Stan nieważkości

Widziałeś pewnie transmisje z pokładu stacji kosmicznej, podczas których kosmonauta jakby pływał, mógł się ustawiać w dowolnej pozycji, a puszczony przez niego przedmiot nie spadał, tylko unosił się w kabinie. Co to jest stan nieważkości i w jakich warunkach mamy z nim do czynienia?
Wiemy, że na powierzchni Ziemi działa na nas siła grawitacji. Najbardziej to odczuwamy, gdy musimy wejść po wysokich schodach lub na górski szczyt. A czy na pokładzie stacji kosmicznej istnieje grawitacja? Oczywiście, że tak – inaczej zarówno stacja, jak i jej załoga nie poruszałyby się wokół Ziemi. Do tego potrzebna jest siła dośrodkowa, którą jest siła grawitacji. Dlaczego zatem na Ziemi odczuwamy ciężar, a na orbicie – nie?

Na blacie leży paczka oraz waga analogowa. Następnie widać wnętrze windy i na środku wagę. Demonstrator kładzie paczkę na wadze. Pojawia się inset obok z działającymi siłami. Demonstrator wciska przycisk aby waga z paczką pojechała na górę. Obok głównego ekranu pojawia się drugi inset przedstawiający budynek. Następnie winda jedzie w dół. Później pokazane są dwa zdjęcia przedstawiające ludzi w stanie nieważkości.

NAGRANIE WIDEO 1. STAN NIEWAŻKOŚCI

Zmiana siły nacisku paczki na wagę sprężynową w czasie ruchu windy

Kiedy położysz paczkę na wadze sprężynowej, spowodujemy ugięcie sprężyny. Sytuacja ta została przedstawiona na rysunku A.

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „A”.

ILUSTRACJA 6. PACZKA UMIESZCZONA NA SZALCE WAGI SPRĘŻYNOWEJ

Pod wpływem nacisku paczki, wynikającego z siły grawitacji, sprężyna ugina się aż do uzyskania stanu równowagi. Paczka znajdująca się w tym stanie jest nieruchoma, co w myśl I zasady dynamiki oznacza, że wypadkowa sił na nią działających wynosi zero. Jakie siły działają na paczkę?

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „B”. Od środka sześcianu w górę i w dół poprowadzono dwie strzałki. Niebieska – skierowana do góry, podpisana „F_r”. Czerwona – skierowana w dół, podpisana „Q”. Od brzegu górnej płytki do dolnej płyty poprowadzono zieloną strzałkę, prostopadłą do płytek. Strzałka podpisana „F_n”. Na dole ilustracji wielka litera „B”.

ILUSTRACJA 7. SIŁY DZIAŁAJĄCE NA PACZKĘ SPOCZYWAJĄCĄ NA SZALCE WAGI SPRĘŻYNOWEJ

Oczywiście, działa siła grawitacji Q oraz reakcja sprężyny na nacisk (zgodnie z III zasadą dynamiki paczka działa na sprężynę siłą nacisku

F_{n}

, a sprężyna na paczkę – siłą reakcji

F_{r}

).

Na rysunku B widzimy, że

F_{r} = Q (

I zasada dynamiki); wartości obu sił są równe. Jednocześnie siła

F_{r} = F_{n}

(zgodnie z III zasadą dynamiki wartości sił akcji i reakcji są równe).

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „B”. Od środka sześcianu w górę i w dół poprowadzono dwie strzałki. Niebieska – skierowana do góry, podpisana „F_r”. Czerwona – skierowana w dół, podpisana „Q”. Od brzegu górnej płytki do dolnej płyty poprowadzono zieloną strzałkę, prostopadłą do płytek. Strzałka podpisana „F_n”. Cała szalka sprężynowa znajduje się w przezroczystym prostopadłościanie o ciemnoszarych brzegach. Na dole ilustracji wielka litera „C”.

ILUSTRACJA 8. ROZKŁAD SIŁ W PRZYPADKU GDY WAGA I SPOCZYWAJĄCA NA JEJ SZALCE PACZKA ZOSTAŁY UMIESZCZONE W WINDZIE PORUSZAJĄCEJ SIĘ RUCHEM JEDNOSTAJNYM

Przedstawione wyżej rozumowanie sprawdza się zarówno w sytuacji pokazanej na rysunku, jak i wtedy, gdy nasza paczka jedzie ruchem jednostajnym (np. windą). Wskazania wagi są równe sile grawitacji

Q

– rysunek C.

Co się jednak stanie, gdy winda, która znajdowała się w stanie spoczynku, ruszy w górę?

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „B”. Od środka sześcianu w górę i w dół poprowadzono dwie strzałki. Niebieska – skierowana do góry, podpisana „F_r”. Czerwona – skierowana w dół, podpisana „Q”. Od brzegu górnej płytki do dolnej płyty poprowadzono zieloną strzałkę, prostopadłą do płytek. Strzałka podpisana „F_n”. Cała szalka sprężynowa znajduje się w przezroczystym prostopadłościanie o ciemnoszarych brzegach. Po lewej stronie prostopadłościanu narysowano strzałkę zwróconą ku górze, prostopadłą do podłoża. Obok strzałki znajduje się litra „a” z małą strzałką nad literą, równoległą do podłożona, zwróconą w prawo. Na dole ilustracji wielka litera „D”.

