Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:15 • sest 21:38 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 01:18 • Sest 04:30 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 07:36 • Síðdegis: 19:53 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 01:39 • Síðdegis: 13:42 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Er hægt að búa til gerviþyngdarafl eða þyngdarhermi?

Þorsteinn Vilhjálmsson

Svarið er já; það er vel hægt og við gerum það oft sjálf eða upplifum það í daglegu lífi. Eiginlegur þyngdarkraftur verkar milli allra hluta sem hafa massa eða búa yfir orku. Slíkur kraftur verður til eða breytist þegar massi eða orka myndast eða færist úr stað. Hægt er að líkja fullkomlega eftir þess konar þyngdarkrafti með því að láta hluti hreyfast í viðmiðunarkerfi sem hefur hröðun. Þetta byggist á svokölluðu jafngildislögmáli sem Einstein lagði til grundvallar almennu afstæðiskenningunni. Þegar bíll fer yfir hæð á veginum og vegurinn sveigist niður á við léttumst við í sætunum vegna "gerviþyngdarkrafts." Þegar bíllinn fer niður í lægð og vegurinn sveigist upp á við "þyngjumst" við aftur á móti. Bíllinn er því dæmi um þyngdarhermi.

Þyngdarkraftur verkar sem fyrr segir milli allra hluta sem hafa massa eða búa yfir orku, en að vísu þurfa hlutirnir að hafa mikinn massa til að þyngdarkraftur frá þeim verði verulegur. Krafturinn lýsir sér í því að hluturinn fer að falla ef ekkert er því til hindrunar; hluturinn fær hröðun sem kallað er í eðlisfræði, hraði hans breytist í sífellu. Merkilegast við þetta er það að allir hlutir sem komið er fyrir á tilteknum stað fá nákvæmlega sömu hröðun, hvort sem þeir eru þungir eða léttir og úr hvaða efni sem þeir eru gerðir. Þetta sést til dæmis af því að allir jafnlangir pendúlar hafa sama sveiflutíma, hvort sem lóðið er til dæmis úr blýi eða beini.

Í tengslum við þetta er talað um að hlutirnir gætu haft tvenns konar "massa" sem mundu ráða eiginleikum sem gætu vel verið ólíkir. Annars vegar væri þá svonefndur tregðumassi sem ræður því hvernig hlutur bregst við krafti; hröðun hlutar er í réttu hlutfalli við kraftinn en í öfugu hlutfalli við tregðumassann. Hins vegar er þyngdarmassinn sem ræður þyngdarkraftinum sem verkar á hlutinn frá öðrum mössum og líka þyngdarkraftingum frá hlutnum á aðra hluti. Við getum ekki gert ráð fyrir því fyrirfram að þessi tvenns konar massar séu eins en í byrjun 20. aldar höfðu menn sannfærst um það með tilraunum að svo væri. Einstein setti þessa staðreynd fram sem svokallað jafngildislögmál, og lagði það ásamt öðru til grundvallar almennu afstæðiskenningunni.

Hugsum okkur tvo athugendur sem báðir eru inni í lokuðum klefum og sjá ekki út. Annar klefinn stendur á yfirborði jarðar en hinn er úti í geimnum þar sem þyngdarkraftar frá himinhnöttum eru engir en togað er í klefann með krafti sem gefur honum sömu hröðun og fallandi hlutir hafa við yfirborð jarðar. Geta þessir tveir menn nú gert einhvers konar tilraunir eða mælingar inni í klefunum til að komast að því hvor þeirra er á jörðinni og hvor úti í geimnum? Svarið er nei.

Mennirnir geta til dæmis látið lóð detta á gólfið en þau munu falla nákvæmlega jafnhratt í báðum klefunum. Pendúlklukkur ganga nákvæmlega eins. Rafsegulkraftar verða eins. Í stuttu máli sagt gefa allar eðlisfræðitilraunir nákvæmlega sömu niðurstöður hjá báðum mönnunum og þeir hafa engin ráð til að skera úr um stöðu sína önnur en þau að fá að horfa út fyrir klefana.

Lesandinn sér auðvitað í hendi sér að eðlilegt er að kalla klefann sem er úti í geimnum "þyngdarhermi". Í honum kemur fram gerviþyngdarkraftur sem stafar ekki af nálægum himinhnöttum heldur eingöngu af hreyfiástandi klefans. Athugandi sem fær ekki að vita um það hefur hins vegar engin ráð til að komast að því að þessi "þyngdarkraftur" sé ekki eins góður og hver annar.

En það er ekki bara hægt að beita slíkum ráðum til að "búa til" þyngdarkraft þar sem hann væri enginn ella, heldur er líka hægt að eyða þyngdarkrafti með svipuðum ráðum. Við minntumst áðan á bíl sem ekur yfir hæð og við léttumst þá í sætum okkar. Ef lóðrétti krappinn á hæðinni er nógu mikill og sömuleiðis hraði bílsins, þá losnum við kannski hreinlega frá sætunum, að minnsta kosti ef við erum ekki með bílbelti. Þetta gerist um leið og bíllinn losnar frá veginum og byrjar í "frjálsu falli" sem kallað er, að vísu vonandi ekki lengi! Við getum líka hugsað okkur að við sætum á baðvogum og þær mundu þá sýna þyngdina 0! Sama ástand kemur upp ef við erum í lyftu sem fellur frjálst til jarðar; vog sem lægi á gólfinu í slíkri lyftu mundi að sjálfsögðu ekki sýna neina þyngd.

Af þessu getum við dregið þá ályktun að vandalítið er að skapa þyngdarleysi með hröðun af þessu tagi, en þyngdarleysi er annars aðeins að finna úti í geimnum þar sem kraftar frá himintunglum eru hverfandi eða upphefja hver annan.

Í geimfari sem er á braut um jörð ríkir þyngdarleysi vegna þess að geimfarið er í rauninni í frjálsu falli í átt til jarðar ásamt öllu sem í því er. Þar á meðal eru stundum menn, geimfarar, og þetta þyngdarleysi er mönnum afar framandi. Þegar verið er að búa menn undir slíkt er til dæmis hægt að fara með þá í flugvél sem hækkar og lækkar flugið á sama hátt og hlutur sem kastað er upp í loftið án loftmótstöðu. Ástandið inni í flugvélinni verður þá nákvæmlega eins og í geimfari í þyndarleysi. Þetta ástand getur staðið í svo sem hálfa mínútu í senn. Flugvél sem notuð er á þennan hátt er í rauninni eins konar "þyngdarhermir" því að líta má svo á að hún hafi búið til "gerviþyngdarkraft" sem vegur upp hinn eiginlega þyngdarkraft sem annars mundi verka á hlutina inni í henni frá jörðinni.

Á þessari vefsíðu eru myndir úr rússneskum flugvélum sem eru sérhæfðar fyrir svona flug. Hér er sagt frá sérstakri flugvél sem bandaríska geimrannsóknastofnunin NASA notar til þessara hluta og hér er eftirminnileg frásögn manns sem hefur kynnst þyngdarleysinu í slíkum tilraunum.

Ef menn eiga að komast til annarra reikistjarna í sólkerfinu þarf til þess langan tíma, mörg ár. Við vitum ekki hvernig menn muni þola álagið sem fylgir svo löngum geimferðum. Einn álagsþátturinn er einmitt þyngdarleysið sem ríkir í venjulegum geimförum. Hins vegar kemur til greina að láta geimfarið snúast um öxul þannig að þar kæmi fram "gerviþyngdarkraftur" svipaður þyngdinni hér á jörðu niðri. Geimfarið gæti þá til dæmis verið svipað og kleinuhringur í laginu og snúist um ás hornréttan á hringinn. Þetta mundi vafalítið gera langa ferð bærilegri mönnum en kynni að hafa aðra galla. Til dæmis yrðu tæki til fjarskipta líklega ekki fest á kleinuhringinn sjálfan þar sem þá yrði erfitt að beina þeim í ákveðna átt. Framtíðin á eftir að leiða í ljós hvaða leiðir verða fyrir valinu.

Um þetta er fjallað nánar í síðara svari sama höfundar við spurningunni Er bráðlega hægt að nota gerviþyngdarafl svo að menn geti gengið á venjulegan hátt í geimskutlum?

Höfundur

Þorsteinn Vilhjálmsson

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

Útgáfudagur

14.8.2000

Spyrjandi

Ásgrímur Jónsson

Efnisorð

Tilvísun

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Er hægt að búa til gerviþyngdarafl eða þyngdarhermi?“ Vísindavefurinn, 14. ágúst 2000. Sótt 26. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=783.

Þorsteinn Vilhjálmsson. (2000, 14. ágúst). Er hægt að búa til gerviþyngdarafl eða þyngdarhermi? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=783

Þorsteinn Vilhjálmsson. „Er hægt að búa til gerviþyngdarafl eða þyngdarhermi?“ Vísindavefurinn. 14. ágú. 2000. Vefsíða. 26. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=783>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Er hægt að búa til gerviþyngdarafl eða þyngdarhermi?
Svarið er já; það er vel hægt og við gerum það oft sjálf eða upplifum það í daglegu lífi. Eiginlegur þyngdarkraftur verkar milli allra hluta sem hafa massa eða búa yfir orku. Slíkur kraftur verður til eða breytist þegar massi eða orka myndast eða færist úr stað. Hægt er að líkja fullkomlega eftir þess konar þyngdarkrafti með því að láta hluti hreyfast í viðmiðunarkerfi sem hefur hröðun. Þetta byggist á svokölluðu jafngildislögmáli sem Einstein lagði til grundvallar almennu afstæðiskenningunni. Þegar bíll fer yfir hæð á veginum og vegurinn sveigist niður á við léttumst við í sætunum vegna "gerviþyngdarkrafts." Þegar bíllinn fer niður í lægð og vegurinn sveigist upp á við "þyngjumst" við aftur á móti. Bíllinn er því dæmi um þyngdarhermi.

Þyngdarkraftur verkar sem fyrr segir milli allra hluta sem hafa massa eða búa yfir orku, en að vísu þurfa hlutirnir að hafa mikinn massa til að þyngdarkraftur frá þeim verði verulegur. Krafturinn lýsir sér í því að hluturinn fer að falla ef ekkert er því til hindrunar; hluturinn fær hröðun sem kallað er í eðlisfræði, hraði hans breytist í sífellu. Merkilegast við þetta er það að allir hlutir sem komið er fyrir á tilteknum stað fá nákvæmlega sömu hröðun, hvort sem þeir eru þungir eða léttir og úr hvaða efni sem þeir eru gerðir. Þetta sést til dæmis af því að allir jafnlangir pendúlar hafa sama sveiflutíma, hvort sem lóðið er til dæmis úr blýi eða beini.

Í tengslum við þetta er talað um að hlutirnir gætu haft tvenns konar "massa" sem mundu ráða eiginleikum sem gætu vel verið ólíkir. Annars vegar væri þá svonefndur tregðumassi sem ræður því hvernig hlutur bregst við krafti; hröðun hlutar er í réttu hlutfalli við kraftinn en í öfugu hlutfalli við tregðumassann. Hins vegar er þyngdarmassinn sem ræður þyngdarkraftinum sem verkar á hlutinn frá öðrum mössum og líka þyngdarkraftingum frá hlutnum á aðra hluti. Við getum ekki gert ráð fyrir því fyrirfram að þessi tvenns konar massar séu eins en í byrjun 20. aldar höfðu menn sannfærst um það með tilraunum að svo væri. Einstein setti þessa staðreynd fram sem svokallað jafngildislögmál, og lagði það ásamt öðru til grundvallar almennu afstæðiskenningunni.

Hugsum okkur tvo athugendur sem báðir eru inni í lokuðum klefum og sjá ekki út. Annar klefinn stendur á yfirborði jarðar en hinn er úti í geimnum þar sem þyngdarkraftar frá himinhnöttum eru engir en togað er í klefann með krafti sem gefur honum sömu hröðun og fallandi hlutir hafa við yfirborð jarðar. Geta þessir tveir menn nú gert einhvers konar tilraunir eða mælingar inni í klefunum til að komast að því hvor þeirra er á jörðinni og hvor úti í geimnum? Svarið er nei.

Mennirnir geta til dæmis látið lóð detta á gólfið en þau munu falla nákvæmlega jafnhratt í báðum klefunum. Pendúlklukkur ganga nákvæmlega eins. Rafsegulkraftar verða eins. Í stuttu máli sagt gefa allar eðlisfræðitilraunir nákvæmlega sömu niðurstöður hjá báðum mönnunum og þeir hafa engin ráð til að skera úr um stöðu sína önnur en þau að fá að horfa út fyrir klefana.

Lesandinn sér auðvitað í hendi sér að eðlilegt er að kalla klefann sem er úti í geimnum "þyngdarhermi". Í honum kemur fram gerviþyngdarkraftur sem stafar ekki af nálægum himinhnöttum heldur eingöngu af hreyfiástandi klefans. Athugandi sem fær ekki að vita um það hefur hins vegar engin ráð til að komast að því að þessi "þyngdarkraftur" sé ekki eins góður og hver annar.

En það er ekki bara hægt að beita slíkum ráðum til að "búa til" þyngdarkraft þar sem hann væri enginn ella, heldur er líka hægt að eyða þyngdarkrafti með svipuðum ráðum. Við minntumst áðan á bíl sem ekur yfir hæð og við léttumst þá í sætum okkar. Ef lóðrétti krappinn á hæðinni er nógu mikill og sömuleiðis hraði bílsins, þá losnum við kannski hreinlega frá sætunum, að minnsta kosti ef við erum ekki með bílbelti. Þetta gerist um leið og bíllinn losnar frá veginum og byrjar í "frjálsu falli" sem kallað er, að vísu vonandi ekki lengi! Við getum líka hugsað okkur að við sætum á baðvogum og þær mundu þá sýna þyngdina 0! Sama ástand kemur upp ef við erum í lyftu sem fellur frjálst til jarðar; vog sem lægi á gólfinu í slíkri lyftu mundi að sjálfsögðu ekki sýna neina þyngd.

Af þessu getum við dregið þá ályktun að vandalítið er að skapa þyngdarleysi með hröðun af þessu tagi, en þyngdarleysi er annars aðeins að finna úti í geimnum þar sem kraftar frá himintunglum eru hverfandi eða upphefja hver annan.

Í geimfari sem er á braut um jörð ríkir þyngdarleysi vegna þess að geimfarið er í rauninni í frjálsu falli í átt til jarðar ásamt öllu sem í því er. Þar á meðal eru stundum menn, geimfarar, og þetta þyngdarleysi er mönnum afar framandi. Þegar verið er að búa menn undir slíkt er til dæmis hægt að fara með þá í flugvél sem hækkar og lækkar flugið á sama hátt og hlutur sem kastað er upp í loftið án loftmótstöðu. Ástandið inni í flugvélinni verður þá nákvæmlega eins og í geimfari í þyndarleysi. Þetta ástand getur staðið í svo sem hálfa mínútu í senn. Flugvél sem notuð er á þennan hátt er í rauninni eins konar "þyngdarhermir" því að líta má svo á að hún hafi búið til "gerviþyngdarkraft" sem vegur upp hinn eiginlega þyngdarkraft sem annars mundi verka á hlutina inni í henni frá jörðinni.

Á þessari vefsíðu eru myndir úr rússneskum flugvélum sem eru sérhæfðar fyrir svona flug. Hér er sagt frá sérstakri flugvél sem bandaríska geimrannsóknastofnunin NASA notar til þessara hluta og hér er eftirminnileg frásögn manns sem hefur kynnst þyngdarleysinu í slíkum tilraunum.

Ef menn eiga að komast til annarra reikistjarna í sólkerfinu þarf til þess langan tíma, mörg ár. Við vitum ekki hvernig menn muni þola álagið sem fylgir svo löngum geimferðum. Einn álagsþátturinn er einmitt þyngdarleysið sem ríkir í venjulegum geimförum. Hins vegar kemur til greina að láta geimfarið snúast um öxul þannig að þar kæmi fram "gerviþyngdarkraftur" svipaður þyngdinni hér á jörðu niðri. Geimfarið gæti þá til dæmis verið svipað og kleinuhringur í laginu og snúist um ás hornréttan á hringinn. Þetta mundi vafalítið gera langa ferð bærilegri mönnum en kynni að hafa aðra galla. Til dæmis yrðu tæki til fjarskipta líklega ekki fest á kleinuhringinn sjálfan þar sem þá yrði erfitt að beina þeim í ákveðna átt. Framtíðin á eftir að leiða í ljós hvaða leiðir verða fyrir valinu.

Um þetta er fjallað nánar í síðara svari sama höfundar við spurningunni Er bráðlega hægt að nota gerviþyngdarafl svo að menn geti gengið á venjulegan hátt í geimskutlum?...