ראשי > כללי > עצות מועילות לירידה במשקל! על מיקרו-גרביטציה

עצות מועילות לירידה במשקל! על מיקרו-גרביטציה

הרבה מאיתנו היו רוצים לפחות פעם אחת בחייהם להתגבר על כוח הכובד ולרחף כמו האסטרונאוטים בחלל. כבר עברתי מזמן את גיל 21 ולא הגעתי לירח. האם בכל זאת יש לי סיכוי?

למזלנו ישנה קבוצה של אנשים חשובים שגם הם מאוד מעוניינים להתגבר על כוח הכובד ולרחף כמו האסטרונאוטים בחלל ואלה הם האסטרונאוטים והחוקרים בסוכנויות החלל. כדי להגיע לרמה מבצעית גבוהה על האסטרונאוטים להתאמן בתנאים המדמים שהייה בחלל, ובפרט ריחוף בתנאי כבידה נמוכה. כמו כן, כדאי לבדוק בתנאים אלה את המכשירים והחומרים לפני ששולחים אותם לחלל.

אז איך עובדים מתקנים שמדמים כבידה נמוכה?

כדי להבין את עקרון הפעולה של מתקני מיקרו-גרביטציה, ראשית יש צורך להבין מהי כבידה, מהו משקל ולמה אסטרונאוטים מרחפים בחלל. התשובה לשאלה האחרונה עלולה להפתיע אתכם.

Foale_ZeroG
תמונה 1: אסטרונאוטים מרחפים בתחנת החלל. המקור לתמונה: נאס"א, דרך ויקיפדיה.

***

לפי המכניקה הניוטונית, כל שני גופים מפעילים כוח משיכה אחד על השני. עוצמתו של הכוח תלויה בערכי המסה של הגופים (מכפלה של שניהם), במרחק ביניהם (יחס ריבועי הפוך), ובקבוע פרופורציה כלשהו. כלומר הכוח שמושך אותי אל כדור-הארץ שווה בגודלו לכוח שמושך את כדור-הארץ אלי. ההבדל בינינו הוא בתאוצה.

גוף שעליו פועל כוח, מאיץ בקצב ששווה לערכו של הכוח חלקי המסה. כאשר אני נופל אל הקרקע, מהירות נפילתי גדלה בערך ב-10 מטרים-לשניה, כל שניה (ראו איור 2). תאוצה זאת מכונה 'תאוצת הכובד' ומסומנת באות g. בזמן נפילתי, כדור-הארץ אמנם חש באותו כוח אך נע בתאוצה זניחה מכיוון שהמסה שלו כל כך גדולה.

המפטי דמפטי נופל חופשית מהקיר2

איור 2: המפטי-דמפטי נופל מהקיר בתאוצה קבועה, היא תאוצת-הכובד (גרביטציה).

כאשר אני עומד על 'משקל', כלומר המכשיר שמודד משקל, כוח המשיכה עדיין עובד עליי אבל אני לא מצליח להאיץ כי המשקל קשיח ולא נותן לי לזוז. הכוח שמפעיל עלי המשקל ומונע את תנועתי הוא בעצם מידת המשקל שנמדדת, ששווה למסה שלי כפול תאוצת הכובד g. מכיוון שהתאוצה קבועה, מדידת המשקל שקולה למדידת המסה, וזה מה שבאמת מעניין אותנו. המסה פרופורציונית לכמות החומר, ואנחנו מעוניינים להכיל כמה שפחות חומר.

אז מה היה לנו? מדידת המשקל תלויה במסת הגוף, בתאוצת הכובד (כוח הגרביטציה) וביכולת של המכשיר המודד 'לתת קונטרה', כלומר להפעיל כוח נגדי ולעצור את התנועה של הגוף הנמדד. המסקנה הראשונה היא שעל הירח, למשל, המשקל נמוך יותר. מסתו של הירח קטנה יותר ולכן תאוצת הכובד קטנה יותר, כך שחוגת המשקל תראה קריאה נמוכה יותר לאותה כמות של מסה.

מדוע אסטרונאוטים מרחפים בחלל? נזכר שכאשר אנחנו רואים אסטרונאוטים מרחפים זה בתחנת החלל. השגיאה הנפוצה היא שהריחוף נובע מהעדר כוח משיכה. חישבו על זה כך, אם לא היה פועל כוח משיכה, מדוע ממשיכה תחנת החלל לנוע מסביב לכדור-הארץ ולא מתרחקת ממנו? התחנה נעה בממוצע במהירות עצומה של 27,600 קמ"ש. למעשה מה שקורה הוא שתחנת החלל והאסטרונאוטים בתוכה נופלים ללא הפסקה אל כדור-הארץ, אבל בגלל המהירות שבה נעה התחנה הם כל הזמן מחמיצים אותו. בכל רגע התחנה נופלת ומאבדת גובה עקב כוח המשיכה, אך בו זמנית נעה במהירות בכיוון משיק לפני הכדור וכך מתרחקת ממנו. וכך התחנה והאסטרונאוטים נופלים ונופלים בתנועה מעגלית.

Clayton_Anderson_zero_g
תמונה 3: אסטרונאוט מביט בבועת מים מרחפת על מעבורת החלל 'דיסקברי'. המקור לתמונה: נאס"א, דרך ויקיפדיה.

מכיוון שגם התחנה גם האסטרונאוטים וגם מכשיר המשקל נופלים באותה תאוצה, אין המשקל יכול להפעיל 'קונטרה' (כוח נגדי) ולעצור את תנועת הגוף שעליו, כך שהמשקל שהוא מודד הוא אפס. המצב שבו כל הסביבה נמצאת בנפילה חופשית נקראת מיקרו-גרביטציה או העדר-משקל. חשוב לשים לב שבמצב של מיקרו-גרביטציה עדיין פועלים כוחות כבידה על הגופים הנופלים. ואגב, כדי לבדוק אם התיאוריה הזאת נכונה ניתן להיכנס למעלית, לעמוד על משקל ולבקש ממישהו שיחתוך את הכבל שמחזיק אותה. מובטח לכם משקל נמוך במיוחד עד הסוף המר.

זה פחות או יותר עקרון הפעולה של אחד מהמתקנים של מיקרו-גרביטציה. פיר ארוך בואקום שבו יש תא שנופל בנפילה חופשית ונעצר בסוף הנפילה באופן מבוקר. לנאס"א יש מספר מתקנים מהסוג הזה, ובארוך שבהם התא נופל כ-5 שניות למרחק של כ-130 מטרים (ראו תמונה 4). הבעיה היא שאדם לא יכול לשרוד בתנאי ההאטה הקיצוניים בסוף הנפילה. ניסויים אלה משמשים לבחינה של ההתנהגות של מערכות, חומרים ושאר דוממים בתנאים כאלה.

Zero_Gravity_Facility
תמונה 4: מתקן מיקרו-גרביטציה באחד ממרכזי המחקר של נאס"א (Glenn). אורך הנפילה במתקן זה הוא כ-130 מטר וזמן הנפילה הוא כ-5 שניות. המקור לתמונה: נאס"א, דרך ויקיפדיה.

שיטה ידידותית יותר למשתמש (אם הקאה לא מטרידה אתכם) עושה שימוש במטוס שמבצע מסלול טיסה מיוחד. בתחילת התמרון המטוס מתרומם בזווית 45 מעלות. בשלב מסוים המטוס מתיישר ומפסיק להפעיל דחף. במצב זה המטוס נמצא בנפילה חופשית ומי שנמצא עליו יחווה מיקרו-גרביטציה. כאשר המטוס יגיע לנפילה בזווית של 30 מעלות הוא צריך להתרומם שוב כדי לחזור על התמרון (ראו איור 5). בכ-25 מכל 65 שניות יחוש האסטרונאוט המתאמן על המטוס במיקרו-גרביטציה, והתמרון מתבצע מספר רב של פעמים. שם החיבה של המתקן הוא 'Vomit comet' מכיוון שכשני שליש 'מהנוסעים' יחושו בחילה.

