Przeciążenie - aktualizacja

Przeciążenie to stan, w jakim znajduje się ciało poddane działaniu sił zewnętrznych innych niż siła grawitacji, których wypadkowa powoduje przyspieszenie inne niż wynikające z siły grawitacji. Przyjęto wyrażać przeciążenie jako krotność standardowego przyspieszenia ziemskiego. Tak zdefiniowane przeciążenie jest wektorem, mającym kierunek i zwrot.

Przeciążenie może być powodowane przez wibracje, manewry obiektu takiego jak samolot czy samochód, ciąg silników napędowych statku kosmicznego, ciśnienie gazów przyśpieszających w lufie pocisk , kolizje itp.

1g to składowa pionowa przeciążenia ciała znajdującego się na powierzchni Ziemi w spoczynku lub w ruchu ustalonym, 0g odpowiada stanowi nieważkości (spadek swobodny pod działaniem sił grawitacji). Znajomość przewidywanych przeciążeń umożliwia obliczenie obciążeń i odpowiednie zaprojektowanie konstrukcji obiektów technicznych a także ocenę narażeń, jakim poddawane będą w rozważanych okolicznościach organizmy żywe.

Przeciążenie (jak i niedociążenie) może mieć wyłącznie wartość dodatnią (lub równą 0).
Znak przyspieszenia charakteryzuje umowny kierunek działania sił:

• dodatnie
  • Gz+ siły działają w dół na sylwetkę stojącego człowieka, od głowy do stóp (np. ruszająca winda w górę)
  • Gx+ siły działają wzdłuż sylwetki stojącego człowieka, od klatki piersiowej do pleców (np. przyspieszanie auta)
• ujemne
  • Gz- siły działają w górę na sylwetkę stojącego człowieka, od stóp do głowy (np. ruszająca winda w dół)
  • Gx- siły działają wzdłuż sylwetki stojącego człowieka, od pleców do klatki piersiowej (np. hamowanie auta)

Z uwagi na położenie delikatnie ukrwionych organów (mózg, gałki oczne) kierunek przyspieszenia powoduje odpowiednio napływ lub odpływ krwi powodując zmianę jej ciśnienia w tych narządach.
W przypadku napływu krwi i wzrostu jej ciśnienia silnie wzrasta prawdopodobieństwo wystąpienia wylewów do mózgu zagrażających zdrowiu i życiu lub do gałek ocznych zagrażających częściową lub trwałą ślepotą. Z tego też powodu organizm człowieka dużo lepiej znosi przeciążenia dodatnie niż ujemne.

Największe, jednak najkrócej działające, przeciążenia występują w trakcie katapultowania (rzędu 40 g), podczas wyczynowej akrobacji lotniczej, podczas walki powietrznej samolotu myśliwskiego (do 10 g). Człowiek w stanie spoczynku poddany jest przyspieszeniu 1g, a 0g w stanie nieważkości.

Długotrwałe przeciążenie doprowadza do zaburzeń widzenia (krew odpływa z siatkówki oka), a im większa jest wartość przeciążenia tym krócej może ono działać na organizm bez obawy o niekorzystny wpływ na stan zdrowia.

Skutki przeciążenia można zmniejszać np. stosując skafander przeciwprzeciążeniowy czy umieszczając pilota w pozycji leżącej. Ważną rolę odgrywa systematyczny trening i dobra sprawność fizyczna pilota.

W życiu codziennym stanu przeciążenia można doświadczyć np. w ruszającej lub zatrzymującej się windzie, w zakręcającym lub pokonującym nierówności samochodzie, w czasie podróży samolotem - szczególnie gdy występują turbulencje.

Duże przeciążenia, głównie w celu badania ich wpływu na pilotów i astronautów, uzyskuje się w wirówce przeciążeniowej.

Nieważkość - tytułem wstępu.

