Научно-исследовательский проект "Невесомость и её влияние на человека"

МАОУ «Видновская СОШ № 11»

Направление:

естественнонаучное

ПРОЕКТ

 (исследовательская работа)

тема

Невесомость и её влияние на человека

Исполнитель: Ошуркова Анастасия Евгеньевна 14.01.06

Ученица 7 «В» класса

Адрес 142701, Московская обл., Ленинский р-н, д.Сапроново,

Мкр. Купелинка, д. Сапронова, Кв.Центральный 2-666

a.e.oshurkova@gmail.com

+79165110669

Руководитель: Борисова Светлана Александровна

Учитель физики МАОУ «Видновская СОШ № 11»

Г. Видное, 2020 год

Содержание

1. Введение.
2. Основная часть.

1. Глава 1. Невесомость.

1. История открытия.
2. Физические особенности невесомости.
3. Применение в науке.

2. Глава 2. Человек в невесомости.

1. Первый человек в невесомости.
2. Влияние невесомости на здоровье человека.

1. Нервная система.
2. Иммунная система.
3. Кровообращение.
4. Дыхание.
5. Опорно-двигательный аппарат.
6. Профилактика последствий невесомости.

3. Заключение.
4. Источники информации.

Введение

Цель:Выяснить, какневесомость влияет на человека и узнать об особенностях без гравитационного пространства.

Проблема:Могут ли последствия невесомости повредить здоровью человека?

Гипотеза:Да, последствия невесомости могут повредить жизнедеятельности и здоровью человека.

Задачи:

1. Изучить материал по теме проекта.
2. Узнать информацию о невесомости.
3. Исследовать научные работы, связанные со здоровьем людей в состоянии невесомости.
4. Узнать, как можно избежать неблагоприятных последствий (Если они есть) в невесомости для человека и можно ли это сделать.

Актуальность проблемы.

        В современном мире людям всё больше интересно космическое пространство, а эффект невесомости можно испытать, даже не летав в космос. В скором будущем регулярные полёты будут не редкостью, ведь уже сейчас учёные занимаются разработкой туристических вылетов, делая выходы в космос доступнее и открытие. Так, каждый ли сможет испытать на себе эффект невесомости, не повредив здоровью? Попробую в этом разобраться.

Новизна проблемы.

        Ранее для человека полёт в космос был чем-то недостижимым, нереальным и фантастичным, теперь же различные космонавты ежемесячно летают в космос для проведения исследований и настройки оборудования. Известный человек знакомый большинству как Илон Маск готовит экспедицию по вылету в космос. Теперь-то и стоит задуматься, действительно ли безопасно отправляться в экспедицию с точки зрения космического давления и невесомости любому человеку?

Глава 1. Невесомость.

Раздел 1.1. История открытия.

Теория всемирного тяготения покончила с вихревой теорией Декарта.С помощью законов Ньютона стало возможным путем математических вычислений получать точные результаты. Это позволило выдвинуть очередную грандиозную задачу — создать небесную механику. За ее решение взялись последователи Ньютона — блестящая плеяда корифеев механики XVIII века Эйлер, Клеро, Лагранж, Лаплас. Но оставался вопрос, который не заинтересовал никого из этих выдающихся ученых. Очень простой вопрос: если существует невесомость, то нельзя ли использовать ее для решения какой-либо полезной задачи? Такие вопросы не были праздными для ученых XVII—XVIII веков. Честь открытия невесомости принадлежит Галилею.

Строгое научное обоснование этого явления основано на теории Ньютона. Иногда говорят, что в прежние времена путь нового открытия в инженерную практику был намного длиннее, чем теперь. Это не совсем верно. Приведем конкретный пример. В «Беседах» Галилея обсуждается еще один ошибочный принцип механики Аристотеля — боязнь пустоты, якобы присущей природе. Галилей критикует этот принцип. А в 1643 году, спустя всего год после смерти ученого, его ученики Э. Торричелли и В. Вивиани открывают вакуум — «торричеллиеву пустоту». Потребовалось всего четыре года, чтобы это открытие получило практическое применение: Блез Паскаль построил первый барометр. Чуть позже Роберт Бойль в Англии и Отто Герике в Германии изобретают первые воздушные насосы. Затем возникает идея паровой машины... Нет, инженеры XVII века не хуже наших современников умели ценить практическую силу новых физических идей!

