Astronauti na Mezinárodní vesmírné stanici ukazují příklad stavu beztíže. Michael Foale je vidět, jak cvičí v popředí.
Stav beztíže je jev, který zažívají lidé během volného pádu, a je to stav spojený s řadou kognitivních a psychologických účinků. Ačkoli je termín nulová gravitace často používán jako synonymum, stav beztíže na oběžné dráze není výsledkem eliminace nebo dokonce výrazného snížení gravitační síly (ve skutečnosti je síla zemské gravitace ve výšce 100 km pouze o 3% menší než na zemském povrchu). Stav beztíže se typicky vyskytuje, když objekt nebo osoba volně padá, ve vesmíru, v hlubokém vesmíru (daleko od planety, hvězdy nebo jiného hmotného tělesa), v letadle letícím po určité parabolické letové dráze nebo v jedné z několika dalších neobvyklejších situací.
Fyzika stavu beztíže
Ke stavu beztíže dochází vždy, když jsou všechny síly působící na osobu nebo objekt rovnoměrně rozloženy po hmotě objektu (jako v rovnoměrném gravitačním poli), nebo když na objekt nepůsobí žádná síla. To je v kontrastu s typickými lidskými zkušenostmi, kdy nepůsobí rovnoměrná síla, například:
V případech, kdy objekt není ve stavu beztíže, jako ve výše uvedených příkladech, působí síla na dotyčnou osobu nebo předmět nestejnoměrně. Aerodynamický vztlak, tah a tah jsou všechny nestejnoměrné síly (působí v určitém bodě nebo na povrchu, nikoliv na celou hmotnost předmětu), a tím zabraňují jevu stavu beztíže. Tato nestejnoměrná síla může být také přenášena na předmět v místě kontaktu s druhým objektem, jako je kontakt mezi povrchem Země a vlastními nohami nebo mezi padákovým postrojem a vlastním tělem.
Gravitace je polní síla, o níž lze obvykle předpokládat, že působí stejnoměrně na hmotnost všech lidí a objektů v referenčním rámci. Tento předpoklad platí, pokud je velikost uvažované oblasti malá v poměru k její vzdálenosti od těžiště gravitačního atraktoru. Jedním z takových příkladů je malá velikost osoby v poměru k poloměru Země. Naopak objekty v blízkosti černé díry jsou vystaveny vysoce nerovnoměrnému gravitačnímu poli.
Zatímco odborná definice hmotnosti je velikost gravitační síly působící na předmět, lidé pociťují svou vlastní tělesnou hmotnost v důsledku toho, čemu se říká zdánlivá hmotnost, neboli reakční síla působící na osobu povrchem, na kterém osoba stojí nebo sedí. Při neexistenci této reakční síly by se člověk nacházel ve volném pádu a zažíval by stav beztíže. Je to přenos této reakční síly lidským tělem a výsledné stlačení a napětí tělesných tkání, které má za následek pocit hmotnosti.
Vzhledem k rozložení hmoty v těle člověka se velikost reakční síly liší mezi nohama a hlavou člověka. V jakémkoli vodorovném průřezu těla člověka (stejně jako v jakémkoli sloupci) se velikost tlakové síly, které odolávají tkáně pod průřezem, rovná hmotnosti části těla nad průřezem. (V pažích se reakční síla rovná hmotnosti části paže pod průřezem a je to spíše tažná než tlaková síla, stejně jako v závěsném laně.)
Termíny nulová gravitace nebo snížená gravitace se často používají k označení stavu beztíže, jaký zažívá kosmická loď na oběžné dráze, ale to není technicky přesné. Kosmické lodě jsou drženy na oběžné dráze gravitací planety, kterou obíhají. Pocit stavu beztíže, který zažívají astronauti, není důsledkem nulového gravitačního zrychlení, ale nulového rozdílu mezi zrychlením kosmické lodi a zrychlením astronauta. Vesmírný novinář James Oberg vysvětluje tento jev takto:
Mýtus, že satelity zůstávají na oběžné dráze, protože „unikly zemské gravitaci“, je dále (a falešně) udržován téměř univerzálním používáním zinkované, ale fyzikálně nesmyslné fráze „nulová gravitace“ (a její techweenie sestřenice, „mikrogravitace“) k popisu podmínek volného pádu na orbitálních vesmírných vozidlech. Samozřejmě to není pravda; gravitace ve vesmíru stále existuje. Brání satelitům v letu přímo do mezihvězdné prázdnoty. Chybí „váha“, odpor gravitační přitažlivosti ukotvenou konstrukcí nebo protisilou. Satelity zůstávají ve vesmíru kvůli své ohromné horizontální rychlosti, která jim umožňuje – a přitom je gravitace nevyhnutelně táhne k Zemi – padat „za obzor“. Zakřivený ústup země podél kulatého zemského povrchu vyrovnává pád satelitů směrem k zemi. Rychlost, nikoliv poloha nebo nedostatek gravitace, udržuje družice ve vzduchu a neschopnost pochopit tento základní pojem znamená, že mnoho dalších věcí, které lidé „vědí“, prostě není.
