Як і чим вимірюють вагу у космосі. Маса - сучасне розуміння
Яка зараз працює на Міжнародній космічної станції, прочитав:
"...продовжили попередній збір вантажів для нашого «Союзу», у тому числі нашої особистої квоти в 1,5 кг, та запакували інші свої особисті речі для повернення на Землю".
Задумався. Ок, з орбіти астронавти можуть взяти із собою 1,5 кг речей. Але як вони визначать їхню масу в умовах невагомості (мікрогравітації)?
Варіант 1 – бухгалтерський. Усі речі на космічному кораблі мають бути зважені заздалегідь. Повинно бути досконало відомо, скільки важить ковпачок від ручки, носок та флешка.
Варіант 2 – відцентровий. На тарованій пружині розкручуємо предмет; з кутовий швидкості, радіуса обертання та деформації пружини вираховуємо його масу.
Варіант 3 - другий Ньютонівський (F = ma). Пружиною штовхаємо тіло, вимірюємо його прискорення. Знаючи силу поштовху пружини, отримуємо масу.
Виявилося четверте.
Використовується залежність періоду коливань пружини від закріпленого на ній тіла.
Вимірювач маси тіла та малих мас у невагомості «ІМ-01М» (масметр): 
"ІМ" використовувався на станціях "Салют" та "Мир". Власна маса масметра становила 11 кг, зважування займало півхвилини, протягом яких прилад з високою точністю вимірював період коливань платформи з вантажем.
Ось як описує процедуру Валентин Лебедєв у своєму "Щоденнику космонавта" (1982):
"Вперше доводиться зважуватися в космосі. Зрозуміло, що звичайні ваги тут працювати не можуть, тому що немає ваги. Наші ваги на відміну від земних незвичайні, вони працюють на іншому принципі і є платформою, що коливається, на пружинах.
Перед зважуванням опускаю платформу, стискаючи пружини, до фіксаторів, лягаю на неї, щільно притискаючись до поверхні, і фіксуюся, групую тіло, щоб не бовталося, охоплюючи профільний ложемент платформи ногами та руками. Натискаю спуск. Легкий поштовх, і відчуваю вагання. Частота їх висвічується на індикаторі цифрового коду. Зчитую його значення, віднімаю код частоти коливання платформи, заміряних без людини, і за таблицею визначаю свою вагу.
Орбітальна пілотована станція "Діамант" , масметр під цифрою 5: 
Модернізований варіант цього пристрою зараз знаходиться на Міжнародній космічній станції:
Заради справедливості - варіант 1 (попереднє зважування всього) використовується і зараз для загального контролю, а варіант 3 (другий закон Ньютона) застосовується у пристрої зважування Space Linear Acceleration Mass Measurement Device (
Яка зараз працює на Міжнародній космічній станції, прочитав:
… продовжили попередній збір вантажів для нашого «Союзу», у тому числі нашої особистої квоти в 1,5 кг, та запакували інші свої особисті речі для повернення на Землю.
Задумався. ОК, з орбіти астронавти можуть взяти із собою 1,5 кг речей. Але як вони визначать їхню масу в умовах невагомості (мікрогравітації)?
Варіант 1 – бухгалтерський. Усі речі на космічному кораблі треба зважити заздалегідь. Повинно бути досконало відомо, скільки важить ковпачок від ручки, носок та флешка.
Варіант 2 – відцентровий. На тарованій пружині розкручуємо предмет; з кутової швидкості, радіусу обертання та деформації пружини вираховуємо його масу.
Варіант 3 - другий Ньютонівський (F = ma). Пружиною штовхаємо тіло, вимірюємо його прискорення. Знаючи силу поштовху пружини, отримуємо масу.
Виявилося четверте.
Використовується залежність періоду коливань пружини від закріпленого на ній тіла.
Вимірювач маси тіла та малих мас у невагомості «ІМ-01М» (масметр):
«ІМ» використовувався на станціях «Салют» та «Мир». Власна маса масметра становила 11 кг, зважування займало півхвилини, протягом яких прилад з високою точністю вимірював період коливань платформи з вантажем.
Ось як описує процедуру Валентин Лебедєв у своєму «Щоденнику космонавта» (1982):
Перший раз доводиться зважуватись у космосі. Зрозуміло, що звичайні ваги тут працювати не можуть, бо немає ваги. Наші ваги на відміну від земних незвичайні, вони працюють на іншому принципі і являють собою платформу, що коливається на пружинах.
Перед зважуванням опускаю платформу, стискаючи пружини, до фіксаторів, лягаю на неї, щільно притискаючись до поверхні, і фіксуюся, групую тіло, щоб не бовталося, охоплюючи профільний ложемент платформи ногами та руками. Натискаю спуск. Легкий поштовх, і відчуваю вагання. Частота їх висвічується на індикаторі цифрового коду. Зчитую його значення, віднімаю код частоти коливання платформи, виміряних без людини, і за таблицею визначаю свою вагу.
Орбітальна пілотована станція «Діамант» , масметр під цифрою 5:
Модернізований варіант цього пристрою зараз знаходиться на Міжнародній космічній станції: 
Відео:
Заради справедливості - варіант 1 (попереднє зважування всього) використовується і зараз для загального контролю, а варіант 3 (другий закон Ньютона) застосовується у пристрої зважування Space Linear Acceleration Mass Measurement Device (
Терези покажуть більш точну вагу, якщо Ви стоїте на терезах нерухомо. При нахилі чи присіданні ваги покажуть зменшення ваги. У момент закінчення нахилу або присідання ваги покажуть збільшення ваги.
Повернення на початок
Чому тіло підвішене на нитці. коливається до тих пір, поки його центр ваги не встановиться прямо під точкою підвісу?
Якщо центр тяжіння не знаходиться під точкою підвісу, то сила тяжіння створює момент, що обертає; якщо центр ваги знаходиться під точкою підвісу, то момент сили тяжіння, що обертає, дорівнює нулю.
Т.к. кулі однакові, то куля, що рухається до удару, зупиниться, а куля, що покоїлася до удару, набуде її швидкості.
Повернення на початок
Тепле повітря піднімається нагору. Чому ж у нижніх шарах тропосфери тепліше?
Піднімаючись, атмосферне повітрярозширюється та охолоджується.
Чому тінь ніг на землі менш розпливчаста, ніж тінь голови?
Це тим, що тіні, утворені різними ділянками протяжного джерела світла, накладаються друг на друга, а межі цих тіней не збігаються. Відстань між межами тіней від різних ділянок джерела буде найменшою, якщо відстань від предмета до поверхні, на якій утворюється тінь, порівняно невелика.
У воді, що з водопровідного крана, частина розчиненого повітря виділяється як величезної кількостідрібні бульбашки. На межах цих бульбашок світло зазнає численних відбитків, через це вода приймає молочно-біле світло.
Такий двигун працюватиме, але його ККД буде малий, оскільки більша частинаскоєної роботи підена стиск газу.
У цвяхів внаслідок їх намагнічування однойменні полюси розташовуються поруч. Однойменні полюси відштовхуються. У точках підвісу відштовхуванню перешкоджає тертя, а внизу кінці цвяхів, що висять вільно, розходяться, випробовуючи сили відштовхування.
Чому в старовинних будинках скла, що збереглися до наших днів, виявляються товщі в нижній частині?
Скло є аморфне тіло. Атоми в ньому, як у рідині, не впорядковані та можуть переміщатися. Тому вертикально розташоване скло повільно стікає, і через кілька століть можна помітити, що нижня частина скла стає товщою.
На що витрачається електроенергія, яку споживає холодильник?
Електроенергія, що споживається холодильником, йде на нагрівання кімнати.
Вага краплі гарячої води, що утримується силами поверхневого натягу, буде менше. Коефіцієнт поверхневого натягу води зі збільшенням температури зменшується.
За допомогою льоду можна видобути вогонь у сонячний день, якщо з льоду виготовити двоопуклу лінзу. Двоопукла лінза має властивість збирати падаючі на неї сонячні променів одну точку (у фокусі), тим самим можна отримати у цій точці високу температурута запалити горючий матеріал.
Чому сонце, що заходить, здається нам червоним?
Світлова хвиля проходить в атмосфері від заходу сонця більший шляхніж від сонця, що стоїть у зеніті. Світло, проходячи через атмосферу, розсіюється повітрям і частинками, що у ньому. Розсіювання ж відбувається головним чином короткохвильового випромінювання.
Людина може бігти швидше за свою тінь, якщо тінь утворюється на стіні, паралельно до якої біжить людина, а джерело світла рухається швидше за людинуу тому напрямі, що і людина.
У якому випадку шнур сильніше розтягується - якщо людина тягне її руками за кінці в різні боки або якщо вона тягне обома руками за один кінець, прив'язавши інший до стінки? Вважати, що в обох випадках кожна рука діє на мотузку з тією самою силою.
У другому випадку мотузка розтягується сильніше. Якщо вважати, що кожна рука діє на мотузку з силою, що дорівнює модулю F , то в першому випадку мотузка зазнає дії сили F , а в другому випадку - 2F .
Під час повні великі темні плями на Місяці видно у верхній частині її диска. Чому на картах Місяця ці плями розташовуються у нижній частині?
Зображення Місяця на картах відповідає його зображенню, отриманому за допомогою телескопа.
Як змінюватиметься період коливань відерця з водою, підвішеного на довгому шнурі, якщо з отвору в його дні поступово витікатиме вода?
Для даної системи добрим наближенням є модель математичного маятника, Період коливань якого залежить від його довжини.
Якщо цебро спочатку заповнене цілком, то спочатку при витіканні води період коливань буде збільшуватися. Це тим, що центр ваги системи " відро-вода " знижуватиметься, і внаслідок цього зростатиме довжина маятника. Потім відбуватиметься зменшення періоду внаслідок підвищення центру ваги системи відро-вода. Коли вся вода з цебра виллється, період коливань дорівнюватиме початковому, т.к. відновиться початкова довжина маятника.
Зі збільшенням тривалості космічних польотівмедики порушили питання необхідності спостереження за вагою космонавтів .
Перехід в іншу довкілля неодмінно веде до перебудови організму, в тому числі і до перерозподілу в ньому потоків рідини.
У невагомості змінюється потік крові - з нижніх кінцівок значна її частина надходить до грудній клітціі голові.
Стимулюється процес зневоднення організму і людина втрачає у вазі.
Однак втрата навіть п'ятої частини води, яка становить у людини 60-65%, дуже небезпечна для організму.
Тому медикам знадобився надійний прилад для постійного моніторингу маси тіла космонавтів у польоті та при підготовці до повернення на Землю.
Звичайні «земні» ваги визначають не масу, а вага тіла – тобто силу тяжіння, з якою воно тисне на прилад.
У невагомості такий принцип неприйнятний - і порошинка, і контейнер з вантажем, при різній масі, мають рівну - нульову вагу.
При створенні вимірювача маси тіла у невагомості інженерам довелося використати інший принцип.
Принцип дії масметра
Вимірник маси тіла у невагомості побудований за схемою гармонійного осцилятора.
Як відомо, період вільних коливань вантажу на пружині залежить від його маси. Таким чином, система осцилятора перераховує на масу період коливань спеціальної платформи з розміщеним на ній космонавтом або яким-небудь предметом.
Тіло, масу якого треба виміряти, закріплюють на пружині таким чином, щоб воно могло здійснювати. вільні коливаннявздовж осі пружини.
Період T (\displaystyle T)цих коливань пов'язані з масою тіла M (\displaystyle M)співвідношенням:
T = 2 π M K (displaystyle T = 2 pi (sqrt (frac (M) (K))))де К - коефіцієнт пружності пружини.
Таким чином, знаючи K (\displaystyle K)і вимірявши T (\displaystyle T), можна знайти M (\displaystyle M).
З формули видно, що період коливань залежить ні від амплітуди, ні від прискорення вільного падіння.
Пристрій
Прилад, що виглядає як «стул», складається з чотирьох частин: майданчики для розміщення космонавта (верхня частина), основи, що кріпиться до «підлоги» станції (нижня частина), стійки та механічної середньої частини, а також електронного блоку вимірювання показань.
Розмір приладу: 79,8 х 72 х 31,8 см. Матеріал: алюміній, гума, скло органічне. Вага пристрою - близько 11 кілограмів.
Верхня частинапристрої, на які грудьми лягає космонавт, складається з трьох частин. До верхнього майданчика прикріплено прямокутний листоргскла. З торця майданчика на металевому стрижнівисувається упор для підборіддя космонавта.
Нижня частина приладу є підковоподібною основою, до якої прикріплена механічна частина приладу і блок вимірювання показань .
Механічна частина складається з вертикальної циліндричної стійки, за якою зовні на підшипниках переміщається другий циліндр. Зовні на рухомому циліндрі є два маховики зі стопорами для фіксації рухомої системи в середньому положенні.