Nieważkość i przeciążenie są to dwa stosunkowo niedawno poznane zjawiska związane z astronomią i grawitacją. Obecnie nadal znajdują się w fazie badań. Ponieważ występują one podczas lotów kosmicznych naukowcy sprawdzają ich wpływ na zdrowie oraz ciało człowieka. Na ziemi w warunkach naturalnych zjawiska te nie występują i są wywoływane w sposób sztuczny. Żeby móc wyjaśnić te zjawiska już na początku konieczne jest przedstawienie definicji tych dwóch zjawisk:

- Nieważkość - stan substancji lub organizmu spowodowany efektywnym brakiem siły ciążenia. W klasycznym sensie masa może być nieważka tylko wówczas gdy jest nieskończenie oddalona od innych ciał tzn. gdy na masę nie działa siła grawitacji. Za stan nieważkości uważa się stan, w którym siła grawitacji działająca na masę jest zrównoważona siłą bezwładności tej masy. Np. stan nieważkości w poruszającym się po orbicie wokół ziemi statku kosmicznego jest wynikiem znoszenia się siły ciążenia z odśrodkową siłą bezwładności. W warunkach ziemskich krótkotrwały stan nieważkości można zaobserwować podczas spadku swobodnego (a=g) w specjalnych wieżach lub obiektach latających.

- Przeciążenie - stan ciała lub organizmu, w którym to ciało (lub organizm) jest poddane działaniu zależnej od jego masy siły większej od siły ciężkości. Siłami zależnymi od masy są siła bezwładności i siła przyciągania grawitacyjnego toteż przeciążaniu podlegają np. poruszające się z dużymi przyspieszeniami obiekty latające oraz ich pasażerowie. Przeciążenie mierzymy stosunkiem działającej na masę siły do siły ciężkości i wyraża się je w jednostkach

Badania nieważkości.

Najwcześniej stan nieważkości zaczęto badać w Związku Radzieckim za pomocą rakiet. Wystrzeliwano na duże wysokości psy, myszy i małpy i powodowano otwarcie spadochronu dopiero na wysokościach poniżej 4 km. Podczas spadku swobodnego zwierzęta znajdowały się w warunkach nieważkości i stwierdzono, że znosiły one ten stan w wyjątkowo dobry sposób, a do faktu wystąpienia nieważkości bardzo szybko się przyzwyczajały.

Następnie zaczęto próby z ludźmi w samolotach odrzutowych. Samoloty były wyprowadzone na duże wysokości gdzie atmosfera jest bardzo rozrzedzona. Następnie przy maksymalnej prędkości wyłączane są silniki i samolot porusza się dalej bezwładnie. Dzięki tego typom lotów stwarzano stan nieważkości na okres około 1 minuty. W czasie takiego lotu samolot porusza się po tzw. paraboli nieważkości. Poprzez wykonywanie wielu akrobacji możliwe było przedłużenie okresu nieważkości do 3 minut.

Spośród ludzi jako pierwszy długotrwały stan nieważkości odczuł Gagarin. Początkowo czuł się on nieswojo lecz bardzo szybko zdołał przystosować się do braku ciężaru. W czasie swojego lotu wykonywał on wszystkie czynności: utrzymywał kontakt z Ziemią, prowadził obserwację, przyjmował pożywienie. Potwierdziło to domysły, że stan nieważkości nie przeszkadza człowiekowi, który zachowuje wszelkie zdolności do wykonywania czynności. W czasie lotu Gagarina nie można było sprawdzić wszelkich zjawisk wynikających ze stanu nieważkości, gdyż podróż była zbyt krótka.

Kolejnym astronautą w stanie nieważkości był Titow, który znajdował się w nim przez ponad 25 godzin. Lot ten potwierdził wcześniejsze badania. Titow podczas podróży wykonywał szereg zajęć przewidzianych w programie. Pilot przez cały czas obserwował swoje reakcje i przesyłał dane na Ziemię. W czasie lotu przespał on spokojnie 8 godzin oraz zjadł 3 pełne posiłki. Po długotrwałym stanie nieważkości nastąpiły u Titowa pewne zaburzenia w zmyśle równowagi objawiającego się głownie bólem głowy, które jednak szybko ustąpiły.

Chociaż początkowe loty nie pokazały poważnych zaburzeń w organizmie człowieka w czasie dalszych badań i lotów określono szereg negatywnych skutków nieważkości dla organizmu. Najwcześniej pojawiającym się objawem jest choroba kosmiczna, która charakteryzuje się wymiotami i złym samopoczuciem. Ustępuje ona jednak bardzo szybko i dotyczy niewielkiej liczby astronautów. Poważnym następstwem jest dezorientacja naszego układu równowagi ucha środkowego. Bardzo poważnym skutkiem negatywnym jest zanik u astronautów mięśni w wyniku ich nieużywania czemu można zapobiec poprzez systematyczne ćwiczenia. Innymi skutkami jest niewyjaśniona utrata wapnia oraz osłabienie mięśnia sercowego.

