1. Гравитация
«Тяжесть – самое неизбежное и постоянное поле, от которого ни одно существо никогда на Земле не освобождается».
А Л. Ухтомский
К настоящему времени накоплено значительное количество фактов, свидетельствующих о тесной зависимости живых организмов от действия гравитационных сил. Все многообразие возникающих при этом эффектов может быть сведено к трем группам: эффекты, связанные с влиянием гравитационных сил па процессы онтогенеза; эффекты, связанные с влиянием гравитационных сил на процессы филогенеза, в частности на развитие антигравитационных функций и структур организма; влияние гравитационных сил на конечные размеры и массу тела организмов.
Считается, что жизнь на Земле зародилась в водной среде. Это означает, что на первых этапах развития жизни действие силы тяжести на живые организмы было не столь значительным, как после перехода живых существ к земноводному и наземному образу жизни. Влияние силы тяжести на живые организмы в дальнейшей эволюции увеличивалось параллельно изменению положения тела животных в пространстве от горизонтального к полувертикальному и стало максимальным ори прямохождении. Особенно усилилось влияние силы тяжести на внутренние среды организма (гидростатический эффект).
Вся эволюция животного мира на Земле является историей активного преодоления организмом силы тяжести. Так, у наземных позвоночных сформировались мощный скелет и мышечная система, обеспечивающие опору, а также позную и двигательную активность в гравитационном поле Земли. Сильно развились и дифференцировались грани ре цеп торные системы (отолитовый аппарат, проприоцепторы, интероцепторы). Повышенные энергетические потребности, связанные с преодолением относительно возраставшего в ходе эволюции влияния силы тяжести на организм, усилили гемопоэтическую функцию костного мозга, вызвали перестройку сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Сила тяжести наложила отпечаток на обмен веществ животных организмов, став существенным фактором их развития.
Физиологические механизмы, обеспечивающие активную ориентацию животного организма в гравитационном поле Земли путем нивелирования и компенсации механических эффектов силы тяжести, объединяют в функциональную систему антигравитации. В нее входят скелетно-мышечная и циркуляторная системы. Антигравитационная функция скелетно-мышечной системы направлена на поддержание тела в пространстве, а циркуляторной – на компенсацию гидростатических эффектов.
Механизмы действия ускорений (перегрузок).
Одним из важных динамических факторов при полетах на космических кораблях, воздействующих на организм человека, является ускорение. Как известно, ускорение возникает при изменении скорости или направления движения тела; при этом независимо от причины появления ускорения результирующая сила всегда имеет Прямолинейное направление.
Ускорение – это изменение скорости за единицу времени. Размерность ускорения обычно выражают в м/сек или в крат ном отношении к скорости свободно падающего на Землю тела за одну секунду, равной 9,81 м/сек, и обозначается оно буквой «g» (от латинского слова – тяжесть). Например, ускорение, равное 35 м/сек, может быть обозначено как 3,5 g (35 м/сек2: 9,81 м/сек).
При космических полетах ускорения возникают в период выведения корабля на орбиту, торможения его скорости при спуске на Землю, а также при совершении маневров (изменение направления движения) во время самого полета.
До последнего времени нет общепризнанной системы классификации ускорений. В медицинской литературе чаще всего можно встретить деление ускорений на четыре основных вида: прямолинейные, радиальные, угловые и ускорения Кориолиса.
Прямолинейные ускорения возникают при увеличении или уменьшении скорости движения, но без изменения ее направления. При этом первый случай изменения скорости нередко обозначают как положительное ускорение, а второй – как отрицательное. Последнее обстоятельство иногда служит поводом к возникновению недоразумений, так как нередко терминами положительное или отрицательное ускорение обозначают не изменение скорости, а направление действия ускорений но отношению к голове и тазу. Прямолинейные ускорения наблюдаются при езде на современном транспорте (автомобиль, поезд и т.д.), взлете, посадке, а также изменении скорости самолета, при парашютных прыжках, и особенно значительные по величине и времени действия при выведении на орбиту и торможении космических кораблей.
