پرواز گرانش صفر ( قسمت اول و دوم )

[amin_sahande 8]

مقدمه

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.
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.

گرانش صفر

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.

[img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/45_11_a.jpg[/img]
ادامه دارد

سازمان فضایی ایران

[SAEID 2,833]

تشکر امین جان. به قول معروف منتظر بقیه ش هستیم.

[NAMARD 1]

ببخشيد اين اتاق ويژه ي گرانش صفر چگونه عمل مي كنه؟

[amin_sahande 8]

قسمت دوم
گرانش ناچيز


عبارت گرانش ناچيز نيز در كنار گرانش صفر به كار مي‌رود، چرا كه بي‌وزني در يك فضاپيما تمام و كمال نيست. دليل خنثي نشدن كامل گرانش در حالت چرخش ماهواره در مدار زمين يا سفر يك فضاپيما را مي‌توان موارد زير ذكر كرد:


· نيروي گرانش براي جرم واحد، به ازاي هر سه متر افزايش ارتفاع تقريباً به ميزان يك ميكرونيوتن كاهش مي‌يابد. اجسامي كه جرم متمركز يا نقطه‌اي ندارند، نيروي كشش متغيري به بخش‌هاي مختلفشان وارد مي‌شود.

· نيروي جانب مركز در فضا‌پيماي واقع در مدار در بخش فوقاني بيشتر از قسمت‌هاي پاييني آن است.

· اشياي رها شده در فضاپيما به سوي متراكم‌ترين بخش فضاپيما سقوط مي‌كنند تا اينكه در نهايت سطوح فضاپيما را لمس كرده، حركتشان متوقف شده و احساس وزن كنند.
· در ارتفاع مداري شاتل فضايي يعني 185 تا 1000 كيلومتر، هوا با وجود اينكه بسيار رقيق است، ولي همچنان باعث كاهش سرعت وسيله بر اثر اصطكاك مي‌شود. از اين نيروي پسآ، به عنوان وزن در راستاي حركت وسيله نام برده مي‌شود. در ارتفاعات بالاتر از 1000 كيلومتر، اين نيرو در مقايسه با اثر بادهاي خورشيدي قابل صرفنظر كردن است.

در سال 2003، علامت گرانش ناچيز به عنوان نشان رسمي مأموريت اس‌تي‌اس-107 شاتل فضايي مورد استفاده قرار گرفت؛ زيرا كه اين مأموريت فضايي به تحقيقات جاذبه ناچيز اختصاص داشت. در داخل فضاپيما، گرانش ناچيز ممكن است در مدت زمان‌هاي طولاني پس از رها شدن سفينه در فضا، به شرطي كه نيروي پيشراني اعمال نشود و فضاپيما در حال چرخش نباشد، روي دهد. اين شرايط هنگامي كه فضاپيما راكت‌هاي خود را روشن مي‌كند و نيروي پيشران بر اثر خروج گازهاي حاصل از احتراق به فضاپيما اعمال مي‌شود، از بين مي‌رود. در چنين شرايطي، گرانش ناشي از شتاب فضاپيما، همه چيز را به سمت نيروي پيشران پرتاب مي‌كند.

تأثيرات بي‌وزني بر سلامت

با آزمايش بر روي فضانورداني كه براي مدت زمان‌هاي طولاني در ايستگاه‌هاي فضايي زندگي كرده‌اند، به اثبات رسيده است كه شرايط بي‌وزني در بلندمدت مي‌تواند برخي اثرات نامطلوب بر بدن و روان انسان داشته باشد. در حقيقت بدن آدمي با شرايط حاكم روي زمين تطابق كامل پيدا كرده است؛ از اين رو، قرار گرفتن در حالت بي‌وزني باعث تغيير در فعاليت فيزيولوژيكي بدن به صورت موقت يا بلندمدت مي‌شود.

شايع‌ترين حالتي كه انسان در چند ساعت اوليه بي‌وزني تجربه مي‌كند، فضازدگي است. از علايم اين بيماري مي‌توان به حالت تهوع، سرگيجه، سردرد و بي‌حالي اشاره كرد كه اولين بار توسط گرمن تيتوف كيهان‌نورد روس در سال 1961 گزارش شد. از آن تاريخ به بعد، تقريباً در مورد 45 درصد فضانوردان اين حالت مشاهده شده است. مدت اين بيماري در افراد گوناگون متفاوت است، اما معمولاً بيش از 72 ساعت به طول نمي‌انجامد و پس از آن، فرد به شرايط عادت مي‌كند.

