В МИРЕ УВЕЛИЧЕННОЙ ТЯЖЕСТИ И В МИРЕ БЕЗ ТЯЖЕСТИ

Вопрос о том, сможет ли человек перенести физиологические явления, связанные с полётом в мировое пространство, является чрезвычайно важным.

Во время космического путешествия недомогания могут быть вызваны главным образом нарушением нормального ощущения силы тяжести.

В обычных условиях мы ощущаем силу тяжести потому, что опора, на которой мы стоим или сидим, препятствует нам падать к центру Земли под действием силы тяготения. В самом деле, когда мы стоим на опоре, всё тело в целом давит на опору вниз, а опора отвечает телу противодействием — силою реакции, направленной вверх. Эта реакция опоры приводит к тому, что в отдельных сечениях тела возникают внутренние силы взаимодействия, совокупность которых и даёт привычное ощущение силы тяжести.

Но что произойдёт, если опору из-под ног человека, например пол фюзеляжа самолёта, убрать и предоставить человеку возможность свободно падать? Или если опора, например пол кабины лифта, сама начнёт свободно падать вместе с человеком? Реакция опоры исчезнет; в первом случае потому, что не стало самой опоры, а во втором случае потому, что прекратилось давление на опору. Но вместе с реакцией опоры исчезнут в сечениях тела те внутренние силы взаимодействия, которые обусловливаются этой реакцией. Следовательно, исчезнет и ощущение силы тяжести.

Это исчезновение ощущения силы тяжести хорошо знакомо парашютистам в первые мгновения прыжка; оно замечается также в первые мгновения опускания лифта, если только это опускание происходит быстро.

Рис. 2. Свободно падающее тело теряет свой вес. Слева пружинные весы находятся в состоянии покоя, указатель веса отмечает 2 килограмма. Справа пружинные весы падают, указатель веса стоит на нуле.

Исчезновение в падающем теле внутренних сил взаимодействия, до падения обусловленных реакцией опоры, легко подтвердить простым опытом. К пружинным весам, удерживаемым на некоторой высоте над землёй, подвесим двухкплограммовую гирю (рис. 2). Стрелка весов остановится на цифре 2. Отпустим теперь весы — дадим им возможность свободно падать вместе с гирей. Стрелка весов перейдёт на цифру 0, так как теперь взаимодействие между гирей и пружиной весов отсутствует и поэтому пружина сокращается до своей первоначальной длины.

Таким образом, при свободном падении в теле исчезают внутренние силы взаимодействия, вызванные реакцией опоры; тело как бы разгружается. На этом основании будем называть реакцию опоры в поле тяготения перегрузкой тела. Отношение перегрузки к нормальной величине силы тяжести, т. е. к величине силы тяжести на уровне моря на широте в 45°, будем называть коэффициентом перегрузки. В нормальных условиях, когда тело неподвижно или движется горизонтально и равномерно, коэффициент перегрузки, согласно своему определению, равен единице; при свободном падении он равен нулю.

Вообразим, что мы скатываемся на лыжах по наклонной плоскости (рис. 3). Теперь падение не будет свободным: этому мешает наклонная плоскость. Предположим, что сопротивление воздуха и трение лыж о снег отсутствуют; следовательно, человек будет испытывать только реакцию наклонной плоскости, направленную перпендикулярно к плоскости. Эта реакция будет меньше веса человека и тем меньше, чем больше наклон плоскости. При наклоне в 0°, т. е. на горизонтальной плоскости, нормальная реакция будет равна весу человека. При наклоне в 90°, т. е. при переходе наклонной плоскости в вертикальную, реакция исчезнет совсем, так как падение станет свободным. Таким образом, при изменении наклона плоскости от 0 до 90° коэффициент перегрузки будет изменяться от единицы до нуля.

Рис. 3. С увеличением наклона плоскости составляющая ускорения, обусловливающая эффект перегрузки, уменьшается (цифрой 1 обозначено ускорение свободного падения, цифрой 2— его составляющая, обусловливающая эффект перегрузки, и цифрой 3 — другая составляющая, вызывающая увеличение скорости движения)

При резком трогании поезда с места или при резком увеличении его скорости, т. е. при ускоренном движении, пассажир испытывает толчок назад (рис. 4, стр. 26), и если сзади имеется стенка, то пассажира «прижимает» к стенке, он начинает давить с большей или меньшей силой на стенку, а стенка отвечает равным противодействием — силой реакции. Следовательно, и здесь возникает перегрузка в ранее определённом смысле, но имеющая своим источником не притяжение к земле, а ускоренное движение¹). Действие этой перегрузки на организм совершенно такое же, как и действие перегрузки, возникающей в поле тяготения. Более того, если бы мы оказались внутри герметически закрытой кабины настолько далеко от небесных тел, что силу их притяжения можно было бы не принимать во внимание, и если бы этой кабине тем или иным способом было сообщено ускоренное движение, то мы чувствовали бы себя в кабине совершенно так же, как на планете, притягивающей нас с постоянной силой.

