Як працює невагомість

Ми часто бачили фотографії астронавтів, які плавали всередині космічного корабля, Міжнародної космічної станції або Міру. Незважаючи на те, що невагомість виглядає як задоволення, вона пред’являє великі вимоги до вашого тіла. Спочатку ви відчуваєте нудоту, запаморочення та дезорієнтацію. Голова і пазухи набрякають, а ноги стискаються. Надалі ваші м’язи слабшають, а кістки стають крихкими. Ці наслідки для вашого тіла можуть завдати серйозної шкоди під час тривалого плавання, наприклад, подорожі на Марс.

У цьому виданні HowStuffWorks, ми проведемо вас у тривалу подорож на Міжнародній космічній станції, де ми вивчимо, що таке невагомість, що відбувається з вашим тілом, як відбуваються ці зміни та що можна зробити, щоб запобігти або змінити ці негативні наслідки.

Уявіть, що ви одягнені у свій скафандр і лежите на спині в льотній палубі космічного корабля. Ви лежали на спині в кріслі кілька годин, оскільки пілоти та управління місіями проходили підготовчу підготовку до польотів. Зазвичай, коли ви стоїте вертикально, гравітація тягне кров вниз, тому вона об’єднується у вени ваших ніг. Однак, оскільки ви лежали на спині, кров по-різному розподіляється по вашому тілу, трохи зсуваючись у напрямку до голови, тому що ноги підняті. У вашій голові може відчуватися трохи задуха, подібно до того, як це відбувається вночі, коли ви спите.

Ракетні двигуни спрацьовують, і ви відчуваєте прискорення. Вас підштовхують на своє місце, коли човник піднімається. Ви відчуваєте важкість, коли сили G прискорення човника зростають до рівня, що перевищує звичайну силу тяжіння (деякі подорожі на американських гірках можуть досягти такого рівня прискорення). Ваша грудна клітка відчуває стиск, і у вас можуть виникнути труднощі з диханням. Приблизно через 8 з половиною хвилин ви опинитесь у космічному просторі, відчуваючи зовсім інше відчуття: невагомість.

Невагомість правильніше називати мікрогравітація. Ви насправді не невагомі, тому що земна гравітація утримує вас і все, що знаходиться на човні на орбіті. Ви фактично перебуваєте в стані вільне падіння, схоже на стрибки з літака, за винятком того, що ви рухаєтесь так швидко по горизонталі (5 миль в секунду або 8 кілометрів в секунду), що, падаючи, ви ніколи не торкаєтесь землі, оскільки Земля відходить від вас. Це приблизно так: коли ви стоїте на вазі у ванній, це вимірює вашу вагу, тому що гравітація тягне вниз на вас і вагу. Оскільки вага лежить на землі, вона штовхає вас з однаковою силою - ця рівна сила - це ваша вага. Однак, якщо вам потрібно було зістрибнути зі скелі, стоячи на ванній у ванній кімнаті, і вас, і вагу тягло б однаково гравітація. Ви не натискали б на вагу, і вона не відштовхувала б вас. Отже, ваша вага буде нульовою.

Оскільки човник і всі об’єкти, що знаходяться в ньому, падають по всьому світу з однаковою швидкістю, все, що в шатлі не захищене, плаває. Якщо у вас довге волосся, воно плаває навколо вашого обличчя. Якщо ви виллєте склянку води, це передбачає велику сферичну краплю, яку ви можете розбити на окремі, менші краплі (інформацію про рідину див. На цій сторінці поверхневе натягнення). Їжа та цукерки ніжно підпливають до рота, якщо ви штовхаєте їх у цьому напрямку. Сидячи на своєму місці, ви не відчуваєте, що сидите, тому що ваше тіло не тисне на сидіння. Якщо ви нічим не захищені, ви плаваєте. Крім того, якщо ви не можете досягти стіни або утримувати руку/ногу, ви не можете рухатися зі свого положення, бо вам нема на що штовхнутись. З цієї причини НАСА розмістило багато обмежувачів, ручок і підніжок для ніг по всій кабіні шатла.

"На кожну дію існує протилежна, але рівна реакція".

Щоб рухатися в будь-якому напрямку в мікрогравітації, ви повинні штовхнути щось, щоб воно могло натиснути проти вас у протилежному напрямку. Крім того, все, що ви натискаєте, повинно бути або на якорі, або більш масивним, ніж ви, наприклад, стінка човника.

Коли ви вперше стикаєтеся з мікрогравітацією, у вас виникають такі відчуття:

Нудота
Дезорієнтація
Головний біль
Втрата апетиту
Затори

Чим довше ви перебуваєте в мікрогравітації, тим більше м’язи та кістки слабшають.

Ці відчуття викликані змінами в різних системах вашого тіла. Давайте детальніше розглянемо, як реагує ваше тіло.

Космічна хвороба

Нудота та дезорієнтація, які ви відчуваєте, схожі на відчуття западання в животі, коли ваш автомобіль забиває дорогу або ви відчуваєте падіння на американських гірках, тільки у вас це відчуття постійно протягом декількох днів. Це відчуття космічної хвороби, або космічна хвороба руху, що викликано суперечливою інформацією, яку отримує ваш мозок від очей та вестибулярних органів, розташованих у вашому внутрішньому вусі. Ваші очі бачать, який шлях знаходиться вгору і вниз всередині човника. Однак, оскільки ваша вестибулярна система покладається на силу тяжіння вниз, щоб сказати вам, який шлях вгору проти вниз і в якому напрямку ви рухаєтесь, вона не функціонує в мікрогравітації. Тож ваші очі можуть сказати вашому мозку, що ви перевернуті ногами, але ваш мозок не отримує жодних інтерпретованих даних від ваших вестибулярних органів. Ваш розгублений мозок викликає нудоту та дезорієнтацію, що в свою чергу може призвести до блювоти та втрати апетиту. На щастя, через кілька днів ваш мозок адаптується до ситуації, покладаючись виключно на візуальні дані, і ви починаєте відчувати себе краще. NASA випустило пластири для ліків, щоб допомогти космонавтам боротися з нудотою, поки їх організм не адаптується.

Опухле обличчя і пташині ноги

У мікрогравітації ваше обличчя буде відчувати ситість, а пазухи перевантажені, що може спричинити головний біль, а також космічну хворобу. Ви відчуваєте те саме на Землі, коли нахиляєтеся або встаєте догори ногами, бо кров приливає до вашої голови.

Цей вміст не сумісний на цьому пристрої.

Зміни в крові та рідинах під впливом мікрогравітації

На Землі гравітація тягне за собою вашу кров, змушуючи значні обсяги зливатися у венах ваших ніг. Як тільки ви стикаєтеся з мікрогравітацією, кров переходить з ваших ніг у грудну клітку та голову. Ваше обличчя, як правило, набрякає, а пазухи набрякають, як показано нижче. Зміщення рідини також зменшує розміри ваших ніг.

Коли кров переміщується до грудей, ваше серце збільшується в розмірах і з кожним ударом перекачує більше крові. Ваші нирки реагують на цей посилений кровотік, виробляючи більше сечі, подібно до того, як це роблять після того, як ви вип’єте велику склянку води. Крім того, збільшення крові та рідини зменшує секрецію антидіуретичного гормону (АДГ) гіпофізом, що робить вас менш спраглими. Тому ви не п'єте стільки води, скільки могли б на Землі. В цілому ці два фактори поєднуються, щоб допомогти позбавити вашу грудну клітку та голову від зайвої рідини, і за кілька днів рівень рідини у вашому організмі стає меншим, ніж на Землі. Хоча у вас все ще трохи набрякла голова і закладені пазухи, це не так погано після перших кількох днів. Після повернення на Землю гравітація відтягне ці рідини назад до ваших ніг та від голови, що призведе до того, що ви відчуєте слабкість, коли встанете. Але ви також почнете пити більше, і рівень вашої рідини нормалізується через пару днів.

Космічна анемія

Оскільки нирки виводять зайву рідину, вони також зменшують секрецію еритропоетину, гормону, який стимулює вироблення еритроцитів клітинами кісткового мозку. Зменшення вироблення еритроцитів відповідає зменшенню обсягу плазми, так що гематокрит (відсоток об’єму крові, зайнятого еритроцитами), такий самий, як і на Землі. Після повернення на Землю рівень еритропоетину збільшиться, як і кількість еритроцитів.

Слабкі м’язи

Коли ви перебуваєте в мікрогравітації, ваше тіло приймає позу «плода» - ви злегка присідаєте, з напівзігнутими перед собою руками та ногами. У цьому положенні ви не використовуєте багато своїх м’язів, особливо тих м’язів, які допомагають вам стояти та підтримувати поставу (м’язи антигравітації). Коли ваше перебування на борту Міжнародної космічної станції подовжується, ваші м’язи змінюються. Маса ваших м’язів зменшується, що сприяє появі «пташиної ніжки». Типи м’язових волокон змінюються від повільних до швидких. Твоє тіло вже не потребує повільних волокон на витривалість, таких як ті, що використовуються в положенні стоячи. Натомість потрібно більше волокон, що швидко смикаються, оскільки ви швидко відштовхуєтесь від поверхонь космічних станцій. Чим довше ви знаходитесь на станції, тим менше у вас буде м’язової маси. Ця втрата м’язової маси робить вас слабшими, створюючи проблеми для тривалих космічних польотів і після повернення додому до земного тяжіння.

Крихкі кістки

На Землі ваші кістки витримують вагу вашого тіла. Розмір і маса ваших кісток збалансовані за швидкістю, з якою певні кісткові клітини (остеобласти) закладають нові мінеральні шари та інші клітини (остеокласти) пережовувати ці мінеральні шари. В умовах мікрогравітації ваші кістки не потребують підтримки вашого тіла, тому всі ваші кістки, особливо важкі кістки в стегнах, стегнах і попереку, використовуються набагато менше, ніж на Землі. У цих кістках швидкість, з якою ваші остеобласти відкладають нові кісткові шари, зменшується (ніхто не знає точно, чому, хоча існує думка, що зміни сили та стрес якимось чином пов'язані), тоді як швидкість, з якою остеокласти пережовують кістку, залишається незмінною . Результат полягає в тому, що розмір і маса цих кісток продовжують зменшуватися до тих пір, поки ви перебуваєте в мікрогравітації, зі швидкістю приблизно 1 відсоток на місяць. Ці зміни в кістковій масі роблять ваші кістки слабкими і, швидше за все, розбиваються після повернення до гравітації Землі. Невідомо, скільки втрат кісткової маси підлягає відшкодуванню після повернення на Землю, хоча, ймовірно, це не 100 відсотків. Ці зміни в кістках можуть обмежити тривалість космічних польотів. У цій галузі потрібні додаткові дослідження.

На додаток до слабких кісток, концентрація кальцію в крові дещо зростає, оскільки кістки пережовуються остеокластами. Ваші нирки повинні позбутися надлишку кальцію, що робить їх сприйнятливими до утворення хворобливих каменів у нирках.