Влияние невесомости на живые организмы. Размышления после симпозиума

Астронавты на Международной космической станции

Невесомость - состояние тела, при котором отсутствует внутреннее напряжение, обусловленное силой тяжести. Хотя термин нулевая гравитация часто используется как синоним, невесомость на орбите не является результатом отсутствия силы тяжести или даже ее значительному уменьшению (фактически, сила притяжения Земли на высоте 100 км только на 3% меньше, чем на поверхности). Причина невесомости заключается в том, что сила тяжести придает телу и его опоре одинаковое ускорение. Этот вывод истинный для всех тел, движущихся только под действием силы тяжести.

Влияние невесомости на здоровье человека

После появления космических станций, которые имеют возможность для жизни людей в течение долгих промежутков времени, было продемонстрировано, что пребывание в невесомости имеет некоторые вредные последствия на здоровье человека. Люди хорошо адаптируются к физическим условиям на поверхности Земли, но после длительного периода пребывания в среде невесомости различные физиологические системы начинают меняться и атрофироваться. Хотя эти изменения являются обычно временными, они могут привести к более серьезным болезням.

Во время первых часов в невесомости примерно 45% всех людей испытывают симптомов синдрома космической адаптации (СКА), также известный как космическая болезнь. К признакам космической болезни относятся тошнота и рвота , головокружение , головная боль , вялость или полное недомогание. Первый случай СКА был уведомлен космонавтом Германом Титовым в году. Продолжительность космической болезни меняется, но не было зафиксировано случаев, когда она продолжалась более 72 часов.

Значительные негативные воздействия от долгосрочной невесомости - атрофия мышц и ухудшение скелета . Эти эффекты можно минимизировать путем осуществления специальных упражнений. Другими существенными последствиями является перераспределение жидкостей в теле, замедление сердечно-сосудистой системы , уменьшение производства эритроцитов , нарушения равновесия и ослабление иммунной системы . Менее опасными последствиями, которые исчезают после возвращения на Землю, является потеря массы тела, носовая гиперемия , нарушение сна, избыточное скопление газов в кишечника и отечность лица.

Многие из осложнений, вызванных невесомостью, похожи на признаки старения . Ученые считают, что исследование пагубных воздействий невесомости может извлечь пользу для медицины, например, возможно лечение остеопороза и улучшенное медицинское обслуживание о старых людях, прикованных к постели.

Эффекты на нечеловеческие организмы

Российские ученые наблюдали различия между тараканами , рожденными в космосе и их земных родственниками. Выращенные в космосе тараканы росли быстрее и также были большими и сильными.

Яйца домашней птицы, которые были оплодотворены в микрогравитации очень редко развивались должным образом.

Наиболее распространенным фактором среды является естественная гравитация , действие которой проявляется во всех звеньях вселенной (от атомов до галактик), но в большей мере в мега- и макромире по следующей причине. Силы гравитации по сравнению с внутриядерными, внутриатомными и даже внутримолекулярными силами ничтожны (так, гравитационное притяжение между двумя протонами относится к электростатическим силам взаимного отталкивания как 1:10 36), в связи с чем влияние гравитационных сил на биологические объекты должно проявляться лишь на уровне структур, имеющих размеры от микронов и выше. Более мелкие же структуры (например, некоторые бактериофаги) из-за своих слишком малых размеров выходят из-под непосредственного влияния гравитационных сил и живут лишь в поле действия молекулярных электрических сил.

Величина гравитационного воздействия на живой организм напрямую зависит от его собственной массы (с увеличением массы гравитационное воздействие Земли возрастает). Вместе с тем гравитационное поле Земли является одной из немногих констант окружающей среды: с момента зарождения жизни на Земле на протяжении многих миллионов лет изменялись почти все параметры среды – температура, влажность, газовый состав атмосферы, атмосферное давление, спектр достигающих Земли электромагнитных колебаний, за исключением гравитационного воздействия Земли, зависящего от ее массы и размеров. При этом только благодаря стабильному гравитационному полю Земли, атмосфера и водные бассейны удерживаются на ней и не рассеиваются в космическое пространство, во многом предопределяя климатические условия планеты.

Гравитационное воздействие Земли (которое является частью механических условий окружающей среды ) оказывает существенное влияние на процессы развития живых организмов, индуцируя формирование антигравитационных механизмов, уравновешивающих организмы с окружающей средой. Механические условия окружающей среды , действующие на живой организм, складываются из следующих видов сил:

ü гравитационных (земного притяжения, интенсивность которого зависит от собственного веса организма), действуют одновременно на все структуры тела.

ü внутренних (внутримолекулярных и внутриатомных сил)

ü внешних (механических сил, возникающих в теле при сокращении скелетной и гладкой мускулатуры), их действие носит локальный характер, возникает в месте сокращения мышечной ткани и может проявляться в локальной деформации (изменении механического напряжения структур в ограниченных участках тела), либо изменении взаимного расположения одних частей тела относительно других , либо в сообщении телу ускорения , обуславливающему изменение кинетики движения. Действие внешних сил независимо от конечного эффекта приводит к возникновению в теле деформаций, которые могут быть преходящими (упругими, или обратимыми, в случае, если исчезают после прекращения внешней силы) или необратимыми (не исчезающими после применения внешней силы и приводящими к возникновению в теле различного рода травм).

