Beztížný stav a gravitační prak
21. 2. 2007
Proč se kosmonauti na oběžné dráze kolem Země pohybují v beztížném stavu? Vyvedeme z omylu všechny, kdo si myslí, že kosmické lodi se přece pohybují daleko od Země. Na pokusech pak ukážeme, že beztížný stav lze na zlomek sekundy zažít dokonce tady na Zemi. Třeba přímo v obývacím pokoji. Lepší je samozřejmě vyzkoušet si beztížný stav ve speciálním letadle – uvidíte záběry z jeho letu. A nakonec vysvětlíme divácký dotaz: na jakém principu funguje gravitační prak – urychlování kosmických sond pomocí obletu kolem planet.
RNDr. Zdeněk Drozd, CSc., katedra didaktiky fyziky, MFF UK: Lidé si často myslí, že beztížný stav je v kosmické lodi proto, že kosmická loď je daleko od Země. Je to pravda? Jak velká je zeměkoule, Kristýno?
Kristýna Veselá, studentka oboru učitelství matematiky a fyziky, MFF UK: Má průměr asi tak třináct tisíc kilometrů.
RNDr. Zdeněk Drozd, CSc., katedra didaktiky fyziky, MFF UK: Takže mohli bychom ji nakreslit na tabuli? V nějakém měřítku, aby se nám na tu tabuli vešla? Řekněme, že centimetr bude představovat sto kilometrů. Tak to by mohlo být ono. A teď je otázka, jak vysoko nad Zemí létá taková normální kosmická loď.
Kristýna Veselá, studentka oboru učitelství matematiky a fyziky, MFF UK: Asi tak čtyři sta kilometrů.
RNDr. Zdeněk Drozd, CSc., katedra didaktiky fyziky, MFF UK: Takže když to tady nakreslíme, bude to čtyři centimetry nad naší zmenšenou Zemí. No, to není zase tak daleko od Země. Podívejte se: Vždyť to je skoro na povrchu Země.
A co tak vytvořit si beztížný stav přímo na Zemi? Třeba v učebně nebo u vás doma? Nesmysl? Kdepak. Stačí trocha tréninku a v prázdné PET lahvi se bude třeba tužka vznášet stejně jako kosmonaut v lodi na oběžné dráze.
Kristýna s Tomášem předvádějí beztížnou klec. Uvnitř je závaží na pružině. Při volném pádu klece závaží ztrácí tíhu a pružina, na němž je zavěšeno, se stáhne. Tíha tedy zanikla, i když se těleso stále nachází v silném gravitačním poli naší Země.
Názornou ukázku uvidíte na palubě tryskového letadla, kde během letu – při volném pádu k Zemi – tíha na několik desítek sekund zaniká a lidé, předměty i pokusná zvířata se ocitají v beztížném stavu.
Beztížný stav si na Zemi vyzkoušel i Filip. Padá volným pádem a spolu s ním – na úrovni jeho nosu – i tenisák. Na zlomek sekundy se cítí třeba jako kosmonaut na orbitě. V beztížném stavu se neobvykle chovají i kapaliny. Názorně vám to předvede Filip.
Filip: Opatrně přišroubuji víčko, ale jen tak, aby dovnitř mohl vzduch. A teď propíchnu PET – láhev špendlíkem. A vidíte – voda vytéká ven, protože na ni působí hydrostatický tlak. Ale jakmile láhev pustím, tak voda přestane téct. Dívejte se… A je to tím, že ve stavu beztíže přestane působit ten hydrostatický tlak. A voda pak neteče.
Jak je to tedy na oběžné dráze? Kdyby se družice nepohybovala, spadla by na Zemi. Protože však dostatečně rychle letí rovnoběžně se zemským povrchem, oba pohyby se skládají a výsledkem je kruhová nebo častěji eliptická dráha kolem Země.
Jeden z našich diváků se ptá, jak funguje urychlování kosmických sond, pro které se využívá jejich obletu kolem planet. Populárně se této metodě říká gravitační prak.
RNDr. Zdeněk Drozd, CSc., katedra didaktiky fyziky, MFF UK: Představte si, že tento magnet je například Jupiter. Tato kulička je kosmická sonda. Magnet s kuličko se přitahují magnetickou silou. Jupiter s kosmickou sondou se přitahují silou gravitační. Divák se ptá zhruba na toto: Když se sonda blíží k Jupiteru, zrychluje, ale po průletu kolem Jupitera opět zpomalí. Jenomže Jupiter se pohybuje a jeho rychlost se rychlostí sondy skládá. A proto je sonda na své cestě urychlena.
Na závěr dnešních kosmických záhad ještě námět k zamyšlení nebo k domácímu experimentu: Jak by se dal zvážit kosmonaut nebo cokoli jiného v beztížném stav v kosmické lodi? A druhá otázka: může v beztížném stavu na palubě kosmické lodi hořet svíčka?
Autor: Vladimír Kunz