Что происходит с телом во время перегрузки. Перегрузки в авиации, их физическая сущность, профилактика вредного действия. в перегоночном варианте

Научный консультант музея "Экспериментаниум" и физиолог Антон Захаров рассказывает, что происходит с телом человека, пока он летит в космос и пока он там находится.Сетевое издание M24.ru приводит полную текстовую версию лекции.

О том, что происходит с человеком на космической станции, мы поговорим чуть позже, а пока нам нужно разобраться с теми трудностями, которые ждут человека при взлете в космос. Первая трудность, с которой он сталкивается, - это что? Я думаю, вы догадаетесь?

- Невесомость.

Нет, невесомость чуть позже.

- Перегрузки.

Перегрузки, абсолютно правильно. Здесь небольшая табличка, табличка ощущений, которые возникают у человека, когда он испытывает перегрузки. Вообще, что такое перегрузка, откуда она берется? Как вы думаете, есть идеи? Пожалуйста.

- Самолет или космическая станция начинает подниматься, при этом человек начинает в другую сторону отклоняться, возникает перегрузка.

А почему она называется перегрузка?

- Наверно, потому что человек чувствует себя некомфортно.

На самом деле, мы с вами просто очень сильно привыкли жить с нагрузкой. Когда мы с вами находимся, как сейчас - вы сидите, я стою, - на нашей планете Земля, мы притягиваемся к Земле, и наша кровь притягивается к Земле сильнее, чем все остальные части нашего тела, потому что она жидкая. Она как бы собирается к Земле. А остальные части нашего тела более твердые, поэтому они чуть меньше притягиваются к Земле, но форма у них более постоянная. И мы к этой нагрузке очень хорошо приспособлены, и когда мы эту нагрузку потеряем, произойдет не очень приятное ощущение, о котором я поговорю попозже.

Но перед тем как попасть в невесомость, где этой нагрузки нет, человек испытывает перегрузки, то есть избыточное действие силы тяжести. При двукратной перегрузке - перегрузке в 2 g - тело человека наливается тяжестью, лицо немножко обвисает, трудно встать, понятное дело, нужно поднимать не 50-60-70 кг, которые вы обычно весите, а в два раза больше. При троекратной перегрузке человеку уже невозможно стоять, и у человека сначала отключается цифровое зрение, потому что клетки, которые отвечают за цифровое зрение, они очень много энергии потребляют. При 4,5 g совсем отключается зрение, крови не хватает уже нашей с вами сетчатке, дальше невозможно поднять руку или ногу. И при 12 g большинство людей теряет сознание. Все, что я говорю сейчас, касается перегрузок не мгновенных, а которые длятся какое-то время, хотя бы 10-20-30 секунд, мгновенные перегрузки бывают сильнее. Как вы думаете, такие перегрузки в обычной жизни можно встретить, не поднимаясь в космос?

Перегрузку в 4,5 g можно испытать, не взлетая в космос? На самом деле, обычно где-то 1,5, но, если вы катаетесь на аттракционах, как раз 3-4 g вполне можно испытать. А так, понятно, что человек, стоящий неподвижно, 1 g испытывает; в самолете – где-то 1,5; парашютист, который приземляется, - где-то 2 g; в момент раскрытия парашюта очень недолго он испытывает 10 g, то есть практически на грани потери сознания. При этом космонавты, которые сейчас летают, испытывают меньше - 3-4 g, у них вот этих 8-12 - очень сильных перегрузок - нет, их испытывали только космонавты, когда только строили космические корабли, тогда было 7-8 g, это была проблема. Сейчас все сделано так, чтоб взлетать было легче.

На самом деле, самые интенсивные перегрузки часто испытывают военные летчики. В момент исполнения каких-нибудь фигур высшего пилотажа вполне себе бывает 12 g, но достаточно кратковременно, поэтому они сознание не теряют - это раз, а два - они очень подготовленные, поэтому им легче справляться. Максимальные перегрузки, допустимые для здоровья, даже кратковременные - это примерно 25 g. Если перегрузка будет больше, даже кратковременная, то вероятность, что человек сломает себе позвоночник, начинает приближаться к 90%, а это уже, естественно, не очень хорошо.

Мы поговорили про обычные перегрузки, так называемые положительные перегрузки. Мы выяснили, что антигравитации не существует. А как вы думаете, отрицательные перегрузки могут быть? (Но перегрузка и гравитация - понятия немножко разные) И, действительно, отрицательные перегрузки бывают, если вы просто встанете на голову, то испытаете отрицательную перегрузку -1 g, потому что кровь, которая обычно приливает к ногам, и части тела, которые обычно давят друг на друга в одном направлении, начнут давить друг на друга в другом направлении, и кровь начнет приливать к голове. Это вполне себе отрицательная перегрузка и, естественно, большие отрицательные перегрузки тоже вредны для здоровья, и их тоже можно испытать, не летая ни в какой космос. Их, например, испытывают прыгуны с тарзанки – то, что по-английски называется банджи- джампинг.

На самом деле, этот банджи-джампинг... Во-первых, мне даже на фотографии смотреть страшно, а во–вторых, это очень интересный ритуал. Кто-нибудь знает, откуда он взялся? Дело в том, что индейцы племени Вануату в Южной Америке таким образом посвящали мальчиков в мужчины. Они забирались на высокое дерево, брали какую-то крепкую лиану, привязывали ее к ногам, и подросток должен был прыгнуть с этой лианой виз, не долетая до земли метра-двух. И если он спокойно выдерживал, он становился мужчиной. Когда об этом в 70-х годах ХХ века узнали студенты Оксфорда, они пришли в дикий восторг и решили, что такую традицию надо повторить. Но они решили, что первый прыжок должен быть преисполнен торжественности, и нарядились во фраки. Сейчас банджи-джамперы - неформальные люди, а первые прыгуны прыгали в костюмах, это было достаточно красиво.

Мы свами разговаривали про перегрузки, это не единственная проблема, которую испытывают космонавты. Космонавты взлетели, с перегрузками справились, поднимаются в космос, и тут же их ждут первые радости и первые проблемы.