در اين ميان، مهم‌ترين اثر نامطلوب قرارگيري بلندمدت در شرايط بي‌وزني، تحليل عضلاني و تضعيف اسكلت استخواني بدن است كه مي‌توان آن را با انجام فعاليت‌هاي ورزشي ويژه در فضا كاهش داد. از ديگر تأثيرات مهم شرايط بي‌وزني مي‌توان به تغيير در توزيع مايعات در بدن، كاهش سرعت گردش خون، كاهش توليد گلبول‌هاي قرمز، از بين رفتن توازن بدن و كاهش قدرت تدافعي اشاره كرد. همچنين گرانش صفر اثرات نامطلوبي بر چشم فضانوردان مي‌گذارد كه از ميان آنها مي‌توان به تورم چشم و افزايش فشار داخل چشم در ساعات اوليه حضور در فضا اشاره كرد. بسياري از اثرات سوء بي‌وزني مشابه اثرات پيري است. بنابراين دانشمندان بر اين عقيده‌اند كه با بررسي شرايط بي‌وزني مي‌توان تأثيرات افزايش سن را شناسايي و در صورت امكان بهبود بخشيد.

روند تضعيف استخوان و كاهش روند استخوان‌سازي در بدن در شرايط گرانش صفر هنوز به طور دقيق شناخته نشده است. اين فرايند در فضا بر روي تمام اندام‌ها به طور يكسان اثر نمي‌گذارد. حتي مشخص شده است كه برخي استخوان‌ها در يك سفر فضايي ممكن است تقويت شوند. در واقع، استخوان‌هايي كه بيشترين فشار ناشي از گرانش را تحمل مي‌كنند، در معرض تضعيف بيشتري قرار دارند. يكي از دلايلي كه جلوگيري از فرايند تحليل رفتن استخوان‌ها را با مشكل مواجه مي‌كند، افت محسوس فشار خون در پاها در شرايط گرانش صفر است.

تحليل رفتن استخوان‌ها اندكي پس از حضور فضانوردان در فضا آغاز مي شود. شرايط ويژه‌اي چون گرانش صفر، نور كم و تجمع درصد بالاي دي‌اكسيدكربن اثرات نامطلوبي بر اسكلت بدن دارد. در چنين شرايطي، نرخ كاهش وزن برخي استخوان‌ها در حدود يك تا دو درصد در ماه، يعني شش برابر نرخ تحليل استخوان‌ها در بدترين حالت بر روي زمين است. تاكنون تمام فضانوردان درصدي كاهش وزن استخوان را پس از بازگشت به زمين تجربه كرده‌اند. در يكي از وخيم‌ترين موارد، ديويد ولف پس از چهار ماه و نيم حضور در ايستگاه فضايي مير، 40 درصد از وزن عضلات و 12 درصد از وزن استخوان‌هاي خود را در برخي اندام‌‌ها از دست داده بود.

در شرايط بي‌وزني، تمهيدات ويژه‌اي مثل ورزش كردن، استفاده از دستگاه‌هاي ارتعاش‌دهنده اندام‌ها با فركانس پايين و يا داروهاي تقويت استخوان آزمايش شده است. در عين حال، تا هنگام كشف روشي مؤثر براي جلوگيري از تضعيف استخوان‌ها و تحليل عضلاني، عملاً سفرهاي بلندمدت سرنشين‌دار مانند سفر به مريخ ميسر نخواهد بود. دانشمندان همچنين در تلاشند تا با به كارگيري روش‌هايي مانند چرخش فضاپيما به دور خود و يا استفاده از تجهيزات مكانيكي پيشرفته، نوعي گرانش مصنوعي در فضاپيما ايجاد كنند تا اثرات سوء بي‌وزني بر بدن فضانوردان به حداقل برسد.

روش‌هاي ايجاد بي‌وزني

به منظور بهره بردن از مزاياي گوناگون محيط گرانش ناچيز، روش‌هاي مختلفي براي ايجاد اين شرايط وجود دارد. محيط گرانش صفر افزون بر كاربردهاي آموزشي و تجاري، براي انجام آزمايش‌هاي گوناگون، از آزمايش‌هاي فيزيولوژي بر روي بدن انسان گرفته تا تغييرات مولكولي در مايعات، استفاده مي‌شود. مدت زماني كه لازم است تا اين نمونه‌ها‌ در شرايط گرانش صفر قرار گيرند نيز از چند ثانيه تا چند سال ممكن است تغيير كند. زمان لازم براي انجام آزمايش يا فعاليت در شرايط گرانش ناچيز، محل و شيوه ايجاد بي‌وزني را تعيين مي‌كند؛ اگر اين مدت زمان در حد چند ثانيه باشد، از برج‌ها و دالان‌هاي سقوط، هواپيماي گرانش صفر و يا بالون‌ها استفاده مي‌شود. در مواردي كه نمونه‌ها‌ بايد زمان بيشتري را در حالت بي وزني سپري كنند، آزمايش در راكت‌هاي كاوش، شاتل فضايي يا ايستگاه فضايي انجام مي‌شود.

به طور كلي، روش‌هاي ايجاد شرايط گرانش ناچيز را كه با هدف كاربردهاي تحقيقاتي و تجاري توسعه يافته‌اند، مي‌توان به تسهيلات كاهش وزن زميني، پرنده‌هاي هوايي و پرنده‌هاي فضايي دسته‌بندي كرد.
ادامه دارد

[SAEID 2,833]

ممنون امین جان باز هم جالب بود و مفید.

[fath 4,687]

تشکر
این موضوع توی یکی از نشریات هم اومده بود