Действие гравитационных сил на организм ощущается в случае затруднения его движения в гравитационном поле (при наличии опоры, силы трения) и проявляется возникновением субъективного ощущения собственного веса. Так, при контакте человека с опорой возникает внешняя сила, действующая на организм в виде реакции опоры, которая распространяется лишь на структуры организма, имеющие непосредственный контакт с опорой; все же остальные структуры продолжают перемещаться в гравитационном поле до тех пор, пока внутри самого тела не возникнут противодействия в виде упругих сил (упругих деформаций, представляющих собой изменение взаимного расположения отдельных элементов тела без нарушения целостности структур), уравновешивающих их массу. Иными словами, действие гравитационных сил на человека, касающегося какой-то опоры (будь-то поверхность земли, пола, кровати), проявляется в его некотором сжатии (под действием земного притяжения), но при этом и развитии в тканях собственного упругого сопротивления (упругих деформаций), препятствующего дальнейшему сжатию. В теле человека и животных деформации, противодействующие сжатию, вызванному земным притяжением, проявляются в виде сжатия и растяжения кожи, надкостницы, мышц, связок, костей, натяжения и смещения каркасных элементов (соединительнотканных оболочек и стромы) и паренхимы органов, перемещения жидкостей в межклеточном пространстве (межклеточных щелях, сосудах, полостях тела и органов), растяжения стенок сосудов в связи с перемещением масс крови и лимфы. В связи с существенными различиями механических свойств разных тканей, а также особенностями анатомического строения тела (предопределяющими механические связи между различными его структурами) возникающие в теле человека деформации являются неоднородными и могут проявляться в виде сжатия, растяжения, сдвига или кручения. При этом в связи с тем, что различные слои тела должны уравновешивать различные массы тела, величина упругих сил в разных слоях тела оказывается неодинаковой (деформации тем сильнее, чем больше величина действующих сил и чем слабее механические связи между структурами тела), и это обуславливает возникновение в теле сложного поля эластических сил, во многом предопределяющего субъективное восприятие веса собственного тела. Наибольшие напряжения возникают в опорно-связочном аппарате , в связи с тем, что, во-первых, через него передается действие внешних сил на организм, а, во-вторых, на него приходится основная нагрузка по уравновешиванию весомой массы органов и тканей тела. Возникновение поля эластических сил в теле человека под действием гравитационного притяжения Земли служит причиной раздражения различных механорецепторов, одни из которых реагируют только на начало процесса упругой деформации тканей, тогда как другие сохраняют свою активность на протяжении всего периода существования поля эластических сил, обуславливая постоянное ощущение человеком собственного веса.

Характер поля эластических сил и выраженность деформаций в теле под действием гравитации не являются постоянными и зависят от положения тела относительно вектора гравитационного поля, площади и области тела, через которую передается реакция опоры , а также от характера движений человека. Так, при вертикальном положении человека кости его нижних конечностей, таза и позвоночника испытывают деформацию сжатия, тогда как в костях верхних конечностей, закрепленных в плечевом поясе, напротив, возникают деформации растяжения. В случае, когда человек сидит , не касаясь опоры ногами , местом приложения внешних сил опоры является поверхность бедер и ягодиц, в которых возникает сжатие, тогда как в голени, наоборот, рястяжение.

Ощущение собственного веса исчезает лишь тогда, когда на тело не действуют никакие внешние силы и соответственно существующие между его структурами механические связи не испытывают никаких напряжений (состояние невесомости ). Подобное состояние возникает в начальный период свободного падения (когда сопротивление воздуха еще столь незначительно, что не оказывает тормозящего действия на тело, и тело перемещается в направлении вектора гравитационного поля с ускорением в 1g) или в космосе, когда космонавты вместе с кораблем находятся в состоянии как бы непрерывного падения (т.н. динамическая невесомость). Таким образом, все случаи динамической невесомости связаны с прекращением действия на тело внешних сил опоры, в результате чего оно начинает перемещаться под действием гравитационного поля земли.

При погружении тела человека в воду поле эластических сил, обусловленное действием гравитации, ослабевает настолько, сколько весит вытесненная телом жидкость. Однако возникающее при этом субъективное ощущение потери веса связано не с прекращением действия внешних сил, обуславливающих эффект веса, а с тем, что выталкивающая сила воды, выступающая в роли внешней силы, действует на большую часть поверхности тела, а не на ограниченную область, как это имеет место когда человек стоит, сидит или лежит на мягкой кровати. Однако, подобно тому, как члены экипажа подводной лодки при погружении ее в воду не теряют своего веса, так и все органы и ткани тела при погружении человека в жидкость продолжают сохранять неизменным свой первоначальный вес, а, следовательно, и упругие напряжения, обусловленные их деформацией. Более того, в состоянии динамической невесомости наши внутренние органы также сохраняют свой вес, что имеет существенное значение в механизме нарушений координации движений тела.