Величина прямолинейного ускорения может быть вычислена по следующей формуле:
где a – ускорение; Vt – конечная скорость движения, м/сек; V0 – начальная скорость движения, м/сек; t – время изменения скорости движения, сек.
При полетах на космических кораблях линейные ускорения могут достигать значительных величин и длительного времени действия. Поэтому, естественно, возникает необходимость проведения специальных мероприятий, направленных на предупреждений неблагоприятных для здоровья последствий. Радиальные, или центростремительные, ускорения возникают при изменении направления движения тела. Наиболее ярким примером этому могут служить ускорения, возникающие при воспроизведении виражей на самолете, пикировании, вращении на центрифуге и пр. В настоящее время радиальные ускорения в реальных космических полетах по существу не встречаются. Правда, создание новых космических кораблей большой маневренности может внести в это положение определенные коррективы.
Тем не менее, значительное место в общей системе подготовки занимают ознакомительно-тренировочные вращения на центрифуге.
Математически радиальное ускорение, обозначаемое буквой «j» , может быть выражено следующим образом: j = V/R, где V – скорость движения вращаемого тела; R – радиус вращения.
Для практических целей вычисления радиальных ускорений при работе на центрифуге, как правило, применяется следующая формула:
где – радиус центрифуги; n – число оборотов в секунду.
Центрифуга является наиболее удобным стендом, на котором можно воспроизводить ускорения, соответствующие самым разнообразным профилям полетов. Современные центрифуги имеют радиус вращения от 8 до 16 м, а электронно-счетные установки позволяют программировать графики ускорений и автоматизировать обработку многочисленной физиологической информации, поступающей от объекта исследования.
Радио- и телевизионная связь создают условия для постоянного наблюдения и контроля врача-экспериментатора за испытуемым. Угловые ускорения наблюдаются при неравномерном движении тела по окружности, т.е. при увеличении или уменьшении угловой скорости; измеряются они в радианах в секунду. Угловые ускорения имеют место при разгоне и торможении центрифуги, особенно при быстром нарастании градиента ускорения.
Угловое ускорение складывается из двоякого рода сил: направленной по касательной к окружности вращения (тангенциальное ускорение); направленной к оси вращения (нормальное ускорение).
Если угловое ускорение носит равномерный характер, то соотношение между обозначенными видами может быть выражено следующими формулами:
где jt – тангенциальное ускорение, jn – - нормальное ускорение; R – радиус вращения; t – время, за которое произошло изменение угловой скорости; Е – угловое ускорение.
Неравномерное угловое ускорение может быть рассчитано только для каждой конкретной точки кривой отдельно, так как тангенциальное и нормальное ускорения, из которых оно складывается, в этом случае постоянно изменяются по величине.
Ускорения Кориолиса возникают при изменении радиуса вращения, а также в случае присоединения к движению в одной плоскости движения в другой плоскости.
Этот вид ускорений нередко встречается при полетах на самолетах и космических кораблях.
Ускорение Кориолиса может быть рассчитано по следующей формуле:
где W – угловая скорость движения тела вокруг оси; V – скорость движения тела в другой плоскости; – угол с основной осью вращения, при котором во время дополнительного движения тела возникает ускорение.
Линейные и радиальные ускорения в зависимости от времени действия делятся на «ударные» (доли секунды) и «длительные» (от секунды и более), а в зависимости от направления – на продольные и поперечно направленные; последние в свою очередь претерпевают дальнейшее деление.
Классификация и терминология ускорений были предложены аэрокосмическим медицинским комитетом в США по проблемам ускорения при консультативной группе по научно-исследовательской работе.
В табл. 7,А представлена терминология, в основу которой положено направление ускорения массы; в табл. 7, Б эту роль играет инерция органов, тканей и жидкостей организма на ускорение, действующее на все тела. Следовательно, действие перегрузок реально не для самого движущегося тела, а для его связей.
Направление сил инерции всегда противоположно направлению ускорения. В медицине и биологии часто употребляют термин «перегрузка». Перегрузки не имеют размерности и выражаются относительными единицами, по существу показывающими, во сколько раз увеличился вес тела при данном ускорении по сравнению с обычной земной гравитацией.
Таблица 7