Hvad er vægtløshed?

De fleste af os har frydet os over at se astronauters yndefulde svæven omkring i deres rumskibe. De færreste har været forundt at prøve det. Men hvordan går det egentlig til, at tyngden sådan kan sættes ud af spillet? Det prøver jeg at besvare nedenfor ved at tage udgangspunkt i nogle almindelige misforståelser.

Hvorfor skal man ud i rummet for at lave forsøg under vægtløse betingelser?
Kan man ikke bare lave en tank med lufttomhed og vægtløshed hernede?

Nej. Det kan man ikke. Vægtløshed har intet med lufttryk eller vakuum at gøre. Bemærk, at astronauterne også er vægtløse inde i rumskibet, hvor der naturligvis ikke er vakuum. Faktisk ville en badevægt vise 50-80 gram mere i vakuum, fordi man mangler en opdrift, der svarer til vægten af den fortrængte luft. Tyngdekraften er en altgennembrydende kraft, som man ikke på nogen måde kan fjerne eller afskærme.

Kan man ikke bare lave vægtløshedsforsøg i en vandtank?
Vi ser jo, hvordan astronauterne træner i bassiner.

Nej, desværre. Man er slet ikke vægtløs i vand. Man har en opdrift, ja; men inde i kroppen er organerne og balancesansen stadig under fuld tyngdepåvirkning. Det, astronauten opnår ved træning i vand, er udelukkende, at han kan bevæge sig frit i alle 3 dimensioner og vende rundt ligesom ude i rummet; men vægtløs, det er han ikke. Vægtløshed lader sig på ingen måde fremstille på Jorden - eller noget andet himmellegeme. Hvis man kunne lave vægtløse laboratorier på Jorden, ville man sandelig ikke byde sig de store omkostninger og al det besvær, der er forbundet med at lave vægtløshedsforsøg i rummet.

Er astronauterne vægtløse, fordi de er så langt væk fra Jorden, at tyngdekraften (gravitationen) ikke rækker?

Nej. Nu flyver vore dages astronauter sjældent mere end 2-5 hundrede kilometer væk fra Jorden. Deres bane ligger kun, hvad der svarer til 5-10 millimeter fra en 30-centimeter globus! I den afstand er tyngden kun aftaget med 5-10 procent. At tyngdekraften rækker meget længere ud, kan vi forvisse os om ved at se på Månen: Den fastholdes fint i sin bane om Jorden hele 380.000 km ude. Faktisk er det sådan, at Jordens tyngdekraft strækker sig uendeligt langt ud i rummet, selvom den dér er blevet uendeligt lille og forlængst er overdøvet af tyngdekræfter fra andre himmellegemer. Der findes efter al sandsynlighed slet ikke noget sted i hele Universet, hvor der ikke er tyngdekraft! Kun enkelte punkter, hvor kræfterne fra flere himmellegemer opvejer hinanden.

Når rumskibet er i bane om Jorden, opstår vægtløsheden så, fordi centrifugalkraften væk fra Jorden opvejer tyngdekraften?

Nej. Hvis de to kræfter opvejede hinanden, ville den totale kraft jo være 0, og så skulle rumskibet ikke følge en cirkelbane! Det har Newton selv sagt i sin 1. lov:

Et legeme, som er upåvirket af en kraft, vil ligge stille eller fortsætte i en lige linie med konstant hastighed.

Banen omkring Jorden beviser altså i sig selv, at tyngdekraften ikke er opvejet. Centrifugalkraften er nemlig slet ikke en rigtig kraft, men blot rumskibets tendens til at fortsætte ud ad tangenten (inertien).

I øvrigt er man også vægtløs i et rumskib, som har forladt Jorden og flyver med slukket motor i mere eller mindre lige linie ude i rummet.

Det er den heller ikke! Astronauter og hele pibetøjet bestiller ikke andet end at skvatte ned mod Jordens centrum hele tiden, således som de skal i henhold til tyngdeloven. De befinder sig hele tiden i et frit fald! Og det gør rumskibet og alt løsøret også.

Nu viser bitter erfaring, at et almindeligt frit fald ender med et ublidt møde med Jorden. Det ville også være tilfældet for rumskibet, hvis ikke løfteraketten havde givet det en samtidig, vandret bevægelse ved opsendelsen. Således falder rumskibet ikke lodret ned, men rammer ved siden af Jorden i sit fald. Derved ændres også retningen til Jordens centrum (tyngdens retning) hele tiden, så rumskibet kommer til at følge en mere krum bane omkring Jorden. I denne krumning bliver det, der det ene øjeblik var fald ind mod Jorden, til vandret bevægelse.

Kunsten består altså i, at tildele rumskibet så stor vandret hastighed, at det falder hele vejen rundt om Jorden og når tilbage til udgangspunktet. Når denne hastighed er opnået, kan løfteraketten slukkes. Rumskibet er i kredsløb: et vedvarende, frit fald rundt om Jorden. I lav jordbane kræves der en banehastighed på ca. 8 km/s; i Månens afstand skal hastigheden være 1 km/s.

Satellitten falder hele tiden i tyngdekraftens retning (rød pil);
Fordi den samtidigt har en tilpas stor, vandret hastighed (gul pil) falder den hele tiden forbi Jorden.
Samtidigt ændres tyngdekraftens retning.

For at komme ned på Jorden igen, skal rumskibet aktivt bremse den vandrette bevægelse, så det ikke længere falder forbi Jorden, men ind i atmosfæren.

