Ağırlıksızlık

1. Düzgün Kütleçekimsel Alanda: Bir cismi iki parçaya bölen bir kesit göz önüne alındığında iki parça da aynı ivmeye sahiptir ve dış kaynaktan üzerlerine uygulanan kuvvet ikisi içinde aynıdır. İki cisim arasında birbirlerine karşı herhangi bir kuvvet uygulaması bulunmamaktadır. Kesitlerdeki baskı sıfırdır. Ağırlık₂ sıfırdır.
2. Düzgün Olmayan Kütleçekimsel Alanda: Sadece kütleçekim kuvvetinin etkisi altında cismin bir parçası diğerinden farklı bir ivmeye sahip olabilir. Bu etki cismin deforme olmasına neden olur ve cisim bu deformasyona karşı koyarsa bir iç baskı oluşmasını sağlar. Bu durumda ağırlık₂ 0 değildir.

Baskıyı ağırlığın belirleyicisi olarak kullandığımız bu tartışma boyunca cismin iki parçası tarafından birbirleri üzerinde oluşması mümkün olan baskı bu durumla alakalı değildir. Alakalı olan baskılar sadece cisme uygulanan dış kuvvetler tarafından oluşturulanlardır. Ağırlıksızlığın anlamı ve kullanılması günlük yaşantımızda tecrübe ettiğimiz ağırlık hissinin sadece yerçekimi tarafından değil yerçekimine karşı koyan diğer mekanik kuvvetler sayesinde de oluştuğudur. Düz bir şekilde serbest düşüş yapan ya da serbest düşmenin karmaşık bir birincil yörüngesinde (azaltılmış yerçekimi uçağı ya da uzay istasyonunun içi) bulunan bir cisim ağırlık hissini oluşturan kuvvetleri algılayamadıklarından ağırlıksız hisseder.

Yukarıda anlatıldığı gibi ağırlıksızlık 1. Cisim üzerine uygulanan bir kuvvet olmadığında 2. Düzgün kütleçekiminin tek başına etkin olduğu durumlarda ortaya çıkar. Tamamlanmışlık açışından 3. Olarak ufak bir şartın eklenmesi gerekir. Bu, cisim üzerine etkiyen kuvvetin kütleçekimi olmadığı ama cismin kütlesi boyunca eşit olarak dağılan bir kuvvet olduğu durumlar içindir. Düzgün elektrik alanda bulunan elektrik ile yüklenmiş bir cisim, düzgün yüklenmiş, bu duruma örnek olarak verilebilir. Elektrik yükü bu durumda kütleçekiminin yerine geçer. Bu durumdaki bir cisim üzerine herhangi bir baskı olmayacaktır ve bu nedenle cisim ağırlıksız olarak kabul edilecektir. Birçok havaya yükselme etkisi bu kategoriye (en azından yaklaşık olarak) girecektir.

Serbest düşüşteki bir cisim (tanıma göre hiçbir aerodinamik kuvvete sebep olmayan) dünyanın yüzeyinin yakınlarında yüzeydeki bir koordinat düzlemine göre yaklaşık olarak 10 ms-2’lik bir ivmeye sahip olur. Eğer cisim serbest düşen bir asansörün içindeyse ve asansörden herhangi bir itme veya çekmeye maruz kalmıyorsa asansöre göre ivmesi sıfır olacaktır. Diğer bir taraftan eğer cisim üzerine asansör tarafından kuvvet uygulanıyorsa serbest düşen asansöre göre bir ivmesi olacaktır. Yerçekimi nedeniyle olmayan bu ivmeye özgün ivme denir. Bu yaklaşımda özgün ivme sıfır olduğunda ağırlıksızlık meydana gelir.