Зверху до торця рухомого циліндра за допомогою двох трубчастих кронштейнів прикріплено фігурний майданчик для тіла космонавта, що визначає свою масу.
На нижній половині рухомого циліндра прикріплені дві рукоятки, що мають на кінцях курки, за допомогою яких стопор рухомої системи утоплюється в рукоятках.
Внизу на зовнішньому циліндрі встановлена підставка для ніг космонавта, що має два гумові ковпачки.
Усередині циліндричної стійки рухається металевий шток, закріплений одним кінцем у верхньому майданчику; на протилежному кінці штока встановлена тарілка, з обох боків якої прикріплені дві пружини, що встановлюють рухому систему приладу в середньому положенні при знаходженні в умовах невагомості. У нижній частині стійки закріплено магнітоелектричний датчик, що фіксує період коливання рухомої системи.
Датчик автоматично враховує тривалість періоду коливань із точністю до тисячної частки секунди.
Як показано вище, частота коливань стільця залежить від маси вантажу. Таким чином, космонавту досить трохи похитатися на таких гойдалках, і через деякий час електроніка порахує і видасть результат вимірювань.
Для вимірювання маси тіла космонавта достатньо 30 секунд.
Згодом виявилося, що «космічні ваги» значно точніші, ніж медичні, якими користуються в побуті.
|
Історія
Прилад для вимірювання маси тіла космонавта був створений не пізніше 1976 року в ленінградському спеціальному конструкторсько-технологічному бюро «Біофізприлад» (СКТБ «Біофізприлад»)
Запитання вікторини. Як поводяться в невагомості пісочний годинник? Пісочний годинник - сторінка №1/1
13f1223 «Аксіумники»
Запитання вікторини.
1.Як поводяться в невагомості пісочний годинник?
Пісочний годинник - найпростіший прилад, для відліку проміжків часу, що складається з двох судин, з'єднаних вузькою горловиною, одна з яких частково заповнена піском. Час, за який пісок через горловину пересипається в іншу посудину, може становити від кількох секунд до кількох годин.
Пісочний годинник був відомий у давнину. У Європі вони набули поширення в Середньовіччі. Однією з перших згадок про такий годинник є виявлене в Парижі повідомлення, в якому міститься вказівка щодо приготування тонкого піску з порошку чорного мармуру, прокип'яченого у вині та висушеного на сонці. На кораблях застосовувався чотиригодинний пісочний годинник (час однієї вахти) і 30-секундний для визначення швидкості корабля по лазі.
В даний час пісочний годинник використовується лише при проведенні деяких лікарських процедур, у фотографії, а також як сувеніри.
Точність пісочного годинника залежить від якості піску. Колби заповнювалися відпаленим і просіяним через дрібне сито та ретельно висушеним дрібнозернистим піском. В якості вихідного матеріалутакож використовувалися мелений цинковий і свинцевий пил.
Точність ходу залежить також від форми колб, якості їх поверхні, рівномірної зернистості та сипкості піску. При тривалому використанні точність пісочного годинника погіршується через пошкодження піском. внутрішньої поверхніколби, збільшення діаметра отвору в діафрагмі між колбами та дроблення піщаних зерен на дрібніші.
У невагомості пісочний годинник, як і годинник з маятником, працювати не будуть. Чому? Тому що вони заїсять від сили тяжіння, маятник не гойдатиметься, піщинки не падатиму, тому що в космосі немає сили тяжіння.
2. Як виміряти масу тіла у космосі?
Отже, ми знаємо, що Маса це фундаментальна фізична величина, що визначає інерційні та гравітаційні Фізичні властивостітіла. З точки зору теорії відносності маса тіла m характеризує його енергію спокою, яка відповідно до співвідношення Ейнштейна: де - швидкість світла.У ньютонівської теоріїгравітації маса служить джерелом сили всесвітнього тяжіння, що притягує всі тіла одне до одного. Сила, з якої тіло маси притягує тіло з масою, визначається законом тяжіння Ньютона:
або якщо бути точнішим. 
де -- вектор
Інерційні властивості маси в нерелятивістській (ньютонівській) механіці визначаються співвідношенням . Зі сказаного вище, можна отримати принаймні три способи визначення маси тіла в невагомості.
