Imponderabilidade - Weightlessness

Os astronautas na Estação Espacial Internacional experimentam apenas microgravidade e, portanto, mostram um exemplo de ausência de peso. Michael Foale pode ser visto se exercitando em primeiro plano.

A ausência de peso é a ausência completa ou quase total da sensação de peso . Isso também é denominado zero-G , embora o termo mais correto seja " força G zero ". Ocorre na ausência de quaisquer forças de contato sobre objetos, incluindo o corpo humano.

Peso é uma medida da força sobre um objeto em repouso em um campo gravitacional relativamente forte (como na superfície da Terra). Essas sensações de peso se originam do contato com pisos de apoio, assentos, camas, balanças e semelhantes. Uma sensação de peso também é produzida, mesmo quando o campo gravitacional é zero, quando as forças de contato atuam e superam a inércia de um corpo por forças mecânicas não gravitacionais - como em uma centrífuga , uma estação espacial em rotação ou dentro de um veículo em aceleração .

Quando o campo gravitacional não é uniforme, um corpo em queda livre experimenta os efeitos das marés e não está livre de tensões. Perto de um buraco negro , esses efeitos de maré podem ser muito fortes. No caso da Terra, os efeitos são menores, especialmente em objetos de dimensões relativamente pequenas (como o corpo humano ou uma espaçonave) e a sensação geral de ausência de peso nesses casos é preservada. Essa condição é conhecida como microgravidade e prevalece em espaçonaves em órbita.

A ausência de peso na mecânica newtoniana

Na metade esquerda, a mola está longe de qualquer fonte de gravidade. Na metade direita, está em um campo gravitacional uniforme. a ) Gravidade zero e sem peso b ) Gravidade zero, mas não sem peso (A mola é propulsionada por foguete) c ) A mola está em queda livre e sem peso d ) A mola repousa sobre um pedestal e tem peso 1 e peso 2 .

Na mecânica newtoniana, o termo "peso" recebe duas interpretações distintas dos engenheiros.

Peso 1 : Nesta interpretação, o "peso" de um corpo é a força gravitacional exercida sobre o corpo e esta é a noção de peso que prevalece na engenharia. Perto da superfície da terra, um corpo cuja massa é 1 kg (2,2 lb) tem um peso de aproximadamente 9,81 N (2,21 lb f ), independente de seu estado de movimento, queda livre ou não . A ausência de peso, neste sentido, pode ser alcançada removendo o corpo para longe da fonte de gravidade. Também pode ser obtido colocando o corpo em um ponto neutro entre duas massas gravitantes.
Peso 2 : O peso também pode ser interpretado como a quantidade que é medida quando se usa uma balança. O que está sendo medido ali é a força exercida pelo corpo na balança. Em uma operação de pesagem padrão, o corpo sendo pesado está em um estado de equilíbrio como resultado de uma força exercida sobre ele pela máquina de pesagem, cancelando o campo gravitacional. Pela 3ª lei de Newton, existe uma força igual e oposta exercida pelo corpo na máquina. Essa força é chamada de peso 2 . A força não é gravitacional. Normalmente, é uma força de contato e não uniforme em toda a massa do corpo. Se o corpo for colocado na balança em um elevador (um elevador) em queda livre em gravidade uniforme pura, a escala leria zero, e o corpo seria considerado sem peso, ou seja, seu peso 2 = 0. Isso descreve a condição em que o corpo está livre de estresse e indeformado. Esta é a ausência de peso em queda livre em um campo gravitacional uniforme . (A situação é mais complicada quando o campo gravitacional não é uniforme, ou, quando um corpo está sujeito a forças múltiplas que podem, por exemplo, cancelar-se mutuamente e produzir um estado de tensão embora o peso 2 seja zero. Veja abaixo.)

Para resumir, temos duas noções de peso, das quais o peso 1 é dominante. No entanto, a "ausência de peso" é tipicamente exemplificada não pela ausência de peso 1, mas pela ausência de estresse associado ao peso 2 . Essa é a sensação pretendida de ausência de peso no que segue abaixo.

Um corpo está livre de tensões, exerce peso zero 2 , quando a única força que atua sobre ele é o peso 1, como em queda livre em um campo gravitacional uniforme. Sem subscritos, termina-se com a conclusão estranha de que um corpo não tem peso quando a única força que age sobre ele é o seu peso.

