Πόσο κοντά πρέπει να έρθετε στη Γη για να επηρεαστείτε από τη βαρύτητα της;

Δεν υπάρχει πραγματική διαφυγή από το πεδίο βαρύτητας της Γης, αν και η πραγματικότητα είναι ελαφρώς πιο περίπλοκη από αυτό, καθώς η εξήγησή μας δεν έλαβε υπόψη τη βαρύτητα που επιβάλλεται από άλλα ουράνια σώματα, κυρίως από τον Ήλιο. Τα αντικείμενα που εκτοξεύονται έξω από τη Γη επηρεάζονται εύκολα από τη βαρύτητα του Ήλιου επειδή η μάζα του ανέρχεται στο 99% της μάζας ολόκληρου του Ηλιακού Συστήματος.

Ανάμεσα στα πολλά θαύματα της φύσης, το Cosmos έχει μονοπωλήσει την παραγωγή κουδουνίστρες χαράς που μας οδήγησαν σε σπάνιες στιγμές εκστατικού χειροκροτήματος. Ο ουρανός ήταν μια ανεξάντλητη πηγή θαυμασμού για τους αρχαίους που κοιτούσαν έξω από τις σπηλιές τους, συλλογίζονταν τη θέση τους στα αστραφτερά αστέρια. Ή, για τον Γαλιλαίο που στρέφει το τηλεσκόπιό του προς το σκοτάδι, μια μανιασμένη απόδειξη ελπίδας. Ή, ένας έφηβος παρακολουθεί Star Trek για πρώτη φορά.

Στην περίπτωσή μου, οι νευρώνες μου έτριξαν από γοητεία όταν συνάντησα για πρώτη φορά τους δακτυλίους του Κρόνου στο εξώφυλλο ενός παλιού βιβλίου αστρονομίας για παιδιά (η ανεξίτηλη εντύπωσή τους με οδήγησε να κάνω ένα τατουάζ στο χέρι μου). Η δεύτερη στιγμή που με κόλλησε είναι η εικόνα των αστροναυτών που κολυμπούν στον αέρα. Αυτή ήταν μια εντελώς νέα εμπειρία που έχασα, μια εμπειρία που θύμιζε κάπως πτήση.

Η αστροναύτης της ESA Samantha Cristoforetti στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό εργάζεται με εξοπλισμό για τη διερεύνηση παρακολούθησης αεραγωγών. (Φωτογραφία:NASA)

Ωστόσο, όπως κάθε παιδί αυτής της ηλικίας, και πιθανώς μερικοί ενήλικες, η σύλληψη μου για το τι τα έκανε να επιπλέουν βασίστηκε σε μια λανθασμένη υπόθεση ότι η έλξη της βαρύτητας της Γης, σε κάποιο υψόμετρο στο διάστημα, καθίσταται αναποτελεσματική. Έτσι, σε κατάσταση Zero-G, οι αστροναύτες δεν είναι αλυσοδεμένοι από καμία δύναμη και μπορούν να επιπλέουν όπου θέλουν.

Αυτό απέχει πολύ από την αλήθεια. Ο ISS βρίσκεται μόλις 400 km πάνω από την επιφάνεια της Γης, σε σύγκριση με το φεγγάρι, το οποίο βρίσκεται περίπου 4.00.000 km μακριά. Εάν οι αστροναύτες επιπλέουν επειδή είναι ελεύθεροι από το τράβηγμα της Γης, πώς τότε η ίδια έλξη οδηγεί το φεγγάρι να περιστρέφεται γύρω μας;

Η τροχιά

Το πρόβλημα του γιατί το φεγγάρι περιφέρεται γύρω μας βασάνιζε τον Νεύτωνα για χρόνια. Η έρευνά του αποτελούσε δύο ερωτήματα:γιατί το φεγγάρι δεν πέφτει στη Γη και γιατί, εάν ο Γαλιλαίος υπέθεσε ότι τα αντικείμενα ταξιδεύουν προς μια κατεύθυνση ανεμπόδιστα έως ότου ενεργηθούν από μια εξωτερική δύναμη, το φεγγάρι ταξιδεύει σε κύκλο και όχι σε ευθεία γραμμή; Ένα έξυπνο πείραμα σκέψης τον οδήγησε στην απάντησή του.

Ο Νεύτων φαντάστηκε έναν ψηλό πύργο τοποθετημένο στην επιφάνεια της Γης να εκτοξεύει μια οβίδα με διαφορετικές ταχύτητες. Όταν η βολίδα πυροβολείται με πολύ χαμηλή ταχύτητα, ταξιδεύει κατά μήκος της ευθείας επιφάνειας της Γης και πέφτει όχι μακριά από τον πύργο, διαγράφοντας την τροχιά μιας παραβολής. Ωστόσο, όταν η οβίδα εκτοξεύεται με μεγαλύτερη ταχύτητα, ταξιδεύει ευθεία κατά μήκος της οριζόντιας επιφάνειας της Γης, καθώς και ελαφρώς πάνω από την κυρτή επιφάνεια.

Καθώς η ταχύτητα αυξάνεται προοδευτικά, η οβίδα ταξιδεύει πιο οριζόντια και κάθετες αποστάσεις. Ο Νεύτωνας συνειδητοποίησε ότι πρέπει να υπάρχει μια μαγική ταχύτητα με την οποία η οβίδα πέφτει με τον ίδιο ρυθμό με τις καμπύλες της Γης! Η αδράνειά του θα ακύρωνε τέλεια την έλξη της βαρύτητας, έτσι ώστε η προκύπτουσα δύναμη να μετατραπεί σε μια κεντρομόλο δύναμη. Στη συνέχεια, η δύναμη της βαρύτητας μιμείται την τάση σε μια χορδή που συνδέεται με μια πέτρα που αιωρείται σε κύκλους γύρω σας.

Με μια ορισμένη ταχύτητα, το βλήμα πέφτει εντελώς γύρω από τη Γη, που σημαίνει ότι βρίσκεται σε αέναη πτώση. Ομοίως, οι αστροναύτες, ο ISS και το φεγγάρι πέφτουν συνεχώς προς τη Γη. Ωστόσο, ο ISS και οι αστροναύτες πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό, γι' αυτό αισθάνονται αβαρείς, σαν να πέφτουν με ανελκυστήρα μέσα από ένα κτίριο 20 ορόφων ή να επιπλέουν στην κορυφή ενός τρενάκι του λούνα παρκ. Έτσι, ο ISS δεν έχει ξεφύγει καθόλου από την έλξη της Γης. Στην πραγματικότητα, υπόκειται περίπου στο 90% της βαρύτητας στην οποία υπόκεινται στην επιφάνεια.

Άπειρο και πέρα

Ενώ το φεγγάρι χρειάζεται ένα μήνα για να περάσει γύρω μας, ο ISS χρειάζεται μόνο 90 ​​λεπτά. Μεταξύ αυτών των δύο βρίσκονται τροχιές όπου, με μια συγκεκριμένη ταχύτητα, οι δορυφόροι επιτυγχάνουν χρόνο γύρου 24 ωρών, έτσι ώστε να μπορούν να επιτηρούν αφοσιωμένα μια ενιαία περιοχή από κάτω τους. Το θέμα είναι ότι μεταξύ της σελήνης και της Γης, δεν υπάρχει σημείο όπου η βαρύτητα της Γης είναι αναποτελεσματική, αλλά τι γίνεται με οποιοδήποτε σημείο πέρα ​​από τη Σελήνη;

Ο ISS περιφέρεται γύρω από τη Γη με ταχύτητα 27.000 km/h. (Φωτογραφία:Wikimedia Commons)

Λοιπόν, ακόμα όχι. Η βαρύτητα μπορεί να γίνει τραγικά αδύναμη, αλλά όχι πραγματικά αναποτελεσματική. Ακολουθεί έναν νόμο αντίστροφου τετραγώνου, σύμφωνα με τον οποίο η δύναμή του μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης της πηγής. Παρόλο που οι μεγαλύτερες αποστάσεις μπορεί να καταστήσουν τη δύναμη αδύναμη, τα αποτελέσματά της εξακολουθούν να είναι μετρήσιμα. Σκεφτείτε το επίτευγμα του LIGO να καταγράψει τα επακόλουθα μιας καταστροφικής σύγκρουσης μαύρων τρυπών που έστειλε εξαιρετικά μικροσκοπικά βαρυτικά κύματα που φουσκώνουν με την ταχύτητα του φωτός προς το μέρος μας.

Το τράβηγμα έχει αποτέλεσμα ντόμινο. Για παράδειγμα, ας πούμε ότι η έλξη σε ένα αντικείμενο που χαλαρώνει σε κάποιο απομακρυσμένο σημείο στο διάστημα είναι 0,001% αυτού που είναι στην επιφάνεια της Γης. Αυτό το τράβηγμα θα παρασύρει το αντικείμενο, αν και πολύ σταδιακά, προς τη Γη, έτσι ώστε μια ελαφρά επιτάχυνση θα φέρει το αντικείμενο πιο κοντά της. Τώρα που η απόσταση μειώνεται, το τράβηγμα σταδιακά ενισχύεται. Τραβάει το αντικείμενο πιο έντονα έως ότου κατευθυνθεί σταδιακά προς τη Γη και τελικά προσκρούει σε αυτό.

Έτσι, παρόλο που μια μπάλα του τένις εκσφενδονίζεται με ταχύτητα διαφυγής της επιτρέπει να εκτοξεύεται ευθεία προς τα πάνω και να μην επιστρέφει ποτέ, δεν υπάρχει πραγματικό απόδραση από το πεδίο βαρύτητας της Γης. Η πραγματικότητα είναι λίγο πιο περίπλοκη από αυτό, καθώς η εξήγησή μας δεν έλαβε υπόψη τη βαρύτητα που επιβάλλεται από άλλα ουράνια σώματα, κυρίως από τον Ήλιο.

Ο ήλιος. Συντελεστές:Sutichak Yachiangkham/Shutterstock

Τα αντικείμενα που εκτοξεύονται έξω από τη Γη επηρεάζονται εύκολα από τη βαρύτητα του Ήλιου επειδή η μάζα του ανέρχεται στο 99% της μάζας ολόκληρου του Ηλιακού Συστήματος. Αυτό ισχύει για αποστάσεις ακόμη και μικρότερες από 250.000 km, γι' αυτό και το φεγγάρι (4.000.000 km μακριά), μαζί με εμάς, περιστρέφεται γύρω από αυτό.

Ωστόσο, αν υποθέσει κανείς ότι ο Ήλιος και κάθε άλλο ουράνιο σώμα δεν έχουν κανένα λόγο, τότε η εμβέλεια της βαρύτητας της Γης είναι πρακτικά άπειρη, έλκοντας κάθε άτομο που τρέμει ακόμη και στις πιο απομακρυσμένες γωνίες του Σύμπαντος.