Rozumowanie naukowe

 

Praktyczne rozwijanie rozumowania naukowego polega na kilku etapowym działaniu uczniów polegającym na świadomym postawieniu przez nich pytania badawczego, sformułowaniu hipotezy, sprawdzeniu jej lub obaleniu, wysunięciu wniosków z przeprowadzonego doświadczenia oraz świadomym podaniu przez uczniów czego się konkretnie nauczyli.

 

Przykład hipotezy Newtona - Prawa Powszechnego Ciążenia (Ajdukiewicz, Zarys logiki, s. 182)

Punktem wyjścia rozważań Newtona był fakt krążenia Księżyca dokoła Ziemi. Szło o to, aby ten fakt wyjaśnić, a więc aby zna­leźć uznaną za prawdziwą rację, z której by wynikały zdania opi­sujące ruch Księżyca dokoła Ziemi. Otóż ruch Księżyca dokoła Ziemi daje się scharakteryzować jako ruch po kole z przyspie­szeniem dośrodkowym skierowanym do środka Ziemi i wynoszą­cym mniej więcej 0,27 cm/sek2. Aby fakt tego ruchu wyjaśnić, wystarczy wskazać siłę, która swym działaniem nadaje Księży­cowi takie właśnie przyspieszenie. W poszukiwaniu takiej siły na­sunął się Newtonowi domysł, czy siłą nadającą Księżycowi jego przyspieszenie dośrodkowe nie jest ta sama siła, której ciała znaj­dujące się na Ziemi zawdzięczają przy swobodnym spadaniu swoje przyspieszenie skierowane również stale ku środkowi Ziemi. Przy­spieszenie swobodnego spadania ciał na powierzchni Ziemi wy­nosi g = 981 cm'sek2, a przyspieszenie dośrodkowe Księżyca wy­nosi a — 0,27 cm/sek2, jest więc — okrągło biorąc — 3600 razy mniejsze od przyspieszenia swobodnego spadania ciał na po­wierzchni Ziemi. Ale odległość Księżyca od Ziemi wynosi 60 pro­mieni ziemskich, jest więc 60 razy większa od oddalenia ciał znaj­dujących się na powierzchni Ziemi od jej środka. Z jednej strony więc przyspieszenie dośrodkowe Księżyca jest 3600, czyli 602 razy mniejsze od przyspieszenia swobodnego spadania na powierzchni Ziemi, z drugiej zaś strony odległość Księżyca od środka Ziemi jest 60 razy większa niż odległość ciał znajdujących się na po­wierzchni Ziemi od jej środka. Krążenie Księżyca dokoła Ziemi byłoby już wyjaśnione, gdyby przyjąć po pierwsze, że wszelkie c;ała przyciągają się wzajemnie i że przejawem tego przyciągania jest ciężar ciał znajdujących się na powierzchni Ziemi, i po dru­gie, gdyby przyjąć, że siła tego przyciągania jest odwrotnie pro­porcjonalna do kwadratu odległości przyciągających się ciał. Wte­dy bowiem Księżyc, znajdujący się w odległości 60 promieni ziem­skich od środka Ziemi, musiałby mieć 602 = 3600 razy mniejsze przyspieszenie dośrodkowe od przyspieszenia swobodnego spada­nia ciał znajdujących się na powierzchi Ziemi, a więc przyspieszenie dośrodkowe Księżyca musiałoby wtedy wynosić a = 981/3600 cm/sek2 = 0,27 cm/sek2, a więc tyle właśnie, ile faktycznie wynosi.

Tak mniej więcej wyglądały rozważania Newtona, które go skłoniły do szukania wyjaśnienia ruchu Księżyca dokoła Ziemi w twierdzeniu, iż wszystkie ciała przyciągają się wzajemnie z silą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas, a odwrotnie pro­porcjonalną do kwadratu ich odległości. Z twierdzenia tego, które później przyjęło nazwę prawa grawitacji, wynikają te właściwo­ści ruchu Księżyca, które stwierdza obserwacja i które miały być wyjaśnione. Wyjaśnienie to byłoby już dokonane, gdyby twier­dzenie o powszechnej grawitacji było już twierdzeniem przyję­tym. Ponieważ jednak nie było na razie dostatecznych podstaw do jego przyjęcia, należało je potraktować jako hipotezę wyma­gającą sprawdzenia.

Sprawdzenia tego dokonał Newton zestawiając dalsze na­stępstwa rozważanej hipotezy ze stwierdzonymi juz faktami. Z hi­potezy tej mianowicie dały się wyprowadzić następstwa odnoszące się do ruchu planet dookoła Słońca. Następstwa te porównał Newton ze znanymi już prawami Keplera opisującymi te ruchy, aby stwierdzić, czy następstwa te z prawami tymi się zgadzają, czy też im przeczą. Porównanie to zakończyło się wynikiem do­datnim. Następstwa płynące z hipotezy grawitacji wykazały zgod­ność zupełną z prawami Keplera, okazały się więc twierdzeniami prawdziwymi. Hipoteza grawitacji znalazła więc potwierdzenie. Dopiero teraz, na podstawie dalszych następstw hipotezy grawita­cji, poznanych jako prawdziwe, przyjął Newton tę hipotezę jako prawo dostatecznie przez prawdziwość swych następstw uprawdo­podobnione. Przyjęcie prawa grawitacji dokonało się więc osta­tecznie w drodze rozumowania redukcyjnego, prowadzącego do uznania racji na podstawie uznanych już naprzód jej następstw.

 

Prawo powszechnego ciążenia Newtona (z koncepcji rozprawy doktorskiej Rafała Jakubowskiego, Poznań, 2013)
 

1.  Mikrograwitacja
 

Pewnego razu siedziałem na krześle w biurze patentowym w Bernie, kiedy nagle przyszła mi do głowy pewna myśl: „Jeśli człowiek spada swobodnie, to przecież nie będzie odczuwał swojego ciężaru”. Byłem zaskoczony. Ta prosta myśl wywarła na mnie głębokie wrażenie. To skłoniło mnie do rozważań nad teorią grawitacji

Albert Einstein

 

1.1      Największe uogólnienie fizyki

Przyciąganie grawitacyjne jest fundamentalną własnością materii istniejącą w całym znanym Wszechświecie. Fizycy utożsamiają grawitację z jednym z czterech rodzajów oddziaływań występujących w przyrodzie. Innymi rodzajami oddziaływań są: silne i słabe oddziaływania jądrowe oraz oddziaływania elektromagnetyczne.

Feynman w swoich „Wykładach z fizyki” mówi, że prawo powszechnego ciążenia Newtona jest „jednym z najdalej sięgających uogólnień, na jakie zdobył się umysł ludzki”[1].

Co głosi to prawo? Mówi ono, że każde ciało we Wszechświecie przyciąga inne ciało siłą, która dla dowolnej pary ciał jest proporcjonalna do masy jednego i drugiego i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu ich odległości[2].

 

 

 

Oryginalne prawo Newtona wyglądało trochę inaczej:

 

gdzie ~ oznacza proporcjonalny.

 

Dopiero Cavendish zmodyfikował prawo Newtona do postaci, jakiej dziś używamy, dodając stałą grawitacji G.

Newton nie był jednak pierwszym uczonym, który próbował odkryć i zdefiniować siłę trzymającą planety na orbicie wokół Słońca, jak również nie był pierwszym uczonym, który zasugerował, że to grawitacja jest odpowiedzialna za ruch planet po orbitach. Na kilka lat przed opublikowaniem przez Newtona prawa powszechnego ciążenia w 1687 roku, Anglik Robert Hook przypisał główną rolę grawitacji w ruchach ciał niebieskich.
 

Jak przedstawia się historia ciążenia powszechnego?
 

„Należy zacząć od tego, zgodnie za Feynmanem, że już w starożytności obserwowano ruchy planet względem gwiazd, co doprowadziło do wniosku, że planety poruszają się dokoła Słońca. Fakt ten powtórnie odkrył później Kopernik.

Zbadanie, w jaki sposób planety krążą dokoła Słońca, jaki jest ich ruch, wymagało dalszej pracy. Na początku piętnastego wieku prowadzono wielkie dysputy, czy planety naprawdę krążą dokoła Słońca, czy też nie”[3].

„Tycho Brahe miał w tej kwestii inny pogląd niż starożytni: uważał, że dyskusję na temat charakteru ruchów planet można najprościej rozstrzygnąć mierząc położenia planet na niebie z dostateczną dokładnością.

Tak też uczynił. Sporządził obszerne tablice, które po jego śmierci studiował Kepler.

Opierając się na danych zawartych w tych tablicach Kepler wyprowadził bardzo piękne i doniosłe, a jednocześnie proste prawa rządzące ruchem planet.

Trzy prawa Keplera.

