Fagstoff

Fritt fall, vektløshet, mikrogravitasjon

Publisert: 27.01.2010
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut
Illustrasjon fra Jules Vernes roman Fra jorda til månen. Passasjerene i romfartøyet opplever vektløshet for første gang, noe som var ren science fictiIllustrasjon fra Jules Vernes roman "Fra jorda til månen". Passasjerene i romfartøyet opplever vektløshet for første gang, noe som var ren science fiction da romanen ble skrevet i 1865.

 

 

 

 

 

 

 

Vektløshet under parabelflyvningVektløshet under parabelflyvning.
Opphavsmann: NASA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vektløshet i Spacelab.Vektløshet i Spacelab.
Opphavsmann: NASA

 

 

 

 

 

 

 


En person står i en heis – som er i ro, på en vekt som viser 80 kg. Vekten er egentlig en kraftmåler. Kraft og masse på jordoverflaten er proporsjonale. Tyngdeakselerasjonen er proporsjonalitets-faktoren. Personen utøver en kraft F = 80 kg · 9, 81m/s2 = 780 N som er tyngdekraften. Paradoksalt nok er det ikke tyngdekraften som gjør at vi føler oss tunge. Det er normalkraften som virker på oss. Settes heisen i bevegelse nedover føler vi oss lettere, selv om tyngdekraften er uforandret. Men normalkraften fra underlaget er mindre. Kappes heisevaieren er vi i fritt fall. Badevekten vil ikke vise noe utslag fordi vi ikke utøver noen kraft på den. Dermed har vekten heller ingen motkraft på oss. Da er det bare én kraft som virker på oss, og det er tyngdekraften. Når vi er i fritt fall er vi vektløse. Generelt kan vi si at ved vektløshet er det kun tyngde-kraften som virker. Det er vanskelig å realisere at ingen andre krefter er tilstede. Tilstanden med tilnærmet vektløshet kalles mikrogravitasjon. Selve ordet skulle tilsi at kreftene gir akselerasjoner i størrelsesorden 10−6 g , men uttrykket brukes også når forstyrrelsene fører til akselerasjoner med opptil 10−3 g (altså egentlig “milligravitasjon”).

 

g-forstyrrelser i en romferge
Kilde Størrelsesorden
Oppskytingen 2 – 3 g
Banekorreksjoner 10−3g til 0, 5g
Vibrasjoner i skroget (kjøleskap, sentrifuger) og bevegelse til astronautene,
f.eks. trening,
10−2g
Kraftig pusting, hosting 2 · 10−3g
Nedbremsing pga. friksjon i atmosfæren (øker jo nærmere jorda romferga kretser og øker med størrelsen på overflaten til romferga som vendes i baneretningen) ca. 10–5 g i ca. 200 km høyde ca. 10−10g i 1000 km høyde

 

Hvordan kan man skape vektløshet?

Man kan bruke falltårn hvor luften i en sylinder pumpes ut. Eksperimentkapselen er i fritt fall i ca. 4,5 s, når fallhøyden i tårnet er 100 m. Etter ombygging i 2004 har man fordoblet tiden i falltårnet ved Universitetet i Bremen uten å endre tårnhøyden. Istedenfor å slippe eksperimentkapselen fra toppen starter man i bunnen av tårnet hvor en katapult gir kapselen starthastigheten som trenges for å nå toppen. Etter at kapselen har fått starfarten er det kun tyngdekraften som virker til den lander igjen. Den er altså i “fritt fall” både på vei opp og på vei ned.

En annen måte å oppnå tilnærmet vektløshet på er såkalte parabelflyvninger. Et fly akselererer bratt oppover før motorene slås av. Flyet følger en parabelbane. Så lenge motorene er slått av, er det kun tyngdekraften som virker på flyet, når vi ser bort fra
forstyrrelsene fra luftmotstanden. Perioden med tilnærmet vektløshet varer i ca. 20 – 25 sekunder og opptil ett minutt hvor eksperimentene kan utføres. Så slås motoren på igjen for å fange opp fallet og begynne på en ny parabel. Ofte flys det omtrent 25 parabler på en flytur.

I raketter oppnås det vektløshet, når motoren slutter å brenne. Også raketten beskriver en parabelbane. Varigheten for perioden med fritt fall er avhengig av hvor høyt raketten skytes opp. Her har man ca. 15 – 20 minutter til å gjennomføre mikrogravitasjons-eksperimenter.

Satellitter og dermed også romstasjoner og romfartøy i sirkelbane rundt jorda er kun påvirket av tyngdekraften. De er i fritt fall. Det betyr at det hersker konstant vektløshet.

 

Fordypning: Fysiske prosesser som forutsetter gravitasjonskraft.

 

 

Eksempel: Tyngdekraft ved vektløshet

En astronaut på 70 kg befinner seg om bord i romfergen som kretser i 250 km høyde rundt jorda.

  1. Hvor stor er tyngdeakselerasjonen i denne høyden?
  2. Hvilken tyngdekraft virker på astronauten?

 

Svar

  1. Vi bruker Newtons gravitasjonslov:
    $$ \begin{array}{rl}F &= m \cdot \frac{M \cdot \gamma}{r^2} = m \cdot \frac{M \cdot \gamma}{(R_j+h)^2}= m \cdot g_h\\ \Rightarrow g_h &= \frac{M \cdot \gamma}{(R_j+h)^2}\\ &= \frac{6,0 \cdot 10^{24} \mathrm{ kg} \cdot 6,67 \cdot 10^{-11} \frac{\mathrm{m}^3}{\mathrm{kg}\cdot\mathrm{s}^2}}{(6,37 \cdot 10^6+2,50 \cdot 10^5)^2\mathrm{ m}^2} = 9,1 \mathrm{ m/s}^2 \end{array}$$
    Tyngdeakselerasjonen er 9,1 m/s2. Men han kjenner ingen akselerasjon. Han får inntrykk av å være i ro.
  2. G = m · gh = 70kg · 9, 1m/s2 = 6, 4 · 102 N
    Tyngdekraften på astronauten er 640 N. Men fordi alt omkring ham faller med den samme farten opplever han vektløshet. Han er i fritt fall. Tyngdekraften er den eneste kraften som virker på ham. Normalkraften mangler.