В случае действия на организм человека внешних сил, вызванных ускорением, превышающим ускорение силы тяжести , выраженность деформаций и упругих напряжений, противодействующих этим силам, будет гораздо большей гравитационных деформаций, что может послужить причиной развития необратимых деформаций (травм). Таким образом, с точки зрения физических процессов, вес, перегрузка и динамическая невесомость имеют единую природу и исключительно количественные различия, определяемые величиной внешних сил, действующих на организм и соответственно степенью собственного упругого напряжения тканей. Все они отражают особенности механического состояния тела: выраженность деформаций и напряженность поля эластических сил в теле. Но при этом, если эффект веса возникает в результате механических напряжений в тканях, противодействующих гравитационным силам, то перегрузка – механических напряжений в тканях, противодействующих силам, превосходящим гравитационные. Для динамической невесомости же характерно такое состояние тела, при котором в нем отсутствуют какие-либо механические напряжения, обусловленные действием внешних сил.

Гравитационное поле Земли оказывает наиболее выраженное влияние на процессы эмбриогенеза живых существ, развитие опорно-двигательного аппарата и деятельность сердечно-сосудистой системы. В частности, еще К.Э. Циолковский выдвинул предположение, согласно которому между линейными размерами тела живых существ и величиной гравитационного поля Земли, зависящей от ее размеров, должна существовать обратная зависимость. С одной стороны, чем выше сила гравитационного притяжения, тем меньше будут размеры тела животных, что было экспериментально доказано при культивировании некоторых животных в условиях гипергравитации. С другой стороны, действие гравитационного поля должно проявляться тем сильнее, чем больше масса организмов, в связи с увеличением напряженности поля эластических сил у крупных животных. Дело в том, что с увеличением размеров тела его масса растет пропорционально кубу линейных размеров, тогда как прочность структур тела – пропорционально квадрату линейных размеров. Таким образом, механические свойства тканей уже сами по себе предопределяют конечные размеры биосистемы. Если учесть, что масса наименьшего организма (вируса) отличается от массы наиболее крупного организма (кита) на 23 порядка, то, очевидно, что и влияние сил гравитации на эти организмы должно быть различным. Именно этим, по-видимому, объясняется то, что бактерии могут переносить ускорения даже в 50 000 g, тогда как кит, будучи выброшенным волной на берег, погибает под действием собственной тяжести. Несмотря на то, что размеры организмов определяются многими факторами, тем не менее хорошо известно, что животные-гиганты обитают только в водной среде, где выталкивающая сила воды способствует снятию большей части нагрузки с опорно-двигательного аппарата. Масса даже самых крупных наземных животных – бегемотов и слонов – в десятки раз меньше массы некоторых водных животных. В условиях искусственно создаваемой гравитации, величина которой в несколько раз превышает величину естественной, масса и размеры тела мышей, крыс, хомяков, цыплят даже в процессе онтогенеза оказываются значительно меньшими, чем у животных, выращенных в нормальных условиях. Длительная гипервесомость оказывает заметное влияние на строение костно-опорного аппарата, развитие антигравитационной мускулатуры, массу и размеры большинства органов (за исключением селезенки). Переход из водной в наземную среду обитания по существу представлял собой переход в гипергравитационную среду и был сопряжен с необходимостью не только уравновешивания массы тела, но и постоянного преодоления действия гравитационных сил при локомоциях. Все это в процессе эволюции привело к значительному увеличению массы скелета, появлению хорды, заменившейся в дальнейшем в процессе эволюции позвоночным столбом, и развитию мощной антигравитационной мускулатуры. Данные эволюционной морфологии свидетельствуют о том, что относительная масса скелета у наземных животных и птиц, для которых естественной средой обитания является суша, больше таковой водных животных. Причем у наземных животных и птиц почти 50% от общей массы скелета приходится на те его отделы, которые имеют непосредственное отношение к уравновешиванию силы тяжести. Более того, направление костных трабекул в губчатом веществе большинства костей полностью совпадает с направлением действия упругих сил, вызванных гравитационным полем (расположение трабекул таково, что они всегда "работают" только на сжатие, но не на изгиб или скручивание). Установлено, что расположение даже целых групп костей подчиняется этой же закономерности. Расположение трабекул в костной ткани не является генетически обусловленным, при изменении поля упругих сил происходит перестройка трабекулярной системы (так, при оперативном удалении большеберцовой кости у щенка происходит компенсаторное действию гравитационных сил 5-6-кратное усиление роста соседней малоберцовой кости; в случае неправильно сросшихся переломов также перестраивается трабекулярная система соседних участков кости). Высокие нагрузки всегда ведут к компенсаторному росту костей (закон Вольфа). Рядом исследователей показано, что длительная гипервесомость животных сопровождается утолщением костей, разрастанием соединительной ткани, увеличением содержания коллагена в связочном аппарате (иными словами, резкое усиление напряженности поля эластических сил обуславливает изменения не только функционального, но и морфологического характера). Действие динамической невесомости, напротив, приводит к потере кальция и фосфора костной тканью, уменьшению ее прочности. Проявлением данной закономерности является некоторая редукция скелета у вторично водных млекопитающих (тюленей, дельфинов, китов), у которых выталкивающее действие воды частично компенсирует гравитационное притяжение Земли. Между тем перемещение в воде сопряжено с преодолением значительно большего сопротивления среды и требует соответственно большего развития локомоторной мускулатуры.

