Detta är skillnaden mellan flygning och i omlopp . I omloppsbana faller du verkligen mot jorden, men rymdfarkosten är det också, och du går tillräckligt snabbt så att du fortsätter att sakna jorden.

I ett flygplan, eftersom det håller sig högt på grund av lyft, det faller inte . Det är därför du upplever tyngdkraften i ett plan.

Vissa flygplan är utformade för att känna tyngdlöshet, se Vomit comet.

Varför känner vi tyngdkraften i ett plan?

Exakt av anledningarna till att vi känner tyngdkraften när vi reser i ett tåg:

• Vi faller inte fritt (stugans golv förhindrar att detta händer).
• Vi är inte i omloppsfart, vilket är ungefär 28.460 km / h.
• Vi flyger inte särskilt mycket snäva kurvor som kan skapa ett fritt fall (men bara några sekunder ändå).

Gravitation and weight

Everything is weighty överallt i kosmos så snart det utsätts för viss acceleration (t.ex. gravitationacceleration, men inte begränsad till den) och den försöker motsätta sig denna acceleration.

Så det finns bara två betyder att undkomma tyngdkraftsaccelereringseffekter:

• Ta bort tyngdkraften med en annan exakt motsatt acceleration. Detta är "satellitvägen". Satellitens egen hastighet och dess cirkulära bana skapar (sett från satelliten) en centrifugalacceleration exakt motsatt gravitationens acceleration. Effekterna av båda accelerationerna försvinner.

• Ta bort allt som hindrar tyngdkraften att fungera helt, detta är "det fria fallet". Tyngdkraften vill att vi ska falla, sedan tar vi bara bort allt som hindrar oss från att falla, från golvet och / eller marken. När vi hoppar från en viss höjd befinner vi oss i mikrogravitation under en kort tid och sedan på sjukhuset om vi underskattade tiden. Detta är också vad vissa flygplan gör under 30-talet för att utbilda astronauter (" 0G-flygning"). Medan tyngdkraften fortfarande existerar, avbryts dess effekter genom att accelerera med "tyngdkraftsflödet".

I båda fallen upplever flygplanet och satelliten "mikrogravitation" ( vilket betyder en återstående gravitation i storleksordningen $ $ small \ mu g $). Varje massa som utsätts för mikrogravitation är (nästan) viktlös.

^{För fysikerna här finns det faktiskt ett enda fall, eftersom en satellit i omloppsbana också är i fritt fall och det inte finns någon centrifugalkraft, förutsatt att vi väljer lämplig referensram för observatören ( en tröghetsram). Om vi ​​ville vara ännu mer rigorösa, så är Einstein också intuitiv gravitation faktiskt fiktiv (om jag får säga) själv, en idé som ledde honom till upptäckten av allmän relativitet och rymd- tidskurva}

Konstant hastighet kontra konstant hastighet

Hur kommer ett plan som flyger med konstant hastighet upplever gravitation?

Mikrogravitation inträffar aldrig i en bana vid konstant hastighet.

Orsaken är att konstant hastighet är konstant hastighet och även konstant riktning:

• Konstant hastighet betyder att vi inte faller fritt, annars skulle accelerera mot jorden.

• Konstant riktning betyder att vi inte skapar någon centrifugalacceleration heller, eftersom det kräver att ändra riktning.

När satelliter är i cirkulär bana är de inte vid konstant hastighet , de har konstant hastighet.

Efter deras eller bit justeras riktningen för deras förskjutning ständigt, varför hastighet varierar ständigt, vilket gör att de kan skapa en centrifugalacceleration exakt motsatt tyngdkraften.

Kan vi skapa mikrogravitation på ett plan (eller på ett tåg) som rör sig horisontellt?

Horisontellt betyder inte "i rak linje". Det betyder i rät vinkel från gravitationens riktning (den lokala vertikalen), så när vi rör oss horisontellt på stora avstånd följer vi faktiskt jordens krökning.

Om planet / tåget följer jordens krökning (därmed ändrar riktning ständigt) skulle vi i teorin kunna uppnå mikrogravitation, men i det tillstånd vi reser mycket snabbt, lite snabbare än ISS ( 27,560 km / h vid den aktuella tiden), cirka 28 460 km / h. I sådant fall är vi i omloppsbana vid höjd noll (banan beror inte på höjden).

Detta är inte möjligt i praktiken, en enorm mängd kraft skulle krävas och allt skulle smälta på grund av friktion .

