لماذا "يختفي" الوزن في الفضاء؟

يطفو رواد الفضاء بلا وزن في سفن فضائية تدور حول الأرض. لماذا اختفى وزنهم فعلا؟ وما هو، على وجه الدقة، معنى الجاذبية الصغرى؟

تسفي أتزمون، غاليليو

الرابط المباشر لهذه الصفحة: https://www.hayadan.org.il/garvity0105.html

لماذا اختفى وزن رواد الفضاء بالفعل؟ الصورة: ناسا
اسأل الأشخاص من حولك عما يعرفونه عن الأشياء التي تبعد آلاف الكيلومترات عن هنا: ما هي المواقع الشهيرة في باريس؟ ما هو نموذجي في لندن؟ ما هي عاصمة الأرجنتين؟ - من المحتمل أن تحصل على إجابات دقيقة من العديد من المشاركين. اسألهم الآن عما هو موجود فوق رؤوسنا بمئات الكيلومترات - في محطة فضائية أو مكوك.

فلماذا ليس لديهم وزن؟
اسأل، على سبيل المثال، "لماذا يكون رواد الفضاء عديمي الوزن؟" أخشى أن يقدم الكثيرون في هذه الحالة تفسيرات غريبة، لا تقل عن التفسير القائل بأن سكان أستراليا يجب أن يسيروا على أيديهم، لأنهم يعيشون على الجانب الآخر من الأرض... إذا سألت الناس من؟ يأتي في طريقك السؤال "لماذا لا يوجد وزن لرواد الفضاء في سفينة الفضاء؟"
لدي انطباع بأنك لن تتأخر طويلاً حتى تحصل على إجابات مثل "حسنًا، هذا واضح! لأن المركبة الفضائية خارج الغلاف الجوي، في الفضاء"، أو "ما السؤال؟! بعد كل شيء، سفينة الفضاء بعيدة عن الأرض، في مكان لا توجد فيه جاذبية، لذلك من الواضح أنه لا يوجد وزن!" سؤالان وسيطان يتعلقان بهذه الإجابات، والتي من المرجح أن تحصل عليها. السؤال الأول: القمر خالي من الغلاف الجوي من الناحية العملية. هل رائد الفضاء الذي يمشي على سطح القمر لا يشعر بالجاذبية؟ هل ليس له وزن؟

بين الارتفاع وانعدام الوزن
وبالفعل فإن وزنه أقل من وزنه على سطح الأرض (قيل عدد لا يحصى من النكات عن رحلات الحمية إلى القمر) - أقل بنحو 6 مرات، لأن كتلة القمر أصغر بكثير (حوالي 81 مرة) من ذلك من الأرض، ولكن حقيقة القول بأن وزن رائد الفضاء أقل على القمر يعني أن له وزنًا، وليس أنه عديم الوزن.
يقول هوي: لا توجد علاقة بين الفراغ وانعدام الغلاف الجوي وانعدام الوزن. وأكثر من ذلك: لنفترض أنهم قاموا هنا، على سطح الأرض، بتركيب غرفة فارغة تمامًا، وفراغ (تقريبًا إلى حدود التكنولوجيا الموجودة)، ويدخلها شخص يرتدي بدلة فضائية. هل سيبدأ هذا الشخص بالطفو فجأة؟ هل سيصبح فجأة عديم الوزن؟

قفزة إلى المستقبل
حسنا، لا و لا. بل إنه من المغري أن أكتب: على العكس من ذلك، فإن نقص الهواء يؤدي في الواقع إلى زيادة وزنه (بما في ذلك البدلة)، وإن كان بدرجة لا تذكر، وذلك بسبب إلغاء قوة الرفع التي يمارسها الهواء عادة (كما يبذل على الجسم). الجسم مغمور فيه حسب قانون أرخميدس). وبالمناسبة، فإن قوة الطفو للتيار لا تعمل إلا عندما يكون للأجسام وزن، وليس عندما تكون عديمة الوزن.
والسؤال الثاني: لنفترض أننا نعيش في مستقبل خيالي، حيث الأبراج التي يبلغ ارتفاعها 300-350 كيلومترًا هي رؤية مكسورة؛ لم يعد هناك ناطحات سحاب، بل غزاة ناطحات سحاب فعليين... لنفترض أن هناك توأمان متطابقان، أحدهما رائد فضاء والآخر يحافظ على أسطح الأبراج العملاقة. وها هو ذات يوم أحد التوأمين يقف على سطح البرج (ببدلة خاصة، وهو أمر ضروري في هذا الارتفاع)، وعلى مسافة قصيرة منه -على مستوى عينه تماماً- توأمه. مرت عليه في مكوك الفضاء.

إزالة التشابه بين التوائم المتماثلة
والسؤال هو: هل أوزانهم واحدة في هذه الظروف؟ والجواب: لا ولا! تشير المقاييس التي يقف عليها رائد الفضاء في سفينة الفضاء إلى الرقم 0، بينما تشير المقاييس التي يقف عليها سقف السفينة إلى وزن كبير، حوالي 90% من الوزن تشير إليه موازين مماثلة موجودة في الفتحة السفلية للبرج العملاق.
إذا كان الأمر كذلك، فإن هذا القسم ليس مخصصًا هذه المرة لقراء "جاليليو" الذين يعرفون بالتأكيد التفسير، والفرق بين الجاذبية والجاذبية، بين الجاذبية والوزن، ولكن لأولئك الذين يتساءلون لماذا تم إلغاء التشابه بين التوأمين المتطابقين. . لقد ذكرنا في القسم السابق (العدد 74) تجربة نيوتن في الانفجار الضوئي.

قانون نيوتن للجاذبية
وهنا أيضاً سنذكر نيوتن، هذه المرة قانونه العالمي للجاذبية: كل جسمين في الكون يؤثران على بعضهما قوة جاذبة مميزة (متناسبة) مع حاصل ضرب كتلتي الجسمين ومميزة (متناسبة). ) عكسيا لمربع المسافة بينهما. هذه هي الجاذبية العالمية.
وفي الواقع، فإن المحطة الفضائية، أو المكوك الذي يدور في مدارها، أو سقف البرج المستقبلي الفائق، "في السماء". ولكن هل هم حقا إلى هذا الحد؟ حسنًا، أقل بكثير، أقل بكثير، من أستراليا وبوينس آيرس؛ أقل بكثير من لندن وباريس وموسكو. لكن ما هو حاسم هو: أقل، أقل بكثير، من المسافة بيننا، الذين نعيش هنا، وبين مركز كتلة الأرض، مسافة 6375 كيلومترًا تقريبًا.

ماذا أشارت المقاييس؟
يقول هوي: مسافة رائد الفضاء في مداره عن مركز الأرض أكبر من بعدك عن مركز الأرض، ولكن بعدد من النسب فقط، لنقل - 5%. فلماذا يكون رواد الفضاء في المركبة الفضائية التي تدور حول الأرض عديمي الوزن؟
حسنًا، ليس نقص الهواء، ولا حتى المسافة الكبيرة من محطة الفضاء الدولية، ولكن حقيقة وجود رائد الفضاء في المدار حول محطة الفضاء الدولية. ولهذا السبب أشارت المقاييس إلى هذا الاختلاف الملحوظ بين التوأمين: وزن أحدهما 0 بينما وزن التوأم كبير، حوالي 90٪ من وزنه "الطبيعي".

تجربة التوأم على القمر
لنفترض أننا أجرينا تجربة مشابهة لتجربة التوائم ولكن على القمر. هذه المرة التوأم رائدا فضاء. وقبل صعودهم إلى سفينة الفضاء التي تنقلهم إلى القمر، يتم وزنهم، فيبلغ وزن كل واحد منهم 90 كيلو جرامًا بالضبط. وها هم يدخلون مدار القهوة قريبًا جدًا من القمر. ينتقل أحد التوأم إلى مركبة الهبوط ويهبط على سطح القمر. فيضع ميزانًا على الأرض ويزن نفسه. وبينما يعوض وزن بدلة الفضاء الضخمة التي يرتديها، يكتشف بالفعل أن وزنه يبلغ الآن حوالي سدس وزنه على الأرض، حوالي 15 كجم. وهو الآن يقوم بتركيب سلم مبتكر بارتفاع مبنى شاهق ويتسلقه. وهنا، على مستوى عينه تمامًا، تمر سفينة الفضاء وأخيه التوأم يقف على الميزان. الوزن الذي تظهره المقاييس الموجودة في السفينة الفضائية: صفر، وكل هذا على ما أذكر، على مسافة صغيرة جدًا من القمر.

الجاذبية على مسار اللفة
من الواضح إذن أن ما يسبب انعدام الوزن في سفينة الفضاء ليس المسافة، بل الارتفاع. ألا تعمل قوة الجذب (الجاذبية، الجاذبية) في المدار؟ - ليس لأن قوة الجاذبية تؤثر على مركبة فضائية تتحرك في مدار القهوة بحكم تعريفها؛ وفي حالة المكوك الفضائي، قدر حوالي 90% من قوة الجاذبية التي تمارسها مركبة الهبوط على المركبة الفضائية قبل الإطلاق، وذلك لأن مدار المكوك وكذلك المحطة الفضائية يبعدان عدة مئات من الكيلومترات عن الأرض. الهبوط.
وفي حالة المركبة الفضائية التي تدور حول القمر في تجربتنا التخيلية، فإن قيمتها تساوي في الواقع القيمة التي كانت ستجذب بها المركبة الفضائية إلى القمر لو هبطت على سطحه، حيث أن الارتفاع في هذه التجربة لا يكاد يذكر. والدليل على أن المركبة الفضائية تحت تأثير الجاذبية هو مدارها، أي المدار حول الأرض (في الحالة الأولى) أو حول القمر (في الحالة الثانية). ففي نهاية المطاف، لولا تأثرها بالجاذبية، لاستمرت سفينة الفضاء - بحسب قانون نيوتن الأول للحركة - في حركة خط مستقيم، ولكانت قد أفلتت من مدار البن، وهو خط منحني مغلق ( دائرة أو قريبة من دائرة).

هل هذا وهم؟
لكن إذا كانت الجاذبية تؤثر على سفينة الفضاء، وعلى جميع مكوناتها وأفرادها، فلماذا يشعر رواد الفضاء بداخلها -أو أولئك الذين تركوها في رحلة في الفضاء- بإحساس انعدام الوزن؟ هل هذا وهم؟ حسنًا، لا، ليس وهمًا، وهذا هو الدليل، على أن الميزان - وهو جهاز قياس موضوعي - يشير إلى 0 كجم.
ومن الأدلة الأخرى على ذلك أنه في المكوكات والمحطات الفضائية التي تدور في مدار القهوة، يتم إجراء تجارب حول تأثير انعدام الوزن على عمليات مثل الاحتراق، ونمو البلورات، وتوزيع السوائل وتدفقها، وزراعة الأنسجة للخلايا الحية، و أكثر. ومع ذلك: في أجسام رواد الفضاء الذين يقضون وقتا طويلا في ظروف انعدام الوزن، هناك تغيرات تشريحية وفسيولوجية ملحوظة وقابلة للقياس، مثل ضعف العظام.

سرعة القذيفة
ما هو إذن سبب انعدام الوزن "الحقيقي" رغم وجود الجاذبية؟ - والسبب هو أن النظام المرجعي يخضع للتسارع، أو بمعنى آخر: أن السفينة الفضائية بكل محتوياتها تخضع للسقوط الحر المستمر.
نيوتن، هو الذي أجرى أول تجربة في مدارات القهوة للسفن الفضائية، بتكنولوجيا تناسب عصره، وكان له فيها ميزة مذهلة: تجربة فكرية. لقد صور مدفعًا موضوعًا على جبل مرتفع ويطلق قذائف في اتجاه أفقي. عرف نيوتن أن المقذوف الذي يخرج من الكمامة له سرعة أفقية ثابتة (مع تجاهل الاحتكاك في الهواء؛ وكان الهدف من وضع المدفع على جبل مرتفع هو تقليل هذا التأثير) وتسارع عمودي في اتجاه مركز الجاذبية.

لو لم تكن الأرض كروية
في تجربته الفكرية، قام بفحص ما يمكن أن يحدث إذا زادت السرعة الأفقية التي يتم إطلاق القذيفة بها. والجواب هو أن المسافة الأفقية التي ستقطعها القذيفة قبل اصطدامها بالأرض ستزداد. وهنا، نظرًا لأن الأرض كروية، فعندما تبتعد في خط مستقيم، "تهبط" الأرض. لذلك، عند السرعة العالية بما فيه الكفاية، ستسقط القذيفة بسبب الجاذبية ولكنها لن تصطدم بالأرض - فهي محكوم عليها بالسقوط الحر المستمر حول الأرض.
هذا مدار القهوة ومدار القمر الصناعي ومدار القمر. لو لم تكن (تقريبًا) كرةً، بل سطحًا رقيقًا وضخمًا له نفس الكتلة، لكانت القصة بأكملها مختلفة تمامًا...

السقوط الحر
ما هو شعورك في مثل هذه الحالة، في حالة السقوط الحر المستمر، وبشكل عام في حالة السقوط الحر؟ يقول عملاق الجاذبية الثاني، ألبرت أينشتاين: "ذات مرة، عندما كنت جالسًا على كرسيي في مكتب براءات الاختراع في برن، خطرت في بالي فجأة فكرة: "إذا كان الشخص في حالة سقوط حر، فلن يشعر بنفسه". وزن.' سأشعر بالصدمة. وكان لهذه الفكرة البسيطة تأثير عميق علي، ودفعتني لتطوير نظرية الجاذبية."
لنفترض أنك في المصعد الفاخر لبرجنا الخيالي الفائق، وهو مصعد به كراسي بذراعين وطاولة بها قهوة وكعك. تلتقط فنجان القهوة وتضعه في فمك. وفجأة يحدث عطل رهيب، وينقطع اتصال المصعد ويبدأ في السقوط سقوطًا حرًا. من قوة المفاجأة، تفلت أصابعك من الكأس، لكنه -في نظرك- لا يسقط على الإطلاق؛ وكأنه هو أيضاً اندهش ونسي أنه لا بد أن يسقط..

السقوط أو عدم السقوط
من الواضح أن المصعد يسقط بالنسبة للمراقب الخارجي، لكن جميع مكونات المصعد الأخرى تسقط معه، لذلك لا يسقط بالنسبة لهم. تعمل الجاذبية أيضًا (في هذه الحالة سينتهي عملها بكارثة)، ولكن في الإطار المرجعي للمصعد، الذي هو في حالة سقوط حر، يختفي الوزن.
وأنت، الذي قررت التوقف عن الاقتراب في المصعد وبدلاً من ذلك صعدت على الميزان قبل حدوث العطل مباشرة للتحقق من وزنك، منذ اللحظة التي بدأ فيها المصعد في السقوط الحر، ينخفض ​​الميزان أسفل قدميك مباشرةً، بحيث الجسم لا يضغط على الزنبرك المثبت فيه، وبالتالي تشير اليد إلى 0.

حقا انعدام الوزن
من المهم التأكيد: منذ اللحظة التي يبدأ فيها السقوط الحر، لم يعد جسمك يضغط على قدميك، ومعدتك على الحوض، ورأسك على رقبتك؛ أن تقول: أنت عديم الوزن حقًا، وهذا ليس وهمًا. وإذا قمت بتنشيط عضلات ساقيك ودفعت التوازنات الزنبركية بقوة، فستتحرك اليد للحظة، بينما ستدفع أنت -بحسب قانون نيوتن الثالث- إلى الأعلى وتطفو في المصعد!
يُعرف الوضع الذي تتعرض له مكونات المركبة الفضائية وأفرادها في الأدبيات المهنية بالجاذبية الصغرى. وهنا مكان التعليق على مسألة التسميات التي نتناولها في هذا الباب. تجدر الإشارة إلى أمرين حول هذه التسمية: أولاً، "الصغرى" هنا بمعنى صغير بشكل عام (مثل المجهر)، وليس بالضرورة بالمعنى العلمي الكمي - جزء من المليون.

بحاجة للبقاء بعيدا
ومن أجل الوصول إلى الجاذبية الصغرى الحقيقية، أي - أن قوة الجذب (الجاذبية) لمحطة الفضاء الدولية لن تصل إلا إلى واحد على المليون من قيمة جاذبيتها التي نتعرض لها كالعادة، يجب علينا أن نتحرك أكثر من 6 ملايين كيلومتر من محطة الفضاء الدولية وهي مسافة لم تقترب منها أي مركبة فضائية مأهولة - 17 مرة وأكثر من المسافة إلى القمر.
لكن أبعد من ذلك، فإن مفهوم الجاذبية الصغرى في حد ذاته قد يكون مضللاً، لأن الجاذبية تشبه الجاذبية، وقد رأينا بالفعل أن الجاذبية في مدار المكوكات والمحطات الفضائية ليست صغيرة على الإطلاق، ولكنها ملحوظة للغاية. كالعادة، يستخدم هذا المصطلح لوصف الحالة التي يكون فيها الوزن ضئيلًا، ولكن الجاذبية ملحوظة.
الجاذبية الصغرى بمعنى انعدام الوزن (مع خطورة كبيرة) هي حالة طال الباحثون في مختلف المجالات لتحقيقها، كما رأينا بالفعل، وكذلك الفرق التي تدرب رواد الفضاء على الطيران والعمل في ظروف انعدام الوزن (في الرحلة إلى المريخ، ظروف الجاذبية الصغرى ستكون موجودة بالفعل).

كما هو الحال في مرافق الخريف
ويمكن تحقيق ذلك فوق الأرض، لفترات زمنية قصيرة، في مرافق الإسقاط (توجد في اليابان منشأة إسقاط على عمق 490 مترًا، والتي توفر ظروف انعدام الوزن لمدة 10 ثوانٍ تقريبًا) أو في رحلات القطع المكافئ الخاصة لأغراض البحث والتدريب. ، كما هو الحال في الطائرات النفاثة ذات المحركات الأربعة التي تستخدمها وكالة ناسا، تسمى طائرات KC-135، لأسباب مفهومة تمامًا نظرًا لمداراتها المكافئة، "مذنبات القيء".
خلال القطع المكافئ الواحد، من الممكن تحقيق ما يصل إلى 15 ثانية من انعدام الوزن بين مرحلة الصعود الحاد ومرحلة الهبوط. سواء في منشآت السقوط الحر أو في طائرات التدريب هذه، لا يتم تحقيق انعدام الوزن التام، ولا حتى الوزن الجزئي، ولكن يتم تخفيض الوزن إلى 1%، وكل هذا - كما رأينا بالفعل - في الجاذبية الكاملة. بينما في مسار القهوة تعمل الجاذبية ولكن لا يوجد وزن، الجاذبية الكاملة مع وزن صفر.
معرفة الإنسان والفضاء

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~49534084~~~187&SiteName=hayadan