Plamen svíčky v orbitálních podmínkách.
Termín mikrogravitace se používá k popisu prostředí, kde je přítomna gravitační síla, ale má zanedbatelný vliv. Objekty na oběžné dráze nejsou dokonale beztížné díky několika účinkům:
Symbol mikrogravitace µg byl použit na insignii letu raketoplánu STS-107, protože tento let byl věnován výzkumu mikrogravitace.
Prostředí bez hmotnosti a snížené hmotnosti
Snížená hmotnost v letadlech
Letadla se používají od roku 1973 k zajištění téměř beztížného prostředí, ve kterém se cvičí astronauti, provádějí výzkum a filmují pohyblivé obrázky. Taková letadla se běžně označují přezdívkou „Vomit Comet“.
Pro vytvoření beztížného prostředí létá letadlo v šest mil dlouhém parabolickém oblouku, nejprve stoupá, poté vstupuje do motorového střemhlavého letu. Během oblouku je pohon a řízení letadla řízeno tak, že je zrušen odpor (odpor vzduchu) v letadle a letadlo se chová tak, jak by se chovalo, kdyby volně padalo ve vakuu. Během této doby zažívají cestující v letadle asi 25 sekund stavu beztíže, předtím zažívají asi 25 sekund 2 g zrychlení (dvojnásobek jejich normální hmotnosti) během vytahování z paraboly. Typický let trvá kolem dvou hodin, během nichž je prolétnuto 40 parabol.
Snížení hmotnosti při výcviku pilotů
Lidé mají různé reakce na pocity snížené hmotnosti a tyto reakce mohou ohrozit bezpečnost letu, pokud pilot letadla není vyškolen k tomu, aby správně reagoval, zejména v případě nouze. Běžně v letovém výcviku letoví instruktoři postupně zavádějí manévry snížené hmotnosti a zároveň pilota-studenta pečlivě sledují. Většina studentů si na tento pocit zvykne a je schopna uspokojivě provést určitý výcvik. Studenti, kteří nejsou schopni překonat svou úzkost, nejsou schopni dokončit letový výcvik.
Bezváha může být také simulována pomocí neutrálního vztlaku, při kterém jsou lidské subjekty a zařízení umístěny do vodního prostředí a zatíženy nebo nadnášeny, dokud se nevznášejí na místě. NASA používá neutrální vztlak k přípravě na mimovozovou aktivitu (EVA) ve své laboratoři pro neutrální vztlak. Neutrální vztlak se také používá pro výzkum EVA v laboratoři vesmírných systémů Marylandské univerzity, která provozuje jedinou neutrální vztlakovou nádrž na vysoké škole nebo univerzitě.
Neutrální vztlak není totožný se stavem beztíže, ale je podobný v tom, že astronaut může volně pohybovat všemi částmi svého těla. Je to proto, že vztlaková síla, která astronauta podpírá, je široce rozložena po jeho těle. Při pohybu v neutrálním vztlakovém prostředí je významným faktorem také tah, zatímco astronauti na EVA nepociťují žádný odpor.
Stav beztíže v kosmické lodi
Vztah mezi vektory zrychlení a rychlosti v obíhající kosmické lodi
Astronaut Marsha Ivins demonstruje vliv stavu beztíže na dlouhé vlasy během STS-98
Dlouhá období stavu beztíže nastávají na kosmických lodích mimo atmosféru planety za předpokladu, že není použit žádný pohon a vozidlo se neotáčí. K stavu beztíže nedochází, když kosmická loď zapíná motory nebo když znovu vstupuje do atmosféry, i když výsledné zrychlení je konstantní. Hmotnost, kterou poskytují motory, působí na povrchu trysky rakety, místo aby působila na kosmickou loď stejnoměrně, a je přenášena strukturou kosmické lodi tlakovými a tahovými silami na objekty nebo osoby uvnitř.
