Beztížnost - Weightlessness

Astronauti na Mezinárodní vesmírné stanici zažívají pouze mikrogravitaci a představují tak příklad beztíže. Michael Foale může být viděn cvičit v popředí.

Beztížnost je úplná nebo téměř úplná absence pocitu hmotnosti . Toto je také nazýváno nulou-G , ačkoli správnější termín je „nulová síla G “. Vyskytuje se při absenci jakýchkoli kontaktních sil na objekty včetně lidského těla.

Hmotnost je měření síly na objekt v klidu v relativně silném gravitačním poli (například na povrchu Země). Tyto pocity hmotnosti pocházejí z kontaktu s nosnými podlahami, sedadly, postelemi, váhami a podobně. Také vzniká pocit hmotnosti, i když je gravitační pole nulové, když na něj působí kontaktní síly a překonávají setrvačnost těla mechanickými, negravitačními silami- například v odstředivce , rotující vesmírné stanici nebo v akceleračním vozidle .

Když je gravitační pole nerovnoměrné, tělo ve volném pádu zažívá přílivové efekty a není bez stresu. V blízkosti černé díry mohou být takové přílivové efekty velmi silné. V případě Země jsou účinky malé, zejména na objekty relativně malých rozměrů (jako je lidské tělo nebo kosmická loď) a celkový pocit beztíže je v těchto případech zachován. Tato podmínka je známá jako mikrogravitace a převládá v kosmických lodích na oběžné dráze.

Beztížnost v newtonovské mechanice

V levé polovině je pramen daleko od jakéhokoli gravitačního zdroje. V pravé polovině je v rovnoměrném gravitačním poli. a ) Nulová gravitace a beztížnost b ) Nulová gravitace, ale ne bez tíže (pružina je poháněna raketou) c ) Pružina je ve volném pádu a bez tíže d ) Pružina spočívá na podstavci a má závaží 1 i váhu 2 .

V newtonovské mechanice dávají termín „váha“ inženýři dvě odlišné interpretace.

Váha 1 : Podle této interpretace je „hmotnost“ tělesa gravitační silou působící na tělo a toto je pojem hmotnosti, který převládá ve strojírenství. V blízkosti zemského povrchu má těleso, jehož hmotnost je 1 kg (2,2 lb), hmotnost přibližně 9,81 N (2,21 lb f ), nezávisle na jeho pohybu, volném pádu nebo ne . Beztíže v tomto smyslu lze dosáhnout odstraněním těla daleko od zdroje gravitace. Toho lze také dosáhnout umístěním těla do neutrálního bodu mezi dvě gravitační hmoty.
Váha 2 : Váha může být také interpretována jako množství, které se měří, když člověk používá váhy. To, co se tam měří, je síla, kterou tělo působí na váhy. Při standardním vážení je vážené těleso ve stavu rovnováhy v důsledku síly, kterou na něj působí vážící stroj rušící gravitační pole. Podle 3. Newtonova zákona existuje stejná a opačná síla, kterou tělo působí na stroj. Tato síla se nazývá hmotnost 2 . Síla není gravitační. Obvykle je to kontaktní síla a není rovnoměrná v celé hmotnosti těla. Pokud je tělo umístěno na váhy ve výtahu (výtahu) volným pádem s čistou rovnoměrnou gravitací, váha by ukazovala nulu a tělo by mělo být bez tíže, tj. Jeho hmotnost 2 = 0. To popisuje stav, ve kterém tělo je bez stresu a nedeformované. To je stav beztíže při volném pádu v rovnoměrném gravitačním poli . (Situace je komplikovanější, když gravitační pole není rovnoměrné, nebo když je těleso vystaveno více silám, které se mohou například navzájem rušit a vytvářet stav napětí, i když hmotnost 2 je nulová. Viz níže.)

Abychom to shrnuli, máme dva pojmy hmotnosti, z nichž váha 1 je dominantní. Přesto je „beztížnost“ typicky znázorněna nikoli absencí hmotnosti 1, ale absencí stresu spojeného s hmotností 2 . To je zamýšlený pocit beztíže v následujícím.

Tělo je bez napětí, má nulovou hmotnost 2 , když jedinou silou, která na něj působí, je hmotnost 1 jako při volném pádu v rovnoměrném gravitačním poli. Bez předplatného člověk skončí s podivně znějícím závěrem, že tělo je bez tíže, když jedinou silou, která na něj působí, je jeho hmotnost.

