Ja, es gibt Schwerkraft im Raum


Diese Woche habe ich mich niedergelassen, um die erste Episode von The 100 zu sehen. Wenn du die Show nicht gesehen hast, werde ich nur darauf hinweisen, dass sie in naher Zukunft stattfindet (obwohl sie lief, weiter das CW, in der nahen Vergangenheit). Aus Gründen, auf die ich nicht eingehen werde, gibt es ein Raumschiff mit einer Gruppe von Teenagern, die von einer Raumstation zur Erdoberfläche fliegen. Während des Wiedereintrittsprozesses möchte ein Kind zeigen, dass er der Meister der Raumfahrt ist und dass er großartig ist. Also, was macht er? Er steigt aus seinem Sitz und schwebt herum wie eine Demonstration seiner Beherrschung der Schwerelosigkeit. Ein anderer Teenager weist darauf hin, dass er ziemlich dumm ist – und dass er sehr bald verletzt werden wird.

OK, das ist genug von der Beschreibung der Szene, damit wir über Physik sprechen können. Der Punkt ist, dass ein Typ in der Raumsonde beim Wiedereintritt "herumschwebt".

Bevor ich diese kurze Szene überanalysiere, möchte ich einen Vorbehalt zu meiner Philosophie über Wissenschaft und Geschichten hinzufügen. Ich habe schon früher darüber gesprochen, also werde ich nur eine Zusammenfassung geben: Der wichtigste Job für einen Autor einer Show ist es, eine Geschichte zu erzählen. Wenn der Schreiber die Wissenschaft verzerrt, um die Handlung voranzutreiben – so sei es. Aber wenn die Wissenschaft korrekt sein könnte, ohne die Handlung zu zerstören, dann würde ich es natürlich vorziehen.

Auf zur Überanalyse!

Was verursacht die Schwerkraft?

Offensichtlich hat diese Szene mit der Schwerkraft zu tun, also sollten wir über die Schwerkraft sprechen – richtig? Kurz gesagt, die Schwerkraft ist eine fundamentale Wechselwirkung zwischen Objekten mit Masse. Ja, zwei Objekte, die Masse haben, haben eine Gravitationskraft, die sie zusammenzieht. Die Größe dieser Schwerkraft hängt von der Entfernung zwischen den Objekten ab. Je weiter die Objekte voneinander entfernt sind, desto schwächer ist die Gravitationskraft. Die Größe dieser Kraft hängt auch von den Massen der beiden Objekte ab. Größere Masse bedeutet eine größere Kraft. Als Gleichung würde dies geschrieben werden als:

In dieser Gleichung werden die Massen durch die Variablen m 1 und m 2 beschrieben und der Abstand zwischen den Objekten ist die Variable r . Aber das Wichtigste ist die Konstante G – dies ist die universelle Gravitationskonstante und hat einen Wert von 6,67 x 10 -11 Nm 2 / kg 2 2. Das scheint so wichtig zu sein, also lassen Sie mich ein Beispiel geben, auf das sich jeder beziehen kann. Angenommen, du stehst irgendwo und dein Freund ist direkt bei dir und du hast eine Unterhaltung. Da ihr beide Masse habt, zieht euch eine Gravitationskraft zusammen. Mit groben Annäherungen für Entfernung und Masse erreiche ich eine Anziehungskraft von 3 x 10 -7 Newtons. Um dies zu relativieren, ist dieser Wert ziemlich nah an der Kraft, die man fühlen würde, wenn man ein Salzkorn auf den Kopf legt (ja, ich habe einen ungefähren Wert für die Masse von einem Salzkorn).

So Die Gravitationskraft ist super winzig. Die einzige Möglichkeit, diese Kraft zu bemerken, ist, wenn eines der wechselwirkenden Objekte eine extrem große Masse hat – etwa so viel wie die Masse der Erde (5,97 x 10 24 kg). Wenn Sie Ihren Freund durch die Erde ersetzen und den Abstand zwischen Ihnen und Ihrer Freundin-Erde als Radius der Erde angeben, erhalten Sie eine Gravitationskraft von etwa 680 Newton – und das ist eine Kraft, die Sie fühlen können (und Sie tun

Gibt es Schwerkraft im Raum?

