Przeciążenie i nieważkość

Nieważkość i przeciążenie są to dwa stosunkowo niedawno poznane zjawiska związane z astronomią i grawitacją. Obecnie nadal znajdują się w fazie badań. Ponieważ występują one podczas lotów kosmicznych naukowcy sprawdzają ich wpływ na zdrowie oraz ciało człowieka. Na ziemi w warunkach naturalnych zjawiska te nie występują i są wywoływane w sposób sztuczny. Żeby móc wyjaśnić te zjawiska już na początku konieczne jest przedstawienie definicji tych dwóch zjawisk:

Nieważkość - stan substancji lub organizmu spowodowany efektywnym brakiem siły ciążenia. W klasycznym sensie masa może być nieważka tylko wówczas gdy jest nieskończenie oddalona od innych ciał tzn. gdy na masę nie działa siła grawitacji. Za stan nieważkości uważa się stan, w którym siła grawitacji działająca na masę jest zrównoważona siłą bezwładności tej masy. Np. stan nieważkości w poruszającym się po orbicie wokół ziemi statku kosmicznego jest wynikiem znoszenia się siły ciążenia z odśrodkową siłą bezwładności. W warunkach ziemskich krótkotrwały stan nieważkości można zaobserwować podczas spadku swobodnego (a=g) w specjalnych wieżach lub obiektach latających.

Przeciążenie – stan ciała lub organizmu, w którym to ciało (lub organizm) jest poddane działaniu zależnej od jego masy siły większej od siły ciężkości. Siłami zależnymi od masy są siła bezwładności i siła przyciągania grawitacyjnego toteż przeciążaniu podlegają np. poruszające się z dużymi przyspieszeniami obiekty latające oraz ich pasażerowie. Przeciążenie mierzymy stosunkiem działającej na masę siły do siły ciężkości i wyraża się je w jednostkach g.

Wiemy już jakie są definicje tych zjawisk więc teraz możemy przyjrzeć im się bliżej. Na początek przeanalizujemy zjawisko przeciążenia, a dopiero później nieważkości.

Przeciążenia najłatwiej jest zaobserwować podczas startu oraz lądowaniu rakiet kosmicznych. Zjawisko to dotyczy wtedy bezpośrednio kosmonauty znajdującego się w kabinie statku. Rozróżniamy zasadniczo cztery rodzaje przyspieszeń:
- liniowe – powstające przy zmianie prędkości w ruchu prostoliniowym
- odśrodkowe - powstające przy zmianie kierunku ruchu
- kątowe - powstające przy zmianie prędkości kątowej
- Coriolisa – występujące przy złożonych ruchach, składających się z ruchu obrotowego i prostoliniowego

Zasadniczo organizmu ludzki jest w stanie znieść przeciążenie równe co do wartości ośmiokrotnie większej od jego siły ciężkości. Oznacza to, że człowiek znosi przeciążenia równe 8mg (m – masa ciała, g – wartość przyspieszenia ziemskiego). Jednocześnie poprzez systematyczne ćwiczenia można spowodować większą wytrzymałość organizmu człowieka na siłę i szybkość wzrastania przeciążenia.

Przeciążenia są bardzo niebezpieczne dla organizmu człowieka szczególnie gdy przyspieszenie jest zwrócone wzdłuż ciała człowieka. Jeżeli przeciążenie jest zwrócone od nóg do głowy to przeciążenie powoduje odpływ krwi z mózgu i gromadzenia się jej w kończynach. Przy przeciążeniach równych około 5g występuje niedostateczne ukrwienie siatkówki oczu co może spowodować utratę zdolności widzenia lub nawet utratę przytomności. Z kolei przeciążenia przy przyspieszeniach skierowanych od głowy do nóg powoduje gromadzenie się krwi w mózgu. Wynikiem tego mogą być potężne bóle głowy, krwawe wybroczyny w okolicach oczu, krwotoki wewnętrzne w mózgu i płucach.

Zdecydowanie mniej niebezpieczne są przeciążenia poprzeczne (przy przyspieszeniach plecy – klatka piersiowa lub odwrotnie). Ujemne skutki przeciążeń zależą również od szybkości ich narastania. Powolne i systematyczne wzrosty są o wiele mniej niebezpieczne od tych narastających szybko. Szczególnie niebezpieczne są przeciążenia dotyczące pilotów samolotów np. podczas walki manewrowej gdy przeciążenia zmieniają się bardzo szybko i przebiegają w różnych kierunkach.

Przeciążenia następują w czasie startu i lądowania rakiety natomiast pomiędzy tymi dwoma momentami następuje okres nieważkości. Stan ten występuje podczas lotu statku kosmicznego po orbicie dookoła ziemi kiedy to siła odśrodkowa równoważy siłę przyciągania ziemskiego. Stan nieważkości jest to stan, w którym osoba podlegająca mu nie odczuwa swojego ciężaru. Można powiedzieć, że jest to stan, w którym poszczególne ciała nie wywierają na siebie wzajemnych ciśnień. Stan nieważkości mógłby wystąpić również podczas spadku swobodnego ciała pod warunkiem, że na ciało nie działałyby żadne inne siły zewnętrzne w tym także siły oporu powietrza.

Problem nieważkości odgrywa jednak największą rolę w astronautyce. Szczególnie ważne jest uwzględnienie tego zjawiska podczas lotów z załogą ponieważ warunki nieważkości są niezmiernie różne od naturalnych warunków przebywania człowieka na ziemi. Stan nieważkości powoduję wiele zmian zarówno w sposobie życia jak i funkcjach życiowych organizmu ludzkiego.

Najwcześniej stan nieważkości zaczęto badać w Związku Radzieckim za pomocą rakiet. Wystrzeliwano na duże wysokości psy, myszy i małpy i powodowano otwarcie spadochronu dopiero na wysokościach poniżej 4 km. Podczas spadku swobodnego zwierzęta znajdowały się w warunkach nieważkości i stwierdzono, że znosiły one ten stan w wyjątkowo dobry sposób, a do faktu wystąpienia nieważkości bardzo szybko się przyzwyczajały. Następnie zaczęto próby z ludźmi w samolotach odrzutowych. Samoloty były wyprowadzone na duże wysokości gdzie atmosfera jest bardzo rozrzedzona. Następnie przy maksymalnej prędkości wyłączane są silniki i samolot porusza się dalej bezwładnie. Dzięki tego typom lotów stwarzano stan nieważkości na okres około 1 minuty. W czasie takiego lotu samolot porusza się po tzw. paraboli nieważkości. Poprzez wykonywanie wielu akrobacji możliwe było przedłużenie okresu nieważkości do 3 minut.

Spośród ludzi jako pierwszy długotrwały stan nieważkości odczuł Gagarin. Początkowo czuł się on nieswojo lecz bardzo szybko zdołał przystosować się do braku ciężaru. W czasie swojego lotu wykonywał on wszystkie czynności: utrzymywał kontakt z Ziemią, prowadził obserwację, przyjmował pożywienie. Potwierdziło to domysły, że stan nieważkości nie przeszkadza człowiekowi, który zachowuje wszelkie zdolności do wykonywania czynności. W czasie lotu Gagarina nie można było sprawdzić wszelkich zjawisk wynikających ze stanu nieważkości, gdyż podróż była zbyt krótka.

Kolejnym astronautą w stanie nieważkości był Titow, który znajdował się w nim przez ponad 25 godzin. Lot ten potwierdził wcześniejsze badania. Titow podczas podróży wykonywał szereg zajęć przewidzianych w programie. Pilot przez cały czas obserwował swoje reakcje i przesyłał dane na Ziemię. W czasie lotu przespał on spokojnie 8 godzin oraz zjadł 3 pełne posiłki. Po długotrwałym stanie nieważkości nastąpiły u Titowa pewne zaburzenia w zmyśle równowagi objawiającego się głownie bólem głowy, które jednak szybko ustąpiły.

