Искусственное тяготение

Длительное пребывание в условиях невесомости приводит к недозагрузке 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

Рис. 8.6.Возникновение искусственной силы тяжести во вращающейся космической станции

тяжести F = —т·а . Ускорение во вращающейся системе это — центростремительное ускорение

где ω — угловая скорость вращения станции вокруг оси, a r — удаление от оси.

Направлена искусственная сила тяжести по радиусу от оси вращения

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

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

Из формулы (8.8) найдем

Такая угловая скорость соответствует частоте вращения 3 об/мин.

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 выполнений 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.

Рис. 8.7.Зависимость механических свойств костных губчатых структур

от минеральной плотности МП: σ— разрушающее напряжение,

Е — модуль упругости

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).