Так, якщо вам доведеться побувати в невагомості, то пам'ятайте, що відсутність ваги, це не означає відсутність маси і у разі удару об борт вашого космічного кораблясинці і шишки будуть справжнісінькими:).
У космосі не те що складно, а практично неможливо користуватися звичайним молотком. Це відбувається тому, що у нас на землі та в космосі різні гравітаційні умови. Наприклад: у космосі вакуум, у космосі немає ваги, тобто всі однакові, неважливо чи ти ґудзик чи космічна станція.
У космосі немає поняття верху та низу т.к. немає орієнтира, щодо якого можна було б сказати, що там, де він верх а напроти низ, природно можна за цей орієнтир взяти планету, наприклад сонце, але офіційно таке не прийнято, вважають що немає верху і низу.
Конструкція молотка на землі зроблена за принципом отримання більшої кінетичної енергії, тобто чим більше швидкістьзамаху і маса самого молотка, тим більше удар.
На землі ми працюємо молотком, використовуючи точку опори це - підлогу, підлогу тримається на землі, а земля це - низ, все притягується вниз. У космосі немає точки опори, немає низу, і всі мають нульову вагу, коли космонавт ударить молотком, це буде виглядати як зіткнення двох тіл, які мають кінетична енергія, Космонавта просто почне крутити з боку в бік, а то чому він ударив, відлетить у бік, тому що вони самі по собі вони ні до чого «не прив'язані». Тому потрібно працювати молотком щодо чогось, наприклад можна закріпити молоток на корпусі того, чому треба вдарити, так що б молоток був не сам по собі, а мав точку опори.
Для робіт у космосі радянські фахівці винайшли спеціальний молоток. Більше того - цей молоток надійшов у продаж 1977 року. Ви зможете дізнатися по зручній рукоятці. Для того, щоб остаточно переконатися, що молоток "космічний", потрібно вдарити по поверхні. На відміну від звичайних молотків, він не відскакує після удару. Його ударна частина порожниста, а в порожнину насипані металеві кульки. У момент удару нижні кульки спрямовуються нагору, а верхні продовжують рухатися вниз. Тертя між ними розсіює енергію віддачі. Можна скористатися принципом преса, який чудово працює у невагомості, тому що там використовується зусилля, прес працює щодо станини, на яку закріплені циліндри. Саму станину треба закріпити на корпусі того предмета, яким треба вдарити. Ось що виходить: "Молоток", який діє як прес, закріплений на корпусі космічного корабля. Якщо використовувати такий молоток, можна забити або точніше задавити будь-який цвях або заклепку.
Чим відрізняється процес замерзання води Землі і космічної орбіті?
Однак якщо тиск нижче 610 Па (тиск потрійної точки води), то вода не може перебувати в рідкому стані- Або лід, або пара. Тому при дуже низький тискБільшість води випаровується, а що залишилося перетворюється на лід. Наприклад (див. фазову діаграму) при тиску 100 Па межа розділу між льодом і парою проходить приблизно при 250K. Тут треба дивитися закон розподілу молекул за швидкостями. Припустимо від ліхтаря, що 5% найповільніших молекул води мають середню температуру 250K. Отже при тиску 100 Па випарується 95% води, а 5% перетвориться на лід, причому температура цього льоду буде 250 До.
Ці міркування, звичайно, не враховують будь-яких тонкощів типу прихованої енергії фазових переходів, Перерозподіл молекул за швидкостями при охолодженні, проте думаю, що якісно вони правильно описують процес.
У космосі тиск суттєво нижчий, проте не дорівнює нулю. А крива поділу льоду та пари на фазовій діаграмі при зниженні тиску йде в точку (T = 0; P = 0). Тобто за будь-якого скільки завгодно малого (але ненульового) тиску температура сублімації льоду ненульова. Це означає, що переважна частина води випарується, але якась її мікроскопічна частина перетвориться на лід.
Тут є ще один аспект. Космос пронизаний випромінюванням з температурою приблизно 3 K. Це означає, що охолодитися нижче 3 K вода (лід) не зможе. Тому результат процесу залежить від тиску сублімації льоду при температурі 3 K. Оскільки межа сублімації прагне нуля за дуже крутою експонентою
P = A exp(-k/T), причому A порядку 10 11 Па, а k приблизно 5200,
то тиск сублімації при 3 К експоненційно мало, тому вода повинна випаруватися вся (або лід сублімувати весь, якщо хочете). 