Mikrogravitation i ett plan som flyger en specifik kurva

Men som förklaras i Kan man flyga uppåt och ner medan ett glas vatten håller sig full på grund av g-krafter?, kan vi skapa mikrogravitation genom att flyga en specifik bana. I så fall ersätts den hastighet som vi saknar med konstanta riktningsförändringar längs kurvan. Detta ger fina videor, som den roliga viktlösa hunden med de två ostörda killarna:

^{Källa sup >}

Sammanfattningsvis

Viktlöshet är följden av att utsättas för mikrogravitation som kan erhållas:

• Vid konstant hastighet måste vi följa en kurva som skapar en acceleration precis motsatt gravitationen. Antingen kräver det att man rör sig med en stor och specifik hastighet (omloppshastighet) eller gör relativt snäva svängar med begränsad hastighet.

• I fritt fall måste vi följa nedåtbanan och den permanenta accelerationen som dikteras genom tyngdkraft, vilket betyder t.ex. på 35 sekunder och 6 km lägre flyttar vi redan hypersoniskt! Inte så bekvämt, och det är bara de första 35 sekunderna!

För genomförbar och hållbar mikrogravitation i låg höjd måste de två teknikerna kombineras.

Du aldrig faktiskt "känner tyngdkraften" alls ^† , inte i omloppsbana, inte i ett plan och inte heller på fast mark.

Det du känner på marken är jorden trycker mot dina fötter , med en kraft som exakt upphäver tyngdacceleration. Så snart du slutar den styrkan, t.ex. genom att klippa repen i en hiss skulle gravitationsacceleration mycket snabbt förändra din hastighet, nedåt, vilket naturligtvis oundvikligen tar dig tillbaka till marken (där den skadligt kommer att bekräfta sin uppåtgående kraft ...) i situationer som en hiss. Vi är helt vana vid den uppåtgående kraften som det normala tillståndet, så mycket att vi inte ens märker det som en kraft och istället pratar om ”gravitationskraften ner”, men fysiskt är det inte riktigt den kraft som finns där. p>

I ett plan är situationen ungefär densamma: den kraft du känner är luftkraften som flyter runt vingarna och trycker hela planet uppåt. Utan den kraften slutar planet snabbt att resa med konstant hastighet och istället färdas allt snabbare mot marken.

Nu, för en rymdkapsel i omloppsbana, så händer det faktiskt också: här finns det ingen kraft som motverkar gravitationsacceleration, så det är i fritt fall. Men eftersom den har en blåsande snabb horisontell hastighet finns det inte tillräckligt med tid för att den ska falla ner på marken - den "saknar jorden" istället och fortsätter därmed sin bana.

^† _{Det enda stället där du faktiskt kunde känna tyngdkraften i sig själv ligger nära ett svart hål, där din kropp skulle sträckas ut av tidvattenkrafterna ... men det aldrig händer i homogent tyngdkraftsfält, och alla tillräckligt stora / avlägsna fält är ungefär homogena.}

Vi är, hastigheten är inte tillräcklig för att detta ska vara lätt observerbart. Vi är faktiskt lite lättare när vi befinner oss i ett plan, för det cirkulerar också jorden, precis som ett rymdskepp gör, men även för SR-71 vid toppfart (förutsatt att 3540 km / h = 983 m / s) för liten för att vara förnuftig:

$$ g = \ frac {V ^ 2} {R} = \ frac {(983 \ frac {m} {s ^ 2}) ^ 2} {6400000 \ m} = 0,15 \ frac {m} {s ^ 2} = 0,015 \ g $$

(g är nära 9,8 på jorden). Det är till och med inte riktigt mindre, men jag tvivlar på att 0,015 g acceleration är mycket observerbar. För Boeing 747 (förutsatt 988 km / h) är detta bara 0,0011 g.

Det är inte en tyngdkraft, du känner, utan golvet (sätet etc.) som trycker mot dig. Du känner aldrig tyngdkraften i sig, du känner krafter på din kropp som motverkar tyngdkraften. I det flygande flygplanet kommer dessa krafter från vingarnas lyft, men i omloppsbana finns det ingen sådan motkraft, så du känner dig tyngdlös trots att tyngdkraften är där tills.

All känsla av vikt kommer till din hjärna från olika töjnings- eller deformationssensorer i dina vävnader. Så för att känna vikt måste det finnas kraft som deformerar din kropp. Homogent tyngdkraftsfält (tyngdkraften runt jorden är tillräckligt homogent för dessa ändamål) utövar exakt samma kraft på varje enskild punkt i din kropp och orsakar därför ingen deformation.

