太空與地面環境大不相同,在微重力環境下,太空人的生活很艱難?

2020-12-06 高中物理知識

《太空與地面環境大不相同,在微重力環境下,太空人的生活很艱難?》

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生活在地球上的人

人類自古以來生活在地球上,人體在漫長的進化過程中,形成了自己獨特的生理結構,有一系列能與慣用的雙足動作相適應的骨骼和肌肉,包括失去抓握能力的腳部結構。是陸地兩足動物,遊泳和潛水的能力有限,必須後天學習。在身體尺寸和比例方面表現出強烈的變化,並且色素沉著,其中一些可能與人所處的廣泛環境有關。

地球表面的重力場環境

由於人類長期生活的地方是地球表面,已經適應了周圍的物理環境,例如地球表面的溫度、電磁場、重力場等。地球表面的重力場強度大約在9.8m/s^2左右,作用於所有物體上,使它們受到指向地心的作用力。人體中的每一器官、組織,細胞以及生物分子都是在這樣的重力場中得以演化並賴以生存的。一旦失去了正常的重力場,生物體的器官和組織就將失去平衡,導致一系列的生理變化,甚至危及生命。超重和失重就是兩種偏離正常重力場的典型狀態。所謂微重力環境就是重力強度大大減少,十分微弱,其大小大約只有地球表面重力場強度的百萬分之一。太空人乘坐宇宙飛船在太空中飛行就是在這樣的微重環境下生活和工作的。

宇宙航行中的微重力環境

人類自古就喜歡探索太空,經過長期的努力,人類從站在地面仰望天空,思考天上的星體,發展到利用宇宙飛船、太空梭飛到太空。人類在太空中所處的環境跟地面就大大地不同了。那裡沒有空氣,沒有重力,充滿危險的太空輻射(各種射線)。如果用地球上的方式去太空生活,那肯定會鬧出很多大笑話,甚至存在巨大的危險。比如吃飯,你端著一碗米飯,那飯會一粒粒飄滿你的座艙,你張著嘴可能一粒也吃不著;而你閉上嘴時,飯粒卻可能飄進你的鼻孔嗆你個半死。你想躺在床上睡個舒服覺,可是你會發現太空中找不到上下的界限,「躺」和「站」幾乎沒有什麼區別……

在太空中,太空人可以毫不費力地漂浮在飛船中,他們用自己的內力去建立運動。在微重的空間裡,方向性已經無意義了,因為只有在地球上由於重力才有「上」 「下」的方向概念。在地面上的人們是靠內耳的敏感器官傳遞信息給大腦,以保持身體的平衡。在太空的微重狀態下,與重力有關的振動發生了變化,把神經系統搞亂了,結果內耳的傳感系統向大腦傳遞了模糊不清的信息,身體難以平衡。這種感覺在地球上也能體會到。例如,在海上旅行時,船體在波濤中起伏搖晃,不適應者感到頭暈目眩。這就是身體失去平衡產生的感覺,有時稱作「運動病」。為了使太空人適應微重狀態,可讓他們在實驗室內作訓練。太空人們坐在旋轉的椅子上或者旋轉的機艙內,以不同的速度旋轉,太空人們就可感受到不同的重力條件,以體驗他們將要去的太空和星球的重力環境。

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  • 太空人的太空生活,導致身體結構發生變化!
    目前有能力有資格生活在太空中的,就是被各國發射到國際空間站上的太空人。在國際空間站長時間的微重力環境下,也會讓人體發生微妙變化,在最新的研究報告中,科學家們指出長時間在太空飛行的太空人,身體和大腦都發生了不同程度的變化,這到底是怎麼回事呢?不難發現,國際空間站中的太空人,他們並不是長期駐守,而是美國100多天就會返回地球一次,針對於11名太空人,科學家進行了不同的研究。
  • 如果太空人不小心飄進了太空,會發生什麼?
    1961年將加加林送入距地面300公裡的繞地軌道,使其成為世界歷史上首位進入太空的太空人。由於太空人進入太空以後,所面臨的環境異常複雜嚴峻,隨時都會有生命危險,因此世界各國對太空人的培訓非常到位、進入太空後各項保障措施非常到位、進行相應操作的程序非常規範,截至目前,沒有一位太空人在執行太空任務時脫離太空艙而飄進太空,22位失去生命的太空人,也都是在火箭起飛、返回艙返回大氣層或者墜落到地面、以及在地面上執行太空實驗時出現意外所致。
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    然而太空環境因素複雜,微重力、高真空、強輻射等因素都可能誘導大腸桿菌發生基因突變,進而影響其生物學性狀及代謝水平,地面相同的抗菌素或相同劑量的抗菌素達不到以往的治療效果。因此有必要分析研究太空環境對大腸桿菌代謝的影響。
  • 太空人在太空中「失重」的原因是什麼?
    你可能看過這樣的圖片,太空人們漂浮在太空、太空梭、國際空間站。看似很輕鬆,又神奇,但其實不是這樣。太空人在失重狀態下看似很滑稽,但其實很痛苦。最初會感覺噁心、頭暈或失去方向感。導致太空人骨質損失外,還會導致太空人肌肉鬆弛,免疫力下降和衰老,引發多種空間運動病。所以不是人人都能當太空人,需要個人的身體素質非常好。
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    在這張對照圖中,正常重力條件下產生的火焰(左側)和微重力環境下的火焰(右側)之間的區別可謂一目了然。與在地球上不同的是,微重力條件下的低密度熱氣體不會上升。其結果是,粒子從高溫區向低溫區擴散等其它過程佔據了支配地位。在太空研究燃燒進一步揭示了有關這種現象的基本物理學原理,進而幫助研發用於未來太空探索任務的滅火技術。