Движение в безопорном пространстве

При выполнении стандартных упражнений или действий у чело­века вырабатываются определенные стереотипы движений, обес­печивающие бессознательное достижение требуемого результата. Так, при толкании ядра, спортсмен инстинктивно упирается ногой, чтобы не упасть при «отдаче»; бегун выполняет движения руками, препятствующие вращению корпуса, и т. д. При этом чело­век обязательно взаимодействует с опорой, к которой его прижи­мает сила тяжести. В невесомости сила тяжести отсутствует и исчезает привычное взаимодействие с опорой. Поэтому стан­дартное выполнение упражнений или действий приводит появ­лению существенных побочных эффектов. Так, законы сохранения импульса и момента импульса в условиях невесомости приводят к тому, что человек, бросивший предмет, начинает двигаться в про­тивоположном направлении и вращаться. При выполнении в не­весомости упражнения «угол» движение ног гимнаста вызовет в соответствии с законом сохранения момента импульса встречное вращение корпуса. При завинчивании гайки в условиях невесомо­сти возникнет вращение человека в противоположном направле­нии. Резкие движения существенно изменяют положение тела.

Искусственное тяготение

Длительное пребывание в условиях невесомости приводит к не-дозагрузке мышц и опорно-двигательного аппарата человека. В свя­зи с чем космонавты должны выполнять специальные физические упражнения, носить особые костюмы, затрудняющие движения и т. п. Однако, как показывает накопленный опыт, всего этого не­достаточно. Кардинальное решение проблемы может быть достиг­нуто только созданием искусственной силы тяжести. Рассмотрим один из способов.

На рис. 8.6. показано сечение космической станции в форме буб­лика, которая вращается вокруг центральной оси.

В системе отсчета, связанной со станцией, действуют: сила тя­готения, сила инерции, обусловленная вращением станции вокруг Земли и сила инерции, обусловленная вращением станции вокруг оси. Первые две силы компенсируют друг друга (этим и обуслов­лена невесомость). Последняя сила будет восприниматься как сила

В данном случае величина центростремительного ускорения да­ет значение местного ускорения свободного падения.

Выполним некоторые расчеты. Пусть жилые помещения рас­положены на расстоянии г = 50 м от оси вращения и требуется создать искусственную силу тяжести, равную половине земной:

Медицинские аспекты

Величины перегрузок могут колебаться в пределах допустимой переносимости, но они во всех случаях не должны нарушать кро­воснабжения мозга.

Как показали многочисленные исследования, ускорения в на­правлении «голова—ноги» вызывают отток крови от головы и при­водят к заметным нарушениям деятельности мозга. Ускорения в направлении «грудь—спина» переносятся человеком гораздо легче и кровоснабжение мозга если и нарушается, то в заметно меньших пределах.

При перегрузках нарушается координация произвольных дви­жений. При этом пределы нарушений зависят от состояния и тре­нированности лица, оказавшегося в этих условиях, и пропорцио­нальны логарифму ускорения силы тяжести. Способность человека восстанавливать координацию движений при систематическом выполнении навыка в условиях перегрузок может служить отправ­ным положением для разработки общих основ специальной фи­зической подготовки космонавтов, но это не является предметом рассмотрения в данном учебнике.

Как было показано выше, физические нагрузки на организм человека, естественные на Земле, в космосе отсутствуют. Поэтому во время космических полетов возникает остеодистрофия, свя­занная с состоянием невесомости. Снижается резистентность (сопротивляемость) костно-опорного аппарата человека действию ударных нагрузок. Основным следствием изменения биомеха­нических свойств костной ткани, в первую очередь спонгиозной, является снижение ее минеральной плотности или насыщенности. На рис. 8.7 приведена зависимость механических свойств костных структур от их минеральной плотности.

С уменьшением минеральной плотности линейно снижаются предел прочности и модуль упругости. В условиях невесомости про­является в основном отрицательный баланс кальция и снижение минеральной плотности костной ткани некоторых элементов ске­лета. Потери минеральных компонентов из всех костей скелета составляют в среднем 0,4%. Однако по высоте скелета минераль­ная плотность изменялась не одинаково. Начиная с уровня пояс­ничных позвонков и ниже, минеральная плотность костной ткани снижалась. Время восстановления минеральной плотности по­ясничных позвонков после полета может в 2—3 раза превышать длительность полета. Этот факт позволяет спланировать режим послеполетной реабилитации космонавтов.

Установлено, что условия невесомости с точки зрения мине­рализации можно моделировать. Оказалось, что потери кальция в условиях космического полета соответствуют потерям, которые наблюдаются при длительном постельном режиме. Это позволяет рассматривать постельный режим как адекватную модель невесо­мости применительно к костной системе.

Неблагоприятное влияние реальной и моделируемой постель­ным режимом невесомости на механические характеристики кос­тей подтверждено экспериментами с крысами на биоспутниках и опытами с биоптатами костной ткани, взятыми у добровольцев после длительной гипокинезии (ограниченного движения).

В качестве средств профилактики костной атрофии можно при­менять искусственное нагружение, которое обеспечит уровень на­пряжений в скелете, соответствующий земным гравитационным нагрузкам или достаточно продолжительное воздействие (на­пример, одночасовое спокойное стояние при постельном режиме в остальное время предотвращает отрицательный кальцевый ба­ланс).