Apokryfní jablko, které spadlo na Newtonovu hlavu, lze použít k ilustraci příslušných problémů. Jablko váží přibližně 1 newton (0,22 lb f ). Toto je hmotnost 1 jablka a je považována za konstantu, i když klesá. Během toho pádu je jeho váha 2 nulová: jablko je bez stresu, když ignoruje odpor vzduchu. Když dopadne na Newtona, Newtonův pocit bude záviset na výšce, ze které jablko padá, a hmotnost 2 jablka v okamžiku nárazu může být mnohonásobně větší než 1 N (0,22 lb f ). Je to tato váha 2, která zkresluje jablko. Na cestě dolů jablko při volném pádu netrpí žádným zkreslením, protože gravitační pole je rovnoměrné.

Stres při volném pádu

  1. V rovnoměrném gravitačním poli: Zvažte jakýkoli průřez rozdělující tělo na dvě části. Obě části mají stejné zrychlení a sílu vyvíjenou na každou z nich dodává vnější zdroj pole. Neexistuje žádná síla vyvíjená jednou částí na druhou. Napětí v průřezu je nulové. Hmotnost 2 je nulová.
  2. V nejednotném gravitačním poli: Pouze v gravitaci může mít jedna část těla jiné zrychlení než jiná. Pokud by tělo odolávalo deformaci, mělo by to tendenci deformovat tělo a generovat vnitřní napětí. Váha 2 není 0.

Během této diskuse o používání napětí jako indikátoru hmotnosti není žádné předpětí, které může existovat v těle způsobené silou vyvíjenou na jednu část druhou, relevantní. Jediným relevantním napětím jsou napětí generovaná vnějšími silami působícími na tělo.

Definice a použití „beztíže“ je obtížné, pokud není pochopeno, že pocit „váhy“ v každodenní pozemské zkušenosti nevyplývá z gravitace, která působí samostatně (což není cítit), ale z mechanických sil, které odolávají gravitaci. Objekt v přímém volném pádu nebo ve složitější setrvačné trajektorii volného pádu (například v letadle se sníženou gravitací nebo uvnitř vesmírné stanice), všichni zažívají stav beztíže, protože nepociťují mechanické síly, které způsobují pocit hmotnost.

Silová pole jiná než gravitace

Jak bylo uvedeno výše, beztížnost nastává, když

  1. na předmět nepůsobí žádná výsledná síla
  2. rovnoměrná gravitace působí pouze sama o sobě.

Pro úplnost je třeba přidat třetí menší možnost. Tělo může být vystaveno poli, které není gravitační, ale takové, že síla na předmět je rovnoměrně rozložena přes hmotu objektu. Elektricky nabité tělo, rovnoměrně nabité, v rovnoměrném elektrickém poli je možným příkladem. Elektrický náboj zde nahrazuje obvyklý gravitační náboj. Takové tělo by pak bylo bez stresu a bylo by klasifikováno jako bez tíže. Různé druhy levitace mohou spadat do této kategorie, alespoň přibližně.

Beztížnost a správné zrychlení

Těleso ve volném pádu (které podle definice nevyžaduje žádné aerodynamické síly) v blízkosti povrchu Země má zrychlení přibližně stejné jako 9,8 m/s 2 (32 ft/s 2 ) vzhledem k souřadnicovému rámu svázanému se zemí. Pokud je tělo ve volně padajícím výtahu a nepodléhá žádným tlakům nebo tahům z výtahu nebo jeho obsahu, zrychlení vzhledem k výtahu by bylo nulové. Pokud je naopak tělo vystaveno silám vyvíjeným jinými tělesy uvnitř výtahu, bude mít zrychlení vzhledem k volně padajícímu výtahu. Toto zrychlení, které není způsobeno gravitací, se nazývá „ správné zrychlení “. Při tomto přístupu beztížnost platí, když je správná akcelerace nulová.

Způsoby, jak se vyhnout stavu beztíže

Beztížnost je v kontrastu se současnými lidskými zkušenostmi, ve kterých působí nejednotná síla, jako například:

V případech, kdy předmět není bez tíže, jako ve výše uvedených příkladech, působí síla na předmětný předmět nerovnoměrně. Aero-dynamický vztlak, odpor a tah jsou nerovnoměrné síly (jsou aplikovány na bod nebo povrch, místo aby působily na celou hmotu předmětu), a tak vytvářejí fenomén hmotnosti. Tato nerovnoměrná síla může být také přenášena na předmět v místě kontaktu s druhým předmětem, jako je kontakt mezi povrchem Země a něčím chodidlem nebo mezi padákovým postrojem a tělem.

