Prečo je vo vesmíre bezváhový stav?

25.07.2010 13:45
mojžiš, detská univerzita
Martin Mojžiš vysvetlil účastníkom Detskej univerzity, že voľný pád a obiehanie okolo Zeme sú rôzne prejavy tej istej veci. Autor:

Prednáška na dnešnú tému by mohla byť veľmi krátka. Dôvod je taký, že vo vesmíre bezváhový stav nie je. Keby tam totiž bol, znamenalo by to, že tam nie je žiadna gravitácia.

Ako to teda v kozme vyzerá? Ako v termoske, ktorá má duté steny. Spomedzi nich je vysatý vzduch, preto vynikajúco izoluje. Nedokáže teda viesť teplo a studené aj teplé veci si tam udržiavajú svoju teplotu. Je tam riedke prostredie (1 až 2 atómy na štvorcový meter) a to, čo sa nám javí ako bezváhový stav, je vlastne voľný pád. Aj keď sa nám to zdá neuveriteľné, zábery ľudí a predmetov vznášajúcich sa vo vesmírnych lodiach sú vlastne ukážkou ich pádu. Bezváhový stav a voľný pád majú veľa spoločného.

Aj keď sa nám to zdá neuveriteľné, zábery ľudí...
Aj keď sa nám to zdá neuveriteľné, zábery ľudí a predmetov vznášajúcich sa vo vesmíre sú vlastne ukážkou ich pádu. Autor: SHUTTERSTOCK

Ako funguje voľný pád?

Otázkou sa zaoberali už starí Gréci, najmä Aristoteles. Napriek jeho múdrosti a veľkému prínosu do oblasti vedy i filozofie však Aristoteles nebol veľmi dobrý fyzik. A takmer všetko, čo o fyzike napísal, bolo zle. V čase, keď žil, totiž ľudia ešte neboli schopní mnohé veci overiť, a tak sa väčšinou len snažil uhádnuť, ako veci fungujú. Zväčša však uhádol nesprávne.

Jeho hlavným omylom bol predpoklad, že ťažšie veci padajú rýchlejšie ako ľahšie. Teda že rýchlosť je úmerná ich hmotnosti. Nesprávne bolo aj Aristotelovo presvedčenie, že rýchlosť sa počas pádu nemení a že je nepriamoúmerná hustote prostredia. Hoci sa nám tieto konštatovania môžu zdať logické a pravdivé, sú chybné. Aj tieto tvrdenia však boli v antickom Grécku prakticky neoveriteľné, a tak Aristotelov vplyv trval až 2000 rokov. Katolícka cirkev ho urobila dokonca cirkevnou autoritou, a tak sa mu väčšina učencov bála protirečiť.

Aristotelovi sa odvážil postaviť až taliansky vedec Galileo Galilei. Bol známy odlišnými názormi. Do sporu sa dostal aj s gréckym astronómom Ptolemaiom, ktorý tvrdil, že Zem sa nachádza v strede vesmíru. Myslel si, že Slnko, Mesiac či planéty obiehajú okolo Zeme, ktorá je stredom vesmíru, zatiaľ čo Galilei bol presvedčený, že v strede je Slnko. Aj keď dnes už vieme, že pravdu mal Galileo, svoje názory musel pred smrťou odvolať.

Proti Aristotelovmu učeniu sa však postavil o niečo šikovnejšie. Nielen argumentmi, ale aj asi najsilnejším dôkazom – experimentom. Už totiž nechcel iba hádať, ako veci fungujú. Chcel skúmať, čo sa dá aj vyskúšať. Údajne sa tak mal uskutočniť jeden z najznámejších pokusov v histórii: hádzanie gulí zo šikmej veže v Pise. Napriek tomu, že podľa historikov sa pokus nikdy neuskutočnil, jeho priebeh si Galileo určite overil. A ľahko si ho môžeme vyskúšať aj sami.