A maçã apócrifa que caiu na cabeça de Newton pode ser usada para ilustrar as questões envolvidas. Uma maçã pesa aproximadamente 1 newton (0,22 lb f ). Este é o peso 1 da maçã e é considerado uma constante mesmo quando está caindo. Durante essa queda, seu peso 2, entretanto, é zero: ignorando a resistência do ar, a maçã está livre de estresse. Ao atingir Newton, a sensação sentida por Newton dependeria da altura de onde a maçã cai e do peso 2 da maçã no momento do impacto pode ser muitas vezes maior do que 1 N (0,22 lb f ). É esse peso 2 que distorce a maçã. Na descida, a maçã em queda livre não sofre nenhuma distorção, pois o campo gravitacional é uniforme.

Estresse durante queda livre

  1. Em um campo gravitacional uniforme: Considere qualquer seção transversal dividindo o corpo em duas partes. Ambas as partes têm a mesma aceleração e a força exercida em cada uma é fornecida pela fonte externa do campo. Não há força exercida por uma parte sobre a outra. A tensão na seção transversal é zero. O peso 2 é zero.
  2. Em um campo gravitacional não uniforme: somente sob a gravidade, uma parte do corpo pode ter uma aceleração diferente de outra parte. Isso tenderia a deformar o corpo e gerar tensões internas se o corpo resistir à deformação. O peso 2 não é 0.

Ao longo desta discussão sobre o uso de estresse como um indicador de peso, qualquer pré-estresse que possa existir dentro de um corpo causado por uma força exercida em uma parte por outra não é relevante. As únicas tensões relevantes são aquelas geradas por forças externas aplicadas ao corpo.

A definição e o uso de 'ausência de peso' são difíceis, a menos que seja entendido que a sensação de "peso" na experiência terrestre cotidiana resulta não da ação da gravitação sozinha (o que não é sentido), mas sim das forças mecânicas que resistem à gravidade. Um objeto em queda livre reta, ou em uma trajetória inercial de queda livre mais complexa (como dentro de uma aeronave de gravidade reduzida ou dentro de uma estação espacial), todos experimentam leveza, uma vez que não experimentam as forças mecânicas que causam a sensação de peso.

Campos de força diferentes da gravidade

Como observado acima, a ausência de peso ocorre quando

  1. nenhuma força resultante age sobre o objeto
  2. a gravidade uniforme age somente por si mesma.

Por uma questão de integridade, uma terceira possibilidade menor deve ser adicionada. Isso significa que um corpo pode estar sujeito a um campo que não é gravitacional, mas tal que a força sobre o objeto é uniformemente distribuída pela massa do objeto. Um corpo eletricamente carregado, uniformemente carregado, em um campo elétrico uniforme é um exemplo possível. A carga elétrica aqui substitui a carga gravitacional normal. Esse corpo ficaria livre de estresse e seria classificado como sem peso. Vários tipos de levitação podem cair nesta categoria, pelo menos aproximadamente.

Ausência de peso e aceleração adequada

Um corpo em queda livre (que por definição não acarreta forças aerodinâmicas) próximo à superfície da terra tem uma aceleração aproximadamente igual a 9,8 m / s 2 (32 pés / s 2 ) em relação a uma estrutura de coordenadas ligada à terra. Se o corpo estiver em um levantamento em queda livre e sujeito a nenhum empurrão ou puxão do levantamento ou de seu conteúdo, a aceleração em relação ao levantamento seria zero. Se, por outro lado, o corpo está sujeito a forças exercidas por outros corpos dentro do elevador, ele terá uma aceleração em relação ao elevador em queda livre. Essa aceleração que não é devida à gravidade é chamada de " aceleração adequada ". Nessa abordagem, a ausência de peso se mantém quando a aceleração adequada é zero.