Ну, радости, конечно, когда человек поднимается в космос, полные штаны, - это понятно. И у космонавтов, как у маленьких детей это бывает, - и это подтверждается биохимическими исследованиями - выше "гормон счастья" в крови, чем у обычных людей. И их можно, в принципе, понять, много там крутого происходит. Давайте одно видео посмотрим с МКС. В принципе, люди развлекаются, как могут, конечно. Не обязательно вещи носить руками, можно их и ногами поносить. Движения должны быть очень точно рассчитаны, должны быть очень аккуратными. Вот так на самом деле космонавты не моют руки, это было специально для видео снято, ради этих 10 красивых секунд очень много сил потратят потом космонавты, собирая эти капельки по одной. Это только кажется – вау, как круто они разлетелись, а они действительно разлетелись, их теперь все собрать нужно, проблема достаточно серьезная.

Итак, мы примерно видели, как живут космонавты в космосе, теперь давайте думать, какие проблемы их там ждут. Первая проблема связана с тем, что человек не испытывает там земного притяжения. Земного притяжения не испытывают в том числе и его органы равновесия. Где у нас находятся органы равновесия, кто-нибудь знает?

- В голове, мозжечок?

В ухе. Нет, мозжечок - это мозговой центр, который обеспечивает координацию равновесия, но это не чувствительная часть, а чувствительная часть у нас находится в ухе. Красивые камушки, которые здесь изображены, - это кристаллы отолиты, это камушки, которые находятся у нас в вестибулярном аппарате, его мешочке, и, когда мы крутим головой из стороны в сторону, они перекатываются внутри нашего вестибулярного аппарата, таким образом, мы понимаем, что голова наша повернута относительно остального тела. Вот в этих мешочках находятся эти кристаллы. Что происходит в космосе, в космосе происходит одна простая вещь, эти камушки начинают, как и все стальное, плавать внутри вестибулярного аппарата - у человека происходит сбой. С одной стороны, глаза ему говорят, что он по-прежнему вертикально стоит, все нормально, а с другой стороны, органы равновесия говорят: я не понимаю, что произошло, меня во все стороны колбасит, я не знаю, что делать. Есть проявление, похожее на космическую болезнь, - это морская болезнь. Тогда происходит то же самое, вестибулярный аппарат качается в разные стороны, а глаза качаются не так сильно, и у организма происходит сбой, и организм начинает что делать?

- Тошнить.

Тошнить начинает, и в космосе его начинает точно также тошнить, но, поскольку в космосе эта перестройка происходит намного более резко, космическая болезнь бывает почти у всех космонавтов. Не всех, правда, тошнит, но тех, кого тошнит, - это опасная штука. Потому что люди обычно испытывают приступы космической болезни в тот момент, когда они уже пристыковались к космической станции и еще в скафандрах. Они начинают делать первые движения, выходя на космическую станцию, то есть находятся в замкнутых скафандрах и, смех-смехом, но это одна из серьезных причин гибели космонавтов, просто потому что скафандр замкнутый, а лететь без скафандра нельзя. Почему, об этом расскажу чуть попозже.

Идем дальше, еще одна проблема, которая в космосе поджидает людей, - это уменьшение количества кровяных клеток. Разные причины у этого есть, одна из причин такая: в космосе происходит уменьшение костной ткани, а внутри костной ткани как раз кровяные клетки образуются. Поэтому, если косточек становится меньше, то и клеток становится меньше. В общем, достаточно неприятная штука, особенно неприятная, когда космонавт возвращается на Землю, и ему нужно пройти период адаптации обратно к условиям на Земле. Он в том числе испытывает мощный недостаток кислорода как раз потому, что у него не хватает вот этих кровяных клеток, которые кислород переносят. Собственно, подробнее про кости. Почему кости разрушаются в космосе, вы знаете? Есть идеи?

- Нагрузки нет.

Нагрузки нет, совершенно верно, чтобы наши кости нормально работали, они должны постоянно получать какую-то нагрузку, мы с вами должны постоянно трудиться. Но мы вспоминаем, что в космосе трудиться непросто: нет необходимости, нет возможности. Поскольку там ничего не весит, чтобы вы ни делали, вы тратите намного меньше сил. И, несмотря на то что космонавты все время тренируются, они все равно не могут испытывать тот же уровень физической нагрузки, что и на Земле. Поэтому через 3-4 полета начинаются проблемы с костями, которые, в частности, приводят к остеопорозу, когда костная ткань разрушается.

Еще одна проблема – снова с кровью. Я говорил, что мы очень хорошо приспособлены к нагрузке на Земле. Как мы приспособлены? Крови у нас избыточное количество, у каждого из взрослых примерно 5 литров крови. Это больше, чем нам нужно. Зачем нам этот избыток? Потому что мы прямоходящие, и большая часть крови у нас остается в ногах, внизу нашего тела, а до головы дотягивает не все, поэтому нам нужно некоторый избыток хранить, чтоб хватило крови и голове. Но в космосе сразу пропадает сила тяжести, и поэтому вот эта лишняя кровь, которая была в ногах, начинает срочно перемещаться куда-нибудь по всем организму. В частности, попадает человеку в голову и к мозгу, в результате чего бывают инсульты, микроинсульты, потому что слишком много крови попадает, и сосуды просто лопаются. В результате этого космонавты в первую неделю особенно часто бегают в туалет, как раз теряют лишнюю жидкость, они теряют порядка 20% лишней жидкости за первую неделю нахождения на орбите.

