II.6. Forța de greutate.

• II.6.1. Importanța forței de greutate.
• II.6.2. Microgravitația și cucerirea spațiului cosmic.
  • II.6.2.1. Microgravitația.
  • II.6.2.2. Momente istorice pentru explorarea spațiului cosmic.
  • II.6.2.3. Drumul navetei spațiale.
  • II.6.2.4. Pregătirea astronauților.
  • II.6.2.5. Stația Spațială Internațională.
  • II.6.2.6. Sateliții artificiali.
  • II.6.2.7. Sondele spațiale.

De ce când lași liber un corp și nu mai este susținut de mâna ta, de o masă, de un suport, el cade pe Pământ?

Înseamnă că între corp și Pământ există o forță de atracție.

Forța de greutate (pe scurt greutate, forță gravitațională, gravitație) este forța cu care Pământul atrage un corp.

Forța de greutate (notată cu G) acționează întotdeauna pe direcție verticală a locului respectiv (direcția firului cu plumb), cu sensul în jos (spre centrul Pământului). Are ca punct de aplicație centrul de greutate al corpului (C).

II.6.1. Importanța forței de greutate.

1. Ţine corpurile pe Pământ

2. Ţine atmosfera în jurul Pământului

3. Căderea corpurilor pe Pământ

4. Curgerea apelor la vale

5. Când urcăm o pantă greutatea ne frânează

6. Când coborâm o pantă greutatea ne accelerează

7. Rotirea planetelor în jurul Soarelui

8. Rotirea Lunii în jurul Pământului.

9. Rotirea sateliților artificiali în jurul Pământului (există peste 4000 de sateliți ce orbitează în jurul Pământului, având ca scop comunicațiile la distanță-telefonie, emisiuni radio-TV, prognoza meteo etc.)

👀 Experiment: Cum măsurăm accelerația gravitațională a Pământului?

Materiale necesare:
Dinamometru, corp cu cârlig și discuri crestate.

Descrierea experimentului:

• Măsoară cu un dinamometru greutățile mai multor corpuri a căror masă o cunoști.
• Calculează pentru fiecare corp raportul G/m. Trece datele în următorul tabel:

Concluzia experimentului:
Raportul G/m are aceeași valoare respectiv 10 N/kg.

Raportul dintre greutatea unui corp și masa lui se numește accelerație gravitațională (notată cu g).

La suprafața Pământului g = 9,8 N/kg ≅ 10 N /kg.

Caracterizarea forței de greutate ca mărime fizică:

Simbol:

Formulă de calcul:

unde

m = masa corpului (în kg) și

g = accelerația gravitațională la suprafața Pământului = 9,8 N/kg.

Unitatea de măsură în Sistemul Internațional:

Instrumentul de măsură:

👀 Experiment: Care minge aterizează mai repede: una de ping-pong sau una de golf ?

Materiale necesare:
O minge de ping-pong, o minge de golf (metalică), vas cu făină.

Descrierea experimentului:

• Pregătește o tavă în care să pui făină (pesmet).
• Ridică ambele mingii la aceeași înălțime deasupra tăvii și dă-le drumul în același timp. Care minge atinge prima solul ? Cum sunt urmele lăsate în făină de cele două mingii ?

  Ambele mingii ajung în același timp în vasul cu făină. Urma lăsată de mingea mai grea (cea de golf) este mai adâncă decât cea lăsată de cea mai ușoară (ping-pong).

Concluzia experimentului:
Întrucât cele două mingii parcurg aceeași distanță (h) în același timp, înseamnă că ele coboară accelerat cu viteză identică. Deci, asupra ambelor mingii acționează aceeași accelerație, numită accelerație gravitațională.

🤔 Pentru curioși

Căderea liberă ideală și căderea reală a unui corp

Pentru experimentul realizat cu cele două bile, efectele forței arhimedice și forței de rezistență din partea aerului sunt neglijabile, deoarece distanța de cădere este mică (de ordinul metrilor). Însă pe distanțe mari trebuie să ținem cont de forța arhimedică și de forța de rezistență.

Căderea liberă ideală are loc atunci când un obiect este atras numai de forța gravitațională, pe verticală în jos, neglijând alte forțe și când viteza inițială a corpului este nulă.

Căderea liberă ideală ar putea avea loc doar în vid, acolo unde atracția gravitațională ar fi singura forţă care ar acționa asupra corpului. Efectul rezistenței aerului și micșorarea accelerației cu altitudinea se vor neglija. Această mișcare idealizată este numită cădere liberă. Accelerația unui corp în cădere liberă se numește accelerație gravitațională și se notează cu litera g. La suprafața Pământului sau în apropierea ei, mărimea accelerației este de aproximativ 9,81 m/s².

Dacă neglijăm rezistenţa aerului, viteza unui corp aflat în cădere liberă creşte cu 9,8 m/s în fiecare secundă.

Alegând un sistem de referință legat de Pământ cu axa Oy cu sensul pozitiv orientat pe verticală în sus, legea vitezei (v) și a poziției (y) mobilului în căderea liberă sunt date de ecuațiile:

v(t) = -g ∙ t

y(t) = -g ∙ t²/2

Aplicând legea vitezei, obținem următoarele viteze pentru un corp în cădere liberă în primele 4s:

După 1 s corpul parcurge o distanță de 4,9 m, iar după 4 s parcurge 78,4 m.

Viteza finala (v_c) este considerată viteza corpului chiar înainte de a atinge solul.

În realitate, când un obiect cade prin aer apare o forță de rezistență destul de puternică din partea aerului și o forța arhimedică (forța care acționează asupra oricărui corp aflat într-un fluid), forțe care trebuie luate în calcul de către parașutiști.

Forța de rezistență din partea aerului nu este constantă, ci depinde de o mulțime de factori, printre care forma, suprafața proiectată a obiectului perpendicular pe direcția de cădere și viteza corpului. Cu cât viteza de coborâre crește, cu atât aerul dezvoltă o forță de rezistență mai mare, forță contrară gravitației.

Viteza terminală este atinsă atunci când rezistența aerului egalează forța gravitațională. La acel moment mișcarea uniform accelerată a parașutistului se transformă într-o mișcare rectilinie uniformă (cădere spre suprafața Pământului la o viteză constantă). Accelerația fiind zero, viteza corpului nu se mai schimbă, de unde și numele de „viteza terminală“. Viteza este atinsă după o durată de cădere care depinde în special de fluid și de forma obiectului. Pentru a putea atinge viteza terminală este necesară o înălțime considerabilă, peste 450 m.

Viteza terminală în cazul parașutiștilor este de 150 km/h şi chiar mai mare în funcție de greutatea persoanei, de forma corpului ei, dar şi de aerodinamică (de tehnica de coborâre aleasă până la momentul deschiderii parașutei).

În general, o persoană care cade pe suprafața pământului atinge viteza terminală după aproximativ 12 secunde, după ce parcurge o distanță de aproximativ 450 de metri.

Un skydiver (sportiv care efectuează sărituri cu parașuta și diferite manevre înainte de a deschide parașuta) în poziția burtă-pământ atinge o viteză terminală de aproximativ 185 km/h.

Dacă skydiver-ul își trage brațele și picioarele, secțiunea transversală este scăzută, viteza terminală crescând până la 320 km/h.

Recordul de viteză actual este deținut de Felix Baumgartner, un parașutist și BASE jumper austriac, pe data de 14 octombrie 2012. Din cauza rezistenței scăzute a aerului extrem de rarefiat a reușit să atingă cea mai mare viteză atinsă vreodată de un om fără ajutorul unui vehicul. El a urcat cu un balon umplut cu heliu până în stratosferă, îmbarcat într-o nacelă etanșă până la altitudinea de 39045 m. După o cădere liberă de 4 minute și 19 secunde, Baumgartner a depășit cu mult viteza sunetului, ajungând la o viteză de 1342,8 km/h reprezentând o viteză de 1,25 Mach.

Rolul parașutei este de a micșora viteza de cădere prin creșterea rezistenţei aerului, datorită suprafeței foarte mari a acesteia. La momentul deschiderii parașutei forța de frecare cu aerul atmosferic depășește forța gravitațională, astfel că viteza parașutistului scade simțitor. În câteva momente este frânat ansamblul format de sportiv şi parașuta deschisă, ceea ce permite o aterizare cu viteze în jurul a 15-25 km/h la momentul contactului cu solul.

Până la Galileo Galilei (1564-1642) oamenii de știință credeau că viteza de cădere a corpurilor depinde de greutatea acestora, adică obiectul mai greu ajunge primul la sol. Acum 400 de ani Galilei a efectuat o experienţă legendară în turnul din Pisa. El a demonstrat că obiecte de masă diferite (obuz şi piatră), lăsate libere să cadă, sosesc în același timp la sol. Astfel el a dovedit că accelerația gravitațională este aceeaşi pentru toate obiectele într-un anumit loc.

🔦 Observații

a) Orice planetă sau stea exercită o forță de atracție asupra corpurilor aflate în apropierea lor, deci o forță de greutate. Exemple de accelerații gravitaționale la suprafața altor corpuri cerești: Soarele are 274,1N/kg, Jupiter are 25,93 N/kg, Luna are 1,62 N/kg. Deci dacă am călători pe alte planete, acestea ne-ar atrage cu diferite forțe de greutate, dar masa noastră rămâne aceeași, indiferent de planeta vizitată.

b) Greutatea este o forță care se manifestă la distanță prin intermediul câmpului gravitațional din jurul Pământului.

c) Accelerația gravitațională (implicit și greutatea corpului) suferă mici variații pe Pământ în funcție de altitudine și latitudine.

• Cu cât altitudinea crește, cu atât accelerația gravitațională scade, deoarece ne îndepărtăm de centrul Pământului (centrul atracției gravitaționale).

• Accelerația gravitațională mai depinde și de latitudine, datorită faptului că Terra nu este o sferă perfectă, ci una turtită la poli și bombată la ecuator. Prin urmare polii (nord și sud) sunt mai aproape de centrul Pământului decât ecuatorul și accelerația gravitațională la poli este mai mare decât cea la ecuator.

g_Pol ≅ 9,83 m/s² și

g_Ecuator ≅ 9,78 m/s².

🔓 Probleme rezolvate

1. În ce loc este mai mică forța necesară decolării unei rachete: atunci când baza de lansare este la malul mării sau în vârful muntelui? Pentru o lansare mai ușoară a rachetei, unde este mai bine să fie plasată baza de lansare: la poli sau la ecuator?

Rezolvare:

Atunci când se lansează o rachetei trebuie învinsă forța de greutate exercitată de către Pământ, care atrage racheta.

Este de preferat să alegem vârful unui munte cât mai înalt, deoarece ne îndepărtăm de centrul Pământului și scade accelerația gravitațională și implicit forța de atracție a Pământului asupra rachetei.

Ecuatorul față de poli este mai departe de centrul Pământului și scade accelerația gravitațională și implicit forța de atracție a Pământului asupra rachetei.

În concluzie cel mai bun loc pentru lansarea unei rachete este la ecuator, pe vârful unui munte cât mai înalt.

2. Un corp cântărește 600 g.

Ce greutate are el pe : a) Pământ ? b) Lună (g_Lună = g/6 N/kg) c) Jupiter (g_Jupiter = g ∙ 2,5 N/kg)

Rezolvare:

• Notăm datele problemei și le transformăm în SI:

• Efectuăm calculele pentru cele trei situații:

II.6.2. Microgravitația și cucerirea spațiului cosmic.

II.6.2.1. Microgravitația.

Gravitația este forța de atracție dintre două obiecte care au masă. Mișcarea accelerată a unui obiect având masă spre centrul Pământului este descrisă prin intermediul accelerației gravitaționale, notată „g”, cu valoarea de 9,81 m/s², la suprafața Pământului. Forța de atracție gravitațională scade pe măsură ce distanța dintre obiecte crește.

Un mediu în care să nu simțim efectele gravitației este descris prin „microgravitație” sau „accelerație gravitațională zero”, deoarece obiectele par a nu avea greutate, adică devin imponderabile. Efectul unei forţe poate fi observat atunci când există o altă forță opusă acesteia, adică o forţă de reacțiune.

Pentru a obține o gravitație redusă există mai multe soluții:

1. Căderea liberă în turnuri vidate cu înălțimea de 150 m din cadrul unor laboratoare, în care timp de 4 secunde, obiectul devine imponderabil.

2. Zborurile parabolice cu avionul reprezintă o metodă prin care cei din interiorul avionului pot experimenta o senzație de imponderabilitate, datorită manevrelor de urcare şi coborâre. Se pot obține diferite nivele de gravitație, în funcție de parametrii traiectoriei balistice, astfel gravitație negativă (-0,1G) se poate obține pentru 15 secunde, 0G pentru 25 secunde, gravitație lunară (1/6 G) pentru 40 secunde, iar gravitație marțiană (1/3G) pentru 30 s.

3. Rachetele balistice în care se obține microgravitație urmează aceleași principiu ca și avioanele, având o traiectorie parabolică (balistică). Agențiile spațiale dispun de o multitudine de rachete, care pot atinge altitudini de la 48 km la 1287 km. În urma lansării, după ce motorul rachetei și-a consumat combustibilul se desprinde de probă. Secțiunea pentru testări, în acest moment începe să-și execute misiunea, iar rezultatele sunt trimise sub forma de informații spre bază. La intrarea în atmosferă, proba este frânată cu ajutorul unei parașute și poate fi recuperată pentru un uz ulterior.

4. Stația Spațială Internațională este un uimitor laborator științific pentru studiul microgravitației fiind lansată pe o orbită în jurul Pământului. Acolo forța centrifugă „împinge” obiectele aflate pe orbită într-o direcţie opusă forței de atracție gravitațională a Pământului. În consecință, un obiect aflat în „cădere liberă” pe o orbită în jurul Pământului, având viteza și altitudinea corectă, poate părea lipsit de greutate.

5. Zborurile cu navete spațiale la joasă înălțime au ca avantaj obținerea gravitației reduse timp de maxim 2 săptămâni. Se folosesc sateliți lansați în orbita joasă de aceste navete, în interiorul cărora se instalează probele. După efectuarea experimentelor (durata care diferă de tipul de satelit) aceștia sunt recuperați tot de navete spațiale și readuși la sol.

II.6.2.2. Momente istorice pentru explorarea spațiului cosmic.

Primul satelit artificial, Sputnik 1 a fost lansat de U.R.S.S. la 4 octombrie 1957, de pe cosmodromul Baikonur, Kazahstan. A efectuat 1410 rotații în jurul Terrei, timp de 94 de zile, după care a intrat în atmosfera terestră și s-a dezintegrat prin ardere.

La 3 noiembrie 1957 se lansează Sputnik 2, care avea la bord primul animal viu, câinele Laika, prima ființă vie care a ajuns în spațiu. Acest satelit a stat în spațiu 163 de zile, timp în care a efectuat 2370 de rotații circumterestre.

Iuri Gagarin devenea, pe 12 aprilie 1961, primul om care ajungea în spațiu și pe orbita Pământului. Zborul istoric a durat 108 minute la bordul capsulei Vostok 1și a făcut din Iuri un erou mondial. Maiorul Iuri Gagarin de numai 27 de ani a fost selecționat în urma unor teste fizice și psihice foarte riguroase, care au constat în multiple salturi cu parașuta, exerciții fizice dificile, dar și perioade în înfometare și privare de oxigen sau izoloare.

John Glenn a fost primul astronaut american care a făcut turul Pământului la bordul capsulei Mercury, în 1962. Acesta a efectuat 5 rotații în 5 ore.

În 18 martie 1965, cosmonautul Alexei Leonov a devenit prima persoană care a pășit în spaţiu. Echipat cu un costum de astronaut şi legat cu un cablu lung de 5,35 metri, a rămas în afara navei timp de 12 minute şi 9 secunde, obţinând porecla de primul „pieton spaţial”.

La 16 iulie 1969, un echipaj format din 3 astronauți americani au decolat spre Lună la bordul rachetei Saturn V, într-o misiune numită Apollo 11. Neil Armstrong (comandantul echipajului), Michael Collins (pilotul modulului de comandă) și Buzz Aldrin (pilotul modulului lunar), după o călătorie de 4 zile se așază pe orbită în apropierea Lunii. Pe 20 iulie 1969, modulul lunar aterizează pe Lună și Neil Armstrong face primii pași pe Lună. Timp de 2 ore Armstrong și Aldrin au adunat 22 kg de roci, după care au decolat cu modulul lunar, care s-a alipit navei Apollo. Modulul de comandă cu cei 3 astronauți a aterizat pe mare la 24 iulie 1969.

După misiunea Apollo, mai multe echipaje s-au întors pe Lună pentru a o explora.

II.6.2.3. Drumul navetei spațiale.

Cea mai frecventă definiție a spațiului cosmic este tot ceea ce se află la 80-100 km deasupra suprafeței Pământului.

Rachetele sunt singurul mijloc practic de a ajunge în spațiu. Pentru ca o rachetă să intre în spațiu exterior are nevoie o viteză numită viteză cosmică (de eliberare) ca să scape de atracția Pământului:

unde g ≈ 9,8 m/s² (accelerația gravitațională a la suprafața Pământului) și

r ≈ 6360 km(raza Pământului).

Pentru a trece pe orbita joasă a Pământului o navă trebuie să atingă viteza de 7900 m/s, adică 28400 km/h, iar pentru a ajunge pe Lună trebuie să aibă o viteză de 40500 km/h.

Spre deosebire de rachete (folosite doar o dată), navetele spațiale pot face mai multe călătorii între Pământ și spațiu. Navetele sunt propulsate în spațiu cu ajutorul rachetelor.

Nava decolează, atașată unui imens rezervor flancat de 2 relee de detonare. După decolare, când releele de detonare nu mai au combustibil, ele se desprind de navă și cad în mare, fiind ulterior recuperate. Acum nava se va roti în jurul Pământului. Potrivit misiunii sale, naveta poate depune sau prelua un satelit sau revine la Stația Spațială Internațională (SSI). Când și-a încheiat misiunea pleacă de pe orbită și ca un planor, coboară timp de o oră. Când intră în atmosfera terestră ea se încălzește foarte mult datorită frecării cu aerul, fiind protejată de un scut antitermic. Nava coboară spre pistă cu o viteză foarte mare, fiind încetinită de o parașută chiar înainte de aterizare.

II.6.2.4. Pregătirea astronauților.

O călătorie în spațiu se pregătește timp de luni de zile, deoarece condițiile de viață nu sunt identice celor de pe Pământ.

Selecția cosmonauților se efectuează printr-o serie de teste pentru o stare fizică excelentă, văz și auz foarte fine, echilibru mental ireproșabil, cunoștințe științifice și tehnice avansate.

Astronauții se antrenează într-un imens bazin cu apă pentru a se pregăti pentru lipsa de gravitație din spațiu, unde forța de atracție a Pământului este foarte mică și totul plutește.

Astronauții mai se antrenează în simulatoare, unde reproduc mișcările pe care le vor face în naveta spațială (depanare, reparare de sateliți, ieșirea din navă etc.). Ei se mai antrenează într-o centrifugă pentru a se obișnui cu accelerațiile puternice care au loc la decolare. De asemenea se mai antrenează în avioane cu zboruri parabolice pentru simularea imponderabilității existente în navetele spațiale.

II.6.2.5. Stația Spațială Internațională.

Stația Spațială Internațională (SSI) este cea mai mare navă spațială, fiind situată la 400 km altitudine. Șaisprezece țări din lume au contribuit la construcția sa. Primul modul rus, Zvezda, a fost lansat în 1998. Odată finalizată în 2010, SSI măsura 108 m în lungime și 79 m în lățime (puțin mai mare decât un teren de fotbal). Ea face înconjurul Pământului la fiecare 90 de minute. Aici se efectuează experimente științifice importante.

În laborator, cosmonauții studiază comportamentul și reacțiile corpului uman. Ei creează noi medicamente, descoperă aliaje noi, studiază dezvoltarea embrionilor de plante și de animale în lipsa gravitației.

Odată ajunși în SSI astronauții vor rămâne pentru mai multe săptămâni/luni, fiind nevoiți să trăiască în lipsa gravitației:

• Cabina de duș la bord este una specială, dar cel mai adesea astronauții se șterg cu șervețele de unică folosință sau cu prosoape umede.

• Dinții se curăță cu o pastă de dinți specială, care nu se scuipă.

• Aspiratorul este necesar după tăierea părului.

• Aparatele de ras sunt prevăzute cu mici aspiratoare.

• Apa și sucurile de fructe sunt băute din pungi cu un pai.

• Alimentele, care zboară, trebuie împinse spre gură.

• Mâncarea este la conservă sau produse congelate, liofilizate(deshidratate).

• Astronauții dorm într-un sac de dormit bine ancorat de pereții stației.

• Hainele sunt comode (trening, tricou, șosete).

• Pentru necesitățile fiziologice există toalete care aspiră excrementele care sunt depozitate și ulterior aruncate în spațiu.

• Aerul este recondiționat de un sistem foarte zgomotos.

• Pentru că astronauții sunt imponderabili, mușchii lor nu lucrează și se slăbesc foarte mult. Pentru a se menține în formă, ei fac zilnic exerciții fizice, timp de o oră şi jumătate pe zi, fie pe o bicicletă de fitness, fie pe o bandă de alergat.

• Comunicarea cu familia se face prin stație radio sau prin email.

• Când ies în afara stației, cosmonauții trebuie să îmbrace costume de 100 kg care îi protejează de radiații, de meteoriți, de lipsa presiunii atmosferice și le asigură oxigenul pentru respirație. Pentru început trebuie să amintim că partea exterioară a costumului, care îl protejează pe astronaut şi îi permite să se deplaseze în spațiu, poartă numele de Extravehicular Mobility Unit (EMU) şi are același design de aproximativ 40 de ani. Totuși, pe sub el, un astronaut poartă multe alte lucruri care să îl ajute să realizeze activitățile în mediul extravehicular. Primul lucru pe care îl îmbracă un astronaut pentru o misiune extravehiculară este scutecul. Unele misiuni durează şi 6 ore, motiv pentru care scutecul este o necesitate. Apoi, pasul următor constă în îmbrăcarea unui costum de corp care să absoarbă transpirația. Cel de-al treilea „accesoriu” este un costum cu sistem de răcire lichidă dotat cu o serie de cabluri prin care circulă apa, cu scopul de a menține constantă temperatura corpului. Alte elemente ce se aplică înainte de EMU, pe lângă casca de comunicare, sunt mănușile de bumbac care absorb transpirația şi o serie de bandaje speciale care au rolul de a proteja pielea aeronautului şi a preveni apariția vânătăilor în timp ce poartă costumul. Abia după ce a îmbrăcat toate aceste componente, astronautul îşi poate pune costumul EMU. Mai întâi se îmbracă partea inferioară a costumului, pentru ca apoi, astronautul să se strecoare în partea superioară care este suspendată. Ultimele elemente sunt, desigur, casca şi mănușile.

II.6.2.6. Sateliții artificiali.

Sateliții artificiali sunt plasați pe orbită în jurul Pământului la altitudini diferite, între 200 km și 36000 km, în funcție de misiunea lor. Ei sunt mici laboratoare dotate cu antene și diferite instrumente, care colectează și transmit informații pe Pământ. Sunt sateliți pentru comunicații la distanță(telefonie, internet, programe TV etc.), pentru prezicerea vremii și a dezastrelor naturale(uragane, cicloane), sateliți militari, sateliți de navigație și sateliți de cercetare.

Sateliții geostaționari se învârtesc în planul ecuatorului, la o altitudine de 35800 km de suprafața Pământului. Ei fac înconjurul planetei în 23 h 56 min, adică exact o zi în care și Pământul realizează o rotație completă în jurul propriei axe. Este cazul sateliților de telecomunicații.

Toate schimburile de informații între un satelit și Pământ au loc cu antene de emisie și de recepție a undelor radio.

Există peste 4000 de sateliți artificiali, cu o durată de viață de câțiva ani, unii chiar de 15 ani.

II.6.2.7. Sondele spațiale.

Sondele spațiale sunt dispozitive care explorează planete încă inaccesibile oamenilor.

Prima sondă spațială a fost Luna-1 (Lunik-1) lansată la 2 ianuarie 1959 spre Lună. Sondele spațiale sunt misiuni spațiale fără echipaj uman la bord, fiind astfel mai simplu de realizat și prezentând riscuri mai mici. Modelele recente pot fi pe de-o parte conduse prin radio de pe Pământ, dar dacă sunt trimise la mari depărtări, unde semnalele radio ajung abia după minute, ore sau chiar zile de la transmitere, atunci, pentru a-și atinge scopul, au nevoie și de autonomie robotică (computere pentru comandă și control). De exemplu, Sonda spațială NASA Voyager 1 a zburat pe lângă Jupiter în 1979 și pe lângă Saturn în 1980, înainte de a traversa granița sistemului solar, în august 2012.