Под опорным ускорением* мы будем понимать такое ускорение, под действием которого атомы некоторого тела стремятся к совокупному движению, которому, однако, противодействует внешняя сила, приложенная к некоторой части рассматриваемого тела, и делает это движение невозможным.

Так, человек, находящийся на земле, испытывает опорное ускорение, равное 9,81 м/сек², вне зависимости от положения его тела (стоя, лежа, сидя). Различное физиологическое воздействие этого ускорения на человеческий организм зависит в этом случае не от величины опорного ускорения, а от характера опоры.

Под «опорой» можно понимать весьма большой и разнообразный класс сил, характеризуемый только тем, что они приложены к части тела, а не к каждой его молекуле,

В этом смысле цирковой артист, изображенный на фиг. 24, не испытывает опорного ускорения при движении на участке траектории, лишенной направляющего устройства.

1. Подсчет опорного ускорения

Опорное ускорение, вызываемое силами инерции. Здесь опорное ускорение равно ускорению или замедлению. К этому необходимо в соответствующих случаях еще добавить (геометрически) ускорение силы тяжести. Если, например, на протяжении расстояния s скорость v равномерно увеличивается или замедляется, то опорное ускорение а может быть определено по формулам равномерно - ускоренного (замедленного) движения*:

где t — время действия ускорения.

В случае, когда скорость изменяется неравномерно, этот расчет дает нам только среднюю величину опорного ускорения в течение некоторого времени, в то время как максимальная величина будет, конечно, больше.

Почти все тела, в том числе и человеческий организм, устроены так, что способны выдерживать действие опорного ускорения в течение длительного времени, если только они к такому ускорению вообще приспособлены. Наблюдения над случаями неравномерного изменения скорости дают нам только нижнюю границу допустимого значения опорного ускорения. Так, например, когда человек прыгает с 5-метрового трамплина в воду, то скорость его при погружении в воду будет √2gh = 10 м/сек. Эта скорость поглащается сопротивлением воды и на глубине 2 м доходит до нуля; средняя величина замедления составляет v²/2s = 25 м/сек². Если к этому добавить ускорение силы тяжести (примерно 10 м/сек²), то средняя величина опорного ускорения составит 35 м/сек². Но это — только нижняя граница фактического значения опорного ускорения для данного человека. Очевидно, когда человек начинал погружаться в воду, опорное ускорение было больше, чем к тому времени, когда он уже погрузился в нее по грудь и затем медленно и только под влиянием силы тяжести погружался полностью. Этот случай показывает только, что человек переносит больше, чем 35 м/сек², но насколько больше — мы заключить не можем. Эту величину можно определить точнее, если заснять прыжок на специальный фильм. Таким путем были получены величины, в 1,4 — 2 раза большие приведенного здесь среднего значения.

Опорное ускорение как следствие центробежной силы естественно равно центростремительному ускорению*, и если обозначить через v скорость и ρ — радиус кривизны, то

К нему следует еще прибавить (геометрически) ускорение силы тяжести, если оно участвует в рассматриваемом случае в создании опорного ускорения.

2. Проявления опорного ускорения

Проявление опорного ускорения сводится к тому, что каждая часть системы принимает положение, возможно близкое к отвесному направлению. Сила, с которой части системы к этому принуждаются, пропорциональна произведению массы частиц на опорное ускорение.

Отвес точно показывает направление опорного ускорения. Усилие, передаваемое нити, прямо пропорционально массе грузика отвеса.

До тех пор, пока двигатель ракеты работает, все в ракете подвержено опорному ускорению, направленному от головы ракеты к выхлопному отверстию сопла. Когда же горение прекращается и ракета продолжает свой полет по инерции, как обычный артиллерийский снаряд, опорное ускорение становится равным нулю.

Давление жидкостей на стенки пропорционально опорному ускорению, и это необходимо учитывать при определении толщины стенок (или баков) наших ракет.

Опорное ускорение может быть использовано для определения ускорения при помощи пружинных весов или описываемого ниже аппарата (фиг. 25).

Стеклянная тонкая трубка G1 вставлена герметически в стеклянную трубку G2 и не доходит до дна. Оба воздушных объема L1 и L2, разъединены столбом ртути Q. При возрастании опорного ускорения L1 становится больше, a L2 меньше, вследствие чего часть проволоки d1 погруженная в ртуть, уменьшается, и этим ослабляется ток, проходящий в цепи d1d2. Вентиль v служит для подачи воздуха в L2 или откачки из него при регулировании аппарата. Влияние гравитационных слагающих может быть учтено введением в цепь d1d2 регулируемых сопротивлений.

3. Состояние людей при повышенном опорном ускорении

Физическое действие больших опорных ускорений. При очень сильном опорном ускорении могут быть вызваны разрывы внутренних органов, нарушения нервных путей в мозгу и другие внутренние расстройства. Таким образом, если нужно поместить людей в ракету, движущуюся с большим ускорением, то необходимо исследовать, каковы пределы опорных ускорений, допустимых с этой точки зрения.

Изучение ряда примеров, например, таких, как прыжки в воду, выполнение фигурных полетов и т. п., приводит к заключению, что опорное ускорение может колебаться в пределах 60 — 90 м/сек² без существенного вреда для человеческого организма. Мы примем поэтому в дальнейших расчетах допустимое опорное ускорение равным 40 м/сек²*.

Циолковский высказал мнение, что пассажиры его корабля для межпланетных путешествий с целью защиты от действия опорного ускорения должны лежать в жидкости с удельным весом, равным удельному весу человека.