¹) Если стенка находится не рядом, то при слабом толчке человек может удержаться на месте, но при этом возникает трение подошв о пол вагона, что равносильно появлению перегрузки. При сильном толчке человек или упадёт, или будет отброшен к стенке, и опять возникнет перегрузка.

В самом деле, находясь на Земле, мы под действием её притяжения всё время «падаем» к её центру. Этому падению препятствует поверхность Земли, к которой нас и прижимает сила тяготения. В космическом корабле, движущемся с ускорением, мы всё время будем падать в сторону, противоположную его движению, вследствие чего будем чувствовать, что какая-то сила прижимает нас к соответствующей стенке корабля. Хотя природа действующих сил в обоих случаях различна, тем не менее проявление этих сил будет совершенно одинаковым. Во всяком случае, никакими приборами нельзя было бы обнаружить разницу между силами притяжения и силами, возникающими при любом ускоренном движении (так называемыми силами инерции).

Рис. 4. Если поезд резко трогается с места (на рисунке—вправо), то мы ощущаем толчок назад, т. е. в сторону, обратную направлению движения.

Центробежная сила, с которой вращающееся тело действует на удерживающую его связь, также вызывает реакцию связи, следовательно, и в этом случае возникает перегрузка, которая ничем не отличается от перегрузок, рассмотренных выше. Конечно, если ускоренное прямолинейное движение или вращательное движение происходят в поле тяготения, то вызываемые ими перегрузки геометрически складываются с перегрузкой в поле тяготения. При вращательном движении легко получить весьма большие коэффициенты перегрузки.

*   *
*

Физиологические ощущения, которые будут испытывать пассажиры космического корабля, можно разделить на две различные категории, в зависимости от характера движения корабля.

Первая категория ощущений будет наблюдаться при ускоренном или замедленном движении космического корабля, вызванном либо действием включённого двигателя, либо сопротивлением воздуха, либо того и другого вместе. Такое движение, как правило, будет довольно кратковременно; оно будет происходить при взлёте корабля с Земли, затем при изменении им направления движения и, наконец, при торможении с помощью двигателя или вследствие сопротивления окружающего воздуха.

Ощущения второй категории пассажиры будут испытывать в те промежутки времени, когда корабль будет двигаться в космическом пространстве с выключенным двигателем. Длительность такого движения будет, как правило, значительно больше, чем длительность движений, рассмотренных выше.

Таким образом, во время движения первого рода физиологические ощущения будут обусловлены влиянием перегрузки, вызванной ускоренным или замедленным движением корабля, а во время движений второго рода — полным отсутствием перегрузки. Следовательно, необходимо установить, в течение какого времени человек может выносить различные по величине перегрузки без ущерба для своего здоровья. Ведь совершенно очевидно, что любой, даже вполне осуществимый технический проект передвижения не будет иметь никакой ценности, если человеческий организм не сумеет вынести условий, возникающих при движении.

*   *
*

Первые наблюдения над физиологическим действием перегрузки велись уже в XIX веке.

В двадцатых годах текущего столетия некоторые учёные производили опыты над живыми существами, подвергая их действию перегрузки, возникающей при вращательном движении. Правда, с точки зрения космонавтики эти опыты не представляют большого интереса главным образом вследствие отсутствия данных о длительности опытов. Всё же из этих опытов можно считать установленным, что коэффициент перегрузки до 4,5 может переноситься в течение нескольких минут без вреда для человеческого организма и что быстрота зрительной и слуховой реакции при перегрузке в 1,6 остаётся такой же, как и в состоянии покоя.

Для справки приводим опытные данные о коэффициентах перегрузки, которые человек испытывает при некоторых движениях:

при взлёте самолёта с помощью катапульты. при фигурных полётах на самолёте (мёртвая петля, пикирование). при прыжках в воду.