Stav beztíže v kosmické lodi na oběžné dráze je fyzikálně identický s volným pádem s tím rozdílem, že gravitační zrychlení způsobuje změnu směru, nikoliv velikosti, rychlosti kosmické lodi. Je to proto, že zrychlení je kolmé na vektor rychlosti.
V typickém volném pádu působí gravitační zrychlení ve směru rychlosti objektu, lineárně zvyšuje jeho rychlost při pádu směrem k Zemi nebo ji zpomaluje, pokud se pohybuje směrem od Země. V případě kosmické lodi na oběžné dráze, která má vektor rychlosti do značné míry kolmý na gravitační sílu, gravitační zrychlení nezpůsobuje změnu rychlosti objektu, ale místo toho působí dostředivě, aby neustále „otáčelo“ rychlost kosmické lodi při jejím pohybu kolem Země. Protože se vektor zrychlení otáčí spolu s vektorem rychlosti, zůstávají na sebe kolmé. Bez této změny ve směru vektoru rychlosti by se kosmická loď pohybovala v přímce a Zemi by opustila úplně.
Zdravotní účinky stavu beztíže
Po nástupu vesmírných stanic, které lze dlouhodobě obývat, bylo prokázáno, že vystavení stavu beztíže má některé škodlivé účinky na lidské zdraví. Lidé jsou dobře přizpůsobeni fyzikálním podmínkám na povrchu Země. V reakci na delší období stavu beztíže se začínají měnit a zakrňovat různé fyziologické systémy. I když jsou tyto změny obvykle dočasné, mohou z toho vyplynout dlouhodobé zdravotní problémy.
Nejčastější problém, se kterým se lidé setkávají v počátečních hodinách beztíže, je známý jako syndrom adaptace na vesmír nebo SAS, běžně označovaný jako kosmická nemoc. Příznaky SAS zahrnují nevolnost a zvracení, závrať, bolesti hlavy, letargii a celkovou malátnost. První případ SAS byl hlášen kosmonautem [Ghermanem Titovem v roce 1961. Od té doby zhruba 45% všech lidí, kteří letěli ve vesmíru, trpělo tímto onemocněním. Trvání kosmické nemoci se liší, ale v žádném případě netrvalo déle než 72 hodin, po kterých se tělo přizpůsobuje novému prostředí. NASA žertem měří SAS pomocí „Garnovy stupnice“, pojmenované po senátorovi Spojených států Jaku Garnovi, jehož SAS je nejhorší v historii. Podle toho se jeden „Garn“ rovná nejtěžšímu možnému případu SAS.
Nejvýznamnějšími nežádoucími účinky dlouhodobého stavu beztíže jsou svalová atrofie a zhoršení kostry nebo kosmonautická osteopenie. Tyto účinky lze minimalizovat pomocí cvičebního režimu. Mezi další významné účinky patří redistribuce tekutin, zpomalení kardiovaskulárního systému, snížená tvorba červených krvinek, poruchy rovnováhy a oslabení imunitního systému. Mezi méně významné příznaky patří ztráta tělesné hmoty, ucpaný nos, poruchy spánku, nadýmání a opuchliny v obličeji. Tyto účinky se začnou po návratu na Zemi rychle obracet.
Mnohé stavy způsobené vystavením stavu beztíže jsou podobné těm, které jsou důsledkem stárnutí. Vědci se domnívají, že studie škodlivých účinků stavu beztíže by mohly mít lékařský přínos, například možnou léčbu osteoporózy a zlepšení lékařské péče pro upoutané na lůžko a starší osoby.
„Jake Garn byl nemocný, byl hodně nemocný. Nevím, jestli bychom měli vyprávět takové historky. Ale každopádně, Jake Garn se zapsal do sboru astronautů, protože reprezentuje maximální úroveň vesmírné nemoci, které může kdy kdo dosáhnout, a tak známkou totální nemoci a totální neschopnosti je jeden Garn. Většina chlapů se dostane možná až na desetinu Garna, pokud je tak vysoko. A v rámci sboru astronautů si ho tak budou navždy pamatovat.“
Aamodt, S. (1998). Neurolab vypouští dekádu mozku do vesmíru: Nature Neuroscience Vol 1(1) May 1998, 10-12.