Gyorskeresés

A súlytalanság; szabadesés 5615

 A súlytalanság 

A súlytalanság olyan állapot, amikor egy testre csak a nehézségi ($\approx $gravitációs) erő hat. Súlytalanság szigorú értelemben sosem valósítható meg, hiszen a légellenállási erő sosem küszöbölhető ki tökéletesen, ugyanis sem a legjobb földi vákuumgépekben, sem a csillagközi térben nincs tökéletes vákuum. A legjobb földi vákuumgépek a normál légnyomásnál ezermilliárdszor kisebb nyomást állítanak elő, tehát nem nullát. Ez azt jelenti, hogy szobahőmérsékleten egy $1\ \mathrm{cm^3}$‑es leszívott tartályban még van kb. 25 000 gázmolekula. De még a csillagközi térben is van nagyságrendileg 1 molekula $\mathrm{cm^3}$‑enként. A 150 milliárd USD‑ből épült Nemzetközi Űrállomás $400\ \mathrm{km}$‑es keringési magasságában pedig kb. 100 millió molekula van $\mathrm{cm^3}$‑enként. Ez akkora légellenállással jár a kb. $30\ 000\ \mathrm{\displaystyle \frac{km}{h}}$‑s keringési sebesség miatt, hogy az űrállomás folyamatosan lassul, és naponta 100 métert (!) veszít a magasságából. Emiatt időnként (rakéták begyújtásával) vissza kell állítani a keringési magasságot.

A gyakorlatban ezért már súlytalanak tekinthetjük (vagyis jó közelítéssel igaz rájuk a súlytalanság kritériuma) az olyan testeket, melyre a nehézségi erőn kívül bár hatnak egyéb erők, de azok a nehézségi erőhöz képest elég kicsik, vagy ahogy mondani szokás: elhanyagolhatóan kicsik. Ilyen például egy (nem túl nagy magasságból) elejtett, vagy nem túl nagy sebességgel eldobott kavics vagy csapágygolyó. Viszont egy tollpihe már néhány cm magasból ejtve is már nagyon nincs súlytalanság állapotában, hiszen a rá ható légellenállási erő már ugyanolyan nagyságú, mint a rá ható nehézségi erő. Ezért a két erő kioltja egymást, és a tollpihe gyorsulása nulla lesz, vagyis állandó sebességgel fog süllyedni.

Ugyancsak jó közelítéssel súlytalanság állapotában van egy ember, aki nem túl nagy magasságból leugrott valamiről (például egy asztalról vagy egy székről), vagy aki felfelé elrugaszkodott a talajtól (felugrott a levegőbe). Mármint azokra a tizedmásodpercekre van súlytalanságban, amíg a lába nem érintkezik a talajjal.

De ne legyünk ennyire önimádók, emberközpontúak: egy paci is tudja magát súlytalanság állapotába juttatni (sőt, nemcsak magát, hanem egyúttal a lovasát is).

A súlytalansággal kapcsolatos gyakori téves elképzelés, hogy olyankor van súlytalanság állapotában egy test, ha nem hat rá gravitációs erő, illetve ha csak elhanyagolhatóan kicsi a rá ható gravitációs erő. Ezt a téves elképzelést erősíti, hogy a súlytalanság szinonimájaként szokás a mikrogravitáció kifejezést használni. Könnyen meggyőződhetünk róla, hogy ez hibás gondolat. A Föld körül keringő Nemzetközi Űrállomás belsejében "súlytalanul lebegő" űrhajósok kb. $400\ \mathrm{km}$ magasan keringenek a Föld felszíne felett, míg a Föld sugara ennél kb. 16‑szor nagyobb: $6370\ \mathrm{km}$. Ezért egy űrhajósnak a Föld tömegközéppontjától vett távolsága csupán $5\unicode{x2013} 6\ \%$‑kal nagyobb, mint a Föld felszínén lévő sok milliárd ember távolsága a Föld középpontjától. Így az űrállomáson az űrhajósokra ható gravitációs vonzóerő csak $10\unicode{x2013} 12\ \%$‑kal kisebb, mint amikor éppen nincsenek az űrállomáson, hanem lent vannak a Föld felszínén. Tehát a Föld körül keringű űrhajókban nem azért van súlytalanság, mert ott a Föld gravitációs vonzása nagyon kicsi lenne. Az űrhajósokra és az űrhajóra majdnem ugyanakkora gravitációs vonzóerő hat, mintha hétköznapi emberként a talajon állnának. Ez a jelentős gravitációs vonzóerő (mint minden erő, aminek hatását nem oltja ki másik erő) a sebesség megváltozását okozza. De ez a sebességváltozás nem abból fog állni (kör alakú keringési pálya esetén), hogy az űrhajós sebessége nőni vagy csökkenni fog tőle, hanem mindig csak a sebesség irányát változtatja meg. Ez amiatt van, mert a gravitációs erő minden pillanatban pont merőleges a körpályán keringő testek (űrhajósok) pillanatnyi sebességre:

Az űrállomás és az űrhajósok együtt görbe vonalú pályán zuhannak, akár egy elhajított kő, csak a pálya íve pont olyan alakú, mint a Föld alakjának íve. Ehhez persze hatalmas érintő irányú sebesség szükséges (kb. $30\ 000\ \mathrm{\displaystyle \frac{km}{h}}$, ez az 1. kozmikus sebesség). Úgy is szokták mondani, hogy az űrhajósok, műholdak állandóan "körbezuhanják" a Földet.

A súlytalanság állapotára a "mikrogravitáció" fogalmát használni gyakori, elterjedt dolog, de legyünk tisztában vele, hogy képzavar.
 

 A szabadesés 

A szabadesés és a súlytalanság szinonimák.
 

 Ejtőernyős ugrás 

Az egyszerűség kedvéért vegyük úgy, mintha az ejtőernyős egy álló járműből (helikopterből) ugrik ki (általában vízszintesen mozgó repülőgép hátuljából ugranak ki, vagy magas épületről, szikláról ugranak le). A kiugrás után kis idővel az ejtőernyősnek még kicsi a sebessége, emiatt a rá ható légellenállási erő még kicsi, vagyis elhanyagolható a rá ható nehézségi erőhöz képest. Az ejtőernyős emiatt $g$ nehézségi gyorsulással zuhan. De a sebessége rohamos ütemben nő, márpedig a légellenállás a sebesség négyzetével arányos, így a zuhanása során gyors ütemben nő a légellenállási erő. Kb. $10\unicode{x2013} 20\ \mathrm{másodperc}$ múlva a légellenállási erő már olyan nagy lesz, mint a nehézségi erő, ekkor az ejtőernyűs már nem gyorsul tovább, hanem állandó sebességgel, az ún. egyensúlyi sebességgel (angolul terminal velocity vagyis végsebesség a neve) zuhan tovább. Mivel a légellenállási erő függ a testnek a sebességre merőleges méretétől, alakjától a felületét anyagától, a levegő sűrűségétől és a sebesség négyzetétől:

\[F_{\mathrm{légell}}=\frac {1}{2}\cdot k\cdot A\cdot \varrho\cdot v^2\]

(lásd majd a 35. közegellenállás leckében) ezért a konkrét helyzettől függ, hogy mekkora. Egy átlagos testalkatú, átlagos ruházatú embernél, hassal a Föld felé, széttárt végtagokkal ez kb. $200\ \mathrm{\displaystyle \frac{km}{h}}$. Behúzott végtagokkal, függőleges helyzetben, speciális ruházatban $480\ \mathrm{\displaystyle \frac{km}{h}}$. Nagyon nagy magasságból indulva (pl. Felix Baumgartner majdnem $40\ \mathrm{km}$ magasból ugrott ki) a jóval ritkább légkörben nagyobb sebesség is elérhető (Baumgartnernek $1357\ \mathrm{\displaystyle \frac{km}{h}}$‑s sebességet iskerült elérnie).

Tehát az ejtőernyős ugrásnak csak a legeleje, az első néhány tizedmásodperc tekinthető szabadesésnek, a többi már nem.