А вот с невесомостью все получилось не так. Правда, один положительный пример все же известен. Английский промышленник Уильям Уоттс в 1782 году взял патент на производство дроби посредством сбрасывания капель расплавленного свинца с высокой башни. Падая, капли оказывались в состоянии невесомости,приобретали сферическую форму и успевали затвердеть до того, как долетали до земли. А еще через три года тот же Уоттс для этой цели построил в Бристоле первую башню. Кстати, подобный способ используется до сих пор. Очень простой способ. Почему же потребовалось целых полтора века, чтобы додуматься до него?Может быть, не было потребности? Нет, потребность была: войны в Европе велись почти непрерывно. Может, невесомости просто не повезло — на нее не обратил внимание человек масштаба Паскаля? Но позвольте, с этой задачей справился Уоттс, человек, в науке совершенно безвестный.

Раздел 1.2. Физические особенности невесомости.

Вес тела, в отличие от массы, может изменятся под воздействием ускорения. Небольшие изменения веса можно почувствовать, например, при начале движения или остановке лифта. Состояние полного отсутствия веса называется невесомостью.Невесомость — нулевой вес, может возникать, если отсутствует сила тяготения, то есть тело достаточно удалено от массивных объектов, которые могут притягивать его. На практике такое редко встретишь — гравитационное воздействие существует всегда.

Физика дает определение весу как силе, с которой любое тело действует на поверхность, опору либо подвес. Возникает вес вследствие гравитационного притяжения Земли. Численно вес равен силе тяжести, но последняя приложена к центру масс тела, вес же приложен к опоре. Физическая формула веса (P) при ускоренном движении опоры, будь то падающий лиф или пикирующий самолет, имеет следующий вид:

P=m(g-a),

где m – масса тела, g – ускорение свободного падения, a – ускорение опоры.

При равенстве g и a, P=0, то есть достигается невесомость. В результате вращения Земли существует широтное уменьшение веса: на экваторе примерно на 0,3 % меньше, чем на полюсах.

Надо ещё отметить, что согласно Третьему Закону Ньютона, не только тело воздействует на опору (подвес), но и опора (подвес) воздействуют на тело с силой, называемой силой реакции опоры (подвеса). Эта сила численно равна весу тела и направлена противоположно действию силы тяжести. Тогда, на тело действуют две силы, равные по величине и противоположные по направлению, то есть их равнодействующая равна нулю, значит тело либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

Раздел 1.3. Применение в науке.

Отсутствие конвекции и седиментации в космосе позволяют ученым контролировать и усовершенствовать процесс затвердевания, что приведет к появлению новых, более прочных и легких материалов. На европейском электромагнитном левитаторе, расположенном на борту МКС, проводятся эксперименты и в этой области. Проект IMPRESS под руководством ЕКА, объединивший 43 исследовательские группы, уже дал результат — были разработаны лопасти турбин из алюминидов титана. Эти кристаллические сплавы, обладающие уникальными свойствами, такими как высокая температура плавления, высокая прочность и низкая плотность, идеально подходят для со временных электростанций и авиационных двигателей. Использование алюминида титана приведет к 50-процентному уменьшению количества компонентов турбины, что снизит расход топлива и, соответственно, выбросы газов в окружающую среду.

Плазма — это одно из четырех фундаментальных состояний материи, наряду с твердым, жидким и газообразным. Она представляет собой ионизированный газ, чем-то напоминающий молнию, и для Земли это довольно редкое состояние вещества. А вот в космосе плазмы — 99%. Плазма используется в области медицины и гигиены, помогает в борьбе с раком, замедляя рост опухоли на 500% по сравнению с одной только химиотерапией.

Представьте, что вы заполняете крошечный биоразлагаемыймикробаллон (размером с эритроцит) различными лекарственными растворами, которые можно вводить в кровоток для борьбы с болезнью, вдыхать для лечения бактериальных инфекций легких или доставлять непосредственно в место развития злокачественных опухолей.