Он надеется, что при этом можно будет повысить предельное ускорение до 100 м/сек² и выше. Можно возразить, что мозги, которые являются наиболее чувствительными к опорному ускорению органом человека, таким образом не защитить.

Доктор Гарзаукс проводил опыты, помещая собак на вращающихся устройствах, и установил, что главные повреждения, вызываемые длительным и высоким опорным ускорением, являются следствием прижатия мозгов к черепной коробке. Повреждения кровеносных сосудов вызываются реже.

Валье предложил изменять действие опорного ускорения постепенно, с тем чтобы человек мог привыкнуть к новому состоянию. Это приведет, во-первых, к большому расходу горючего, во-вторых, это мероприятие излишне, так как люди ежедневно переносят (при прыжках, поездках и т. д.) без последствий весьма резкие изменения величины опорного ускорения. Когда, например, мы едем по ухабистой дороге в плохом экипаже, то опорное ускорение в течение секунды может измениться 10 раз от 0 до 2 ÷ 3 g.

Психологическое воздействие необычных ускорений. Благодаря тесной связи разнородных слагающих рассматриваемого явления психологическое воздействие одного и того же ускорения различно при различных обстоятельствах. Наименьшие неприятности доставляет опорное ускорение в результате кругового движения; более неприятно оно при горизонтально направленном ускорении, а еще неприятнее, даже при более легком ускорении,— в вертикальном направлении сверху вниз (лифт, нос корабля при большом волнении); и, наоборот, более сильные ускорения, направленные по вертикали снизу вверх, не действуют так неблагоприятно. Если лифт спускается вниз со скоростью 1 м/сек и тормозится в течение 2/5 сек., то ускорение a = (2,5 + g) м/сек², и оно действует значительно неприятнее, чем а = (25 + g) м/сек² в течение 2/5 сек. при прыжке в воду*.

Воздействие необычных опорных ускорений зависит от того, наступает ли оно неожиданно или люди подготовлены к его наступлению заблаговременно. На психическое действие необычных ускорений влияет также и то, вызывает ли сам человек это ускорение или, по крайней мере, может ли он себе внушить, что он желает наступления движения. Что касается возможности заболевания морской болезнью, то этого не следует опасаться, так как она не возникнет от примерно постоянного по величине и направлению опорного ускорения.

Для экспериментального определения сопротивляемости организма к продолжительным и сильным опорным ускорениям и для тренировки людей может служить специальная установка. На оси А (фиг. 26) вращается металлический рычаг ВВ', который опирается на колеса С, движущиеся по рельсам D. На конце плеча В' на шарнире Е' подвешена люлька F, не соприкасающаяся с землей. В передней части люльки имеется колесо, а сзади — лыжа для быстрой остановки в случае поломки В'. На конце плеча В висит уравновешивающий груз F'. Вся установка должна быть как можно более свободна от толчков, поэтому колеса снабжаются эластичными пружинами или, еще лучше, камерами L, заполненными воздухом, которые демпфируют все дрожания. Период колебания этого пружинного устройства должен составлять по меньшей мере 1 сек.

Человек, над которым производится опыт, помещается в. люльку F, откуда регулируется и скорость вращения рычага. Так как люлька F движется в канаве, окруженной земляным, валом, то испытание не представляет опасности.

4. Отсутствие опорного ускорения

Отсутствие опорного ускорения наблюдается на земле лишь тогда, когда тело свободно движется под действием силы тяжести, т.е., когда тело не подпирается никакой силой (свободное падение).

Во вселенной же, наоборот, опорное ускорение чаще всего отсутствует. Это объясняется тем, что основные силы, действующие во вселенной (силы инерции и гравитационные силы), одинаково действуют на каждую молекулу тела, а не приложены к какому-либо участку или к какой-либо точке рассматриваемого тела (движение ракеты при работающем двигателе является, конечно, особым случаем).

Отсутствие опорного ускорения проявляется в том, что отдельные части движущейся системы не стремятся переместиться друг относительно друга.

При этом мы можем наблюдать ряд известных явлений: жидкости будут принимать форму шарообразной капли вне зависимости от количества жидкости, заключенной в такой капле; если жидкость смачивает поверхность сосуда, то она будет стремиться покрыть всю его поверхность и т.д.

Эти обстоятельства могут иметь важное значение при полете ракеты для межпланетных путешествий. При прекращений работы двигателя жидкости будут подниматься по стенкам и сжимать пары в середине резервуаров. Поэтому трубопроводы для жидкости (топлива) не должны иметь заборных отверстий в середине резервуаров. В то же время трубопроводы для паров (в модели Е они не обязательны) должны быть расположены как сверху, так и по середине резервуаров и иметь закрывающиеся отверстия наверху (для начала полета) и в середине (для повторного запуска двигателя).

5. Состояние людей при слабом опорном ускорении
или полном отсутствии такового

Малое опорное ускорение в течение нескольких часов или дней не может вызвать никаких отрицательных последствий для человеческого организма. Все жизненные процессы возможны как в стоячем, так и лежачем положениях, и при этом все равно, лежит ли человек на спине, боку или животе. Уже это доказывает, что мы не зависим от какого-то определенного направления опорного ускорения, как, например, растения.

Совсем другими будут явления, если опорное ускорение будет отсутствовать в течение многих дней и недель. Мускулы и связки в этих условиях будут дегенерировать из-за полного бездействия.

Таким образом, если полет ракеты должен продолжаться несколько недель, необходимо, чтобы пассажирская кабина была связана с ракетой тросом и вращалась вокруг общего центра тяжести с такой скоростью, чтобы в результате центробежной силы в кабине появилось опорное ускорение, аналогичное земному.

Далее...