Мышцы тоже не испытывают нагрузку. Независимо от размера груза, независимо от того, сколько он весит на Земле, в космосе его перекидывать трудности никакой не будет. Поэтому космонавты, я уже говорил, обязательно тренируются в космосе. Об этом следующее видео. Естественно, тяжести поднимать в космосе никакого смысла нет, можно попробовать побегать. Действительно, человек бегает, только, обратите внимание, он привязан к беговой дорожке, потому что, если бы он не был привязан к беговой дорожке, он бы просто улетел. Опять же, тяжести поднимать нельзя, но можно разгибать пружины, и космонавты минимум 4 часа в день проводят в физических упражнениях. Космонавты, как вы знаете, - это самые подготовленные люди, самые физически крепкие и стойкие. И все равно, когда они возвращаются из космоса, они, во-первых, никогда в жизни больше не достигают той формы, которая была до первого полета, а во-вторых, даже приблизительное восстановление после этих нагрузок занимает примерно столько же времени, сколько космонавт находился на орбите. То есть, если он был там полгода, он полгода будет восстанавливаться, первые несколько недель они ходить даже не могут. То есть у них мышцы ног практически атрофировались, они полгода ими не пользовались.

Идем дальше, очередная проблема, связанная с тем, чем космонавт должен дышать в космосе. Проблема двусторонняя: в первую очередь, нужно поднять на орбиту воздух или кислород. Как вы думаете, что лучше поднимать - воздух или кислород, чем мы дышим с вами?

- Кислород.

Кислород, вот американцы тоже думали, что лучше поднимать на орбиту чистый кислород, пускай немного разреженный. Хотя, на самом деле, чистый кислород - это довольно страшная штука. Во-первых, он опасен для организма, это яд - в больших количествах, а во-вторых, он очень хорошо взрывается. Первые несколько лет нормально взлетали ракеты, заполненные чистым кислородом, а потом в какой-то момент одна искорка побежала, и от космического корабля не осталось камня на камне. После этого решили делать так же, как делал Советский Союз, - просто баллоны с жидким воздухом. Это тяжелый вариант, это дорого, но безопасно.

Есть вторая проблема: когда мы дышим, мы выделяем углекислый газ. Если углекислого газа слишком много, сначала начинает болеть голова, появляется сонливость, а в какой-то момент человек может потерять сознание и умереть от избытка углекислого газа. Мы на Земле выделяем углекислый газ, и его поглощают растения; в космосе, даже если взять с собой одно-два растения, они не справятся с этой работой, а много растений с собой не возьмешь, потому что они тяжелые и занимают много места. Как же избавляться от углекислого газа? Есть одно специальное химическое вещество, которое может поглощать избыточный углекислый газ, называется гидроксид лития, его возят в космос, оно как раз поглощает избыточный углекислый газ. С этим веществом связана одна очень интересная, такая героическая история, история корабля "Апполон-13", я думаю, взрослые помнят эту историю.

Дети когда-нибудь слышали про корабль "Апполон-13"? Слышали, даже фильм такой сняли, что произошло с этим кораблем? У него был очень неудачный полет, там много разных вещей было, нас интересует, что происходило с гидроксидом лития. История такая: "Апполон-13" уже не в первый, не во второй раз летел к Луне, исследовать Луну. Туда летели три человека, у них был собственный космический корабль и специальная капсула, которая должна была прилуняться, и два человека, которые должны были выйти на Луне, что-то там поделать, а потом вернуться на капсуле обратно и улететь на Землю. Но где-то на 3 сутки полета вдруг произошел взрыв, и часть основного корабля разворотило, в том числе повредило систему жизнеобеспечения. В принципе, не такая уж страшная проблема, потому что шлюпка, на которой нужно было подлетать к Луне, была цела, и на ней вполне можно было вернуться на Землю. Но была проблема совершенно идиотская: канистры с гидроксидом лития, которые хранились на шлюпке, и канистры с гидроксидом лития, которые хранились на корабле, были разными, в них были просто разные входные отверстия. И все инженеры Америки, которые были связаны с проектом, и многие инженеры мира примерно сутки занимались тем, чем обычно занимаются люди в передаче "Очумелые ручки". Они придумывали, как при помощи клея, обрывков газет, скрепок и того, что найдется на корабле, переделать один выход в другой, чтобы люди могли полететь обратно к Земле. У них это, слава Богу, получилось, и этот корабль (пока он приземлялся, тоже много было разных проблем), слава Богу, приземлился нормально.

Мы выяснили, что у людей в космосе бывают проблемы, когда они бодрствуют: с кровью плохо, с мышцами плохо, с костями плохо, и так далее, и так далее. Спать в космосе тоже плохо. Причины две: первая причина - на космической станции никто не выключает свет, она должна работать все время, там все время проводятся какие-то эксперименты. Работа очень напряженная, поэтому спят космонавты по вахтам: сначала одни, потом другие. Это тяжело, если так день поспать, два поспать, три, то ничего страшного, но если так поспать две-три недели или месяц, то начинаются перестройки в организме, и это вредно. Это вредно и для нас тоже, потому что сейчас много людей в крупных городах живет в неправильном световом режиме, из-за этого мы страдаем и даже этого не замечаем. Еще одна проблема связана с тем, что, поскольку нет притяжения, и человек не может ни на что опереться, а это очень важное чувство, как психологи выяснили. Для того чтобы заснуть, человеку нужно к чему-нибудь прислониться и чувствовать себя уверенно. Поэтому космонавты надевают специальные повязки под колени и надевают специальные повязки на глаза, чтобы создать хотя бы какую-то имитацию того, что их куда-то тянет. Получается не очень хорошо, но получается. Есть третья проблема, связанная уже с углекислым газом: пока мы с вами спим, мы дышим и выделяем углекислый газ, мы с вами не двигаемся, и углекислый газ накапливается на поверхности нашего лица. На Земле это не страшно, почему?

- Он все время двигается.

Он действительно все время двигается, а почему? Потому что есть небольшой ветерок, но дело даже не в этом. Мы, когда выдыхаем углекислый газ, выдыхаем его теплым, а теплый газ будет подниматься наверх, потому что он легче, чем холодный. В космосе ни теплый, ни холодный газ веса не имеют, поэтому выдыхаемый газ будет накапливаться над человеком, и он просто в этом облаке будет спать, если с этим ничего не делать. Но с этим действительно что-то делают – и в космосе очень мощные системы вентиляции, которые разгоняют углекислый газ, чтобы мы могли спокойно спать. И эти же системы вентиляции фильтруют воздух от разных инфекций и болезнетворных организмов. Сейчас с этим научились справляться более или менее, а первое время космонавты очень много болели, потому что карантин был недостаточно строгим, а заразиться в космосе чем-нибудь намного легче. Потому что, когда мы чихаем на Земле, то, что мы чихнули, падает на землю и остается в пыли какой-нибудь, мы это напрямую не вдыхаем. А если космонавт чихает, то все, что он чихнул, остается в воздухе, поэтому вероятность подхватить эту инфекцию намного выше, поэтому там все фильтруют. Там действительно очень много пыли у космонавтов, по-прежнему много чихают, но уже болеют меньше, потому что карантин более строгий.