до 4, до 8, до 15.

Необходимо, однако, иметь в виду, что на катапульте длительность действия перегрузки измеряется немногими секундами, а при прыжке в воду, точнее, при торможении в воде после падения — лишь ничтожными долями секунды.

Заметим, что с точки зрения космонавтики представляют интерес только те опытные данные о влиянии перегрузки на организм человека, которые могут быть получены при вращательном движении. В самом деле, величина ускорения и длительность действия перегрузки, которые наблюдались и могут наблюдаться в обычных условиях при прямолинейном движении, совершенно несравнимы с теми условиями, которые будут иметь место при космическом полете. Только при помощи быстрого вращения на специальных машинах можно получить сколь угодно большое ускорение и притом в течение неограниченного времени.

Одним из наиболее интересных опытов в этой области является известный цирковой атракцион, заключающийся в том что мотоциклист быстро движется по внутренней стенке большого вертикального цилиндра, находясь при этом почти в горизонтальном положении. Обычно такая езда продолжается около двух минут, причем коэффициент перегрузки равен 4. При движении с таким коэффициентом перегрузки прямолинейно в течение двух минут можно достичь скорости, равной 4,7 километра в секунду. Повидимому, продолжительность атракциона может быть увеличена без особого усилия, следовательно при такой же перегрузке можно достичь ещё большей скорости прямолинейного движения. Это даёт основание предполагать, что так называемая первая космическая скорость (см. стр. 102) необходимая для того, чтобы какое-нибудь тело могло стать спутником Земли, и равная приблизительно 8 километрам в секунду может быть достигнута без ущерба для здоровья человека.

Животные в состоянии переносить гораздо более высокие перегрузки. Так, опыты над собаками, подвергнутыми действию вращательного движения, показали, что эти животные способны легко выдержать 80-кратную перегрузку в точение пяти минут. Будучи посажены в вертикально движущуюся ракету, они достигли бы за это время скорости 94,117 километра в секуицу т. е. в несколько раз большей, чем необходимо для вылета за пределы Земли. При 98-кратной перегрузке вскоре после пяти минут наступала быстрая смерть от анемии мозга, лёгких и сердечной мышцы, однако разрыва органов не наблюдалось.

С точки зрения интересов космонавтики было бы очень важно иметь возможность подвергать пассажиров максимальным перегрузкам в течение достаточно длительного промежутка времени; поэтому необходимо установить, при каких условиях наиболее легко переносится перегрузка. Известно, например, что человек в положении «стоя» больше всего ощущает тяжесть в ногах, в других же положениях ощущение тяжести, а также общая усталость тела будут иными. Так, утомление при сидячем положении меньше, чем при стоячем, а при лежачем ещё меньше. Это известное явление можно иллюстрировать следующим образом.

Рис. 5. При взлёте удобнее всего положение тела «лёжа». При таком положении усталость будет наименьшая. Заштрихованные площади изображают закон изменения нагрузки внутри каждого кубика.

Возьмём 8 кубиков одинакового веса, например в 1 килограмм, и расположим их тремя различными способами, напоминающими различные положения человеческого тела (рис. 5). В положении «лёжа» все 8 кубиков касаются опоры, и в каждом из них давление изменяется от 0 до 1 килограмма в зависимости от расстояния рассматриваемого слоя от опоры. В среднем давление в каждом кубике равно 0,5 килограмма. Полную усталость можно в данном случае оценить произведением 0,5·8=4. Но в положении «сидя» или «стоя» давление во втором сверху кубике будет в среднем равно уже не 0,5, а 1,5 килограмма, так как на верхнее основание кубика действует вес в 1 килограмм, а на нижнее — вес в 2 килограмма. Рассуждая подобным образом дальше, мы найдём, что для случая «сидя» полную усталость можно оценить числом

(0,5+1,5+2,5+3,5) +0,5+(0,5+1,5+2,5) =13, а для случая «стоя» числом 0,5+1,5+2,5+... +7,5=32, т. е. в 8 раз больше, чем для положения «лёжа».

Этот пример даёт, конечно, только грубо приближённую картину физиологической усталости человека, так как наше тело неоднородно и очень сложно по устройству. Кроме того, большую роль играет и качественная сторона усталости, которая очень сильно зависит от характера опоры.

Поэтому нам кажется, что наиболее действительным средством для уменьшения усталости при всякого рода перегрузках было бы помещение человека в специальный индивидуально пригнанный футляр. Такой футляр не должен точно воспроизводить контуры тела, напротив, следовало бы принять в расчёт вызываемые перегрузкой деформации тела и сообразовать кривизну футляра с различными изменениями формы частей тела.

Необходимо, однако, подчеркнуть, что способность переносить большие перегрузки зависит от индивидуальных особенностей организма. Перегрузки, переносимые сравнительно легко одним человеком, для другого могут оказаться губительными. Но перегрузка порядка четырёх, повидимому, может переноситься при соблюдении осторожности большинством людей в течение нескольких минут. Поэтому все дальнейшие расчёты о космическом полёте нами ведутся в предположении, что коэффициент перегрузки при полёте не превышает четырёх.

Было бы желательно, чтобы спортивные общества поставили перед собой задачу тренировки спортсменов с целью установления выносливости человеческого организма на перегрузку как в отношении её интенсивности, так и в отношении длительности. Этот вопрос имеет очень большое значение не только для скоростной авиации (особенно для фигурных полётов), но и для космонавтики, так как чем большие достижения будут получены в этой области, тем легче будет осуществить корабль для космического путешествия.

*   *
*

В обычных условиях, т. е. находясь на горизонтальной опоре, человек испытывает действие перегрузки, вызываемой силой притяжения к центру Земли. Коэффицент перегрузки в этом случае равен единице. В состоянии покоя ощущение перегрузки может исчезнуть в одном из трёх случаев: тело находится в центре планеты; тело расположено в такой точке пространства, в которой силы притяжения различных небесных тел в данный момент времени уравновешиваются; тело находится на бесконечно большом расстоянии от небесных тел. Впрочем, все эти случаи носят чисто теоретический характер.

Если во время космического полёта тело будет двигаться по инерции, то оно не будет испытывать перегрузки, так как в этом случае ввиду отсутствия опоры одни частицы не могут давить на другие. В обыденной жизни полное отсутствие перегрузки может иметь место лишь при прыжке вверх или при свободном падении, но такое состояние может длиться всего несколько секунд. В самом деле, при падении в воздухе сопротивление его постепенно уменьшает возрастание скорости и в конце концов приводит к тому, что устанавливается постоянная скорость падения. В этом случае коэффициент перегрузки, равный нулю в начале падения, в дальнейшем непрерывно возрастает и достигает нормального значения, т. е. единицы, несмотря на продолжающееся падение; таким образом, здесь мы имеем дело по существу с несвободным падением, так как воздушная среда является своего рода опорой.

Достигнув за пределами атмосферы горизонтальной скорости около 8 километров в секунду, космический корабль уже не упадёт обратно на Землю, а будет обращаться около неё, как спутник, в течение сколь угодно большого времени, не расходуя топлива (см. стр. 102, 104 и след.). Так как при этом сила тяготения будет численно равна центробежной силе, то пассажиры ракеты не будут ощущать перегрузки. Пребывание на таком искусственном спутнике Земли даст возможность получить исчерпывающие сведения о влиянии длительного отсутствия перегрузки ещё до того, как будет осуществлён полёт на другие планеты.

Весьма важен вопрос о том, каким способом следует совершать переход к устранению перегрузки после того, как работа двигателя на космическом корабле будет не нужна: уменьшать ли перегрузку до нуля очень медленно и постепенно или же можно остановить двигатель без вреда для пассажиров сравнительно быстро. Повседневный опыт (прыжки, толчки, и т. п.) даёт основание предполагать, что можно, повидимому, осуществить довольно резкий переход к нулевой перегрузке, более экономный с точки зрения расхода топлива в ракетном двигателе, чем постепенный переход.

Из опыта парашютистов мы знаем, что отсутствие перегрузки в течение нескольких секунд вполне безвредно. Однако, оценивая условия межпланетного путешествия, которое может длиться целые годы, мы можем лишь строить более или менее обоснованные предположения, касающиеся самочувствия пассажиров при столь длительном отсутствии перегрузки.

Можно предполагать, что сердце будет действовать нормально, поскольку деятельность его сходна с механической работой насоса с замкнутым циклом и ему приходится лишь преодолевать сопротивление трения крови о стенки сосудов.

Рис. 6. Космический корабль в полёте. Его форма, необычная по сравнению с формой самолётов и земных ракет, объясняется тем, что в межпланетном пространстве сопротивление среды отсутствует и поэтому придание космическому кораблю удобообтекаемой формы является излишним.

