Stav beztíže: proč se astronauti na ISS vznášejí?

Stav beztíže na ISS vzniká tím, že astronauti, stanice i volně položené věci společně padají kolem Země. Gravitace tam nezmizela. Podlaha však člověka nemusí podpírat jako doma, a tak se vůči kabině vznáší. Právě rozdíl mezi gravitační přitažlivostí a oporou pod nohama vysvětluje zdánlivý rozpor, který na záběrech z vesmíru vidíme.

Co je stav beztíže a co při něm vlastně necítíme

Když stojíte v kuchyni, Země vás přitahuje dolů a podlaha na chodidla tlačí opačným směrem. Díky této opoře nepadáte dál. Stejně funguje osobní váha: reaguje na sílu, kterou ji zatěžujete, a přepočítá ji na číslo v kilogramech. Pocit tíhy tedy souvisí i s tím, že vám něco brání volně padat.

Představte si nyní ideální uzavřenou kabinu, která začne volně padat, a zanedbejme odpor vzduchu. Kabina, člověk i míček se rozbíhají dolů společně. Míček proto vůči člověku nepadá k podlaze jako v kuchyni. Podlaha přestává tělo podpírat a uvnitř nastane beztížný stav. Jde o myšlenkový model, na kterém lze princip pochopit bez rakety a bez složitých rovnic.

Důležité je, odkud se na situaci díváme. Pozorovatel venku vidí padající kabinu. Cestující uvnitř vidí míček zdánlivě viset před sebou. Oba popisují stejnou událost, pouze ji vztahují k jinému okolí. Vznášení na videu tak samo o sobě neříká, zda na předmět působí gravitace.

Jak silná je gravitace na ISS? Překvapivě blízká té pozemské

Mezinárodní vesmírná stanice obíhá ve výšce přibližně 400 kilometrů. To je daleko nad mraky, ale z hlediska velikosti Země stále poměrně blízko povrchu. NASA uvádí, že gravitační přitažlivost v oblasti dráhy ISS dosahuje přibližně 90 procent hodnoty na zemi. Pokles je tedy řádově o desetinu, rozhodně ne na nulu.

Kdyby existovala nesmírně vysoká pevná plošina ve stejné výšce, na které byste mohli stát, pořád by vás musela podpírat. Necítili byste beztíži jen proto, že jste vystoupali nad atmosféru. Na ISS je odlišný především způsob pohybu. Stanice není zavěšená nad jedním bodem zemského povrchu, ale letí po oběžné dráze.

Proč ISS nespadne na Zem, když je ve volném pádu

Pusťte v představě míček z ruky. Spadne téměř pod ni. Hoďte ho vodorovně a dopadne dál, protože se současně pohybuje do strany i dolů. Oběžnou dráhu si můžeme představit jako pokračování této myšlenky. Při dostatečné rychlosti a bez významného odporu vzduchu se padající těleso stále pohybuje kolem zakřivené Země.

ISS letí přibližně 28 000 kilometrů za hodinu a jeden oběh jí trvá zhruba 90 minut. Gravitace průběžně mění směr jejího pohybu. Stanice tak neletí rovně pryč do vesmíru, ale její dráha se stáčí kolem planety. Stejnou oběžnou rychlost už při příletu získali astronauti i vybavení na palubě.

Proto po puštění tužky z ruky nezačne stanice tužce okamžitě ujíždět rychlostí tisíců kilometrů za hodinu. Tužka se už před puštěním pohybovala spolu s ní. Malý pohyb vůči kabině a obrovská rychlost vůči Zemi se nijak nevylučují. Ve videu sledujeme hlavně první z těchto dvou pohybů.

A kdyby gravitace náhle přestala působit? V jednoduchém modelu by stanice pokračovala po tečně, tedy ve směru, kterým se právě pohybovala. Přestala by obíhat Zemi. Gravitace je pro oběžnou dráhu nezbytná, přestože se posádka uvnitř cítí beztížná.

U kruhové dráhy proto může být velikost rychlosti přibližně stálá, a přesto se pohyb neustále mění. Mění se jeho směr. Právě to znamená zrychlení v tomto případě. Vysoká rychlost není síla, která by gravitaci vypnula, ale součást podmínek, za nichž těleso obíhá.

Stav beztíže, mikrogravitace a nulová gravitace: jaký je rozdíl

Výraz mikrogravitace se v kosmonautice používá pro prostředí blízké ideální beztíži. Neznamená, že se gravitační přitažlivost Země u stanice zmenšila na miliontinu. Popisuje hlavně velmi malá zbytková zrychlení vůči volně padajícímu okolí. Dokonale klidnou laboratoř totiž skutečná stanice nepředstavuje.

Do experimentů se mohou promítnout vibrace zařízení, pohyby posádky i nepatrný odpor řídké atmosféry. Pro člověka, který se lehce odráží od madla, mohou být tyto vlivy téměř nepostřehnutelné. Citlivý experiment je ale zaznamená. Proto vědci rozlišují praktickou mikrogravitaci a idealizovaný stav bez těchto rušení.

Hmotnost v beztíži nezmizí. A co by ukázala váha na Měsíci?

Člověk s hmotností 60 kilogramů se přechodem do beztíže nezmění v těleso s nulovou hmotností. Zůstává stejným množstvím hmoty. Změní se podmínky, za kterých se opírá o podlahu nebo zatěžuje váhu. Obyčejná osobní váha proto v beztíži není vhodný nástroj k určení jeho hmotnosti.

Na Měsíci by situace byla jiná. Při stání na povrchu vás zemina podpírá a působí na vás přibližně šestinová gravitace oproti Zemi. Běžná pozemsky kalibrovaná váha by tak u člověka s hmotností 60 kilogramů odpovídala přibližně údaji 10 kilogramů. Jeho skutečná hmotnost by zůstala 60 kilogramů.

Právě tento rozdíl pomáhá ukázat gravitační kalkulačka Exotech. Porovnání údaje na váze na různých světech patří k situaci, kdy stojíte na povrchu. Na oběžné dráze je navíc rozhodující společný volný pád. Slabší gravitace na Měsíci a beztíže na ISS tedy nejsou dvě označení téže věci.

Jak se v beztíži pohybuje, spí a pije

Stačí malý odraz a astronaut se přesune k dalšímu pracovnímu místu. Evropský astronaut Tim Peake popsal, že se člověk musí nejprve naučit pohybovat úsporně. Madla pomáhají i s udržením polohy při práci, například když je potřeba něco uchopit oběma rukama. Posádka se nemusí držet jediné společné představy o tom, kde je podlaha.

Podobně vypadá spaní. Peake popsal spacák připevněný ke stěně své malé kajuty, ve kterém mohl volně spočívat. Připevnění brání nežádoucímu pohybu po kabině. Fotografie lidí natočených různými směry proto neznamenají nepořádek v orientaci stanice, jen jinou každodenní zkušenost než stání na pevné zemi.

Velmi názorným příkladem je voda. Volná kapka se v mikrogravitaci může působením povrchového napětí stáhnout do přibližně kulového tvaru. Na fotografii z února 2020 sleduje Jessica Meir takovou kapku v japonském modulu Kibó. Tvar kapky a její vznášení však mají odlišné vysvětlení: tvar ovlivňuje povrchové napětí, vznášení souvisí se společným pádem.

Povrchové napětí známe i ze Země, třeba z drobných kapek. Na stanici je jeho vliv dobře vidět i u většího množství volné kapaliny, které by se na stole rozlilo. Pro konstruktéry je proto chování tekutin v tomto prostředí důležité. Nestačí automaticky očekávat, že se voda v nádobě usadí u stejné stěny jako doma.

Lze zažít stav beztíže na Zemi? Ano, při parabolickém letu

Speciálně upravené letadlo může letět po oblouku, při němž se kabina i lidé uvnitř na krátkou dobu pohybují téměř jako volně vržené těleso. ESA u takových parabolických letů uvádí přibližně 22 sekund beztíže v jednom úseku. Před ním a po něm naopak přichází fáze zvýšeného zatížení.

Beztíže přitom nenastává jen v jediném bodě na vrcholu oblouku. Zahrnuje část pohybu vzhůru i dolů. Ve fyzice totiž volný pád neznamená nutně klesání. I těleso letící po vypnutí pohonu ještě vzhůru může být ve volném pádu, pokud jeho další pohyb určuje gravitace a ostatní síly zanedbáme.

Rozdíl oproti ISS je hlavně v délce dostupného času. Letadlo nabízí krátká opakovaná okna pro pokusy a výcvik. Stanice umožňuje pozorovat procesy po měsíce a roky, obsluhovat zařízení a navazovat dalším měřením. Jeden působivý záběr vznášejícího se člověka proto ještě nerozliší krátký parabolický let od dlouhého pobytu na oběžné dráze.

Co dlouhodobá beztíže dělá s tělem a proč se zkoumá

Každodenní lehkost má i nevýhodu. Svaly a kosti nedostávají stejné zatížení jako při chůzi a stání na Zemi. Bez protiopatření mohou postupně slábnout. Astronauti proto věnují cvičení přibližně dvě hodiny denně. Odporový přístroj ARED například umožňuje napodobit posilování i bez klasického zvedání závaží proti pozemské tíži.

To je důležité také pro budoucí výpravy. Jak ukazuje délka letu na Mars, meziplanetární přelet může zabrat mnoho měsíců. Posádka potom potřebuje po příletu znovu pracovat v prostředí s oporou a povrchovou gravitací. Udržet kondici během cesty je proto součástí přípravy na pobyt u cíle.

ISS současně nabízí možnost zjistit, jak se bez běžného zatížení mění biologické i fyzikální procesy. Posádka může vyměňovat vzorky, kontrolovat zařízení a připravovat materiál k návratu na Zemi. Smyslem není jen ukázat, že něco plave vzduchem. Je to způsob, jak oddělit vlivy, které se v pozemské laboratoři překrývají.

Časté otázky o stavu beztíže