Вместе с тем на формирование скелета повлияли не только гравитационные силы, но и характер передвижения животных в среде обитания, предопределяющий сопротивление движению. Если первые обитатели суши использовали преимущественно ундулирующий способ передвижения, то в дальнейшем в качестве основного получил развитие рычажный способ с помощью ходных конечностей. Несмотря на то, что передвижение с помощью конечностей привело к значительному сокращению трения с почвой, благодаря чему при той же мощности локомоторного аппарата затраты энергии, связанные с передвижением тела, значительно уменьшились, тем не менее такая форма локомоций потребовала, с одной стороны, возможности динамической фиксации подвижных сочленений, а, с другой – сохранения нормального положения тела в системе пространственных координат как в состоянии покоя, так и при движениях. Все это обусловило развитие специальных мышечных групп и формирование центров автоматического поддержания тонуса мускулатуры со сложной системой статических и статокинетических рефлексов. Отмеченные изменения достигли наибольшей выраженности у человека в связи с вертикальной позой. Влияние силы тяжести при вертикальном положении человека привело к более выраженному развитию ряда структур, обеспечивающих уравновешивание массы тела, а также тканей, выполняющих роль амортизационных устройств (межпозвоночные диски, мениски), появлению изогнутости позвоночного столба, сводчатости стопы, значительному развитию тазовых костей, обеспечивающих наряду с мышцами живота уравновешивание массы органов брюшной полости. Ортостаз человека обуславливает повышенную нагрузку не только на нижние конечности, но и на осевой скелет.

Таким образом, изменение кинетики роста, размеров тела, структурной организации костной ткани под влиянием гравитационных воздействий представляет собой лишь завершающий этап целой цепи процессов, начальным звеном которых являются изменения физиолого-биохимического характера. Пусковым механизмом этих реакций являются происходящие в различных структурах тела изменения напряженности поля эластических сил.

Наряду с костной системой, большой вклад в уравновешивание механических условий окружающей среды вносит скелетная мускулатура, фило- и онтогенетическое развитие которой во многом предопределяется действием гравитационных сил и характером передвижения животных. Выход животных на сушу обусловил резкое увеличение весовой нагрузки на костно-опорный аппарат, что вызвало компенсаторное усиление мышц-разгибателей и усложнение организации деятельности всей антигравитационной мускулатуры. Если у водоплавающих животных сохранение равновесия достигается сравнительно легко даже при неустойчивом равновесии, когда центр тяжести находится выше геометрического центра тела, то у наземных организмов достижение равновесия оказалось возможным лишь при условии постоянного перераспределения тонуса антигравитационной мускулатуры, обеспечивающей уравновешивание различных областей тела.

Развитие рычажного способа передвижения и удлинение конечностей привело к перемещению центра тяжести на значительное расстояние от поверхности земли, что потребовало не только обеспечение постоянного противодействия силе тяжести, но и сохранение равновесия тела как в состоянии покоя, так и при перемещениях отдельных его частей в связи с изменением позы и локомоциями. Передвижение с помощью конечностей связано с необходимостью постоянного преодоления поля гравитационных сил, так как при такой форме движения происходит постоянное перемещение массы тела относительно направления гравитационного поля. Все это в процессе эволюции привело к значительному развитию скелетной мускулатуры, на долю которой у большинства наземных организмов приходится до 40% от массы тела. Наибольшее развитие получила экстензорная мускулатура, формирование которой начинается раньше в процессе онтогенеза, а атрофия в старости происходит позже. Причем для создания постоянного антигравитационного усилия нужна экстензорная мускулатура с преобладанием медленных фазных единиц, способных к длительному тоническому напряжению.

Влияние естественной гравитации на сердечно-сосудистую систему человека осуществляется прямым и опосредованным путем. Прямое действие гравитационных сил связано с непосредственным их влиянием на массу крови (т.е. с появлением весомой массы крови под действием силы тяжести) и проявляется в возникновении гидростатического давления. Опосредованное действие гравитации на аппарат кровообращения состоит в том, что механические условия окружающей среды создают определенный запрос на развитие и функционирование антигравитационной мускулатуры, во многом определяющей уровень энергозатрат организма, а, следовательно, и интенсивность работы сердечно-сосудистой системы, от которой зависит доставка к периферическим тканям субстратов окисления и кислорода. Уровень доставки питательных веществ и кислорода, в свою очередь, определяет не только массу циркулирующей крови, но и в определенной мере степень развития всей сердечно-сосудистой системы, в том числе и размеры сердца. Наличие такой взаимосвязи подтверждается четкой взаимозависимостью, существующей у различных представителей позвоночных, между величиной сердца и весовыми особенностями тех отделов скелета, которые обеспечивают уравновешивание силы тяжести. Так, с увеличением роста животного организма увеличиваются и размеры сердца, масса циркулирующей крови и величина артериального давления. В частности, у жирафов при росте 3,5-4 метра давление в артериях дистальных отделов конечностей составляет 350-400 мм рт.ст. Такое высокое гидростатическое давление необходимо для обеспечения достаточного для нормального кровоснабжения давления в артериях головного мозга, поскольку из-за большой удаленности головного мозга от сердца (при расстоянии по вертикали от сердца до головного мозга в 1,2-1,4 метра), величина гидростатического давления на этом участке сосудистого русла падает на 90-100 мм рт.ст. Кроме гораздо более высокого, чем у других млекопитающих, артериального давления, для жирафов характерно наличие клапанов в артериях шеи, препятствующих обратному току крови в период диастолы, который возможен из-за значительного градиента давления в данной части сосудистого русла. Наконец, у этих млекопитающих имеет место более низкое расположение сердца, благоприятствующее венозному притоку к правому предсердию, а также исключительно жесткая кожа на конечностях, практически исключающая возможность растяжения венозных сосудов и депонирования в них крови. В строении сердечно-сосудситой системы тетрапод (ленивцев, летучих мышей и некоторых других), для которых нахождение головой вниз является вполне естественным, имеется также ряд существенных особенностей, предотвращающих развитие у них нарушений мозгового кровообращения при необычном направлении действия гидростатических сил.