Еще одна проблема, которая поджидает космонавтов, - это космическая радиация. Мы на Земле от космической радиации защищены атмосферой, которая не пропускает радиацию, в частности, озоновым слоем неплохо от нее защищены. А в космосе озонового слоя нет, и космонавты испытывают повышенную радиацию. Это опасно, и этого очень долго боялись, пока не проверили, какое количество радиации человек там испытывает. Он испытывает примерно столько же, сколько испытывают жители тех мест, которые расположены в гранитных скалах, например. Гранитные скалы тоже немножко радиации излучают, примерно столько же получает космонавт. То есть жители, допустим, Корнуолла (это в Англии), считайте, космонавты в этом отношении, даже немножко больше радиации получают. А совсем много радиации получают пилоты и стюардессы сверхзвуковых самолетов ("Конкорд", например), которые летают на больших высотах.

Но мы надеемся, что когда-то человек не только будет летать на космические станции, а и до Марса долетит, до других планет. И в этих случаях нас поджидает угроза, потому что обычно космические станции летают вокруг Земли - там, где радиационное поле не очень сильное. Но вокруг Земли есть два "бублика" мощных радиационных полей, через которые нужно пролететь, чтобы добраться до Луны, Марса, других планет. И там радиация очень сильная, и одна из проблем отправки на Марс сейчас - это воздействие радиации на протяжении нескольких месяцев. Люди, может, и долетят туда, но долетят очень больными - этого, естественно, никто не хочет. Поэтому сейчас придумывают, как сделать одновременно легкий скафандр и легкую обшивку космического корабля, которая притом защищала бы от радиации. Потому что в принципе от радиации защититься не трудно, можно свинцом корабль обложить и окей – от радиации мы защищены, но свинец очень тяжелый.

Мы с вами говорили про минусы, минусы, минусы. Но не только минусы есть при полете в космос. Когда мы летим в космос, (это не то чтобы большой плюс, это просто очень приятно) мы становимся немножко выше. Под действием силы тяжести, пока мы весь день куда-то ходим, наши позвонки давят друг на друга, а главное - давят на межпозвоночные диски. Они в течение дня немножко "сплющиваются", поэтому человек с утра на несколько сантиметров выше, чем вечером. Можете, если не пробовали, дома проверить. Почему советуют всегда рост мерять в одно и то же время, потому что в течение дня он меняется. Так вот, в космосе сила тяжести не действует, поэтому космонавты немного вырастают, иногда даже слишком. Один космонавт вырос на целых 7 сантиметров, он был очень рад, ему много лет в этот момент уже было, одна проблема - скафандр при этом не вырос, было достаточно тесно. Сейчас все скафандры делают - сантиметров 10 оставляют на случай, если космонавт вырастет.

Интересная штука: в космосе, оказывается, быстрее идут процессы регенерации, ранки заживают быстрее и даже целые части тела могут восстанавливаться. Сейчас будет видео с улиткой. Здесь, конечно, ускоренная съемка, на самом деле, это две недели примерно росло. На земле улитки тоже регенерируют, но хуже. Почему это происходит, непонятно. К чему я все это говорю? Я сказал уже в начале: на наших глазах в ближайшем будущем количество людей, которые будут летать в космос, будет расти, и расти, и расти. Возможно, скоро это будет не тема для научно-популярной лекции, а стандартный урок в школе: нужно будет знать, что происходит с человеком, когда он просто решил полететь на экскурсию в космос. Я очень верю, что скоро это произойдет, и надеюсь, что вы тоже верите. Если есть вопросы, пожалуйста, задавайте.

- Скажите, а если перегрузки были, отключение сознания, как потом быстро человек восстанавливается, приходит в сознание?

Когда отключается сознание, система такая же, как когда человек падает в обморок. Кто-то сразу встает, кто-то не сразу, на кого-то сильно действует, на кого-то меньше. Вообще это, конечно, вредно. Человек теряет сознание, потому что у него недостаточно кислорода поступает в кровь, а значит, недостаточно кислорода поступает в мозг. В результате какие-то клетки мозга могут начать умирать, у кого-то более активно, у кого-то менее активно.

Получил личное сообщение:

Сообщение от ккарай
>> Перегрузка была же, Юрий. И все ждут перегрузку. Ну и накройняк боевое приминения (все дымари хотят знать про перегрузку со скольки весило, со скольки больно становится).

Сел писать ответ. Но потом подумал, что, возможно, это будет интересно и другим читателям-НЕлётчикам, интересующимся авиацией.
Больно от пилотажа (перегрузки) не становится никогда. Больно пытаются сделать, когда тебе начинают грязно и мелко мстить за твоё творчество, за твой какой-нибудь рассказ, который не понравился какой-либо мелкой душонке, мрази, которая со смаком собирает сплетни о том, что могло быть или вообще не было, но рассказывает с видом знатока, что якобы было. К сожалению, таких оказалось из Борисоглебского училища многовато… Но не на того напали!
А перегрузка? С чего она, боль, будет-то? Перегрузка – это коэффициент, показывающий, во сколько раз вес вашего тела превышает то, что в нормальном состоянии. В виде формулы можно представить так:

G реал. = G норм. n y

Где G – вес, а n y – вертикальная перегрузка (голова-таз).
Из формулы понятно, что на вас в данный момент действует перегрузка, равная единице. Если n y равен нулю – это невесомость. Если станете на руки у стены и вес будет направлен таз-голова – вы почувствуете отрицательную перегрузку (минус единица).
А в полёте есть ещё боковые перегрузки n z (не расшифровываю, они незначительны), продольные n x (грудь – спина) – это очень приятные ускорения, на взлёте, например (положительные, это ускорение), при выпуске тормозного парашюта (отрицательные, это торможение).
Хуже всего переносятся вертикальные перегрузки, они же чаще воздействуют на лётчика в полёте. На глубоком вираже перегрузку надо держать 3-6-8 единиц. И чем больше крен, тем нужна большая перегрузка, чтобы удержать самолёт в горизонте и тем меньше будет радиус разворота. Перегрузка будет больше необходимой для данного крена – истребитель пойдёт с набором высоты, если меньше – вираж получится с «зарыванием» (т.е. с опусканием носа, высота начнёт падать; чтобы исправить глубокое «зарывание» придётся выводить из крена, а это в воздушном бою опасно, особенно если противник уже сзади и прицеливается). И чем больше перегрузка на вираже, тем большая тяга должна быть у двигателя, иначе начнёт падать скорость и придётся уменьшать перегрузку; а уменьшишь перегрузку – не собьёшь противника или тебя собьют.
При выполнении петли Нестерова или полупетли, при «закручивании» самолёта в первой части фигуры n y достигает 4,5-6 единиц . Т.е. вес лётчика увеличивается в 4,5-6 раз : если пилот весит 70 кг, то при пилотаже на этой фигуре его вес будет 315-420 кг. В эти разы увеличивается вес рук, ног, головы, крови, наконец! С меньшей перегрузкой выполнять эту фигуру нельзя – траектория станет растянутой и самолёт потеряет в верхней части петли скорость, что чревато срывом в штопор. С большей тоже нельзя (ну, в зависимости от типа самолёта) – самолёт выйдет на закритические углы атаки и тоже потеряет скорость. Поэтому перегрузка должна быть оптимальной (для каждого типа самолёта своя). В верхней части петли Нестерова лётчик не повисает на ремнях, а его также прижимает к сидению, т.к. самолёт надо «закручивать» с перегрузкой 2-2,5. Нижняя часть петли выполняется с перегрузкой 3,5-4,5 (зависит от типа).
Максимальные перегрузки, которые может выдержать человеческий организм – от (+)12 до (-)4.
Опасность больших вертикальных перегрузок в том, что кровь отливает от головного мозга. Если пилот на пилотаже расслаблен, а не напрягает мышцы тела, можно потерять сознание. У лётчика сужается поле зрения (со всех сторон наваливается темнота, ну как диафрагма в объективе), если перегрузку не «попустить», человек отключится. Поэтому при пилотаже лётчик напрягает все основные группы мышц. А посему физическое состояние своё надо поддерживать в хорошей форме.

На первом фото то, что видит курсант перед собой до создания большой перегрузки. На втором: создана большая перегрузка, пилот не успел сильно напрячь мышцы всего тела, кровь отлила от головного мозга, пелена во взгляде обступила со всех сторон, ещё немного инструктор потянет ручку на себя и курсант потеряет сознание...

На этих же факторах построен принцип действия противоперегрузочного костюма (ППК), его камеры пережимают тело пилота на животе, бёдрах и икрах ног, препятствуя оттоку крови. Специальный автомат подаёт воздух в камеры ППК в зависимости от перегрузки: чем больше перегрузка, тем больше обжатие тела лётчика. Но! Надо иметь в виду, что ППК не снимает перегрузку, а только облегчает её переносимость!
Наличие ППК в разы увеличивает возможности истребителя. И в воздушном бою лётчик с ППК получает преимущества перед противником, который «забыл» его надеть!

ППК не работает при отрицательных перегрузках, когда наоборот кровь большим потоком приливает к мозгу. Но с отрицательными перегрузками (когда повисаешь на ремнях, головой упираешься в остекление фонаря кабины, а пыль с плохо убранного пола попадает в лицо, глаза) воздушные бои и не ведут. Я знаю только одного лётчика, который мог уходить из-под атаки противника отрицательной перегрузкой, прицельно стрелять и сбивать самолёты из любого положения своего истребителя, в т.ч. перевёрнутого – обер-лейтенант Эрих Хартман. В годы войны совершил 1404 боевых вылета, в 802 воздушных боях одержал 352 воздушные победы, из них 344 над советскими самолётами. Про 802 воздушных боя можно говорить только условно. Э. Хартман, как правило, атаковывал противника со стороны солнца и уходил, а когда ему навязывали воздушный бой он 11 раз был сбит менее именитыми советскими истребителями – выбрасывался с парашютом или шёл на вынужденную посадку. Но этим своим умением (поражать цель из любого положения) он удивлял своих лётчиков-инструкторов даже ещё будучи курсантом, обучаясь в Ц-флюгшулле (лётное училище, которое готовило к выпуску истребителей).
Врачи рекомендуют при возникновении усталости в полёте вручную создавать давление в камерах ППК, нажимая на кнопку автомата, который и подаёт воздух в костюм. Обжатие всего тела – это воздействие на акупунктуры нервной системы, где-нибудь да на нужное место и будет воздействие. Сам этим методом пользовался неоднократно! Обжал себя – через 3-5 секунд стравливание воздуха, потом ещё. И так 3-4 раза. И как огурчик! Правы авиационные медики! Усталость снимает, как рукой! А настроение и работоспособность повышаются!

На авиационных праздниках можно видеть виртуозов, которые крутят «обратный» пилотаж – выполняют виражи, пикирования и горки, петли Нестерова, полупетли, боевые развороты и перевороты в перевёрнутом положении. (Т.е. с отрицательной перегрузкой.) И в таком напряжении их тело находится 5-7 минут! Это действительно мастерство! Высшее мастерство!! Как они это умудряются делать, мне трудно усечь! Тут нужны годы тренировки. Это мастерство в сотни раз увеличивается, когда такой пилотаж выполняется в паре: один лётчик пилотирует самолёт нормально, а другой метрах в десяти стоит над ним в перевёрнутом положении (кабина к кабине) и так сохраняет своё место в строю! Малейшая несогласованность в действиях и столкновение неминуемо, погибнут оба! Однако такой пилотаж будет вытянутым в вертикальной плоскости – это чтобы не превышать отрицательную перегрузку для перевёрнутого самолёта (-) 4. После посадки у этих лётчиков, выполнявших фигуры обратного пилотажа, чаще всего красные белки глаз (если отрицательные перегрузки предельные, и тогда мелкие капилляры лопаются). Но так летают только спортивные самолёты, боевые самолёты в перевёрнутом положении могут летать не более 30 секунд (по обеспечению топливом двигателей из бачков отрицательных перегрузок). Это действительно высококлассные лётчики-спортсмены! Я так никогда не летал! Вернее, было один раз: уходил от атаковавшего меня истребителя в учебном воздушном бою отжатием ручки от себя на вираже (получился вираж «обратный») Ушёл! «Противник» (командир полка подполковник Туненко Борис Тихонович, имевший опыт реальных воздушных боёв на Бл. Востоке, где он открыл счёт сбитым – один F-4e «Фантом») к такому маневру готов не был и не последовал за мной. Меня потеряли из виду, Я атаковал его с задней полусферы-сверху и «сбил» его. Но это было один раз, и скажу, что ощущения не из приятных! И я убедился: данный приём Э. Хартмана очень эффективен, прежде всего неожиданностью применения. (Впрочем, нет, был у меня ещё один такой случай, когда меня в учебном воздушном бою «зажимали» два истребителя, а я от них ушёл подобным методом. Но об этом расскажу как-нибудь в другой раз.)
А перед лётчиками-спортсменами, которые так могут пилотировать регулярно, я снимаю шляпу!
В современном ближнем воздушном бою перегрузка должна быть 6-8 ед. и более на протяжении всего боя! Будет меньше – собьёшь не ты, собьют тебя!
При катапультировании вертикальная перегрузка воздействия на тело лётчика достигает 18-20 единиц. Приятного мало.
«Но как же так! - воскликните вы. - Вы же только что говорили, что предел для человеческого организма – (+)12! А тут 20 единиц!»
Всё верно! Не отказываюсь! Просто при выстреле катапульты такое воздействие перегрузки на организм лётчика кратковременно, доли секунды. Поэтому при правильном положении тела пилота (голова прямо и с силой вжата в заголовник кресла, спина прижата к спинке кресла, бёдра и туловище составляют прямой угол, а позвоночник, в вертикальном положении и образует перпендикуляр по отношению к сидению; кроме того, все мышцы тела должны быть сильно напряжены) отрицательные моменты сведены к минимуму и позвонки не успевают высыпаться в трусы! Если в момент выстрела голова будет наклонена вперёд-вниз, в сторону или даже просто не прижата с силой к заголовнику (за счёт огромной перегрузки она наклонится сама), если пилотяга перед катапультированием развалился в кабине, как дома в любимом кресле перед телевизором, перелома шейных позвонков в первом случае и поясничного отдела позвоночника во втором не избежать. И чем быстрее такого пилота найдут спасатели, тем лучше. Сам он не выживет! Потом будет от 6 до 12 месяцев лежать на досках в гипсе с ног до головы, как бревно, не переворачиваясь. Позвоночник консолидируется, конечно, но это уже будет не тот, что сработан природой. И чем выше был перелом, тем большее количество органов в его теле будет работать хуже и хуже. Такие люди уменьшают свою жизнь на 12-20 лет! Однажды в Киевском госпитале, когда я проходил комиссию, встретил Александра Санатова, с которым служил в Монголии. Много лет назад Саша лейтенантом вынужденно катапультировался на пределе с неправильной посадкой в кресле! («А! Сойдёт!») В результате получил перелом поясничного отдела позвоночника. Долгие упорные месяцы и годы лечения. Спрашиваю: «Как оно сейчас?» - «Живу на лекарствах… По 7-8 месяцев в году в госпитале!..» (Когда-нибудь я опишу этот случай… Он по-своему интересен и поучителен…)
Слышал, что на некоторых первых американских самолётах лётчиков катапультировали в сторону. Но там была сложная система разрушения боковой стенки кабины, да и не всегда можно было сохранить шейные позвонки пилотам. От этого отказались. Были самолёты, где члены экипажа (штурман, стрелок) катапультировались вниз. (Первые серии Ту-16 все члены экипажа, кроме лётчиков, катапультировавшихся вверх, и на Ту-22.) Но в этом случае резко повышались минимальные высоты спасения (а иногда делали это невозможным), а такие пилоты долго проходили период реабилитации...
Самое оптимальное для здоровья лётчиков было бы катапультирование вперёд. Тут вообще травм, скорее всего, никогда не было бы! Но технически осуществить это просто невозможно!

Земные Перегрузки

При столкновении автомобиля с неподвижной преградой сидящий в автомобиле человек испытает перегрузку спина-грудь. Такая перегрузка переносится без особых трудностей. Обычный человек может выдерживать перегрузки до 15 g около 3 - 5 секунд без потери сознания. Перегрузки от 20 - 30 g и более человек может выдерживать без потери сознания не более 1 - 2 секунд и зависимости от величины перегрузки.

Перегрузки применительно к человеку:

1 - 1 g .

3 - 15 g в течение 0,6 сек.

5 - 22 g .

Одно из основных требований к военным летчикам и космонавтам - способность организма переносить перегрузки. Тренированные пилоты в противоперегрузочных костюмах могут переносить перегрузки от −3 … −2 g до +12 g . Сопротивляемость к отрицательным, направленным вверх перегрузкам, значительно ниже. Обычно при 7 - 8 g в глазах «краснеет», пропадает зрение, и человек постепенно теряет сознание из-за прилива крови к голове. Космонавты во время взлёта переносят перегрузку лёжа. В этом положении перегрузка действует в направлении грудь - спина, что позволяет выдержать несколько минут перегрузку в несколько единиц g. Существуют специальные противоперегрузочные костюмы, задача которых - облегчить действие перегрузки. Костюмы представляют из себя корсет со шлангами, надувающимися от воздушной системы и удерживавшими наружную поверхность тела человека, немного препятствуя оттоку крови.