Slapové síly

Dvě tuhé kostky spojené pružným provázkem ve volném pádu poblíž černé díry. Šňůrka se táhne, když tělo padá doprava.

Slapové síly vznikají, když gravitační pole není rovnoměrné a existují gravitační gradienty . Taková je vskutku norma a přísně vzato, jakýkoli předmět konečné velikosti i při volném pádu podléhá slapovým efektům. Nelze je odstranit setrvačným pohybem, s výjimkou jednoho jediného nominovaného bodu těla. Země je ve volném pádu, ale přítomnost přílivu a odlivu naznačuje, že se nachází v nejednotném gravitačním poli. Tato nerovnoměrnost je dána spíše měsícem než sluncem. Celkové gravitační pole v důsledku slunce je mnohem silnější než na Měsíci, ale ve srovnání s měsícem má menší slapový účinek kvůli relativním vzdálenostem. Hmotnost 1 Země je v podstatě způsobena gravitací Slunce. Jeho stav napětí a deformace, reprezentovaný přílivem a odlivem, je však spíše důsledkem nejednotnosti gravitačního pole blízkého měsíce. Když je uvažovaná oblast malá vzhledem k její vzdálenosti od gravitační hmoty, předpoklad rovnoměrného gravitačního pole se dobře přibližuje. Osoba je tedy vzhledem k poloměru Země malá a pole pro osobu na povrchu Země je přibližně rovnoměrné. Pole není striktně jednotné a je zodpovědné za fenomén mikrogravitace . Objekty poblíž černé díry podléhají vysoce nerovnoměrnému gravitačnímu poli.

Referenční rámce

Ve všech inerciálních referenčních rámcích , zatímco dochází k beztíže, je Newtonův první pohybový zákon dodržován lokálně v rámci . Uvnitř rámu (například uvnitř obíhající lodi nebo volně padajícího výtahu) si nevynucené předměty udržují rychlost vzhledem k rámu. Předměty, které nejsou v kontaktu s jinými předměty, se volně „vznášejí“. Pokud je setrvačná trajektorie ovlivněna gravitací, bude referenčním rámcem zrychlený rámec při pohledu z polohy mimo gravitační přitažlivost a (při pohledu z velké dálky) se objekty v rámci (výtah atd.) Budou zdát pod vliv síly (tzv. gravitační síla). Jak již bylo uvedeno, objekty vystavené výhradně gravitaci necítí její účinky. Beztíže lze tedy na krátkou dobu realizovat v letadle po specifické eliptické dráze letu, často mylně nazývané parabolický let. Je simulován špatně, s mnoha rozdíly, v neutrálních vztlakových podmínkách, jako je ponoření do nádrže s vodou.

Nulové g, „nulová gravitace“, akcelerometry

Zero-g je alternativní termín pro stav beztíže a drží se například ve volně padajícím vleku. Nula-g se jemně liší od úplné absence gravitace, což je něco, co je nemožné kvůli gravitační přítomnosti všude ve vesmíru. „Nulová gravitace“ může být také použita k označení efektivní beztíže, přičemž se zanedbávají přílivové efekty. Mikrogravitace (nebo µg ) se používá k označení situací, které jsou v podstatě bez tíže, ale kde napětí v silové síle g v důsledku přílivových efektů, jak je uvedeno výše, je přibližně miliontina toho, co je na zemském povrchu. Akcelerometry mohou detekovat pouze sílu g, tj. Hmotnost 2 (= hmotnost × vlastní zrychlení). Nemohou detekovat zrychlení spojené s volným pádem.

Pocit hmotnosti

Síla na chodidla je přibližně dvojnásobná než na průřez pupkem.

Lidé díky této podpůrné síle pociťují vlastní tělesnou hmotnost, což má za následek normální sílu působící na člověka povrchem podpůrného předmětu, na kterém osoba stojí nebo sedí. Při absenci této síly by byl člověk ve volném pádu a zažil by stav beztíže. Přenos této reakční síly lidským tělem a výsledná komprese a napětí tělesných tkání má za následek pocit hmotnosti.

Vzhledem k rozložení hmotnosti v celém těle člověka se velikost reakční síly pohybuje mezi nohama a hlavou člověka. Při jakémkoli vodorovném průřezu těla osoby (jako u jakéhokoli sloupce ) je velikost tlakové síly, které je odoláváno tkáněmi pod průřezem, rovna hmotnosti části těla nad průřezem. V póze přijaté na přiloženém obrázku nesou ramena tíhu natažených paží a podléhají značnému točivému momentu.

Běžná mylná představa

Běžná představa o kosmických lodích obíhajících kolem Země je, že pracují v prostředí bez gravitace. Ačkoli existuje způsob, jak to pochopit ve fyzice Einsteinovy ​​obecné relativity, v newtonovské fyzice je to technicky nepřesné.

Geostacionární satelit nad označeným místem na rovníku. Pozorovatel na vyznačeném místě uvidí, jak satelit zůstává přímo nad hlavou, na rozdíl od ostatních nebeských objektů, které se prohánějí po obloze.

Kosmické lodě jsou na oběžné dráze drženy gravitací planety, kterou obíhají. V newtonovské fyzice pocit beztíže, který zažívají astronauti, není důsledkem nulové gravitační akcelerace (jak je patrné ze Země), ale že neexistuje žádná síla g, kterou by astronaut cítil kvůli stavu volného pádu, a také existuje nulový rozdíl mezi zrychlením kosmické lodi a zrychlením astronauta. Vesmírný novinář James Oberg vysvětluje tento jev takto:

Mýtus, že satelity zůstávají na oběžné dráze, protože „unikly zemské gravitaci“, je dále (a falešně) udržován téměř univerzálním zneužíváním slova „nulová gravitace“ k popisu podmínek volného pádu na palubě obíhajících vesmírných vozidel. To samozřejmě není pravda; gravitace ve vesmíru stále existuje. Zabraňuje tomu, aby satelity letěly přímo do mezihvězdné prázdnoty. Co chybí, je „váha“, odpor gravitační přitažlivosti ukotvenou strukturou nebo protisíla. Satelity zůstávají ve vesmíru díky své obrovské horizontální rychlosti, která jim umožňuje - i když jsou gravitací nevyhnutelně přitahovány k Zemi - padat „za horizont“. Zakřivené stažení země podél kulatého povrchu Země kompenzuje pád satelitů směrem k zemi. Rychlost, nikoli poloha nebo nedostatek gravitace, udržuje satelity na oběžné dráze kolem Země.

V této souvislosti je zvláště zajímavý geostacionární satelit. Na rozdíl od jiných objektů na obloze, které stoupají a zapadají, se předmět na geostacionární oběžné dráze na obloze jeví jako nehybný, zjevně vzdoruje gravitaci. Ve skutečnosti je na kruhové rovníkové oběžné dráze s periodou jednoho dne.

Relativita

Pro moderního fyzika pracujícího s Einsteinovou obecnou teorií relativity je situace ještě komplikovanější, než je naznačeno výše. Einsteinova teorie naznačuje, že je skutečně platné uvažovat o tom, že objekty v setrvačném pohybu (jako je pád ve výtahu nebo v parabole v letadle nebo obíhání planety) lze skutečně považovat za způsobující lokální ztrátu gravitačního pole v jejich odpočinkový rám. Z hlediska (nebo rámce) astronauta nebo obíhající lodi tedy ve skutečnosti existuje téměř nulové správné zrychlení (zrychlení je cítit lokálně), stejně jako by tomu bylo daleko v prostoru, daleko od jakékoli hmoty. Je tedy platné se domnívat, že většina gravitačního pole v takových situacích ve skutečnosti chybí z pohledu padajícího pozorovatele, přesně jak naznačuje hovorový pohled ( podrobnější vysvětlení tohoto bodu viz princip ekvivalence ). Tato ztráta gravitace pro padajícího nebo obíhajícího pozorovatele je však v Einsteinově teorii způsobena samotným padajícím pohybem a (opět jako v Newtonově teorii) nikoli v důsledku zvýšené vzdálenosti od Země. Gravitace je nicméně považována za nepřítomnou. Ve skutečnosti Einsteinovo poznání, že čistou gravitační interakci nelze cítit, pokud jsou odstraněny všechny ostatní síly, bylo klíčovým vhledem, který ho vedl k názoru, že gravitační „sílu“ lze v některých ohledech považovat za neexistující. Objekty spíše sledují geodetické dráhy v zakřiveném časoprostoru, a to „vysvětlují“ jako sílu „newtonovští“ pozorovatelé, kteří předpokládají, že časoprostor je „plochý“, a proto nemají důvod pro zakřivené cesty (tj. „padající pohyb“ předmětu v blízkosti gravitačního zdroje).