Nun zur wirklichen Frage. Warum schweben Astronauten im Weltraum herum, es sei denn, es gibt keine Schwerkraft? Es scheint, als gäbe es keine Schwerkraft im Raum – es wird sogar als "Schwerelosigkeit" bezeichnet. OK, ich habe das schon einmal beantwortet, aber es ist wichtig genug, um die Frage erneut zu stellen.

Die kurze Antwort ist "ja" – es gibt Schwerkraft im Raum. Schaue zurück auf die obige Gravitationsgleichung. Was ändert sich in dieser Gleichung, wenn du dich von der Oberfläche der Erde in den Weltraum bewegst? Der einzige Unterschied ist die Entfernung zwischen Ihnen und dem Mittelpunkt der Erde ( ). Mit zunehmender Entfernung nimmt die Gravitationskraft ab – aber um wie viel ändert sich die Gravitationskraft? Wie wäre es mit einer schnellen Schätzung?

Verwenden wir einen Erdradius von 6,371 x 10 6 Metern. Bei diesem Wert hätte eine Person mit einer Masse von 70 kg eine Anziehungskraft von 686,7 Newton. Wenn Sie sich jetzt auf die Orbitalhöhe der Internationalen Raumstation begeben, sind Sie 400 km weiter vom Zentrum entfernt. Mit dieser größeren Entfernung rechne ich ein Gewicht von 608 Newton. Dies sind etwa 88 Prozent des Wertes auf der Erdoberfläche (Sie können alle meine Berechnungen hier überprüfen). Aber Sie können sehen, dass die Schwerkraft im Raum deutlich ist.

Oh, hier sind einige zusätzliche Beweise. Warum umkreist der Mond die Erde? Die Antwort: Schwerkraft. Warum umkreist die Erde die Sonne? Ja, es ist Schwerkraft. In beiden Fällen gibt es einen beträchtlichen Abstand zwischen den beiden zusammenwirkenden Objekten – aber die Gravitation funktioniert auch im Weltraum immer noch.

Aber warum schweben Astronauten im Raum herum? Nun, sie schweben im Orbit umher – wenn ein supergroßer Turm ins All reicht, würden sie nicht herumschweben. Die "schwerelose" Umgebung wird durch die orbitale Bewegung der Menschen in einem Raumfahrzeug oder einer Raumstation verursacht. Hier ist der wahre Deal. Wenn die einzige Kraft, die auf einen Menschen wirkt, die Gravitationskraft ist, fühlt sich der Mensch schwerelos. Auf einem hohen Turm zu stehen, würde zu zwei Kräften führen (die Schwerkraft zieht nach unten und der Turm schiebt sich hoch). Im Orbit gibt es nur die Gravitationskraft, die zu diesem Gefühl der Schwerelosigkeit führt.

Eigentlich muss man nicht einmal im Orbit sein, um sich schwerelos zu fühlen. Sie können schwerelos sein, indem Sie die Gravitationskraft als das einzige auf sich wirken lassen. Hier ist eine Situation für Sie zu prüfen. Angenommen, Sie stehen in einem stationären Aufzug an der Spitze eines Gebäudes. Da Sie sich in Ruhe befinden, muss die Gesamtkraft Null sein. Das bedeutet, dass die abwärts gerichtete Schwerkraft, die nach unten gezogen wird, durch die nach oben drückende Kraft vom Boden ausgeglichen wird. Entferne nun die Kraft vom Boden. Ja, das ist schwierig, aber es kann erreicht werden. Lassen Sie den Aufzug mit der gleichen Beschleunigung beschleunigen wie ein frei fallendes Objekt. Jetzt wirst du in einen Aufzug fallen. Die einzige Kraft ist die Schwerkraft und du wirst schwerelos sein.

Manche Leute denken, dass dieser fallende Aufzug Spaß macht. Deshalb fahren viele Vergnügungsparks wie The Tower of Terror . Grundsätzlich kommt man in ein Auto, das von einem Turm herunterfällt. Im Herbst fühlt man sich schwerelos – aber man stürzt nicht unten ab. Stattdessen befindet sich das Auto auf einer Strecke, die sich etwas langsamer verlangsamt, als wenn es in den Boden einschlägt. Sie haben eine dieser Arten von Fahrten im NASA-Zentrum in Huntsville. Das ging mit meinen Kindern weiter – es war wirklich beängstigender, als ich es mir vorgestellt hatte.