Ağırlıksızlık, düzgün olmayan kuvvetlerin etkisinde hissedilen etkinin tersidir. Bunlara:

• Yerçekimini karşılayan yer tarafından uygulanan bir kuvvetin olduğu durumlarda. Yerde durmak, yerdeki bir sandalyede oturmak gibi
• Destek kuvvetinin kanatların sağladığı kaldırma kuvveti ile oluştuğu durumlarda. Uçakta gitmek
• Atmosferik sürüklemenin yavaşlattığı durumlarda. Atmosfere giriş sırasında ya da paraşüt kullanırken
• Uzay mekiğinde yörüngesel hareket sırasında ya da kalkış esnasında roket motorlarının itiş sağladığı zamanlarda

gibi durumlar örnek olarak verilebilir.

Bir karadeliğin yanında bulunan elastik bir iple birbirine bağlanmış iki küp.Cisimler sağa doğru (karadeliğe) düştükçe ip gerilir.

Gelgitsel kuvvetler kütleçekimsel alanın düzgün olmadığı zamanlarda ortaya çıkar. Bu tabii ki bir kuraldır ve kesin konuşmak gerekirse sonlu hacme sahip serbest düşüş yapan tüm cisimler gelgitsel kuvvetlerin etkisinde kalır. Bunlar cismin tek bir noktasını düşündüğümüz durumlar dışında eylemsiz hareketle ortadan kaldırılamayacak şeylerdir. Dünya serbest düşüştedir ama gelgitlerin varlığı onun düzgün olmayan bir kütleçekimsel alanda olduğunu belirtir. Bu düzgün olmayan alan ay ve dünya yüzündendir. Güneşin oluşturduğu kütleçekimsel alan aydan dolayı oluşan alandan daha büyüktür ama aydan dolayı oluşan gelgitsel kuvvetle karşılaştırıldığında oluşturduğu gelgitsel kuvvet oldukça küçüktür. Bunun nedeni aradaki mesafelerdir. Dünyanın ağırlığı(1) temelde güneşin çekim kuvvetinden dolayıdır. Ama gelgitlerle görülen baskı ve deformasyon ayın yakınındaki düzgün olmayan çekimsel alandan ötürüdür. Bölgelerin alanlarının çekime uğrayan kütlenin kuvvet kaynağı arasındaki mesafe ile ilişkili olduğu düşünülürse düzgün olmayan çekimsel kuvvet varsayımı güzel bir yaklaşıma sahip olur. Bundan dolayı bir insan Dünyanın yarıçapına göre çok ufaktır ve yüzeyde bulunan bu insan için oluşan alan neredeyse düzgün olan bir alandır. Alan tam anlamıyla düzgün olmayan bir alandır ve mikroçekim denilen fenomenden sorumludur. Karadeliklerin yakınlarındaki cisimler de çok fazla oranda düzgün olmayan çekimsel alan etkisi altında kalırlar.

Tüm eylemsiz referans çerçevelerinde ağırlıksızlık meydana geldiğinde, Newton’un birinci hareket yasasına referans çerçevesinde bölgesel olarak uyulur. Çerçevenin içinde (Örn. Yörüngede dolaşan bir gemi ya da serbest düşüş yapan bir asansör) üzerinde kuvvet olmayan cisimler çerçeveye göre olan hızlarını korurlar. Başka bir şeyle temas hâlinde olmayan cisimler serbestçe süzülürler. Eğer eylemsiz yörünge yerçekiminden etkilenirse referans çerçevesi çekim alanının dışından ivmelenen bir çerçeve olarak görülür. Ve bu çerçevenin içindeki cisimler bir kuvvetin etkisi altındaymış gibi görünür. (Sözde yer çekimi) Daha önce de bahsedildiği gibi sadece yerçekimi etkisi altında olan cisimler onun etkilerini hissetmezler. Bu nedenle ağırlıksızlık sadece özel eliptik bir rotayı takip eden uçağın içinde kısa zaman aralıklarında hissedilir. Ancak bu rota sıklıkla parabolik uçuş ile karıştırılır. Sıfır-G ,“Sıfır Yerçekimi”, İvmeölçerler Sıfır-g ağırlıksızlık anlamına gelen alternatif bir terimdir ve serbest düşüşteki bir asansörde gözlemlenebilir. Sıfır-g, yerçekiminin yokluğundan farklıdır. Çünkü evrendeki her yerde kütleçekimi olduğundan bu imkânsızdır. “Sıfır-kütleçekimi” gelgitsel etkileri yok saydığımızda etkili ağırlıksızlık anlamında da kullanılabilir. Mikroçekim, ağırlıksızlığın var olduğu ama g- kuvvetinin cisim gelgitsel kuvvetlerden dolayı baskı yarattığı durumları belirtmek için kullanılır. İvmeölçerler sadece g-kuvvetini yani ağırlık(2)’yi (= kütle x özgün ivme) tespit edebilirler. Serbest düşüş ile bağlantılı ivmeyi tespit edemezler.