V teorii obecné relativity je jedinou gravitací, která zůstává pozorovateli po klesající dráze nebo „setrvačné“ dráze poblíž gravitačního tělesa, ta, která je důsledkem nerovnoměrností, které zůstávají v gravitačním poli, dokonce i pro padajícího pozorovatele. . Tato nejednotnost, která je v newtonovské dynamice jednoduchým slapovým efektem, představuje „ mikrogravitaci “, kterou pociťují všechny prostorově rozšířené objekty spadající do jakéhokoli přirozeného gravitačního pole, které pochází z kompaktní hmoty. Důvodem těchto slapových efektů je, že takové pole bude mít svůj původ na centralizovaném místě (kompaktní hmota), a bude se tedy lišit a bude se mírně lišit v síle podle vzdálenosti od hmoty. Bude se tedy lišit po celé šířce padajícího nebo obíhajícího předmětu. Pojem „mikrogravitace“, což je z newtonovského pohledu příliš technický termín, je tedy platným a popisným pojmem v obecném relativistickém (einsteinovském) pohledu.

Mikrogravitace

Pojem prostředí mikro-g (také µg , často označovaný termínem mikrogravitace ) je víceméně synonymem beztíže a nulového G , ale naznačuje, že síly g nejsou zcela nulové, jen velmi malé.

Beztížné prostředí a prostředí se sníženou hmotností

Letový manévr s nulovou gravitací

Snížená hmotnost v letadle

Letouny se používají od roku 1959 k zajištění téměř beztížného prostředí, ve kterém lze cvičit astronauty, provádět výzkum a filmovat filmy. Taková letadla jsou běžně označována přezdívkou „ Vomit Comet “.

Aby se vytvořilo beztížné prostředí, letadlo létá v šestimílovém parabolickém oblouku, nejprve stoupá, poté vstupuje do motorového ponoru. Během oblouku je pohon a řízení letadla ovládáno tak, že odpor (odpor vzduchu) v letadle je zrušen, takže letadlo se chová stejně, jako kdyby volně padalo ve vakuu. Během této doby zažívají cestující v letadle 22 sekund beztíže, než při vytažení z paraboly zažili asi 22 sekund zrychlení 1,8 g (téměř dvojnásobek své běžné hmotnosti). Typický let trvá přibližně dvě hodiny, během kterých proletí 30 paraboly.

Letadlo NASA KC-135A stoupající k manévru s nulovou gravitací

Letadla NASA se sníženou gravitací

Verze takových letadel provozuje výzkumný program NASA pro redukovanou gravitaci od roku 1973, odkud pochází neoficiální přezdívka. NASA později přijala oficiální přezdívku 'Weightless Wonder' ke zveřejnění. Současné letadlo NASA se sníženou gravitací, „Weightless Wonder VI“, McDonnell Douglas C-9 , sídlí v Ellington Field (KEFD), poblíž vesmírného střediska Lyndon B. Johnson .

Mikrogravitační univerzita NASA - Plán letových příležitostí se sníženou gravitací, známý také jako Program letových příležitostí pro studenty se sníženou gravitací, umožňuje týmům vysokoškoláků předložit návrh experimentu s mikrogravitací. Pokud je vybrána, týmy navrhnou a implementují svůj experiment a studenti jsou pozváni, aby letěli na Vomit Comet NASA.

Evropská vesmírná agentura A310 Zero-G

Evropská kosmická agentura letí parabolické lety na speciálně upraveném Airbus A310-300 letadla, za účelem provádění výzkumu v podmínkách mikrogravitace. Stejně evropské ESA , francouzská CNES a německé DLR létat kampaně tří letů po sobě následujících dnech, každý létání o 30 parabol, tedy celkem asi 10 minut stavu beztíže za letu. Tyto kampaně v současné době provozuje z letiště Bordeaux - Mérignac ve Francii společnost Novespace , dceřiná společnost francouzského CNES , přičemž letadlo pilotují testovací piloti z DGA Essais en Vol. První lety ESA Zero-G byly v roce 1984 pomocí letounu NASA KC-135 v Houstonu v Texasu. V květnu 2010 provedla ESA 52 kampaní a také 9 studentských parabolických letových kampaní.

Mezi další letadla, která používala, patří ruský Iljušin Il-76 MDK před založením Novespace a poté francouzský Caravelle , poté Airbus A300 Zero-G a nyní Airbus A310

Komerční lety pro veřejné cestující

Uvnitř ruského Iljušina 76MDK výcvikového střediska kosmonautů Gagarin

Společnost Novespace v roce 2012 vytvořila Air Zero G, aby sdílela beztížný stav 40 veřejných cestujících na jeden let a použila stejný A310 ZERO-G než pro vědecké zkušenosti. Tyto lety jsou prodávány Avico , jsou provozovány především z Bordeaux-Merignac , Francie , a mají v úmyslu podporovat Evropského výzkumného prostoru, což umožňuje veřejné cestující cítit stav beztíže. Jean-François Clervoy , předseda představenstva společnosti Novespace a astronaut ESA , létá s jednodenními astronauty Air Zero G na palubě A310 Zero-G. Po letu vysvětluje pátrání po vesmíru a mluví o 3 vesmírných cestách, které absolvoval během své kariéry. Letoun byl také použit pro kinematografické účely, Tom Cruise a Annabelle Wallis pro Mumii v roce 2017.

Společnost Zero Gravity Corporation , založená v roce 1993 Peterem Diamandisem, Byronem Lichtenbergem a Rayem Cronise, provozuje upravený Boeing 727, který létá parabolickými oblouky a vytváří 25–30 sekund beztíže. Letenky lze zakoupit pro účely cestovního ruchu i pro výzkum.

Pozemní výsadkové zařízení

Pozemní zařízení, která vytvářejí beztížné podmínky pro výzkumné účely, se obvykle označují jako závěsné trubky nebo padací věže.

Výzkumné zařízení NASA s nulovou gravitací , které se nachází ve výzkumném centru Glenn v Clevelandu ve státě Ohio , je 145 metrů svislá šachta, převážně pod zemí, s integrovanou vakuovou spádovou komorou, ve které může mít experimentální vozidlo po určitou dobu volný pád 5,18 sekundy, pád na vzdálenost 132 metrů. Experimentální vozidlo se zastaví v přibližně 4,5 metru pelet expandovaného polystyrenu a dosáhne maximální rychlosti zpomalení 65 g .

V NASA Glenn je také 2,2 Second Drop Tower, která má vzdálenost pádu 24,1 metru. Experimenty se ukládají do štítu, aby se snížily účinky odporu vzduchu. Celé balení je zastaveno v 3,3 metru vysokém vzduchovém vaku s maximální rychlostí zpomalení přibližně 20 g . Zatímco Zero Gravity Facility provádí jednu nebo dvě kapky denně, 2,2 Second Drop Tower dokáže provést až dvanáct kapek denně.

Centrum NASA Marshall Space Flight Center hostí další zařízení s pádovou trubkou, které je 105 metrů vysoké a poskytuje 4,6 s volný pád za podmínek téměř vakua .

Lidé nemohou tyto gravitační hřídele využívat, protože zpomalení, které zažívá kapková komora, by pravděpodobně zabilo nebo vážně zranilo kohokoli, kdo je používá; 20 g je asi nejvyšší zpomalení, jaké může fit a zdravý člověk na okamžik vydržet, aniž by utrpěl zranění.

Mezi další závody na celém světě patří:

Neutrální vztlak

Podmínky podobné některým ve stavu beztíže lze také simulovat vytvořením podmínky neutrálního vztlaku , kdy jsou lidské subjekty a vybavení umístěny do vodního prostředí a váženy nebo podporovány, dokud se vznášejí na místě. NASA využívá neutrální vztlak k přípravě na mimoprostorovou aktivitu (EVA) ve své Neutral Buoyancy Laboratory . Neutrální vztlak je také používán pro EVA výzkumu na University of Maryland ‚s Space Systems Laboratory , která provozuje pouze neutrální vztlak nádrž na vysoké škole nebo vysoké škole.

Neutrální vztlak není totožný s beztížností. Gravitace stále působí na všechny objekty v neutrální vztlakové nádrži; astronauti v tréninku neutrálního vztlaku tedy stále cítí svoji plnou tělesnou hmotnost ve svých skafandrech, i když je hmotnost dobře rozložená, podobná síle působící na lidské tělo ve vodní posteli, nebo když se jednoduše vznáší ve vodě. Oblek a astronaut dohromady nejsou pod žádnou čistou silou, jako u jakéhokoli předmětu, který plave nebo je podepřen vodou, jako je například potápěč při neutrálním vztlaku. Voda také produkuje odpor, který ve vakuu není. V tomto smyslu by beztížnost byla ekvivalentní neutrálnímu vztlaku na médiu s nulovou hustotou nebo neutrálnímu vztlaku na těžišti média s jakoukoli hustotou.

Beztížnost v kosmické lodi

Vztah mezi vektory zrychlení a rychlosti v kosmické lodi na oběžné dráze
Americká astronautka Marsha Ivins předvádí vliv beztíže na dlouhé vlasy během STS-98

Na vesmírných plavidlech mimo atmosféru planety dochází k dlouhým obdobím beztíže , pokud není použit žádný pohon a vozidlo se neotáčí. Beztížnost se nevyskytuje, když kosmická loď vypaluje své motory nebo když se vrací do atmosféry, i když je výsledné zrychlení konstantní. Tah poskytovaný motory působí spíše na povrch raketové trysky, než aby působil na kosmickou loď rovnoměrně, a je přenášen strukturou kosmické lodi prostřednictvím tlakových a tahových sil na objekty nebo lidi uvnitř.

Beztížnost v kosmické lodi na oběžné dráze je fyzicky identická s volným pádem, s tím rozdílem, že gravitační zrychlení způsobuje čistou změnu směru , nikoli velikost rychlosti kosmické lodi . Je to proto, že vektor zrychlení je kolmý na vektor rychlosti.

Při typickém volném pádu působí gravitační zrychlení ve směru rychlosti objektu, při dopadu na Zemi lineárně zvyšuje jeho rychlost nebo jej zpomaluje, pokud se vzdaluje od Země. V případě kosmické lodi na oběžné dráze, která má vektor rychlosti z velké části kolmý na gravitační sílu, gravitační zrychlení nevyvolává čistou změnu rychlosti objektu, ale místo toho působí dostředivě , aby neustále „otáčelo“ rychlost kosmické lodi při jejím pohybu kolem Země. Protože se vektor zrychlení otáčí spolu s vektorem rychlosti, zůstávají na sebe kolmé. Bez této změny ve směru vektoru rychlosti by se kosmická loď pohybovala po přímce a Zemi by úplně opustila.

Beztížnost ve středu planety

Čistá gravitační síla v důsledku sféricky symetrické planety je ve středu nulová. To je zřejmé z důvodu symetrie a také z Newtonovy věty o skořápce, která uvádí, že čistá gravitační síla v důsledku sféricky symetrické skořepiny, např. Duté koule, je kdekoli uvnitř dutého prostoru nulová. Materiál ve středu je tedy bez tíže.

Účinky na lidské zdraví

Astronaut Clayton Anderson jako velká kapka vody plave před ním na Discovery. Soudržnost hraje ve vesmíru větší roli.

Po příchodu vesmírných stanic, které lze dlouhodobě obývat, bylo prokázáno, že expozice beztíže má některé škodlivé účinky na lidské zdraví. Lidé jsou dobře přizpůsobeni fyzickým podmínkám na povrchu Země. V reakci na delší období beztíže se různé fyziologické systémy začínají měnit a atrofovat. Ačkoli jsou tyto změny obvykle dočasné, mohou mít za následek dlouhodobé zdravotní problémy.

Nejčastější problém, se kterým se lidé setkávají v počátečních hodinách beztíže, je znám jako syndrom vesmírné adaptace nebo SAS, běžně označovaný jako vesmírná nemoc. Mezi příznaky SAS patří nevolnost a zvracení , závrať , bolesti hlavy , letargie a celková malátnost. První případ SAS nahlásil kosmonaut Gherman Titov v roce 1961. Od té doby trpí touto podmínkou zhruba 45% všech lidí, kteří letěli ve vesmíru. Trvání vesmírné nemoci se liší, ale v žádném případě netrvalo déle než 72 hodin, poté se tělo přizpůsobilo novému prostředí. NASA žertem měří SAS pomocí „Garnovy stupnice“ pojmenované podle senátora USA Jakea Garna , jehož SAS během STS-51-D byla nejhorší v historii. V souladu s tím je jeden „Garn“ ekvivalentem nejzávažnějšího možného případu SAS.

