Измеритель массы тела в невесомости

С увеличением длительности космических полётов медики поставили вопрос о необходимости наблюдения за весом космонавтов[2].

Переход в другую среду обитания непременно ведёт к перестройке организма, в том числе и к перераспределению в нём потоков жидкости[2].

В невесомости изменяется ток крови — из нижних конечностей значительная её часть поступает к грудной клетке и голове[2].

Стимулируется процесс обезвоживания организма и человек теряет в весе[2].

Однако потеря даже пятой части воды, которая составляет у человека 60-65 %% весьма опасна для организма[2].

Поэтому медикам понадобился надёжный прибор, для постоянного мониторинга массы тела космонавтов в полёте и при подготовке к возвращению на Землю[2].

Обычные «земные» весы определяют массу или вес тела за счёт гравитационного притяжения Земли определяя силу тяжести, с какой оно давит на прибор[2].

В невесомости такой принцип неприемлем — и пылинка, и контейнер с грузом, при различной массе, имеют равный — нулевой вес[2].

При создании измерителя массы тела в невесомости инженерам пришлось использовать другой принцип[2].

Простое гармоническое движение в системе груз-пружина без затухания

Измеритель массы тела в невесомости построен по схеме гармонического осциллятора.

Как известно, период свободных колебаний груза на пружине зависит от его массы[2]. Таким образом система осциллятора пересчитывает на массу период колебаний специальной платформы с размещённым на ней космонавтом или каким-нибудь предметом[1].

Тело, массу которого надо измерить, закрепляют на пружине таким образом, чтобы оно могло совершать свободные колебания вдоль оси пружины.

Период ${\displaystyle T}$ этих колебаний связан с массой тела ${\displaystyle M}$ соотношением:

${\displaystyle T=2\pi {\sqrt {\frac {M}{K}}}}$

где К — коэффициент упругости пружины.

Таким образом, зная ${\displaystyle K}$ и измерив ${\displaystyle T}$, можно найти ${\displaystyle M}$.

Из формулы видно, что период колебаний не зависит ни от амплитуды, ни от ускорения свободного падения.

Массметр из другого ракурса

Выглядящий как «стул» прибор состоит из четырёх частей: площадки для размещения космонавта (верхняя часть), основания, которое крепится к «полу» станции (нижняя часть), стойки и механической средней части, а также электронного блока измерения показаний[3].

Размер прибора: 79,8 х 72 х 31,8 см[3]. Материал: алюминий, резина, стекло органическое[3]. Вес устройства — около 11 килограммов[2].

Верхняя часть устройства, на которую грудью ложится космонавт, состоит из трёх частей[3]. К верхней площадке прикреплён прямоугольный лист оргстекла[3]. Из торца площадки на металлическом стержне выдвигается упор для подбородка космонавта[3].

Нижняя часть прибора представляет собой подковообразное основание, к которому прикреплена механическая часть прибора и блок измерения показаний[3].

Механическая часть состоит из вертикальной цилиндрической стойки, по которой снаружи на подшипниках перемещается второй цилиндр[3]. Снаружи на подвижном цилиндре имеются два маховика со стопорами для фиксации подвижной системы в среднем положении[3].

Сверху к торцу подвижного цилиндра при помощи двух трубчатых кронштейнов прикреплена фигурная площадка для тела космонавта, определяющего свою массу[3].

На нижней половине подвижного цилиндра прикреплены две рукоятки, имеющие на концах курки, с помощью которых стопора подвижной системы утапливаются в рукоятках[3].

Внизу на наружном цилиндре установлена подставка для ног космонавта, имеющая два резиновых колпачка[3].

Внутри цилиндрической стойки движется металлический шток, заделанный одним концом в верхней площадке; на противоположном конце штока установлена тарелка, по обе стороны которой прикреплены две пружины, устанавливающие подвижную систему прибора в среднем положении при нахождении в условиях невесомости[3]. В нижней части стойки закреплён магнитоэлектрический датчик, фиксирующий период колебания подвижной системы[3].

Датчик автоматически учитывает длительность периода колебаний с точностью до тысячной доли секунды[2].

Как показано выше, частота колебаний «стула» зависит от массы груза. Таким образом космонавту достаточно немного покачаться на таких качелях, и через некоторое время электроника посчитает и выдаст результат измерений.

Для измерения массы тела космонавта достаточно 30 секунд[2].

Впоследствии оказалось, что «космические весы» значительно точнее, чем медицинские, которыми пользуются в обиходе[2].

Валентин Лебедев описывает процедуру взвешивания в «Дневнике космонавта» (1982) следующим образом[4]:

Прибор для измерения массы тела космонавта был создан не позднее 1976 года в ленинградском специальном конструкторско-технологическом бюро «Биофизприбор» (СКТБ «Биофизприбор»)[3].

Первый массметр был установлен на орбитальной станции «Салют-5»[2][3].

Первыми испытателями прибора в условиях реальной невесомости стали космонавты Борис Волынов и Виталий Жолобов[2][3].

В процессе первых испытаний оказалось, что вес Волынова в Жолобова на борту станции совпал, хотя перед полётом разница составляла почти десять килограммов[2]. Управление полётом предположило, что это ошибка «космических весов»[2]. Однако инженеры разобрались, что инструкция по эксплуатации прибора составлена не совсем ясно[2]. После того, как космонавты воспользовались отправленными на «Салют» разъяснениями, прибор стал показывать результаты точнее, чем обычные земные весы[2].

Разработанный СКТБ «Биофизприбор» измеритель массы действовал много лет в условиях невесомости на борту орбитальных станций «Салют» и «Мир»[3][1].

Модернизированный вариант измерителя массы поставлен на Международную космическую станцию[1].

• Видео с демонстрацией работы прибора на МКС: Mass Measurement.