Stav beztíže je stav, ve kterém neexistuje síla interakce mezi tělesem a podpěrou nebo závěsem ( hmotností těla ), vznikající v souvislosti s gravitační přitažlivostí nebo působením jiných hmotných sil (zejména setrvačné síly vznikající z urychleného pohyb těla).
Někdy se jako synonymum pro název tohoto jevu používá termín mikrogravitace , který je nesprávný (zdá se, že gravitace chybí nebo je zanedbatelně malá).
Stav beztíže nastává, když vnější síly působící na těleso jsou pouze hmotové (gravitační síly), pole těchto hmotných sil je lokálně homogenní, to znamená, že síly pole udělují všem částicím tělesa v každé jeho poloze stejné zrychlení velikosti a směru (které při pohybu v poli gravitace Země prakticky probíhá, jsou-li rozměry tělesa malé ve srovnání s poloměrem Země), navíc počáteční rychlosti všech částic tělesa jsou stejný v modulu a směru (tělo se pohybuje vpřed), nedochází k žádnému rotačnímu pohybu kolem vlastního těžiště.
Například kosmická loď a všechna tělesa v ní, která získala vhodnou počáteční rychlost, se pod vlivem gravitačních sil pohybují po svých drahách s téměř stejnými zrychleními (fenomén přítomnosti zrychlení po vypnutí tahu motoru na těleso na oběžné dráze), jako volné; tělesa samotná ani jejich částice na sebe nevyvíjejí vzájemný tlak, to znamená, že jsou ve stavu beztíže. Současně ve vztahu ke kabině přístroje může tělo v ní umístěné kdekoli zůstat v klidu (volně „viset“ v prostoru). Gravitační síly ve stavu beztíže sice působí na všechny částice tělesa, ale neexistují žádné vnější povrchové síly, které by mohly způsobit vzájemný tlak částic na sebe [1] .
Každé těleso, jehož rozměry jsou menší než zemský poloměr, vykonávající volný translační pohyb v zemském gravitačním poli, se tedy za nepřítomnosti jiných vnějších sil bude nacházet ve stavu beztíže. Výsledek bude podobný pro pohyb v gravitačním poli jakýchkoliv jiných nebeských těles.
Ve skutečnosti je u všech těles konečné velikosti rozdíl v gravitačních zrychlení způsobený rozdílem ve vzdálenosti různých bodů tělesa od Země. Tento malý rozdíl má tendenci protahovat tělo v radiálním směru [2] .
Změnu hmotnosti koule během jejího volného pádu v kapalině zaznamenal Leibniz . V letech 1892-1893. několik experimentů demonstrujících výskyt stavu beztíže při volném pádu provedl profesor Moskevské státní univerzity N. A. Ljubimov , například kyvadlo vyvedené z rovnováhy při volném pádu se nekývalo [3] .
V podmínkách stavu beztíže na palubě kosmické lodi probíhá mnoho fyzikálních procesů (konvekce, spalování atd.) jinak než na Zemi. Absence gravitace vyžaduje speciální konstrukci systémů, jako jsou sprchy, toalety, systémy ohřevu jídla, ventilace atd. Aby se zabránilo vzniku stagnujících zón, kde se může hromadit oxid uhličitý, a aby bylo zajištěno rovnoměrné promíchání teplého a studeného air, například na ISS má nainstalované velké množství ventilátorů. Jídlo a pití, osobní hygiena, práce s vybavením a obecně běžné každodenní činnosti mají také své charakteristiky a vyžadují, aby si kosmonaut vytvořil návyky a potřebné dovednosti.
Vliv stavu beztíže je nevyhnutelně zohledněn při konstrukci raketového motoru na kapalná paliva, který je navržen pro start ve stavu beztíže. Složky kapalného paliva v nádržích se chovají úplně stejně jako jakákoli kapalina (tvoří kapalné koule). Z tohoto důvodu může být znemožněn přívod kapalných složek z nádrží do palivového potrubí. Pro kompenzaci tohoto efektu se používá speciální konstrukce nádrže (se separátory pro plynná a kapalná média) a také postup pro usazování paliva před spuštěním motoru. Takový postup spočívá v zapnutí pomocných motorů lodi pro zrychlení; jimi vytvořené mírné zrychlení vysráží kapalné palivo na dně nádrže, odkud přívodní systém směřuje palivo do potrubí.
Při přechodu z podmínek přítomnosti tělesné hmotnosti na zemském povrchu do stavu beztíže (především při vstupu kosmické lodi na oběžnou dráhu) většina astronautů zažívá reakci organismu zvanou kosmický adaptační syndrom .
Při dlouhém (více než týdenním) pobytu člověka ve vesmíru začne absence tělesné hmotnosti způsobovat určité škodlivé změny v těle.
Prvním a nejzřejmějším důsledkem stavu beztíže je rychlá atrofie svalů: svaly jsou vlastně vypnuty od lidské činnosti, v důsledku toho klesají všechny fyzické vlastnosti těla. Důsledkem prudkého snížení aktivity svalových tkání je navíc snížení spotřeby kyslíku tělem a v důsledku výsledného přebytku hemoglobinu může dojít ke snížení aktivity kostní dřeně, která jej syntetizuje (hemoglobin).