Maneiras de evitar a falta de peso

A ausência de peso está em contraste com as experiências humanas atuais em que uma força não uniforme está agindo, como:

Nos casos em que um objeto não é sem peso, como nos exemplos acima, uma força atua de maneira não uniforme sobre o objeto em questão. A sustentação, arrasto e impulso aerodinâmicos são forças não uniformes (são aplicadas em um ponto ou superfície, em vez de agirem sobre toda a massa de um objeto) e, portanto, criam o fenômeno do peso. Essa força não uniforme também pode ser transmitida a um objeto no ponto de contato com um segundo objeto, como o contato entre a superfície da Terra e os pés de alguém, ou entre um cinto de pára-quedas e o corpo.

Forças da maré

Dois cubos rígidos unidos por um fio elástico em queda livre perto de um buraco negro. A corda se estica quando o corpo cai para a direita.

As forças de maré surgem quando o campo gravitacional não é uniforme e existem gradientes gravitacionais . De fato, essa é a norma e, estritamente falando, qualquer objeto de tamanho finito, mesmo em queda livre, está sujeito aos efeitos das marés. Eles são impossíveis de remover por movimento inercial, exceto em um único ponto nomeado do corpo. A Terra está em queda livre, mas a presença de marés indica que ela está em um campo gravitacional não uniforme. Essa não uniformidade se deve mais à lua do que ao sol. O campo gravitacional total devido ao sol é muito mais forte do que o da lua, mas tem um efeito de maré menor em comparação com o da lua por causa das distâncias relativas envolvidas. O peso 1 da Terra é essencialmente devido à gravidade do sol. Mas seu estado de tensão e deformação, representado pelas marés, é mais devido à não uniformidade no campo gravitacional da lua próxima. Quando o tamanho de uma região que está sendo considerada é pequeno em relação à sua distância da massa gravitante, a suposição de um campo gravitacional uniforme é uma boa aproximação. Assim, uma pessoa é pequena em relação ao raio da Terra e o campo para uma pessoa na superfície da Terra é aproximadamente uniforme. O campo é estritamente não uniforme e é responsável pelo fenômeno da microgravidade . Objetos próximos a um buraco negro estão sujeitos a um campo gravitacional altamente não uniforme.

Quadros de referência

Em todos os referenciais inerciais , enquanto a ausência de peso é experimentada, a primeira lei do movimento de Newton é obedecida localmente dentro do referencial . Dentro do quadro (por exemplo, dentro de uma nave em órbita ou elevador em queda livre), objetos não forçados mantêm sua velocidade em relação ao quadro. Objetos que não estão em contato com outros objetos "flutuam" livremente. Se a trajetória inercial for influenciada pela gravidade, o quadro de referência será um quadro acelerado visto de uma posição fora da atração gravitacional e (visto de longe) os objetos no quadro (elevador, etc.) parecerão estar sob a influência de uma força (a chamada força da gravidade). Como observado, objetos sujeitos apenas à gravidade não sentem seus efeitos. A ausência de peso pode, portanto, ser realizada por curtos períodos de tempo em um avião, seguindo uma trajetória de vôo elíptica específica, muitas vezes chamada erroneamente de vôo parabólico. É mal simulado, com muitas diferenças, em condições de flutuabilidade neutras , como imersão em um tanque de água.

Zero-g, "gravidade zero", acelerômetros

Zero-g é um termo alternativo para ausência de peso e mantém-se, por exemplo, em um elevador em queda livre. Zero-g é sutilmente diferente da completa ausência de gravidade, algo impossível devido à presença da gravidade em todo o universo. "Gravidade zero" também pode ser usado para significar ausência de peso efetiva, negligenciando os efeitos das marés. A microgravidade (ou µg ) é usada para se referir a situações que são substancialmente sem peso, mas onde as tensões da força g dentro dos objetos devido aos efeitos das marés, como discutido acima, são cerca de um milionésimo da superfície da Terra. Os acelerômetros só podem detectar a força g, ou seja, o peso 2 (= massa × aceleração adequada). Eles não podem detectar a aceleração associada à queda livre.

Sensação de peso

A força nos pés é aproximadamente o dobro daquela na seção transversal do umbigo.

Os humanos experimentam seu próprio peso corporal como resultado dessa força de suporte, que resulta em uma força normal aplicada a uma pessoa pela superfície de um objeto de suporte, no qual a pessoa está de pé ou sentada. Na ausência dessa força, a pessoa estaria em queda livre e sentiria falta de peso. É a transmissão dessa força de reação através do corpo humano e a resultante compressão e tensão dos tecidos do corpo que resultam na sensação de peso.

Devido à distribuição da massa pelo corpo de uma pessoa, a magnitude da força de reação varia entre os pés e a cabeça de uma pessoa. Em qualquer seção transversal horizontal do corpo de uma pessoa (como em qualquer coluna ), o tamanho da força compressiva resistida pelos tecidos abaixo da seção transversal é igual ao peso da porção do corpo acima da seção transversal. Na pose adotada na ilustração a seguir, os ombros suportam o peso dos braços estendidos e estão sujeitos a um torque considerável.

Um equívoco comum

Uma concepção comum sobre as espaçonaves orbitando a Terra é que elas estão operando em um ambiente livre de gravidade. Embora haja uma maneira de entender isso na física da relatividade geral de Einstein, na física newtoniana isso é tecnicamente impreciso.

Um satélite geoestacionário acima de um ponto marcado no Equador. Um observador no local marcado verá o satélite permanecer diretamente acima, ao contrário de outros objetos celestes que varrem o céu.

As naves espaciais são mantidas em órbita pela gravidade do planeta em que estão orbitando. Na física newtoniana, a sensação de falta de peso experimentada pelos astronautas não é o resultado de haver aceleração gravitacional zero (como visto da Terra), mas de não haver força g que um astronauta pode sentir por causa da condição de queda livre, e também havendo diferença zero entre a aceleração da espaçonave e a aceleração do astronauta. O jornalista espacial James Oberg explica o fenômeno desta forma:

O mito de que os satélites permanecem em órbita porque "escaparam da gravidade da Terra" é perpetuado ainda mais (e falsamente) pelo uso quase universal da palavra "gravidade zero" para descrever as condições de queda livre a bordo de veículos espaciais em órbita. Claro, isso não é verdade; a gravidade ainda existe no espaço. Ele impede que os satélites voem diretamente para o vazio interestelar. O que está faltando é o "peso", a resistência da atração gravitacional por uma estrutura ancorada ou uma força contrária. Os satélites permanecem no espaço por causa de sua tremenda velocidade horizontal, que permite que - embora sejam inevitavelmente puxados em direção à Terra pela gravidade - caiam "além do horizonte". O recuo curvo do solo ao longo da superfície redonda da Terra compensa a queda dos satélites em direção ao solo. A velocidade, e não a posição ou falta de gravidade, mantém os satélites em órbita ao redor da Terra.

Um satélite geoestacionário é de especial interesse neste contexto. Ao contrário de outros objetos no céu que sobem e se põem, um objeto em uma órbita geoestacionária aparece imóvel no céu, aparentemente desafiando a gravidade. Na verdade, ele está em uma órbita equatorial circular com um período de um dia.

Relatividade

Para um físico moderno que trabalha com a teoria geral da relatividade de Einstein , a situação é ainda mais complicada do que o sugerido acima. A teoria de Einstein sugere que na verdade é válido considerar que objetos em movimento inercial (como cair em um elevador, ou em uma parábola em um avião ou orbitar um planeta) podem de fato ser considerados como experimentando uma perda local do campo gravitacional em seu quadro de descanso. Assim, do ponto de vista (ou quadro) do astronauta ou da nave em órbita, na verdade há uma aceleração adequada quase zero (a aceleração sentida localmente), exatamente como seria o caso longe no espaço, longe de qualquer massa. Portanto, é válido considerar que a maior parte do campo gravitacional em tais situações está realmente ausente do ponto de vista do observador em queda, assim como a visão coloquial sugere (ver princípio de equivalência para uma explicação mais completa deste ponto). No entanto, essa perda de gravidade para o observador em queda ou em órbita, na teoria de Einstein, é devido ao próprio movimento de queda e (novamente como na teoria de Newton) não devido ao aumento da distância da Terra. No entanto, a gravidade é considerada ausente. Na verdade, a percepção de Einstein de que uma interação gravitacional pura não pode ser sentida, se todas as outras forças forem removidas, foi o insight chave para levá-lo à visão de que a "força" gravitacional pode, de certa forma, ser vista como inexistente. Em vez disso, os objetos tendem a seguir caminhos geodésicos no espaço-tempo curvo, e isso é "explicado" como uma força, por observadores "newtonianos" que assumem que o espaço-tempo é "plano" e, portanto, não têm uma razão para caminhos curvos (ou seja, o "movimento de queda" de um objeto próximo a uma fonte gravitacional).

