det här är en bra fråga. Det kommer upp ganska ofta. Om du frågar människorna omkring dig finns det två vanliga svar:
astronauter flyter runt i rymden eftersom det inte finns någon gravitation i rymden. Alla vet att ju längre du kommer från jorden, desto mindre gravitationskraften är. Astronauterna är så långt från jorden att gravitationen är så liten. Det är därför NASA kallar det mikrogravitation.
i rymden kan ingen höra dig skrika. Vet du varför?, Eftersom det inte finns någon luft i rymden. Ingen luft, inget ljud. Ingen luft, ingen gravitation. Enkel.
Ja, båda är fel. Men varför?
är gravitationskraften för svag i rymden?
vad är gravitationskraften? Det är en interaktion mellan objekt som har massa. Jorden har massa och astronauten har massa – så de lockas. Vi kan modellera denna attraktiva kraft med följande uttryck.,
i denna modell för gravitationskraftens storlek är M1 och m2 massorna och r är avståndet mellan centra för dessa två massor. G är gravitationskonstanten. Den har ett värde på 6,67 x 10-11 N * m2 / kg2. Åh, men vad sägs om den berömda (eller ökända) g = 9,8 n/kg? (eller vanligen anges i enheter av m/s2) det värdet är bara för objekt på jordens yta. Kolla in det här. Om jag har något som sitter på marken, interagerar det med jorden. Jordens massa är 5.,97 x 1024 kg och jordens centrum är 6,38 x 106 m bort (jordens radie). Låt mig sätta dessa värden i gravitationsmodellen.
Ja, det är inte 9,8 n/kg. Jag använde avrundade värden i beräkningen så att den är avstängd bara lite. Men du får idén. Jag spårar ur här. Säger inte detta uttryck att gravitationskraften blir svagare när du kommer längre från jorden? Ja. Men inte av har mycket som du tror. En typisk höjd för en orbiting rymdfärja är ca 360 km över jordens yta., Anta att jag har en 75 kg astronaut. Vad skulle vara vikten (gravitationskraften) på astronauten både på ytan och i omloppsbana? Den enda skillnaden kommer att vara avståndet mellan astronauten och jordens centrum.
och i omloppsbana:
mindre? Ja. Tillräckligt för att kalla det ”viktlös”? Nej. Gravitationskraften i omloppsbana är 89% så stor som på ytan., Så det här är inte den rätta förklaringen till”viktlöshet”.
hur är det med bristen på luft?
Du kan förmodligen hitta några exempel på varför detta inte är orsaken till ”viktlöshet”. Här är en som jag gillar. I grund och botten är det en demonstration av hur en sugkopp fungerar. Jag gjorde en video av en massa som hängde från en sugpipa inuti en vakuumklocka. (länk här) Detta är en bild av massan innan luften pumpades ut.
När luften tas bort sker två saker., Först suger sugkoppen inte längre (eftersom de inte suger ändå). För det andra faller massan. Även om det i huvudsak inte finns någon luft i kammaren, faller massan fortfarande.
ett annat exempel är månen. Det finns ingen luft på månen, men astronauter flyter inte bort-även när de hoppar. Här är John Youngs ”jump salute”.
och hur är det med jorden själv? Varför kretsar Det solen? Den kretsar eftersom det finns en gravitationskraft mellan de två objekten., Det finns en interaktion även om det inte finns någon luft mellan dem.
varför flyter du då?
kanske ska jag prata om hur du känner dig i vikt. Vad är din uppenbara vikt? Låt mig säga att det du känner just nu inte är allvar. Antag att jag börjar med några exempel.
exempel 1: Ställ dig i en hiss. Tryck inte på knapparna. Stå bara där så att hissen ligger i vila. Hur mår du? Pinsamt? Här är ett diagram.,
eftersom du är i vila och vistas i vila är du i jämvikt (accelerationen är noll). Om din acceleration är noll måste nettokraften också vara noll (Tekniskt nollvektorn). De två krafterna på dig är kraften från golvet som skjuter upp och gravitationsinteraktion med jorden som drar ner. Dessa två krafters magnituder måste vara lika för att nettokraften ska vara noll.
exempel 2: Tryck nu på ”up” – knappen. Under det korta intervallet som hissen accelererar uppåt, hur känner du dig? Orolig?, Eller så känner du dig lite tyngre. Om din hiss är som den i den här byggnaden, kan du känna dig frustrerad över hur långsam den jävla saken går. Vad är det för lustig lukt? Här är ett diagram för den uppåtgående accelererande hissen (och du).
vad måste vara annorlunda när det gäller krafter? Om personen accelererar uppåt måste nätkraften också vara uppåt. Med samma två krafter som ovan finns det två sätt att detta kan hända., Golvet kan trycka mer på dig, eller jorden kan dra mindre. Eftersom gravitationskraften beror på din massa, jordens massa och avståndet mellan dem, förändras det inte. Det betyder att golvet måste trycka hårdare på dig. Men vänta, du känner dig tyngre och ändå är gravitationskraften densamma.
