O (nie)ważkim problemie inaczej

1. Stan nieważkości, opisany w numerze 2/2016 przez p. W. Reńdę [1],  po angielsku nazywa się jeszcze gorzej: absence of gravity. Ile wynosi siła grawitacji na wysokości 400 km  gdzie lata Międzynarodowa Stacja Kosmiczna1? Niby wysoko, ale cóż to do 6370 km promienia Ziemi! A siła grawitacji, co zależy od kwadratu odległości? - będzie mniejsza niż na powierzchni Ziemi o jakieś 3-4%, prawda? Skąd więc ta nieważkość, którą jako pierwszy poczuł Jurij Gagarin (fot.1)?

 

2. Nieważkość bez wątpienia występuje w spadającej swobodnie windzie: nasze nogi nie naciskają na podłogę windy, a ta nie odpowiada, w myśl III zasady Newtona, naciskiem na nasze stopy. I tak płuca nie naciskają na wątrobę, wątroba na nerki, a serce, mimo że pompuje krew do głowy, nie czuje, że jest to „pod górkę”, gdyż przyspieszenie ziemskie g w układzie odniesienia windy (i serca) zniknęło a więc i nie ma energii potencjalnej Ep=mgh. W spadającej windzie mamy pełną nieważkość. A w statku kosmicznym?

 

3. Rozważmy najpierw, co się dzieje, gdy z katapulty wystrzelimy statek poziomo nad ziemią, jak w rzucie poziomym. W myśl składania ruchów, w kierunku poziomym ruch jest jednostajny, a kierunku pionowym jest to swobodne spadanie: w statku wystrzelonym poziomo (bez skrzydeł, bez napędu) pasażer jest w stanie nieważkości. Tylko, że statek taki spadnie na ziemię i się rozbije. No chyba, że ziemia ucieknie w dół – zakrzywi się.

 

4. Czy ruch na orbicie, bez napędu, jest spadkiem swobodnym? No tak! Statek leci przed siebie, ale za chwilę trochę zbacza - w dół. I za chwilę znów, jak na załączonym nieco dalej zdjęciu (z wykładów autora dla dzieci). Innymi słowy – spada. Ale dlaczego nie spada na Ziemię? Bo akurat Ziemia też się odpowiednio zakrzywiła w dół. Innymi słowy – wydaje się, że statek spada w dół, ale tak naprawdę leci dookoła Ziemi, zob. rys. 2.

 

Wniosek: stan nieważkości w stacji kosmicznej, to stan bezustannego spadania: spadania po okręgu [który podobnie jak elipsa, i parabola dla jednorazowej komety jest krzywą stożkową rozwiązania zagadnienia Keplera swobodnego ruchu ciała w radialnie skierowanym polu grawitacyjnym].  

 

 

Film z Gagarinem

Fot. 1. Już kilka minut po starcie Gagarin poczuł się w stanie nieważkości: ołówek wypadł mu z ręki (film fabularny [2])

 

Fot.2. Stan nieważkości: statek kosmiczny miał lecieć „na wprost”, ale przyciąganie Ziemi spowodowało, że spadł (swobodnie, to znaczy z przyspieszeniem g). Jeśli jego wysokość jest „jak trzeba” i jego prędkość też, to statek leci po okręgu, dookoła Ziemi. Jeśli jego prędkość jest większa niż „trzeba”, to poleci dalej, po elipsie; jeśli za mała, spadnie na Ziemię (również po elipsie, zgodnie z I prawem Keplera). O ile nie nada się statkowi momentu obrotowego, spada on z zachowaniem kierunku lotu. Fotografia pochodzi ze statku Apollo 17, który był od Ziemi na tyle daleko, że zmieściła się ona w obiektywie aparatu [3]. Ziemia widziana z powierzchni Księżyca wisi nad księżycem nieruchomo, ale się kręci, raz na 23h56m (i pokazuje fazy – nów, pół-Ziemię, pełną Ziemię). 

>>>> Co tu można pomylić? - kolejna część artykułu >>>>

1 Stacja okrąża Ziemię (dane 2015/2016) na  średniej wysokości 400 km. Wskutek tarcia o resztki atmosfery, ta wysokość powoli zmniejsza się. Okresowo więc, co kilka tygodni, stacja musi być ponownie przyspieszana. http://www.heavens-above.com/IssHeight.aspx

[1] W. Reńda, Nieważkość a siła bezwładności, Fizyka w Szkole, 2/2016, str. 29
[2] 1961 - First Man in Space (Yuri Gagarin with the Vostok 1 Rocket)
[3] http://pics-about-space.com/earth-from-apollo-17?p=1

>>>> Co tu można pomylić? - kolejna część artykułu >>>>

© ZDF IF UMK

   Fizyka na dotyk