godzina...

Siła grawitacji i przeciążenia

Jedną z podstawowych sił działających w przyrodzie jest grawitacja. Siłę tę, w przeciwieństwie na przykład do oddziaływań jądrowych, można bardzo łatwo zaobserwować. Na przykład dojrzałe jabłka stają się coraz cięższe. W pewnym momencie są już na tyle duże, że siła ciężkości odrywa je od drzewa i spadają na Ziemię. Podobnie wygląda sprawa z rzucaniem piłki. Jeśli rzucimy ją do góry, w pewnym momencie zatrzyma się i zacznie spadać w dół.

Z działania siły grawitacji nie zdajemy sobie sprawy, choć w każdym momencie ją odczuwamy. Jest to siła grawitacji Ziemi, tak zwane przyciąganie Ziemskie lub siła ciężkości. Jest to właściwość wszystkich cząstek, które posiadają masą. Właśnie grawitacje jest jedyną siłą, zdolną utrzymać w całości Układ Słoneczny czy cały Wszechświat.

 Bardzo intuicyjne wydaje się, że im cięższy jest przedmiot, tym szybciej powinien on spadać. Przez wiele tysiącleci uczeni byli przekonani, że tak właśnie jest. Pierwszym, który zdał sobie sprawę z błędności tego poglądu był Galileusz. Według legendy wykonywał on pokazy, zrzucając ze szczytu krzywej wieży w Pizie przedmioty. Spuszczał na dół dwa ciężarki, lekki i ciężki, i udowadniał, że spadają w tym samym czasie. To doświadczenie Galileusza było pierwszym dowodem na to, że na wszystkie ciała działa taka sama siła ciężkości, choć wtedy takie pojęcie nie było jeszcze znane. Galileusz nie mógł zmierzyć, z jakim przyspieszeniem porusza się ciało. Gdyby mu się to udało, odkryłby, że rzucane przez niego ciężarki poruszały się z przyspieszeniem równym około 9,8 m/s². Takie niezwykłe zjawisko zostało wytłumaczone później przez Newtona.

Czasami wydaje się, że nie jest to prawda, ponieważ jeżeli puścimy swobodnie piórko lub kawałek kartki, to spadnie ona znacznie wolniej niż kamyk. Jeżeli jednak przeprowadzimy to doświadczenie w tubach próżniowych, to przekonamy się, że jeżeli nie ma powietrza, piórko i kamyk spadają z takim samym przyspieszeniem. Sugeruje to, że oprócz siły ciążenia na ciała może też działać jakaś inna siła, która przeciwdziała ich ruchowi. Ogólnie siłę taką nazywa się oporem. W przypadku piórka jest to opór powietrza, wynikający z tego, że powietrze, choć dla nas bardzo rzadkie, dla niektórych ciał może być wystarczająco gęste, aby stawiać opór. Im bardziej gęste jest ciało, tym mniejszy opór jest mu w stanie stawić powietrze.

Opisane powyżej zjawiska były bardzo dobrze znane przez uczonych, jednak nie potrafili oni w żaden sposób ich wytłumaczyć logicznie. W roku, gdy zmarł Galileusz, narodził się inny genialny uczony, który zrewolucjonizował sposób patrzenia na świat - Izaak Newton. Był to pierwszy uczony, który dokładnie przetłumaczył prawa przyrody na język matematyki, dając początek współczesnej fizyce.

Według legendy tym, co zainspirowało Newtona do pracy nad teorią grawitacji, a następnie opracowaniem całej dynamiki, było jabłko, które spadło mu na głowę, gdy siedział pod jabłonią. Udało mu się dojść do wniosku, że ta sama siła, która ściągnęła jabłko z drzewa, utrzymuje na naszej orbicie Księżyc. Zjawisko to jest podobne do kręcenia nad głową kamieniem, uwiązanym na sznurku. My jesteśmy Ziemią, kamień jest Księżycem a sznurek obrazuje siłę ciężkości. Jeżeli puścimy w pewnym momencie sznurek, kamień poleci po linii prostej. Tak samo stałoby się z Księżycem, gdyby siła ciężkości przestała nagle działać - zacząłby on uciekać po linii prostej daleko w przestrzeń kosmiczną.

Wszystkie ciała, posiadające masę, mają siłę ciężkości. Im większe jest ciało, tym silniej może przyciągać inne ciała. Siła ciężkości Słońca jest tak olbrzymia, że utrzymuje razem cały układ Słoneczny. Gdyby ona również przestała działać, Ziemia i inne planety odleciałyby gdzieś daleko w przestrzeń kosmiczną. Taka sama sytuacja jest w przypadku innych układów planetarnych, a także galaktyk, gromad galaktyk, mgławic itd. Na przykład tym, co utrzymuje razem naszą Galaktykę, jest olbrzymia czarna dziura w jej centrum. Ma ona tak wielką masę, że jest w stanie zgromadzić wokół siebie tak liczne ciała niebieskie i to na tak wielkich odległościach.

Newton rozważał wszystkie takie zjawiska i w końcu udało mu się je zapisać w języku matematyki, w postaci prawa powszechnego ciążenia. Mówi ono, że wzajemna siła przyciągania dwóch ciał zależy od iloczynu ich mas i jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu dzielącej je odległości. Tak więc dwa ciężkie ciała przyciągają się znacznie silniej niż ciało ciężkie i lekkie. W dodatku siła ciężkości znacznie silniej zależy od wzajemnej odległości ciał, niż od ich mas. Dwukrotna zmiana odległości powoduje, że siła ciężkości zmienia się aż czterokrotnie.

Wyprowadzony przez Newtona wzór nie jest prawdziwy tylko dla ciał niebieskich. Stosuje się on do wszystkich ciał posiadających masę. Tu pojawia się pewien problem - przyzwyczailiśmy się zamiennie używać pojęć masa i ciężar. W jeżyku potocznym oznaczają one to samo, jednak w języku fizyki znaczą zupełnie co innego. Masa to pewna bezwzględna wielkość, która określa, ile materii jest w danym obiekcie. Masa ciała nie zmienia się, czy jest ono na Ziemi, na statku kosmicznym czy też w pobliżu czarnej dziury. Wielkością, która zależy od masy ciała i masy innego ciała, które działa na nie siłą grawitacji, jest ciężar. Tym, co odczuwamy na Ziemi i określamy jako masa jest właśnie ciężar. Jeżeli polecimy na Księżyc, nasza masa nie zmieni się, jednak gdy staniemy tam na wagę będziemy ważyć znacznie mniej. Wynikiem tego jest to, że Księżyc ma znacznie mniejszą masę niż Ziemia. A więc nasz ciężar, zgodnie z prawem powszechnego ciążenia, jest odpowiednio mniejszy. Tak więc należy pamiętać, że tym, co odczuwamy na co dzień nie jest nasza masa, a jedynie ciężar, i w zależności od tego, gdzie będziemy się znajdować, nasz ciężar może być różny. W pobliżu czarnej dziury, której masa jest niewyobrażalnie duża, nasz ciężar byłby tak wielki, że zostalibyśmy zmiażdżeni i wchłonięci przez czarną dziurę.

Siła ciężkości, znana ludziom od bardzo dawna, jest siłą utrzymującą razem wszystkie ciała we Wszechświecie. Zależy ona od odwrotności kwadratu odległości dwóch oddziałujących ze sobą ciał. Wynika z tego, że oddalając się od Ziemi, działa na nas coraz mniejsza siła ciężkości - odległość między dwoma ciałami liczy się zawsze względem ich środków. Zmiany siły ciężkości nawet po wejściu na Mount Everest nie są duże. Jednak już w przypadku lotu samolotem, czy podróży kilkaset tysięcy kilometrów nad powierzchnię Ziemi, zmiany siły ciężkości stają się bardzo wyraźne. Tak więc im wyżej jesteśmy, tym, mniejsza siła jest potrzebna, aby Ziemia nie przyciągnęła nas ż powrotem. Dzięki temu na orbicie okołoziemskiej możliwe jest utrzymywanie satelitów, które nie muszą poruszać się z bardzo dużymi prędkościami. Na takiej samej zasadzie utrzymywana jest na orbicie stacja kosmiczna. Mówi się o astronautach, że podczas przebywania na orbicie są w stanie zero - g, czyli tak, jakby nie działało na nich przyciąganie Ziemi. Oczywiście taki stan jest tylko pozorny i wynika z działania siły bezwładności w nieinercjalnym układzie, jakim jest stacja kosmiczna. Zjawisko to jest też wykorzystywane do sztucznego wytwarzania grawitacji - jeśli stacja kosmiczne kręci się dookoła własnej osi z odpowiednią prędkością, to możliwe jest wytworzenie na tyle dużej siły bezwładności, że astronautom będzie się wydawało, że działa na nich siła ciężkości.

Wszyscy wiemy z lekcji fizyki, że na Ziemi działa na nas siła ziemskiej grawitacji, która przyciąga nas w dół. Dzięki temu nie fruwamy w powietrzu, tylko możemy spokojnie chodzić. Siła grawitacji, inaczej zwana siłą ciężkości, działa zawsze pionowo w dół, w kierunku do środka Ziemi. Ludzie nauczyli się żyć z siłą grawitacji i w żaden sposób jej nie odczuwają. Nasze organizmy tak się przystosowały, aby siła grawitacji Ziemi była dla nas naturalna. Jednak zdarzają się wypadki, kiedy możemy odczuwać znacznie większą siłę ciężkości. Takie zjawisko nazywa się przeciążeniem. Powstaje ono na przykład w startującej rakiecie kosmicznej. Astronauci, zamknięci w przyspieszającej z dużym przyspieszeniem rakiecie, odczuwają działanie siły bezwładności, o takiej samej wartości jak siła, która napędza rakietę, jednak przeciwnie skierowanej. Ta siła sumuje się z siłą grawitacji i daje w wyniku bardzo dużą siłę odczuwaną przez astronautów, która "wbija" ich w fotele. W początkowych lotach kosmicznych astronauci odczuwali przeciążenie nawet 10 razy większe niż siła ciężkości. Oznacza się to 10 g. Tak duża siła całkowicie uniemożliwiała im poruszenie się. Mało który człowiek jest w stanie wytrzymać tak olbrzymią siłę, dlatego wraz z rozwojem lotów kosmicznych zaczęto szukać takich rozwiązań, aby jak najbardziej zmniejszać przeciążenia. Na przykład w wahadłowcach przeciążenie podczas startu wynosi zaledwie 3 g. Podobną siłę może odczuć każdy z nas, jeśli wybierze się do dobrego wesołego miasteczka i przejedzie się kolejką górską, tzw. roller - costerem. Dzięki takiemu ograniczeniu przeciążenia zwykli ludzie (za odpowiednią opłatą) mogą się wybrać na wycieczkę w kosmos.

Oprócz przeciążeń, na astronautów czeka wiele innych niebezpieczeństw. Jednym z najbardziej niebezpiecznych jest wychodzenie w otwartą przestrzeń w celu dokonania napraw. Wiadomo, że w przestrzeni kosmicznej panuje praktycznie zupełna próżnia, nie ma tam powietrza do oddychania ani ciśnienia. Dodatkowo cała próżnia jest przeszywana śmiertelnie niebezpiecznym promieniowaniem jonizującym pochodzącym ze Słońca i z przestrzeni międzygwiezdnej. Należy też zdawać sobie sprawę, że w próżni światło słonecznie nie jest w żaden sposób osłabiane, i dlatego odczuwamy je znacznie inaczej niż tu na Ziemi. Ze względu na bardzo duże natężenie staje się ono bardzo niebezpieczne. Natomiast gdy nie ma światła słonecznego, próżnia bardzo szybko ochładza się nawet do temperatury - 150°C. Aby przetrwać w tym środowisku pełnym zagrożeń, astronauci muszą być wyposażeni w specjalne ubrania ochronne, tzw. skafandry kosmiczne. Już w czasie pierwszych lotów kosmicznych stosowano skafandry, jednak były to bardzo prymitywne skafandry, przerobione ze skafandrów ciśnieniowych. Coraz lepsze technologie zaczęto stosować, gdy zaczęły się wyjścia astronautów w przestrzeń kosmiczną. Były to skafandry wielowarstwowe, do których tlen doprowadzano ze statku za pomocą długiego przewodu, tzw. pępowiny. Pępowina chroniła dodatkowo astronautę przed odleceniem daleko od statku. Przełomowym momentem w konstrukcji skafandrów było wprowadzenie przez amerykanów skafandra wielowarstwowego o nazwie Apollo, który powstał w wyniku przygotowań do lądowania na księżycu. Miał on umożliwić długotrwałe przebywanie w przestrzeni kosmicznej. Obecnie stosuje się jeszcze lepsze skafandry. Są one dwuczęściowe ("spodnie" oraz część górna). Obydwie części łączy się w pasie za pomocą bardzo ścisłego uszczelnienia. Dzięki takiemu rozwiązaniu bardzo łatwo można skafander zakładać. Ubranie się astronaucie wychodzącemu w przestrzeń zajmuje nie więcej niż 10 minut. Ponadto każda z części skafandra składa się z wielu warstw, które chronią astronautę przed zagrożeniami występującymi w przestrzeni kosmicznej. Aby astronauta nie odczuwał próżni, w skafandrze jest odpowiednia warstwa ciśnieniowa, do której podaje się tlen. Jest to najbardziej wewnętrzna warstwa. Następną warstwą, utrzymującą odpowiednią temperaturę, są chłodzone wodą spodnie. Astronauta ma też na sobie aluminiową ramę z przymocowanym urządzeniem regulującym skład powietrza, jakim oddycha, a także dostarczające zasilanie oraz chłodną wodę. Astronauta w przestrzeni kosmicznej oddycha praktycznie czystym tlenem, dlatego jest konieczne, aby przed wyjściem ze statku przez około dwie godziny oddychał czystym tlenem w celu przystosowania. W przeciwnym razie mogłoby dojść do dekompresji, gdyż tlen w skafandrze jest pod zmniejszonym ciśnieniem.