Этот процесс получил название «микрокапсуляция»; разработанный на базе космических исследований, впоследствии он показал потрясающие результаты. Тесты говорят, что несколько доз лекарства, введенного способом микрокапсуляции непосредственно в опухоль предстательной железы, замедлили рост опухоли на 51% в течение трех недель. В другом исследовании было показано, что достаточно двух доз микрокапсул, чтобы уменьшить размер опухоли легких в 43% случаев. После 26 дней снижение размера опухоли было отмечено в 82% случаев, а 28% опухолей полностью исчезли. Столь многообещающие результаты с использованием низких доз лекарства дают этому методу несомненные преимущества в сравнении с традиционными методами терапии рака, такими как химиотерапия.

Данные, полученные на МКС, были жизненно важны для разработки технологии создания этих капсул, поскольку под действием микрогравитации разные жидкости (например, масло и вода) распределяются равномерно по всей капсуле. Таким образом, можно получить капсулы высочайшего качества!

Глава 2. Человек в невесомости.

Раздел 2.1.Первый человек в невесомости.

12 апреля 1961 года корабль Восток-1 успешно вывел на орбиту Земли первого в мире человека. Им стал гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. Этому событию предшествовала атмосфера строжайшей секретности, и конечно тщательная подготовка. Несмотря на проигрыш в космической гонке, все государства встречали его, как героя. После успешной посадки началось настоящее мировое турне, награждение различными медалями, чествование, как героя.Далее история освоения космоса не закончилась, а корабли Восток имели множественное продолжение. Данное имя до сих пор используется Россией для кодировки в своих программах. Как известно, 12 апреля было объявлено как международный день авиации и космонавтики.

 Раздел 2.2. Влияние невесомости на человека.

2.2.1. Нервная система.

Как вы понимаете, на орбите нет разделения на день и ночь, и это негативным образом отражается на состоянии нервной системы. В условиях открытого космоса космонавты видят рассвет и закат по нескольку раз за сутки, поэтому понять, когда нужно спать, а когда бодрствовать в таких условиях невозможно. Из-за такого положения дел нарушается работа суточных ритмов человека, что приводит к усталости и дискомфорту.
2.2.2. Иммунная система.

Многолетние исследования в NASA позволили оценить влияние невесомости на иммунную систему. Иммунитет человека является достаточно сложной системой, состоящей из отдельных органов, тканей, клеток и молекулярных комплексов. Только слаженная работа всех составляющих иммунитета позволяет организму должным образом реагировать на вирусы, бактерии и другие инфекционные агенты, которые постоянно витают в воздухе, а также содержатся в пище, воде и других биологических материалах.

Ученые из NASA выяснили, что при длительных полетах в космосе снижается активность некоторых иммунных клеток.  В дальнейшем это приводит к активации бактериальной флоры и некоторых вирусов, которые ранее скрывались в организме, но не проявлялись из-за иммунологического контроля. Кроме того, из-за сбоев в работе иммунной системы возможно развитие аллергии в виде сыпи на коже.

2.2.3. Кровообращение.

        На Земле в условиях гравитации сердце и сосуды работают таким образом, что большее количество крови поступает в нижние отделы организма, а меньшее – в верхние. Однако в условиях микрогравитации космоса кровь равномерно поступает во все отделы организма. По этой причине ноги немного худеют, а голова увеличивается в размерах. Такая ситуация приводит организм в некоторое замешательство. Мозг получает сигнал об избытке жидкости в верхней части тела, из-за чего почки начинают активно удалять воду, а человек при этом не чувствует жажды. Это приводит к обезвоживанию, поэтому космонавты всегда должны пить, даже если не хотят этого.

2.2.4. Дыхание.

        На Международной космической станции имеется воздух, который позволяет космонавтам дышать без вспомогательных средств. Тем не менее, дышит человек в таких условиях иначе. Из-за нарушения кровообращения меняется функционирование дыхательной системы человека, и органы дыхания пропускают меньше воздуха. В итоге, это приводит к уменьшению брюшного охвата. Вместе с тем, воздействие микрогравитации на респираторную систему человека еще плохо изучено ввиду сложности исследования этого явления, и ученым предстоит еще выяснить много важной информации.
2.2.5. Опорно-двигательный аппарат.

        В условиях невесомости нагрузка на кости и мышцы почти полностью снимается. Для нормального функционирования костно-мышечного аппарата необходимо постоянное движение. Из-за отсутствия движения кости истончаются, а в кровь выбрасывается большое количество кальция. То же самое происходит с мышцами, которые из-за отсутствия нагрузок постепенно атрофируются.

2.2.6.  Профилактика последствий невесомости.

Профилактические средства, направленные на предупреждение или частичную компенсацию неблагоприятных сдвигов, обусловленных влиянием невесомости, играют важную роль в поддержании работоспособности космонавтов в полете и их безопасном возвращении на Землю. По сути своего воздействия применяемая в настоящее время профилактика, как это ни парадоксально, препятствует адаптации организма человека к невесомости и направлена в первую очередь на облегчение реадаптации космонавтов при возвращении на Землю, восполнение дефицита мышечной активности и воспроизведение эффектов, которые в условиях Земли обусловливаются массой крови и тканевой жидкости. Исследования, проведенные в модельных условиях и во время длительных космических полетов, показали, что для достаточной компенсации и предотвращения физиологических сдвигов, возникающих под влиянием невесомости и других факторов полета, могут быть применены следующие методы:

• физические методы, направленные на уменьшение перераспределения крови в невесомости и в периоде реадаптации к земной гравитации, а также на стимуляцию нервно-рефлекторных механизмов, регулирующих кровообращение при вертикальном положении тела (отрицательное давление на нижнюю часть тела; эластичные и проотивоперегрузочные костюмы; электростимуляция мышц и т. д.);
• физические нагрузки, направленные на поддержание тренированности наиболее важных систем организма, активацию «венозных помп» и «периферических мышечных сердец» и стимуляцию некоторых групп рецепторов (физические упражнения, нагрузочные костюмы, нагрузка на скелет);
• целенаправленное воздействие с помощью медикаментозных средств;
• воздействия, связанные с регуляцией питания (добавление в пищу солей, аминокислот и витаминов, нормирование питания и водопотребления) и содержания жидкости в организме (водно-солевые добавки);
• оптимизация среды обитания, режима труда и отдыха и средств психологической поддержки. Не исключено, что в будущих длительных космических полетах одним из эффективных средств поддержания оптимального функционального состояния организма человека будет искусственная сила тяжести (ИСТ). Можно полагать, что ее воздействие на различные системы организма человека в условиях невесомости будет неоднозначным. Вероятно, ИСТ будет способствовать предотвращению нарушений со стороны сердечно-сосудистой системы и опорно-двигательного аппарата.

Заключение.

Моя работа в рамках исследовательского проекта позволяет сделать вывод о том, что невесомость люди пытались открыть ни один десяток лет и благодаря её открытию смогли создать средство для излечения многих болезней, которые ранее лечились куда труднее. Из этого следует, что физика тесно связана с другими науками и помогает в самых в различных областях.

Также в ходе исследовательской работы мною были получены данные о здоровье людей в невесомости и благодаря этой информации я смело могу сделать вывод, что пребывание в космосе оказывает негативное влияние на человека и его организм, как и гласила теория, предположенная в начале проекта. Также я узнала, что негативные последствия можно избежать физическими нагрузками и средствами, принятием медикаментов, изменением среды обитания и специальным питанием.

Источники информации:

• Энциклопедия физики и техники – Вес
• «Спросите у космонавта» - Издательство: «Рипол-классик»
• «Энергия» 1988 г №4, с.23-28
• https://medicalplanet.su/Patfiz/1292.html
• https://www.likar.info/coolhealth/article-79262-stesnyayus-sprosit-chto-s-chelovekom-proishodit-v-kosmose/
• https://kosmosgid.ru/kosmicheskoe/osvoenie
• http://fizika-for-all.blogspot.com/2012/10/blog-post_30.html