Phi hành gia lơ lửng không phải vì ở trên đó không có trọng lực. Ở độ cao của trạm vũ trụ quốc tế, khoảng bốn trăm cây số, lực hút của Trái Đất vẫn còn khoảng chín phần mười so với dưới mặt đất. Họ lơ lửng vì cả họ lẫn con tàu đang cùng rơi tự do, rơi liên tục về phía Trái Đất, nhưng đồng thời bay ngang nhanh tới mức mặt đất cong đi kịp trước khi họ chạm vào.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Những đoạn phim phi hành gia thả giọt nước lơ lửng thành quả cầu là một trong những hình ảnh đẹp nhất của thời đại vũ trụ. Tập này mình gỡ một hiểu lầm mà sách báo vẫn hay mắc, và bạn sẽ thấy cảm giác của phi hành gia thật ra bạn đã nếm qua trên chiếc đệm nhún.
Trọng lực vẫn còn đó, rất mạnh
Lực hấp dẫn giữa hai vật giảm dần khi chúng ra xa nhau, nhưng giảm theo khoảng cách tới tâm Trái Đất, chứ không phải tới mặt đất. Tâm Trái Đất cách mặt đất khoảng sáu nghìn bốn trăm cây số. Lên cao thêm bốn trăm cây số chỉ là tăng khoảng cách thêm một chút.
Vì thế ở độ cao của trạm vũ trụ, trọng lực chỉ yếu hơn dưới mặt đất khoảng một phần mười. Nếu bạn dựng được một cái tháp cao bốn trăm cây số và đứng trên đỉnh, bạn vẫn đứng vững, vẫn thấy mình nặng gần như bình thường.
Chính lực hút ấy giữ trạm vũ trụ, Mặt Trăng và mọi vệ tinh đi vòng quanh Trái Đất. Không có trọng lực, chúng sẽ bay thẳng ra xa theo quán tính, như mình đã nói ở tập về lực hướng tâm.
Vậy nên câu nói môi trường không trọng lực mà báo chí hay dùng là không chính xác. Các nhà khoa học thường gọi đúng hơn là vi trọng lực hay trạng thái không trọng lượng, và nghĩa của nó rất khác.
Cảm giác nặng thật ra đến từ đâu?
Bạn không trực tiếp cảm thấy trọng lực. Thứ bạn cảm thấy là mặt đất, cái ghế, sàn nhà đẩy ngược lên người bạn để bạn khỏi rơi. Lực đẩy đó ép lên lòng bàn chân, nén cột sống, kéo căng các cơ. Não đọc những tín hiệu ấy thành cảm giác nặng.
Nếu không có gì đẩy ngược lên, tức là bạn đang rơi tự do, mọi bộ phận trong cơ thể rơi cùng nhau, không cái gì đè lên cái gì. Bạn thấy nhẹ bẫng, dù trọng lực vẫn đang kéo bạn đi xuống.
Bạn từng nếm cảm giác này. Ở đỉnh cú nhảy trên đệm nhún, ngay khoảnh khắc bắt đầu rơi xuống, bụng bạn nhẹ hẫng. Khi thang máy bắt đầu đi xuống nhanh, bạn thấy người nhẹ đi một chút. Đi tàu lượn siêu tốc qua đỉnh dốc, cả người như rời khỏi ghế.
Trên trạm vũ trụ, cảm giác đỉnh dốc ấy kéo dài liên tục, không bao giờ dừng. Đó là trạng thái không trọng lượng.
Bay quanh quỹ đạo là rơi mãi mà không chạm đất
Isaac Newton đã tưởng tượng một thí nghiệm rất hay: đặt khẩu pháo trên đỉnh một ngọn núi cực cao và bắn ngang. Bắn yếu, viên đạn rơi xuống gần chân núi. Bắn mạnh hơn, nó bay xa hơn trước khi chạm đất.
Nhưng Trái Đất tròn. Khi viên đạn bay xa, mặt đất bên dưới nó cũng cong xuống. Nếu bắn đủ nhanh, mỗi đoạn viên đạn rơi xuống thì mặt đất cũng cong đi đúng chừng đó. Viên đạn rơi mãi mà không bao giờ chạm đất, nó bay vòng quanh Trái Đất. Đó là quỹ đạo.
Trạm vũ trụ bay ngang với tốc độ khoảng gần tám cây số mỗi giây, đi hết một vòng Trái Đất trong khoảng một tiếng rưỡi. Nó luôn luôn rơi về phía Trái Đất, chỉ là liên tục trượt qua bên cạnh.
