پرواز در بی وزنی

شرایط ویژه حاکم بر مدارهای فضایی غالباً منجر به پیدایش پدیده بی‌وزنی و یا کم‌وزنی می‌گردد. از این رو فضانوردان باید تمرینات منظمی در این خصوص را طی کنند تا در شرایط بی وزنی حاکم در مدار دچار مشکل نشده و قادر به ادامه مأموریت خود باشند. مقاله حاضر به بررسی روشهای ایجاد جاذبه ناچیز در شرایط زمین می‌پردازد.

تجربه فراموش نشدنی بی وزنی در پرواز گرانش صفر

یکی از آموزش‌های اصلی فضانوردان پیش از پرتاب به فضا، فعالیت در محیط شبیه‌سازی‌شده گرانش ناچیز است.

اما روش‌های عملی ایجاد شرایط بی‌وزنی و گرانش ناچیز بر روی زمین که حضور و فعالیت انسان هم در آن محیط امکان‌پذیر باشد، چندان زیاد نیست. آنچه که انسان به عنوان وزن حس می‌کند، واقعاً کشش گرانشی زمین نیست؛ بلکه در حقیقت، نیروی عکس‌العمل عمودی سطح زمین بر فرد است. از آنجا که حذف نیروی گرانش زمین عملاً امکان‌پذیر نیست، روش‌های ایجاد شرایط گرانش ناچیز بر روی زمین باید شرایطی مشابه سقوط آزاد فراهم آورند.

در این مطالعه، ویژگی شرایط بی‌وزنی، نحوه ایجاد آن و در نهایت، جزئیات پرواز گرانش صفر با هدف شناخت بهتر این نوع پروازها و چگونگی به کارگیری آنها در جهت بهره‌برداری علمی- تحقیقاتی و تجاری مورد بررسی قرار می‌گیرد.

بي‌وزني احساسي است كه فرد در حين سقوط آزاد بدون داشتن وزن ظاهري تجربه مي‌كند. عبارت گرانش صفر اغلب به عنوان يك واژه مترادف با بي‌وزني به كار مي‌رود. بي‌‌وزني در مدار در نتيجه حذف گرانش يا حتي كاهش قابل توجه آن نيست. در حقيقت شتاب ناشي از گرانش در ارتفاع صد كيلومتري نيز تنها سه درصد كمتر از مقدار آن بر روي سطح زمين است؛ به معناي ديگر، شخص ساكن در آن ارتفاع با نرخي تقريباً مشابه فرد نزديك به زمين، شتاب سقوط مي‌گيرد. بي‌وزني در اصطلاح عام به حالتي اتلاق مي‌شود كه شخصي يا جرمي آزادانه سقوط كند؛ اين حالت ممكن است در مدار، فضاي ماوراي جوّ (نواحي دوردست يك سياره، ستاره يا اجرام عظيم ديگر)، يك هواپيما با مانوري منطبق بر يك مسير پروازي سهموي خاص و يا ديگر روش‌ها و چارچوب‌هاي نامتعارف روي دهد.

آنچه كه انسان به عنوان وزن احساس مي‌كند، واقعاً نيروي گرانشي كه وي را به سمت مركز زمين مي‌كشد نيست؛ هرچند اين عبارت، تعريف فني وزن به شمار مي‌رود. آنچه كه ما به عنوان وزن حس مي‌كنيم، در حقيقت نيروي عكس‌العمل عمودي زمين (يا هر سطح ديگري كه روي آن قرار داريم) است كه ما را به سمت بالا هل مي‌دهد تا نيروي گرانش كه باعث كشيده شدن به سمت پايين مي‌شود را خنثي كند. اين همان چيزي است كه وزن ظاهري خوانده مي‌شود. به عنوان مثال، قطعه فلزي كه داخل يك ظرف قرار دارد، در صورت رها شدن ظرف به شكل سقوط آزاد بي‌وزني را تجربه مي‌كند. دليل اين پديده آن است كه هنگامي كه قطعه و ظرف هر دو با سرعت يكسان به سمت پايين كشيده مي‌شوند، هيچ نيرويي از جانب ته ظرف در مقابل نيروي گرانش به قطعه وارد نمي‌شود. در حالي كه وقتي ظرف روي زمين ساكن است، نيروي گرانش پايين‌كشنده دقيقاً با نيروي وارده از ته ظرف، به همان اندازه و در جهت مخالف، خنثي مي‌شود.

