A súlytalanság
A súlytalanság olyan állapot, amikor egy testre csak a gravitációs erő hat (a valódi erők közül).
(A nehézségi erő és a gravitációs erő viszonyáról itt találhatók továbbiak). Súlytalanság szigorú értelemben sosem valósítható meg, hiszen a légellenállási erő sosem küszöbölhető ki tökéletesen, ugyanis sem a legjobb földi vákuumgépekben, sem a csillagközi, vagy intergalaktikus térben nincs tökéletes vákuum. A legjobb földi vákuumgépek a normál légnyomásnál ezermilliárdszor kisebb nyomást állítanak elő, tehát sosem nullát. Ez azt jelenti, hogy szobahőmérsékleten egy jól vákuumozott tartály minden egyes $1\ \mathrm{cm^3}$‑ben is 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 (ISS) $400\ \mathrm{km}$‑es keringési magasságában pedig kb. 100 millió molekula van $\mathrm{cm^3}$‑enként. Ez akkora légellenállással jár a kb. $28\ 000\ \mathrm{\displaystyle \frac{km}{h}}$‑s keringési sebesség miatt, hogy az űrállomás folyamatosan lassul, és naponta 100 métert veszít a magasságából. Emiatt időnként (rakéták begyújtásával) vissza kell emelni a keringési magasságát.
Mindezek miatt a gyakorlatban már súlytalanak tekinthetjük az olyan testeket, melyre a nehézségi erőn kívül ugyan hatnak egyéb erők, de azok a nehézségi erőhöz képest kicsik, ezért a hatásuk elhanyagolható. Ilyen például egy (nem túl nagy magasságból) elejtett kavics vagy csapágygolyó. Viszont egy tollpihe már néhány cm zuhanás után sincs súlytalanság állapotában, hiszen a rá ható légellenállási erő röviddel az elejtést követően már ugyanolyan nagyságú, mint a rá ható nehézségi erő. Ezért a két erő kioltja egymást, így eredő erő hiányában a tollpihe gyorsulása nulla lesz, vagyis állandó sebességgel fog süllyedni.
Ugyancsak jó közelítéssel súlytalanság állapotában van egy ember, aki nem túl nagy magasságból leugrik egy asztalról vagy székről, illetve 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).
Súlytalanság tévhitek
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. 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.
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 növekedni vagy csökkenni fog, hanem a sebesség iránya változik. Ez amiatt van, mert a gravitációs erő minden pillanatban pont merőleges a körpályán keringő testek (űrhajósok) pillanatnyi sebességre:
Az űrállomás (és benne az űrhajósok is) görbe vonalú pályán zuhannak, akár egy elhajított kő, csak a pálya íve pont olyan alakú, ívű, hogy ezen haladva a Föld felszínétől állandó távolságban maradnak. Ez elsőre furcsa, mert egy vízszintesen eldobott kavics folyamatosan közeledik a földfelszínhez. De egy puskagolyó már csak alig. Ahhoz, hogy az űrállomás úgy zuhanjon, hogy a távolsága ne változzon, hatalmas érintő irányú (vízszintes) 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 szabadesés
A szabadesés és a súlytalanság szinonimák.
Mikrogravitáció
Súlytalanság állapotába hosszabb időre (legalább percekre) csak az űrhajósok tudnak kerülni, akik leggyakrabban alacsony Föld körüli pályán keringenek. Azonban ilyenkor csak közelítőleg igaz, hogy a gravitációs erőn kívül nem hat rájuk semmilyen erő, hiszen számos egyéb erő is hat az űrállomásra:
- a nagyon ritka földi légkör légellenállása
- a Napból jövő elektromágneses sugárzás sugárnyomása
- időnként a hajtőművek pályaemelése, forgatása
Ezek az effektusok egy űrhajósra nézve a földfelszíni nehézségi erőhöz képest kicsik, vagyis az egész végül is olyan, mintha nem lenne gravitáció, csak némi kis (mikro) erők hatnának az űrhajósokra és a a berendezésekre. Emiatt az ISS-en uralkodó viszonyokat mikrogravitációnak szokás nevezni.
Az ejtőernyős ugrás nem szabadesés?
Az egyszerűség kedvéért vegyük úgy, hogy az ejtőernyős ugrást egy álló járműből hajtják végre (leggyakrabban vízszintesen mozgó repülőgépből ugranak ki). 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, ezért az ejtőernyős jó közelítéssel $g$ nehézségi gyorsulással zuhan, a mozgása jó közelítéssel szabadesésnek vehető. De a sebessége rohamos ütemben nő, márpedig a légellenállás a sebesség négyzetével arányos, így a zuhanása során gyors ütemben növekszik a légellenállási erő. Kb. $10\unicode{x2013} 20\ \mathrm{másodperc}$ múlva a légellenállási erő már olyan nagy lesz, mint az ejtőernyős ugró emberre ható nehézségi erő, ekkor az ejtőernyős már nem gyorsul tovább, hanem állandó sebességgel, az ún. egyensúlyi sebességgel zuhan tovább (angolul ez terminal velocity vagyis végsebesség). 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 sikerült elérnie).
Tehát az ejtőernyős ugrásnak csak a legeleje, az első néhány tizedmásodperc tekinthető szabadesésnek, a többi már nem.
Aki ennél hosszabb súlytalanságra vágyik, annak több lehetőség is kínálozik:
- 20 millió dollárért az orosz űrügynökség bárkit felvisz alacsony Föld körüli pályára rakétával (ha egészsges és végigcsinálja a kiképzést)
- a ZERO-G nevű amerikai cég 20-30 másodpercekre súlytalanság állapotába juttatja a repülő teljes rakterét
- az űrturizmussal foglalkozó cégek (Blue Origin, Virgin Galactic stb) szolgáltatását veszi igénybe