Trạng thái “không trọng lượng” khi bay trên quỹ đạo gần Trái Đất và khái niệm về hệ số quá tải

Bài dự thi Viết về Vũ trụ của GS. TSKH Nguyễn Đức Cương. Xem chi tiết Cuộc thi tại đây.

Hình 1. Trạng thái không trọng lượng trên tàu vũ trụ
Hình 1. Trạng thái không trọng lượng trên tàu vũ trụ

Nhiều người, kể cả một số chuyên gia về công nghệ vũ trụ, thường nghĩ rằng khi bay trên tàu vũ trụ, do ở xa Trái Đất, lực vạn vật hấp dẫn rất nhỏ nên không có cảm giác trọng lượng. Đây thực ra là quan niệm sai lầm. Ta có thể chứng minh, trọng lực khi bay trên tàu vũ trụ gần Trái Đất chỉ giảm khoảng 10 %, vì theo định luật Newton III thì lực hấp dẫn tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách. Ví dụ bán kính Trái Đất R=6400 km mà tàu vũ trụ bay ở độ cao so với mặt đất vài trăm km (ví dụ tàu ISS bay ở độ cao h=400 km so với mặt đất (Hình 2), tức là cách tâm Trái Đất khoảng 6800 km có nghĩa là trọng lực giảm có 12%, không thẻ nói là không trọng lượng.

Hình 2. Trạm ISS bay cách mặt đất khoảng 400 km trong khi bán kính Trái Đất R=6400 km
Hình 2. Trạm ISS bay cách mặt đất khoảng 400 km trong khi bán kính Trái Đất R=6400 km

Vậy thì do đâu mà có tình trạng KHÔNG TRỌNG LƯỢNG (weightlessness – Hình 1)? Có thể giải thích hiện tượng không trọng lượng theo nhiều cách khác nhau, tác giả đưa ra một cách giải thích khá dễ hiểu.

Hình 3. Tốc độ vũ trụ cấp 1: 7,9 km/s
Hình 3. Tốc độ vũ trụ cấp 1: 7,9 km/s

Hãy tưởng tượng (Hình 3): khi bắn một viên đạn theo phương nằm ngang trên quỹ đạo gần Trái Đất, với tốc độ nhỏ thì chắc chắn viên đạn sẽ rơi xuống đất. Nếu tăng dần V0  thì điểm rơi xa dần nhưng vẫn bay theo đường cầu vồng, cho tới khi V0  đạt 7,9 km/s (tốc độ vũ trụ cấp 1) thì quỹ đạo cầu vồng trở thành quỹ đạo tròn và viên đạn không rơi xuổng đất nữa. Lúc đó trọng lượng đúng bằng LỰC HƯỚNG TÂM (không phải lực ly tâm !) cần có để duy trì quỹ đạo cong có dạng hình tròn vòng quanh Trái Đất. Nhiều người cho rằng lúc này trọng lực bị cân bằng bởi lực ly tâm nên tạo ra tình trạng không trọng lượng, nhưng giải thích như vậy chỉ là đúng về khía cạnh nào đó, nhưng vẫn không chuẩn về bản chất. Lực ly tâm về bản chất là lực quán tính, chỉ tồn tại trong hệ tọa độ phi quán tính (chuyển động có gia tốc), nếu đứng ở dưới đất quan sát (trong hệ tọa độ có thể coi là đứng yên / chuyển động thẳng đều) thì trên tàu vũ trụ chỉ có trọng lực đồng thời là lực pháp tuyến tạo ra chuyển động cong vòng quanh Trái Đất.

Thực ra, khi bay trên tàu vũ trụ các nhà du hành vẫn bị trọng lực tác động, chỉ không có cảm giác trọng lượng (trọng lượng biểu kiến=0) vì không có phản lực sản, do các nhà du hành và bản thân tàu vũ trụ cùng bị “rơi” theo quỹ đạo tròn (có gia tốc pháp tuyến = gia tốc trọng trường). Ví dụ, khi ta đứng trong thang máy đứng yên (hay chuyển động thẳng đều), phản lực của sàn tác động lên đúng bằng trọng lực tác dụng xuống, ta có cảm giác có trọng lượng. Tuy nhiên khi thang máy chuyển động xuống với gia tốc bằng gia tốc rơi tự do g=9,8 m/s2 thì lúc này không có phản lực sàn và ta ở trọng thái KHÔNG TRỌNG LƯỢNG (Hình 4).