Na teoria da relatividade geral, a única gravidade que resta para o observador seguindo uma trajetória de queda ou "inercial" próximo a um corpo gravitante, é aquela que se deve às não uniformidades que permanecem no campo gravitacional, mesmo para o observador em queda. . Essa não uniformidade, que é um simples efeito de maré na dinâmica newtoniana, constitui a " microgravidade " que é sentida por todos os objetos estendidos espacialmente caindo em qualquer campo gravitacional natural que se origine de uma massa compacta. A razão para esses efeitos de maré é que tal campo terá sua origem em um lugar centralizado (a massa compacta) e, portanto, irá divergir, e variar ligeiramente em força, de acordo com a distância da massa. Assim, variará ao longo da largura do objeto em queda ou em órbita. Assim, o termo "microgravidade", um termo excessivamente técnico da visão newtoniana, é um termo válido e descritivo na visão relativística geral (einsteiniana).

Microgravidade

O termo ambiente micro-g (também µg , freqüentemente referido pelo termo microgravidade ) é mais ou menos um sinônimo de gravidade zero e zero-G , mas indica que as forças g não são exatamente zero, apenas muito pequenas.

Ambientes sem peso e com peso reduzido

Manobra de voo de gravidade zero

Peso reduzido na aeronave

Os aviões têm sido usados ​​desde 1959 para fornecer um ambiente quase sem peso no qual treinar astronautas, conduzir pesquisas e filmar filmes. Essas aeronaves são comumente conhecidas pelo apelido de " Cometa Vomit ".

Para criar um ambiente sem gravidade, o avião voa em um arco parabólico de seis milhas de comprimento , primeiro escalando e depois entrando em um mergulho motorizado. Durante o arco, a propulsão e a direção da aeronave são controladas de forma que o arrasto (resistência do ar) no avião seja cancelado, deixando o avião se comportar como se estivesse em queda livre no vácuo. Durante este período, os ocupantes do avião experimentam 22 segundos de ausência de peso, antes de experimentar cerca de 22 segundos de aceleração de 1,8 g (quase o dobro do seu peso normal) durante a retirada da parábola. Um voo normal dura cerca de duas horas, durante as quais 30 parábolas são voadas.

Avião KC-135A da NASA ascendendo para uma manobra de gravidade zero

Aeronave de gravidade reduzida da NASA

Versões de tais aviões são operadas pelo Programa de Pesquisa de Gravidade Reduzida da NASA desde 1973, de onde o apelido não oficial se originou. A NASA mais tarde adotou o apelido oficial de 'Weightless Wonder' para publicação. O atual avião de gravidade reduzida da NASA, "Weightless Wonder VI", um McDonnell Douglas C-9 , está baseado em Ellington Field (KEFD), próximo ao Lyndon B. Johnson Space Center .

A Universidade de Microgravidade da NASA - Plano de Oportunidades de Voo com Gravidade Reduzida, também conhecido como Programa de Oportunidades de Voo para Alunos com Gravidade Reduzida, permite que equipes de alunos de graduação apresentem uma proposta de experimento de microgravidade. Se selecionado, as equipes projetam e implementam seu experimento, e os alunos são convidados a voar no Vomit Comet da NASA.

Agência Espacial Europeia A310 Zero-G

A Agência Espacial Europeia realiza voos parabólicos em aeronaves Airbus A310-300 especialmente modificadas para realizar pesquisas em microgravidade. Assim como a ESA europeia , CNES francesa e DLR alemã, voam campanhas de três voos em dias consecutivos, cada uma voando cerca de 30 parábolas, num total de cerca de 10 minutos de gravidade zero por voo. Estas campanhas são atualmente operadas a partir do aeroporto de Bordéus - Mérignac, na França, pela empresa Novespace , subsidiária da francesa CNES , enquanto a aeronave é pilotada por pilotos de teste da DGA Essais en Vol. Os primeiros voos ESA Zero-G foram em 1984, usando uma aeronave NASA KC-135 em Houston , Texas. Em maio de 2010, a ESA realizou 52 campanhas e também 9 campanhas de voos parabólicos de estudantes.

Outras aeronaves que usou incluem o russo Ilyushin Il-76 MDK antes de fundar a Novespace, e usando então um Caravelle francês , então um Airbus A300 Zero-G e agora um Airbus A310

Voos comerciais para passageiros públicos

Dentro de um Ilyushin russo 76MDK do Centro de Treinamento de Cosmonautas de Gagarin

A Novespace criou o Air Zero G em 2012 para compartilhar a experiência de gravidade zero a 40 passageiros públicos por voo, usando o mesmo A310 ZERO-G que para experiências científicas. Estes voos são vendidos pela Avico , operados principalmente a partir de Bordéus-Merignac , França , e pretendem promover a investigação espacial europeia, permitindo que os passageiros públicos sintam a leveza. Jean-François Clervoy , presidente da Novespace e astronauta da ESA , voa com astronautas de um dia do Air Zero G a bordo do A310 Zero-G. Após o voo, ele explica a busca pelo espaço e fala sobre as 3 viagens espaciais que fez ao longo de sua carreira. A aeronave também foi usada para fins de cinema, com Tom Cruise e Annabelle Wallis para a múmia em 2017.

A Zero Gravity Corporation , fundada em 1993 por Peter Diamandis, Byron Lichtenberg e Ray Cronise, opera um Boeing 727 modificado que voa em arcos parabólicos para criar 25-30 segundos de ausência de peso. Os voos podem ser adquiridos para fins turísticos e de pesquisa.

Instalações de queda no solo

Teste de gravidade zero no Centro de Pesquisa de Gravidade Zero da NASA

Instalações terrestres que produzem condições de gravidade zero para fins de pesquisa são normalmente chamadas de tubos de queda ou torres de queda.

O Zero Gravity Research Facility da NASA , localizado no Glenn Research Center em Cleveland, Ohio , é um poço vertical de 145 metros, em grande parte abaixo do solo, com uma câmara de queda de vácuo integral, na qual um veículo experimental pode ter uma queda livre por um período de 5,18 segundos, caindo a uma distância de 132 metros. O veículo experimental é parado em aproximadamente 4,5 metros de pelotas de poliestireno expandido e experimenta uma taxa de desaceleração de pico de 65 g .

Também na NASA Glenn está a Torre de queda de 2,2 segundos, que tem uma distância de queda de 24,1 metros. Os experimentos são colocados em um escudo de arrasto, a fim de reduzir os efeitos do arrasto do ar. Todo o pacote é parado em um air bag de 3,3 metros de altura, a uma taxa de desaceleração de pico de aproximadamente 20 g . Enquanto o Zero Gravity Facility realiza uma ou duas quedas por dia, a Torre de queda de 2,2 segundos pode conduzir até doze quedas por dia.

O Marshall Space Flight Center da NASA hospeda outra instalação de tubo de queda com 105 metros de altura e fornece uma queda livre de 4,6 segundos em condições de quase vácuo .

Os humanos não podem utilizar esses poços de gravidade, pois a desaceleração experimentada pela câmara de queda provavelmente mataria ou feriria gravemente qualquer um que os usasse; 20 g é a desaceleração mais alta que um ser humano saudável e em forma pode suportar momentaneamente sem se machucar.

Outras instalações de entrega em todo o mundo incluem:

Flutuabilidade neutra

Condições semelhantes a algumas na ausência de peso também podem ser simuladas criando a condição de flutuabilidade neutra , na qual seres humanos e equipamentos são colocados em um ambiente aquático e pesados ​​ou flutuados até pairarem no lugar. A NASA usa flutuabilidade neutra para se preparar para a atividade extra-veicular (EVA) em seu Laboratório de flutuabilidade neutra . Flutuabilidade neutra também é usado para a pesquisa EVA na Universidade de Maryland 's Espaço Laboratório de Sistemas , que opera o tanque de flutuação única neutra em uma faculdade ou universidade.

A flutuabilidade neutra não é idêntica à ausência de peso. A gravidade ainda atua em todos os objetos em um tanque de flutuação neutro; assim, os astronautas em treinamento de flutuação neutro ainda sentem todo o peso de seu corpo dentro de seus trajes espaciais, embora o peso seja bem distribuído, semelhante à força em um corpo humano em um leito d'água, ou quando simplesmente flutuando na água. O traje e o astronauta juntos não sofrem nenhuma força resultante, como acontece com qualquer objeto que esteja flutuando ou apoiado na água, como um mergulhador em flutuabilidade neutra. A água também produz resistência, que não está presente no vácuo. Nesse sentido, a ausência de peso seria equivalente à flutuabilidade neutra em um meio com densidade zero ou à flutuabilidade neutra no centro de massa de um meio com qualquer densidade.

A ausência de peso em uma espaçonave

A relação entre os vetores de aceleração e velocidade em uma espaçonave em órbita
A astronauta americana Marsha Ivins demonstra o efeito da ausência de peso em cabelos longos durante o STS-98

Longos períodos de ausência de peso ocorrem em espaçonaves fora da atmosfera de um planeta, desde que nenhuma propulsão seja aplicada e o veículo não esteja girando. A ausência de peso não ocorre quando uma espaçonave está disparando seus motores ou ao reentrar na atmosfera, mesmo que a aceleração resultante seja constante. O impulso fornecido pelos motores atua na superfície do bocal do foguete em vez de agir uniformemente na espaçonave, e é transmitido através da estrutura da espaçonave por meio de forças de compressão e tração para os objetos ou pessoas em seu interior.

A ausência de peso em uma espaçonave em órbita é fisicamente idêntica à queda livre, com a diferença de que a aceleração gravitacional causa uma mudança na direção , ao invés da magnitude , da velocidade da espaçonave . Isso ocorre porque o vetor de aceleração é perpendicular ao vetor de velocidade.

Na queda livre típica, a aceleração da gravidade atua ao longo da direção da velocidade de um objeto, aumentando linearmente sua velocidade conforme ele cai em direção à Terra ou diminuindo sua velocidade se ele estiver se afastando da Terra. No caso de uma espaçonave em órbita, que tem um vetor de velocidade amplamente perpendicular à força da gravidade, a aceleração gravitacional não produz uma mudança líquida na velocidade do objeto, mas age centrípeta , para "girar" constantemente a velocidade da espaçonave conforme ela se move ao redor da Terra. Como o vetor de aceleração gira junto com o vetor de velocidade, eles permanecem perpendiculares entre si. Sem essa mudança na direção de seu vetor de velocidade, a espaçonave se moveria em linha reta, deixando a Terra por completo.

A ausência de peso no centro de um planeta

A força gravitacional resultante de um planeta esférico simétrico é zero no centro. Isso é claro por causa da simetria e também do teorema da camada de Newton, que afirma que a força gravitacional resultante de uma camada esférica simétrica, por exemplo, uma bola oca, é zero em qualquer lugar dentro do espaço oco. Assim, o material no centro não tem peso.

Efeitos na saúde humana

O astronauta Clayton Anderson enquanto uma grande gota d'água flutua à sua frente no Discovery. A coesão desempenha um papel maior no espaço.

Após o advento das estações espaciais que podem ser habitadas por longos períodos, a exposição à ausência de peso tem demonstrado ter alguns efeitos deletérios na saúde humana. Os humanos estão bem adaptados às condições físicas da superfície da Terra. Em resposta a um longo período de ausência de peso, vários sistemas fisiológicos começam a mudar e atrofiar. Embora essas mudanças sejam geralmente temporárias, podem ocorrer problemas de saúde a longo prazo.

O problema mais comum experimentado por humanos nas horas iniciais de falta de peso é conhecido como síndrome de adaptação ao espaço ou SAS, comumente referido como enjoo espacial. Os sintomas da SAS incluem náuseas e vômitos , vertigem , dores de cabeça , letargia e mal-estar geral. O primeiro caso de SAS foi relatado pelo cosmonauta Gherman Titov em 1961. Desde então, cerca de 45% de todas as pessoas que voaram no espaço sofreram dessa condição. A duração do enjôo espacial varia, mas em nenhum caso durou mais de 72 horas, após as quais o corpo se ajusta ao novo ambiente. A NASA, brincando, mede o SAS usando a "escala de Garn", em homenagem ao senador dos Estados Unidos Jake Garn , cujo SAS durante o STS-51-D foi o pior já registrado. Consequentemente, um "Garn" é equivalente ao caso mais grave possível de SAS.

Os efeitos adversos mais significativos da falta de peso em longo prazo são atrofia muscular (consulte Redução da massa muscular, força e desempenho no espaço para obter mais informações) e deterioração do esqueleto ou osteopenia em voos espaciais . Esses efeitos podem ser minimizados por meio de um regime de exercícios, como andar de bicicleta, por exemplo. Os astronautas sujeitos a longos períodos de ausência de peso usam calças com faixas elásticas presas entre o cós e os punhos para comprimir os ossos das pernas e reduzir a osteopenia. Outros efeitos significativos incluem a redistribuição de fluidos (causando a aparência de "face da lua" típica de fotos de astronautas sem gravidade), uma desaceleração do sistema cardiovascular à medida que o fluxo sanguíneo diminui em resposta à falta de gravidade, uma diminuição da produção de glóbulos vermelhos , distúrbios do equilíbrio e enfraquecimento do sistema imunológico . Os sintomas menores incluem perda de massa corporal, congestão nasal, distúrbios do sono, excesso de flatulência e inchaço da face. Esses efeitos começam a se reverter rapidamente após o retorno à Terra.

Além disso, após longas missões de voo espacial , os astronautas podem ter graves problemas de visão . Esses problemas de visão podem ser uma grande preocupação para futuras missões de vôo no espaço profundo, incluindo uma missão tripulada ao planeta Marte . A exposição a altos níveis de radiação também pode influenciar o desenvolvimento da aterosclerose.

Em 31 de dezembro de 2012, um estudo apoiado pela NASA relatou que o voo espacial humano pode prejudicar o cérebro dos astronautas e acelerar o aparecimento da doença de Alzheimer . Em outubro de 2015, o Escritório do Inspetor Geral da NASA emitiu um relatório de riscos à saúde relacionado ao voo espacial humano , incluindo uma missão humana a Marte .

Efeitos em organismos não humanos

Cientistas russos observaram diferenças entre as baratas concebidas no espaço e suas contrapartes terrestres. As baratas concebidas pelo espaço cresceram mais rapidamente e também tornaram-se mais rápidas e resistentes.

Ovos de galinha colocados em microgravidade dois dias após a fertilização parecem não se desenvolver adequadamente, enquanto ovos colocados em microgravidade mais de uma semana após a fertilização se desenvolvem normalmente.

Um experimento do ônibus espacial de 2006 descobriu que Salmonella typhimurium , uma bactéria que pode causar intoxicação alimentar, tornou-se mais virulenta quando cultivada no espaço. Em 29 de abril de 2013, cientistas do Rensselaer Polytechnic Institute, financiado pela NASA , relataram que, durante o voo espacial na Estação Espacial Internacional , os micróbios parecem se adaptar ao ambiente espacial de maneiras "não observadas na Terra" e de maneiras que "podem levar a aumentos no crescimento e virulência ".

Sob certas condições de teste, observou-se que os micróbios prosperam na quase ausência de peso do espaço e sobrevivem no vácuo do espaço sideral .

Adaptação técnica em gravidade zero

Chama de vela em condições orbitais (direita) versus na Terra (esquerda)

A falta de peso pode causar sérios problemas aos instrumentos técnicos, especialmente aqueles compostos por muitas partes móveis. Processos físicos que dependem do peso de um corpo (como convecção , água para cozinhar ou acender velas) atuam de forma diferente em queda livre. A coesão e a advecção desempenham um papel maior no espaço. O trabalho diário, como lavar-se ou ir ao banheiro, não é possível sem adaptação. Para usar banheiros no espaço, como o da Estação Espacial Internacional , os astronautas precisam se prender no assento. Um ventilador cria sucção para que os resíduos sejam eliminados. A bebida é auxiliada com canudo ou bisnaga.

Veja também

Notas

Referências

links externos

A definição do dicionário de gravidade zero em Wiktionary mídia relacionada com ausência de peso no Wikimedia Commons