Невагомість і перевантаження

Вага тіла дорівнює силі тяжіння лише тоді, коли це тіло рухається пря­молінійно й рівномірно або перебуває в стані спокою відносно вибраної системи відліку. Якщо тіло рухається з прискоренням, то його вага може бути і більшою, й меншою від сили тяжіння. Розглянемо найпростіший випадок.

У кабіні ліфта розміщується вантаж масою т (на мал. 17 показано лише підлогу ліфта). На вантаж діють сила тяжіння Т і реакція опори (підлоги) N. Ліфт, а отже, й вантаж рухаються вгору рівномірно й прямолінійно (відносно Землі). Отже, діючі на нього сили взаємно врівноважуються: N — Т = 0 (у проекції на вісь 0 Z). звідки

N = Т = mg.

Як уже відомо, вага тіла завжди дорівнює реакції опори або підвісу. Отже, вага тіла

P = N = mq. (1.32)

Ми одержали співвідношення (1.27).

Якщо ліфт опускається вертикально вниз із прискоренням а, то такого ж прискорення набуває й вантаж. За другим законом Ньютона   N - Т= — та (у проекції на вісь 0 Z), звідки N = Т—та. Враховуючи, що сила тяжіння Т = mg, одержуємо:

Р= N = mg — та, (1.33)

тобто вона менша від сили тяжіння на величи­ну та.

 

 

Коли ліфт опускається з прискоренням а = g, то, як видно з формули (1.33), вага тіла Р = 0: вантаж не діє на опору; він повністю “втратив свою вагу”, вини­кає стан невагомості. У стані невагомості реакція опори дорівнює нулю, й на тіло діє тільки сила всесвітнього тяжіння. Рух тіла під дією сили тяжіння — це є вільне падіння тіла. Отже, стан невагомості є стан вільного падіння тіла.

Для того щоб тіло стало невагомим, потрібно створити такі умови, за яких на це тіло не діяла б жодна інша сила, крім сили всесвітнього тяжіння. Саме такі умови й виникають на штучному супутнику Землі, коли він відокремлюється від ракети-носія й далі рухається за інерцією. На супутник діє лише сила всесвітньо­го тяжіння і він починає вільно падати на Землю. Але рухаючись за інерцією, він щосекунди віддаляється від Землі на таку саму відстань, на яку наближається до неї внаслідок вільного падіння. У результаті супутник рухається навколо Землі по замкнутій криволінійній траєкторії.

Людина народжується, формується й живе в умовах, коли на неї одночасно діють і сила тяжіння й реакція опори. Завдяки реакції опори ми відчуваємо силу тяжіння. У стані невагомості реакція опори зникає. Проте відсутність реакції опори зменшує майже до нуля фізичні навантаження на м’язи та внутрішні орга­ни людини. І тому в стані невагомості конче потрібні регулярні фізичні вправи, які компенсують відсутність реакції опори. З цією метою космонавти, які перебу­вають на орбіті, одягнені у спеціальні костюми, що створюють постійні додаткові навантаження на м’язи. Відсутність реакції опори протягом тривалого часу при­зводить до серйозних функціональних порушень в організмі людини й тварин.

Розглянемо тепер, якою буде вага вантажу, коли ліфт піднімається верти­кально вгору з прискоренням а. У цьому разі рівнодійна сил, що діють на вантаж,

N — Т = та, звідки N = Т + та. Отже, вага вантажу

Р = N = mg + ma, (1.34)

тобто вага вантажу більша за силу тяжіння на величину та.

Якщо а = g, то вага вантажу Р= 2 m g — удвічі перевищує силу тяжіння. Число, яке показує, в скільки разів вага тіла більша за силу тяжіння, називається пере­вантаженням.