exempel 3: du närmar dig översta våningen och hissen måste stanna. Eftersom det rörde sig upp, men saktar ner det måste accelerera i nedåtgående riktning.
nu måste nettokraften vara i nedåtriktad riktning., Gravitationskraften förändras inte. Det enda som kan hända är att golvet trycker mindre. Från detta känner du dig lättare. Rätt?
sista exemplet: Antag att hisskabeln går sönder och hissen faller. I detta fall kommer accelerationen av hissen att vara -9,8 m / s2 (precis som alla fria fallande föremål). Hur mycket skulle golvet behöva trycka upp på personen för att accelerera ner vid -9.8 m / s2? Det skulle inte behöva pressa alls. Den kraft som golvet utövar på dig skulle vara noll. Hur skulle du känna dig?, Du skulle känna dig rädd – jag menar att du är i en hiss med kabelskäret. Hur skulle du annars känna dig? Du kanske kan vara rädd och hungrig om du är Sen till lunch eller nåt. Du skulle känna dig viktlös. Kan det här verkligen hända? Helt. Faktum är att vissa människor till och med betalar för att göra detta., Kolla in den här åkturen, Superman:
Grundtanken är att du kommer in i bilen, zoomar den upp i bilen.vertikal del av spåret. Under både gå upp och gå ner delar fo rörelsen, accelerationen är -9.8 m/s2 så att du känner dig viktlös. Låt mig sammanfatta hittills:
- i alla dessa situationer ändras inte gravitationskraften.
- för de olika situationerna har du olika accelerationer.,
- ju mindre golvet trycker på dig, desto lättare känner du dig.
- Om golvet inte trycker på dig alls känner du dig viktlös.
Åh, det finns ett annat bra exempel på denna viktlöshet på jorden. Kräkkometen. Ja, det är på riktigt. I grund och botten är det ett plan som flyger på ett sätt som det har en nedåtgående acceleration på samma sätt som ett fritt fallande föremål. Precis som den fallande hissen förutom att den inte träffar marken.
en mer cool sak om kräkkometen., I filmen Apollo 13 filmades de viktlösa scenerna inuti vomit-kometen. På så sätt skulle det inte bara se viktlöst ut, det skulle vara viktlöst. Naturligtvis betyder det att de var tvungna att skjuta scener som 30 sekunder åt gången.
tillbaka till astronauterna
astronauterna är i rymdfärjan och rymdfärjan är i omloppsbana runt jorden. Men accelererar det? Ja. Det accelererar eftersom jorden drar på den genom gravitationskraften., Även om den rör sig i en cirkel, accelererar den fortfarande. Man kan säga att rymdfärjan verkligen faller eftersom dess rörelse bestäms av gravitationskraften. Men eftersom det inte riktigt kommer närmare jorden under sin rörelse skulle det vara bättre att kalla det ”i omloppsbana”. Tänk på det här. Antag att du knyter en sträng till en boll och svänger den runt huvudet i en nära horisontell cirkel. Accelererar bollen i en cirkel? Ja. Om det accelererar måste det ha en kraft i accelerationsriktningen., För bollen skulle detta vara spänningen i strängen som drar den mot mitten av cirkeln. För ett orbiting objekt drar gravitationskraften på rymdfarkoster. Tja, vad händer om du tar en jätte boll och sträng och svänger den runt. Om du sätter en person i bollen, skulle den personen vara viktlös? Nej. Skillnaden med tyngdkraften är att den drar på alla delar av rymdfarkoster och alla delar av en persons kropp. Om du var i en gigantisk cirkulär rörelse boll, skulle väggen av bollen måste trycka på dig. Kanske hjälper det här diagrammet.,
men vad händer om du faktiskt befinner dig på en plats där gravitationskraften är noll (som långt ifrån andra massiva objekt)? Kan du få det att känna att du har vikt i det här fallet? Ja. Detta är i huvudsak motsatsen till orbitalfallet. Om du kan göra rymdfarkosten accelerera med en magnitud på 9,8 m / s2, kommer det att kännas precis som du är på jorden. Ett sätt att accelerera skulle vara med raketer., Kanske skulle detta vara en användbar sak om du försöker komma till en annan stjärna eller något eftersom du skulle få snabbare och snabbare. Men vad händer om du inte verkligen vill gå någonstans, men du vill känna att det gör på jorden? Du kan göra ett rymdskepp som snurrar. Genom att flytta i en cirkel (på insidan av rymdfarkosten) skulle du ha en acceleration och därmed en nettokraft. Här är en astronaut i ett spinnande rymdskepp i en region utan gravitation. Bredvid astronauten satte jag ett diagram över en person i en hiss., I båda dessa fall skjuter golvet upp på astronauten med samma storlek. Dessa två personer skulle i huvudsak känna samma (men inte riktigt eftersom toppen fo astronautens roterande huvud faktiskt rör sig annorlunda än fötterna).
och här är ett skott från filmen 2001: en Rymdodyssey som visar människor inuti ett sådant roterande rymdskepp.
slutnot
Ja. Detta är en redo post., Jag skrev om detta 2008, men formateringen var inte helt rätt. Detta ger mig en trevlig möjlighet att skriva om det.
