Почему на орбите невесомость

О том, что в космосе царит невесомость, первым ощутил и описал Юрий Гагарин 12 апреля 1961 года. Но стоит отметить, что научные основы этого явления заложил еще Галилео Галилей. Согласно его доказательствам, тело способно продолжительно пребывать в условиях свободного падения вокруг другого тела, сохраняя при этом боковую скорость. Теперь заложенные Галилеем основы теории свободного падения реализовываются на практике, во время орбитальных полетов.

По одной из версий, невесомость в космосе возникает из-за слабого действия гравитационных сил, например, земного притяжения. Это не так. Гравитационное притяжение с расстоянием уменьшается, но не так сильно. К примеру, на расстоянии около 400 км Земли – на низкой околоземной орбите, по которой движется Международная космическая станция – земное притяжение всего на 12% меньше, чем на самой планете. Так, ускорение свободного падения на рабочей орбите МКС составляет 8,63 м/с2. По сравнению с земным значением 9,8 м/с2, разница составляет 12%.
Так что причина невесомости – вовсе не в слабости или отсутствии гравитационных сил. На орбите МКС, да и на более высоких орбитах, силы гравитации по-прежнему действуют, хоть и немного слабее. Но они не мешают космонавтам испытывать невесомость, т.к. это состояние можно ощутить не только вдали от гравитационного влияния больших небесных тел. Всё дело – не в огромном расстоянии от звезд и планет, а в движении!

Не стоит путать невесомость с состоянием микрогравитации, которое теоретически наблюдается в межзвездном пространстве и между галактиками, далеко-далеко от крупных небесных тел. Невесомость удается ощущать, несмотря на действие гравитации. Для этого достаточно осуществить свободное падение, т.е. человек испытывает невесомость, когда он не ощущает собственный вес ввиду отсутствия давления на опору. Например, невесомость испытывают парашютисты во время свободного полета.
Рассмотрим подробнее, почему состояние невесомости есть в космическом корабле, на МКС и других орбитальных станциях. Причина этого состояния такая же, как и у парашютиста – осуществление свободного падения. Разница в том, что парашютист пребывает в свободном падении 30–60 секунд, а космический аппарат вместе со всеми находящимися на нем объектами – постоянно. Другими словами, космический аппарат движется в режиме постоянного свободного падения вокруг Земли, но при этом поддерживает горизонтальную скорость 7,9 км/с.
В результате станция или корабль падает на Землю под влиянием гравитационных сил, но из-за огромной скорости движения и кривизны земной поверхности как бы постоянно «промахивается». Пока космический аппарат «падает», Земля как бы «уходит» от него, создавая орбиту. При этом опоры нет, никакая поверхность гравитации не сопротивляется, и вес не ощущается. Вот почему космонавты летают в невесомости, и дело вовсе не в ослабленном гравитационном поле Земли.

Итак, ответ на вопрос, почему космонавты ощущают невесомость, находясь на низких околоземных орбитах, кроется в следующем:

1. Космонавты ощущают орбитальную невесомость, когда вместе с космическим аппаратом пребывают в состоянии свободного падения.
2. Они движутся по круговой орбите с первой космической скоростью, т.е. вместе с космическим аппаратом постоянно осуществляют свободное падение, но при этом поддерживают по касательной к Земле скорость 7,9 км/с.
3. Орбитальная невесомость начинает ощущаться в момент, когда космический корабль выходит на орбиту, достигает первой космической скорости и переходит в режим постоянного свободного падения. Во время движения по орбите и космический аппарат, и все объекты на нем осуществляют свободное падение на Землю, с сохранением расстояний между собой. Вот почему космонавты находятся в невесомости.

На высоте орбиты МКС (≈400 км) атмосфера сильно разрежена и почти не препятствует движению. Но чтобы поддерживать нужную скорость (7,9 км/с), на космической станции приходится время от времени включать двигатели. Так что состояние невесомости – это не само собой разумеющееся явление на орбите. Во время орбитального полета оно действительно становится привычным для космонавтов, но для того чтобы МКС двигалась по рабочей траектории, приходится поддерживать скорость ее движения равной первой космической – 7,9 км/с.

Есть мнение, что невесомость на орбите ложная, т.к. не связана с отсутствием гравитационного поля. Но понятия истинной и ложной невесомости лишены смысла. Представьте, что вы находитесь в полностью закрытой капсуле. В условиях невесомости все физические процессы внутри нее будут протекать идентично – независимо от того, будете ли вы осуществлять свободное падение по околоземной орбите или плавать в межзвездном пространстве.
Вот почему невесомость на МКС по ощущениям ничем не отличается от аналогичного состояния в далеком пространстве между галактиками. Хотя убедиться в этом на практике пока нет возможности, сам принцип невесомости (отсутствие ощущения веса тела) одинаково работает и в межзвездном пространстве, и на МКС, и в самолете-лаборатории Ил-76 МДК, и во время прыжка с парашютом. Разница заключается только в том, сколько действует режим невесомости.
Подробнее о состоянии невесомости и его влиянии на организм мы рассказывали здесь.