Невесомость: состояние и воздействие на организм¶

Невесомость — состояние, при котором отсутствует механическое взаимодействие тела с опорой или подвесом, возникающее, когда гравитационное притяжение компенсируется силами инерции, либо когда тело движется под действием только гравитации. В бытовом и научном контексте термин чаще всего применяется к условиям космического полёта, где объекты и люди находятся в состоянии свободного падения на орбите. Ключевой характеристикой невесомости является отсутствие ощущения веса, при этом масса тела и его инертность сохраняются полностью.

¶Физическая природа явления

Вес тела — это сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие гравитационного притяжения. Если опора движется с ускорением, равным ускорению свободного падения, давление тела на опору исчезает. На орбите космический корабль вместе с экипажем непрерывно «падает» на Землю, но благодаря горизонтальной скорости не достигает её поверхности. В результате все объекты внутри корабля движутся по одной траектории с одинаковым ускорением, и взаимные механические напряжения отсутствуют.

Невесомость не означает отсутствие гравитации. На высоте Международной космической станции (около 400 км) сила притяжения Земли составляет примерно 90 % от значения на поверхности. Состояние невесомости также достигается при полёте по параболической траектории (так называемый «самолёт-лаборатория»), при свободном падении в лифте или при движении корабля с выключенными двигателями в межпланетном пространстве.

¶Влияние на организм человека

Человеческое тело эволюционно адаптировано к условиям земной гравитации, поэтому длительное пребывание в невесомости вызывает комплекс физиологических изменений, объединяемых термином «космическая форма адаптации».

¶Опорно-двигательный аппарат

Отсутствие нагрузки на скелет приводит к деминерализации костной ткани: плотность костей снижается в среднем на 1–2 % в месяц, преимущественно в нижних конечностях и поясничном отделе позвоночника. Мышечная ткань атрофируется: особенно страдают мышцы-разгибатели спины и икроножные мышцы, которые на Земле постоянно противодействуют гравитации. Потеря мышечной массы может достигать 20 % при длительных экспедициях.

¶Сердечно-сосудистая система

В невесомости кровь перераспределяется в верхнюю половину тела, что вызывает ощущение прилива к голове, отёчность лица и уменьшение объёма ног. Объём циркулирующей плазмы снижается. Сердце, испытывающее меньшую нагрузку, постепенно уменьшается в размерах. После возвращения на Землю космонавты испытывают ортостатическую неустойчивость — головокружение и предобморочное состояние при переходе в вертикальное положение.

¶Вестибулярный аппарат и сенсорные системы

В первые дни пребывания в невесомости у многих космонавтов развивается «космическая болезнь движения»: тошнота, потеря ориентации, иллюзорные ощущения перевёрнутости. Мозг получает противоречивые сигналы от вестибулярного аппарата, зрительной системы и проприорецепторов. Постепенно нервная система адаптируется, однако у части людей симптомы сохраняются до двух недель.

¶Прочие изменения

Наблюдаются нарушения обмена веществ, снижение выработки эритроцитов (так называемая «космическая анемия»), изменения в работе иммунной системы, ухудшение качества сна. У некоторых космонавтов отмечается повышение внутричерепного давления и изменения остроты зрения, связанные с отёком зрительного нерва.

¶Профилактика негативных последствий

Для противодействия негативным эффектам на орбите применяется комплекс мер. Обязательными являются ежедневные физические тренировки продолжительностью около двух часов: бег на беговой дорожке с системой притяжных ремней, велоэргометрия, упражнения с резиновыми эспандерами и силовыми тренажёрами. Используются специальные костюмы «Пингвин», создающие осевую нагрузку на позвоночник, и вакуумные костюмы «Чибис», имитирующие отрицательное давление на нижнюю половину тела для тренировки сосудов. Полноценного способа полностью предотвратить потерю костной массы пока не найдено.

¶Использование невесомости в науке и технике

Условия невесомости представляют значительную научную ценность. В отсутствие конвекции и седиментации возможно выращивание высокосовершенных кристаллов, получение сплавов с несмешивающимися на Земле компонентами, изучение процессов горения и поведения жидкостей. Проводятся эксперименты по биологии: изучение развития растений, поведения микроорганизмов и клеточных культур. На МКС развёрнуты десятки экспериментальных установок, а в 2020-х годах на китайской станции «Тяньгун» также ведутся активные исследования в этой области.

¶Невесомость в земных условиях

Для кратковременного моделирования невесомости используются полёты самолёта по параболической траектории: на участке снижения самолёт и пассажиры движутся с ускорением свободного падения, что даёт 20–30 секунд невесомости. В России такие полёты выполняются на самолёте Ил-76 МДК в Центре подготовки космонавтов. Длительное воздействие невесомости моделируется в бассейнах гидроневесомости, где за счёт выталкивающей силы Архимеда частично компенсируется гравитация, однако полной аналогии достичь невозможно из-за сопротивления воды.

¶Историческая справка

Теоретически возможность состояния невесомости обосновал Исаак Ньютон в XVII веке, рассматривая мысленный эксперимент с «пушкой на горе». Практически явление впервые испытал Юрий Гагарин 12 апреля 1961 года во время первого полёта человека в космос. Первый длительный полёт (более суток) совершил Герман Титов в августе того же года. Систематические медико-биологические исследования невесомости начались с программы «Восход» и продолжились на орбитальных станциях «Салют», «Мир» и МКС. Рекордная длительность непрерывного пребывания в невесомости принадлежит Валерию Полякову — 437 суток (1994–1995 годы).