Безтегловното чудо на НАСА, по-известно като Кометата на повръщането. Това е модифициран самолет Douglas DC-9. Кредит за изображение: НАСА.

Попитайте Итън: „Нулева гравитация“ наистина ли е нещо?

Защо е безтегловност възможна, дори ако няма място, което можете да скриете от силата на най-дългия обхват на Вселената.

„Беше странна лекота, дремещо усещане. Нулева гравитация. Разбрах, че всичко, което някога изглеждаше твърдо и неподвижно, може просто да изплува. ” -Лиза Унгер

Когато видим астронавти в космоса, летящи над земната атмосфера, ни се казва, че те изпитват нулева гравитация: истинска безтегловност. И все пак те все още са гравитационно издърпани от Земята, Луната, Слънцето и всяка друга маса във Вселената! И как всъщност работи нулевата гравитация и реално ли е това? Това е въпросът, който държи Уорън Купър, който пита:

Чувам експерименти върху МКС, които се провеждат в Zero Gravity, и чувам, че се правят изследвания върху хора в „Нулева гравитация“. Но „Нулева гравитация“ действително ли е нещо?

Това е наистина добър въпрос и усещане, че не е нужно да отивате в космоса, за да преживеете.

Возенето на Freefall от 2006 г. на Six Flags Over Georgia. Кредитен образ: Потребителят на Wikimedia Commons WillMcC, под cca-3.0 не се декларира.

Помислете за разликата между това, което правите в момента - най-вероятно седите "неподвижно" - и падате. Разликата не е столът, седалката или силата на гравитация върху вас. Бихте могли да имате всички тези и все още да падате, като при свободно падане с влакче в увеселителен парк. Разликата е това, което изпитвате като седалката (или пода, или леглото, или където и да сте), като се натискате назад, устоявайки на силата на гравитацията. Причината да не изпитвате усещането за падане няма почти толкова общо с гравитацията, колкото с това, което ние наричаме, по физика, нормалната сила. Не че е контра на ненормална сила; нормалната сила е сила, която е нормална (или перпендикулярна) спрямо повърхността, на която седите / стоите / лежите.

Силата на гравитацията (червено) и нормалната сила (синя), които са равни и противоположни сили, тъй като действат върху всяка маса на земната повърхност. Образ в публичен домейн

Сега, отнемете тази сила. Можете да си представите как го отнемате с множество различни средства:

  • Можете да премахнете повърхността, като я упражнявате, като пода, стола или каквото и да ви държи.
  • Можете да изключите гравитацията, което ще ви направи безтегловност.
  • Или можете да изключите електромагнитните взаимодействия между вас и атомите на тази повърхност.

В първия случай просто бихте паднали до онова, което е отдолу, сякаш случайно сте стъпили на слаб въздух и сте започнали да падате. Във втория случай ще разпознаете, че единствената причина, по която нормалната сила е била „включена”, е, че гравитацията ви дърпа надолу към Земята, като пода (или столът) е на пътя и се връща назад с равни и- противоположна реакция, която да ви държи на мястото. Ако изключите гравитацията, силата на гравитацията ще отиде на нула, а също и силата на равна и противоположна. И в третия случай силата на гравитацията все още ще съществува и ще ви дърпа надолу към центъра на Земята, но без електромагнитните сили между атомите на пода, действащи върху вас, бихте паднали право.

Докато снаряд действа само под влиянието на гравитацията, изглежда, че прави парабола, но това е само малък раздел от това, което всъщност е елипса, като центърът на Земята е един фокус. Ако електромагнитната сила беше изключена, топката щеше да завърши този елиптичен път за приблизително 90 минути. Кредитна снимка: потребител на Wikimedia Commons MichaelMaggs; Редактиран от Ричард Бартц.

Тези три случая очевидно са много различни. В първия случай гравитацията ще ви дърпа надолу, ускорявайки ви към центъра на Земята и ще го прави, докато или не спрете да ускорявате поради силата на влачене от въздуха или защото не изпитате сила от Земята (или друго твърдо тяло ). Във втория случай бихте изпитали безтегловност и изобщо не бихте ускорили; би било вярно „нулева гравитация“. И в третия случай бихте ускорили към центъра на Земята, правейки елипсоид с центъра на Земята като един фокус, връщайки се към началната си точка след приблизително 90 минути.

Забавното нещо? За този първи първоначален момент и при трите от тези случаи бихте почувствали абсолютно същото чувство.

Астронавти и плодове на борда на Международната космическа станция. Обърнете внимание, че гравитацията не е изключена, но че всичко - включително космическият кораб - се ускорява равномерно, което води до нулев опит. Образ в публичен домейн

Тази безтегловност, усещането за корем в стомаха, дезориентацията ... това е усещането за "нулева гравитация". Още по-странно? Вторият и третият сценарий - или с изключена гравитация, или с ускоряване на свободно падане, без да си взаимодействате - биха ви били неразличими, ако не отворите очите си. Не можете да определите разликата между изключването на гравитацията и равномерното ускорение при свободно падане. Това може да изглежда контраинтуитивно, но това е основният, определящ принцип, който накара Айнщайн да формулира общата относителност. Това знаем днес като принцип на еквивалентност на Айнщайн.

Идентичното поведение на топка, падаща на пода в ускорена ракета (вляво) и на Земята (вдясно), е демонстрация на принципа на еквивалентност на Айнщайн. Кредит за изображение: потребител на Wikimedia Commons Маркус Поесел, ретуширан от Pbroks13.

Принципът гласи, че няма начин да се разграничи гравитационното ускорение и всяка друга форма на ускорение, като тягата на ракетата. В него се казва, че ако вие и референтната рамка, в която се намирате, ускорявате заедно, равномерно, това е еквивалентно на това, че изобщо не сте ускорени. Силата, която усещате на Земята, въртейки се по оста си и се върти около Слънцето, е идентична на силата, която бихте почувствали, ако Слънцето изчезне, а Земята просто се въртеше съвсем сама в бездната на космоса.

Земята в орбита около Слънцето, като е показана неговата въртяща ос. Кредит за изображение: wikimedia commons потребител Tauʻolunga, пуснат в публичното пространство.

Когато казваме „нулева гравитация“, не означава, че силата на гравитацията престава да съществува. Няма място във Вселената, където можем да отидем там, където бихме успели да се скрием от силата на гравитацията, нито е необходимо. Всичко, от което се нуждаем, е да изключим нормалната сила, което означава да позволим на себе си и на референтната рамка, в която се намираме, да паднем заедно, равномерно. Всичко, което трябва да направим, е да се ускорим с точно същата скорост като заобикалящата ни среда, без разлика между тях. Това е същият принцип зад возенето на „повръщаната комета“, при което двигателят на самолета е прекъснат и той свободно пада за около 40 секунди с вас на борда.

Повърнали ездачи на комета, през 2006 г., по време на едно от ударите с нулева гравитация. Кредитна снимка: потребител на flickr Стив Юрвенсън, чрез https://www.flickr.com/photos/jurvetson/224239224.

Нулевата гравитация, която изпитвате, може да се почувства много като падане, освен ако въздух не се втурва покрай вас. Просто няма относителна гравитация между себе си и това, което възприемате като посока „надолу“. Ако в този смисъл бихте се подложили на нулева относителна гравитация, бихте изпитали всякакви физически неразположения: загуба на кост, мускулна атрофия, увреждане на зрението или дори слепота, загуба на всичките ви мозоли на краката (водещи до разтопяване на краката ) и с липсата на гравитация, която дърпа вътрешността ви по начина, по който обикновено се дърпат под земната гравитация, увеличава метеоризма. Всичко това е риск за астронавтите; Астронавтът Аполон 16 Джон Йънг се сдоби с лош случай на „космическите пърдили“, докато е бил на Луната, за което безцеремонно обвинява портокаловия сок от Флорида, който консумира.

Буквално изпитването на нулева гравитация може да е пълен мит, тъй като никъде във Вселената няма как да се скриете от крайната сила на дълги разстояния. Но от гледна точка на вашето физическо тяло, стига обкръжението ви да се ускорява равномерно със същата скорост, в която сте, никога не можете да кажете разликата. Да си в нулева гравитация и да си в свободно падане са синоним, що се отнася до твоя опит. Така че, докато във Вселената технически никога не може да има нещо, което изпитва нулева гравитация, просто да оставите гравитацията да ви свали - докато не се сблъскате с нещо, което да ви устои - е най-добрият заместител, който можете да поискате. Най-малкото беше достатъчно добър за Айнщайн, беше достатъчно добър за астронавтите и трябва да бъде достатъчно добър и за всеки от нас.

Изпратете своите въпроси попитайте Итън на startwithabang в gmail dot com.

Тази публикация за пръв път се появи във Forbes и е предоставена без реклами от нашите привърженици на Patreon. Коментирайте на нашия форум и купете първата ни книга: Beyond The Galaxy!