Как и чем измеряют вес в космосе. Масса - современное понимание
Которая сейчас работает на Международной космической станции, прочитал:
"...продолжили предварительный сбор грузов для нашего «Союза», в том числе нашей личной квоты в 1,5 кг, и упаковали другие свои личные вещи для возвращения на Землю"
.
Задумался. Ок, с орбиты астронавты могут взять с собой 1,5 кг вещей. Но как они определят их массу в условиях невесомости (микрогравитации)?
Вариант 1 - бухгалтерский. Все вещи на космическом корабле должны быть взвешены заранее. Должно быть досконально известно, сколько весит колпачок от ручки, носок и флешка.
Вариант 2 - центробежный. На тарированной пружине раскручиваем предмет; из угловой скорости, радиуса вращения и деформации пружины высчитываем его массу.
Вариант 3 - второй ньютоновский (F=ma). Пружиной толкаем тело, замеряем его ускорение. Зная силу толчка пружины, получаем массу.
Оказалось четвертое.
Используется зависимость периода колебаний пружины от массы закрепленного на ней тела.
Измеритель массы тела и малых масс в невесомости «ИМ-01М» (массметр):
"ИМ" использовался на станциях "Салют" и "Мир" . Собственная масса массметра составляла 11 кг, взвешивание занимало полминуты, в течение которых прибор с высокой точностью измерял период колебаний платформы с грузом.
Вот как описывает процедуру Валентин Лебедев в своем "Дневнике космонавта" (1982):
"Первый раз приходится взвешиваться в космосе. Понятно, что обычные весы здесь работать не могут, так как нет веса. Наши весы в отличие от земных необычные, они работают на другом принципе и представляют собой колеблющуюся платформу на пружинах.
Перед взвешиванием опускаю платформу, сжимая пружины, до фиксаторов, ложусь на нее, плотно прижимаясь к поверхности, и фиксируюсь, группирую тело, чтобы не болталось, обхватывая профильный ложемент платформы ногами и руками. Нажимаю спуск. Легкий толчок, и ощущаю колебания. Частота их высвечивается на индикаторе в цифровом коде. Считываю его значение, вычитаю код частоты колебания платформы, замеренных без человека, и по таблице определяю свой вес".
Орбитальная пилотируемая станция "Алмаз" , массметр под цифрой 5:
Модернизированный вариант этого устройства и находится сейчас на Международной космической станции:
Справедливости ради - вариант 1 (предварительное взвешивание всего) используется и сейчас для общего контроля, а вариант 3 (второй закон Ньютона) применяется в устройстве взвешивания Space Linear Acceleration Mass Measurement Device (
Которая сейчас работает на Международной космической станции, прочитал:
… продолжили предварительный сбор грузов для нашего «Союза», в том числе нашей личной квоты в 1,5 кг, и упаковали другие свои личные вещи для возвращения на Землю.
Задумался. ОК, с орбиты астронавты могут взять с собой 1,5 кг вещей. Но как они определят их массу в условиях невесомости (микрогравитации)?
Вариант 1 - бухгалтерский. Все вещи на космическом корабле надо взвесить заранее. Должно быть досконально известно, сколько весит колпачок от ручки, носок и флешка.
Вариант 2 - центробежный. На тарированной пружине раскручиваем предмет; из угловой скорости, радиуса вращения и деформации пружины высчитываем его массу.
Вариант 3 - второй ньютоновский (F=ma). Пружиной толкаем тело, замеряем его ускорение. Зная силу толчка пружины, получаем массу.
Оказалось четвертое.
Используется зависимость периода колебаний пружины от массы закрепленного на ней тела.
Измеритель массы тела и малых масс в невесомости «ИМ-01М» (массметр):
«ИМ» использовался на станциях «Салют» и «Мир» . Собственная масса массметра составляла 11 кг, взвешивание занимало полминуты, в течение которых прибор с высокой точностью измерял период колебаний платформы с грузом.
Вот как описывает процедуру Валентин Лебедев в своем «Дневнике космонавта» (1982):
Первый раз приходится взвешиваться в космосе. Понятно, что обычные весы здесь работать не могут, так как нет веса. Наши весы в отличие от земных необычные, они работают на другом принципе и представляют собой колеблющуюся платформу на пружинах.
Перед взвешиванием опускаю платформу, сжимая пружины, до фиксаторов, ложусь на нее, плотно прижимаясь к поверхности, и фиксируюсь, группирую тело, чтобы не болталось, обхватывая профильный ложемент платформы ногами и руками. Нажимаю спуск. Легкий толчок, и ощущаю колебания. Частота их высвечивается на индикаторе в цифровом коде. Считываю его значение, вычитаю код частоты колебания платформы, замеренных без человека, и по таблице определяю свой вес.
Орбитальная пилотируемая станция «Алмаз» , массметр под цифрой 5:
Модернизированный вариант этого устройства и находится сейчас на Международной космической станции:
Видео:
Справедливости ради - вариант 1 (предварительное взвешивание всего) используется и сейчас для общего контроля, а вариант 3 (второй закон Ньютона) применяется в устройстве взвешивания Space Linear Acceleration Mass Measurement Device (
Весы покажут более точный вес, если Вы стоите на весах неподвижно. При наклоне или приседании весы покажут уменьшение веса. В момент окончания наклона или приседания весы покажут увеличение веса.
Возврат в начало
Почему тело, подвешенное на нити. качается до тех пор, пока его центр тяжести не установится прямо под точкой подвеса?
Если центр тяжести не находится под точкой подвеса, то сила тяжести создает вращающий момент; если центр тяжести находится под точкой подвеса, то вращающий момент силы тяжести равен нулю.
Т.к. шары одинаковы, то движущийся до удара шар остановится, а покоившийся до удара шар приобретет его скорость.
Возврат в начало
Теплый воздух поднимается вверх. Почему же в нижних слоях тропосферы теплее?
Поднимаясь вверх, атмосферный воздух расширяется и охлаждается.
Почему тень ног на земле менее расплывчата, чем тень головы?
Это объясняется тем, что тени, образованные различными участками протяженного источника света, накладываются друг на друга, а границы этих теней не совпадают. Расстояния между границами теней от различных участков источника будут наименьшими, если расстояние от предмета до поверхности, на которой образуется тень, сравнительно невелико.
В воде, вытекающей из водопроводного крана, часть растворенного воздуха выделяется в виде огромного количества мелких пузырьков. На границах этих пузырьков свет претерпевает многочисленные отражения, из-за этого вода принимает молочно-белый свет.
Такой двигатель работать будет, но его КПД будет мал, так как большая часть совершаемой работы пойдет на сжатие газа.
У гвоздей в результате их намагничивания одноименные полюсы располагаются рядом. Одноименные полюсы отталкиваются.. В точках подвеса отталкиванию препятствует трение, а внизу концы гвоздей, висящие свободно, расходятся, испытывая силы отталкивания.
Почему в старинных зданиях стекла, сохранившиеся до наших дней, оказываются толще в нижней части?
Стекло представляет собой аморфное тело. Атомы в нем, как в жидкости, не упорядочены и могут перемещаться. Поэтому вертикально расположенное стекло медленно стекает, и через несколько веков можно заметить, что нижняя часть стекла стает толще.
На что расходуется электроэнергия, потребляемая холодильником?
Электроэнергия, потребляемая холодильником идет на нагревание комнаты.
Вес капли горячей воды, удерживаемой силами поверхностного натяжения, будет меньше. Коэффициент поверхностного натяжения воды с увеличением температуры уменьшается.
С помощью льда можно добыть огонь в солнечный день, если изо льда изготовить двояковыпуклую линзу. Двояковыпуклая линза имеет свойство собирать падающие на нее солнечные лучи в одну точку (в фокусе), тем самым можно получить в этой точке высокую температуру и зажечь горючий материал.
Почему заходящее солнце кажется нам красным?
Световая волна проходит в атмосфере от заходящего солнца больший путь, чем от солнца, стоящего в зените. Свет, проходя через атмосферу, рассеивается воздухом и частицами, находящимися в нем. Рассеивание же происходит главным образом коротковолнового излучения.
Человек может бежать быстрее своей тени, если тень образуется на стене, параллельно которой бежит человек, а источник света движется быстрее человека в том же направлении, что м и человек.
В каком из случаев веревка сильнее растягивается - если человек тянет ее руками за концы в разные стороны или если он тянет обеими руками за один конец, привязав другой к стенке? Считать, что в обоих случаях каждая рука действует на веревку с одной и той же силой.
Во втором случае веревка растягивается сильнее. Если считать, что каждая рука действует на веревку с силой, равной по модулю F , то в первом случае веревка испытывает действие силы F , а во втором случае - 2F .
Во время полнолуния большие тёмные пятна на Луне видны в верхней части её диска. Почему на картах Луны эти пятна располагаются в нижней части?
Изображение Луны на картах соответствует её изображению, полученному с помощью телескопа.
Как будет изменяться период колебаний ведерка с водой, подвешенного на длинном шнуре, если из отверстия в его дне постепенно будет вытекать вода?
Для данной системы хорошим приближением является модель математического маятника, период колебаний которого зависит от его длины.
Если ведро первоначально заполнено целиком, то сначала при вытекании воды период колебаний будет увеличиваться. Это объясняется тем, что центр тяжести системы "ведро-вода" будет понижаться, и вследствие этого будет расти длина маятника. Затем будет происходить уменьшение периода вследствие повышения центра тяжести системы "ведро-вода". Когда вся вода из ведерка выльется, период колебаний станет равен первоначальному, т.к. восстановится первоначальная длина маятника.
С увеличением длительности космических полётов медики поставили вопрос о необходимости наблюдения за весом космонавтов .
Переход в другую среду обитания непременно ведёт к перестройке организма, в том числе и к перераспределению в нём потоков жидкости .
В невесомости изменяется ток крови - из нижних конечностей значительная её часть поступает к грудной клетке и голове .
Стимулируется процесс обезвоживания организма и человек теряет в весе .
Однако потеря даже пятой части воды, которая составляет у человека 60-65 %% весьма опасна для организма .
Поэтому медикам понадобился надёжный прибор, для постоянного мониторинга массы тела космонавтов в полёте и при подготовке к возвращению на Землю .
Обычные «земные» весы определяют не массу , а вес тела - то есть силу тяжести , с какой оно давит на прибор .
В невесомости такой принцип неприемлем - и пылинка, и контейнер с грузом, при различной массе, имеют равный - нулевой вес .
При создании измерителя массы тела в невесомости инженерам пришлось использовать другой принцип .
Принцип действия массметра
Измеритель массы тела в невесомости построен по схеме гармонического осциллятора .
Как известно, период свободных колебаний груза на пружине зависит от его массы . Таким образом система осциллятора пересчитывает на массу период колебаний специальной платформы с размещённым на ней космонавтом или каким-нибудь предметом .
Тело, массу которого надо измерить закрепляют на пружине таким образом, чтобы оно могло совершать свободные колебания вдоль оси пружины.
Период T {\displaystyle T} этих колебаний связан с массой тела M {\displaystyle M} соотношением:
T = 2 π M K {\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {M}{K}}}}где К - коэффициент упругости пружины.
Таким образом, зная K {\displaystyle K} и измерив T {\displaystyle T} , можно найти M {\displaystyle M} .
Из формулы видно, что период колебаний не зависит ни от амплитуды, ни от ускорения свободного падения.
Устройство
Выглядящий как «стул» прибор состоит из четырёх частей: площадки для размещения космонавта (верхняя часть), основания, которое крепится к «полу» станции (нижняя часть), стойки и механической средней части, а также электронного блока измерения показаний .
Размер прибора: 79,8 х 72 х 31,8 см . Материал: алюминий, резина, стекло органическое . Вес устройства - около 11 килограммов .
Верхняя часть устройства, на которую грудью ложится космонавт, состоит из трёх частей . К верхней площадке прикреплён прямоугольный лист оргстекла . Из торца площадки на металлическом стержне выдвигается упор для подбородка космонавта .
Нижняя часть прибора представляет собой подковообразное основание, к которому прикреплена механическая часть прибора и блок измерения показаний .
Механическая часть состоит из вертикальной цилиндрической стойки, по которой снаружи на подшипниках перемещается второй цилиндр . Снаружи на подвижном цилиндре имеются два маховика со стопорами для фиксации подвижной системы в среднем положении .
Сверху к торцу подвижного цилиндра при помощи двух трубчатых кронштейнов прикреплена фигурная площадка для тела космонавта, определяющего свою массу .
На нижней половине подвижного цилиндра прикреплены две рукоятки, имеющие на концах курки, с помощью которых стопора подвижной системы утапливаются в рукоятках .
Внизу на наружном цилиндре установлена подставка для ног космонавта, имеющая два резиновых колпачка .
Внутри цилиндрической стойки движется металлический шток, заделанный одним концом в верхней площадке; на противоположном конце штока установлена тарелка, по обе стороны которой прикреплены две пружины, устанавливающие подвижную систему прибора в среднем положении при нахождении в условиях невесомости . В нижней части стойки закреплён магнитоэлектрический датчик, фиксирующий период колебания подвижной системы .
Датчик автоматически учитывает длительность периода колебаний с точностью до тысячной доли секунды .
Как показано выше, частота колебаний «стула» зависит от массы груза. Таким образом космонавту достаточно немного покачаться на таких качелях, и через некоторое время электроника посчитает и выдаст результат измерений.
Для измерения массы тела космонавта достаточно 30 секунд .
Впоследствии оказалось, что «космические весы» значительно точнее, чем медицинские, которыми пользуются в обиходе .
|
История
Прибор для измерения массы тела космонавта был создан не позднее 1976 года в ленинградском специальном конструкторско-технологическом бюро «Биофизприбор » (СКТБ «Биофизприбор»)
Вопросы викторины. Как ведут себя в невесомости песочные часы? Песочные часы́ - страница №1/1
13f1223 «Аксиумники»
Вопросы викторины.
1.Как ведут себя в невесомости песочные часы?
Песочные часы́ - простейший прибор, для отсчёта промежутков времени состоящий из двух сосудов, соединённых узкой горловиной, один из которых частично заполнен песком. Время, за которое песок через горловину пересыпается в другой сосуд, может составлять от нескольких секунд, до нескольких часов.
Песочные часы были известны в глубокой древности. В Европе они получили распространение в Средние века. Одним из первых упоминаний о таких часах является обнаруженное в Париже сообщение, в котором содержится указание по приготовлению тонкого песка из порошка чёрного мрамора, прокипячённого в вине и высушенного на солнце. На кораблях применялись четырёхчасовые песочные часы (время одной вахты) и 30-секундные для определения скорости корабля по лагу.
В настоящее время песочные часы используются лишь при проведении некоторых врачебных процедур, в фотографии, а также в качестве сувениров.
Точность песочных часов зависит от качества песка. Колбы заполнялись отожжённым и просеянным через мелкое сито и тщательно высушенным мелкозернистым песком. В качестве исходного материала также использовались молотая цинковая и свинцовая пыль.
Точность хода зависит также от формы колб, качества их поверхности, равномерной зернистости и сыпучести песка. При длительном использовании точность песочных часов ухудшается из-за повреждения песком внутренней поверхности колбы, увеличения диаметра отверстия в диафрагме между колбами и дробления песчаных зёрен на более мелкие.
В невесомости песочные часы, также как и часы с маятником, работать не будут. Почему? Потому, что они заисят от силы тяжести, маятник не будет качаться, песчинки не буду падать, так как в космосе нет силы тяжести.
2. Как измерить массу тела в космосе?
Итак мы знаем, что Масса это фундаментальная физическая величина, определяющая инерционные и гравитационные физические свойства тела. С точки зрения теории относительности масса тела m характеризует его энергию покоя , которая согласно соотношению Эйнштейна: , где -- скорость света.В ньютоновской теории гравитации масса служит источником силы всемирного тяготения, притягивающей все тела друг к другу. Сила , с которой тело массы притягивает тело с массой , определяется законом тяготения Ньютона:
или если быть более точным. 
, где -- вектор
Инерционные свойства массы в нерелятивистской (ньютоновской) механике определяются соотношением . Из сказанного выше, можно получить по крайней мере три способа определения массы тела в невесомости.
Да, если вам доведется побывать в невесомости, то помните, что отсутствие веса, это не значит отсутствие массы и в случае удара о борт вашего космического корабля синяки и шишки будут самыми настоящими:).
В космосе не то что сложно, а практически невозможно пользоваться обычным молотком. Это происходит, потому что у нас на земле и в космосе разные гравитационные условия. Например: в космосе вакуум, в космосе нет веса, то есть все одинаковы, неважно или ты пуговица или космическая станция.
В космосе нет понятия верха и низа т.к. нет ориентира, относительно которого можно было бы сказать, что там, где он верх а напротив низ, естественно можно за этот ориентир взять планету, например солнце, но официально такое не принято, считают что нет верха и низа.
Конструкция молотка на земле сделана по принципу получения большей кинетической энергии, то есть, чем больше скорость замаха и масса самого молотка, тем сильнее удар.
На земле мы работаем молотком используя точку опоры это - пол, пол держится на земле, а земля это - низ, всё притягивается вниз. В космосе нет точки опоры, нет низа, и все имеют нулевой вес, когда космонавт ударит молотком, это будет выглядеть как столкновение двух тел, у которых есть кинетическая энергия, космонавта просто начнёт крутить из стороны в сторону, а то почему он ударил, отлетит в сторону, потому что они сами по себе они ни к чему «не привязаны». По этому нужно работать молотком относительно чего-то, например можно закрепить молоток на корпусе того, почему надо ударить, так что бы молоток был не сам по себе, а имел точку опоры.
Для работ в космосе советские специалисты изобрели специальный молоток. Более того - этот молоток поступил в продажу в 1977 году. Вы его сможете узнать по удобной рукоятке. Для того чтобы окончательно убедиться, что молоток "космический", нужно ударить по поверхности. В отличие от обычных молотков он не отскакивает после удара. Его ударная часть полая, а в полость насыпаны металлические шарики. В момент удара нижние шарики устремляются вверх, а верхние продолжают двигаться вниз. Трение между ними рассеивает энергию отдачи. Можно воспользоваться принципом пресса, который прекрасно работает в невесомости, потому что там используется усилие, пресс работает относительно станины, на которую закреплены цилиндры. Саму станину надо закрепить на корпусе того предмета, по которому надо ударить. Вот что получается: «Молоток», который действует как пресс, закреплён на корпусе космического корабля. Если использовать такой молоток можно забить или точнее задавить любой гвоздь или заклёпку.
Чем отличается процесс замерзания воды на Земле и на космической орбите?
Однако если давление ниже 610 Па (давление тройной точки воды), то вода не может находиться в жидком состоянии – либо лёд, либо пар. Поэтому при очень низких давлениях большая часть воды испаряется, а оставшееся превращается в лёд. Например (см. фазовую диаграмму) при давлении 100 Па граница раздела между льдом и паром проходит примерно при 250K. Тут надо смотреть закон распределения молекул по скоростям. Предположим от фонаря, что 5% самых медленных молекул воды имеют среднюю температуру 250K. Значит при давлении 100 Па испарится 95% воды, а 5% превратится в лёд, причём температура этого льда будет 250 К.
Эти рассуждения, конечно, не учитывают всяких тонкостей типа скрытой энергии фазовых переходов, перераспределение молекул по скоростям при охлаждении, однако думаю, что качественно они правильно описывают процесс.
В космосе давление существенно ниже, однако не равно нулю. А кривая раздела льда и пара на фазовой диаграмме при снижении давления идёт в точку (T = 0; P = 0). То есть при любом сколь угодно малом (но ненулевом) давлении температура сублимации льда ненулевая. Это значит, что подавляющая часть воды испарится, но какая-то микроскопическая её часть превратится в лёд.
Тут есть ещё один нюанс. Космос пронизан излучением с температурой примерно 3 K. Это значит что охладиться ниже 3 K вода (лёд) не сможет. Поэтому итог процесса зависит от давления сублимации льда при температуре 3 K. Поскольку граница сублимации стремится к нулю по очень крутой экспоненте
P = A exp(-k/T), причём A порядка 10^11 Па, а k примерно 5200,
то давление сублимации при 3 К экспоненциально мало, поэтому вода должна испариться вся (или лёд сублимировать весь, если хотите).
