ميکروگرانش

بي وزني يعني چه؟

همه‌ي ما، تصاويري از بي‌وزني در فضا ديده‌ايم. فضانورداني که معلق هستند. ظروف يا قطرات يا خوراکي‌هايي که معلق مي‌مانند. اگر فضانوردان از يک ترازوي مثقالي هم براي وزن کردن خودشان هم استفاده کنند، اصلاً وزني را اندازه نمي‌گيرند. ولي وزن نداشتن به معناي نبود گرانش است؟

اين شکل نشان مي‌دهد که اگر در فيزيک نيوتني توپخانه‌اي را در نظر بگيريم ،در اندازه‌اي بزرگ مسير توپ بنابه نيروي اوليه‌اي که به توپ وارد شده و انرژي که کسب مي‌کند، به‌صورت بالا خواهد بود.

 

 مسلماً اطراف زمين در فضا، گرانش حضور دارد و ماهواره‌ها در مدار همين گرانش نگه مي‌دارد. فضاپيما همراه با فضانوردان، در ارتفاعي حدود ۴۰۰ کيلومتري زمين، با شتاب گرانش در اين فاصله حدود ۹۰ درصد مقدارش را در سطح زمين دارد. آيا با اين ميزان گرانش سطحي، فضانوردان بدون وزن خواهند بود؟

 

تصويري از مدارگرد و آزمايشگاه SkyLab

 

پاسخ اين است که گرانش هر دو جسم ار همزمان و يکسان شتاب مي‌دهد. شبيه يک آسانسور که کابل آن قطع شده باشد. وقتي در آسانسور شتابدار هستيد، شتاب آن با شتاب شما در راستاي مرکز زمين برابر است و شما فشاري از سمت سطح آسانسور حس نمي‌کنيد. اگر روي ترازو بايستيد، آن را صفر مي‌خوانيد. يعني سقوط آزاد!

گرانش محيط داخل ايستگاه مداري را ميکروگرانش مي‌ناميم، که علت آن شتاب‌هاي جزيي و فرعي فضاپيما در اثر حرکت‌هاي آيروديناميکي و چرخش مدارگرد هستند.

 

 جت‌هايي چون Vomit Craft که در تصوير مي‌بينيد، آزمايشگاه‌هاي موقتي گرانش هم هستند. قوسي که در نمودار مي‌بينيد و نشان از حرکت واقعي آن دارد پنهايي معادل زماني ۲۵ ثانيه دارد. يعني از شروع به اوج تا اوج و رسيدن به نقطه اي مشابه که در نمودار ميبينيد، ۲۵ ثانيه طول مي‌کشد.

 

 

پژوهش‌‌ها

چرا سيالات در فضا حرکت مي‌کنند؟ براي کساني که اولين باز با اين موضوع آشنا مي‌شوند، درک رفتارهاي مختلف سيالات بدون گرانش ممکن است به دانشمندان و مهندسين کمک کند تا از پديده‌ي سيالات بر روي زمين براي نيروگاه‌ها، و سيستم‌هاي گرمايش و سرمايش استفاده کرد. پشتيباني حياتي در فضاپيماها، درک بهتر پديده‌هايي که از آن‌ها منجر مي‌شوند، به سفرهاي انسان به فضا در آينده کمک خواهد کرد. به عنوان مثال، آب در حال جوشيدن را در نظر مي‌گيريم.

يک پارچ آب در حال جوش چيزي است که براحتي در ذهنمان مي‌توانيم تصور کنيم چون هر روز براي مصارف مختلفي چون چاي و غذا به آن نياز داريم. حالا به نقش گرانش در اين آب جوش فکر کنيد. درحالي که آب گرم مي‌شود، گرانش باعث مي‌شود مناطق گرم‌تر بالاتر از سردتر باشند، به اين اثر، همرفت مي‌گوييم که با آن از علوم دوره راهنمايي آشنا هستيد. گرما به اين ترتيب به تمام نقاط آب منتقل مي‌شود و دماي آب تقريباً در همه جاي ظرف يکسان خواهد بود. درحالي آب کم کم به دماي حوش مي‌رسد، گرانش در تقابل با نيروي شناوري حباب‌ها و بالا رفتن آن‌ها خواهد بود. ولي اين تصوير با ميکروگرانش تغيير مي‌کند. وقتي گرانش اثر همرفت را سبب مي‌شود، شناوري وجود ندارد، پس به هدف يعني درک ميکروگرانش نزديک شديم.

 

جوش در ميکروگرانش 

 

جوش بر روي زمين 

 

 وابستگي ما به آب جوش براي غذا و نوشيدن آنقدر هست که تصور جذابيت آن براي دانشمندان اصلآً دشوار نيست. ولي فراتر از آشپزخانه جوشيدن مايع در دستگاه‌هاي مختلف مهندسي مورد استفاده قرار مي‌گيرد، و نوع استفاده‌ي بيشتر در آن انتقال گرماست. گرماي اضافي مي‌تواند از طريق حباب‌هاي بخار درون مايع در حال جوش به محيط بيرون برسد. اگرچه مکانيک سرد و گرم‌سازي، نيروگاه‌هاي برق و قدرت، موتورها لازم است، ولي درک بهتر اين پديده مي‌تواند منجر به مؤثرتر شدن کاربردهاي آن که چند نمونه را برشمرديم، شود.

مخزن‌هاي آزمايشگاهي جوش، در فضا هم امکان آزمايش روي مايع در حال جوش و تشکيل حباب‌ها و ديدن اثر ميکروگرانش، يعني بالا رفتن آب در مايع در راستاي عمود يا همان سطح مايع را فراهم آورده است. در گرانش، حباب‌هاي بخار سطح گرمايي روي سطح مايع درست مي‌کنند که شناوري و بالا آمدن حباب‌ها نتيجه آن بوده است. در ميگروگرانش، بدون شناوري، حباب‌ها روي سطح باقي مي‌مانند و همچنان به رشد اندازه شان، ادامه مي‌دهند.

درحالي که حباب‌ها رشد مي‌کنند، مايع ديگر با سطح گرمايي در تماس نيست و سرد مي‌شود، و در نتيجه مايع به عنوان ابزار گرمايي ديگر قابل استفاده نيست. اين حالت منجر به خشک شدني مي‌شود که در فاجعه‌ي چرنوبيل (نيروگاه هسته‌اي) اتفاق افتاد. آزمايش‌هايي که در شاتل‌ها و ايستگاه‌هاي فضايي انجام شده و مي‌شود، دانش ما را در اين مورد افزايش مي‌دهد. اين نتايج ما را در سفرهاي فضايي هم ياري خواهند کرد.

 

  در تصوير بالا سوختن شمع را بر روي زمين و در فضا مي‌بينيد. تفاوت آنها به وضوح ديده مي‌شود. تفارن کروي شعله در فضا نشان از نبود گرانش در جهت مشخصي است.

 

ميکروگرانش

بي وزني يعني چه؟

همه‌ي ما، تصاويري از بي‌وزني در فضا ديده‌ايم. فضانورداني که معلق هستند. ظروف يا قطرات يا خوراکي‌هايي که معلق مي‌مانند. اگر فضانوردان از يک ترازوي مثقالي هم براي وزن کردن خودشان هم استفاده کنند، اصلاً وزني را اندازه نمي‌گيرند. ولي وزن نداشتن به معناي نبود گرانش است؟

اين شکل نشان مي‌دهد که اگر در فيزيک نيوتني توپخانه‌اي را در نظر بگيريم ،در اندازه‌اي بزرگ مسير توپ بنابه نيروي اوليه‌اي که به توپ وارد شده و انرژي که کسب مي‌کند، به‌صورت بالا خواهد بود.

 

 مسلماً اطراف زمين در فضا، گرانش حضور دارد و ماهواره‌ها در مدار همين گرانش نگه مي‌دارد. فضاپيما همراه با فضانوردان، در ارتفاعي حدود ۴۰۰ کيلومتري زمين، با شتاب گرانش در اين فاصله حدود ۹۰ درصد مقدارش را در سطح زمين دارد. آيا با اين ميزان گرانش سطحي، فضانوردان بدون وزن خواهند بود؟

 

تصويري از مدارگرد و آزمايشگاه SkyLab

 

پاسخ اين است که گرانش هر دو جسم ار همزمان و يکسان شتاب مي‌دهد. شبيه يک آسانسور که کابل آن قطع شده باشد. وقتي در آسانسور شتابدار هستيد، شتاب آن با شتاب شما در راستاي مرکز زمين برابر است و شما فشاري از سمت سطح آسانسور حس نمي‌کنيد. اگر روي ترازو بايستيد، آن را صفر مي‌خوانيد. يعني سقوط آزاد!

گرانش محيط داخل ايستگاه مداري را ميکروگرانش مي‌ناميم، که علت آن شتاب‌هاي جزيي و فرعي فضاپيما در اثر حرکت‌هاي آيروديناميکي و چرخش مدارگرد هستند.

 

 جت‌هايي چون Vomit Craft که در تصوير مي‌بينيد، آزمايشگاه‌هاي موقتي گرانش هم هستند. قوسي که در نمودار مي‌بينيد و نشان از حرکت واقعي آن دارد پنهايي معادل زماني ۲۵ ثانيه دارد. يعني از شروع به اوج تا اوج و رسيدن به نقطه اي مشابه که در نمودار ميبينيد، ۲۵ ثانيه طول مي‌کشد.

 

 

پژوهش‌‌ها

چرا سيالات در فضا حرکت مي‌کنند؟ براي کساني که اولين باز با اين موضوع آشنا مي‌شوند، درک رفتارهاي مختلف سيالات بدون گرانش ممکن است به دانشمندان و مهندسين کمک کند تا از پديده‌ي سيالات بر روي زمين براي نيروگاه‌ها، و سيستم‌هاي گرمايش و سرمايش استفاده کرد. پشتيباني حياتي در فضاپيماها، درک بهتر پديده‌هايي که از آن‌ها منجر مي‌شوند، به سفرهاي انسان به فضا در آينده کمک خواهد کرد. به عنوان مثال، آب در حال جوشيدن را در نظر مي‌گيريم.

يک پارچ آب در حال جوش چيزي است که براحتي در ذهنمان مي‌توانيم تصور کنيم چون هر روز براي مصارف مختلفي چون چاي و غذا به آن نياز داريم. حالا به نقش گرانش در اين آب جوش فکر کنيد. درحالي که آب گرم مي‌شود، گرانش باعث مي‌شود مناطق گرم‌تر بالاتر از سردتر باشند، به اين اثر، همرفت مي‌گوييم که با آن از علوم دوره راهنمايي آشنا هستيد. گرما به اين ترتيب به تمام نقاط آب منتقل مي‌شود و دماي آب تقريباً در همه جاي ظرف يکسان خواهد بود. درحالي آب کم کم به دماي حوش مي‌رسد، گرانش در تقابل با نيروي شناوري حباب‌ها و بالا رفتن آن‌ها خواهد بود. ولي اين تصوير با ميکروگرانش تغيير مي‌کند. وقتي گرانش اثر همرفت را سبب مي‌شود، شناوري وجود ندارد، پس به هدف يعني درک ميکروگرانش نزديک شديم.

 

جوش در ميکروگرانش 

 

جوش بر روي زمين 

 

 وابستگي ما به آب جوش براي غذا و نوشيدن آنقدر هست که تصور جذابيت آن براي دانشمندان اصلآً دشوار نيست. ولي فراتر از آشپزخانه جوشيدن مايع در دستگاه‌هاي مختلف مهندسي مورد استفاده قرار مي‌گيرد، و نوع استفاده‌ي بيشتر در آن انتقال گرماست. گرماي اضافي مي‌تواند از طريق حباب‌هاي بخار درون مايع در حال جوش به محيط بيرون برسد. اگرچه مکانيک سرد و گرم‌سازي، نيروگاه‌هاي برق و قدرت، موتورها لازم است، ولي درک بهتر اين پديده مي‌تواند منجر به مؤثرتر شدن کاربردهاي آن که چند نمونه را برشمرديم، شود.

مخزن‌هاي آزمايشگاهي جوش، در فضا هم امکان آزمايش روي مايع در حال جوش و تشکيل حباب‌ها و ديدن اثر ميکروگرانش، يعني بالا رفتن آب در مايع در راستاي عمود يا همان سطح مايع را فراهم آورده است. در گرانش، حباب‌هاي بخار سطح گرمايي روي سطح مايع درست مي‌کنند که شناوري و بالا آمدن حباب‌ها نتيجه آن بوده است. در ميگروگرانش، بدون شناوري، حباب‌ها روي سطح باقي مي‌مانند و همچنان به رشد اندازه شان، ادامه مي‌دهند.

درحالي که حباب‌ها رشد مي‌کنند، مايع ديگر با سطح گرمايي در تماس نيست و سرد مي‌شود، و در نتيجه مايع به عنوان ابزار گرمايي ديگر قابل استفاده نيست. اين حالت منجر به خشک شدني مي‌شود که در فاجعه‌ي چرنوبيل (نيروگاه هسته‌اي) اتفاق افتاد. آزمايش‌هايي که در شاتل‌ها و ايستگاه‌هاي فضايي انجام شده و مي‌شود، دانش ما را در اين مورد افزايش مي‌دهد. اين نتايج ما را در سفرهاي فضايي هم ياري خواهند کرد.

 

  در تصوير بالا سوختن شمع را بر روي زمين و در فضا مي‌بينيد. تفاوت آنها به وضوح ديده مي‌شود. تفارن کروي شعله در فضا نشان از نبود گرانش در جهت مشخصي است.