Якщо людина нерухома або рухається відносно Землі рівномірно й прямолі­нійно, то прискорення   а = 0 і в цьому разі перевантаження n = 1 — вага тіла дорівнює силі тяжіння. Якщо літак або ракета-носій рухаються з прискоренням а = 4g, то перевантаження        4 g

                  n = g  +1 = 5. Людина без суттєвої небезпеки для життя здатна переносити 5-кратне перевантаження протягом 4—5 хв, відкинувшись на спинку сидіння. У положенні лежачи на животі або лежачи на спині, зігнувши ноги в колінах, людина здатна переносити без шкоди для здоров’я протягом кількох хвилин 10- і 14-кратні перевантаження відповідно.

Перевантаження негативно впливають на людський організм: уповільнюється кровообіг, відбувається зміщення очних яблук, знижується гострота зору й активність м’язів. Так, коли прискорення а = 5 g (6-кратне перевантаження) і спрямоване вертикально вгору, вага крові стає настільки великою, що серце не в змозі пере­міщувати її до голови. Перед очима в людини виникає “чорна пелена” і вона втра­чає свідомість. Якщо прискорення а спрямоване в протилежний бік, то кров, на­впаки, припливає до голови, й перед очима людини виникає “червона пелена".

В організмі людини є спеціальний орган — вестибулярний апарат, який автоматично (рефлекторно) реєструє й передає інформацію в головний мозок про стан невагомості й перевантажень, яких зазнає людина. Вестибулярний апа­рат не вимірює й не порівнює сили тяжіння й ваги нашого тіла. Він безпосеред­ньо реагує на прискорення, яких набуває тіло людини в різних ситуаціях. При­скорений рух тіла, як ми бачили, змінює його вагу, порушується співвідношення між вагою тіла й силою тяжіння, а тому сигнал про появу прискорення сприй­мається як незвичний стан організму, до якого потрібно пристосуватися.

Вестибулярний апарат розміщений у внутрішньому вусі й складається з трьох напівколових каналів 1 (мал. 18) і порожнини невеликих розмірів — переддвер’я

2. Воно заповнене в’язкою рідиною — ендолімфою, в якій плавають невеличкі кристали вуглекислого й фосфорнокислого кальцію (отоліти). На внутрішніх стінках переддвер’я містяться чутливі нервові клітини.

Поки тіло людини перебуває в стані спокою або рівномірного й прямолінійно­го руху (прискорення а = 0,вага тіла дорівнює силі тяжіння), нервові клітини передають у головний мозок інформацію про те, що “все йде нормально”. Прискорений рух тіла спричинює й прискорене переміщення вестибулярного апарату.

 

 

Внаслідок інерції ендолімфа й отоліти, що пла­вають у ній, набувають прискорення з деяким запізненням і спричинюють додатковий тиск на нервові клітини, які передають у центральну нер­вову систему інформацію про раптову зміну швидкості й напряму руху ендолімфи.

Якщо швидкість ендолімфи періодично змінюється і за напрямом, і за величиною уп­родовж тривалого часу, наприклад, під час кач­ки корабля, організм деяких людей не може пристосуватися до такого незвичного станови­ща, й тоді виникає морська хвороба.

 

АКУСТИКА. ЗВУКОВІ МЕТОДИ ДІАГНОСТИКИ.

УЛЬТРАЗВУК У МЕДИЦИНІ

Звукові хвилі

Звук — коливання частинок пружного середовища, які поширюються у вигляді хвиль і сприймаються органами слуху людини (частота від 16 до 20000 Гц).

Звуки поділяють на музичні тони, шуми та звукові удари. Музичний звук — це складне коливання, яке можна розкласти на прості гармонійні коливання, частоти яких у ціле число разів більші за частоту основного тону. Тоном називається коливання зі сталою частотою, або з частотою, яка закономірно змінюється в часі.

Швидкість поширення звукових хвиль залежить від властивостей середовища. У повітрі швидкість звуку за нормальних умов становить 332 м/с. Під час зростання температури повітря швидкість звуку збільшується приблизно на 0,6 м/с на кожен градус. У тканинах людського організму швидкість поширення звуку становить приблизно 1500 м/с.