Вопросы дыхания представляются более сложными. Например, при кратковременном падении обычно наблюдается задержка дыхания, если же полёт по инерции, который будет восприниматься человеком именно как падение, будет длиться долго, то, быть может, потребуется применение приборов для искусственного дыхания.

Приём пищи может производиться и при отсутствии тяжести, так как прохождение пищи обусловливается сокращением мускулов пищевода. Глотание жидких веществ может производиться даже в том случае, когда голова опущена ниже туловища (напомним, что четвероногие занимают такое положение при еде). Удаление экскрементов из организма обеспечивается работой мускулов кишечника.

В обычных условиях физиологические процессы совершаются при любых положениях тела — стоячем, сидячем и лежачем, следовательно, изменение положения органов тела относительно направления силы тяжести не оказывает существенного влияния на их работу. Известно, однако, что очень трудно долгое время держать голову опущенной ниже туловища. Это показывает, что при некоторых необычных положениях тела сила тяжести вредно действует на организм, но из этого нельзя делать вывода, что для других положений тела наличие силы тяжести необходимо. Наоборот, основываясь на том, что большинство физиологических функций совершается под действием мускульных сил, осмотических процессов и т. п., мы имеем все основания надеяться, что отсутствие перегрузки не внесёт существенного расстройства в деятельность организма. Кроме того, при отсутствии тяжести никакое положение организма не может являться специально вредным.

Что касается психологических ощущений при полёте в мировом пространстве с неработающим двигателем, то можно думать, что они будут сходны с ощущениями парашютиста, по крайней мере в первые минуты или часы.

*   *
*

Итак, в нашем распоряжении ещё нет опытных доказательств того, что при отсутствии перегрузки человек будет чувствовать себя вполне нормально. Возможно, что для этого понадобятся меры медицинского характера, которые, впрочем, не устранят опасности атрофии большинства мышц.

Радикальным решением вопроса было бы искусственное создание перегрузки, которая заменила бы эффект сил тяжести, если бы отсутствие последнеи оказалось губительным для человеческого организма.

Рис. 7. Создание на космическом корабле искусственной тяжести: две части космического корабля, соединенные тросами, приводятся во вращательное движение вокруг общего центра масс.

На первый взгляд проще всего создать искусственное «поле тяготения», поддерживая непрерывную работу двигателя хотя бы на пониженной мощности. Однако такой способ потребовал бы непомерного расхода топлива. Между тем, существует чрезвычайно простой способ создания искусственной тяжести, а именно — вращение космического корабля.

В конце прошлого века Гансвиндт опубликовал проект космического корабля. В этом проекте для создания искусственной тяжести предусмотрено вращение пассажирской каюты. Недостаток проекта состоит в том, что вследствие малых размеров каюты её пришлось бы вращать очень быстро, а это могло бы повлечь за собой всякого рода физиологические расстройства.

Однако ещё ранее Гансвиндта К. Э. Циолковский (в 1895 г.) высказал идею о более совершенном способе создания искусственной тяжести. Согласно этой идее, развитой впоследствии другими исследователями, аппарат должен состоять из двух соединённых между собой частей, которые взлетают как одно целое (рис. 6); в нужный момент эти части отделяются одна от другой, оставаясь, однако, связанными друг с другом тросами (рис. 7), и затем при помощи небольших ракетных двигателей приводятся в круговое движение около их общего центра тяжести. Очевидно, что после достижения системой требуемой скорости вращения в безвоздушной среде вращение будет продолжаться по инерции без участия двигателей.

*   *
*

Из сказанного выше видно, что с физиологической точки зрения не будет препятствий к осуществлению межпланетных путешествий. Во время работы ракетного двигателя человек сумеет, по всей вероятности, перенести ускорение в 40 метров в секунду за секунду (коэффициент перегрузки 4,1) в течение нескольких минут. Это позволит сообщить ракете космическую скорость при достаточно экономных условиях работы ракетного двигателя.

Что же касается полёта по инерции, последующего за полётом с включённым двигателем, то на сегодняшний день мы не вполне уверены, что отсутствие тяжести в течение длительного периода времени будет безвредным для человеческого организма. Но и отрицательный результат не явится ещё помехой для завоеваний космического пространства, так как технически вполне возможно создать ощущение тяжести при помощи вращательного движения.

---

в начало назад