Stačia na to dva kamene rôznych veľkostí, ktoré pustíme z rovnakej výšky na zem. Sluchom skúsime odhadnúť, ako dlho padá veľký kameň, potom to porovnáme s pádom malého kameňa. V prípade, že jeden kameň je trojnásobne menší ako druhý, podľa Aristotelových tvrdení musí menší, a teda ľahší kameň, padať trikrát kratšie. Pri súčasnom páde oboch kameňov však prídeme na to, že oba padajú rovnako rýchlo. Hoci by to nemuselo platiť pri väčších rozdieloch v hmotnosti, ako napríklad pri pierku a železnej guli, príčinou by bol odpor prostredia – v našom prípade vzduchu. Ak je však tento odpor zanedbateľný, prípadne nulový, všetky telesá padajú rovnako rýchlo.

V niektorých fyzikálnych kabinetoch na to majú sklenenú trubicu s vákuom (je z nej teda vysatý vzduch), v ktorej je pierko a kameň. Ak by sme ju prevracali, zistili by sme, že na dno trubice dopadnú obidva predmety súčasne. Galileo týmto poznatkom spôsobil veľký prevrat v myslení. Navyše zistil aj to, že rýchlosť voľného pádu sa mení a postupne rastie priamoúmerne času.

Prečo je na Zemi bezváhový stav?

Mladí študenti počuli množstvo príkladov, ako...
Mladí študenti počuli množstvo príkladov, ako fungujú fyzikálne javy. Autor: Robert Hüttner

Predstavme si výťah, ktorý sa odtrhne a padá nadol pri zanedbateľnom odpore. Ak by v ňom bol človek aj s položenou žiletkou, ktorou sa holí, všetci by padali rovnakou rýchlosťou. Keby sme dovnútra výťahu nainštalovali kameru, videli by sme voľne sa vznášajúceho človeka, vedľa ktorého by bola položená voľne sa vznášajúca žiletka. Ako by sa taký pohľad líšil od záberov na kozmonautov vo vesmírnych staniciach? Nijako.

Pri pohľade na vznášajúcich sa kozmonautov vo vesmírnych lodiach, ktorí si pri holení položia žiletku len tak do vzduchu pred seba, vidíme súčasne voľný pád aj bezváhový stav. Pohybovať sa v takom priestore je veľmi náročné a kozmonauti potrebujú osobitný výcvik, aby sa to naučili. Pred odletom do vesmíru preto musia absolvovať skúšky v lietadle s označením G0. Toto lietadlo využívajú aj filmové štúdiá. Nahrávajú sa v ňom dokonca filmové scény s astronautmi. Hercov pri nich lietadlom vyvezú do veľkej výšky, a potom sa toto lietadlo strmo spustí dole. Na chvíľu teda padá voľným pádom a nám sa zdá, akoby sa veci v ňom vznášali v priestore.

Ako je však možné, že človek sa pri takom páde nenalepí na plafón výťahu či lietadla? Dôvodom je spomínaný odpor prostredia. Keďže vnútri výťahu človek ani žiletka nemajú odpor vzduchu, zostanú v ňom zdanlivo bez pohnutia. V takom voľne padajúcom výťahu je teda (zdanlivo) bezváhový stav. Zároveň je to však voľný pád. A ako to vlastne súvisí s medzinárodnou stanicou ISS, ktorá nepadá, ale obieha okolo Zeme? Vo vesmírnych lodiach ide v skutočnosti o ten istý jav ako pri pokuse s výťahom. Je totiž to isté, keď niečo voľne padá, ako keď niečo stále obieha okolo Zeme. To je jeden z najdôležitejších objavov vo vede.

Kým Aristoteles mal rôzne zákony pre pozemské a nebeské telesá, tvrdeniu sa postavil anglický fyzik Isaac Newton. Ako prvý tvrdil, že padanie jablka zo stromu a obiehanie Mesiaca okolo Zeme je prakticky to isté. Bol presvedčený, že princípy a zákony sú v oboch prostrediach rovnaké a za kľúčové pre pohyb pokladal to, ako sa mení rýchlosť pohybu. Zistil, že ak na teleso pôsobia sily, tieto sily určujú zrýchlenie padajúceho telesa.

Zrýchlenie vypočítal tak, že pôsobiacu silu vydelil hmotnosťou telesa. Na padajúci objekt pôsobí v našom prípade gravitačná sila, ktorá má dôležitú vlastnosť – jej veľkosť je daná súčinom hmotnosti telesa a intenzitou gravitačného poľa. Ak teda zrýchlenie je sila delené hmotnosť a gravitačná sila je hmotnosť krát intenzita gravitačného poľa, tak hmotnosť v čitateli a menovateli sa vykráti. Jediné, čo je teda dôležité, je gravitačná sila daného poľa. Zrýchlenie je teda spôsobené gravitačnou silou bez ohľadu na hmotnosť telesa a závisí len od intenzity gravitačného poľa.

Voľný pád je ako krúženie dookola

Ďalší slávny myšlienkový experiment uskutočnil literárny hrdina Arthur Dent. Jeho receptom, ako sa naučiť lietať, bolo „hodiť sa o zem a netrafiť ju“. Na tomto princípe totiž fungujú vesmírne satelity. Ako je to možné?

Predstavme si obrovský kopec, v ktorom je vykopaná studňa. Ak do nej pustíme guľu, bude padať voľným pádom až na dno kopca. Ak guľu z kopca vystrelíme, poletí dopredu a zároveň bude padať (voľným pádom). Teda: pôjde aj dopredu, aj niekde spadne.

Ak guľu vystrelíme rýchlejšie, stane sa to isté, ale doletí ďalej. Ak jej rýchlosť ešte zväčšíme, dopadne ešte ďalej. Ak však guľu vystrelíme veľmi, veľmi rýchlo, obletí celú Zem dookola a vráti sa späť. Ak by nemala odpor prostredia a nestrácala rýchlosť, zostane okolo Zeme krúžiť.

Všetko toto znamená, že voľný pád a obiehanie dookola sú rôzne prejavy tej istej veci. Ak si opäť predstavíme výťah s padajúcou osobou a žiletkou, ako sme už spomenuli, všetci padajú rovnako rýchlo. Skúsme si však tento výťah predstaviť, ako nepadá smerom nadol, ale ako sa pohybuje vo vodorovnom smere. Vyzerá to úplne rovnako, ako keď vidíme zábery kozmonautov vo vesmíre. Sami tak prídeme na to, že vo voľne obiehajúcom satelite to vyzerá navlas rovnako ako v padajúcom výťahu – je v nich zdanlivo bezváhový stav, zatiaľ čo navonok vidíme, že ide o voľný pád.

Doc. RNDr. Martin Mojžiš, PhD., vysokoškolský pedagóg

Narodil sa v roku 1960 v Bratislave a na Matematicko-fyzikálnej fakulte Univerzity Komenského v Bratislave vyštudoval teoretickú fyziku. Po štúdiu sa venoval pedagogickej kariére a zostal učiť na vysokej škole.

V súčasnosti pôsobí na katedre teoretickej fyziky a didaktiky fyziky, kde prednáša teóriu elementárnych častíc.

Je aj autorom štúdií z fyziky elementárnych častíc a viacerých metodických príručiek.

Založil a viedol korešpondenčný seminár z fyziky pre študentov stredných škôl. Pravidelne prispieva do časopisov.

Doc. RNDr. Martin Mojžiš, PhD.,
	vysokoškolský pedagóg
Doc. RNDr. Martin Mojžiš, PhD., vysokoškolský pedagóg.
Sleduj najnovšie články na našom Facebooku
Ponuky zo Zľavy.Pravda.sk