Å andra sidan stöder golv, säte etc. din kropp endast lokalt och kraften måste "distribueras" genom din kropp, vilket orsakar belastning i vävnaderna och "känsla av vikt".

Ett flygplan som flyger flyger inte tillräckligt snabbt för att bli tyngdlöst. En person inne i ett flygplan som flyger i konstant höjd blir viktlös om centrifugalkraften $ ^ 1 $ kraft F $ _C $ = $ (m \ frac {V ^ 2} {R}) $ från att följa jordens krökning är lika med kraften från gravitation ($ m \ cdot g $).

$$ m \ cdot \ frac {V ^ 2} {R} = m \ cdot g \ Rightarrow V = \ sqrt {R \ cdot g} $$

Med g = 9,81 m / s $ ^ 2 $ och R = 6400 km även på kryssningshöjd får vi V = $ \ sqrt {9.81 \ cdot 6.4 \ cdot 10 ^ 6} $ = 80 000 m / s. Med den hastigheten 10 km över jordytan är du tyngdlös

$ ^ 1 $ gör det lättare att förstå grafiken.

Tänk på "spy-comet" -flygningarna, där de avsiktligt flyger samma stupande väg som en bowlingkula skulle "flyga" om tyngdkraften tog den. Om du bara fortsatte den flygvägen skulle du gå SPLAT.

Vingar är en rolig form, speciellt för att skapa lift . Det är så att de kan skapa en flygväg annan än den .

Den "tyngdkraft" du känner på planet är vingarna som gör sitt. Vingarna själva har justerats för att motverka tyngdkraften exakt, så kraften känns densamma som tyngdkraften. Anledningen till att motverka tyngdkraften exakt är att förbli på samma höjd, den som ATC tilldelade dem så att de inte träffar andra flygplan ...

... Eller (det här är lite mer komplicerat) förblir med en konstant stigning / nedstigning för passagerarkomfort och enkelhet. Om du rör dig med konstant hastighet är accelerationen noll och tyngdkraften är en accelerationseffekt.

Svaret på den här frågan kunde inte vara enklare.

På en given höjd måste du gå en viss hastighet för att uppnå "viktlöshet".

Vid havsnivå , den hastigheten är 28 500 km / h.

Vid 30.000 fot är den hastigheten 28.400 km / tim.

I ett flygplan går du inte tillräckligt snabbt.

Det är allt finns till det.

Du går inte tillräckligt snabbt.

(Observera att exakt samma kan sägas om ett tåg eller en bil. Om du skulle åka 28 500 km / h i en TGV, du skulle få den "viktlösa" effekten. Du skulle flyta runt, etc, inne i TGV precis som astronauterna flyter runt inuti en rymdstation.)

Använd den här kalkylatorn för att veta vilken hastighet du behöver olika höjder:

http://www.calctool.org/CALC/phys/astronomy/earth_orbit

XKCD täckte detta i detalj. Medan de andra svaren täcker alla fysikvinklar, gör XKCD ett bra jobb med att föra vetenskapen ner till en lättförståelig nivå (betoning min)

Gravitation i låg jordbana är nästan lika stark som gravitationen på ytan. Rymdstationen har inte alls undgått jordens allvar; det upplever ungefär 90% det drag som vi känner på ytan.

För att undvika att falla tillbaka i atmosfären måste du gå riktigt, riktigt snabbt i sidled.

Den hastighet du behöver att stanna i omlopp är cirka 8 kilometer per sekund. Endast en bråkdel av en rakets energi används för att lyfta upp ur atmosfären; det stora flertalet av det används för att få omloppshastighet (sidledes).

Detta leder oss till det centrala problemet med att komma in i omloppsbanan: Att nå omloppshastighet tar mycket mer bränsle än att nå omloppshöjd. Att få ett fartyg upp till 8 km / s kräver många boosterraketer. Att nå omloppshastighet är tillräckligt svårt; att nå till omloppshastighet medan du bär tillräckligt med bränsle för att sakta ner skulle vara helt opraktiskt.

Det snabbaste flygplanet någonsin, X15, kunde inte stanna i omlopp eftersom det bara reste cirka 2 km / s, eller 25% av den nödvändiga hastigheten.

Newtons kanonkula.

https://en.wikipedia.org/wiki/Newton%27s_cannonball

I ett plan är du kanonkula märkt " A ", och det enda som hindrar dig från att rasa direkt i marken är hissen som genereras av vingarna.