Słowniczek kosmonauty

Stan nieważkości

Co to jest ciężar - przypomnieliśmy sobie przy okazji rozważań zjawiska - grawitacji.
Nieważkość - to jakieś zaprzeczenie ciężaru. Ale trzeba to sprecyzować.
Najprościej byłoby zajrzeć do jakiejś mądrej encyklopedii. Ale - jak na świecie często się zdarza
- to co najprostsze wcale nie jest najciekawsze.
Proponuję inną metodę: spróbujmy sami skonstruować definicję pojęcia nieważkości
- przecież w końcu sporo o niej wiemy. Encyklopedie pozostaną w odwodzie.

Znamy kilka przypadków stanu nieważkości. Zróbmy ich przegląd, poczynając od najprostszych.
Oto pierwszy przykład. Znajdujemy się w statku kosmicznym gdzieś w pustce przestrzeni kosmicznej,
bardzo daleko (w sensie astronomicznym, nie potocznym) od wszelkich ciał niebieskich. Ich działanie
grawitacyjne śmiało możemy więc pominąć. Najczulsze przyrządy go nie wykryją.
Czy jesteśmy w stanie nieważkości? Niewątpliwie tak. A więc nasza pierwsza próbna definicja brzmiałaby następująco:

Stan nieważkości jest to stan, w którym nie ma żadnych oddziaływań grawitacyjnych.

Oczywiście nie jesteśmy z tej definicji zadowoleni. Przecież wiemy dobrze, że na statku kosmicznym, krążącym po kołowej orbicie okołoziemskiej grawitacja działa, ale jest równoważona siłą bezwładności, która przeciwstawia się zmianie kierunku ruchu. A więc nasza próbna definicja jest za wąska. Więc może zmienimy ją tak:

Stanem nieważkości nazywamy taką sytuację. w której na ciało nie działa siła grawitacji albo gdy grawitacja jest równoważona innymi siłami.

To już lepiej. Ale rozpatrzmy teraz inną sytuację: Siedzę sobie w wygodnym fotelu i rozmyślam o czymś nieważnym, ale przyjemnym. Czy jestem w stanie nieważkości ? Przecież nacisk mojego ciała na fotel równoważy siła ściśniętych przeze mnie jego sprężyn, sprawiając, że grawitacja nie nadaje mi przyspieszenia. Skoro to nie jest stan nieważkości (najwyżej nieważności), to nasza definicja jest nadal diabła warta. Sprawa okazuje się nie tak prosta, jakby się z pozoru wydawało. Więc wesprzyjmy się jeszcze jednym przykładem. Fizycy dają czasem jako przykład stanu nieważkości sytuację pasażera windy, której lina nośna zerwała się i klatka windy spada w dół z przyspieszeniem ziemskim. Jaka jest różnica (nie życiowa, ale fizyczna) pomiędzy pasażerem takiej windy, a mną, kiedy siedzę w swym fotelu i marzę ? Na pasażera w windzie, poza grawitacją działa też bezwładność (opór ciała przeciw przyspieszaniu), natomiast w moim przypadku grawitację równoważą siły sprężystości podłoża (ściśnięte sprężyny fotela). Podobna sytuacja panuje w statku kosmicznym, krążącym z wyłączonymi silnikami na orbicie okołoziemskiej i nie obracającym się wokół własnej osi. Tu siłę grawitacji równoważy bezwładność - tym razem przeciwdziałająca nie przyspieszaniu ruchu ciała, ale zmianom kierunku tego ruchu. W obu przypadkach jednakże jest to siła bezwładności. Skorygujmy więc naszą definicję następująco:

Stan nieważkości jest to taki stan ciała materialnego, w którym albo nie występuje siła grawitacji, albo jest zrównoważona siłą bezwładności, czy to przeciwstawiającą się przyspieszaniu ciała, czy też zmianom kierunku jego ruchu.

No! Teraz już chyba wszystko jest w porządku. Teraz dopiero skonfrontujmy naszą definicję z określeniem, które mądrzejsi ludzie umieścili w encyklopedii. W Nowej Encyklopedii Powszechnej PWN pod hasłem "nieważkość" czytamy :

Stan, w którym na ciało nie działa siła ciężkości, ani żadna inna siła, lub działa wyłącznie siła ciężkości, pod której działaniem ciało porusza się.

Dalej następują przykłady windy i statku kosmicznego, krążącego na orbicie wokół ciała niebieskiego. No cóż? Może to jest dowód megalomanii, ale mnie się ta definicja nie podoba, wolę naszą. Bo czy można powiedzieć, że ruch satelity na kołowej orbicie okołoziemskiej odbywa się pod wpływem siły ciężkości, skoro jego ruch jest dokładnie prostopadły do kierunku działania siły grawitacji ? Oczywiście grawitacja działa, bez niej satelita uciekłby w kosmos, ale co to za wpływ, skoro siła przyciągająca wcale nie wywołuje przybliżania przyciąganego przedmiotu ? Więc może sięgnijmy do innego źródła. Tym razem będzie to Encyklopedia Fizyki (Państwowe Wydawnictwo Naukowe 1973, opracowanie na podstawie wydawnictwa "Fiziczewskij Encyklopediczeskij Słowar"- Moskwa l960-66. Znajduję tu hasło - nieważkość, którego zasadnicza część brzmi:

Stan, w którym działające na układ mechaniczny siły zewnętrzne nie wywołują wzajemnych ciśnień części układu na siebie.

Jest to niewątpliwie ujęcie ciekawe i świeże. Zastanówmy się, jaka jest zasadnicza różnica między tą ostatnią definicją, a naszą. Nasza powołuje się na istotne przyczyny, które decydują o stanie nieważkości. Definicja z Encyklopedii Fizyki opiera się na skutku działań, o których mówi nasza definicja. Czy lepsza jest definicja mówiąca o przyczynach, czy ta, która mówi o skutkach ? Może gdyby było więcej jeszcze działań poza grawitacją i bezwładnością, wywołujących podobne skutki, lepiej byłoby mówić o skutkach. Ale trzeciego takiego zjawiska nie znamy. Uważam więc, że nasza definicja wyszła z tych porównań zwycięsko. Czy nie opuściliśmy jednak jakiegoś jeszcze rodzaju stanu nieważkości ? No, możnaby wspomnieć jeszcze o sytuacji w samym środku ciężkości Ziemi. Gdybyśmy, pomimo wysokiej temperatury, ciśnienia i płynności lawy tam się znaleźli - bylibyśmy niewątpliwie w stanie nieważkości. Przecież tam każdej części globu ziemskiego po lewej stronie odpowiada część po prawej stronie, a części w górze - odpowiednia część w dole. Nie mą więc wątpliwości,
ze tam wszystkie działania grawitacyjne całego globu ziemskiego równoważą się. Ten dodatkowy przykład niczego więc w naszej definicji nie zmienia.

Przy okazji rozważań na temat nieważkości wspomnieliśmy o ruchu satelity na orbicie po kołowej orbicie okołoziemskiej.
Ta sprawa wymaga osobnego, szerszego omówienia. Zrobimy to pod hasłem naszego słowniczka : Orbita.
Ale o tym - za miesiąc.

Stanisław Werner

---