Hình 4. a/Trọng lượng biểu kiến = - phản lực sàn. Hệ số quá tải=1. b/Trọng lượng biểu kiến = khối lượng × (gia tốc trọng trường - gia tốc mang). Hệ số quá tải < 1.
Hình 4. a/Trọng lượng biểu kiến = – phản lực sàn. Hệ số quá tải=1. b/Trọng lượng biểu kiến = khối lượng × (gia tốc trọng trường – gia tốc mang). Hệ số quá tải < 1.

Trong trường hợp trọng lượng biểu kiến/ gia tốc biểu kiến (apparent acceleration, кажущееся ускорение) = 0, ta nói (hệ số) quá tải (load factor, перегрузка) = 0. Phi công cảm giác rất rõ khi hệ số quá tải lớn hơn 1 (cảm thấy “nặng hơn”, máu dồn xuống chân), hoặc khi quá tải âm, ví dụ -1 (như khi lộn ngược, “trồng cây chuối”, máu dồn lên đầu). Vận động viên khi nhảy từ trên cao xuống nước cũng có giai đoạn có thể coi là rơi tự do và cũng trong trạng thái không trọng lượng vài giây.

Để cho các nhà du hành vũ trụ có thể trải nghiệm trạng thái không trọng lượng người ta thường cho máy bay vận tải có khoang chở người bay theo quỹ đạo cầu vồng với lực nâng = 0  ở độ cao khá lớn (lực kéo của động cơ và lực cản khí động cũng rất nhỏ). Lúc này chỉ còn trọng lực tác dụng vào quỹ đạo máy bay – quá tải xấp xỉ = 0. Trạng tháí bay cầu vồng này chỉ duy trì được khoảng mười mấy giây và rất tốn kém. Muốn tập luyện lâu dài trong trạng thái gần giống không trọng lượng thì chỉ có lặn xuống nước, do có lực Acsimet của nước xấp xỉ bằng trọng lượng người. Cách tập này ít tốn kém và được lâu dài nhưng không giống thật, không những vì lực Acsimet không đúng bằng trọng lượng cơ thể (có thể điều chỉnh trọng lượng riêng của nước để đảm bảo lực Acsimét đúng bằng trọng lượng cơ thể), mà chủ yếu là do lực Acsimet tác dụng vào bề mặt (lực bề mặt), còn trọng lực thì tác dụng vào tất cả các điểm trong cơ thể (lực thể tích).

Tóm lại: Trạng thái không trọng lượng là trạng thái của một vật chuyển động (hệ tọa độ) có gia tốc bằng gia tốc trọng trường. Hệ số quá tải lúc này=0. Hệ tọa độ mang có gia tốc này được gọi là hệ tọa độ phi quán tính.

 GS. TSKH Nguyễn Đức Cương, Phó Chủ tịch Hội VASA

(biên soạn theo tài liệu nước ngoài)

3 thoughts on “Trạng thái “không trọng lượng” khi bay trên quỹ đạo gần Trái Đất và khái niệm về hệ số quá tải

  1. Lê Quang says:

    Cám ơn tác giả đã giải thích một cách đơn giản và dễ hiểu. Tuy nhiên để trực quan TG có thể kèm theo công thức Newton về lực hút gì hai vật và hệ số quá tải. Hệ số này sẽ thay đổi thế nào từ khi tàu vũ trụ rời trái đất đến khi vào quỹ đạo bay.
    Năm mới kính chúc GS nhiều sức khỏe và có nhiều công trình NCKH.

  2. Pingback: Trạng thái quá tải trong quá trình phong lên quỹ đạo – VASA (Vietnam Aerospace Association)

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *