Глобальный показатель акселерации¶

Глобальный показатель акселерации (ГПА) — физическая величина, характеризующая ускорение, приобретаемое телом в поле тяжести, выраженная в единицах, кратных ускорению свободного падения на Земле. ГПА широко используется в астрономии, планетологии и космической инженерии для сравнения гравитационных условий на различных небесных телах: на Земле, Луне, Марсе, Юпитере и других планетах и спутниках. Значение ГПА на Земле принято за единицу измерения и обозначается как 1 g (гравитационная единица).

¶Определение и единицы измерения

ГПА определяется как отношение ускорения тяжести на поверхности тела к ускорению свободного падения на Земле:

ГПА = g / g₀

где g — ускорение тяжести на изучаемом теле, g₀ ≈ 9,80665 м/с² — стандартное ускорение свободного падения на Земле.

Единица измерения ГПА — «g» (произносится «джи»), названная в честь Галилео Галилея, хотя сам термин закрепился позднее. В русскоязычной литературе также встречается обозначение «г» или «g-нагрузка». Одна единица ГПА соответствует силе, в 9,80665 раз большей массы тела, чем на Земле.

¶Значения ГПА на различных телах Солнечной системы

Ускорение тяжести на поверхности небесного тела зависит от его массы и радиуса и определяется формулой:

g = G·M / R²

где G — гравитационная постоянная, M — масса тела, R — его радиус.

Как видно из таблицы, гравитационные условия на Марсе и Меркурии практически одинаковы и составляют около 38 % земных, тогда как на Юпитере — более чем вдвое превышают земные. На Луне гравитация составляет лишь 17 % от земной, что существенно влияет на характер движения и поведение материалов.

¶ГПА и физиология человека

Воздействие повышенного или пониженного ускорения на организм человека изучается в авиационной и космической медицине. Различают следующие типы ускорений:

• Положительные (прямые) — направленные от головы к ногам, возникают при разгоне ракеты или манёврах самолёта. Человек переносит до 5–6 g в течение нескольких секунд и до 10–12 g в кратковременных манёврах.
• Отрицательные (обратные) — направленные от ног к голове, переносятся значительно хуже: уже при 3–4 g возможна потеря сознания из-за оттока крови от мозга.
• Боковые (трансверсальные) — наиболее переносимы, допускают длительные воздействия до 10–12 g.

В космосе, при длительном отсутствии ускорения (микрогравитация, ≈ 0 g), у человека развиваются атрофия мышц, остеопороз, нарушение вестибулярного аппарата и другие изменения. Поэтому в космических программах разрабатываются методы компенсации: физические тренировки, искусственная гравитация (вращение станции) и медикаментозная профилактика.

¶Применение ГПА в науке и технике

¶Астрономия и планетология

Знание ГПА необходимо для расчёта траекторий космических аппаратов, посадки на поверхность небесных тел, изучения внутреннего строения планет по данным о гравитационном поле. Масса и радиус планеты, определяемые по ГПА, позволяют вычислить среднюю плотность тела и делать выводы о его составе.

¶Инженерия и испытания

В испытаниях техники и оборудования ГПА используется как критерий прочности: конструкции рассчитываются на перегрузки, кратные g. Например, элементы ракет и самолётов испытываются на перегрузки в 9–15 g, а космические аппараты — до 20–30 g при посадке.

¶Спорт и тренажёры

В профессиональном спорте (автогонки, авиация) перегрузки измеряются в g, и спортсмены проходят специальную подготовку для их переносимости. Тренажёры с вращением (центрифуги) позволяют имитировать воздействие до 9 g.

¶Историческая справка

Понятие ускорения свободного падения было сформулировано Галилеем в XVII веке. Единица «g» как мера перегрузки вошла в практику в XX веке с развитием авиации и ракетной техники. В СССР и России для обозначения перегрузок используется также термин «перегрузка» с указанием кратности к g (например, «перегрузка 5g»).

¶Интересные факты

• На вершине Эвереста (8848 м) ГПА составляет около 0,997 g — разница с уровнем моря менее 0,3 %.
• В центре Земли гравитационное ускорение равно нулю, так как все массы тянут тело во все стороны симметрично.
• Астронавты на МКС испытывают состояние близкое к невесомости, хотя на высоте ~400 км ГПА составляет около 0,89 g — станция просто постоянно «падает» вокруг Земли.

¶Источники

• Физика: учебник для вузов / Под ред. Г. Я. Мякишева, Б. Б. Буховцева. — М.: Просвещение.
• Савельев И. В. Курс общей физики. — М.: АСТ.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит.
• Космическая медицина: учебное пособие / Под ред. А. А. Гуляева. — М.: Медицина.
• NASA. Gravity and Gravity Assist. — Washington: NASA Science.