Stan nieważkości sprawia problemy nie tylko dla funkcjonowania naszego organizmu, ale także zmienia nasze przyzwyczajenia do życia. W czasie długich lotów stan ten będzie sprawiał wiele kłopotów. Nie będzie możliwe określenie gdzie znajduje się góra, a gdzie dół ponieważ przedmioty będą wisiały w powietrzu i nie nastąpi ich spadek. Poruszanie będzie możliwe tylko od jednego przedmiotu nieruchomego do drugiego poprzez odpychanie. W statkach nie będzie możliwe używanie palników gdyż nie będą się one palić, chyba że wymusi się sztuczny obieg powietrza.

Duże kłopoty spowodują podstawowe funkcje organizmu: wydalanie, spanie, jedzenie. Spanie będzie musiało odbywać się w specjalnych śpiworach przymocowanych do ścian. Wydalanie wymagać będzie zastosowanie specjalnych urządzeń. Największe trudności sprawi odżywianie się. Płyny będą "pływały" w powietrzu skupiając się w kule. Ich wypicie będzie możliwe tylko przy wykorzystaniu specjalnych urządzeń takich jak pompka lub gruszka. Inaczej będzie wyglądać gotowanie. Będzie musiało odbywać się w specjalnych naczyniach wprowadzonych w ruch obrotowy żeby zawartość w czasie gotowania przylegała do ścianek, a nie unosiła się w powietrzu. Utrudnione będzie mycie możliwe tylko przy wykorzystaniu zwilżonego ręcznika lub gąbki.

Odczucie ciężkości.

Co jest istotą odczucia ciężkości i ew. nieważkości?

Istotą odczuwania ciężaru własnego ciała wcale nie jest fakt przyciągania do planety, ale raczej że...
jesteśmy dociskani do jakiejś powierzchni.
Zwykle na Ziemi odczuwamy nasz ciężar, bo grawitacja dociska nas do podłoża - krzesła, podłogi itp. My opieramy się o to podłoże i czujemy w ten sposób swój ciężar. Ale gdyby tego podłoża nie było, albo gdyby spadało ono razem z nami (np. też w wyniku działania grawitacji), „uciekało nam spod nóg”, to znajdowalibyśmy się właśnie w stanie nieważkości!
Taki „mini” stan nieważkości, przez krótki moment odczuć można, gdy nagle zaczyna szybko ruszać w dół winda. Inna podobna sytuacja, to zjazd kolejką w wesołym miasteczku (tzw. roller coaster) – w pewnym momencie sama kolejka zaczyna spadać dokładnie tak jak my i nie możemy się na niej oprzeć.
Podobna sytuacja zachodzi dla kosmonautów na stacji kosmicznej. Tutaj mamy stan nieważkości wręcz permanentny. A jednak grawitacja w obszarze stacji jest całkiem spora. W końcu to dzięki tej grawitacji stacja utrzymuje się na orbicie kołowej i satelita okrąża Ziemię, a nie ucieka gdzieś w kosmos.
Dlaczego jest więc nieważkość?
- Ano dlatego, że zarówno sama stacja, jak i znajdujący się w niej kosmonauci cały czas... ...spadają.
Napisano tu „spadają”, bo Ziemi przyciąga wszystko wokół – przyciąga kosmonautę, przyciąga stację. Ale tu kosmonauta nie jest dociskany do ścian stacji, bo stacja „ucieka” mu spod nóg ciągniona taką samą siłą grawitacji pochodzącą od Ziemi – ucieka dokładnie w ten sam sposób, w jakim kosmonauta miałby być do ścian stacji dociskany.
I jeszcze odnośnie terminu „spadanie” stacji kosmicznej. Ktoś powie, jeśli stacja cały czas spada, to dlaczego w końcu nie spadnie na Ziemię?
- Odpowiedź jest tu prosta – dlatego, że prędkość ruchu orbitalnego jest na tyle duża, że wciąż wynosi stację poza horyzont Ziemi. Można to prześledzić analizując poniższy rysunek.
Tutaj pokazane są z perspektywy globu ziemskiego przypadki zrzucania ciała z coraz większymi prędkościami. Dla odpowiednio dużej prędkości, mimo że grawitacja cały czas zakrzywia tor ciała, to jednak prędkość jest na tyle duża, że do spadku na ziemię wcale nie dochodzi (zakładamy, że nie działa tu atmosfera, która mogłaby zmniejszać prędkość ruchu).