Ayaklardaki kuvvet göbek deliği doğrultusunda hissedilen kuvvetin yaklaşık iki katıdır.

İnsanlar ağırlıklarını kişinin üzerinde durduğu ya da oturduğu destekleyici cismin yüzeyinden kişiye uygulanan normal kuvvet sayesinde fark ederler. Bu kuvvetin yokluğunda kişi serbest düşüşte olacaktır kendini ağırlıksız hissedecektir. Ağırlık hissine yol açan şey tepki kuvvetinin insan vücuduna iletimidir ve vücudun dokularındaki bileşke sıkıştırma ve gerilimdir. Yaygın Bir Kavram Hatası Yörüngede dolaşan uzay araçları için genel olarak düşünülen şey yerçekimsiz ortamda çalıştıklarıdır. Einstein’ın genel göreliliği açısından bu durum biraz anlamlı gelse de Newton fiziğinde bu kanı teknik olarak yanlıştır.

Ekvatorda işaretlenen bir noktanın üzerinde duran sabit konumlu bir uydu. İşaretli noktadaki bir gözlemci, gökyüzü boyunca hareket eden diğer gök cisimlerinin aksine uyduyu sürekli tam üstünde görecektir.

Uzay araçları yörüngesinde döndükleri gezegenin uyguladığı çekim kuvveti sayesinde yörüngede kalırlar Newton fiziğinde astronotlar tarafından hissedilen ağırlıksızlık hissi yerçekimi ivmesinin sıfır olmasından değil serbest düşüş etkisi nedeniyle astronotlar üzerinde sıfır g-kuvveti olmasından ve astronot ve uzay aracı arasında ivme açısından bir fark olmaması nedeniyledir. Uzay gazetecisi James Oberg bu fenomeni şu şekilde açıklamıştır.

Einstein’ın genel görelilik teorisi ile çalışan modern bir fizikçiye göre yukarıda anlatılan durum bahsedildiğinden çok daha karmaşıktır. Einstein’ın, teorisi eylemsiz referans çerçevesinde hareket eden cisimlerin (bir asansörün içinde düşmek, uçağın içinde parabolik hareket ya da gezegenin yörüngesinde dönmek gibi) durgun çerçevelerinde bölgesel çekimsel kuvvet kaybına maruz kaldığının düşünülmesinin geçerli bir durum olduğunu öne sürer. Bu nedenle astronot ya da yörüngedeki geminin bakış açısına göre tıpkı uzayda herhangi bir kütleden çok uzakta olması durumu gibi neredeyse 0 özgün ivme vardır. Bu yüzden düşmekte olan bir gözlemcinin bakış açısından bu tip durumlarda çekimsel alanın olmadığını varsaymak geçerli bir durumdur. Ancak düşen gözlemciye göre yerçekiminin kaybı Einstein’ın teorisine göre Dünya ile aradaki mesafenin artmasından değil düşme hareketinin kendisinden kaynaklanmaktadır. Ancak yerçekiminin olmadığının kabul edilmesine rağmen aslında eğer diğer tüm kuvvetler kaldırılırsa saf kütleçekimsel etkileşim hissedilemez. Diğer tüm kuvvetlerin kaldırılması Einstein’ı kütleçekimsel kuvvetin bazı durumlarda var olmadığı görüşüne ulaşmasında anahtar rol oynadı. Eğimli zaman ve uzayda cisimler kesel yolları kullanmaya eğilimlidir. Bu uzay ve zamanı düz kabul eden Newtoncu gözlemciler tarafından bir kuvvet olarak açıklanmıştır ve bu nedenle eğimli yollara ihtiyaç duymamıştır. Genel görelilik teorisinde kuvvet uygulayan cismin yakınında düşüş yolu ya da eylemsiz bir yol takip eden cisim için (düşen gözlemci için bile) var olan tek çekim kütleçekimsel alan içinde kalan düzensizliklerdir. Newton dinamiğine göre basit gelgitsel etkiler olan bu düzensizlikler doğal kütleçekimsel bir alanda düşen ve sıkıştırılmış bir kütleden oluşan cisimler tarafından hissedilen mikroçekimi oluşturur. Bu gelgitsel kuvvetlerin sebebi bu tip bir alanın başnoktasının merkezlenmiş bir noktada olması ve bundan dolayı ıraksaması ve dayanıklılığının kütleden olan uzaklığa göre hafifçe değişmesidir. Bundan dolayı cismin yörüngesinde dönmek ve düşmek arasında değişecektir. Mikroçekim terimi (Newtoncu bakış açısından gelen için aşırı teknik bir terimdir) genel görelilik görüşü açısından geçerli ve betimseldir.

Mikroçekim (mikro-g) terimi ağırlıksızlık ve sıfır-G için eş anlamlı olarak kullanılabilecek bir terimdir. Ama g-kuvvetinin tam olarak sıfır değil sadece çok küçük olduğunu belirtir.

Uçaklar 1959’dan beri astronotları eğitmek, film çekmek vs. amaçlar için neredeyse ağırlıksız bir ortam oluşturmaktadırlar. Bu tip uçaklar genelde “Kusmuk Kuyrukluyıldızı” takma adı ile bilinirler. Ağırlıksız bir ortam yaratmak için uçak altı mil uzunluğunda bir parabolik yay boyunca uçar. Önce tırmanır ve sonra hızlı dalışa geçer. Havada bir yayçizerken uçağın itki sistemleri ve dümeni kontrol edilerek havanın neden olduğu sürükleme kuvveti iptal edilir ve uçağı sanki havasız bir ortamda serbest düşüş yapıyormuş gibi bir duruma sokar. Bu süreçte uçağın içindekiler 25 saniye süren bir ağırlıksızlık hissederler. Bu ağırlıksızlık evresinden önce uçak parabolü tırmanırken içerdekiler yaklaşık 2g’lik bir kuvvete maruz kalırlar. Tipik bir uçuş yaklaşık 2 saat sürer ve toplamda 50 parabol uçuşu gerçekleştirilir.

NASA’nın KC-135A adlı uçağı sıfır yerçekimi manevrası için yükselirken.

Bahsedilen tipteki uçaklar 1973’ten beri NASA’nın Azaltılmış Yerçekimi Araştırma Programı tarafından kontrol edilmektedir. Uçakların takma isimleri tanıtım amacıyla daha sonradan “Ağırlıksız Mucize” olarak değiştirilmiştir. NASA’nın en son kullandığı Azaltılmış Yerçekimi Uçağı “Ağırlıksız Mucize VI” adlı bir McDonnel Douglas C-9 modelindeki bir uçaktır ve Lyndon B. Johnson Uzay Merkezinin yakınındaki Ellington Havaalanında bulunmaktadır. NASA’nın Mikroçekim Üniversite’sinin Azaltılmış Yerçekimi Uçuş Fırsatları Planı ya da bilinen adıyla Azaltılmış Yerçekimi Öğrenci Uçuş Fırsatı Programı lisans öğrencilerinden oluşan gruplara bir mikroçekim deneyi önerisinde bulunmalarına izin verir. Eğer seçilen takım deneylerini tasarlar ve uygularlarsa bu öğrenciler NASA’nın Kusmuk Kuyrukluyıldızını uçurmak için davet edilirler.

Avrupa uzay ajansı parabolik uçuşlarını Airbus A300 B2 modelindeki bir uçakla yapmaktadır. Mikroçekim araştırmalarını gerçekleştirmek için AUA, ardışık günlerde gerçekleşen üç uçuştan oluşan bir uçuş grubu düzenler. Her uçuş yaklaşık 30 parabolden oluşur ve her uçuşta toplamda 10 dakika ağırlıksız kalınır. AUA’nın uçuşları genelde Fransa’nın Bordeaux ş şehrindeki Mérignac Havaalanında Novaspace şirketi tarafından gerçekleştirilir. İlk AUA Sıfır-G uçuşları 1984’te NASA KC-135 adlı uçağını kullanarak Houston Texas’ta gerçekleştirilmiştir. Mayıs 2010’dan beri AUA 52 uçuş grubu ve 9 öğrenci uçuş grubu düzenlemiştir. AUA’nın kullandığı diğer uçaklar ise Rus IIyushin II-76 MDK ve Fransız Caravelle uçaklarıdır. Diğerleri 1993’te Peter Diamandis, Byron Lichtenberg ve Ray Cronise tarafından kurulan Sıfır Yerçekimi Şirketi, 25-30 saniyelik ağırlıksızlık yaratan değiştirilmiş bir Boeing 727 kullanmaktadır. Uçuşlar turizm ve araştırma amaçlı satın alınabilmektedir.

NASA Sıfır yerçekimi araştırma merkezinde yapılan sıfır yerçekimi testi.

Ağırlıksızlık koşulları yaratan yer temelli düşüş tesisleri düşürme kulesi ya da düşürme tüpü olarak bilinir. NASA’nın Sıfır Yerçekimi Araştırma Tesisi, Glenn Araştırma Merkezinde Cleveland Ohio’da bulunmaktadır. Burada yerin altında 145 metrelik bir şaft ve buna entegre edilmiş vakumlu düşürme haznesi bulunmaktadır. Deney aracı 5.18 saniye boyunca 132 metrelik bir düşme mesafesini kat etmektedir. 4.5 metrelik mesafede 65g’lik bir ivme ile durmaktadır. Bunun haricinde NASA Glenn’de 2.2 Saniye Düşürme Kulesi adında 24.1 metrelik düşme mesafesi olan bir düşürme kulesi daha vardır. Hava sürtünmesini önlemek için sürtünme kalkanları kullanmaktadır ve tüm sistem 3.3 metre uzunluğundaki bir hava yastığı ile durdurulmaktadır. Ortalama 20 g’lık bir durdurma ivmesine sahiptir. Sıfır Yerçekimi Araştırma Tesisi günde bir ya da iki düşürme yapabilirken, 2.2 Saniye Düşürme Kulesi günde 12 düşürme yapabilir. NASA’nın Marshall Uzay Uçuşları Merkezinde vakum ortamına yakın ortamlarda düşüşler yapan 4,6 saniyelik ve 105 metre uzunluğunda olan bir tane daha düşürme tüpü vardır. Durdurma ivmesinin insan hayatını tehlikeye atacak boyutlarda olmasından dolayı bu araçları insanlar kullanmamaktadır. Dünyadaki diğer düşürme tesisleri:

• Mikro-Çekim Laboratuvarı- Japonya 4.5 saniye düşüş
• Metalürji Bölümünün deneyse düşürme tüpü – Grenonle 3.1 saniye düşüş
• Fallturrm Bremen Üniversitesi- Bremen 4.74 saniye düşüş
• Queensland Teknoloji Üniversitesi Düşürme Kulesi 2.0 saniye düşüş

Ağırlıksızlık, insan deneklerin ve ekipmanların ortamda dolaşabilecek duruma gelene kadar ağırlaştırılması ya da kaldırılması ile doğal kaldırma kuvveti oluşturularak taklit edilebilir. NASA uzay taşıtı dışı etkinliklere hazırlanmak için Doğal Kaldırma Kuvveti Laboratuvarlarına doğal kaldırma kuvvetini kullanmaktadır. Doğal kaldırma kuvveti ayrıca Maryland Üniversitesinin Uzay Sistemleri Laboratuvarında da kullanılmaktadır. Doğal kaldırma kuvveti ağırlıksızlıkla tam olarak aynı değildir. Doğal kaldırma kuvveti tankında cisimlere hâlâ yerçekimi etki etmektedir. Bu nedenle astronotlar ağırlığın çok iyi bir biçimde dağıtılmış olmasına rağmen uzay giysileri içinde kendi vücut ağırlıklarını hissetmeye devam etmektedirler. Kıyafet ve astronot suda süzülen cisimler gibi herhangi bir kuvvetin etkisi altında değildir. Ayrıca su tarafından oluşturulan ve havasız ortamda gözlenmeyen bir sürükleme kuvveti mevcuttur.

Yörüngede dolaşan bir uzay gemisi için ivme ve hız vektörleri arasındaki ilişki.

Astronot Marsha Ivins uzun saçları ile ağırlıksızlık etkisini gösterirken

Motorları çalışmayan, dönüş yapmayan ve atmosferin dışında bulunan bir uzay aracında uzun süreli ağırlıksızlık hissedilebilir. Eğer motorlar ateşlenirse ya da atmosfere giriş yapılırsa bu ağırlıksızlık etkisi ortadan kalkacaktır. Motorlardan sağlanan itme kuvveti rokete düzgünce etki etmek yerine roket püskürtücülerine etki eder ve sıkıştırma ve germe kuvvetleri olarak aracın yapısı boyunca ilerler ve içindeki insanlara ulaşır. Yörüngede dönen bir uzay aracındaki ağırlıksızlık serbest düşmeyle aynıdır ancak kütleçekimi ivmesi uzay aracının hızının büyüklüğü yerine yönünü değiştirir. Bunun nedeni ivme vektörünün hız vektörüne dik olmasıdır. Tipik bir serbest düşüş olayında yerçekimi ivmesi cismin hızı ile aynı yöndedir ve hızını doğrusal olarak arttırarak Dünya’ya düşmesini sağlar ya da eğer Dünya’dan ayrılıyorsa yavaşlatır. Yerçekimi ivmesine dik doğrultuda bir hıza sahip olan uzay aracında ise kütleçekimsel ivme cismin hızında net bir değişikliğe yok açmaz ama bunun yerine merkezcil olarak etki eder ve Dünya’nın etrafında döndükçe uzay aracının hızını sabit bir şekilde döndürür. Çünkü ivme vektörü de hız vektörü ile beraber dönmektedir ve sürekli birbirlerine dik konumda kalırlar. Hız vektörünün yönünde bir değişim olmasa uzay aracı düz bir çizgide ilerleyerek Dünya’yı terk ederdi.

Küresel simetrik bir merkezindeki kütleçekimsel kuvvet sıfırdır. Bu durum simetri nedeniyle oldukça açıktır ve ayrıca Newton’un simetrik bir kabuğun içinde kütleçekimsel kuvvetin sıfır olduğunu söyleyen kabuk yöntemi ile bu durum anlaşılabilir.

Rus bilim insanları uzaya gönderilen ve ormanda yaşayan hamamböcekleri arasındaki farkları incelediler. Uzaya giden hamamböceklerinin daha hızlı büyüdüğünü ve daha dayanıklı olduklarını gözlemlediler. Yerçekimsiz ortamda döllenen kümes hayvanı yumurtaları doğru şekilde gelişmeyebilir. 2006 Uzay Mekiği deneyinde besin zehirlenmesine neden olan Salmonella typhimurium adlı bakterinin uzayda yetiştiğinde daha tehlikeli olduğu gözlemlendi.