Вертикальная поза человека и достаточно большие конечные размеры его тела обусловили значительные эволюционные перестройки в аппарате кровообращения. Так, в связи с тем, что крупные магистральные сосуды расположены вдоль вертикальной оси тела, наибольшей величины гидростатическое давление при вертикальной позе достигает в сосудах нижних конечностей, что обеспечивает увеличение и венозного давления, а, значит, само по себе облегчает венозный возврат от нижних конечностей к сердцу (из-за повышения градиента давления между венами нижних конечностей и венами, доставляющими кровь к сердцу). В то же время при одинаковой степени повышении давления в артериях и венах емкость вен в силу большей растяжимости их стенок возрастает в несколько раз больше, чем артерий, что может способствовать возникновению некоторого венозного застоя при длительном вертикальном положении тела. Между тем, препятствуют значительному венозному застою клапаны, имеющиеся в изобилии в венах нижних конечностей, а способствует венозному оттоку из нижних конечностей сдавливающее вены сокращение окружающих их скелетных мышц конечностей, имеющее место при ходьбе, беге, любых позных движениях. В случае же прекращения мышечной активности, в особенности, сочетающейся со снижением тонуса венозных сосудов, длительный ортостаз из-за скопления крови в нижних конечностях и нарушения ее притока к правой половине сердца может послужить причиной коллапса. Резкая перемена положения тела в пространстве с горизонтального на вертикальное приводит к первоначальному уменьшению венозного возврата по сосудам нижних конечностей и венам туловища, лежащим ниже уровня сердца, что сопровождается уменьшением кровенаполнения правой половины сердца, значительным уменьшением ударного объема сердца (до 45%) и минутного объема кровотока (на 20-40%, до 1-1,5 л/мин). Компенсаторно с целью нормализации кислородного снабжения тканей возрастает артерио-венозная разность по кислороду (почти на 70% по сравнению с исходным уровнем) и запускаются рефлекторные реакции в ответ на снижение активности прессорецепторов магистральных сосудов (вследствие снижения системного артериального давления) и повышения активности хеморецепторов магистральных сосудов (пониженным рО 2 и повышенным рСО 2). Отмеченные рефлекторные реакции проявляются в активации прессорного отдела сосудодвигательного центра и симпатических центров регуляции деятельности сердца, что приводит к возникновению тахикардии (способствующей нормализации минутного объема кровотока), повышению тонуса артериол, преходящим увеличением тонуса вен, а также интенсификацией присасывающего действия грудной клетки (вследствие усиления дыхания в ответ на повышение активности хеморецепторов сосудистого русла). При этом, если сердечный компонент компенсаторных реакций начинает проявляться почти одновременно с возникновением изменений гидростатических условий, то сосудистый – достигает своего максимума лишь через 10-20 с, тогда как основную роль в компенсации гемодинамических сдвигов в данный момент времени играет сокращение мышц нижних конечностей и живота, которое может обеспечить значительное повышение давление в сосудах брюшной полости и стремление к нормализации венозного возврата крови к сердцу. Сокращение же мышц нижних конечностей (преимущественно экстензорных, т.е. антигравитационных) возникает рефлекторно с целью поддержать ортостаз.

Если в начальный период ортостаза компенсация гемодинамических сдвигов обеспечивается преимущественно рефлекторным путем, то при длительном пребывании человека в вертикальном положении уравновешивание гидростатического давления достигается благодаря дополнительному подключению гуморальных механизмов, действие которых следует рассматривать как проявление адаптационных реакций организма, направленных на изменение емкости сосудистой системы и объема циркулирующей крови до уровня, соответствующего обменным процессам организма. Сущность этих гуморальных механизмов, принимающих участие в поддержании необходимого уровня артериального давления и объема циркулирующей крови, состоит в увеличении продукции антидиуретического гормона передним гипоталамусом, альдостерона клубочковой зоной коры надпочечников (секреция их возрастает в ответ на снижение артериального давления и соответственно активности прессорецепторов магистральных сосудов, способствуют уменьшению диуреза и увеличению объема циркулирующей крови) и активации ренин-ангиотензиновой системы (выброс ренина усиливается в ответ на понижение давления в приносящих артериолах почечных клубочков, оказывает влияние как на тонус артериол, так и на объем циркулирующей крови).

Работу выполнил: ученик 9 «А» класса МКОУ «СОШ №1» г. Изобильного, Шишкин Геннадий Учитель: Васина Ирина Васильевна

подробно изучить понятие вес, показать проявление невесомости и перегрузок на Земле и в космосе и выделить практическое использование этих явлений. Сформировать представление о весе тела. Разобраться в механизме возникновения невесомости и перегрузок. Описать этот механизм математически. Понять, как состояния невесомости и перегрузок влияют на здоровье людей. Провести экспериментальное исследование перегрузок, испытываемых человеком на движущихся качелях.