Phi hành gia và mọi đồ vật trong trạm cùng rơi với cùng một gia tốc. Không có sàn nào đẩy lên ai. Cây bút buông tay ra lơ lửng tại chỗ, không phải vì nó không có trọng lượng, mà vì nó và bạn đang cùng rơi với tốc độ như nhau.
Cơ thể người trong trạng thái không trọng lượng
Cơ thể người tiến hoá dưới trọng lực, nên khi mất cảm giác nặng trong thời gian dài, nhiều thứ thay đổi. Chất lỏng trong cơ thể dồn lên phía đầu, mặt phi hành gia hơi phù lên. Xương và cơ không phải gánh trọng lượng nên yếu dần nếu không tập luyện.
Vì vậy phi hành gia trên trạm phải tập thể dục mỗi ngày với những thiết bị đặc biệt có dây đàn hồi kéo người xuống. Khi về lại Trái Đất, nhiều người cần thời gian để đi lại vững vàng.
Tai trong, bộ phận giữ thăng bằng, cũng bị rối trong những ngày đầu, nhiều người bị say. Điều thú vị là sau một thời gian, não thích nghi và học cách định hướng chủ yếu bằng mắt.
Những nghiên cứu này không chỉ cho chuyến bay vũ trụ. Chúng giúp hiểu thêm về loãng xương, teo cơ ở người nằm lâu, và cách cơ thể giữ thăng bằng.
Tạo trạng thái không trọng lượng ngay trên Trái Đất
Để huấn luyện phi hành gia và làm thí nghiệm, người ta dùng máy bay bay theo đường vòng cung: lao lên cao rồi giảm lực đẩy, để cả máy bay rơi tự do theo đường parabol trong khoảng vài chục giây. Trong khoảng thời gian đó, mọi người bên trong lơ lửng như trên trạm vũ trụ.
Những tháp thả rơi cao vài chục tới hơn một trăm mét cũng được dùng để làm thí nghiệm vài giây trong trạng thái rơi tự do.
Ở nhà, thí nghiệm đơn giản nhất là đục một lỗ nhỏ dưới đáy chai nhựa đựng nước, nước chảy ra. Rồi thả rơi cả chai từ trên cao xuống một chậu nước hay bãi cỏ. Trong lúc rơi, nước ngừng chảy, vì nước và chai cùng rơi, không còn gì ép nước ra khỏi lỗ. Làm ngoài trời, ở nơi an toàn, không ném từ ban công cao.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: mọi vật trong trạm vũ trụ lơ lửng vì cùng rơi. Nhưng ở cấp độ nhỏ hơn rất nhiều, bên trong một nguyên tử, liệu electron có quay quanh hạt nhân giống trạm vũ trụ quay quanh Trái Đất không?
Câu hỏi thường gặp
Trên Mặt Trăng có trọng lực không?
Có. Trọng lực trên bề mặt Mặt Trăng chỉ khoảng một phần sáu so với Trái Đất, nên phi hành gia nhảy lên cao và đi lại theo kiểu nhún nhảy. Họ không lơ lửng vì đang đứng trên mặt đất của Mặt Trăng.
Trọng lực và trọng lượng khác nhau thế nào?
Trọng lực là lực hút của Trái Đất lên vật. Trọng lượng trong đời thường thường được hiểu là lực mà vật ép lên giá đỡ, đó là thứ cân đo được. Khi rơi tự do, trọng lực vẫn còn nhưng trọng lượng đo được bằng không.
Vì sao vệ tinh không rơi xuống Trái Đất?
Vệ tinh vẫn luôn rơi về phía Trái Đất, nhưng bay ngang đủ nhanh để mặt đất cong đi kịp. Ở quỹ đạo thấp, lớp khí quyển mỏng vẫn hãm vệ tinh dần, nên nếu không được đẩy lên định kỳ, nó sẽ dần hạ thấp và cuối cùng rơi vào khí quyển.
Phi hành gia uống nước trên trạm vũ trụ thế nào?
Nước không rót được như trên mặt đất mà tụ thành giọt lơ lửng, nên phi hành gia uống qua túi có ống hút. Nước thải và cả hơi ẩm trong không khí được tái chế để dùng lại.
Ngồi tàu lượn siêu tốc có giống phi hành gia không?
Ở khoảnh khắc qua đỉnh dốc và lao xuống, bạn gần như rơi tự do nên có cảm giác nhẹ bẫng giống phi hành gia. Khác biệt là trên tàu lượn cảm giác ấy chỉ kéo dài một hai giây.