מיקרוגרביטציה במטוס
איור 5: למעלה – מסלול הטיסה של מטוס מיקרו-גרביטציה. כל תמרון (עליה וירידה) לוקח 65 שניות שמתוכן בכ-25 שניות חווים הטסים מיקרו-גרביטציה. למטה – אחד סטיבן הוקינג חווה מיקרו-גרביטציה בטיסה מהסוג הזה. המקור לתמונה: נאס"א, דרך ויקיפדיה.

***

לסיכום, עצות לירידה במשקל:

1) להישקל על הירח, 2) להישקל במעלית נופלת, 3) להישקל תוך קפיצה מצוק, 4) להישקל תוך כדי תמרוני תעופה אקסטרימיים, 5) לאבד מסה, 6) לא להישקל.

—————————————————————————-

ולסיום: חידה שדורשת מעט חשבון לחובבי הז'אנר

חישבו על בעיה במימד אחד בה אני נמצא בין שני גופים נייחים, שנכנה אותם 'כדור-ארץ' ו-'ירח', ואני יכול לנוע רק על קו ישר הנמתח בין שני מרכזי הגופים (ראו איור). במה תלויה הנקודה בה לא ארגיש כוח משיכה כלל (דורש חשבון)? שימו לב שהתלות של הכוח במרחק היא ריבועית ולכן נקבל משוואה ריבועית ושני פתרונות. האם קיימת יותר מנקודה אחת? אם כן, למה, ואם לא, מה מייצגת הנקודה השניה ומה השתבש בפתרון?

אפס כוח כובד
איור 6: המפטי-דמפטי נמצא בין כדה"א לירח ונמשך לשניהם עקב כוח הכבידה. מהי הנקודה בה לא ירגיש כוח כלל?

מודעות פרסומת
  1. יוסי
    18/07/2014 ב- 11:41 pm

    מממ.. התכוונת למרחק שלילי?

    ושאלת קונטרה – הדרך היחידה למנוע מ'ירח' ו'כדור ארץ' ליפול אחד לקראת השני היא לסובב אותם סביב מרכז המסה המשותף. ואז מקבלים עוד ארבעה נקודת של שיווי משקל (בגרוויטציה חיובית גדולה מאפס). שתיים מהנקודות הנוספות הן יציבות – כלומר אם מסיבה כלשהי תסטה קצת מהנקודה היציבה, המערכת תשאף להחזיר אותך לשם. מהן הנקודות?

    (לרמאים, גגלו נקודות לגראנז')

    • 19/07/2014 ב- 11:33 am

      יוסי: לא חייב להיות שלילי, תלוי בצירים, אבל נניח שכן. האם התוצאה הזאה היא פתרון של הבעיה המקורית? אולי של בעיה אחרת?

  2. יאיר
    19/07/2014 ב- 9:52 am

    הי, לגבי הגרף באיור 5: באיזה קטע שם אפשר לרחף במטוס (האם בין שניה 40 ל- 60) ?
    תודה

    • 19/07/2014 ב- 11:34 am

      יאיר: מרחפים בקטע שמסומן כ-'zero g', בין 20 ל-45 שניות.

  3. רועי.ס
    31/08/2014 ב- 7:05 pm

    הנקודה השניה מתארת מצב שבו אתה נמצא מאחורי הירח וכדה"א והירח מושכים אותך באותו כוח לאותו כיוון?

    • 31/08/2014 ב- 7:30 pm

      עד כמה שאני זוכר, זה מה שיצא גם לי. לדעתי מעניין לנסות להבין מה השתבש בפתרון. הרי אם שניהם מושכים לאותו כיוון, ברור שהכוח לא התאפס. רמז: המשוואות שניסחנו מפיקות פתרון בכל מקום אבל תקפות רק בין הגופים.

  1. 27/05/2016 ב- 3:17 pm

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: