Mengapakah Angkasawan Terapung Sedangkan Graviti Masih Kuat?

Gambar angkasawan terapung mudah menimbulkan tanggapan bahawa angkasa ialah kawasan tanpa graviti. Sebenarnya, graviti Bumi masih menarik kapal angkasa dan semua benda di dalamnya. Keadaan terapung muncul kerana semuanya mengalami gerakan jatuh bebas yang hampir sama pada masa yang sama, dan keadaan hampir tanpa berat itulah yang dinamakan mikrograviti.

Graviti masih bertindak di orbit

Daya graviti antara Bumi berjisim M dengan objek berjisim m pada jarak r dari pusat Bumi diberikan oleh hukum graviti Newton, F = GMm/r². Apabila jarak daripada pusat Bumi bertambah, daya graviti berkurang mengikut kuasa dua jarak. Namun, orbit rendah Bumi hanya beberapa ratus kilometer di atas permukaan, sedangkan jejari Bumi sendiri kira-kira 6,371 km. Oleh itu, graviti di sana masih kuat: NASA memberi contoh bahawa pada ketinggian Stesen Angkasa Antarabangsa, kekuatan graviti masih sekitar 90 peratus daripada nilai berhampiran permukaan Bumi.

Penjelasan bahawa angkasawan terapung kerana terlalu jauh daripada Bumi ternyata salah bagi orbit rendah Bumi.

Apakah maksud jatuh bebas?

Dalam fizik, objek berada dalam jatuh bebas apabila graviti ialah satu-satunya daya yang ketara mempengaruhi gerakannya, dengan daya bukan graviti diabaikan. Bayangkan anda melepaskan sebiji bola, lalu bola memecut ke bawah kerana graviti. Sekarang bayangkan anda dan bola berada di dalam sebuah kabin yang turut jatuh dengan pecutan yang sama. Bola tidak lagi kelihatan jatuh relatif kepada anda kerana anda, bola dan kabin bergerak bersama. OpenStax menggunakan idea yang sama untuk menerangkan angkasawan, iaitu mereka tanpa berat kerana jatuh bebas bersama kapal angkasa.

Namun, orbit mempunyai satu perbezaan penting daripada lif yang jatuh lurus, iaitu kapal angkasa mempunyai halaju sisi yang sangat besar.

Bagaimanakah sesuatu boleh jatuh tetapi tidak sampai ke tanah?

Bayangkan batu dilontar secara mendatar dari tempat yang sangat tinggi. Semakin laju batu dilontar, semakin jauh ia bergerak sebelum menyentuh permukaan. Dalam eksperimen fikiran yang dikaitkan dengan Newton, jika objek diberi halaju mendatar yang sesuai dan rintangan udara diabaikan, objek itu jatuh ke arah Bumi tetapi permukaan Bumi yang melengkung turut menjauh di bawah lintasannya. Hasilnya ialah orbit, dan NASA menerangkan bahawa kapal angkasa di orbit sedang jatuh mengelilingi Bumi, bukan sekadar jatuh terus ke permukaannya.

Bagi orbit bulat ideal, graviti membekalkan pecutan memusat yang diperlukan. Dengan menyamakan pecutan graviti kepada pecutan memusat, GM/r² = v²/r, maka halaju orbit v = √(GM/r). Ini menunjukkan bahawa orbit bukan keadaan tanpa daya. Sebaliknya, graviti ialah sebab lintasan terus melengkung.

Jadi apakah yang hilang apabila seseorang berasa tanpa berat?

Yang hampir hilang bukan daya graviti, tetapi daya sokongan. Apabila anda berdiri di atas lantai, graviti menarik badan ke bawah manakala lantai menolak badan ke atas. Daya sentuhan inilah yang berkait rapat dengan sensasi berat yang kita rasai dan bacaan penimbang. Jika penimbang dan anda jatuh bebas bersama-sama, penimbang tidak perlu menolak anda seperti ketika berdiri di lantai, jadi bacaannya boleh menghampiri sifar walaupun graviti masih menarik kedua-duanya.

Sebab itulah istilah berat ketara berguna. Berat graviti boleh dihuraikan sebagai mg berhampiran permukaan Bumi, tetapi berat ketara yang ditunjukkan oleh penimbang bergantung pada daya sokongan yang bertindak pada badan. Dalam orbit, lantai kapal angkasa juga sedang jatuh, maka ia tidak sentiasa menahan angkasawan daripada jatuh seperti lantai bangunan di Bumi.

Mengapa disebut mikrograviti dan bukan graviti sifar?

Kapal angkasa sebenar bukan sistem jatuh bebas yang sempurna. Terdapat gangguan kecil seperti seretan atmosfera pada orbit rendah, tekanan radiasi suria, getaran peralatan dan variasi medan graviti merentasi struktur kapal angkasa. ESA menerangkan mikrograviti sebagai keadaan apabila tanpa berat tidak dicapai dengan sempurna kerana masih terdapat pecutan baki daripada kesan sedemikian. Istilah “zero-g” sering digunakan secara tidak formal, tetapi mikrograviti lebih tepat untuk persekitaran eksperimen sebenar.