Это сила, с которой тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или растягивает подвес. Вес тела – это результат взаимодействия тела и опоры (подвеса).

Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. По второму закону Ньютона: Видно, что вес тела P в ускоренно движущемся лифте больше силы тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой.

При перегрузке не только всё тело начинает давить сильнее на опору, но и отдельные части этого тела начинают сильнее давить друг на друга. У человека в состоянии перегрузки затрудняется дыхание, ухудшается сердечная деятельность. Происходит перераспределение крови, её прилив или отлив в голове и т. д. Чем меньше время действия перегрузки, тем большую перегрузку способен выдержать человек.

Если лифт движется вверх равнозамедленно или движется вниз равноускоренно, т. е. ускорение направлено вниз, тогда проекция ускорения будет меньше 0. В этом случае вес тела равен: Видно, что вес меньше по модулю силы тяжести на величину ma . Если a > g, то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Если a = g, то P = 0 . Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью. Тела не давят на опоры и на них не действуют силы реакции опор. В этом случае и тело и опора недеформированы.

2. Кратковременное (почти мгновенное) состояние невесомости испытывал каждый из нас в момент опускания на качелях из верхней точки. Ощущение это воспринимается по - разному: одним нравится, а у других, как говорится, «захватывает дух». 1. При занятиях водным спортом, при прыжках с вышки в воду или при прыжках на батуте, когда гимнаст парит в воздухе, наступает состояние полной потери веса, полной невесомости. Вы, наверное, наблюдали полеты акробатов под куполом цирка, прыжки из-под купола в натянутую сетку. Каждый прыжок - это несколько секунд невесомости.

Но самое продолжительное состояние периодической потери веса наступает во время шторма на море. Когда палуба «уходит из-под ног», наступает потеря веса, многие переносят это с трудом и заболевают так называемой морской болезнью.

Первые наступают в первые часы полета - синдромом космической адаптации. По симптомам состояние похоже на морскую болезнь: снижение аппетита, головокружение, головная боль, усиление слюноотделения, тошнота, иногда встречается рвота, пространственные иллюзии. Это нарушения вестибулярного аппарата, приводящие к временной потере пространственной ориентации, расстройство всех форм зрительных движений. Все эффекты, которые микрогравитация оказывает на человека, можно разделить на две категории. Однако для здоровья гораздо опаснее вторая категория эффектов воздействия микрогравитации, которые проявляются лишь спустя месяцы пребывания на орбите. Первое и самое очевидное последствие невесомости - стремительное атрофирование мышц: мускулатура фактически выключается из деятельности человека, в результате падают все физические характеристики организма.

Спустя 4-5 месяцев полета минеральная плотность костей настолько уменьшается, что по возвращении на Землю у космонавтов возможны спонтанные переломы. . Кости теряют кальций неравномерно. Сильнее всего он вымывается из участков кости, которые формируют суставы, то есть испытывают наибольшую нагрузку в земных условиях. Сердечно-сосудистая система – самая гравитационно-чувствительная организме человека, она рассчитана работу в условиях постоянной силы тяжести. И отсутствие гравитации приводит к уменьшению объема крови и мягкости вен. Практически все нарушения, вызванные воздействием микрогравитации, исчезают при возращении на Землю. Хотя процесс обратной адаптации к земным условиям может затянуться на годы.

На человека в нижней точке действуют: 1. сила тяжести F Т = mg , направленная вертикально вниз 2. сила реакции опоры N , направленная вертикально вверх (считаем, что опора горизонтальна). По второму закону Ньютона: m + = m ц, В проекции на ось ОУ: - mg + N = m a ц Человек движется по дуге окружности радиуса r = l , где l – длина подвеса

По третьему закону Ньютона: Вес человека на качелях в нижней точке их траектории: P = m (3 g - 2 gcosα) Коэффициент перегрузки:

таким образом, я установил, что коэффициент перегрузки не зависит от длины нити и массы человека, а зависит от угла отклонения нити от положения равновесия: чем больше угол отклонения, тем больше коэффициент перегрузки.

1. http://im8-tub-ru.yandex.net/i?id=189891978-37-72&n=21 2. http://stat18.privet.ru/lr/3. http://im0-tub-ru.yandex.net/i?id=326234434-47-72&n=21 4. http://i.obozrevatel.com/8/1043442/gallery/688112.JPG 5. http://samlib.ru/img/a/arutjunjan_a_e/swoboda/swoboda-1.jpg 6. http://www.weblancer.net/files/portfolio/3752/375235/1167758.gif 7. http://im3-tub-ru.yandex.net/i?id=36898270-61-72&n=21 8. http://bm.img.com.ua/img/prikol/images/large/2/3/33932.jpg 9. http://content.foto.mail.ru/mail/sterwaauy/_animated/i-7262.gif 10. http://img.ura.dn.ua/0000093568-3dad37c2-115f94ef-4-7.jpg 11.http://www.en.edu.ru/shared/files/old/physics/content/chapter1/section/paragraph11/7470_theory.html 12. http:// im 3- tub - ru . yandex . net / i ? id =483475538-59-72& n =21

Cтраница 1

Состояние невесомости реализуется, например, is лифте, который свободно падает в поле тяготения Земли, или в космическом корабле, движущемся с неработающим двигателем в гравитационном поле. Такое состояние характерно для искусственных спутников и орбитальных космических станций. При невесомости действие на механическую систему гравитационного поля компенсируется силами инерции.