Nejvýznamnějšími nežádoucími účinky dlouhodobé beztíže jsou svalová atrofie (další informace viz Snížená svalová hmota, síla a výkonnost ve vesmíru ) a zhoršení skeletu neboli kosmická letopočet . Tyto efekty lze minimalizovat cvičením, například jízdou na kole. Astronauti vystavení dlouhému období beztíže nosí kalhoty s elastickými pásky připevněnými mezi pasem a manžetami ke stlačení kostí nohou a snížení osteopenie. Mezi další významné efekty patří redistribuce tekutin (způsobující vzhled „měsíční tváře“ typický pro obrázky astronautů v beztíže), zpomalení kardiovaskulárního systému, protože průtok krve klesá v důsledku nedostatku gravitace, snížená produkce červených krvinek , poruchy rovnováhy a oslabení imunitního systému . Mezi menší příznaky patří ztráta tělesné hmoty, ucpaný nos, poruchy spánku, nadýmání a otoky obličeje. Tyto efekty se začnou rychle vracet po návratu na Zemi.

Kromě toho, po dlouhých vesmírných letů misí astronauti může dojít k vážným zraku problémy. Takové problémy se zrakem mohou být velkým problémem pro budoucí mise do hlubokého vesmíru, včetně mise s posádkou na planetu Mars . Vystavení vysokým úrovním radiace může také ovlivnit vývoj aterosklerózy.

Dne 31. prosince 2012 se NASA -supported studie uvádí, že člověk spaceflight mohou poškodit mozek z astronautů a urychlit nástup Alzheimerovy choroby . V říjnu 2015 vydal úřad generálního inspektora NASA zprávu o zdravotních rizicích souvisejících s lety do vesmíru člověka , včetně lidské mise na Mars .

Účinky na nehumánní organismy

Ruští vědci pozorovali rozdíly mezi šváby počatými ve vesmíru a jejich pozemskými protějšky. Prostorově pojatí švábi rostli rychleji a také vyrůstali, aby byli rychlejší a tvrdší.

Kuřecí vejce, která jsou vložena do mikrogravitace dva dny po oplodnění, se zřejmě nevyvíjí správně, zatímco vejce vložená do mikrogravitace více než týden po oplodnění se vyvíjejí normálně.

Experiment z raketoplánu z roku 2006 zjistil, že Salmonella typhimurium , bakterie, která může způsobit otravu jídlem, se při kultivaci ve vesmíru stala virulentnější. 29. dubna 2013 vědci z Rensselaer Polytechnic Institute, financovaného NASA , oznámili, že během vesmírných letů na Mezinárodní vesmírné stanici se mikrobi zřejmě přizpůsobují vesmírnému prostředí způsoby, které „nejsou na Zemi pozorovány“ a způsoby, které „mohou vést ke zvýšení růstu a virulence “.

Za určitých testovacích podmínek bylo pozorováno, že mikrobům se daří v téměř beztížném prostoru a přežívají ve vakuu vesmíru .

Technická adaptace v nulové gravitaci

Plamen svíčky v orbitálních podmínkách (vpravo) versus na Zemi (vlevo)

Beztížnost může způsobit vážné problémy s technickými nástroji, zejména s těmi, které se skládají z mnoha mobilních částí. Fyzické procesy, které závisí na hmotnosti těla (jako je proudění , vaření vody nebo hořící svíčky), působí při volném pádu odlišně. Soudržnost a propagace hrají ve vesmíru větší roli. Každodenní práce, jako je mytí nebo návštěva koupelny, nejsou možné bez přizpůsobení. Aby mohli astronauti používat toalety ve vesmíru, jako je ta na Mezinárodní vesmírné stanici , musí se připoutat k sedadlu. Ventilátor vytváří sání, takže odpad je odtlačen pryč. Pití pomáhá brčkem nebo z tuby.

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy

Slovníková definice nulové gravitace na Wikislovníku Media týkající se beztíže na Wikimedia Commons