ΔΙΑΣΤΗΜΑ · 12 ΛΕΠΤΑ
Αν πέφτει η Σελήνη,
γιατί δεν συγκρούεται με τη Γη;
Η τροχιά ως μια διαρκής πτώση και η ιδέα που ενώνει ένα μήλο με τους πλανήτες.
Κοίταξε τη Σελήνη ένα καθαρό βράδυ. Φαίνεται ήρεμη, σχεδόν ακίνητη. Μόνο που η πραγματικότητα είναι λίγο διαφορετική: η Σελήνη πέφτει συνεχώς προς τη Γη.
Ναι, σωστά διάβασες. Πέφτει.
Και κάπου εδώ εμφανίζεται η απολύτως λογική ερώτηση: αφού πέφτει, γιατί δεν συγκρούεται μαζί μας;
Η σύντομη απάντηση είναι ότι πέφτει προς τη Γη, αλλά ταυτόχρονα κινείται τόσο γρήγορα προς τα εμπρός, ώστε συνεχώς την αστοχεί. Η κανονική απάντηση, όμως, είναι πολύ πιο ενδιαφέρουσα.
01 · Η ΔΥΝΑΜΗ ΠΟΥ ΔΕΝ ΣΤΑΜΑΤΑ ΣΤΟΝ ΟΥΡΑΝΟ
Πρώτα πρέπει να μιλήσουμε για τη βαρύτητα
Κάθε σώμα που έχει μάζα έλκει τα άλλα σώματα. Με τη λέξη μάζα εννοούμε την ποσότητα της ύλης που περιέχει ένα σώμα και, ταυτόχρονα, το πόσο δύσκολα αλλάζει η κίνησή του. Η μάζα μετριέται σε χιλιόγραμμα και δεν είναι το ίδιο πράγμα με το βάρος.
Τι είναι η βαρύτητα;
Η έλξη ανάμεσα σε δύο σώματα που έχουν μάζα ονομάζεται βαρυτική δύναμη ή, πιο απλά, βαρύτητα. Η Γη, επειδή έχει τεράστια μάζα, έλκει εμάς, τα αντικείμενα, την ατμόσφαιρα, τους τεχνητούς δορυφόρους και φυσικά τη Σελήνη.
Η βαρύτητα δεν σταματά μόλις βγούμε από την ατμόσφαιρα. Δεν υπάρχει κάποιο αόρατο σύνορο στο οποίο η Γη λέει «μέχρι εδώ μπορούσα, από εδώ και πέρα μόνος σου». Η έλξη εξασθενεί όσο μεγαλώνει η απόσταση, αλλά δεν εξαφανίζεται.
Δύναμη σημαίνει αλλαγή στην κίνηση
Όταν σε ένα σώμα ασκείται δύναμη, μπορεί να αλλάξει η κίνησή του. Η αλλαγή αυτή ονομάζεται επιτάχυνση. Στη Φυσική ένα σώμα επιταχύνεται όχι μόνο όταν κινείται όλο και γρηγορότερα, αλλά και όταν αλλάζει κατεύθυνση.
Η βαρύτητα της Γης τραβά συνεχώς τη Σελήνη προς το κέντρο της Γης και αλλάζει την κατεύθυνση της κίνησής της. Χωρίς αυτή τη δύναμη, η Σελήνη δεν θα συνέχιζε να κινείται γύρω μας. Θα έφευγε σε ευθεία γραμμή.
02 · ΤΟ ΣΩΜΑ ΘΕΛΕΙ ΝΑ ΣΥΝΕΧΙΣΕΙ
Γιατί θα κινούνταν σε ευθεία γραμμή;
Τι είναι η αδράνεια;
Αδράνεια ονομάζουμε την τάση ενός σώματος να διατηρεί την κινητική του κατάσταση. Αν είναι ακίνητο, τείνει να παραμένει ακίνητο. Αν κινείται ευθύγραμμα με σταθερή ταχύτητα, τείνει να συνεχίσει με τον ίδιο τρόπο. Για να αλλάξει το πόσο γρήγορα κινείται ή προς τα πού κινείται, πρέπει να ασκηθεί πάνω του κάποια δύναμη.
Στη Γη μπορεί να μη μας φαίνεται πάντα αυτονόητο, επειδή υπάρχει η τριβή. Αν σπρώξεις μια μπάλα, κάποια στιγμή θα σταματήσει. Όχι επειδή κουράστηκε και αποφάσισε να ξεκουραστεί, αλλά επειδή πάνω της ασκούνται η τριβή με το έδαφος και η αντίσταση του αέρα.
Στο διάστημα αυτές οι αντιστάσεις είναι εξαιρετικά μικρές. Ένα σώμα μπορεί να συνεχίσει να κινείται χωρίς να χρειάζεται κάποια μηχανή να το σπρώχνει διαρκώς.
Αν εξαφανιζόταν ξαφνικά η βαρύτητα;
Ας κάνουμε ένα νοητικό πείραμα: ένα πείραμα που πραγματοποιούμε με τη σκέψη, χρησιμοποιώντας τους νόμους της Φυσικής για να προβλέψουμε τι θα συνέβαινε. Αν εξαφανιζόταν η έλξη της Γης, η Σελήνη δεν θα σταματούσε. Λόγω της αδράνειας θα συνέχιζε σε ευθεία γραμμή προς την κατεύθυνση που είχε εκείνη τη στιγμή.
Η ευθεία αυτή λέγεται εφαπτομένη: ακουμπά την κυκλική τροχιά σε ένα σημείο. Η Σελήνη έχει συνεχώς την τάση να φύγει προς τα εμπρός πάνω σε αυτή την ευθεία, ενώ η βαρύτητα την τραβά προς το κέντρο της Γης.
03 · ΔΥΟ ΚΙΝΗΣΕΙΣ, ΕΝΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ
Τι ακριβώς είναι η τροχιά;
Τροχιά ονομάζουμε τη διαδρομή που ακολουθεί ένα σώμα γύρω από ένα άλλο εξαιτίας της βαρυτικής έλξης. Η Σελήνη κινείται προς τα εμπρός λόγω της ταχύτητας που ήδη έχει και συγχρόνως πέφτει προς τη Γη εξαιτίας της βαρύτητας.
Αν δεν είχε καθόλου ταχύτητα προς τα εμπρός, θα έπεφτε σχεδόν κατευθείαν πάνω στη Γη. Αν κινούνταν πολύ πιο γρήγορα, θα μπορούσε να απομακρυνθεί και να μη μείνει σε τροχιά γύρω μας.
Η Σελήνη πέφτει προς τη Γη, αλλά η καμπύλη επιφάνεια της Γης απομακρύνεται συνεχώς από κάτω της. Γι’ αυτό δεν συγκρούονται.
Με λίγα λόγια, η Σελήνη δεν αποφεύγει την πτώση. Η τροχιά της είναι η πτώση.
04 · ΤΟ ΝΟΗΤΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ ΝΕΥΤΩΝΑ
Ένα κανόνι σε ένα απίστευτα ψηλό βουνό
Ο Ισαάκ Νεύτων φαντάστηκε ένα βουνό τόσο ψηλό ώστε η κορυφή του να βρίσκεται έξω από την ατμόσφαιρα. Εκεί τοποθέτησε, στη σκέψη του, ένα κανόνι που εκτοξεύει μια οβίδα οριζόντια.
Με μικρή ταχύτητα η οβίδα πέφτει κοντά στο βουνό. Με μεγαλύτερη ταχύτητα φτάνει πιο μακριά. Αν αποκτήσει αρκετά μεγάλη ταχύτητα, καθώς πέφτει η επιφάνεια της Γης καμπυλώνει μακριά της. Η οβίδα συνεχίζει να πέφτει, αλλά δεν φτάνει ποτέ στο έδαφος: έχει μπει σε τροχιά.
Φυσικά, μην προσπαθήσεις να το επαναλάβεις από την ταράτσα με μια μπάλα. Δεν διαθέτεις την απαραίτητη ταχύτητα, υπάρχει η ενοχλητική λεπτομέρεια της ατμόσφαιρας και πιθανότατα κάποιος γείτονας που δεν συμμερίζεται τον ενθουσιασμό σου για την ουράνια μηχανική.
05 · ΜΙΚΡΕΣ ΑΛΛΑΓΕΣ, ΤΕΡΑΣΤΙΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ
Πόσο γρήγορα κινείται η Σελήνη;
Η Σελήνη κινείται γύρω από τη Γη με ταχύτητα περίπου ενός χιλιομέτρου το δευτερόλεπτο — περίπου 1.000 μέτρα σε κάθε δευτερόλεπτο.
Στην απόστασή της, η βαρύτητα κάνει τη Σελήνη να αποκλίνει περίπου 1,4 χιλιοστά μέσα σε ένα δευτερόλεπτο από την ευθεία διαδρομή που θα ακολουθούσε χωρίς τη Γη. Το 1,4 χιλιοστό φαίνεται ελάχιστο. Και είναι. Αλλά η αλλαγή συμβαίνει συνεχώς, αλλάζοντας λίγο λίγο την κατεύθυνση της κίνησης.
Η Φυσική έχει αυτή την ωραία συνήθεια: παίρνει μια πολύ μικρή αλλαγή, την αφήνει να επαναλαμβάνεται ασταμάτητα και τελικά δημιουργεί κάτι τεράστιο.