Космические перегрузки

При старте на космонавта действует ускорение, величина которого изменяется от 1 до 7 g.

Перегрузки, связанные с ускорением, вызывают значительное ухудшение функционального состояния организма человека: замедляется ток крови в системе кровообращения, снижаются острота зрения и мышечная активность.

С наступлением состояния невесомости у космонавта могут возникнуть вестибулярные расстройства, длительное время сохраняется чувство тяжести в области головы (за счет усиленного притока крови к ней). Вместе с тем адаптация к невесомости происходит, как правило, без серьезных осложнений: человек сохраняет работоспособность и успешно выполняет различные рабочие операции, в том числе те из них, которые требуют тонкой координации или больших затрат энергии. Двигательная активность в состоянии невесомости требует гораздо меньших энергетических затрат, чем аналогичные движения в условиях весомости.

При продольном ускорении у космонавта возникают зрительные иллюзии. Ему кажется, что предмет, на который он смотрит, смещается в направлении результирующего вектора ускорения и силы тяжести.

При угловых ускорениях возникает кажущееся перемещение объекта зрения в плоскости вращения. Эта так называемая окологиральная иллюзия является следствием воздействия перегрузок на полукружные каналы (органы внутреннего уха).

Вывод:

Если приток крови в состоянии невесомости на порядок больше чем на Земле, то и потеря сознания из за чрезмерного притока крови к голове будет как при меньшем g , так и по сумме сек которые может выдержать космонавт.. Но есть один + Т.к мы в далеком будущем наши противоперегрузочные костюмы например которые в комплекте с 350р будут на порядок лучше способствовать сохранения сознания при сильных и длительных перегрузках + должна спасать искусственная гравитация которая за 2-5 сек должна создавать противовес перегрузкам.

По данным медиков, головной мозг человека может выдержать перегрузки около 150 g, если они действуют на мозг не более 1–2 мс; со снижением перегрузок растет время, в течение которого человек может их испытывать, а перегрузка 40 g даже при длительном воздействии считается относительно безопасной для головы.

Безопасной считается перегрузка до 72 g, в промежуточную «красную» зону попадают перегрузки от 72 до 88 g, а при превышении 88 g травма головы считается высоковероятной. Немаловажной в методике EuroNCAP является и оценка давления, действующего на грудь человека: безопасным считается сжатие грудной клетки на 22 мм, предельным – сжатие на 50 мм.

По какой-то особой причине в мире большое внимание уделяется именно скорости разгона автомобиля с 0 до 100 км/час (в США с 0 до 60 миль в час). Эксперты, инженеры, любители спортивных автомобилей а также и простые автолюбители с какой-то одержимостью постоянно следят за технической характеристикой автомобилей, которая как правило раскрывает динамику разгона автомобиля с 0 до 100 км/час. Причем весь этот интерес наблюдается не только к спортивным автомобилям для которых динамика разгона с места является очень важным значением, но и к совсем обычным автомобилям эконом-класса.

В наши дни наибольший интерес к динамике разгона направлен на электрические современные автомобили, которые начали потихоньку вытеснять из авто ниши спортивные суперкары с их невероятной скоростью разгона. Вот например, еще несколько лет назад казалось просто фантастикой, что автомобиль может разгоняться до 100 км/час чуть-более чем за 2 секунды. Но сегодня некоторые современные уже вплотную приблизились к этому показателю.

Это естественно заставляет задуматься: А какая скорость разгона автомобиля с 0 до 100 км/час опасна для здоровья самого человека? Ведь чем быстрее разгоняется автомобиль, тем больше нагрузки испытывает водитель, что находится (сидит) за рулем.

Согласитесь с нами, что человеческий организм имеет свои определенные пределы и не может выдержать бесконечные нарастающие нагрузки, которые действуют и оказывают на него при быстром разгоне транспортного средства, определенное воздействие. Давайте вместе с нами узнаем, а какой предельный разгон автомобиля может теоретически ну и практически выдержать человек.

Ускорение, как все мы наверно знаем, это простое изменение скорости движения тела за единицу взятого времени. Ускорение любого объекта находящегося на земле зависит, как правило, от силы тяжести. Сила тяжести - это сила, действующая на любое материальное тело, которое находится вблизи к поверхности земли. Сила тяжести на поверхности земли складывается из гравитации и центробежной силы инерции, которая возникает из-за вращения нашей планеты.

Если мы хотим быть совсем уж точными, то перегрузка человека в 1g сидящего за рулем автомобиля образуется при ускорении машины с 0 до 100 км/час за 2,83254504 секунды.

И так, мы знаем, что при перегрузке в 1g человек не испытывает на себе ни каких проблем. Например, серийный автомобиль Tesla Model S (дорогая спецверсия) с 0 до 100 км/час может разгоняться за 2,5 секунды (согласно спецификации). Соответственно, водитель находящийся за рулем этого автомобиля при разгоне будет испытывать перегрузку в 1.13g .

Это уже как мы видим, больше чем перегрузка, которая испытывается человеком в обычной жизни и которая возникает из-за гравитации а также из-за движения планеты в пространстве. Но это совсем немного и перегрузка не представляет для человека никакой опасности. Но, если мы сядем за руль мощного драгстера (спортивного автомобиля), то картина здесь уже получается совершенно иная, так как мы с вами наблюдаем уже иные цифры перегрузки.

Например, самый быстрый может разгоняться с 0 до 100 км/час всего за 0,4 секунды. В итоге получается, что это ускорение вызывает перегрузку внутри машины в 7.08g . Это уже, как вы видите, немало. За рулем такого сумасшедшего транспорта вы будете чувствовать себя не очень-то комфортно, и все из-за того, что ваш вес увеличится по сравнению с прежним почти в семь раз. Но не смотря на такое не очень-то комфортное состояние при такой динамике разгона, эта (данная) перегрузка не способна вас убить.

Так как же тогда автомобиль должен разогнаться, чтобы убить человека (водителя)? На самом деле ответить однозначно на такой вопрос нельзя. Дело тут в следующем. Каждый организм у любого человека сугубо индивидуален и естественно, что последствия воздействия на человека определенных сил будут тоже совершенно разными. Для кого-то перегрузка в 4-6g даже на несколько секунд уже будет (является) критичной. Такая перегрузка может привести к потере сознания и даже к гибели этого человека. Но обычно подобная перегрузка для многих категорий людей не опасна. Известны случаи, когда перегрузка в 100g позволяла человеку выжить. Но правда, это очень большая редкость.

В данной статье репетитор по физике и математике рассказывает о том, как рассчитать перегрузку, которую испытывает тело в момент разгона или торможения. Данный материал очень плохо рассматривается в школе, поэтому школьники очень часто не знают, как осуществлять расчёт перегрузки , а ведь соответствующие задания встречаются на ЕГЭ и ОГЭ по физике. Так что дочитайте эту статью до конца или посмотрите прилагающийся видеоурок. Знания, которые вы получите, пригодятся вам на экзамене.

Начнём с определений. Перегрузкой называется отношение веса тела к величине силы тяжести, действующей на это тело у поверхности земли. Вес тела — это сила, которая действует со стороны тела на опору или подвес. Обратите внимание, вес — это именно сила! Поэтому измеряется вес в ньютонах, а не в килограммах, как некоторые считают.

Таком образом, перегрузка — это безразмерная величина (ньютоны делятся на ньютоны, в результате ничего не остаётся). Однако, иногда эту величину выражают в ускорениях свободного падения. Говорят, к примеру, что перегрузка равна , имея ввиду, что вес тела вдвое больше силы тяжести.

Примеры расчёта перегрузки

Покажем, как осуществлять расчёт перегрузки на конкретных примерах. Начнём с самых простых примеров и перейдём далее к более сложным.

Очевидно, что человек, стоящий на земле, не испытывает никаких перегрузок. Поэтому хочется сказать, что его перегрузка равна нулю. Но не будем делать поспешных выводов. Нарисуем силы, действующие на этого человека:

К человеку приложены две силы: сила тяжести , притягивающая тело к земле, и противодействующая ей со стороны земной поверхности сила реакции , направленная вверх. На самом деле, если быть точным, то эта сила приложена к подошвам ног человека. Но в данном конкретном случае, это не имеет значения, поэтому её можно отложить от любой точки тела. На рисунке она отложена от центра масс человека.

Вес человека приложен к опоре (к поверхности земли), в ответ в соответствии с 3-м законом Ньютона со стороны опоры на человека действует равная по величине и противоположно направленная сила . Значит для нахождения веса тела, нам нужно найти величину силы реакции опоры.

Поскольку человек стоит на месте и не проваливается сквозь землю, то силы, которые на него действуют скомпенсированы. То есть , и, соответственно, . То есть расчёт перегрузки в этом случае даёт следующий результат:

Запомните это! При отсутствии перегрузок перегрузка равна 1, а не 0. Как бы странно это не звучало.

Определим теперь, чему равна перегрузка человека, который находится в свободном падении.

Если человек пребывает в состоянии свободного падения, то на него действует только сила тяжести, которая ничем не уравновешивается. Силы реакции опоры нет, как нет и веса тела. Человек находится в так называемом состоянии невесомости. В этом случае перегрузка равна 0.

Космонавты находятся в горизонтальном положении в ракете во время её старта. Только так они могут выдержать перегрузки, которые они испытывают, не потеряв при этом сознания. Изобразим это на рисунке:

В этом состоянии на них действует две силы: сила реакции опоры и сила тяжести . Как и в прошлом примере, модуль веса космонавтов равен величине силы реакции опоры: . Отличие будет состоять в том, что сила реакции опоры уже не равна силе тяжести, как в прошлый раз, поскольку ракета движется вверх с ускорением . С этим же ускорением синхронно с ракетой ускоряются и космонавты.

Тогда в соответствии со 2-м законом Ньютона в проекции на ось Y (см. рисунок), получаем следующее выражение: , откуда . То есть искомая перегрузка равна:

Надо сказать, что это не самая большая перегрузка, которую приходится испытывать космонавтам во время старта ракеты. Перегрузка может доходить до 7. Длительное воздействие таких перегрузок на тело человека неминуемо приводит к летальному исходу.

В нижней точке «мёртвой петли» на пилота будут действовать две силы: вниз — сила , вверх, к центру «мёртвой петли», — сила (со стороны кресла, в котором сидит пилот):

Туда же будет направлено центростремительное ускорение пилота , где км/ч м/с — скорость самолёта, — радиус «мёртвой петли». Тогда вновь в соответствии со 2-м законом Ньютона в проекции на ось, направленную вертикально вверх, получаем следующее уравнение:

Тогда вес равен . Итак, расчёт перегрузки даёт следующий результат:

Весьма существенная перегрузка. Спасает жизнь пилота только то, что действует она не очень длительно.

Ну и напоследок, рассчитаем перегрузку, которую испытывает водитель автомобиля при разгоне.

Итак, конечная скорость автомобиля равна км/ч м/с. Если автомобиль ускоряется до этой скорости из состояния покоя за c, то его ускорение равно м/с 2 .Автомобиль движется горизонтально, следовательно, вертикальная составляющая силы реакции опоры уравновешена силой тяжести, то есть . В горизонтальном направлении водитель ускоряется вместе с автомобилем. Следовательно, по 2-закону Ньютона в проекции на ось, сонаправленную с ускорением, горизонтальная составляющая силы реакции опоры равна .

Величину общей силы реакции опоры найдём по теореме Пифагора: . Она будет равна модулю веса. То есть искомая перегрузка будет равна:

Сегодня мы научились рассчитывать перегрузку. Запомните этот материал, он может пригодиться при решении заданий из ЕГЭ или ОГЭ по физике, а также на различных вступительных экзаменах и олимпиадах.

Материал подготовил , Сергей Валерьевич