Состояние невесомости возникает тогда, когда на тело действует только сила тяжести я поэтому оно движется с ускорением свободного падения. У человека в этом случае отсутствуют внутренние (мышечные) напряжения и поэтому он не чувствует свой вес.

Состояние невесомости реализуется, например, в лифте, который свободно падает в поле тяготения Земли, или в космическом корабле, движущемся с неработающим двигателем в гравитационном поле. Такое состояние характерно для искусственных спутников и орбитальных космических станций. При невесомости действие на механическую систему гравитационного поля компенсируется силами инерции.

Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения модуля скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением; поэтому в корабле наблюдается явление невесомости.

Состояние невесомости достигается в свободном полете. И спутник на орбите, и свободно летящий камень, и подпрыгнувший человек находятся в состоянии невесомости. Груз, подвешенный на нити, в свободном полете невесом и, следовательно, не натягивает нить. Легко изготовить прибор, который дает возможность наблюдать состояние невесомости.

Состояние невесомости наступает в баллистических ракетах) и космических кораблях после того, как прекратилась работа двигателей и ракета или космический корабль вышли из плотных слоев атмосферы. Вначале под действием силы тяги реактивных двигателей (см. § 124), направленной вверх, ракета или корабль движутся с большим ускорением а и набирают вертикальную скорость.

Состояние невесомости может быть достигнуто различ-йыми способами, хотя оно (вольно или невольно) и ассоциируется с плаванием космонавтов в кабине космического корабля.

Почему состояние невесомости на борту орбитальной станции свидетельствует о пропорциональности силы земного тяготения массе притягиваемых тел.

Определим состояние невесомости следующим образом: тело Q находится в невесомости, если равнодействующая всех внутренних сил, приложенных к любому элементу, выделенному в теле, равна нулю.

В состоянии невесомости и на путях к этому сб-стоянию общая картина поведения жидкости совершенно меняется из-за изменения соотношения между силами поверхностного натяжения и инерционными силами.

При состоянии невесомости все точки тела имеют равные уско-рения.

В состоянии невесомости тело, находящееся под действием сил веса, сохраняет внутри космического корабля состояние равновесия или покоя относительно системы координат, связанной с космическим кораблем. Ясно, что при этом частицы тела освобождаются от взаимодействий и совершают движение относительно приближенно инерциальной системы отсчета вместе с кораблем как свободные материальные точки.

В состоянии невесомости ось ротора при условии (7.9.13) описывает в подшипниках линейчатую двухполосную коническую поверхность. При этом режиме возникают кромочные контакты цапф и подшипников, в результате чего происходит развальцовывание подшипников со стороны их наружных торцовых поверхностей.

В состоянии невесомости приобретают существенное значение силы взаимодействия между телами, которые в обычных условиях играют второстепенную роль из-за их малости по сравнению с весом.

Бороздить космические просторы дано только избранным. Кроме невероятной любви к космонавтике, нужно обладать и недюжинным здоровьем. В состоянии невесомости с человеческим телом происходят удивительные вещи (как отрицательные, так и положительные), и чтобы вынести нагрузки, нужно иметь идеальное здоровье и много тренироваться. Специально ко Дню космонавтики сайт расскажет вам о том, что же происходит с человеком в космосе.

На Земле и в невесомости

Жизнь на Земле разительно отличается от таковой в космосе, где совершенно другие условия. Там не только нет воздуха, которым мы дышим, так еще и нет гравитации. Именно благодаря гравитации мы ходим по земле, а в нашем организме постоянно происходят различные физиологические процессы. Многочисленные медицинские наблюдения в позволили ученым определить, каким образом нахождение в космосе влияет на основные функции организма.

Это один маленький шаг для человека, но гигантский скачок для всего человечества.

Нил Армстронг

Влияние невесомости на пищеварение

Примечательно, что процесс пищеварения в космосе и на Земле практически ни чем не отличается. Так, гравитация не оказывает существенного влияния на то, каким образом пище проходит по различным отделам пищеварительной системы. Во многом это благодаря слаженной работе пищеварительных мышц, которые работают постоянно: они сокращаются и расслабляются, проталкивая еду от ротовой полости к кишечнику. Безусловно, в условиях невесомости пищевые комки, возможно, будут устремляться вверх, но мышцы в данном случае будут сильнее.

Нервная система космонавтов

Как вы понимаете, на орбите нет разделения на день и ночь, и это негативным образом отражается на состоянии нервной системы . В условиях открытого космоса космонавты видят рассвет и закат по нескольку раз за сутки, поэтому понять, когда нужно спать, а когда бодрствовать в таких условиях невозможно. Из-за такого положения дел нарушается работа суточных ритмов человека, что приводит к усталости и дискомфорту.