Είναι η τροχιά τέλειος κύκλος;
Όχι. Είναι ελαφρώς ελλειπτική. Η έλλειψη είναι μια κλειστή καμπύλη που μοιάζει με λίγο «πατημένο» κύκλο. Γι’ αυτό η απόσταση της Σελήνης από τη Γη δεν παραμένει ακριβώς ίδια. Πιο κοντά κινείται λίγο γρηγορότερα και πιο μακριά λίγο πιο αργά.
06 · ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ Η ΒΑΡΥΤΗΤΑ ΔΕΝ ΕΧΕΙ ΕΞΑΦΑΝΙΣΤΕΙ
Γιατί αιωρούνται οι αστροναύτες;
Οι αστροναύτες σε έναν διαστημικό σταθμό δεν αιωρούνται επειδή εκεί δεν υπάρχει βαρύτητα. Ο σταθμός, οι αστροναύτες και όλα τα αντικείμενα στο εσωτερικό του πέφτουν μαζί προς τη Γη, ενώ κινούνται με τόσο μεγάλη οριζόντια ταχύτητα ώστε την αστοχούν συνεχώς.
Τι είναι η ελεύθερη πτώση;
Ελεύθερη πτώση ονομάζουμε την κίνηση ενός σώματος όταν η μόνη σημαντική δύναμη που ασκείται πάνω του είναι η βαρύτητα. Αφού σταθμός, άνθρωποι και αντικείμενα πέφτουν μαζί, τίποτε δεν πιέζει τους αστροναύτες πάνω στο δάπεδο. Έτσι νιώθουν φαινομενική έλλειψη βάρους.
07 · ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΠΛΗΣΙΑΖΕΙ ΛΙΓΟ ΛΙΓΟ;
Στο διάστημα σχεδόν τίποτε δεν τη φρενάρει
Η αντίσταση είναι μια δύναμη που δυσκολεύει την κίνηση ενός σώματος μέσα σε ένα υλικό, όπως ο αέρας ή το νερό. Στην απόσταση της Σελήνης δεν υπάρχει ατμόσφαιρα ικανή να προκαλέσει σημαντική αντίσταση. Έτσι η Σελήνη δεν χάνει συνεχώς την κινητική της ενέργεια όπως ένα αντικείμενο που κινείται μέσα στον αέρα.
Στην πραγματικότητα, εξαιτίας της αλληλεπίδρασής της με τους ωκεανούς και τις παλίρροιες, απομακρύνεται από τη Γη κατά λίγα εκατοστά κάθε χρόνο. Αλλά αυτό είναι μια άλλη πολύ ωραία ιστορία Φυσικής. Καλό είναι να αφήνουμε μερικά «γιατί;» και για το επόμενο άρθρο.
08 · ΑΠΟ ΤΟ ΧΩΜΑ ΩΣ ΤΟΝ ΟΥΡΑΝΟ
Τι σχέση έχει ένα μήλο με τη Σελήνη;
Σύμφωνα με τη γνωστή ιστορία, η πτώση ενός μήλου έκανε τον Νεύτωνα να αναρωτηθεί αν η δύναμη που το τραβά προς το έδαφος φτάνει μέχρι τη Σελήνη.
Η απάντησή του ήταν επαναστατική: η ίδια δύναμη που κάνει το μήλο να πέφτει συγκρατεί και τη Σελήνη στην τροχιά της.
Το μήλο φτάνει στο έδαφος επειδή δεν έχει αρκετή οριζόντια ταχύτητα για να αστοχεί συνεχώς τη Γη. Η Σελήνη πέφτει, αλλά κινείται τόσο γρήγορα προς τα εμπρός ώστε δεν φτάνει ποτέ στην επιφάνειά της.
Δεν υπάρχουν διαφορετικοί νόμοι για τη Γη και διαφορετικοί για τον ουρανό. Η ίδια Φυσική λειτουργεί παντού.
ΤΕΛΙΚΑ, ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΣΥΓΚΡΟΥΟΝΤΑΙ;
Μια πτώση που δεν τελειώνει ποτέ
Η Σελήνη κινείται με μεγάλη ταχύτητα προς τα εμπρός. Ταυτόχρονα, η βαρύτητα την τραβά συνεχώς προς τη Γη και αλλάζει την κατεύθυνσή της.
Αν υπήρχε μόνο η πρώτη κίνηση, θα απομακρυνόταν σε ευθεία γραμμή. Αν υπήρχε μόνο η βαρυτική έλξη και καθόλου οριζόντια ταχύτητα, θα έπεφτε πάνω στη Γη. Ο συνδυασμός τους δημιουργεί την τροχιά.
Η Σελήνη δεν είναι «κρεμασμένη» στον ουρανό και δεν έχει ξεφύγει από τη βαρύτητα. Πέφτει συνεχώς — απλώς πέφτει με τέτοιον τρόπο ώστε αστοχεί συνεχώς τη Γη.
Μια τροχιά δεν είναι η απουσία της πτώσης. Είναι μια πτώση που δεν τελειώνει ποτέ.