Nu vejer et rumskib mange tons og astronauten kun en legemsvægt.
Hvorfor banker han ikke hovedet op i loftet, når rumskibet hele tiden falder ned?

Prøv følgende forsøg: Tag to ens plastikflasker. Den ene skal være tom, den anden skal indeholde noget tungt, f.eks. sand. Hold de to flasker i samme højde og giv slip på dem samtidigt. Hvilken beholder når først ned; den lette eller den tunge?

Pas på ikke at ramme tæerne, da det vil give dig det indtryk, at den tunge beholder ankommer først.
Det gør den nemlig ikke: De falder lige hurtigt!
(Luftmodstanden gør dog en lille forskel, der ikke er umiddelbart synlig i dette forsøg. På Apollo 15 udførte Dave Scott forsøget med en fjer og en hammer på Månen, hvor der ingen luft er. De ramte Måneoverfladen samtidigt.)

Trækker tyngdekraften da ikke dobbelt så meget i et legeme, hvis det er dobbelt så tungt?

Jo. Det er netop det, man forstår ved, at det er dobbelt så tungt. Årsagen til, at tyngdekraften trækker dobbelt så kraftigt, er, at legemet har dobbelt så stor masse. Den dobbelte tyngdekraft skal derfor accelerere en dobbelt så stor masse. Derfor bliver resultatet det samme!

Formlen viser en daglig erfaring: Hvis vi fordobler kraften på en masse, så fordobles accelerationen. Hvis vi i stedet fordobler massen, bliver accelerationen halveret. Så er det jo ikke mærkeligt, at hvis både massen og kraften fordobles, så er accelerationen uændret.

Hvis et tungt legeme skulle falde hurtigere end et let, ville legemerne i faldforsøget falde hurtigere, blot vi limede dem sammen, så de udgjorde ét, tungere legeme. En absurd tanke.

Det viser, at acceleration er det samme som “kraft per masse”. Accelerationen er altså den samme, når der er samme kraft per masse.

I en given afstand fra Jorden er der jo netop samme kraft per masse. Derfor følges et rumskib, dets besætning og udstyr pænt ad i det frie fald rundt om Jorden. Og det samme er tilfældet for frie fald alle andre steder i Universet.

For besætningen virker det som om, tyngdekraften er væk. Stiller astronauten sig på en vægt, viser den 0. Men hvis han kunne se sig selv langt borte fra, ville han opdage, at det er fordi, både han og vægten er i et frit fald, hvor de følges ad. Så vel er han vægtløs; men han er ikke fri for tyngdekraften!

Tyngdekraften er en feltkraft. Den virker ens på (og i) hele legemet.
Berøring er en kontaktkraft. En kontaktkraft er en lokal påvirkning. Derfor deformeres legemet.
Det er en meget væsentlig forskel.

Det betyder også, at astronauterne kun er vægtløse, sålænge rumskibets motorer er slukkede!

Egentlig ikke! (Selvom den er en, altid opfyldt, forudsætning.)
Når vi står på Jordens overflade, trækker tyngdekraften os nedad. Kunne vi bare følge den, ville vi være i frit fald og ikke føle tyngde. Men i stedet for at falde påvirker vi Jorden med en kraft, så den deformeres. (Deformationen bliver tydeligere og målbar, hvis vi i stedet står på en badevægt.)

Hvis et legeme påvirker et andet legeme med en kraft, så påvirker det andet legeme det første legeme med en ligeså stor, modsat rettet kraft.

Det vil sige, at når vi påvirker Jorden med en kraft, så påvirker den os med en ligeså stor kraft. Denne kontaktkraft fra overfladen opvejer tyngdekraften, så vi bliver stående. Samtidigt deformerer den fodsålerne og via dem alle vævene i kroppen. Herunder også følere i det indre øres balanceorgan, som netop registrerer deformation. Og blod, væske og deller, som placeres lidt nærmere fodsålerne. Vi siger, at vi føler tyngde. Det, vi føler, er ikke tyngdekraften, men den deformation, som berøringen med underlaget giver os.

Mere jordnært kan man opnå kortvarig vægtløshed i en flyvemaskine. Hvis den foretager en manøvre, der svarer til en kasteparabel, vil fly med indhold være i frit fald:

Parabol-manøvre.
Gul: Normal tyngde (1 G). Rød: Øget tyngde (2 G). Grøn: Parabel, vægtløshed (0 G).
Flyet er tegnet ca. 30 gange for stort.
Ved 30 s vægtløshed vil den vægtløse del af kurven (grøn) være ca. 1,1 km høj.
Tredive af disse manøvrer giver forståelse for navnet på NASA's KC-135 fly: "The Vomit Comet".

Bemærk, at flyet også er i frit fald på den opadgående del af parablen (grøn). I parablen tjener flyets motorer udelukkende til at opveje luftmodstanden, og man er egentlig i bane om Jordens centrum. Dog sætter Jordens overflade en naturlig begrænsning! (I praksis begrænses varigheden af flyets maksimale hastighed ind i parablen og, på den nedadgående flanke, af en maksimumhastighed dikteret af turbulens ved vingerne.)

Den Europæiske rumorganisation, ESA, benytter en Airbus A300, NASA en KC-135, og herhjemme er brugt en Golfstream-III. Med disse kan man opnå ca. 30 s vægtløshed per parabol. I en F-16 jager kan man opnå ca. 1 minut.