НЕВЕСО́МОСТЬ

НЕВЕСО́МОСТЬ, со­стоя­ние, в ко­то­ром у те­ла от­сут­ст­ву­ет вес; при этом в те­ле не воз­ни­ка­ют внутр. уп­ру­гие на­пря­же­ния (и, со­от­вет­ст­вен­но, уп­ру­гие де­фор­ма­ции), ко­то­рые в обыч­ных ус­ло­ви­ях воз­ни­ка­ют из-за дей­ст­вия си­лы ре­ак­ции опо­ры, ком­пен­си­рую­щей дей­ст­вую­щую на те­ло си­лу тя­же­сти. В со­стоя­нии Н. пол­ная си­ла взаи­мо­дей­ст­вия лю­бой вы­де­лен­ной час­ти те­ла с ок­ру­жаю­щи­ми её об­лас­тя­ми ока­зы­ва­ет­ся рав­ной ну­лю (т. е. вес от­сут­ст­ву­ет для лю­бой вы­де­лен­ной час­ти те­ла).

Со­стоя­ние Н. воз­ни­ка­ет в том слу­чае, ес­ли на те­ло не дей­ст­ву­ют ни­ка­кие си­лы (та­кое те­ло на­зы­ва­ет­ся сво­бод­ным) или те­ло дви­жет­ся под дей­ст­ви­ем толь­ко си­лы гра­ви­тац. при­тя­же­ния в од­но­род­ном по объ­ё­му те­ла гра­ви­тац. по­ле. В со­стоя­нии Н. на­хо­дят­ся, напр., все те­ла в кос­мич. ап­па­ра­те, сво­бод­но (с не­ра­бо­таю­щи­ми дви­га­те­ля­ми) дви­жу­щем­ся в та­кой об­лас­ти про­стран­ст­ва, где гра­ви­тац. по­ля пре­неб­ре­жи­мо ма­лы (т. е. вда­ли от не­бес­ных тел). Пред­ме­ты внут­ри та­ко­го КА мо­гут «па­рить», ос­та­ва­ясь не­под­виж­ны­ми от­но­си­тель­но са­мо­го КА.

Со­стоя­ние Н. воз­ни­ка­ет и вбли­зи не­бес­ных тел при дви­же­нии под дей­ст­ви­ем толь­ко гра­ви­тац. при­тя­же­ния. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что в та­ких ус­ло­ви­ях все те­ла при­об­ре­та­ют оди­на­ко­вое ус­ко­ре­ние вне за­ви­си­мо­сти от их мас­сы (вслед­ствие ра­вен­ст­ва гра­ви­та­ци­он­ной и инерт­ной масс). Т. о., при оди­на­ко­вых на­чаль­ных ус­ло­ви­ях те­ла, дви­га­ясь в гра­ви­тац. по­ле, бу­дут со­хра­нять своё по­ло­же­ние от­но­си­тель­но друг дру­га и не бу­дут ока­зы­вать друг на дру­га к.-л. влия­ния. По­это­му со­стоя­ние Н. воз­ни­ка­ет при сво­бод­ном па­де­нии (т. е. при дви­же­нии с ус­ко­ре­ни­ем сво­бод­но­го па­де­ния g под дей­ст­ви­ем од­ной лишь си­лы тя­же­сти). Крат­ко­вре­мен­ное со­стоя­ние Н. воз­ни­ка­ет для всех тел, ко­то­рые на­хо­дят­ся в сво­бод­но па­даю­щем лиф­те, в са­мо­лёте, ле­тя­щем по бал­ли­стич. тра­ек­то­рии, в ав­то­мо­би­ле, вы­ез­жаю­щем на наи­выс­шую точ­ку вы­пук­ло­го мос­та на дос­та­точ­но вы­со­кой ско­ро­сти, и т. п.

Со­стоя­ние, очень близ­кое к со­стоя­нию Н., для ма­лых тел мож­но соз­дать в зем­ных ус­ло­ви­ях и др. спо­со­бом. Ка­п­лю во­ды мож­но за­ста­вить па­рить над силь­ным маг­ни­том, ском­пен­си­ро­вав на уров­не ато­мов и мо­ле­кул гра­ви­тац. при­тя­же­ние Зем­ли си­лой маг­нит­но­го от­тал­ки­ва­ния. Этот эф­фект на­зы­ва­ют диа­маг­нит­ной ле­ви­та­ци­ей или ме­то­дом маг­нит­ной мик­ро­гра­ви­та­ции. По­ве­де­ние ка­п­ли при этом прак­ти­че­ски не от­ли­ча­ет­ся от по­ве­де­ния ка­п­ли, на­хо­дя­щей­ся в ус­ло­ви­ях Н. на бор­ту ор­би­таль­ной стан­ции. В 1997 ни­дерл. фи­зик А. Гейм про­вёл опыт по диа­маг­нит­ной ле­ви­та­ции жи­во­го ор­га­низ­ма (ля­гуш­ки), в ко­то­ром уда­лось ском­пен­си­ро­вать гра­ви­та­цию с по­греш­но­стью до 0,1g. Ме­тод маг­нит­ной мик­ро­гра­ви­та­ции яв­ля­ет­ся по­ка наи­луч­шим при­бли­же­ни­ем со­стоя­ния дли­тель­ной Н. в зем­ных ус­ло­ви­ях; от­но­сит. про­сто­та и дос­туп­ность это­го ме­то­да по­зво­ля­ют за­ме­нить ряд до­ро­го­стоя­щих ис­сле­до­ва­ний на ор­би­таль­ной стан­ции ла­бо­ра­тор­ны­ми экс­пе­ри­мен­та­ми на Зем­ле.

Невесомость в космонавтике

Дли­тель­ная Н. воз­ни­ка­ет на КА, со­вер­шаю­щем дви­же­ние по ор­би­те. Вслед­ствие зна­чит. от­ли­чия со­стоя­ния Н. от при­выч­ных зем­ных ус­ло­вий в кос­мо­нав­ти­ке воз­ни­ка­ет це­лый ряд про­блем (напр., тех­нич., био­ло­гич.). Наи­бо­лее серь­ёз­ные тех­нич. про­бле­мы свя­за­ны с функ­цио­ни­ро­ва­ни­ем сис­тем КА, в ко­то­рых име­ют­ся ём­ко­сти, час­тич­но на­пол­нен­ные жид­ко­стью. Напр., в дви­га­тель­ных ус­та­нов­ках с жид­ко­ст­ны­ми ра­кет­ны­ми дви­га­те­ля­ми то­п­ли­во из-за Н. мо­жет за­ни­мать про­из­воль­ное по­ло­же­ние в ба­ках, т. е. нор­маль­ное функ­цио­ни­ро­ва­ние сис­те­мы, напр. по­да­ча ком­по­нен­тов то­п­ли­ва из ба­ков, бу­дет на­ру­ше­но. В ус­ло­ви­ях Н. при­ме­ня­ют­ся спец. тех­нич. приё­мы для раз­де­ле­ния жид­кой и га­зо­об­раз­ной фаз, напр. в то­п­лив­ных ба­ках, в сис­те­мах жиз­не­обес­пе­че­ния, в то­п­лив­ных эле­мен­тах сис­те­мы энер­го­пи­та­ния.

Н. силь­но влия­ет на ор­га­низм че­ло­ве­ка в про­цес­се кос­мич. по­лё­та. Напр., в ус­ло­ви­ях Н. вес­ти­бу­ляр­ный ап­па­рат и ин­фор­ма­ция от др. ре­цеп­то­ров не да­ют пра­виль­но­го пред­став­ле­ния о про­стран­ст­вен­ном по­ло­же­нии те­ла, по­яв­ля­ют­ся так­же вес­ти­бу­ляр­ные рас­строй­ства (напр., го­ло­во­кру­же­ние, тош­но­та). Пред­ва­рит. тре­ни­ров­ка кос­мо­нав­тов сни­жа­ет про­яв­ле­ния этих рас­стройств. Сни­же­ние на­груз­ки на мы­шеч­ную сис­те­му в ус­ло­ви­ях Н. при­во­дит к ат­ро­фии мышц. В про­цес­се по­лё­та уси­ли­ва­ет­ся вы­вод из ор­га­низ­ма хи­мич. эле­мен­тов, вхо­дя­щих в со­став био­ло­гич. тка­ней (азот, фос­фор, ка­лий). В со­стоя­нии Н. из­ме­ня­ет­ся об­мен ве­ществ, в т. ч. ми­нер. и бел­ко­вый об­мен, что, в ча­ст­но­сти, при­во­дит к уси­ле­нию вы­мы­ва­ния каль­ция из ко­ст­ной тка­ни. Сте­пень про­яв­ле­ния из­ме­не­ний за­ви­сит от ин­ди­ви­ду­аль­ных осо­бен­но­стей ор­га­низ­ма и про­дол­жи­тель­но­сти по­лё­та. Для ком­пен­са­ции воз­ни­каю­щих на­ру­ше­ний при­ме­ня­ют­ся спец. ком­плек­сы фи­зич. уп­раж­не­ний. Соз­дан­ная в Рос­сии сис­те­ма мед. обес­пе­че­ния по­зво­ля­ет ре­гу­ли­ро­вать сте­пень не­бла­го­при­ят­но­го воз­дей­ст­вия Н. и обес­пе­чить осу­ще­ст­в­ле­ние дли­тель­ных по­лё­тов кос­мо­нав­тов. Один из воз­мож­ных спо­со­бов уст­ра­не­ния не­бла­го­при­ят­но­го воз­дей­ст­вия Н. в бу­ду­щих кос­мич. по­лё­тах – соз­да­ние в КА ус­ло­вий ис­кусств. тя­же­сти.

Кос­мич. ис­сле­до­ва­ния да­ют ог­ром­ный тео­ре­тич. и экс­пе­рим. ма­те­ри­ал для изу­че­ния осо­бен­но­стей про­те­ка­ния в ус­ло­ви­ях Н. фи­зич. про­цес­сов в жид­ко­стях, га­зах, ме­тал­лах, по­лу­про­вод­ни­ках и др. Так, ряд тех­но­ло­гич. про­цес­сов воз­мо­жен толь­ко в ус­ло­ви­ях Н. В Н. не дей­ст­ву­ет за­кон Ар­хи­ме­да, по­это­му зна­чи­тель­но сни­жа­ет­ся роль те­п­ло­вой кон­век­ции, ис­че­за­ет яв­ле­ние пла­ву­че­сти; из­ме­ня­ют­ся про­цес­сы кри­стал­ли­за­ции и за­твер­де­ва­ния об­раз­цов. В Н. воз­мож­но бес­кон­тей­нер­ное удер­жа­ние в про­стран­ст­ве лю­бых ве­ществ в жид­ком со­стоя­нии, в т. ч. рас­пла­вов. Те­п­ло­вая об­ра­бот­ка рас­пла­вов без кон­так­та со стен­ка­ми кон­тей­нера (т. е. об­ра­бот­ка бес­кон­тей­нер­ны­ми ме­то­да­ми) по­зво­ля­ет по­лу­чать осо­бо чис­тые ма­те­риа­лы. В ус­ло­ви­ях Н. от­кры­ва­ют­ся прин­ци­пи­аль­но но­вые воз­мож­но­сти для соз­да­ния ма­те­риа­лов с улуч­шен­ны­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми (по­вы­шен­ной од­но­род­но­сти, улуч­шен­ной струк­ту­ры и др.). Напр., мож­но по­лу­чать спла­вы ме­тал­лов с рав­но­мер­ным рас­пре­де­ле­ни­ем уп­роч­няю­щей фа­зы по объ­ё­му об­раз­ца; стёк­ла с за­дан­ным рас­пре­де­ле­ни­ем по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния, мо­но­кри­стал­лы по­лу­про­вод­ни­ков (об­ла­даю­щие хо­ро­ши­ми элек­тро­фи­зич. свой­ст­ва­ми) с рав­но­мер­ным рас­пре­де­ле­ни­ем по объ­ё­му при­ме­сей. Прак­тич. ре­ше­ние этих важ­ных на­уч­но-тех­нич. про­блем ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря соз­да­нию дол­го­врем. пи­ло­ти­руе­мых ор­би­таль­ных стан­ций. Од­на­ко в ре­аль­ном кос­мич. по­лё­те пол­ная Н. не мо­жет быть дос­тиг­ну­та по ря­ду при­чин: из-за мик­ро­ус­ко­ре­ний на КА, обу­слов­лен­ных его вра­ще­ни­ем; не­од­но­род­но­сти гра­ви­тац. по­ля в пре­де­лах КА; сил не­гра­ви­тац. при­ро­ды (аэ­ро­ди­на­мич. тор­мо­же­ние, ра­бо­та ре­ак­тив­ных дви­га­те­лей и др.). На пи­ло­ти­руе­мых ор­би­таль­ных ком­плек­сах ам­пли­ту­ды воз­му­ще­ний из­ме­ня­ют­ся от 10^–6 до 10^–1$g$, а зна­че­ния час­тот­но­го спек­тра – от 0,01 до не­сколь­ких со­тен Гц. Ис­точ­ни­ка­ми виб­ро­воз­му­ще­ний на кос­мич. стан­ци­ях яв­ля­ют­ся аг­ре­га­ты сис­те­мы тер­мо­ре­гу­ли­ро­ва­ния, ком­прес­со­ры бор­то­вых кон­ди­цио­не­ров, на­со­сы, вен­ти­ля­то­ры и т. д., а так­же фи­зич. уп­раж­не­ния эки­па­жа. Для умень­ше­ния влия­ния воз­му­ще­ний при про­ве­де­нии экс­пе­ри­мен­тов ис­поль­зу­ют виб­ро­за­щит­ные плат­фор­мы.