پرواز در گرانش صفر(1)

مقدمه

بی‌وزنی احساسی است كه فرد در حین سقوط آزاد بدون داشتن وزن ظاهری تجربه می‌كند. عبارت گرانش صفر اغلب به عنوان یك واژه مترادف با بی‌وزنی به كار می‌رود. بی‌‌وزنی در مدار در نتیجه حذف گرانش یا حتی كاهش قابل توجه آن نیست. در حقیقت شتاب ناشی از گرانش در ارتفاع صد كیلومتری نیز تنها سه درصد كمتر از مقدار آن بر روی سطح زمین است؛ به معنای دیگر، شخص ساكن در آن ارتفاع با نرخی تقریباً مشابه فرد نزدیك به زمین، شتاب سقوط می‌گیرد. بی‌وزنی در اصطلاح عام به حالتی اتلاق می‌شود كه شخصی یا جرمی آزادانه سقوط كند؛ این حالت ممكن است در مدار، فضای ماورای جوّ (نواحی دوردست یك سیاره، ستاره یا اجرام عظیم دیگر)، یك هواپیما با مانوری منطبق بر یك مسیر پروازی سهموی خاص و یا دیگر روش‌ها و چارچوب‌های نامتعارف روی دهد.

آنچه كه انسان به عنوان وزن احساس می‌كند، واقعاً نیروی گرانشی كه وی را به سمت مركز زمین می‌كشد نیست؛ هرچند این عبارت، تعریف فنی وزن به شمار می‌رود. آنچه كه ما به عنوان وزن حس می‌كنیم، در حقیقت نیروی عكس‌العمل عمودی زمین (یا هر سطح دیگری كه روی آن قرار داریم) است كه ما را به سمت بالا هل می‌دهد تا نیروی گرانش كه باعث كشیده شدن به سمت پایین می‌شود را خنثی كند. این همان چیزی است كه وزن ظاهری خوانده می‌شود. به عنوان مثال، قطعه فلزی كه داخل یك ظرف قرار دارد، در صورت رها شدن ظرف به شكل سقوط آزاد بی‌وزنی را تجربه می‌كند. دلیل این پدیده آن است كه هنگامی كه قطعه و ظرف هر دو با سرعت یكسان به سمت پایین كشیده می‌شوند، هیچ نیرویی از جانب ته ظرف در مقابل نیروی گرانش به قطعه وارد نمی‌شود. در حالی كه وقتی ظرف روی زمین ساكن است، نیروی گرانش پایین‌كشنده دقیقاً با نیروی وارده از ته ظرف، به همان اندازه و در جهت مخالف، خنثی می‌شود.

از آنجا كه می‌توان قطعه فلز‌ی ساكن بر روی زمین را تقریباً صلب فرض كرد، هر برش عرضی افقی قطعه نه تنها نیروی ناشی از گرانش را تجربه می‌كند بلكه وزن بخش‌های بالای خود را نیز تحمل می‌كند. در مورد یك شیء كه از بالا آویخته شده و از زیر تكیه‌گاهی ندارد، فشار منفی یا گرادیان كشش وجود دارد؛ زیرا هر برش عرضی از جسم آویخته (مثلاً از یك ریسمان)، باید وزن بخش زیر خود را تحمل كند. بدین ترتیب، در بدن انسان نیز مركز احساس وزن چنین گرادیان فشاری را حس می‌كند. به عنوان مثال، هنگام ایستادن بر روی یك پا، پای واقع بر روی زمین نیروی وزن تمامی بدن را حس خواهد كرد، در حالی‌كه پای دیگر و هر دو بازو در معرض گرادیان‌های تنش وزن خود به سمت پایین كشیده می‌شوند.

یك شخص به هنگام سقوط آزاد، وزن قابل‌ اندازه‌گیری خود را حس نمی‌كند؛ چرا كه تمامی بخش‌های بدن وی به‌طور یكسان در حال شتاب‌گیری هستند. با استفاده از این ویژگی، می‌توان شرایطی را ایجاد كرد كه شخص بتواند حالت بی‌وزنی را تجربه كند.

این در حالی است كه با توجه به قانون گرانش و رابطه گرانش با عكس مجذور فاصله، برای رسیدن به جایی كه گرانش زمین به یك میلیونیم مقدار آن در سطح زمین كاهش یابد، باید 37/6 میلیون كیلومتر از زمین فاصله بگیریم (حدود 17 برابر دورتر از ماه!).

تصور كنید در یك آسانسور روی باسكول قرار دارید. اگر آسانسور بدون شتاب حركت كند، شما وزن عادی خود را می‌بینید. اگر آسانسور با شتاب به سمت بالا حركت كند، وزن شما بیشتر از معمول نشان داده می‌شود. ولی اگر آسانسور با شتاب به پایین حركت كند، وزن ظاهری شما كاهش می‌یابد. در صورتی كه كابل آسانسور ناگهان پاره شود، شما برای چند لحظه سقوط آزاد و بی‌وزنی را تجربه خواهید كرد.

در حال حاضر، استفاده از روش‌های گوناگون برای كم كردن وزن ظاهری و رسیدن به شرایط بی‌وزنی با اهداف تحقیقاتی و تجاری در سراسر جهان انجام می‌شود. از سوی دیگر، ایجاد شرایط گرانش صفر بر روی زمین، امری حیاتی برای آزمایش‌های مقدماتی فضایی است. این آزمایش‌ها می‌تواند در پیشبرد اهداف و موفقیت پروژه‌های فضایی نقش تعیین‌كننده‌ای را ایفا كند و دقت عملكرد تجهیزات مختلف را در سفرهای فضایی سرنشین‌دار و بدون سرنشین به میزان قابل‌توجهی بهبود بخشد. مطالعه حالت مواد و برهم‌كنش آنها در شرایط گرانش ناچیز، فرصتی است تا مرزهای علم گسترش یابد. این تحقیقات شامل بیوفناوری، علوم احتراق، فیزیك سیالات، فیزیك پایه و علم مواد می‌شود. در مقابل، هزینه صرف شده برای چنین آزمایش‌هایی در مقایسه با هزینه‌های سرسام‌آور سفرهای فضایی، با توجه به نتایج با ارزش آنها بسیار ناچیز است.

روش‌های گوناگونی برای ایجاد بی‌وزنی بدون خروج از جوّ زمین وجود دارد. یكی از روش‌های كارآمد كاهش وزن، استفاده از پروازهای گرانش صفر است. در این نوع پروازها، شرایط بی‌وزنی با استفاده از هواپیما و طی مانورهای سهمی‌شكل ویژه‌ای حاصل می‌شود. پیش از پرواز، تغییرات لازم در فضای داخلی هواپیما را جهت انجام مناسب آزمایش‌ها اعمال می‌كنند. پروازهای گرانش صفر با توجه به هزینه، مدت زمان ایجاد شرایط بی‌وزنی در هر مانور، امكان انجام انواع آزمایش‌ها و دیگر ویژگی‌های منحصر به‌فرد، روش بسیار مؤثری برای ایجاد بی‌وزنی محسوب می‌شوند؛ به‌ویژه كه با استفاده از آنها، حتی افراد عادی نیز می‌توانند شرایط بی‌وزنی را تجربه كنند.

ایجاد بی‌وزنی و تأثیرات آن

بسیاری از بازدیدكنندگان مراكز فضایی، سراغ اتاق ویژه‌ای را می‌گیرند كه گرانش در آن با زدن دكمه‌ای ناگهان ناپدید شده و فضانوردان می‌توانند در محیط آن معلق شوند! حقیقت این است كه گرانش زمین هیچ‌گاه از بین رفتنی نیست. برای كاهش وزن و در نهایت رسیدن به شرایط بی‌وزنی، باید به طریقی بر گرانش زمین غلبه كرد. تجربه بی‌وزنی در شرایط گرانش صفر و یا گرانش ناچیز حاصل می‌شود.

گرانش صفر

غالباً عبارت گرانش صفر یا گرانش كاهش‌یافته برای توصیف حالت بی‌وزنی استفاده می‌شود، اما در واقع، فرض صفر بودن گرانش از نظر علمی نادرست است. یك فضاپیما و محتویاتش توسط نیروی گرانش سیاره‌ای كه به دور آن می‌چرخند، در مدار خود نگاه داشته می‌شوند و همگی تقریباً در معرض نیروی گرانش برابری قرار می‌گیرند.

فلسفه باقی ماندن ماهواره‌ها در مدار این است كه به دلیل چرخش آنها به دور زمین با سرعتی خاص، نیروی گریز از مركز به آنها وارد می‌شود كه این نیرو، نیروی گرانش زمین را خنثی می‌كند. از نظر فیزیكی، عبارت گرانش صفر برای توصیف شرایط سقوط آزاد درون وسایل فضایی واقع در مدار استفاده می‌شود. البته همان‌گونه كه ذكر شد، گرانش همچنان در فضا وجود دارد و مانع از پرواز آزادانه ماهواره در فضای تهی بین‌‌سیاره‌ای می‌شود. سرعت مماسی بسیار زیاد ماهواره‌ها به آنها اجازه می‌دهد كه با وجود كشش اجتناب‌پذیر به سوی میدان گرانش زمین، به پایین سقوط نكنند. بنابراین آنچه كه ماهواره‌ها را بالای زمین نگه‌ می‌دارد، ناشی از فقدان گرانش نیست بلكه سرعت چرخش فضاپیماست.

ادامه دارد...