Je také důvod se domnívat, že omezení pohyblivosti naruší metabolismus fosforu v kostech, což povede ke snížení jejich pevnosti. .
Dost často se mizení váhy zaměňuje s mizením gravitační přitažlivosti, ale vůbec tomu tak není. Příkladem je situace na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS). Ve výšce 400 kilometrů (nadmořská výška stanice) je zrychlení volného pádu 8,63 m / s² , což je pouze o 12 % méně než na povrchu Země . Stav beztíže na ISS nevzniká kvůli „nedostatku gravitace“, ale kvůli pohybu na kruhové oběžné dráze s první kosmickou rychlostí , to znamená, že astronauti neustále „padají dopředu“ rychlostí. 7,9 km/s. Stejně jako ISS nepadá na oběžné dráze, tak ani všechny objekty na ISS nespadnou na zem
Na Zemi se pro experimentální účely vytváří krátkodobý stav beztíže (do 40 s), když letadlo letí po balistické dráze, tedy takové dráze, po které by letadlo letělo pod vlivem síly samotná gravitace. Tato trajektorie se při nízkých rychlostech ukazuje jako parabola (tzv. „ Keplerova parabola “), proto se jí někdy mylně říká „parabolická“. Obecně je trajektorií elipsa nebo hyperbola.
Takové metody se používají k výcviku astronautů v Rusku a Spojených státech. V kokpitu je na niti zavěšena koule, která nit většinou stahuje dolů (pokud je letadlo v klidu nebo se pohybuje rovnoměrně a přímočaře). Absence napětí na niti, na které koule visí, naznačuje stav beztíže. Pilot tedy musí ovládat letadlo tak, aby míč visel ve vzduchu bez napětí na niti. K dosažení tohoto efektu musí mít letadlo konstantní zrychlení rovné g a směřující dolů. Jinými slovy, piloti vytvoří nulové G. Po dlouhou dobu může takové přetížení (až 40 sekund) vzniknout, pokud provedete speciální akrobatický manévr „selhání ve vzduchu“. Piloti náhle začnou stoupat a vstoupí na „parabolickou“ trajektorii, která končí stejným náhlým poklesem výšky. Uvnitř trupu je komora, ve které trénují budoucí kosmonauti, je to kabina pro cestující kompletně čalouněná měkkým potahem bez sedadel, aby nedošlo ke zranění jak ve chvílích beztíže, tak ve chvílích přetížení.
Podobný pocit beztíže (částečné) zažívá člověk při létání na letech civilního letectví při přistání. Z důvodu bezpečnosti letu a kvůli velkému zatížení konstrukce letadla však každé plánované letadlo snižuje svou výšku a provádí několik prodloužených spirálových zatáček (z výšky letu 11 km na výšku přiblížení asi 1-2 km) . To znamená, že klesání probíhá v několika průjezdech, během kterých cestující na pár sekund cítí, že je mírně zvednutý ze sedadla nahoru. Je to stejný pocit, který zažívají motoristé, kteří znají strmé kopce, když auto začne sjíždět shora.
Tvrzení, že letadlo provádí akrobacii, jako jsou „ Nesterovovy smyčky “, aby vytvořilo krátkodobý stav beztíže, nejsou nic jiného než mýtus. Výcvik se provádí v mírně upravených sériových osobních nebo nákladních letadlech, pro které jsou akrobacie a podobné letové režimy nadkritické a mohou vést k destrukci letounu ve vzduchu nebo rychlému únavovému opotřebení nosných konstrukcí.
Stav beztíže lze pociťovat v počátečním okamžiku volného pádu tělesa do atmosféry , kdy je odpor vzduchu ještě malý.
Existuje několik letadel schopných provádět lety s dosažením stavu beztíže, aniž by se dostaly do vesmíru. Technologie je využívána jak pro výcvik vesmírných agentur, tak pro komerční lety jednotlivců. Podobné lety provádí americká letecká společnost Zero Gravity , Roskosmos (na Il-76 MDK od roku 1988 jsou lety dostupné i jednotlivcům [4] ), NASA (na Boeingu KC-135), Evropská kosmická agentura (dne Airbus A-310) [5] . Typický let trvá asi hodinu a půl. Během letu se provádí 10-15 sezení ve stavu beztíže, k jejichž dosažení letadlo provede strmý ponor. Doba trvání každého sezení stavu beztíže je asi 25 sekund [6] . K listopadu 2017 letělo přes 15 000 lidí [7] . Mnoho slavných lidí provedlo lety beztíže na palubě letadla, včetně: Baz Aldrin , John Carmack , Tony Hawk , Richard Branson . Stephen Hawking také uskutečnil krátký let 26. dubna 2007 [8] [9] [10] .
Dalším způsobem, jak simulovat stav beztíže, a to na dlouhou dobu, je vytvořit stav beztíže .