земной поверхности
(в самом конце вывода корабля-спутника на орбиту),
то космонавту должно казаться, что эта поверхность «стала
дыбом»: ведь низ он ощущает в той стороне, где находится
работающий двигатель.
Участок траектории, на котором работает ракетный двигатель,
называется активным участником полета. Во время
космического путешествия таких участков может быть
несколько. Самый первый и самый важный из них начинается
стартом с Земли и вначале проходит в плотных слоях атмосферы.
Здесь наши рассуждения нуждаются в некоторых поправках,
так как нужно учесть влияние атмосферного сопротивления.
Этим мы займемся несколько позже.
Ускорение негравитационной силы тяжести
Попробуем оценить величину напряжения негравитационных
сил тяжести на борту космического корабля. Для этого
нужно знать, какое ускорение сообщают негравитационные
силы тяжести телам, падающим в кабине корабля. Очевидно,
это ускорение, одинаковое для всех тел на корабле, равно по
величине, но направлено противоположно ускорению, сообщаемому
всему кораблю силой тяги двигателя (F тяги). Это
последнее ускорение, называемое реактивным ускорением или
ускорением силы тяги, можно найти, разделив силу тяги на
массу корабля:
F тяги
dp т
38

Реактивное ускорение — это то ускорение, которое имел
бы космический корабль, если бы он двигался под действием
одной лишь силы тяги. Поэтому оно не совпадает с полным
ускорением, которое определяется всеми действующими на
корабль силами (ибо фактическое движение определяется
всеми силами). Полное ускорение слагается из реактивного
ускорения и гравитационного ускорения по обычному правилу
сложения векторных величин. Величина гравитационного ускорения
определяется по формуле, приведенной на стр. 22.
Его направление вблизи Земли можно считать совпадающим
с направлением на центр нашей планеты, если пренебречь
несферичностью Земли и влиянием других небесных тел.
На рис. 12, б показано построение полного ускорения с помощью
векторного параллелограмма («параллелограмма ускорений»),
а на рис. 12, в — с помощью векторного треугольника
(«треугольника ускорений»). В дальнейшем мы в основном
будем пользоваться треугольником, чтобы не загромождать
поле чертежа лишними линиями.
Заметим, что параллелограмм ускорений на рис. 12, б по
существу отличается от параллелограмма сил, действующих
на корабль, лишь масштабом и размерностью изображаемых
величин. Достаточно каждый из векторов умножить на массу
корабля, и мы получим векторный параллелограмм (нет
смысла показывать его на отдельном рисунке), в котором две
стороны будут изображать силу тяги и силу притяжения, а
диагональ — их равнодействующую, равную произведению
массы корабля на его истинное ускорение. Аналогично можно
трактовать и векторный треугольник на рис. 12, в.
Ускорение а негравитационной силы тяжести может быть
измерено космонавтом или посредством определения времени
падения тел секундомером по формуле1 s=-— или путем
деления «негравитационного веса» какого-нибудь тела (измеряемого
с помощью пружинных весов) на его массу (известную
заранее по «земным» измерениям). Очевидно, найденное
таким образом ускорение будет в точности равно по величине
реактивному ускорению, измеряемому неподвижным наблюдателем,
но противоположно направлено.
Негравитационные силы тяжести являются массовыми.
Каждая из них равна та, где т — масса любой частицы,
а = ар — общее для всех частиц ускорение. Поэтому характер
деформаций и внутренних напряжений в телах, покоящихся
относительно космического корабля, таков же, как и при обычной,
гравитационной весомости.
1 При этом измеряемое ускорение уевличивается, так как масса, ускоряемая
тягой, уменьшается вследствие отделения падающего тела. Но
этот эффект ничтожен, если масса тела достаточно мала по сравнению с
массой корабля.
39

Опишем теперь явления, происходящие в космическом корабле,
в связанной системе координат. Мы должны ввести в
рассмотрение переносную силу инерции, так как наша система
координат движется с ускорением. Наблюдающееся в связанной
системе отсчета (с точки зрения космонавта) ускорение
негравитационной силы тяжести, очевидно, должно складываться
из гравитационного ускорения и ускорения силы
инерции. Последнее представляет собой вектор, равный по величине
и направленный противоположно полному ускорению
корабля. На рис. 12, г изображен соответствующий треугольник
ускорений.
Эквивалентность сил инерции и сил тяготения
Представим себе теперь, что космонавт лишен возможности
узнать величину и направление гравитационного ускорения.
Пусть, например, в его кабине «задраены иллюминаторы»,
и он не знает, в какой стороне находится небесное тело,
вблизи которого он движется, да вдобавок не имеет ни малейшего
представления о расстоянии до него. Тогда космонавт
Q)
Рис. 13. Эквивалентность сил инерции и сил тяготения.
ничего не может сказать ни о гравитационном ускорении, ни
об ускорении силы инерции. Он, например, может предположить,
что эти два ускорения направлены так, как изображено
на рис. 13, а, или так, как на рис. 13, б, или любым другим
способом. Каким именно образом из гравитационного ускорения
и ускорения силы инерции складывается наблюдаемое им
ускорение негравитационной силы тяжести, космонавт сказать
не сможет. Он вправе предположить, кстати сказать, что никакого
ускорения силы инерции нет (нет и самой силы инерции)
и ускорение негравитационной силы тяжести складывается
из одного только гравитационного. И наоборот, он может
думать, что ускорение негравитационной силы тяжести
создается одной только силой инерции, а тяготение вовсе отсутствует.
40

Иначе говоря, космонавт совершенно не способен, не обладая
дополнительной информацией, отделить гравитационные
силы от сил инерции. Силы инерции оказываются совершенно
эквивалентными силам тяготения. В этом заключается принцип
эквивалентности Эйнштейна.
Эквивалентность сил инерции и гравитационных сил объясняется
тем, что как те, так и другие являются массовыми
силами, действующими на каждую материальную частицу
движущейся системы (космического корабля в нашем примере)
и пропорциональными массам тел, на которые они действуют.
Эта эквивалентность была бы, конечно, невозможна,
если бы отсутствовала эквивалентность инертной массы (которой
пропорциональна сила инерции) и тяготеющей массы
(которой пропорциональна сила всемирного тяготения).
С частным случаем проявления принципа эквивалентности
мы встречались в предыдущей главе, изучая невесомость. При
этом ускорение негравитационной силы тяжести равнялось
нулю и треугольник ускорений превращался в «двуугольник»^
состоящий из двух, векторов, равных по величине и противоРис.
14. Эквивалентность сил
инерции и сил тяготения при
невесомости.
тивное ускорение в точности равно по величине и противоположно
по направлению гравитационному ускорению, а полного
ускорения нет совсем. Это значит, что сила притяжения
41
положно направленных, — гравитационного ускорения и ускорения
силы инерции. Но как именно направлены оба вектора—
как на рис. 14, а или на
рис. 14, б, или как-нибудь иначе— Q)
космонавт сказать не может.
Конечно, космонавт может легко
перейти от движущейся системы
отсчета, связанной с кораблем,
к неподвижной. Тогда вместо
треугольника на рис. 12, г он начертит
треугольник на рис. 12, в,
вместо «ускорения негравитационной
силы тяжести» будет говорить
о «реактивном ускорении», а
вместо «ускорения силы инерции»
— о «полном ускорении» корабля.
Но это не избавит его от
серьезнейших трудностей. Он не
будет знать ни величину, ни направление
гравитационного и
истинного ускорения, а будет
знать лишь реактивное ускорение.
Любой из треугольников, показанных
на рис. 15, а и б (они аналогичны треугольникам на
рис. 13, а и б), будет для него вполне возможен.
В частности, космонавт вправе предположить, что реак-

полностью уравновешивается силой тяги и космический корабль
неподвижен или движется равномерно и прямолинейно.
Первый случай имеет, например, место при вертикальном
старге, когда величина силы тяги достигает величины силы
притяжения Земли и ракета повисает над Землей, как бы поддерживаемая
столбом раскаленных газов, извергаемых из
сопла ракеты. В это время в кабине космонавта господствует
негравитационная тяжесть, ничуть не отличающаяся от обычной
тяжести. Если бы не вибрации корпуса ракеты и гул работающего
двигателя, космонавт мог бы вообще думать, что
Рис. 15. Неопределимость полного ускорения.
команда на старт не подавалась и космический корабль покоится
на Земле, причем сила реакции уравновешивает силу
притяжения. Конечно, при этом космонавт наблюдает в кабине
обычные «земные» проявления сил тяготения, обычную
«гравитационную» тяжесть. Космонавт оказывается неспособным
отличить негравитационную тяжесть, создаваемую силой
тяги, от гравитационной тяжести, возникающей из-за наличия
силы реакции.
Собственно говоря, переход от гравитационной тяжести к
негравитационной происходит при старте постепенно. Когда
включается двигатель ракеты, ее тяга не мгновенно достигает
необходимой величины, а увеличивается «от нуля». Вплоть до
того момента, как величина тяги сравняется с силой тяжести
ракеты, сумма силы реакции и силы тяги остается равной
силе тяжести, причем сила реакции (а значит, и давление ракеты
на «стартовый стол») постепенно падает, обращаясь в
нуль, когда ракета «повисает на столбе газов». Конечно, космонавт
в течение всего этого промежутка времени не замечает
никаких изменений в обычных проявлениях силы тяжести.
Выходит, что нет разницы между воздействием на внутренность
космического корабля силы тяги и силы реакции опоры,
если эти силы равны по величине.
Пусть какой-то предмет стоит на полу. Он находится в состоянии
весомости, будучи деформирован совместным действием
сил притяжения и силы реакции опоры. Если теперь
42

приложить к этому телу силу, равную силе реакции, но
снять все силы притяжения, то внутреннее состояние тела не
изменится.
Обобщив, мы можем считать, что силы тяготения вообще
никогда (ни при покое, ни при движении) не ощущаются телами,
а весомость полностью определяется одними лишь поверхностными
силами, т. е. всегда носит негравитационный характер.
В частности, можно высказать парадоксальное утверждение:
весомость, которую мы ощущаем, стоя на ногах, имеет
причиной не столько силу притяжения Земли, направленную
вниз, сколько силу реакции, направленную...
вверх. Правда,
сила реакции не могла бы возникнуть
без силы притяжения.
Доска, на которую опирается
человек, стоя на качелях
(рис. 16), создает реакцию, направленную
вдоль его тела.
Именно эта реакция вызывает
ощущение направления кажущейся
силы тяжести и определяет
кажущееся направление
верх— низ, не имеющее ничего
общего с направлением вертикали
для человека, стоящего на
земле, рядом с качелями. Недаром
тому, КТО Качается на Рис. 16. Кажущаяся вертикаль на
качелях, кажется, что земная качелях.
поверхность то поднимается, то
опускается.
Аналогичные ощущения испытывает летчик на вираже.
Для него направление ощущаемой тяжести определяется
только реакцией кресла. Последняя, конечно, зависит от движения
самолета, а оно в свою очередь от силы тяги и аэродинамических
сил. Однако достаточно знать направление реакции,
чтобы предсказать ощущения летчика.
Позволим себе немного пофантазировать. Представим себе
в отдаленном будущем человека, который родился и вырос
на борту космического корабля, странствующего по просторам
вселенной. Он привык продолжительное время находиться
в состоянии невесомости, которое совершенно не вредит его
здоровью. Иногда он, однако, оказывается в состоянии негравитационной
весомости. Это случается тогда, когда на некоторое
время включаются двигатели корабля, заставляющие его
изменять свою траекторию. Космонавт с самого рождения
привык, что силы притяжения со стороны небесных тел никак
не проявляются на его корабле, а лишь заставляют его странствовать
от одного небесного тела к другому. Состояние весо-
43

мости связывается у этого космонавта вовсе не с притяжением
небесных тел (как у нас, живущих на поверхности Земли), а
только с работой двигателей корабля. Когда космонавт впервые
в жизни сойдет на почву какой-нибудь планеты, то скажет,
наверное: «Забавно! Я нахожусь в таком состоянии,
будто бы эта планета движется под действием собственного
ракетного двигателя! Даже предметы падают на ее поверхность!
Ну точно, как у нас на корабле, когда капитан приказывает
включить двигатель и появляется весомость». А может
быть, он употребит вместо слова «весомость» совсем иной
термин, пока еще нам неизвестный...
Инерциальная навигация
Пилот космического корабля, который ничего не видит вокруг
и способен лишь измерить реактивное ускорение — отнюдь
не надуманный образ. Именно в таком положении находится
«автоматический пилот», когда космический корабль
управляется инерциальной системой навигации,
Любая система навигации должна ответить на два вопроса:
где находится космический корабль, в каком направлении
и с какой скоростью он движется? Зная ответы на эти вопросы
(зная «навигационные элементы»), автопилот (или живой
космонавт) может принять меры к исправлению курса, если
расчетная траектория полета искажена.
Инерциальная система навигации полностью автономна,
т. е. не пользуется средствами управления, находящимися на
Земле. От других автономных систем навигации (например, от
астрономической системы навигации — ориентации по звездам)
инерциальная система принципиально отличается тем,
что она совершенно не нуждается ни в каких сигналах, приходящих
со стороны. Она не использует ни световые волны, ни
радиоволны, приходящие от звезд, ни магнитное поле Земли,
ни даже просто наблюдение земной поверхности. Она абсолютно
«слепа и глуха» и основана лишь на механических эффектах
внутри космического корабля, сопровождающих полет.
Вообразим себе, что мы находимся на космическом корабле,
движущемся под действием тяги двигателя так далеко от
небесных тел, что их притяжение совершенно не сказывается
на полете. Допустим, что направление тяги двигателя не меняется.
Тогда наш корабль движется по прямой линии, причем
его ускорение а равно реактивному ускорению. Для любого
момента времени t мы можем найти скорость корабля v и
пройденный им путь s.
Если ускорение а постоянно, то скорость найдется по известной
школьной формуле v=at, а путь — по формуле s=
44

Если а переменно, то сначала мы найдем величины v и s
для такого небольшого промежутка времени А/, для которого
величину ускорения а можно считать практически неизменяющейся.
Затем найдем приращение скорости для следующего
небольшого промежутка времени, когда ускорение можно
считать тоже неизменным (но уже другим по величине). Добавив
это приращение к прежней скорости, мы найдем скорость
в новый момент времени и т. д. Аналогичную операцию
мы сможем провести при вычислении пути. Таким образом,
для любого момента времени мы сможем вычислить путем
суммирования приращений скорости и пути («путем интегрирования»)
скорость корабля и пройденный им путь.
Если бы тяга меняла свое направление, то мы бы разложили
совершающееся криволинейное движение на три прямолинейных
(по трем взаимно-перпендикулярным осям) и смогли
бы узнать скорость и путь для каждого из этих трех движений,
а следовательно, полную скорость корабля и его местонахождение
в пространстве в любой момент времени.
Но так просто обстоит дело лишь вне гравитационных полей.
В действительности же вблизи Земли, например на активном
участке траектории баллистической ракеты или ракеты-носителя
спутника, реактивное ускорение не равно истинному
ускорению. Между тем средствами механики может
быть измерено лишь реактивное ускорение, противоположное
по направлению и равное по величине ускорению негравитационных
сил тяжести.
Это ускорение измеряется с помощью специальных приборов,
называемых акселерометрами, т. е. «измерителями ускорения».
Как видим, это название весьма неточно отражает
положение вещей, так как акселерометр принципиально не
способен измерить полное ускорение, которое только и должно
нас интересовать.
Простейший акселерометр по принципу своего действия не
отличается от динамометра — пружинных весов, известных
каждому школьнику. Динамометр в кабине космического корабля,
изображенного на рис. 12, а, должен показывать негравитационную
силу тяжести. Если его показания не будут отличаться
от «нормальных», то это будет означать, что ускорение
негравитационных сил тяжести на борту корабля равно
9,8 м1сек? и, следовательно, реактивное ускорение корабля
будет составлять также 9,8 м)сек,\ или 1 g, где g— ускорение
силы тяжести на поверхности Земли. Если же килограммовая
гиря растянет пружину динамометра так, что он будет показывать
два килограмма, то реактивное ускорение будет равно
9,8 • 2= 19,6 м!сек2, или 2 g, и т. д. Таким образом, достаточно
только соответствующим образом проградуировать динамометр,
и он превратится в акселерометр.
На практике применяются акселерометры различных ти-
45

пов, в которых роль пружины играют электрические и другие
силы, но всегда имеется масса, реагирующая на негравитационную
тяжесть. Важно всегда помнить, что акселерометр любого
типа измеряет лишь ускорение негравитационной силы
тяжести, или (см. рис. 12, г) векторную сумму гравитационного
ускорения и ускорения силы инерции.
Вектор реактивного ускорения на практике измеряется с
помощью трех акселерометров, расположенных так, что они
измеряют составляющие реактивного ускорения по трем взаимно-перпендикулярным
неизменным направлениям. Система
навигации хранит в себе эти направления с помощью так называемой
гироплатформы, положение которой в пространстве
не изменяется, несмотря на повороты корпуса ракеты. Неизменность
ориентации гироплатформы в пространстве достигается
с помощью гироскопов.
Зная составляющие вектора реактивного ускорения по
трем взаимно-перпендикулярным направлениям и добавив к
ним составляющие вектора гравитационного ускорения по тем
же направлениям, мы сможем путем интегрирования вычислить
для любого момента времени скорость и пройденный
путь по каждому направлению. Однако составляющие гравитационного
ускорения никакими приборами на ракете измерены
быть не могут, и данные о них должны быть заранее
заложены в вычислительное устройство.
Таков в самых общих чертах принцип работы системы
инерциальной навигации на активном участке полета ракеты.
Цель этой системы — заставить ракету по заданной траектории
достичь определенной точки пространства с заданной по
величине и направлению скоростью.
Как видим, при конструировании инерциальной системы
навигации очень важно понимать, что гравитационное ускорение
не может быть замерено приборами космической ракеты.
Оно может быть вычислено из треугольников на рис. 12, в или
г только в том случае, если мы каким-либо независимым путем
найдем вектор полного ускорения. Это можно, например,
сделать с помощью методов радионавигации.
Полет в сопротивляющейся среде
Рассматривая движение ракеты на активном участке, мы
для простоты не учитывали влияния атмосферы. На самом
же деле на поверхность ракеты при ее полете в атмосфере действуют
бесчисленные силы давления воздуха, результирующая
которых дает аэродинамическую силу. Силу тяги и аэродинамическую
силу (относящиеся к поверхностным силам) мы
будем объединять вместе термином негравитационные силы.
46

Аэродинамическую силу можно условно разложить на силу
лобового сопротивления, направленную противоположно
вектору скорости1 ракеты, и подъемную силу, перпендикулярную
вектору скорости (рис. 17, а). Подъемная сила, если ракета
не обладает крыльями, невелика. Она вовсе равна нулю,
когда продольная ось ракеты совпадает с направлением скорости,
что бывает, например, при вертикальном полете.
Рис. 17. Негравитационная тяжесть при наличии сопротивления
среды.
На рис. 17, б показано построение равнодействующей всех
сил, действующих на ракету, с помощью силового многоугольника.
Полученная равнодействующая, по основному закону
динамики, равна произведению массы ракеты на ее ускорение.
На рис. 17, в изображен многоугольник ускорений. Здесь
векторная сумма ускорений, сообщаемых ракете действующими
на нее силами, дает нам вектор полного ускорения ракеты.
Этот многоугольник лишь масштабом и размерностью изображенных
величин отличается от многоугольника на рис. 17, б.
Рассмотрим теперь явления, происходящие в кабине пилота.
Пусть пилот выпустил из руки карандаш. На карандаш
1 Этот вектор в общем случае не совпадает с продольной осью ракеты.
47

действует теперь одна лишь сила притяжения Земли, в то время
как весь корабль движется под действием силы притяжения,
силы тяги и аэродинамической силы. Движение под действием
силы притяжения не вмешивается во взаимные перемещения
карандаша и корабля (этот факт нами был выяснен
еще в предыдущем разделе), и пол кабины будет нагонять
карандаш с негравитационным ускорением анг , равным векторной
сумме реактивного и аэродинамического ускорений.
Пилот же, находящийся в кабине, будет наблюдать движение
карандаша с ускорением негравитационной (кажущейся)
силы тяжести, противоположным по направлению негравитационному
ускорению и равным ему по величине. В системе отсчета,
связанной с движущимся кораблем, для описания явлений
следует, как и раньше, вводить силу инерции. Ускорение
негравитационной силы тяжести будет равно векторной сумме
гравитационного ускорения и ускорения силы инерции, которое
равно по величине и противоположно по направлению
вектору полного ускорения корабля (рис. 17, г). Как и раньше,
пилот не сможет методами механики разделить эги два
складывающиеся между собой ускорения. По этой причине
система инерциальной навигации может измерить лишь негравитационное
ускорение, изображенное на рис. 17, в. Именно
оно при вычислениях положения корабля играет ту роль,
которую в предыдущем разделе играло реактивное ускорение.
Итак, при полете, происходящем в атмосфере, на летательном
аппарате ощущается поле негравитационных сил тяжести,
определяющееся равнодействующей негравитационных
внешних сил — силы тяги и аэродинамической силы. Направление
этой равнодействующей определяет положение отвеса в
аппарате (см. рис. 17, а). Это утверждение относится в равной
мере и к ракете, и к самолету.
Могут спросить: «Как же так? Разве в летящем самолете
мы не ощущаем обычной тяжести?» Да, в самолете, летящем
равномерно, прямолинейно и горизонтально, пассажиры чувствуют
нормальную тяжесть. Это происходит от того, что ускорение
полета равно нулю, т. е. равна нулю равнодействующая
всех сил: сила тяжести1 уравновешивается противоположно
направленной подъемной силой, а сила тяги— лобовым
сопротивлением (рис. 18, с и б). На рис. 18, в изображен многоугольник
ускорений, соответствующий рис. 17, в. Он замкнут,
для полного ускорения «нет места», оно равно нулю. Как
видно из рис. 18, г, соответствующего рис. 17, г, ускорение
негравитационных (кажущихся) сил тяжести на борту самолета,
равное и прямо противоположное ускорению негравитационных
внешних сил, оказывается равным ускорению обыч-
1 В данном случае лучше говорить о силе тяжести, а не о силе притяжения.
48

ной силы тяжести. Иначе говоря, тяжесть на борту самолета
является нормальной.
Для пассажиров нет разницы между ощущениями в воздухе
при равномерном горизонтальном полете и ощущениями
Рис. 18. Тяжесть на борту самолета.
после посадки. В воздухе подъемная сила играет роль силы
реакции, действующей на земле со стороны аэродромной площадки.
А именно сила реакции, как мы знаем (стр. 43), «отвечает»
за весомость.
Перегрузки при полете корабля-спутника
Выше (стр. 42) мы подробно рассмотрели начало старта
космической ракеты. Чтобы ракета, «повисшая на столбе газов»,
начала затем набирать скорость, тяга ее двигателей —
их может быть несколько — должна превысить силу притяжения
Земли (силу тяжести). При этом в кабине космонавта будет
господствовать негравитационная тяжесть, полностью
определяющаяся силой тяги. Величина направленного вниз
ускорения этой силы тяжести будет превышать g.
С увеличением скорости ракеты все больше будет сказываться
сопротивление воздуха. Равнодействующая силы тяги
и сопротивления воздуха, определяющая негравитационную
тяжесть в кабине, будет превышать силу притяжения Земли
(иначе бы скорость ракеты не увеличилась). Поэтому ускорение
этого поля и теперь будет превышать g.
Когда затем направление полета отклонится от вертикального,
ось ракеты не будет совпадать по направлению со ско-
49

ростью, негравитационная тяжесть будет по-прежнему определяться
равнодействующей силы тяги и аэродинамической
силы (см. рис. 17 ).
В конце участка разгона, уже за пределами плотных слоев
атмосферы, ракета-носитель переходит на полет, близкий к
горизонтальному. Аэродинамические силы на этой высоте (до
200 км над Землей) практически отсутствуют, и негравитационная
тяжесть в кабине по существу целиком определяется
силой тяги последней ступени ракеты.
Огромное количество топлива выгорает в ракете за те
несколько минут, пока продолжается разгон ракеты За это
время ракета, точнее, ее последняя ступень, разгоняется до
первой космической скорости.
Как полное ускорение ракеты, так и ускорение негравитационных
сил тяжести на ее борту почти на всем протяжении
активного участка значительно превышают ускорение силы
тяжести g. Космонавт оказывается под действием значительно
большей негравитационной тяжести, чем земная тяжесть у
поверхности нашей планеты. Он испытывает сильную перегрузку.
Число, показывающее, во сколько раз напряжение негравитационных
сил тяжести больше напряжения силы тяжести
на поверхности Земли, называется коэффициентом перегрузки.
Коэффициент перегрузки есть, таким образом, отношение
величины ускорения анг негравитационных сил тяжести
к ускорению свободного падения g:
г Янг
k - -
.
g
Если принять величину g=9,8 м!сек2 за особую единицу ускорения,
то соответствующим образом проградуированный акселерометр
в кабине космонавта покажет величину ускорения
негравитационных сил тяжести, равную (в принятых единицах)
коэффициенту перегрузки.
Умножим числитель и знаменатель дроби в правой части
формулы для коэффициента перегрузки на массу ракеты т:
/ИЙНГ F нг .
mg
~
Р ’
здесь FHr — величина равнодействующей внешних негравитационных
сил — силы тяги и аэродинамической силы, а Р —
сила тяжести ракеты в предположении, что ракета находится
на поверхности Земли. Таким образом, коэффициент перегрузки
равен отношению равнодействующей внешних негравитационных
сил к тому весу, который ракета имела бы на земной
поверхности при массе, равной ее массе в данный момент.
На всем активном участке коэффициент перегрузки значительно
превышает единицу. При запусках американских кораблей
«Меркурий» он доходил до 8. Лишь в самом конце
участка, когда сила тяги падает до нуля, коэффициент пере-
50

грузки также падает до нуля, т. е. наступает состояние невесомости.
Участок вывода космического корабля на орбиту в принципе
может состоять из нескольких активных участков, между
которыми возможно состояние невесомости. Так может быть,
например, в том случае, когда после прекращения работы двигателя
предыдущей ступени двигатель последующей ступени
включается не сразу.
Состояние невесомости в орбитальном полете прекращается
в тот момент, когда включается тормозная двигательная
установка, уменьшающая скорость космического корабля-
спутника, вследствие чего он переходит на траекторию спуска.
Во время нескольких секунд работы двигателя, пока скорость
корабля уменьшается на несколько сот метров в секунду1,
космонавт испытывает кратковременную перегрузку, ощущаемую
им как толчок. Дальнейшее движение по траектории
спуска (за время порядка 15— 20 мин.) проходит в состоянии
невесомости до самого входа в плотные слои атмосферы.
В плотных слоях атмо1
При спуске американского космического корабля типа «Меркурий»—
на 150— 200 м/сек.
2 Возможно, что именно по этой причине перегрузку при торможении
движения в технической литературе неудачно называют «отрицательной».
51
сферы, когда за несколько
минут сопротивление
воздуха уменьшает скорость
корабля с 8 км/сек
почти до нуля, космонавт
снова испытывает большую
переменную перегрузку.
Коэффициент перегрузки
при спусках советских
и американских
космонавтов достигал 8
единиц. Направление негравитационных
сил тяжести
в кабине при этом
прямо противоположно
направлению полета 2.
Важное значение имеет
угол входа в плотные
слои атмосферы. Ошибка
в величине и направлении
тормозного импульса может
привести к чрезмерно крутому входу, что вызовет губительное
возрастание перегрузки.
На рис. 19 схематично показаны участки перегрузки и невесомости
при полете корабля-спутника.
Рис. 19. Участки полета корабля-
спутника, сопровождающиеся
перегрузкой (толстые линии).

В будущем при возвращении с орбиты, помимо описанного
метода баллистического спуска, возможно, будет применяться
планирующий спуск, при котором космонавты будут
входить в плотные слои атмосферы на крылатом летательном
аппарате и совершать затем длительный «скользящий полет»
в атмосфере. Скорость планера будет при этом уменьшаться
гораздо медленнее. Полет будет происходить почти горизонтально.
Перегрузки будут невелики, а направление негравитационных
сил тяжести внутри кабины не будет противоположным
движению.
Перегрузки при старте с орбитальной станции
В будущем на орбитах около Земли будут созданы, как
предполагают ученые, обитаемые космические станции-спутники,
предназначенные для различных целей. Наиболее важным
будет впервые предложенное К. Э. Циолковским использование
подобных станций в качестве космодромов, с которых
будут стартовать к планетам солнечной системы межпланетные
лайнеры. Чтобы достичь Луны или Марса, корабль, отлетающий
со спутника, должен будет добавить скорость в 3—
4 км!сек к той скорости, которую он имеет, двигаясь вокруг
Земли. На станции-спутнике постепенно создаются запасы
топлива и собирается из отдельных деталей, доставляемых с
Земли, большой космический корабль.
Двигатели космического корабля могут при старте с орбитальной
станции развивать очень небольшую тягу, так как
сила, с которой сама станция притягивает космический корабль,
слишком ничтожна, чтобы препятствовать отрыву.
Поэтому и реактивное ускорение при старте со станции может
быть очень мало. В этом существенное отличие старта со станции
от старта с Земли.
По проекту В. Брауна 1953 года улетающий со станции-
спутника лунный корабль в течение двух минут увеличивает
свою скорость с 7,07 к,м!сек (орбитальная скорость на высоте
1730 км !) до 9,86 км!сек. При этом коэффициент перегрузки
увеличивается от 0,09 до 0,33.
По существу мы имеем здесь дело не с перегрузкой, а с
«недогрузкой», однако ради общности мы термин «коэффициент
перегрузки» будем употреблять и для случаев, когда k
больше единицы («истинная перегрузка»), и для случаев,
когда k меньше единицы («недогрузка»). Термин «перегрузка»,
в отличие от термина «коэффициент перегрузки», для
случая фактической «недогрузки» употреблять по существу не
1 По современным данным, заправочные станции на такой высоте, по-
видимому, создаваться не будут из-за радиационной опасности.
52

приходится, так как основная проблема — опасность негравитационной
тяжести для здоровья космонавта — в этом случае
интереса не представляет.
Уменьшенная тяжесть при отлете со станции-спутника позволяет
значительно облегчить корпус корабля. Это упрощает
конструкцию корабля. Другой благоприятный фактор— отсутствие
атмосферы, позволяющее избавиться от обтекаемой оболочки.
В будущих межпланетных полетах космонавт встретится,
как предполагают ученые, и со случаями «сверхнедогрузки»,
когда ускорение негравитационной тяжести на космическом
корабле будет в тысячи, десятки тысяч и даже сотни тысяч
раз меньше ускорения свободного падения g. Так будет обстоять
дело, если улетающий со станции-спутника корабль будет
снабжен так называемыми двигателями малой тяги. К числу
таких двигателей относятся электрические (ионные или плазменные)
ракетные двигатели, «солнечный парус», солнечный
тепловой двигатель, а также некоторые типы ядерных двигателей.
Они будут сообщать космическому кораблю реактивное
ускорение порядка 0,00001 g— 0,001 g.
В этих полетах двигатели будут действовать непрерывно
в течение многих недель, месяцев, а может быть, и лет, а значит,
все это время космонавты будут испытывать перегрузку.
Но что это будет за перегрузка! Даже недогрузкой ее трудно
назвать! Тяжесть, составляющая менее 0,01 нормальной, по-
видимому, не ощущается организмом человека. В фиктивном
поле тяготения, господствующем на борту ионного корабля,
космонавт сможет... стоять на острие иголки, не ощущая никакой
боли.
При ускорении негра/витационной силы тяжести 0,001 g падение
с высоты 3 м будет продолжаться 4 мин., а при 0,00001 g
(что более вероятно для ионного корабля) — 40 мин. Жизнь
космонавтов на ионном корабле будет приносить им не меньше
неожиданностей, чем полная невесомость при путешествии
на «обычном» корабле. Космонавт, привыкший к полетам на
кораблях, которые выводятся на орбиты с помощью химических
ракет-носителей, находясь на ионном корабле и не ощущая
никакой тяжести, сможет попробовать расположиться в
своей кабине там, где это ему заблагорассудится. Через полчаса
он обнаружит, что находится в другом конце кабины.
Таким образом, он убедится, что в мире, в котором он находится,
существуют понятия «верха» и «низа», только он их не
замечает. Конечно, чувствительные акселерометры отметили
бы даже столь малые ускорения негравитационных сил тяжести.
Заметим, что в верхних слоях атмосферы искусственный
спутник встречает сопротивление, которое сообщает ему ускорение
(точнее, замедление) того же порядка, что и рассмот-
53

ренные выше. Поэтому, строго говоря, при полете корабля-
спутника существует такая «недогрузка», а не полная невесомость.
Заметить ее, однако, нелегко. В будущем, вероятно,
двигатели малой тяги будут использоваться для компенсации
сопротивления атмосферы, чтобы продлить жизнь спутников.
Это сделает невесомость более полной.
В одном кубическом сантиметре межпланетного пространства
находится, по-видимому, несколько сот атомов. Поэтому
сопротивление межпланетной среды за пределами атмосферы
не учитывается ни в каких астронавтических и астрономических
расчетах. Негравитационная тяжесть, которую это ничтожное
сопротивление может создать в кабине космического
корабля, заставила бы предмет падать на пол с высоты трех
метров несколько суток! Сопротивление воздуха внутри кабины
дополнительно замедлило бы это падение.
Перегрузки при посадке на Луну и планеты
Гораздо большее значение, чем описанные выше, будут
иметь в будущих космических полетах «настоящие» перегрузки.
Они будут возникать при посадках на другие планеты и
при возвращении на Землю.
Посмотрим, например, каковы будут перегрузки при одном
из теоретически возможных вариантов посадки на Луну. (Посадка
на Луну по американскому проекту «Аполлон» в принципе
мало отличается от нашего примера).
Вблизи Луны на короткое время включается двигатель
корабля, и, потеряв часть своей скорости, корабль превращается
в искусственный спутник Луны. Во время работы двигателя
космонавты оказываются в условиях перегрузки, величина
которой зависит от продолжительности действия двигателя.
Пассивный полет по орбите вокруг Луны сопровождается,
конечно, невесомостью. Но вот снова включается двигатель,
уменьшающий горизонтальную скорость корабля. Тяга
двигателя направлена горизонтально, и поэтому на корабле
возникает такая негравитационная тяжесть, что космонавтам
лунная поверхность кажется отвесной стеной, а пики гор —
грозящими, «обломившись», упасть куда-то в бездну космоса.
Но вот двигатель снова выключается. Перегрузка продолжалась
каких-нибудь полминуты, корабль пролетел за это
время несколько десятков километров и, полностью потеряв
горизонтальную скорость, успел приобрести какую-то вертикальную
скорость. Некоторое время корабль падает свободно,
и космонавты вновь испытывают невесомость, несколько
«искаженную», однако, тем, что во время падения корабль
начинает разворачиваться1 хвостом к Луне.
1 Ниже (ст. 72 и далее) мы познакомимся с эффектами, вызываемыми
вращением корабля.
54

над поверхностью, иначе разреженная среда вовсе не сможет
его затормозить. Таким образом, существует определенный коридор
входа в атмосферу, который в некоторых случаях, например
при возврате на Землю из межпланетного или лунного
перелета (рис. 20), должен быть очень узким.
лишь «даровое» сопротивление атмосферы. При этом, если корабль
и не будет предварительно выходить с помощью ракетного
двигателя на орбиту искусственного спутника планеты, его
вход в атмосферу должен будет происходить достаточно полого,
чтобы не возникли чрезмерно большие перегрузки. В то же время
корабль не должен входить в атмосферу и слишком высоко
Рис. 20. Коридор входа в атмосферу.
Снова включается двигатель, который начинает тормозить
вертикальное падение. Опять наступает перегрузка. Впервые
за все время перелета космонавты видят Луну внизу, у себя
под ногами. Трудно себе представить, чтобы скорость падения
корабля снизилась до нуля как раз у самой поверхности
Луны. Вероятно, это произойдет на некоторой высоте и корабль
должен будет затем, поддерживаемый силой тяги, плавно
опускаться. Тяга при этом будет почти равна лунному
притяжению, и, следовательно, реактивное ускорение будет
составлять около 1/в g. С этого момента вплоть до отлета с
Луны космонавты будут находиться под действием силы тяжести,
в шесть раз меньшей, чем на Земле.
Примерно так же, по методу
ракетного торможения, должны
происходить посадки и на
другие небесные тела, лишенные
атмосферы. Они будут требовать
значительного расхода
топлива и очень сильно увеличивать
стартовую массу ракеты.
Ученые надеются, что при
посадках на планеты, окруженные
газовой оболочкой, удастся
полностью или почти полностью
погасить скорость сближения
космического корабля с
планетой, использовав одно

КОСМОНАВТ И КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ И ПЕРЕГРУЗКИ
Влияние невесомости на человека
Еще задолго до начала космической эры высказывались
опасения, что необычность физических состояний, соответствующих
условиям невесомости и многократных перегрузок,
может стать серьезным препятствием к осуществлению космических
полетов человеком. С другой стороны, высказывалась
мысль, что тяжесть — это лишь фактор, затрудняющий жизнь
человека, что полное освобождение от нее может только облегчить
его существование. Такого взгляда придерживался, в
частности, К. Э. Циолковский.
Известно, что ощущение человеком направления силы тяжести,
ориентации своего тела в пространстве, изменяющихся
скоростей и ускорений находятся в ведении органов чувств—
зрения, осязания, а также вестибулярного аппарата внутреннего
уха, который представляет собой орган равновесия, воспринимающий
изменение положения головы и тела в пространстве,
направление движения тела.
В вестибулярный аппарат входят отолитовые органы.
Каждый из них представляет собой мешочек, одна из стенок
которого является особого рода мембраной, состоящей из
чувствительных клеток. Крохотные твердые частички— отолиты
(«ушные камни») опираются на чувствительные клетки и в
случае ускоренного движения раздражают их при своем перемещении.
Нервные импульсы от вестибулярного аппарата,
попадая в мозг, вызывают ответные реакции организма — изменение
позы тела и напряжение определенных мышц.
Раздражение вестибулярного аппарата сопровождается
изменением кровоснабжения различных участков коры головного
мозга. Слишком резкие и сильные раздражения (при качании
на качелях, «болтанке» в самолете, качке на море
и т. п.) вызывают явления, называемые морской болезнью:
головокружение, сердцебиение, потоотделение, тошнота, рвота.
Как будет себя чувствовать человек, когда сила тяжести
не будет прижимать отолиты к слою чувствительных клеток?
Ощутит ли человек отсутствие давлений одних внутренних органов
на другие, нижележащие?
Все живые организмы— от низших до человека — развиваются
в условиях определенного напряжения силы тяжести.
56

Как будет происходить рост растений в условиях невесомости?
В какую сторону будет расти стебель растения, посаженного
в землю на космическом корабле, где отсутствует направление
низ— верх? Не будет ли ускорен рост клеток при невесомости?
Как будет себя чувствовать человек при большой перегрузке?
А как при ослабленной тяжести? Какую перегрузку и в
течение какого времени способен выдержать человек?
На все эти вопросы могли ответить только эксперименты.
Испытания на невесомость (о механике этих испытаний мы
расскажем позже) проводились в самолетах еще до первых
космических полетов человека. Проводятся они и сейчас. Эти
эксперименты показали, что примерно треть испытуемых проявляет
признаки морской болезни и испытывает трудности в
ориентировке, а половина их ощущает приятное возбуждение,
сопровождающееся оживлением речи, мимики, жестикуляции.
Многие описывают ощущения невесомости как чрезвычайно
приятные. Небольшая же часть испытуемых вообще не обнаруживает
в условиях невесомости никаких отклонений от
нормы. Опыты показали, что если испытуемый привязан к
креслу, то у него почти не возникают нарушения ориентировки.
Зрение принимало на себя функции органа равновесия.
Но испытания на невесомость в самолетах имели продолжительность
в лучшем случае до минуты. Реакция человеческого
организма в условиях космического полета оставалась
загадкой до первого полета человека вокруг Земли.
В настоящее время, после того как советскими космонавтами
совершены продолжительные, многосуточные полеты на
борту кораблей-спутников, ученые-специалисты в области космической
медицины с уверенностью заявляют, что физически
здоровый человек, прошедший необходимую подготовку, в
состоянии вполне удовлетворительно переносить невесомость
продолжительностью порядка 100 часов (совершенный в
1963 г. полет Валерия Быковского продолжался 119 час).
Можно предположить, что полеты длительностью несколько
сотен часов также будут доступны космонавтам, прошедшим
необходимую подготовку.
Как советские, так и американские космонавты не только
хорошо себя чувствовали, но и сохраняли работоспособность.
Советские космонавты, начиная с полетов А. Г. Николаева и
П. Р. Поповича, неоднократно освобождались от привязной
системы, покидали свои кресла и свободно перемещались в
кабине. Тесная кабина корабля типа «Меркурий» не позволяла
американским космонавтам совершить нечто подобное.
Вместе с тем следует отметить, что при полете Г. С. Титова
наблюдались некоторые расстройства вестибулярного аппарата,
напоминавшие состояние укачивания при морской болезни.
Неприятные ощущения появлялись при резких движениях
57

головой, а также при наблюдении в иллюминатор за быстро
пробегающей поверхностью Земли и облачным покровом.
Причины этих явлений пока еще неясны. Возможно, они
происходили из-за медленного вращения корабля вокруг своего
центра масс (когда отсутствовала ориентация). Высказывалось
предположение, что они были индивидуальной особенностью
организма космонавта. Описанные явления уменьши
лись после сна и вовсе исчезли, как только наступила перегрузка
при входе в плотные слои атмосферы.
Несмотря на успехи в исследовании невесомости, мы по-
прежнему можем высказывать лишь более или менее вероятные
предположения о влиянии на человека невесомости, продолжающейся
десятки и сотни суток, месяцы и даже годы
А ведь при полетах на отдаленные планеты, если не будет
создана искусственная тяжесть (см. ниже), человек столкнется
с невесомостью подобной продолжительности.
Полеты советских космонавтов показали, что переход от
перегрузки к невесомости и от невесомости к перегрузке не
внушает опасений. Во втором случае космонавты рассказывали
о плавности перехода, что, очевидно, объясняется постепенным
увеличением плотности атмосферы. Но даже если
предположить, что организм человека сможет хорошо приспособиться
к невесомости, продолжающейся многие месяцы, то
как перенесет он последующий переход к условиям нормальной
или даже увеличенной тяжести после высадки на Землю
или другую планету и большие перегрузки во время посадки?
Это покажет будущее.
Испытания на невесомость
Программа подготовки будущих космонавтов включает в
себя как обязательный элемент испытания и тренировки на
невесомость. Сложность этих тренировок заключается в трудности
воспроизведения условий невесомости в течение сколько-
нибудь длительного времени.
Часто можно услышать выражения «искусственная невесомость»,
«искусственное воспроизведение условий невесомости».
Что при этом имеется в виду? Можно ли искусственно
создать невесомость? Существуют ли отличия между «искусственной»
и «естественной» невесомостью?
Мы знаем, что тело находится в условиях невесомости,
когда на него не действуют никакие внешние силы, кроме сил
тяготения. Невесомость в космическом полете отличается от
невесомости при прыжке лишь продолжительностью (рекордный
прыжок Валерия Брумеля продолжается чуть больше
секунды).
Воспроизвести достаточно продолжительную невесомость
в земных условиях принципиально невозможно, так как сво-
58

(21 июля 1961 г.) на
в
бодное движение под действием одних лишь сил тяготения,
во-первых, встречает такое препятствие, как сопротивление
атмосферы, исключающее невесомость, а, во-вторых, быстро
заканчивается падением на земную поверхность.
Кратковременная невесомость изучается в наземных стендах.
Иногда они представляют собой просто падающие лифты.
Используются и скоростные лифты высотных зданий. Известна
также «римская башня невесомости», в которой кресло
с испытуемым подбрасывается на высоту 14 м с помощью
эластичных тяг. Кресло падает и снова подбрасывается. Таким
путем достигается невесомость продолжительностью 2—
3 секунды.
Чтобы продлить состояние невесомости, нужно вырваться
за пределы плотных слоев атмосферы, избежав тем самым их
сопротивления и удалившись подальше от земной поверхности.
Этого можно достичь, например, при баллистическом полете
в ракете. Но велика ли будет при этом продолжительность
невесомости?
При полетах американских космонавтов Алана Шепарда
(5 мая 1961 г.) и Вирджила Гриссома
дальность около 500 км и высоту
около 190 км невесомость продолжалась
примерно 5 мин., в то
время как весь полет продолжался
15— 16 мин. (остальные 10—
И мин. уходили на время разгона
ракеты в начале полета и на
торможение в земной атмосфере
в конце полета). При баллистическом
полете обезьян Эйбл и
Бэйкер на ракете «Юпитер» 28
мая 1959 г. (дальность 2400 км,
максимальная высота 480 км)
невесомость продолжалась около
15 мин., а при полете мышей
Рис. 21. Траектория баллистического
полета.
носовом конусе ракеты
«Top-Эйбл» в 1958 г. (дальность 9600 км, максимальная
высота 2240 км) — в течение 45 мин. Баллистическая траектория
представляет собой часть эллипса, охватывающего
центр Земли (рис. 21).
Можно, конечно, проводить испытания на невесомость и
при полетах Земля— Земля, продолжающихся гораздо дольше,
если послать ракету на много тысяч километров вверх.
Например, вертикальный полет «туда и обратно» до точки,
находящейся на одной трети пути до Луны, должен продолжаться
примерно 40 час. Но, сточки зрения величины, необходимой
для этого скорости, а следовательно, и энергетических
затрат, гораздо проще оказывается... запустить искусственный
спутник и изучать невесомость в течение многих оборотов вок-
59