Wie wäre es mit einem anderen Beispiel? Wenn Sie in einem Flugzeug sind und das Flugzeug mit einer Abwärtsbeschleunigung fliegt, wird jeder im Inneren schwerelos sein. Sogar ein Hund. Schau es dir an.

Am Ende scheint es ein großes Missverständnis über die Schwerkraft zu geben. Ich glaube, die Argumentation folgt so: Astronauten sind schwerelos im Weltraum. Es gibt keine Luft im Raum. Wenn also keine Luft vorhanden ist, gibt es keine Schwerkraft. Diese No-Air / No-Gravity Idee taucht die ganze Zeit in Filmen auf (nicht richtig).

So siehst du es: Irgendein Typ schwebt im Raum herum (das ist in Ordnung) und dann betritt er die Luftschleuse von ein Raumschiff, immer noch schwebend. Die Schleusentür schließt sich und Luft wird in die Kammer gepumpt und Boom – er fällt zu Boden, weil jetzt die Schwerkraft da ist.

So sollte es aussehen – aus dem epischen Film 2001: Eine Odyssee im Weltraum . SPOILER ALARM: Hal ist verrückt und wird die Türen der Gondelbucht nicht öffnen. Nicht einmal für Dave.

Wow. Diese Szene ist ziemlich perfekt. Sie haben gar kein Geräusch, bis die Luft hereinkommt.

Was passiert beim Wiedereintritt?

Nun zurück zu den Ereignissen in Die 100 . Die Szene findet nicht im Orbit statt, sie tritt beim Wiedereintritt auf. Dies ist der Teil, wo das Raumfahrzeug zurück in die Atmosphäre eintritt und auf eine Luftwiderstandskraft trifft (weil es Luft gibt). Lassen Sie mich mit einem einfachen Kraftdiagramm beginnen, das das Raumfahrzeug zu einem bestimmten Zeitpunkt während dieser Bewegung zeigt.

Dies ist offensichtlich nicht schwerelos. Ja, es gibt eine Gravitationskraft, die auf alles wirkt – aber es gibt auch diese Luftwiderstandskraft, die das Raumfahrzeug verlangsamen wird, wenn es sich abwärts bewegt. Wenn der Mensch im Raumfahrzeug bleiben wird, muss eine zusätzliche Kraft auf diesen Menschen wirken (vom Boden aus). Also, nicht schwerelos – tatsächlich würde der Mensch wegen der Beschleunigung mehr fühlen als die normale Gravitation mehr . Das weißt du aber schon, weil dir genau das in einem Aufzug passiert. Wenn der Aufzug nach unten fährt und zum Stillstand kommt, verlangsamt er sich ebenfalls. Während dieser Zeit fühlen Sie sich ein wenig schwerer, weil die Kraft vom Boden auf Sie drückt. Du bist nicht wirklich schwerer, du fühlst dich wegen der Beschleunigung einfach so.

Wieder gibt es ein anderes Filmbeispiel, in dem jemand diese Reentry-Physik richtig macht. Es ist von Apollo 13 . Prüfe es.

Bemerke, dass das Wasser von der Decke fällt. In diesem Fall bewegt sich die Kapsel schräg nach unten. Die Luftwiderstandskraft drückt jedoch in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung, wodurch das Raumfahrzeug langsamer wird. Aber was bremst das Wasser ab? Das Wasser haftet ein wenig an der Oberfläche – aber die Beschleunigung ist zu groß, um es dort zu halten, und es "fällt" auf den Astronauten zu. Man beachte, dass "Fallen" hier nicht direkt zur Erdoberfläche, sondern genau in die entgegengesetzte Richtung wie die Beschleunigung bedeutet.

Rückblick auf die Szene von Die 100 so könnte man es machen repariere die Szene – und es ist ziemlich einfach. Lassen Sie den kühnen schwimmenden Kerl umherziehen bevor er wieder eintritt. Dann fallen die anderen Jungs, sobald das Raumschiff mit der Atmosphäre zu interagieren beginnt. Das würde die Handlung nicht einmal ändern – und es wäre wissenschaftlich genauer.