ILUSTRACJA 9. WINDA PORUSZA SIĘ RUCHEM JEDNOSTAJNIE PRZYŚPIESZONYM W GÓRĘ

Będzie wówczas poruszać się ruchem przyspieszonym (załóżmy dla uproszczenia, że jest to ruch jednostajnie przyspieszony). Co nam w takiej sytuacji podpowiadają zasady dynamiki?

Skoro winda porusza się w górę ruchem jednostajnie przyspieszonym, robi to również paczka (oczywiście domyślasz się, że sprężyna dodatkowo nieco się ugnie). Aby paczka poruszała się ruchem przyspieszonym, siła wypadkowa działająca na tę paczkę musi być różna od zera i mieć zwrot w górę (zgodnie z II zasadą dynamiki). Oznacza to, że siła

F_{r}

będzie większa od siły

Q

i wypadkowa sił działających na paczkę będzie spełniać równanie:

m \cdot a = F_{r} - Q

gdzie:

m

– masa paczki;

a

- przyspieszenie windy, a tym samym również przyspieszenie paczki.

Sytuacja przedstawiona została na rysunku D.

Siła

F_{r} = m \cdot a + Q

. W związku z tym (i III zasadą dynamiki) również siła nacisku

F_{n} = m \cdot a + Q

. Wniosek jest oczywisty: siła nacisku wzrosła.

Taki stan występuje w statku kosmicznym podczas startu: rakieta poruszająca się z rosnącym przyspieszeniem rozpędza również kosmonautów – efektem jest tzw. przeciążenie. Kosmonauci naciskają na fotele, na których leżą, siłą wielokrotnie większą od swojego ciężaru. Jest to stan nietypowy dla ludzkiego organizmu, więc kosmonauci odbywają wcześniej wielogodzinne treningi w tzw. wirówkach przeciążeniowych.

Po pewnym czasie statek dociera na orbitę, silniki zostają wyłączone – rozpoczyna się lot orbitalny. Siła grawitacji działa cały czas: zakrzywia tor statku i tor, po którym poruszają się kosmonauci. Skąd zatem bierze się stan nieważkości?
Wróćmy na chwilę do naszej windy – pomogła nam ona zrozumieć stan przeciążenia. Przyjmijmy, że teraz winda zaczyna zjeżdżać w dół. Oczywiście, na początku porusza się ruchem przyspieszonym. Co teraz powiedzą nam zasady dynamiki?

Grafika obrazująca paczkę umieszczoną na szalce sprężynowej. Tło białe. Dwie kwadratowe płyty, jedna nad drugą, połączone sprężyną. Na górnej płytce znajduje się brązowy sześcian. Na dole wielka litera „B”. Od środka sześcianu w górę i w dół poprowadzono dwie strzałki. Niebieska – zwrócona do góry, podpisana „F_r”. Czerwona – zwrócona w dół, podpisana „Q”. Od brzegu górnej płytki do dolnej płyty poprowadzono zieloną strzałkę, prostopadłą do płytek. Strzałka podpisana „F_n”. Cała szalka sprężynowa znajduje się w przezroczystym prostopadłościanie o ciemnoszarych brzegach. Po lewej stronie prostopadłościanu narysowano strzałkę zwróconą do dołu, prostopadłą do podłoża. Obok strzałki znajduje się litra „a” z małą strzałką nad literą, równoległą do podłożona, zwróconą w prawo. Na dole ilustracji wielka litera „E”.

ILUSTRACJA 10. WINDA PORUSZA SIĘ RUCHEM JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONYM W DÓŁ

Skoro ruch odbywa się z przyspieszeniem

a

w dół, to zgodnie z II zasadą dynamiki siła wypadkowa będzie zwrócona w dół.
Oznacza to, że

m \cdot a = Q - F_{r}

, a siła

F_{r} = Q - m \cdot a

, zatem siła nacisku

F_{n} = Q - m \cdot a

. Im większe przyspieszenie osiągnie nasza winda podczas jazdy w dół, tym mniejsze będą wskazania wagi. Uzyskamy wtedy stan niedociążenia. Działające siły przedstawiono na rysunku E.

Powyższe równania pokazują nam, że siła nacisku może być równa zero. Stanie się to, gdy

Q

będzie równe

m \cdot a

.

Pod wpływem sił grawitacji spadające swobodnie ciała uzyskują przyspieszenie zwane przyspieszeniem grawitacyjnym:

g = \frac{F_{grawitacji}}{m}

(zgodnie z II zasadą dynamiki). Siła grawitacji

Q = m \cdot g

, co oznacza, że siła nacisku na podłoże będzie równa zero, gdy

Q = m \cdot g = m \cdot a

.

Co się dzieje wtedy z windą? Spada ona z przyspieszeniem równym grawitacyjnemu. Jak widać, umiesz już osiągać stan braku nacisku na podłoże – właśnie taki stan nazywamy stanem nieważkości. A jak do windy ma się stacja kosmiczna? Przede wszystkim nasza winda może poruszać się nie tylko pionowo, lecz także poziomo; torem będzie wówczas krzywa zwana parabolą. Po takich parabolach poruszają się samoloty, w których na krótko osiągany jest stan nieważkości. Na stację kosmiczną i na kosmonautę działają siły grawitacji zależne od ich masy, ale przyspieszenia grawitacyjne są jednakowe. Stacja i kosmonauta „spadają” z jednakowym przyspieszeniem, a jednocześnie poruszają się po okręgu. Efektem jest brak wzajemnego nacisku, a zatem stan nieważkości.

Grawitacja

Strona główna

Użytkownik

Teoria .

Stan nieważkości