Chociaż początkowe loty nie pokazały poważnych zaburzeń w organizmie człowieka w czasie dalszych badań i lotów określono szereg negatywnych skutków nieważkości dla organizmu. Najwcześniej pojawiającym się objawem jest choroba kosmiczna, która charakteryzuje się wymiotami i złym samopoczuciem. Ustępuje ona jednak bardzo szybko i dotyczy niewielkiej liczby astronautów. Poważnym następstwem jest dezorientacja naszego układu równowagi ucha środkowego. Bardzo poważnym skutkiem negatywnym jest zanik u astronautów mięśni w wyniku ich nieużywania czemu można zapobiec poprzez systematyczne ćwiczenia. Innymi skutkami jest niewyjaśniona utrata wapnia oraz osłabienie mięśnia sercowego.

Stan nieważkości sprawia problemy nie tylko dla funkcjonowania naszego organizmu, ale także zmienia nasze przyzwyczajenia do życia. W czasie długich lotów stan ten będzie sprawiał wiele kłopotów. Nie będzie możliwe określenie gdzie znajduje się góra, a gdzie dół ponieważ przedmioty będą wisiały w powietrzu i nie nastąpi ich spadek. Poruszanie będzie możliwe tylko od jednego przedmiotu nieruchomego do drugiego poprzez odpychanie. W statkach nie będzie możliwe używanie palników gdyż nie będą się one palić, chyba że wymusi się sztuczny obieg powietrza.

Duże kłopoty spowodują podstawowe funkcje organizmu: wydalanie, spanie, jedzenie. Spanie będzie musiało odbywać się w specjalnych śpiworach przymocowanych do ścian. Wydalanie wymagać będzie zastosowanie specjalnych urządzeń. Największe trudności sprawi odżywianie się. Płyny będą „pływały” w powietrzu skupiając się w kule. Ich wypicie będzie możliwe tylko przy wykorzystani8u specjalnych urządzeń takich jak pompka lub gruszka. Inaczej będzie wyglądać gotowanie. Będzie musiało odbywać się w specjalnych naczyniach wprowadzonych w ruch obrotowy żeby zawartość w czasie gotowania przylegała do ścianek, a nie unosiła się w powietrzu. Utrudnione będzie mycie możliwe tylko przy wykorzystaniu zwilżonego ręcznika lub gąbki.

Jak widać zarówno przeciążenia jak i nieważkość są zjawiskami dość niebezpiecznymi dla człowieka gdyby przebywał on w nich przez długi okres. Opracowuje się plany wyeliminowania tych zjawisk i/lub ich zmniejszenia. Przeciążenia obecnie są coraz mniejsze co związane jest z coraz nowocześniejszą budową rakiet i statków kosmicznych. Z kolei dokłada się starań aby wyeliminować z lotów kosmicznych zjawisko nieważkości, które jest bardzo niebezpieczne jeżeli człowiek przebywa w tym stanie zbyt długo. Próby ich eliminacji są związane z przyszłymi długimi wyprawami oraz zakładaniem stacji kosmicznych na orbicie. Żeby pozbyć się zjawiska nieważkości konieczne jest wytworzenie sztucznej siły grawitacji. Jednym z możliwych rozwiązań jest zbudowanie stacji kosmicznej w kształcie koła. Miałoby ono średnice ponad 100 m i w celu wytworzenia sztucznej grawitacji wykonywałoby (ta stacja) jeden obrót na minutę wzdłuż osi OO’. Spowodowało by to wytworzenie pole grawitacyjne podobne siłą do ziemskiego. W oponie takiej stacji miałoby znajdować się osiedle dla ludzi. Pierwotnym zadaniem takiej stacji byłaby akumulacja energii i wysyłania ich na ziemię w postaci mikrofal.