Svemirske vage

Određivanje mase kosmonauta u uslovima bestežinskog stanja gde kosmonaut nema težinu, nije lak zadatak, ali ako bi stručnjaci kosmičke medicine redovno sa stanice Saljut 5 dobijali podatke o masi kosmonauta, imali bi mogućnost da kvalitetnije utiču na fizičku kondiciju (količinu fizičkog vežbanja neophodnog kosmonautima) i jelovnik posade (B. Volinov i V. Žolobov)

Razmotrimo princip rada instrumenta za merenje mase u svemiru - svemirske vage (rus. Космические весы, масс-метр)

Kao što je poznato, masa je jedna od glavnih karakteristika materije i određuje njena inercijalna i gravitaciona svojstva. Masu ne treba poistovećivati sa težinom, odnosno sa silom kojom telo prilikom mirovanja u gravitacionom polju deluje na neku vrstu oslonca koji sprečava njegov slobodni pad. Težina tela je proporcionalna njegovoj masi, na osnovu čega se u zemaljskim uslovima meri masa tela pomoću običnih vaga. Na takvim vagama, masa tela se određuje na osnovu sile gravitacije koja na njega deluje. Situacija je drugačija u uslovima koji vladaju na primer prilikom slobodnog pada lifta u šahtu ili ravnomernog kretanja orbitalne stanice oko Zemlje. Ovde se javlja bestežinsko stanje u kome pritisak tela na oslonac (na tas poluge vage) ne postoji. U ovim uslovima, telo kao da gubi težinu. Kako onda odrediti njegovu masu?

Podsetimo se iz kursa fizike formule za period oscilovanja tela ili klatna. Ova vrednost zavisi od njihove mase. Dakle, znajući period oscilovanja, možemo odrediti masu tela i ona će biti proporcionalna kvadratu perioda oscilovanja.

Da bi se fizički realizovala konstrukcija vage na osnovu ovog principa, moralo se rešiti mnogo složenih pitanja.

Kako treba da izgleda konstrukcija instrumenta za merenje mase? Ispostavilo se da sve zavisi od neophodne tačnosti merenja. Što je potrebnija veća tačnost merenja, to je neophodnija složenija konstrukcija, a samim tim i veća težina instrumenta.

Lekarima je takođe postavljeno pitanje: „Koja će Vas tačnost merenja zadovoljiti?“ Odgovorili su da bi ±100-200 grama bilo sasvim zadovoljavajuće.

To je značilo da tačnost merenja perioda oscilovanja treba da dostigne hiljadite delove sekunde (sa prosečnim izabranim periodom oscilovanja od 2-3 s).

Nakon toga su se konstruktori suočili sa sledećim pitanjem: kako odrediti masu čoveka koji nije kruto homogeno telo, već se sastoji od raznih vrsta tkiva, tečnosti i ima „slobodno pokretne“ udove. Da li će prilikom svakog merenja istog tela očitavanja instrumenta biti ista?

Bilo je i drugih teškoća. Na primer, kako minimizirati sile trenja u oscilatornom sistemu. Sve su uspešno prevaziđene.

Kako izgleda instrument za merenje mase kosmonauta instaliran na Saljutu-5? On se sastoji od nepokretne unutrašnje i pokretne spoljašnje cevi. Na spoljašnju pokretnu cev je pričvršćena platforma sa osloncima za noge i ruke kosmonauta, a cevi su međusobno povezane pomoću dve osetljive opruge. Merni blok instrumenta se sastoji od dva senzora i elektronske merne jedinice sa digitalnim indikatorom. Pomoću njega je moguće sa visokom tačnošću odrediti period slobodnih prigušenih oscilacija sistema koji se sastoji od mase osobe i pokretnog dela instrumenta za merenje mase.

Kosmonaut na instrumentu za merenje mase zauzima položaj bicikliste, osloni bradu i grudi na specijalne oslonce, zategne mišiće, zadrži dah nekoliko sekundi, a zatim pritiska okidače koji se nalaze  na ručkama uređaja. Prethodno sabijena opruga se oslobađa, a pokretni deo uređaja, zajedno sa astronautom, počinje glatko da se ljulja. Amplituda oscilacija (ili veličina pomeranja) je oko 100 mm. Period oscilacija sistema (u sekundama) se beleži na digitalnom indikatoru uređaja. Da bi odredili svoju masu kosmonauti pomoću tablice moraju pretvoriti izmereni period oscilovanja u masu.

Osetljivost uređaja je toliko velika da pokušaji testiranja njegovih performansi u uslovima veštačkog bestežinskog stanja postignutog pomoću aviona laboratorija nisu doveli ni do čega: deseti i stoti delovi gravitacije prisutni tokom letenja aviona laboratorije po putanji u obliku luka deluju kao suviše velika težina na osetljive opruge uređaja.

Kada je instrument već bio potpuno spreman i preostalo je samo da se instalira na stanici Saljut-5, ispostavilo se da je najpogodnije mesto za postavljanje svemirskih vaga zauzela stolica. Javila se ideja da se instrument za merenje mase sjedini sa sedištem. Konstruktori instrumenta su ovaj problem rešili u najkraćem mogućem roku tako što su ga napravili sklopivim. Ugrađen na sedište, on se lako može rasklopiti i izvršiti merenje mase kosmonauta.

I tako su zajedno sa uobičajenim medicinskih pokazateljima, na zemlju počeli redovno stizati novi podaci o promenama mase kosmonauta koji su veoma važni za svemirsku medicinu.