Cały proces wyjścia w kosmos astronauty przebiega następująco: kosmonauta ubiera się w skafander w śluzie powietrznej, która znajduje się na środkowym pokładzie. Z komory powietrznej przechodzi przez odpowiedni luk do komory ładunkowej. Przebywając tam musi on korzystać z zabezpieczenia liną. Aby przemieszczać się w otwartej przestrzeni, musi mieć odpowiedni napęd. W próżni nie ma powietrza, a więc nie da się po prostu "odepchnąć". Astronauci mają do tego celu odpowiedni silniczki odrzutowe, które mogą nie tylko przyspieszać, ale i hamować.

Innym, podobnym do przeciążenia, choć zupełnie przeciwnym zjawiskiem, jakiego dostarczają astronauci, jest stan nieważkości. Nazwa ta wzięła się stąd, że w tym stanie wydaje się, że żadne ciało, w tym nasze, nic nie waży. Wydaje się czasem, że przyczyną tego stanu jest brak siły ciążenia, która nadaje naszym ciałom odczuwaną masę. Jednak nie jest to prawda, ponieważ siła przyciągania Ziemi nie kończy się wraz z atmosferą, ale rozciąga się na całą przestrzeń. Na przykład utrzymuje tak wielkie ciało jak księżyc na orbicie. Stan nieważkości wynika stąd, że wszystkie statki kosmiczne, podróżujące w kosmos, nie są tak naprawdę w otwartej przestrzeni, ale stale poruszają się po orbicie. Siłą zakrzywiającą tor ich ruchu jest siła ciężkości. Astronauci nie odczuwają jej jednak, gdyż w wyniku przyspieszenia dośrodkowego działa na nich siła bezwładności, tzw. siła odśrodkowa. Dla astronauty obydwie te siły równoważą się, i dlatego nie odczuwa on żadnego przyciągania. Stan, w którym statek kosmiczny porusza się dookoła Ziemi jest nazywany spadaniem swobodnym.

Bardzo łatwo jest nam wyobrazić sobie stan nieważkości, jednak często nie zdajemy sobie sprawy, jakie tak naprawdę konsekwencje dla astronautów ma przebywanie w takim stanie. Nie jest możliwe picie, ponieważ płyn nie spływa naturalnie w "dół", tak jak jesteśmy przyzwyczajeni. Po prostu w ogóle się nie porusza. Nie da się także oddawać moczu, do spłukiwania odchodów niezbędny jest strumień powietrza. Bardzo skomplikowana staje się także praca z różnymi urządzeniami, gdyż każde dotknięcie klawisza powoduje odepchnięcie się - nawet tak mała siła jest odczuwalna w stanie nieważkości. Oprócz takich niedogodności, stan nieważkości powoduje także bardzo poważne zmiany w organizmie, który jest przystosowany do odczuwania siły ciężkości. Na szczęście regularne ćwiczenia pozwalają ograniczyć złe skutki nieważkości, choć mimo to wielu astronautów po długich okresach w kosmosie regenerowało się ponad rok, zanim ich organizm powrócił do normalnego stanu.