از آنجا كه مي‌توان قطعه فلز‌ي ساكن بر روي زمين را تقريباً صلب فرض كرد، هر برش عرضي افقي قطعه نه تنها نيروي ناشي از گرانش را تجربه مي‌كند بلكه وزن بخش‌هاي بالاي خود را نيز تحمل مي‌كند. در مورد يك شيء كه از بالا آويخته شده و از زير تكيه‌گاهي ندارد، فشار منفي يا گراديان كشش وجود دارد؛ زيرا هر برش عرضي از جسم آويخته (مثلاً از يك ريسمان)، بايد وزن بخش زير خود را تحمل كند. بدين ترتيب، در بدن انسان نيز مركز احساس وزن چنين گراديان فشاري را حس مي‌كند. به عنوان مثال، هنگام ايستادن بر روي يك پا، پاي واقع بر روي زمين نيروي وزن تمامي بدن را حس خواهد كرد، در حالي‌كه پاي ديگر و هر دو بازو در معرض گراديان‌هاي تنش وزن خود به سمت پايين كشيده مي‌شوند.

يك شخص به هنگام سقوط آزاد، وزن قابل‌ اندازه‌گيري خود را حس نمي‌كند؛ چرا كه تمامي بخش‌هاي بدن وي به‌طور يكسان در حال شتاب‌گيري هستند. با استفاده از اين ويژگي، مي‌توان شرايطي را ايجاد كرد كه شخص بتواند حالت بي‌وزني را تجربه كند. اگر در شرايط عادي از يك ارتفاع پنج متري بپريد، حدود يك ثانيه طول مي‌كشد تا به زمين برسيد. در محيطي كه گرانش آن يك درصد گرانش زمين است، طي همان ارتفاع حدود 10 ثانيه طول مي‌كشد. اگر گرانش به يك ميليونيم گرانش زمين كاهش يابد، پرش از ارتفاع پنج متري تا رسيدن به سطح، 1000 ثانيه يا حدود 17 دقيقه به طول خواهد انجاميد! اين در حالي است كه با توجه به قانون گرانش و رابطه گرانش با عكس مجذور فاصله، براي رسيدن به جايي كه گرانش زمين به يك ميليونيم مقدار آن در سطح زمين كاهش يابد، بايد 37/6 ميليون كيلومتر از زمين فاصله بگيريم (حدود 17 برابر دورتر از ماه!).

تصور كنيد در يك آسانسور روي باسكول قرار داريد. اگر آسانسور بدون شتاب حركت كند، شما وزن عادي خود را مي‌بينيد. اگر آسانسور با شتاب به سمت بالا حركت كند، وزن شما بيشتر از معمول نشان داده مي‌شود. ولي اگر آسانسور با شتاب به پايين حركت كند، وزن ظاهري شما كاهش مي‌يابد. در صورتي كه كابل آسانسور ناگهان پاره شود، شما براي چند لحظه سقوط آزاد و بي‌وزني را تجربه خواهيد كرد.

در حال حاضر، استفاده از روش‌هاي گوناگون براي كم كردن وزن ظاهري و رسيدن به شرايط بي‌وزني با اهداف تحقيقاتي و تجاري در سراسر جهان انجام مي‌شود. از سوي ديگر، ايجاد شرايط گرانش صفر بر روي زمين، امري حياتي براي آزمايش‌هاي مقدماتي فضايي است. اين آزمايش‌ها مي‌تواند در پيشبرد اهداف و موفقيت پروژه‌هاي فضايي نقش تعيين‌كننده‌اي را ايفا كند و دقت عملكرد تجهيزات مختلف را در سفرهاي فضايي به ميزان قابل‌توجهي بهبود بخشد. مطالعه حالت مواد و برهم‌كنش آنها در شرايط گرانش ناچيز، فرصتي است تا مرزهاي علم گسترش يابد. اين تحقيقات شامل بيوفناوري، علوم احتراق، فيزيك سيالات، فيزيك پايه و علم مواد مي‌شود. در مقابل، هزينه صرف شده براي چنين آزمايش‌هايي در مقايسه با هزينه‌هاي سرسام‌آور سفرهاي فضايي، با توجه به نتايج با ارزش آنها بسيار ناچيز است.

روش‌هاي گوناگوني براي ايجاد بي‌وزني بدون خروج از جوّ زمين وجود دارد. يكي از روش‌هاي كارآمد كاهش وزن، استفاده از پروازهاي گرانش صفر است. در اين نوع پروازها، شرايط بي‌وزني با استفاده از هواپيما و طي مانورهاي سهمي‌شكل ويژه‌اي حاصل مي‌شود. پيش از پرواز، تغييرات لازم در فضاي داخلي هواپيما را جهت انجام مناسب آزمايش‌ها اعمال مي‌كنند. پروازهاي گرانش صفر با توجه به هزينه، مدت زمان ايجاد شرايط بي‌وزني در هر مانور، امكان انجام انواع آزمايش‌ها و ديگر ويژگي‌هاي منحصر به‌فرد، روش بسيار مؤثري براي ايجاد بي‌وزني محسوب مي‌شوند؛ به‌ويژه كه با استفاده از آنها، حتي افراد عادي نيز مي‌توانند شرايط بي‌وزني را تجربه كنند.



. . . ايجاد بي‌وزني و تأثيرات آن
بسياري از بازديدكنندگان مراكز فضايي، سراغ اتاق ويژه‌اي را مي‌گيرند كه گرانش در آن با زدن دكمه‌اي ناگهان ناپديد شده و فضانوردان مي‌توانند در محيط آن معلق شوند! حقيقت اين است كه گرانش زمين هيچ‌گاه از بين رفتني نيست. براي كاهش وزن و در نهايت رسيدن به شرايط بي‌وزني، بايد به طريقي بر گرانش زمين غلبه كرد. تجربه بي‌وزني در شرايط گرانش صفر و يا گرانش ناچيز حاصل مي‌شود.

غالباً عبارت گرانش صفر يا گرانش كاهش‌يافته براي توصيف حالت بي‌وزني استفاده مي‌شود، اما در واقع، فرض صفر بودن گرانش از نظر علمي نادرست است. يك فضاپيما و محتوياتش توسط نيروي گرانش سياره‌اي كه به دور آن مي‌چرخند، در مدار خود نگاه داشته مي‌شوند و همگي تقريباً در معرض نيروي گرانش برابري قرار مي‌گيرند.

فلسفه باقي ماندن ماهواره‌ها در مدار اين است كه به دليل چرخش آنها به دور زمين با سرعتي خاص، نيروي گريز از مركز به آنها وارد مي‌شود كه اين نيرو، نيروي گرانش زمين را خنثي مي‌كند. از نظر فيزيكي، عبارت گرانش صفر براي توصيف شرايط سقوط آزاد درون وسايل فضايي واقع در مدار استفاده مي‌شود. البته همان‌گونه كه ذكر شد، گرانش همچنان در فضا وجود دارد و مانع از پرواز آزادانه ماهواره در فضاي تهي بين‌‌سياره‌اي مي‌شود. سرعت مماسي بسيار زياد ماهواره‌ها به آنها اجازه مي‌دهد كه با وجود كشش اجتناب‌پذير به سوي ميدان گرانش زمين، به پايين سقوط نكنند. بنابراين آنچه كه ماهواره‌ها را بالاي زمين نگه‌ مي‌دارد، ناشي از فقدان گرانش نيست بلكه سرعت چرخش فضاپيماست.

ادامه

نقل از دانش فضایی

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات