Когда космический корабль «Восток-2» при выходе на орбиту достиг скорости около 8 км/сек (28 тыс. км/час), был выключен двигатель и начался свободный полет космического корабля вокруг Земли. В кабине корабля наступило состояние невесомости.
В чем причина этого явления?
Рассмотрим тело, лежащее на поверхности Земли или на какой-либо опоре. Тело в неподвижном состоянии испытывает действие двух одинаковых, уравновешивающих друг друга сил — силы тяготения к Земле, направленной к центру Земли, и силы реакции опоры (упругой силы), направленной в противоположную сторону. Человек ощущает свой собственный вес, потому что он имеет опору. Периферическая нервная система сообщает нервным центрам, управляющим равновесием, о силе реакции опоры, приложенной, например, к ступням ног (если человек стоит).
Аналогичные нервные импульсы, связанные с реакцией опоры, поступают от суставов, мышц и т. п. Кроме того, в центры, управляющие равновесием и координацией движений, поступают сигналы от чувствительных нервных клеток, расположенных в так называемом отолитовом органе. Этот орган, расположенный в области уха, имеет полость, дно которой выстлано нервными окончаниями, прикрытыми тонким слоем маленьких кристалликов солей углекислого и фосфорнокислого кальция. Эти кристаллики (их называют отолиты) оказывают давление на нервные клетки дна полости (тоже реакция опоры!) и тем самым вынуждают их посылать импульсы в нервный центр, управляющий равновесием. Таким образом, ощущение собственного веса человека существенно связано с реакцией опоры. Когда ее нет, исчезает и ощущение веса.
Состояние невесомости может возникнуть в свободно падающем лифте, когда «опора уходит из-под ног», т. е. тогда, когда нет реакции опоры.
Предположим теперь, что двум любым телам сообщена одинаковая скорость движения, достаточная для того, чтобы они стали спутниками. Если скорости у тел одинаковы, то они будут двигаться по одинаковым орбитам, независимо от массы этих тел. Сила притяжения к Земле будет играть роль центростремительной силы, необходимой при всяком вращательном движении. Не будь притяжения Земли, оба тела улетели бы по прямой линии.
В связи с тем, что оба тела движутся по одинаковым орбитам, расстояние между ними не меняется. Так как кораблю и находящемуся в нем космонавту вначале была сообщена одна и та же скорость, они должны лететь по одной и той же орбите. У космонавта возникнет ощущение невесомости. Строго говоря, взаимодействие между кораблем и космонавтом остается. К сожалению, у пилота нет специальной клавиатуры, чтобы управлять своим положением в пространстве. Дело в том, что сохранилось гравитационное притяжение космонавта к кораблю. Но оно чрезвычайно мало, значительно меньше, чем могли бы ощутить нервные окончания. Для примера укажем, что два тела массой по 100 кг каждое, расположенные на расстоянии 1 м, притягиваются друг к другу с силой 0,00007 г.
Итак, в корабле возникла невесомость. Рассказывая об ощущении невесомости, Герман Степанович Титов говорил, что вначале впечатление было такое, как будто летишь вверх ногами. У Г. С. Титова не были обнаружены изменения деятельности сердечно-сосудистой системы в состоянии невесомости, он полностью сохранил работоспособность, делал съемки, производил записи в бортовом журнале, делал физзарядку, обедал, спал. Вначале у космонавта аппетит был пониженным и ощущались небольшое головокружение и подташнивание. Эти неприятные ощущения сильно ослабевали после того, как космонавт принимал исходную, собранную позу и не делал резких движений головой. Все неприятные ощущения значительно ослабли после сна и исчезли после спуска на Землю.
В состоянии невесомости в космическом корабле даже слабый толчок может переместить к противоположному краю кабины любой незакрепленный предмет. Жидкость в состоянии невесомости находится под действием только сил поверхностного натяжения. Предоставленная самой себе, она собирается в шар. Если же такой шар коснется смачивающейся поверхности, то жидкость быстро по ней растечется. Поэтому для приема пищи космонавт пользовался специальными тубами, из которых пищу нужно было выдавливать.
Состояние невесомости не является нормальным для человеческого организма, который привык в течение многих тысячелетий находиться в земных условиях. И хотя никаких существенных отклонений от нормального состояния у космонавтов Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова обнаружено не было, возможно, в длительном космическом путешествии будет желательным частичное или полное восстановление «веса» в кабине космического корабля.
Можно указать два способа, применение которых позволит частично или полностью восстановить ощущение веса. При постоянном ускорении космического корабля, который удаляется от Земли, космонавт (и все предметы в кабине) будут стремиться прижаться к стенке кабины, противоположной направлению движения. При таком способе эта стенка будет казаться «полом».
При постоянной орбитальной скорости корабля-спутника, обращающегося вокруг Земли, кабине космонавта (или всему кораблю в целом) можно придать вращательное движение, например, вокруг продольной оси. В этом случае «полом» космонавту будет казаться наиболее удаленная от оси вращения стенка кабины. При расстоянии этой стенки до оси вращения 2 м и при 20 оборотах в минуту у поверхности стенки космонавт должен чувствовать себя почти таким же «тяжелым», как на Земле.