руг Земли, не опасаясь встречи с поверхностью планеты. В
самом деле, для достижения при вертикальном пуске высоты
6400 км ракета должна развить такую же по величине скорость,
как и для выхода на низкую орбиту спутника Земли,
подобную орбитам первых космонавтов. Но вертикальный
вход в атмосферу с такой высоты должен привести к слишком
большим перегрузкам.
Первым долговременным испытанием на невесомость послужил
полет знаменитой «Лайки» на втором советском спутнике
Земли. До и после него, вплоть до запусков в 1960 г. советских
кораблей-спутников с подопытными собаками, каждое
испытание на невесомость было непродолжительным. При
этом до полета Юрия Гагарина люди испытывались на невесомость
только во время специально организованных непродолжительных
полетов на самолетах.
Как происходит такое испытание? Самолет на высоте
10 км и более разгоняется до большой скорости, отклоненной
вверх от горизонтального направления. Если бы двигатель
самолета в этот момент полностью прекратил свою работу, то
самолет далее двигался бы подобно брошенному камню, находясь
под воздействием разреженного воздуха, которое не позволило
бы, конечно, осуществиться полной невесомости. Воздействие
воздуха обусловливает наличие аэродинамических
сил: силы лобового сопротивления, уменьшающей скорость
полета, и подъемной силы, поддерживающей самолет. Избавиться
от этих сил на высоте 10 км, конечно, невозможно, но
их можно полностью компенсировать небольшой тягой двигателя
и маневрированием рулями высоты. При этом самолет
будет двигаться так, будто бы на него действует одна лишь
сила тяжести, т. е. он летит как бы в пустоте.
Траектория полета самолета представляет собой дугу эллипса
и только длиной отличается от траектории баллистической
ракеты. Однако этот эллипс столь сильно вытянут, что
часть его, описываемая самолетом, может быть принята за
параболу (рис. 22). Поэтому подобный полет самолета обычно
называют параболическим.
60

Конструкция самолета, испытывая нагрузки от аэродинамических
сил и сил тяги, подвергается деформациям, но предметы
этих нагрузок не испытывают и находятся в состоянии
невесомости. Испытуемый выпустил из пальцев карандаш.
Карандаш имеет такую же скорость, как и рука человека, как
и самолет. Он будет описывать точно такую же траекторию,
как и самолет, и поэтому не догонит стенку кабины и не отстанет
от нее. В кабине исчезнут верх и низ. Предметы и люди
внутри кабины будут находиться в состоянии невесомости
(рис. 23), пока самолет будет совершать такое движение,
Рис. 23. Космонавт А. Г. Николаев во время испытания на невесомость
будто бы он летит под действием одних лишь сил тяготения.
Задача летчика заключается в том, чтобы непрерывно удерживать
самолет на параболе свободного полета, тонко регулируя
тягу и маневрируя рулями так, чтобы все время аэродинамические
силы компенсировались тягой двигателя (что
видно из показаний акселерометров). Нелегкая задача, если
учесть, что и сам пилот находится в условиях невесомости!
Состоянию невесомости предшествует небольшая перегрузка
при разгоне до необходимой скорости. Вывод же самолета
из параболы невесомости на горизонтальный полет сопровождается
новой, еще большей перегрузкой. Зачастую испытание
на невесомость включает в себя несколько «парабол невесо-
61

мости» («горок», как говорят космонавты), и тогда состояния
перегрузок и невесомости чередуются.
Будущие космонавты будут готовиться к длительным полетам
на другие планеты, находясь на борту больших искусственных
спутников Земли. Пребывание этих спутников на орбите
можно будет продлить на какой угодно срок, когда окажется
возможным компенсировать сопротивление атмосферы
небольшой тягой электроракетных двигателей.
Человек в условиях перегрузок
При действии перегрузок человек прежде всего ощущает
резкое увеличение тяжести собственного тела. Это вызывает
рефлекторное напряжение мышц. Опускается кожа лица —
лицо как бы стареет. Трудно поднять отяжелевшие руки и
ноги. При достаточно большом коэффициенте перегрузки сжимаются
и перемещаются внутренние органы, нарушается кровообращение
(что может вызвать потерю сознания), временно
теряется зрение.
Действие больших перегрузок на человека в значительной
мере зависит от продолжительности перегрузок, их величины,
от позы человека, от характера опоры.
Человек способен переносить очень большие перегрузки,
если они действуют весьма недолго. Такие перегрузки называют
ударными. Продолжительность их действия — менее
0,5 сек. При ударных перегрузках, в частности, не успевает
нарушиться кровообращение. Спортсмен легко переносит
16-кратную ударную перегрузку при прыжке с вышки в воду,
а летчик— 18-кратную при катапультировании из самолета.
Как и при нормальном ощущении тяжести, в случае больших
перегрузок человеку лучше сидеть, чем стоять, а еще лучше
лежать, особенно на спине, чем сидеть, так как уменьшается
тяжесть вышележащих частей тела. Следует ясно представлять
себе, что означает «лежать», скажем, в космическом
корабле, который разгоняется ракетой-носителем в горизонтальном
направлении. Это значит, что тело человека должно
быть перпендикулярно направлению негравитационных сил
тяжести, т. е. оси ракеты, а следовательно, быть расположенным
вертикально по отношению к Земле. Перегрузка переносится
тем легче, чем более опора отвечает индивидуальным
форма1и тела.
Большой научный интерес представляет влияние больших
перегрузок не только на человека, но также на растения и
животных. По сообщениям иностранной печати, наблюдения
показали, что условия увеличенной тяжести приводят в одних
случаях к замедленному, в других — к ускоренному росту клеток
растений.
62

Но каким образом воспроизводятся в земных условиях
многократные перегрузки?
Влияние перегрузок различной длительности на организм
человека было детально изучено еще до космических полетов
с помощью центробежных машин — центрифуг. Центрифуга
напоминает карусель (рис. 24). Человек вращается вместе с
креслом, к которому он прикреплен, вокруг вертикальной оси,
Рис. 24. Схема действия центрифуги.
расположенной на более или менее значительном удалении.
При равномерном движении по окружности радиуса г человек
обладает горизонтальным центростремительным ускорением,
равным а = со2г, где со — угловая скорость вращения,
определяемая по формуле со=— у , в которой п обозначает
число оборотов центрифуги в минуту, а л = 3,14. Это горизонтальное
ускорение создается вертикальной силой тяжести человека
и наклонной реакцией кресла. Обе эти силы, складываясь
по правилу параллелограмма, дают горизонтальную
центростремительную силу, равную произведению массы человека
на центростремительное ускорение. Сделав соответствующее
построение и проведя несложные вычисления, мы можем
определить силу реакции, а именно эта сила и создает, как
мы знаем, ощущение тяжести (стр. 43).
Если же рассматривать явление в системе отсчета, связанной
с вращающимся креслом, то человек находится в равновесии
под действием силы реакции и равной ей по величине
негравитационной силы тяжести. Из рис. 24 видно, что негравитационная
сила тяжести представляет собой векторную сумму
силы тяжести и центробежной силы инерции, которую
необходимо ввести в рассмотрение из-за неинерциальности
вращающейся системы отсчета. Разделив негравитационную
силу тяжести на «обычный» вес человека, мы найдем коэффициент
перегрузки.
С помощью центрифуги можно подвергнуть испытуемого
влиянию перегрузок практически любой интересующей нас
величины и длительности. Испытания и тренировки советских
63

космонавтов на центрифугах проходили «с запасом» по обоим
этим показателям. Не удивительно, что все советские космонавты
прекрасно перенесли большие перегрузки как при
выходе на орбиту, так и при спуске с нее.
В будущем участвовать в космических полетах придется и
и менее тренированным людям. Для этого понадобится уменьшить
величину перегрузок, что возможно лишь при увеличении
длительности разгона космического корабля. Но более
длительный разгон требует большого дополнительного расхода
топлива или улучшения его качества, т. е. дальнейшего
прогресса ракетной техники.
Можно ли на Земле воспроизвести перегрузку с коэффициентом,
меньшим единицы, т. е. условия ослабленной тяжести?
Такие условия представляют собой немалый интерес, если
вспомнить, что человеку придется побывать на Луне. Нетрудно
понять, что на центрифуге это сделать невозможно, так как
центробежная сила не может быть
направлена против силы тяжести.
Этого можно, однако, добиться,
если вращать человека в вертикальной
плоскости (хорошо известный
аттракцион). Если при этом
в верхней точке центробежная сила
будет больше силы тяжести, но
Рис. 25. Схема устройства для
имитации падения на Луну.
не больше удвоенной силы тяжести,
то на короткое мгновение человек
окажется в условиях ослабленной
тяжести. В нижней же точке,
наоборот, будет ощущаться
усиленная тяжесть.
На рис. 25 показана простая
схема устройства, которое используется
в США для испытания контейнеров,
предназначенных для
падения на Луну. Такие контейнеры, после того как будут заторможены
вблизи Луны, будут падать на ее поверхность с
небольшой высоты с нулевой начальной скоростью. В большой
камере воспроизводятся условия на Луне (вакуум, предполагаемый
характер грунта, температура и т. д.). Камера, закрепленная
на тросе, падает с ускорением 5/eg. Это достигается тем,
что другой конец троса, перекинутого через блок, снабжен противовесом.
Предмет, свободно падающий внутри камеры, движется
относительно Земли с ускорением g, но относительно
камеры с ускорением g— 5/6g = 4eg> т. е. с ускорением лунного
тяготения. Сам этот предмет, конечно, невесом, но коэффициент
перегрузки для предмета, стоящего на дне камеры, равен
!/6.
Наземные установки могут воспроизвести ослабленную
64

тяжесть лишь на очень непродолжительное время. Увеличение
продолжительности возможно лишь в космических условиях
(см. раздел «Искусственная тяжесть»).
Подводный и иные способы имитации
отдельных сторон невесомости
При подготовке космонавтов делается попытка воспроизвести
в земных условиях все детали будущей обстановки сложного
космического перелета. Для этого создаются специальные
аппараты, называемые «имитаторами» или «тренажерами».
В них воссоздаются все зрительные и шумовые эффекты,
колебания температуры, внутренность тренажера точно воспроизводит
обстановку кабины космического корабля и т. д.
Американский журнал «Авиэйшн уик энд спэйс текнолоджи»
6 мая 1962 г. сообщал, что разрабатываются два тренажера,
имитирующие все обстоятельства полета на Луну в корабле
«Аполлон С», намечаемого на конец нынешнего десятилетия:
предстартовый период, старт, полет по промежуточной
орбите вокруг Земли, отделение ступеней ракеты-носителя, полет
до Луны, выход на орбиту опутника Луны, отделение кабины,
предназначенной для посадки на Луну, последующая
стыковка с ней перед возвратом на Землю, обратный полет
к Земле, вход в атмосферу, посадка. На тренажере будет все
так же, как и в космическом корабле, даже будут видны
Земля и Луна такими, как они должны быть видны из иллюминаторов
на разных этапах многодневного полета.
Но можно с уверенностью сказать, что наиболее характерное
условие, сопровождающее любой космический полет, не
может быть воспроизведено на разрабатываемых тренажерах,
сколь бы опытны и умелы не были их конструкторы. Мы имеем
в виду, конечно, невесомость.
Однако некоторые явления, сопровождающие невесомость
и вытекающие из нее, можно воспроизвести в земных условиях,
хотя при этом не может идти речь даже о частичном воспроизведении
невесомости, т. е. о воспроизведении с коэффициентом
перегрузки порядка 0,5 и меньше.
Именно этой цели служат, в частности, подводные эксперименты,
которые иногда ошибочно принимаются за точное воспроизведение
состояния невесомости. Источник ошибки по существу
заключается в неточности термина «вес» и в недостаточно
четком понимании сущности закона Архимеда.
Привычная каждому с детства формулировка закона Архимеда
гласит: «Тело, погруженное в жидкость, теряет в своем
весе столько, сколько весит жидкость, вытесненная телом».
Казалось бы, эта формулировка очень точно отражает суть
дела. Если подвесить к динамометру (пружинным весам) килограммовую
гирю и опустить ее в воду, то динамометр пока-
65

жет уже не килограмм, а меньше. Тело как будто бы потеряло
вес, причем потеряло ровно столько, сколько весит вытесненная
гирей жидкость (это можно проверить, если опускать
гирю в сосуд, заполненный водой до краев, и взвесить затем
вытекшую воду).
В свое время (на стр. 8) мы условились считать весом величину,
равную силе давления, оказываемого покоящимся телом
на горизонтальную опору (или силе, действующей на
подвес), под действием силы тяжести (т. е. силы притяжения
с учетом вращения Земли). Конечно, при этом подразумевается,
что другие силы, кроме силы тяжести и силы реакции, на
тело не действуют.
Представьте себе, что вы безуспешно пытаетесь поднять с
пола тяжелую штангу. В момент такой попытки давление
штанги на пол, безусловно, уменьшится, но никто, конечно, не
скажет, что при этом... уменьшился вес штанги.
Между тем, совершенно то же самое происходит и с гирей,
опускаемой в воду. В этом случае действие гири на подвес
(аналогичное давлению штанги на пол) уменьшается от того,
что на гирю снизу начинает действовать выталкивающая сила
воды (аналогичная усилию руки в примере со штангой).
Точная формулировка закона Архимеда не может вызвать
никаких недоразумений: «На тело, погруженное в жидкость,
действует со стороны жидкости направленная вертикально
вверх сила, равная весу жидкости в объеме, занимаемом погруженной
частью тела» (или, что то же, «равная весу вытесненной
жидкости»). Упомянутую силу называют архимедовой
силой.
Каково происхождение архимедовой силы? Она сама
является следствием весомости жидкости. В условиях весомости
в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное
плотности жидкости и глубине1. На поверхность
тела действует бесконечное количество всевозможно
направленных сил давлений. Архимедова сила представляет
собой результирующую всех этих сил. Она приложена в центре
тяжести погруженной части тела.
Вернемся теперь к подводным экспериментам. Допустим,
что выталкивающая сила воды в точности равна весу человека.
Это может быть в том случае, если плотность воды равна
средней плотности человеческого тела. Чтобы добиться этого,
достаточно растворить в воде некоторое количество соли. Теперь
архимедова сила равна весу человека, и поэтому человек
не будет ни опускаться, ни всплывать, в каком бы месте бассейна
он ни находился. С этой точки зрения он будет напоминать
космонавта на борту корабля-спутника, освободившегося
от привязной системы. Но будет ли он невесом?
1 Предполагается, что жидкость несжимаема. Сжимаемость жидкости
очень невелика даже при давлениях в сотни и тысячи атмосфер.
66

Представим себе человека, привязанного к концу троса.
который переброшен через блок, почти не обладающий трением;
к другому концу троса привязан груз, уравновешивающий
человека. Достаточно ничтожной силы, например взмаха
искусственных крыльев, привязанных к рукам, и человек легко
поднимется. Но будет ли он невесом? Разумеется, нет.
Точно так же, очевидно, не будет невесом человек в корзине
воздушного шара.
Допустим, что и средняя плотность головы человека, и
средняя плотность его рук и ног почти равны между собой и
примерно равны плотности воды. Тогда человек не должен
чувствовать под водой (или почти не должен чувствовать)
тяжести рук и ног, тяжести головы на плечах и т. п. Фактически
так оно и есть. Но достаточно спросить: «А давят ли внутренние
органы подводного пловца друг на друга, деформируются
ли они под действием сил тяжести, давят ли отолиты на
чувствительные клетки?» — чтобы понять, что невесомости тут
нет.
Ощущение пловцом своей «невесомости» объясняется тем,
что опора (реакция которой, как мы знаем, и есть единственная
причина весомости) в данном случае слишком необычна—
это жидкость, а не твердое или гибкое тело; она идеально
облегает тело.
Для полной ясности приведем еще такой пример. Заполним
пустую бутылку определенным количеством сухого речного
песка и заткнем пробкой, чтобы бутылка могла плавать
внутри воды, не всплывая. Мы ясно увидим, что весь песок
соберется внизу бутылки. При подлинной же невесомости он
заполнил бы всю бутылку, не оседая.
Вспомним, наконец, о подводной лодке в погруженном состоянии.
Ее средний удельный вес также равен удельному
весу морской воды. Но о какой невесомости тут может идти
речь? Для случая подводной невесомости, как и в любых
других случаях, остается в силе сформулированное нами правило:
если существуют поверхностные силы — а силы давления
жидкости именно таковы,— то тело находится в состоянии
весомости.
И все же подводные ощущения совпадают с некоторыми
сторонами невесомости. Сюда относятся, например, трудность
ориентировки, свобода принимать любую позу и положение,
наконец трудности, связанные с ходьбой.
Как известно, ходьба была бы невозможна, если бы не
существовала сила трения. Но сила трения возникает лишь в
том случае, если существует давление на поверхность. Между
тем при подводном плавании отсутствует давление на дно, а
в состоянии невесомости на космическом корабле — давление
на пол (на стенки корабля). Как подводный пловец, так и
космонавт могут перемещаться, лишь перехватывая руками
67

закрепленные предметы — растения и камни на дне моря,
специальные приспособления на будущих больших спутниках
Земли. Чтобы получить силу трения, водолаз надевает свинцовые
башмаки. Космонавт, чтобы получить какую-то силу
сцепления, возможно, будет пользоваться башмаками с магнитными
подошвами и ходить по железной дорожке. Эксперименты
с магнитными башмаками проводились в США при
испытаниях на невесомость в самолетах. Делались попытки
использовать также ботинки с резиновыми присосками, но результаты
оказались неважными.
«Плавание» в условиях невесомости, по отзывам испытуемых
в самолетах, все же сильно отличается от плавания в
воде. Передвижение в воздухе при невесомости из-за малой
его плотности происходит очень медленно. «Проплыв» 1 м,
космонавт развивает скорость в 2— 3 см/сек.1. «Плавание» —
слишком ненадежный метод передвижения при невесомости.
Более практично будет, вероятно, пользоваться «реактивным»
баллоном со сжатым воздухом.
Существуют и иные методы (кроме подводных экспериментов)
имитации свободы перемещений и поворотов при
невесомости. Как известно, ничем не стесненное тело имеет
6 степеней свободы: перемещения по любым из трех направлений
и повороты вокруг трех осей. Напомним наш пример
уравновешивания человека на блоке. Если вдобавок закрепить
человека в кардановом подвесе, то он получит, помимо
свободы вертикальных перемещений, еще и свободу поворота
вокруг любой из трех осей, т. е. всего 4 степени свободы, а при
качаниях — и все 6. Как сообщал журнал «Авиэйшн уик энд
спэйс текнолоджи» 12 ноября 1962 г., американская фирма
«Миссайлс энд спэйс» разработала тренажер, обеспечивающий
обучающемуся космонавту 5 степеней свободы: перемещения
взад и вперед по двум перпендикулярным направлениям
и повороты вокруг трех осей.
В США рекламировалось приспособление для имитации
трудностей сохранения в условиях невесомости определенного
положения тела. Через вертикальную трубу диаметром 0,5 м
пропускалась сильная струя воздуха, поддерживавшая на
верхнем конце трубы платформу, по которой перемещался
испытуемый, стараясь сохранить равновесие. Вряд ли, однако,
такой эксперимент может иметь много общего с тем, что бывает
при невесомости.
О подводной амортизации перегрузки
С ошибочным мнением о том, что при подводном плавании
существуют условия невесомости, связана еще одна ошибка.
Если считать, что человек в бассейне с водой невесом, то он
1 Журнал «Авиация и космонавтика», № 6, 1963, стр. 21.
68

должен остаться в условиях невесомости и в том случае, если
сам бассейн окажется в поле негравитационных сил тяжести
при сколь угодно большом коэффициенте перегрузки. Нельзя
ли, таким образом, поместив космонавта в ванну, с огромным
ускорением вывести его на орбиту?
Нетрудно понять, что если человек, плавающий в ванне
(безразлично на поверхности воды или под ней), будет испытывать
двадцатикратную перегрузку, то он ни на миллиметр
не опустится вниз. Хотя его сила тяжести и увеличится в
20 раз, но во столько же раз увеличится и вес вытесненной им
воды, так что равновесие не нарушится. Мы знаем, что невесомости
при этом не будет. Давление внутренних органов человека
друг на друга увеличится в 20 раз.
И все же человек, погруженный в жидкость, гораздо
легче переносит перегрузку. Объясняется это тем, что ощущения
при перегрузке в значительной мере зависят от характера
опоры, а жидкая опора в этом смысле идеальна (хотя давление
этой опоры на все участки поверхности тела человека и
увеличивается в нашем примере в 20 раз).
На этом свойстве жидкости основана защита от ударных
нагрузок. Недаром эмбриональное развитие позвоночных происходит
в жидкости (в частности, у яйцекладущих животных).
Известен опыт с куриным яйцом, плавающим в стакане с
соленой водой. Если уронить стакан на пол с большой высоты,
то он разобьется, но яйцо останется целым.
По американскому проекту «Рейнджер» удар при падении
контейнера с приборами на поверхность Луны амортизируется
слоем жидкости, в которую погружен контейнер (основная
часть скорости сближения с Луной предварительно гасится с
помощью тормозного ракетного двигателя). Сама жидкость
налита в полость сферической оболочки.
Жидкость не уничтожает и даже не уменьшает перегрузку,
но позволяет легче ее переносить.
Невесомость отменяет закон Архимеда
Теперь, после того как мы познакомились с поведением
жидкости при перегрузке, рассмотрим более внимательно ее
поведение при невесомости.
В мире без тяжести, где отсутствуют понятия верха и низа,
вертикали и горизонтали, жидкость, очевидно, не может течь
«вниз». Закон сообщающихся сосудов отменяется. Жидкость
заведомо не может иметь горизонтальной поверхности (нет
«горизонта»). Какая же поверхность должна ее ограничивать?
В обычных условиях частицы жидкости находятся под воздействием
сил тяжести и сил сцепления, действующих как
69

между частицами жидкости, так и между некоторыми («краевыми»)
частицами жидкости и другими твердыми телами.
Силы тяжести, как правило, играют основную роль, благодаря
чему жидкости стекают вниз, а в спокойном состоянии имеют
горизонтальную поверхность. Известны, однако, так называемые
поверхностные явления, объясняемые тем, что в некоторых
случаях и в обычных условиях на передний план выдвигаются
силы сцепления. Сюда относятся капиллярные явления—
подъем смачивающих жидкостей в узких трубках, образование
шарообразных мелких капель несмачивающих жидкостей
(всем знакомы капли ртути) и т. д.
В условиях невесомости силы сцепления заставляют жидкость
вне сосуда принимать форму шара. Несмачивающая
жидкость внутри сосуда стремится собраться в шар. Если это
невозможно (сосуд мал), то между жидкостью и стенками
сосуда все же остается газовая оболочка. Смачивающая жидкость
растекается по стенкам сосуда; если в сосуде имеется
воздух, то он собирается в газовый шар в центре сосуда.
В условиях невесомости, когда теряет смысл понятие «нижних»
и «верхних» слоев жидкости, исчезает гидростатическое
давление и, следовательно, теряет силу закон Архимеда. Поведение
тела, погруженного в жидкость, определяется исключительно
аилами сцепления.
Особенности поведения жидкостей в условиях невесомости
имеют важнейшее значение для космической техники. Целый
ряд систем ракет-носителей и космических кораблей не будет
нормально функционировать, если они будут конструироваться
по обычному, земному принципу, без учета невесомости.
Жидкостные ракетные двигатели зачастую должны начинать
свою работу в условиях невесомостц (когда двигатель
заработает, невесомость, конечно, кончится). В частности,
это может быть при включении верхних ступеней, при старте
космической ракеты с борта спутника Земли, при выходе на
орбиту спутника Луны, при начале торможения в случае посадки
на Луну и т. д. Между тем перекачивание жидких топлив
из топливных баков в камеру сгорания в условиях невесомости
представляет серьезную проблему. В условиях невесомости
жидкое топливо (в частности, окислители и горючие,
существующие в качестве жидкости при очень низкой температуре,
например жидкий кислород, жидкий водород) может
растекаться по стенкам бака, образуя воздушный пузырь в
середине, или образовать вместе с мелкими пузырьками газа
нечто, напоминающее мыльную пену. Турбонасосная система
подачи топлива отказывает. Необходимо использование камер
с повышенным давлением. Необычное состояние топлива в
баках затрудняет измерение его количества, что составляет
самостоятельную проблему.
Аналогичные проблемы возникают также в ядерных и
70

электродуговых двигателях, так как и там рабочее тело до
поступления в камеру, где оно расширяется, нагреваясь от
ядерного реактора или электрической дуги, представляет собой
жидкость. Вдобавок эти проблемы не исчезают и в период
работы электрических двигателей из-за чрезвычайно малого
коэффициента перегрузки (0,00001— 0,001).
В обычных условиях при распространении тепла в жидкости
и газе важную роль играет явление конвекции. Нагретые
массы жидкости или газа, расширяясь, поднимаются вверх
(следствие закона Архимеда), уступая место холодным массам,
которые в свою очередь нагреваются, и т. д.
В условиях невесомости конвективное перемешивание
полностью отсутствует. Это требует создания системы принудительной
вентиляции кабины (иначе выдыхаемый космонавтом
воздух будет слишком медленно удаляться от него) и системы
охлаждения электронной аппаратуры. Это мешает приготовлению
пищи.
Отсутствие конвекции затрудняет приток свежего воздуха
при горении. Интересно, что при невесомости (как можно
было предвидеть и как подтвердили эксперименты) форма
пламени — не овальная, вытянутая вверх, а сферическая. Кипение
жидкости в условиях невесомости чрезвычайно затруднено.
Пузыри пара, разрастаясь, не отрываются, а стремятся
остаться на поверхности нагревательных элементов. Это вызывает
опасность прогара нагревательных элементов.
Трудности отделения пара от жидкости в условиях невесомости
ставят серьезные проблемы перед конструкторами космических
энергетических установок. Как отделить пар от
жидкости, чтобы направить его на лопатки турбины? Как избежать
попадания капель жидкости в уже отделенный пар?
Не менее трудна будет и конденсация паров. Как собрать
капли конденсированной жидкости, если они не могут упасть
вниз, так как «низа» не существует?
Между тем паровые турбины, установки для конденсации
паров являются важными составными частями будущих атомных
электростанций на межпланетных кораблях, которые будут
давать энергию как для внутренних нужд, так и для приведения
в действие электроракетных двигателей.
Мысль конструкторов бьется над разрешением как перечисленных,
так и многих других технических проблем (связанных
не только с поведением жидкости), которые сопутствуют
условиям невесомости. К их числу, например, относится конструкция
подшипников, которые должны воспрепятствовать
неустойчивости вращающегося вала из-за того, что сила тяжести
не будет прижимать его вниз.

ИСКУССТВЕННАЯ ТЯЖЕСТЬ
В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ
Как создать искусственную тяжесть?
Возможная опасность воздействия многомесячной невесомости
на организм человека, специфические трудности в области
космической техники — все это уже давно заставило
ученых задуматься над созданием в космическом корабле
искусственной тяжести.
Как мы знаем, негравитационная тяжесть возникает на
космическом корабле во время работы ракетного двигателя.
Нельзя ли специально включать ракетный двигатель для того,
чтобы обеспечить создание искусственной тяжести?
Элементарные расчеты, использующие простые преобразования
известной формулы Циолковского (мы эти расчеты
приводить не будем) показывают, что такой метод создания
искусственной тяжести чудовищно расточителен и потому
совершенно неосуществим на практике.
Допустим, что мы желаем поддерживать на космическом
корабле в течение всего лишь одного часа полета нормальное
напряжение силы тяжести. Если даже в нашем распоряжении
находится чрезвычайно эффективное топливо, обеспечивающее
скорость истечения газов из сопла ракеты 3,6 км!сек,, то
количество топлива, которое необходимо израсходовать, в
18 000 раз должно превышать массу самого космического корабля!
Даже если обеспечить половинное напряжение негравитационной
силы тяжести, то и в этом случае количество
топлива превысит массу корабля в 134 раза. Чтобы можно
было вывести такой корабль на орбиту, стартовый вес ракеты-
носителя должен возрасти в 135 раз! И все это лишь для того,
чтобы обеспечить искусственную тяжесть на один час!
Другой, гораздо более реальный метод нам также известен.
Вспомним метод испытания человека на перегрузку. Центробежная
сила инерции — вот заменитель силы тяжести!
Задача заключается в том, чтобы сам космический корабль
превратить в центрифугу.
Вращающиеся космические станции и корабли
Чтобы создать искусственную тяжесть, нужно привести
космический корабль во вращение вокруг оси, проходящей
через центр масс корабля. Для этого достаточно приложить

к кораблю «пару сил». Два маломощных двигателя, создающие
небольшие параллельные и противоположно направленные
тяги, действуя непродолжительное время, сообщат кораблю
необходимую угловую скорость. Раз начавшись, вращательное
движение корабля будет продолжаться в пустоте космоса
сколь угодно долго.
Угловая скорость будет изменяться практически лишь в
том случае, если массы отдельных частей корабля будут изменять
свое расстояние до оси вращения. Экипажу корабля
Рис. 26. Проект вращающегося космического корабля
К. Э. Циолковского.
придется специально позаботиться о том, чтобы этого не происходило.
Если речь идет о большой орбитальной станции-
спутнике Земли, то прибывающие с Земли ракеты должны не
прикрепляться к станции, а причаливать вблизи оси вращения
и во всяком случае не принимать участия во вращении
станции.
На тело массы т в кабине космического корабля будет
«действовать» центробежная сила инерции, равная тсо2г,
где со — угловая скорость корабля, а г — расстояние тела до
оси вращения. Мы берем слово «действовать» в кавычки для
того, чтобы подчеркнуть, что центробежная сила не вызвана
действием какого-либо тела, а вводится лишь для того, чтобы
в связанной системе отсчета — в этой системе живет космонавт
— отразить факт вращения корабля.
Принцип создания искусственной тяжестц будет совершенно
ясен, если обратиться к классическим проектам, показанным
на рис. 26, 27. Рис. 26 соответствует проекту огромного
межпланетного корабля, выдвинутому основоположником
космонавтики К. Э. Циолковским. Рис. 27 представляет собой
орбитальную станцию по проекту немецкого инженера Ноордунга.
Направление негравитационных сил тяжести видно по
тому, как растут изображенные на рисунках деревья, как стоят
и лежат люди и т. п.
73

На рис. 28 показаны кабины, которые по проекту американского
специалиста К. Эрике могут быть созданы в пустых
Рис. 27. Проект вращающейся станции-спутника Ноордунга
топливных баках вышедшей на орбиту спутника Земли ракеты
«Атлас». Вращение ракеты вокруг оси, перпендикулярной к
ее продольной оси, создает в кабинах искусственную тяжесть
различного напряжения (в зависимости от расстояния г до
74

оси вращения). На уровне пола самой нижней, душевой, кабины
она равна 17% нормальной тяжести. Если расстояние от
пола до потолка кабины сравнимо с расстоянием до оси вращения,
то напряжение искусственной
тяжести в кабине неодинаково.
Один и тот же предмет кажется
«разного веса», когда
он будет подвешен к потолку на
пружинных весах или положен
на пружинные весы, стоящие
на полу, так как потолок
ближе к оси вращения, чем
пол. Чтобы это не было заметно,
расстояние всего помещения
до оси вращения должно
быть достаточно большим.
В то же время, если длина
помещения слишком велика
по сравнению с расстоянием до
оси вращения, то делается
слишком заметным, что вертикали
(направления отвесов)
при искусственной тяжести не
параллельны между собой, а
пересекаются на оси вращения.
Из трех человек, изображенных
на рис. 29 стоящими на плоском
полу, двум крайним будет казаться,
что они стоят на склонах
горки.
Чтобы этого не происходило,
пол следует делать не
плоским, а вогнутым, точнее
— совпадающим с поверхностью
цилиндра, ось которого
есть ось вращения космического
корабля.
Отсюда уже недалеко и до
идеи постройки орбитальных
станций, имеющих форму колеса,
как это предусматривается
и в старом проекте Ноордунга
(рис. 27) и в более современном
проекте В. Брауна (рис. 30). В ободе подобного колеса
должны располагаться жилые кабины и исследовательские
лаборатории, «обеспеченные» искусственной тяжестью, а во
«втулке» господствует невесомость. По американскому проек-
Рис. 28 Проект К. Эрике вращающейся
орбитальной станции,
созданной в пустых топливных
баках ракеты «Атлас».
75

ту к 1970 г. предполагается вывод на орбиту с помощью двухступенчатой
ракеты «Сатурн-5» станции, имеющей форму шестиугольника.
В каждой стороне шестиугольника должно раз-
Рис. 29. Направления вертикалей при
искусственной тяжести.
Рис. 30. Проект орбитальной станции В. Брауна.
мешаться по 6 человек. Экипаж станции должен периодически
сменяться с помощью ракет «Сатурн-1» или «Титан-3»1.
1 Ракеты «Сатурн-5» и «Титан-3» находятся еще в начальной стадии
разработки. Ракета «Сатурн-1» проходит летные испытания.
76

Жизнь в условиях искусственной тяжести
На первый взгляд может показаться, что вращение космического
корабля или орбитальной станции-спутника вокруг
оси, проходящей через центр масс, решает все проблемы, связанные
с избавлением от невесомости. Поле центробежных
сил в кабине космонавта полностью заменяет действие сил
тяжести, отличаясь от обычного поля тяжести разве лишь
тем, что вес тел на полу будет больше их веса на потолке; но
разница не имеет по существу практического значения, а при
большом радиусе вращения она и вовсе будет незаметна.
Однако жизнь на вращающемся космическом корабле не
будет столь уж безоблачной. Прибывший на спутник Земли
космонавт будет себя прекрасно чувствовать, пока он будет
сидеть на стуле, или лежать, или стоять, одним словом, пока
он будет неподвижен. Но стоит ему начать двигаться или хотя
бы повернуть голову, как он почувствует что-то неладное. Он
почувствует вращение станции или, выражаясь лишь иными
словами, он почувствует наличие кориолисовой силы инерции.
В настоящее время еще нет достаточно полных данных о
вреде быстрого вращения для здоровья человека. Следует
иметь в виду, что неприятное влияние кориолисовой силы
инерции, возможно, должно ощущаться человеком и тогда,
1 Мы не учитываем движения станции и всех предметов вокруг Земли,
так как оно не сказывается на внутренних перемещениях предметов.
77
когда он не перемещается внутри станции, так как в его организме
все равно совершаются внутренние перемещения, например
происходит ток крови по сосудам. Мы рассмотрим
эффект действия кориолисовой
силы с чисто механической
точки зрения.
Представим себе, что
лампа на потолке кабины,
в которой господствует
искусственная тяжесть, по
какой-то причине оторвалась.
Она упадет на пол.
Рис. 31 показывает, как
она падает с точки зрения
наблюдателя, не участвующего
во вращении станции.
Лампа приближается к полу
не потому, что это заставляют
ее делать какие-то реальные силы, действующие от потолка
к полу. Таких сил нет. Освободившись, лампа продолжает
двигаться прямолинейно и равномерно 1 и нагоняет пол, движущийся
вместе с вращающейся станцией. При этом лампа
Рис. 31. Падение с потолка на пол с
точки зрения неподвижного наблюдателя
вне станции.

щающегося тела плоскость, перпендикулярную оси вращения
станции (на рис. 32 это плоскость чертежа); 2) спроектировать
вектор относительной скорости тела (т. е. его скорости
относительно станции) на эту плоскость; 3) повернуть полученную
проекцию на 90° против направления вращения станции;
это и даст направление кориолисовой силы.
Не только направление кориолисовой силы, но и ее величина
зависит от направления перемещения тела. Величина кориолисовой
силы FKOp дается формулой
F «о? =2 тюОотн sina,
где т — масса тела, v отн — его относительная скорость, со —
угловая скорость станции, a a — угол между осью вращения и
78
коснется пола не под точкой своего привеса, а в стороне, как
бы отстав от «своего» радиуса (см. рис. 31).
Наблюдатель, принимающий участие во вращении станции,
увидит, что лампа падает не по вертикали (не по направлению
отвеса), а отклоняется в сторону
(рис. 32). Это обстоятельство
укажет жителю космической
станции на то, что станция вращается
вокруг своей оси.
Движение лампы по отношению
к системе отсчета, связанной
с вращающейся станцией,
может быть объяснено действием
переносной центробежной
силы инерции и кориолисовой
силы инерции, показанных
на рис. 32. Наблюдателю, находящемуся
на борту станции,
естественнее всего рассматривать
движение именно в этой
системе отсчета. Мы дальше
будем поступать точно так же.
Итак, при всяком перемещении
внутри вращающейся космической
станции космонавты будут замечать вмешательство
кориолисовой силы инерции, которая будет добавляться к «привычному»
полю искусственной тяжести, созданной центробежной
силой. (Если бы наша планета вращалась не так медленно,
как фактически, а гораздо быстрее, то мы, как уже говорилось
на стр. 18, могли бы заметить действие кориолисовой
силы и в нашей повседневной «земной» жизни).
Трудность будет заключаться в том, что окажется нелегко
всякий раз сообразить, куда должна быть направлена кориолисова
сила. Чтобы это выяснить, нужно мысленно проделать
следующие операции: 1) провести через центр масс переме-
Рис. 32. То же падение (см.
рис. 31) с точки зрения космонавта.

направлением относительной скорости. Как видим, кориолисова
сила, вообще говоря, увеличивается с увеличением угловой
скорости вращения станции.
Но существуют такие направления перемещения, при которых
кориолисова сила равна нулю при любой угловой скорости.
Эти направления параллельны оси вращения станции
(угол а равен 0 или 180°). Поэтому космонавт будет перемещаться
к боковой стенке станции, перпендикулярно плоскости
чертежа на рис. 32, без всяких помех. В остальных же случаях
космонавт почувствует, что какая-то сила толкает его в сторону.
Вдобавок при этом его органы равновесия пошлют в мозг
искаженную информацию о направлении вертикали! Рис. 33,
Рис. 33. Влияние кориолисовой силы на идущего
космонавта.
заимствуемый нами из английского астронавтического журнала,
показывает, что при этом будет происходить.
Очень своеобразными будут ощущения космонавта, когда
он побежит в продольном направлении, вдоль «обода» колесообразной
станции. Если направление движения будет совпадать
с вращением станции, то кориолисова сила прижмет космонавта
к полу, он почувствует увеличение веса. При беге в
противоположном направлении космонавт «потеряет в весе».
При определенной скорости он сделается невесомым! Это будет
тогда, когда с точки зрения «постороннего» наблюдателя
космонавт окажется неподвижным. В этот момент он просто
не будет участвовать во вращении станции, обеспечивающем
искусственную тяжесть.
Борьба с кориолисовой силой
Как видим, вмешательство кориолисовой силы в жизнь
космонавтов при создании искусственной тяжести «центробежного»
происхождения будет довольно серьезным. Возможно,
в некоторых случаях (непродолжительные перелеты, малые
размеры корабля) невесомость окажется даже меньшим
79

злом, чем искусственная тяжесть «низкого качества». По аме~
риканским данным уже при 5— 10 оборотах в минуту (угловая
скорость со порядка 0,5— 1 радиана в секунду) космонавты
будут испытывать неприятные ощущения, связанные с расстройствами
вестибулярного аппарата при повороте головы
и т. п.
Какие меры могут быть приняты для уменьшения вреда
кориолисовой силы? Рабочие места космонавтов должны быть
расположены так, чтобы движения сопровождались малыми
кориолисовыми силами. Соответствующим образом должны
быть расположены грузы на корабле. Скафандр космонавта
не должен быть слишком массивным, даже если уровень искусственной
тяжести на корабле невысок. Особенно важно облегчить
ноги космонавта.
Наконец, улучшить «качество» искусственной тяжести можно
за счет уменьшения угловой скорости а), отчего снизятся
кориолисовы силы. Чтобы при этом сохранить необходимый
уровень искусственной тяжести, нужно увеличить расстояние
кабины от оси вращения.
Однако если мы уменьшим угловую скорость в два раза,
то, по формуле для центробежной силы (стр. 73), уровень
искусственной тяжести уменьшится в четыре раза. Значит, в
четыре раза нужно будет увеличить радиус вращения.
Но так как ради создания искусственной тяжести бессмысленно
увеличивать размеры корабля, то во многих проектах
космических кораблей предусматривается возможность разделения
корабля в полете на две части, которые, будучи связаны
тросами, разойдутся в пространстве на большое расстояние
и будут совместно вращаться вокруг оси, проходящей через
общий центр масс. Подобное разделение частей корабля,
вероятно, не вызовет серьезных конструктивных затруднений,
тем более, что космические корабли с людьми на борту во
многих случаях будут стартовать с межпланетных станций, а
это позволит придавать кораблям почти произвольную форму.
Заметим, что совершенно нет нужды создавать на корабле
искусственную тяжесть такой же интенсивности, как на Земле.
Вероятно, меньшая сила тяжести даже будет приятна космонавтам.
Допустим, что расстояние от кабины до оси вращения
составляет 500 м. Несложный расчет показывает, что для создания
в этой кабине искусственной тяжести, составляющей
половину земной, нужно, чтобы за минуту совершался один
оборот. Но и при таком сравнительно медленном вращении
кориолисова сила будет довольно заметно проявляться в кабине
корабля: мячик, подброшенный вверх на высоту метра,
упадет через 4 сек. после толчка (а не через секунду, как при
«земной» тяжести), отклонившись на 27 см в сторону.
В некоторых проектах предлагается еще большая длина
троса, связывающего части корабля, иногда — многие десятки
80

километров. Создание тросов подобной длины представляет
собой самостоятельную проблему. Чтобы они не рвались под
действием больших центробежных сил, придется их делать
переменного сечения.
В настоящее время еще рано говорить что-нибудь определенное
о необходимых радиусах вращения орбитальных станций
и межпланетных кораблей, так как нет экспериментальных
данных ни о вреде долговременной невесомости, ни об
уровне необходимой искусственной тяжести, ни о вреде кориолисовой
силы. В самой необходимости искусственной тяжести
еще нет достаточной уверенности.
Несомненно, однако, что искусственная тяжесть различной
интенсивности будет создаваться на обитаемых станциях-
спутниках Земли для исследовательских и тренировочных целей.
Можно себе представить в будущем попарно связанные
обитаемые кабины, специально предназначенные для тренировок
космонавтов к условиям жизни на планетах с различной
силой тяжести — как меньшей, так и большей, чем на Земле.
81

НЕОДНОРОДНОСТЬ поля тяготения
Существует ли полная невесомость?
В разделе «Невесомость» мы разобрались в причинах возникновения
необычного состояния — невесомости. Мы пришли
к выводу, что силы тяготения при отсутствии негравитационных
сил не способны ни вызвать деформации и внутренние
напряжения в телах, характерные для состояния весомости,
ни сообщить относительные перемещения телам внутри космического
корабля, или падающего лифта, или свободно летящей
баллистической ракеты и т. п. Наш вывод основывался
на допущении, подтверждаемом многими экспериментами и
всей научно-технической практикой,
об эквивалентности тяготеющей
и инертной масс и на
мельком оговоренном предположении,
что расстояния от всех
точек космического корабля или
падающего лифта до центра
Земли (или другого небесного
тела) одинаковы и что направления
из этих точек на
центр Земли параллельны. Последнее
предположение позволило
сделать важнейший вывод
о равенстве векторов гравита-
казывают разницу между этими двумя полями
тяготения.
Если в пространстве господствует центральное
поле тяготения, то точки, в которых
напряжение силы тяготения (или, что то же,
гравитационное ускорение) одинаково по величине,
лежат на одной сферической поверхности.
Пространство как бы заполнено бесконечным
числом таких поверхностей, причем
каждая из них характеризуется своим
значением величины гравитационного уско-
Рис. 35. Однородное
поле тяготения.
82
ционных ускорений всех точек
космического корабля.
Между тем Земля, как мы
знаем, обладает центральным, (сферическим) полем тяготения
(рис. 34). Мы же предположили, по существу, что поле тяготения
Земли однородно (рис. 35). Рис. 34 и 35 наглядно по-
Рис. 34. Центральное поле
тяготения.

рения. От сферы к сфере существует перепад напряжения силы
тяготения (гравитационного ускорения), или, как говорят,
существует градиент тяготения.
В однородном поле тяготения точки, в которых равны по
величине гравитационные ускорения, никакой поверхности не
образуют. Они заполняют все пространство. Все гравитационные
ускорения параллельны между собой. Градиент тяготения
равен нулю.
Следовательно, в однородном поле тяготения существуют
условия для возникновения невесомости, а в центральном поле
тяготения их нет.
Мы пришли к выводу, который,казалось бы, перечеркивает
все, что говорилось в предыдущих главах. Дело в том, что реально
в природе существуют взаимодействующие между собой
поля тяготений небесных тел, близкие к центральным.
Если в центральном поле тяготения нет условия для невесомости,
то, следовательно, несправедлив и принцип эквивалентности
Эйнштейна (стр. 41), согласно которому космонавт
никакими средствами не может различить между собой силы
притяжения и силы инерции, если только он не получает информации
извне.
Строго говоря, силы тяготения сообщают разные ускорения
отдельным точкам любого предмета на космическом корабле.
Поэтому нельзя утверждать, что этот предмет совершенно
недеформирован, т. е. полностью невесом. В принципе
получающиеся деформации могут быть обнаружены космонавтом
с помощью сверхчувствительных приборов.
Строго говоря, отдельные незакрепленные предметы на
космическом корабле, получая разные ускорения, должны
взаимно перемещаться друг относительно друга, и, значит,
космонавт, наблюдая эти перемещения, может заметить существование
поля тяготения.
Ниже мы увидим, что своеобразное состояние, в котором
находятся предметы на космическом корабле, не будучи настоящей
невесомостью, все же и не является состоянием весомости,
хотя бы и очень слабой; оно не обусловлено наличием
реакции опоры, да и характер деформаций при этом состоянии
совершенно иной, чем при слабой весомости. И взаимное перемещение
тел на космическом корабле из-за разницы в гравитационных
ускорениях ничуть не похоже на действие обычных
сил тяжести или негравитационных сил тяжести при включенном
двигателе. Но так или иначе, а невесомости нет!
Что это значит? Не вынесли ли мы последним утверждением
уничтожающий приговор содержанию предыдущих разделов
этой книги? Нет, можно привести очень серьезные доводы
в защиту утверждений, которые делались раньше.
Однородное поле тяготения, хотя и не существует в природе
в своем точном воплощении, но в некотором приближении
83

господствует в небольших объемах пространства. В небольшом
объеме сферические поверхности делаются похожими на
плоские, векторы гравитационных ускорений оказываются почти
параллельными. Градиент тяготения оказывается мал, и
картина начинает напоминать рис. 35. Чем меньше будет рассматриваемый
объем, тем меньше будет градиент тяготения,
тем ближе будут осуществляться условия, при которых возникает
невесомость и справедлив принцип эквивалентности.
В пределе, скажет математик, условия невесомости точно
осуществляются в бесконечно малом объеме и принцип эквивалентности
Эйнштейна справедлив также лишь для бесконечно
малого объема.
И хотя объем космического корабля не является бесконечно
малым, но размеры корабля все же чрезвычайно малы по
сравнению с расстоянием до центра Земли. Что может значить,
скажем, длина космического корабля в 5 м, когда расстояние
до центра Земли составляет 6600 км\ Можно ли считать векторы
гравитационных ускорений непараллельными, если максимальный
угол между ними, когда корабль станет «поперек
тяготения», не превышает 0,8 угловой секунды! Ожидать
какого-либо ощутимого эффекта от действия на корабль градиента
гравитации — разве это не то же самое, что утверждать,
будто проживающий на втором этаже человек прибавляет
в весе, когда выходит на улицу! Или будто бы натяжение
троса подъемного крана по мере подъема груза уменьшается,
так как сила тяжести груза с подъемом уменьшается!
И все же дело обстоит не так просто. В нашей повседневной
жизни существование градиента тяготения ни в чем не проявляется,
так как его воздействие слишком незначительно по
сравнению с другими силами. Однако в космосе градиент тяготения
представляет собой фактор, сравнимый по величине с
такими воздействиями, как световое давление, сопротивление
внешней среды или влияние на космический корабль магнитного
поля Земли.
На расстоянии 6600 км от центра Земли, т. е. на высоте
230 км над ее поверхностью (примерная высота апогея первых
кораблей-спутников), градиент тяготения равен
— 2,77- 10-4 см!сек2 на метр высоты (знак минус указывает на
уменьшение тяготения с высотой).
Много это или мало? Перепад гравитационных ускорений
между двумя сферами, разделенными расстоянием в 5 м, составляет
14-10-4 см!сек2. Когда космический корабль длиной
в 5 м располагается вдоль линии, направленной на центр Земли,
его нижний конец получает ускорение, которое на
14- 10-4 см!сек2 больше ускорения верхнего конца, что соответствует
превышению на 0,00015%. Как мы увидим, нельзя
сбрасывать со счетов даже такую ничтожную разницу между
гравитационными ускорениями.
84

Образование приливов
Рис. 36. Схема образования приливов.
Неоднородность поля тяготения проявляется наиболее заметно,
когда рассматриваемый космический объект больших
размеров. В частности, неоднородность лунного и солнечного
полей тяготения вызывает на Земле приливы и отливы.
Как известно, Луна обращается вокруг Земли по эллиптической
орбите, близкой к круговой, совершая один оборот в течение
сидерического месяца — 27,3 суток. Более точно будет,
однако, сказать, что Луна под действием земного притяжения
обращается вокруг общего центра масс Земли и Луны — так
называемого барицентра. Из-за того, что масса Земли гораздо
больше массы Луны, барицентр находится внутри земного шара
— на расстоянии в среднем 4660 км от его центра. Земля
под действием притяжения Луны движется таким образом,
что ее центр в течение сидерического месяца обращается вокруг
барицентра по небольшой эллиптической орбите, также
очень близкой к круговой. При этом центры Земли и Луны
все время остаются по разные стороны барицентра.
Несмотря на то, что градиент лунного поля тяготения на
расстоянии, отделяющем Землю от Луны, чрезвычайно мал
(— 1,7- 10~8 см1сек2 на километр), сравнительно большие размеры
Земли приводят к тому, что ближайшая к Луне точка
Земли получает на 1,1 • 10-4 см!сек2 большее гравитационное
ускорение, чем центр Земли, а наиболее удаленная— примерно
на столько же меньшее.
В результате того, что отдельные частицы земного шара получают
от Луны различные ускорения, они «стремятся» двигаться
по хотя и близким, но все же различным траекториям,
несколько отличающимся от орбиты центра Земли. Если бы
Земля была абсолютно твердым шаром, то это стремление не
приводило бы ни к каким перемещениям. Но частицы воды в
океанах имеют необходимую
свободу перемещения. В результате
уровень океанов поднимается
на несколько метров
вблизи линии, проходящей через
центры Земли и Луны, образуя
два «горба» (рис. 36).
Градиент солнечного тяготения
(— 0,8 • 10-8 CMjce^ на
километр) аналогичным образом
приводит к возникновению двух дополнительных «горбов»
меньшего размера вблизи линии центров Солнца и Земли. Как
видим, хотя в соответствии со сказанным на стр. 31 мы и не
можем ощутить ни нашу «солнечную», ни нашу «лунную» тяжесть,
Земля в целом «ощущает» неоднородность тяготений
Солнца и Луны.
85

Кроме приливов в океанах, существуют приливы в земной
атмосфере и даже в земной коре. Высота «горбов» в последнем
случае равна примерно 25 см.
Стремление отдельных частиц тела двигаться по разным
траекториям теоретически может привести даже к его распаду.
Это возможно в том случае, когда большое тело находится
сравнительно близко от притягивающего небесного тела.
Астрономы считают, что кольцо Сатурна, состоящее из мириадов
мелких частиц — спутников планеты, возникло в результате
распада одного из спутников Сатурна из-за наличия
большого градиента тяготения.
Проявление градиента тяготения на борту спутников
Обратимся опять к знакомому нам примеру. Пусть в свободно
падающем лифте подвешены три предмета в точках А,
В, С, лежащих на разной высоте (рис. 37), причем точка С
Рис. 37. Падающий лифт: а) различия
между силами тяготения в
трех точках; б) приливные силы.
совпадает с центром тяжести
лифта. Внезапно все три
предмета были одновременно
освобождены. В этот момент
все они имели одну и
ту же скорость, а именно,
скорость падения самого
лифта.
Если бы лифт находился
в однородном поле тяготения,
то дальнейшее падение
предметов происходило бы с
увеличивающимися, но одинаковыми
скоростями, и они
бы не перемещались относительно друг друга, т. е. наблюдалась
бы обычная для условий невесомости картина.
Но на самом деле в лифте существует перепад напряжения
силы тяжести. Если расстояния точек А и В от С равны 1 м,
то нижний предмет получает ускорение на 3 • 10″4 см!сек2 больше,
чем лифт, верхний — на столько же меньшее ускорение,
а средний — ускорение самого лифта. В результате нижний
предмет будет обгонять средний, а верхний от него отставать.
С точки зрения наблюдателя, находящегося в лифте, нижний
предмет, нарушая состояние невесомости, будет опускаться
под действием какой-то силы, а верхний будет подниматься
под действием аналогичной силы, и лишь средний будет по-
прежнему парить в центре тяжести, как и полагается при невесомости.
Земля будет как бы отталкивать верхний предмет и
притягивать нижний.
Силы, которые с точки зрения подвижного наблюдателя (в
связанной системе отсчета) нарушают состояние невесомости,
86

являются отражением существования градиента тяготения.
По аналогии с силами, вызывающими приливы и имеющими
то же происхождение, эти силы можно назвать приливными.
Каждая из них может быть представлена как векторная сумма
силы тяготения и силы инерции, равной произведению массы
тела на ускорение лифта и направленной в сторону, противоположную
ускорению лифта.
Чтобы изменение расстояния между свободными предметами
в падающем лифте стало заметным, падение должно происходить
достаточно долго. В самом деле, за 10 сек., в течение
которых лифт, падая, пролетит 490 м, нижний предмет
обгонит средний всего лишь на 0,15 мм.
Действие приливных сил в столь малых объемах, как внутренность
лифта или кабина космического корабля, может быть
обнаружено лишь в условиях более продолжительного свободного
движения в мировом пространстве. В самом деле, если
бы можно было наблюдать падение лифта в течение 100 сек.,
расхождение между предметами стало бы заметным: нижний
и верхний отдалились бы от среднего на 1,5 см. Но лифт (а
лучше— контейнер высокой ракеты) за это время должен был
бы пролететь около 50 км. Заметим, что при свободном движении
вверх (а не падении) в течение того же времени наблюдаемая
картина была бы такой же.
Перейдем теперь от вертикального свободного движения к
орбитальному полету спутника Земли. Пусть спутник выведен
на круговую орбиту, причем в
момент выключения двигателей
ракеты-носителя все предметы на
борту корабля получили одну и
ту же скорость (спутнику не было
сообщено вращательное движение).
Допустим, что три предмета
— выше центра масс, на
уровне центра масс спутника и
ниже его — в момент выхода на
орбиту оказались свободными.
При этом средний предмет будет
иметь скорость центра масс спутника,
т. е. местную круговую скорость.
Он, будучи освобожден,
начнет, оставаясь внутри спутника,
двигаться вокруг Земли по окружности.
Скорость верхнего
предмета будет больше местной
Рис. 38. Пути, проходимые
относительно Земли тремя
свободными предметами в
спутнике.
круговой скорости, которая, как известно, тем меньше, чем
дальше точка пространства от Земли. Поэтому он будет двигаться
вокруг Земли по эллипсу, находящемуся вне окружности.
Нижний предмет, имея скорость, меньшую местной кру-
87

говой скорости, начнет двигаться по эллипсу, лежащему внутри
окружности (рис. 38).
Пути предметов разойдутся. Расстояние между ними будет
увеличиваться, так как средний предмет движется на одном
и том же расстоянии от Земли, верхний начинает удаляться
от нее, а нижний приближаться. Вдобавок период обращения
вокруг Земли верхнего предмета будет максимальным, а нижнего—
минимальным. Поэтому нижний предмет будет обгонять
средний, а верхний от него отставать. После того как
предметы завершат один оборот вокруг Земли, они не окажутся
на одной вертикали, как вначале, ввиду того, что возвращения
в начальные точки не будут одновременными.
Вспомним теперь, что наши предметы окружены оболочкой
корабля-спутника. Какая картина будет наблюдаться космонавтом,
находящимся на борту спутника?
Ему будет казаться, что со стороны Земли на предметы
внутри кабины, находящиеся ближе к Земле, чем к центру
масс, действуют притягивающие приливные силы, а не предметы,
находящиеся дальше центра масс, действуют отталкивающие
приливные силы. Направления этих сил относительно
кабины будут непрерывно изменяться по мере того, как
спутник будет огибать Землю. В результате свободные предметы
в кабине будут описывать замысловатые траектории.
Вид этих траекторий будет зависеть еще и от поведения корпуса
спутника.
Практический интерес имеет случай спутника, подобно Луне
все время обращенного одной стороной к Земле («ориентация
на Землю»). При этом к приливным силам добавятся еще
кориолисовы и центробежные силы инерции, так как ориентированный
на Землю спутник, подобно Луне, наряду с орбитальным
движением совершает еще и вращательное движение
с тем же временем одного
оборота. В результате предметы
в верхней и нижней частях
кабины дрейфуют по
циклоидообразным траекториям
в противоположных направлениях
(рис. 39).
Чтобы приливные силы
могли практически проявиться
в кабине космического
корабля, их действию не
должно препятствовать сопротивление
микроатмосферы
внутри спутника. Не должны
были бы сказываться и чрезвычайно слабые (но на высосоте
порядка 200 км гораздо более существенные) негравитационные
силы тяжести, возникающие из-за наличия земной
Рис. 39. Траектория трех свободных
предметов в спутнике,
ориентированном относительно
Земли.
88

атмосферы за стенками спутника. Поэтому описанные явления
космонавт вряд ли сможет наблюдать в действительности.
Но ученые надеются, что сверхчувствительные приборы
отметят в будущем существование приливных сил, и это поможет
усовершенствовать методы инерциальной навигации.
Гравитационная стабилизация спутников
Градиент тяготения сказывается не только на поведении
тел внутри спутника, но и на самом спутнике. Если бы спутник
представлял собой совокупность разрозненных частиц, то
благодаря неоднородности поля тяготения эти частицы постепенно
разошлись бы в пространстве, образовав пояс вокруг
Земли. Поскольку этого не происходит, мы должны неизбежно
заключить, что спутник находится
в деформированном состоянии,
что его корпус испытывает
внутренние напряжения. Величина
этих напряжений еще более
ничтожна, чем чрезвычайно малые
напряжения, вызванные сопротивлением
атмосферы, и на них можно
не обращать ни малейшего
внимания.
Гораздо важнее для практики
Рис. 40. Устойчивое положение
спутника-«гантели»
(«спицы в колесе»).
влияние градиента тяготения на
ориентацию спутника.
Представим себе спутник, состоящий
из двух масс, соединенных
стержнем, не имеющим массы («гантель»). Такой спутник
устойчиво сохраняет ориентацию на Землю, двигаясь по орбите
подобно спице в колесе (рис. 40). За
время одного обращения вокруг Земли
он будет совершать, как и Луна, один
оборот вокруг оси, перпендикулярной
плоскости орбиты. Напротив, ориентация
спутника-«гантели» на неподвижные
звезды, соответствующая поступательному
движению по орбите (стержень
остается параллелен сам себе),
невозможна. Между тем, спутник, имеющий
правильную шарообразную форму,
мог бы, не вращаясь вокруг своей
оси, сохранять такую ориентацию
Рис. 41. Градиент гравитации
не влияет на сферический
спутник.
(рис. 41): в его иллюминатор все время был бы виден один и
тот же участок звездного неба. Причина здесь та, что на положение
спутника в форме гантели сильно влияет неоднородность
89

поля тяготения, в то время как на ориентации спутника-шара
она никак не сказывается.
Если какие-нибудь слабые воздействия (например, удар
микрометеорита) отклонят спутник-«гантель» от вертикального
положения, то благодаря градиенту гравитации он, подобно
маятнику, начнет колебаться около положения «спицы
в колесе». Аналогично ведет себя и спутник в виде сплошного
массивного стержня, но он более чувствителен к возмущениям.
Математический анализ показывает, что, напротив, горизонтальная
ориентация спутника-«гантели» (движение вокруг
Земли наподобие копья, рис. 42), хотя
и возможна теоретически, но является
неустойчивой, а потому и неосуществимой
на практике. Малейшее возмущение—
и неоднородность поля тяготения
уведет спутник от положения копья».
Итак, оказывается возможным использовать
градиент тяготения как один
из методов пассивной стабилизации
спутников, так называемый метод гравитационной
стабилизации.
Классическим примером гравитационной
стабилизации может служить
Луна, которая не является точным шаром
и вытянута в сторону Земли примерно
на 1 км.
Система гравитационной стабилизации искусственного
спутника состоит из отдельных масс, которые разбрасываются
возможно дальше на линии, идущей из центра Земли. Предварительно
спутник ориентируется нужным образом с помощью
системы активной стабилизации. Колебания, которые могут
возникнуть, гасятся специальными приспособлениями: вязкой
жидкостью, налитой во внутреннюю полость, пружиной
и т. п.
В ориентации на Землю нуждаются спутники, предназначенные
для наблюдений земной поверхности (в частности, метеорологические),
спутники связи (в том числе ретрансляторы
телевизионных передач) и некоторые другие.
Примером искусственного спутника, снабженного системой
гравитационной стабилизации, может служить американский
спутник «Траак» с массой 90 кг, выведенный 15 ноября 1961 г.
на орбиту, близкую к круговой, расположенную на высоте
1000 км. Первоначальная ориентация спутника осуществлялась
с помощью магнитного поля Земли. Затем из спутника в
сторону, противоположную Земле, был выброшен стержень
длиной 18 л с пружиной (рис. 43), несущий массу на конце.
Рис. 42. Неустойчивое
положение спутника-«гантели»
(«копье»).
90

Таким образом, спутник был уподоблен «гантели», которая,
как мы знаем, устойчиво ориентирована на Землю.
Успешно действовала система гравитационной стабилизации
навигационного спутника США «Транзит», запущенного
16 июня 1963 года на орбиту высотой 725— 764 км.
Рис. 43. Американский спутник «Траак» с гравитационной
стабилизацией.
Система гравитационной стабилизации спутников эффективна
на высотах, где сопротивление атмосферы не вмешивается
в ее действие и где в то же время градиент тяготения
не слишком мал. Следует иметь в виду, что градиент тяготения
очень быстро убывает с высотой — обратно пропорционально
кубу расстояния от центра Земли, т. е. быстрее, чем
убывает сила притяжения.
Влияние градиента тяготения
на движение центра масс
Существование градиента тяготения сказывается не только
на ориентации спутника, но как это ни покажется странным,
также на движении его центра масс. Орбита спутника
отличается от того движения, которое имела бы материальная
точка той же массы, находящаяся в центре масс.
Представим себе спутник-«гантель» в положении «спицы
колеса». Допустим невероятное: длина гантели равна диаметру
Земли, а нижняя масса А находится на высоте радиуса
Земли. Каждая из масс равна т. Если обозначить ускорение
91

в
A mg mg
4 + 16 5 „
az —
- = — g
2 m 32°
(силы складываются арифметически, так
как их направления совпадают).
Между тем, если бы вся масса спутника
была сосредоточена в точке С, то она
имела бы ускорение, равное местному
гравитационному ускорению, т. е. Vog- Ускорение
в случае гантели оказывается
Рис. 44. Влияние гра- больше. Поэтому если точка С движется
диента тяготения на по окружности, то движение совершается
скорость центра масс со скоростью большей круговой, так как
J при равномерном круговом движении
скорость тем больше, чем больше ускорение. Подсчет показывает,
что превышение составляет 19%.
Движение космического аппарата, имеющего более или
менее значительные размеры, не может происходить,
строго говоря, по «кеплеровой»
орбите, т. е. по точным эллипсу, параболе
или гиперболе, как полагается материальной
точке в центральном поле тяготения. При более
или менее значительных размерах аппарата
результирующая сил притяжения, действующих
на разные части аппарата, если
ее приложить в его центре масс, вообще говоря,
не оказывается даже направленной к
центру Земли. Это отчетливо видно на
рис. 45, соответствующего случаю гантели.
Для небольших спутников эти эффекты
мало заметны. Во всяком случае, они играют
еще меньшую роль, чем тот факт, что сам
закон всемирного тяготения Ньютона недостаточно
точен и должен быть, строго говоря,
заменен общей теорией относительности
Эйнштейна. Однако для будущих огромных
спутников, размеры которых будут достигать
сотен метров, этот эффект будет оказывать-
Рис. 45 Влияние
градиента тяготения
на орбиту
космического аппарата.
ся серьезнее, чем учет теории относительности, если орбиты
будут близки к поверхности Земли.
92
силы притяжения у поверхности Земли
буквой g, то на нижнюю массу будет действовать
сила - а на верхнюю сила
—
. Центр масс спутника должен двигаться
с ускорением ас, равным сумме
сил, деленной на общую массу спутника:

КРАТКИЙ СЛОВАРИК К ТЕКСТУ КНИГИ
Акселерометр— буквально, «измеритель ускорения». Акселерометр фактически
измеряет лишь ускорение летательного аппарата от действия всех
негравитационных сил или, что то же самое, ускорение от действия гравитационных
сил и сил инерции, так как эти два ускорения равны по величине
(но противоположно направлены). Акселерометр было бы точнее называть
«ньютонометром», так как гравитационные силы и силы инерции могут
быть объединены общим наименованием «ньютоновских сил».
Двигатели малой тяги — класс космических двигателей, сообщающих
реактивное ускорение порядка 0,00001 g— 0,001 g при сравнительно большой
скорости истечения и действующих непрерывно многие недели, месяцы
и годы. Старт корабля с двигателями малой тяги должен происходить не
с земной поверхности, а со станции-спутника Земли. Совершив несколько
сотен постепенно увеличивающихся спиральных витков вокруг Земли, космический
аппарат вырвется из сферы притяжения Земли и, двигаясь по
спирали вокруг Солнца, снизится к планете назначения. Затем, выйдя
на околопланетную спираль, он приблизится к планете и станет ее спутником.
Двигатели малой тяги позволят резко увеличить полезные нагрузки
межпланетных кораблей и сократят сроки перелетов к дальним планетам.
Долгое движение по спирали вокруг Земли, внутри зон радиации, возможно,
запретит, хотя бы на первых порах, пребывание человека на кораблях
с малой тягой. Тогда придется использовать эти двигатели на автоматических
аппаратах и для грузовых перевозок.
Кеплерово движение (по имени знаменитого немецкого астронома
Иоганна Кеплера, открывшего законы движения планет)— движение материальной
точки в центральном поле тяготения при отсутствии каких-
либо иных сил, кроме силы притяжения. Траекториями кеплеровых движений
могут быть только эллипсы (в частности, окружности), параболы,
гиперболы, а также прямые линии. Если пренебречь влиянием сплюснутости
Земли, притяжениями Луны, Солнца и планет, сопротивлением атмосферы,
то движение небольшого спутника Земли происходит по кеплеровой орбите.
В первом приближении траектории перелетов между планетами можно
также считать состоящими из дуг кеплеровых орбит.
Силы инерции. Механика знает силы инерции двух родов. Мы уже познакомились
в этой книге с силами инерции, которые приходится вводить,
когда движение рассматривается в неинерциальной системе отсчета. Кроме
того, существует понятие так называемой даламберовой силы инерции,
равной произведению массы материальной точки на ее ускорение и направленной
в сторону, противоположную ускорению. Добавление этой силы
к реально действующим силам облегчает во многих случаях решение
динамической задачи, позволяя формально написать уравнения движения
в виде уравнений равновесия.
93

Солнечный парус — особый тип неракетного космического двигателя
малой тяги. Представляет собой посеребренную или алюминизированную,
очень тонкую пластмассовую пленку, хорошо отражающую солнечные лучи.
Парус связан тонкими пластмассовыми тросами с космическим аппаратом.
Под действием давления солнечного света парус сможет двигаться не только
к внешним областям солнечной системы, но также к Венере и Меркурию,
если ориентировать его так, чтобы солнечные лучи тормозили движение.
Парус способен совершить перелет до Марса или Венеры быстрее,
чем ракета на химическом топливе. Преимущества солнечного паруса перед
другими двигателями малой тяги — простота конструкции, «забортный»
источник энергии (Солнце), отсутствие запасов рабочего тела, предназначенного
к выбрасыванию.
Солнечный тепловой двигатель — ракетный двигатель, основанный на
непосредственном нагреве рабочего тела (жидкий водород) солнечными
лучами, концентрируемыми в космосе с помощью больших рефлекторов.
Сможет, как полагают, сообщить реактивное ускорение порядка 0,001 g —
0,01 g. Возможно, окажется пригодным для грузовых перевозок со спутника
Земли на спутник Луны.
Стабилизация космических аппаратов — удерживание их в определенном
положении. Стабилизация может быть активной и пассивной. Система
активной стабилизации включает в себя чувствительные элементы, устанавливающие
по наблюдению Солнца, Луны, звезд или земного горизонта
положение корпуса космического аппарата, исполнительные органы
(небольшие реактивные двигатели или маховики), возвращающие аппарат
в заданное положение, наконец, сложную автоматику, вырабатывающую
указания для исполнительных органов. Система пассивной стабилизации
гораздо проще, но не всегда осуществима. Она использует «даровые» природные
эффекты. Например, давление солнечного света может заставить
космический аппарат «смотреть на Солнце», если снабдить аппарат солнечным
парусом особой формы; аэродинамические силы не позволяют космическому
кораблю опрокинуться при входе в плотные слои атмосферы; градиент
гравитации поддерживает ориентацию на Землю.
Формула Циолковского — простая формула, связывающая скорость у,
приобретенную ракетой (при условии действия одной лишь силы тяги), со
скоростью и истечений газов по отношению к корпусу ракеты, начальной
массой Л1о и конечной массой М:
v
Л4о -44о и
v = win — — —
, или — ■— =е ,
М М
где /=2,71828 — основание натуральных логарифмов. Когда реактивное ускорение
а поддерживаетя постоянным, v = at, откуда
at
Mq и
•
- — е
М
Полученная формула позволяет вычислить расход топлива, необходимый
для поддержания на космическом корабле заданного уровня искусственной
тяжести (в зависимости от значения а) в течение времени t. Результаты
подсчетов приводились на стр. 72.
Электроракетные двигатели — космические двигатели малой тяги, основанные
на использовании электрической энергии. Источником энергии
может быть атомная или солнечная электростанция на борту космического
корабля.
СОВЕТУЕМ ПРОЧИТАТЬ
Приводим названия нескольких книг, в которых читатель найдет дополнительные
сведения по вопросам, затронутым в книге.
94

Xайкин С. Э. Что такое силы инерции. Физическое введение в механику.
ГТТИ, М., 1939, 120 стр.
Содержание этой превосходной книги ясно указано в ее названии и в
подзаголовке. Мы настоятельно рекомендуем читателю познакомиться с
ней.
Исаков П. К., Стасевич Р. А. Скорости, ускорения, невесомость
(некоторые вопросы физики и физиологии применительно к полетам в атмосфере
и космическом пространстве). Изд. 2-е, переработанное и дополненное.
М., Воениздат, 1962, 150 стр.
Книга ценна интересным материалом, связанным с воздействиями невесомости
и перегрузок на человека, содержит многочисленные технические
подробности, особенно из авиационной области. Иллюстрирована документальными
фотографиями: испытания на невесомость, центрифуги, противоперегрузочный
костюм и др.
Первые космические полеты человека (научные результаты медикобиологических
исследований, проведенных во время орбитальных полетов
кораблей-спутников «Восток» и «Восток-2»). Под редакцией акад.
Н. М. Сисакяна и проф. В. И. Яздовского. М., Изд-во АН СССР,
1963, 204 стр.
Этот сборник научных статей, написанных специалистами в области
космической медицины, содержит, помимо изложения других вопросов,
подробные сведения о том, как первые советские космонавты Ю. А. Гагарин
и Г. С. Титов переносили тренировочные полеты на самолетах в условиях
невесомости и испытания на центрифуге, об их физиологических реакциях
на условия перегрузки и невесомости во время космических полетов
и о послеполетном периоде.
Герд М. А., Гуровский Н. Н. Первые космонавты и первые
разведчики космоса. М., Изд-во АН СССР, 1962, 199 стр
В этой научно-популярной книге рассказывается о подготовке и космических
полетах подопытных животных и первых космонавтов. Интересен
раздел, посвященный проблеме перегрузок.
Исследование мирового пространства. Под ред. проф. Д. Р. Бэйтса,
перев. с англ. М. Физматгиз, 1959, 272 стр.
В этой книге, написанной коллективом английских авторов — специалистов
в области космонавтики, глава II, принадлежащая Слейтеру, посвящена
медицинским и биологическим проблемам — главным образом, невесомости
и перегрузке. Подробно описано устройство органов равновесия.
Человек в условиях высотного и космического полета. Сборник переводов
из иностранной периодической литературы, М., ИЛ, 1960, 463 стр.
Большое место уделено проблемам невесомости и перегрузки. В одной
из статей, в частности, рассказывается об опытах по подводной имитации
невесомости.
Искусственные спутники Земли. Выпуск 16. Сборник статей, М.,
Изд-во АН СССР, 1963.
Ряд статей этого выпуска посвящен влиянию градиента тяготения на
ориентацию космических аппаратов и на движение их центра масс, а также
их гравитационной стабилизации. Чтение статей требует знания высшей
математики.
Материалы о невесомости и перегрузке публикуются в научно-технических
журналах «Авиация и космонавтика», «Космические исследования»
«Ракетная техника и космонавтика» (русский перевод американского журнала
«А1АА Journal», до 1963 г. назывался «Ракетная техника»), а также в
научно-популярных журналах «Наука и жизнь», «Техника — молодежи»,
«Знание — сила». В частности, в журнале «Ракетная техника» № 6 за
1962 г. помещена статья «Проблемы невесомости и космические силовые
установки». В № 4 журнала «Наука и жизнь» за 1962 г. читатель найдет
очень любопытные фотографии животных в условиях невесомости (рыбы,
птицы, белые мыши и крысы, кролики, морские свинки, кошки, собаки) и
прочтет интересный материал об их поведении.

О ЧЕМ РАССКАЗЫВАЕТСЯ В ЭТОЙ КНИГЕ
Невесомость, перегрузка — почему? . 3
Тяготение и сила тяжести . 5
Закон всемирного тяготения (5). Вес и сила тяжести
(7). Состояние весомости (И). Притяжение
земного сфероида (14). Центробежная сила инерции
(15). Движение относительно земной поверхности
(17). Ускорение силы тяжести (19).
Невесомость 21
Природа невесомости (21). Невесомость в связанной
системе отсчета (24). Эквивалентность тяготеющей
и инертной масс (29). Влияют ли на вес и невесомость
притяжения небесных тел? (30). Невесомость
при отсутствии тяготения (32).
Перегрузка . 35
Негравитационная тяжесть (35). Ускорение негравитационной
силы тяжести (38). Эквивалентность
сил инерции и сил тяготения (40). Инерциальная
навигация (44). Полет в сопротивляющейся среде
(46). Перегрузки при полете корабля-спутника (49).
Перегрузки при старте с орбитальной станции (52).
Перегрузки при посадке на Луну и планеты (54).
Космонавт и космическая техника в условиях невесомости
и перегрузки . 56
Влияние невесомости на человека (56). Испытания
на невесомость (58). Человек в условиях перегрузок
(62). Подводный и иные способы имитации отдельных
сторон невесомости (65). О подводной
амортизации перегрузки (68). Невесомость отменяет
закон Архимеда (69).
Искусственная тяжесть в космическом полете ... 72
Как создать искусственную тяжесть? (72). Вращающиеся
космические станции и корабли ((72). Жизнь
в условиях искусственной тяжести (77). Борьба с
кориолисовой силой (79).
Неоднородность поля тяготения . 82
Существует ли полная невесомость? (82). Образование
приливов (85). Проявление градиента тяготения
на борту спутников (86). Гравитационная стабилизация
спутников (89). Влияние градиента тяготения
на движение центра масс (91).
Приложение «Интересно, полезно знать» ... 93
Краткий словарик к тексту книги . . 93
Советуем прочитать .... 94