Еще одна проблема для нервной системы - управление телом в условиях, где нет доминирования вертикальной оси тела. В состоянии невесомости человеку достаточно сложно делать, например, хватательные движения. Вам может казаться, что вы сейчас возьмете какой-то предмет, но в итоге промахиваетесь, чем вводите в заблуждение мозг. Для мозга это серьезное испытание, поскольку к нему посылаются сигналы, которые он не может интерпретировать. Таким образом, нервная система вынуждена адаптироваться к новым условиям, а на это требуется несколько месяцев.

Иммунная система в условиях невесомости

Многолетние исследования в NASA позволили оценить влияние невесомости на иммунную систему. человека является достаточно сложной системой, состоящей из отдельных органов, тканей, клеток и молекулярных комплексов. Только слаженная работа всех составляющих иммунитета позволяет организму должным образом реагировать на вирусы, бактерии и другие инфекционные агенты, которые постоянно витают в воздухе, а также содержатся в пище, воде и других биологических материалах.

Ученые из NASA выяснили, что при длительных полетах в космосе снижается активность некоторых иммунных клеток. В дальнейшем это приводит к активации бактериальной флоры и некоторых вирусов, которые ранее скрывались в организме, но не проявлялись из-за иммунологического контроля. Кроме того, из-за сбоев в работе иммунной системы возможно развитие аллергии в виде сыпи на коже.

Кровообращение в космосе

На Земле в условиях гравитации работают таким образом, что большее количество крови поступает в нижние отделы организма, а меньшее - в верхние. Однако в условиях микрогравитации космоса кровь равномерно поступает во все отделы организма. По этой причине ноги немного худеют, а голова увеличивается в размерах. Такая ситуация приводит организм в некоторое замешательство. Мозг получает сигнал об избытке жидкости в верхней части тела, из-за чего почки начинают активно удалять воду, а человек при этом не чувствует жажды. Это приводит к , поэтому космонавты всегда должны пить, даже если не хотят этого.

Дыхание в условиях невесомости

На Международной космической станции имеется воздух, который позволяет космонавтам дышать без вспомогательных средств. Тем не менее, дышит человек в таких условиях иначе. Из-за нарушения кровообращения меняется функционирование дыхательной системы человека, и органы дыхания пропускают меньше воздуха. В итоге, это приводит к уменьшению брюшного охвата.

Вместе с тем, воздействие микрогравитации на респираторную систему человека еще плохо изучено ввиду сложности исследования этого явления, и ученым предстоит еще выяснить много важной информации.

Невесомость и опорно-двигательный аппарат

В условиях невесомости нагрузка на кости и мышцы почти полностью снимается. Для нормального функционирования костно-мышечного аппарата необходимо постоянное движение. Из-за отсутствия движения кости истончаются, а в кровь выбрасывается большое количество . То же самое происходит с мышцами, которые из-за отсутствия нагрузок постепенно атрофируются.

Если космос располагает безграничным запасом времени, это не просто означает, что может произойти всё, что угодно. Это означает, что все когда-нибудь действительно произойдет.

Эрленд Лу

10 поразительных изменений, которые происходят с телом космонавта

Учитывая вышеперечисленные физиологические изменения, с телом человека в космосе происходят различные «метаморфозы». Вот какие 10 изменений происходят с нашим телом в космосе:

Мы растем . Из-за отсутствия нагрузок на опорно-двигательный аппарат, позвоночник расслабляется и вытягивается. Так рост человека увеличивается на 3-5 сантиметров. Спустя несколько месяцев после возвращения на Землю рост космонавта вновь возвращается к прежним значениям.
Исчезает отрыжка . возникает благодаря подъемной силе, которая отсутствует в условиях невесомости. Поэтому отрыжка в космосе невозможна.
Потеря костной массы . В условиях микрогравитации человек теряет до 2% костной массы. Это явление известно как космическая остеопения.
Непрерывное потоотделение . В невесомости нарушаются процессы естественной теплоотдачи, что приводит к постоянному перегреванию глубоких слоев тканей. Из-за такого эффекта организм постоянно вырабатывает пот, который не выделяется, а накапливается.
Космическая адаптация . Более половины всех космонавтов в начале своих путешествий в космос испытывают синдром космической адаптации, основными симптомами которой являются тошнота, головокружение, дезориентация и зрительные иллюзии.
Головная боль . Многие космонавты жалуются на головную боль, которая часто возникает в условиях микрогравитации.
Невозможность заплакать . Космонавтам достаточно сложно дать волю чувствам в космосе и всплакнуть. Слезы будут выделяться, но не течь, и удалить их можно будет только с помощью специальных приспособлений.
Круглое сердце . В условиях невесомости, когда жидкость в организме распределена иначе, сердце прокачивает меньший объем крови, что может привести к его атрофии. Из-за изменения давления в камерах сердца, оно становится округлым.
Ухудшение зрения . В невесомости ухудшается зрения. У многих космонавтов возникают проблемы, связанные с появлением близорукости или дальнозоркости. В космосе повышается внутричерепное давление, что негативно отражается на состоянии оптического нерва.
Изменение вкуса . Понять точную причину ухудшения вкуса в космосе сложно. Почти все космонавты отмечают, что в космосе еда становится более пресной и невкусной. Это может быть связано как с ухудшением качества самой пищи, так и с гиперемией, которая наблюдается в космосе.

Перед лицом Космоса большинство людских дел выглядят незначительными, даже пустячными.