I. Każda planeta porusza się wokół Słońca po elipsie, przy czym Słońce znajduje się w ognisku tej elipsy.

II. Promień wodzący skierowany od Słońca do planety zakreśla w równych odstępach czasu równe pola.

III. Kwadraty okresów obiegu dowolnych dwu planet są proporcjonalne do sześcianów wielkich półosi ich orbit: T2 ~ a3.
 

Kepler stwierdził ponadto, że siła trzymająca planety na ich orbitach musi być podobna do siły magnetycznej.

„W czasie gdy Kepler odkrywał swoje prawa, Galileusz zajmował się prawami ruchu.

Interesowało go pytanie, co sprawia, że planety krążą dokoła Słońca. Jedna z teorii wysuwanych w tym czasie mówiła, że planety popychane są przez anioły, które machając skrzydłami posuwają je naprzód. Galileusz odkrył bardzo doniosłą cechę ruchu, która była istotna dla zrozumienia rządzących nim praw. Była to zasada bezwładności mówiąca, że jeśli coś się porusza „nie dotykane” i całkowicie „bez zakłóceń”, będzie poruszać się wiecznie, szybując ze stałą szybkością po linii prostej”[4].

„Newton zmodyfikował później poglądy Galileusza mówiąc, że ruch ciała można zmienić jedynie przez użycie siły. Zrozumienie teorii ruchu naprowadziło Newtona na myśl, że siedliskiem, czy też źródłem sił rządzących ruchami planet, mogłoby być Słońce. Ze skojarzenia dwu praw Keplera, drugiego i trzeciego, Newton wywnioskował, że musi istnieć siła odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości i działająca wzdłuż prostej przechodzącej przez planetę i przez Słońce”[5].

„Ponieważ znana mu była siła, która nas utrzymuje na powierzchni Ziemi, wyraził przypuszczenie, że siła ta jest siłą powszechną – że wszystkie ciała przyciągają się wzajemnie. Pojawił się zaraz problem następny, mianowicie czy przyciąganie przez Ziemię ludzi na jej powierzchni jest „tym samym”, co przyciąganie przez nią Księżyca, to znaczy czy jest też odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości”[6].

„Jeśli przedmiot na Ziemi opada 5 m w ciągu pierwszej sekundy po wypuszczeniu go ze stanu spoczynku, jak daleko „spada” Księżyc w tym czasie? Można by odpowiedzieć, że Księżyc wcale nie spada. Ale gdyby na Księżyc nie działała żadna siła, pobiegłby po prostej, a ponieważ porusza się po okręgu, więc w gruncie rzeczy spada z miejsca, w którym znajdowałby się po sekundzie, gdyby nie działała nań żadna siła. Księżyc spada na Ziemię z prędkością 1/7 centymetra na sekundę.

Z prawa odwrotnej proporcjonalności do kwadratu odległości  wynika, że jeśli coś spada na Ziemi w ciągu sekundy o 5 m (promień Ziemi wynosi 6370 km) to coś innego oddalonego około 60 razy dalej, powinno spaść w tym samym czasie 3600 razy bliżej czyli 1/7 cm”[7].

 Pochodzenie słowa „mikrograwitacja”

„Mikrograwitacja dosłownie oznacza bardzo małą grawitację. Mikro – m pochodzi od greckiego słowa mikros – oznaczającego mały.

Mikrograwitacja mg = 1 x 10 – 6 g = 9, 81 x 10 – 6 .

Przedrostek mikro w systemie metrycznym to jedna milionowa czyli 1 x 10 – 6 .

Przy powierzchni Ziemi przyspieszenie ziemskie wynosi w przybliżeniu 9, 81 .

Zgodnie z prawem powszechnego ciążenia, aby osiągnąć warunki mikrograwitacji należałoby oddalić się od środka Ziemi na odległość równą tysiącu wielkości jego promienia czyli na odległość 6, 37 miliona kilometrów. Jest to prawie 17 razy dalej niż do Księżyca.

Naukowcy nie używają jednak terminu mikrograwitacja do warunków ściśle określających milionową część g. Po prostu mikrograwitacja to warunki niskiej grawitacji, to środowisko w którym niektóre efekty grawitacji są zredukowane w stosunku z tym czego doświadczamy przy powierzchni Ziemi”[8].

Nasza masa i wielkość przyspieszenia grawitacyjnego ustalają nasz ciężar, w zależności gdzie się znajdujemy.

Przyciąganie grawitacyjne Ziemi maleje wraz ze wzrostem odległości od jej środka.

Jak zmienia się efekt grawitacyjny, gdy oddalamy się od Ziemi, można łatwo pokazać prostą relacją , gdzie r jest promieniem Ziemi. Stojąc na powierzchni Ziemi r = 1.

Jeżeli przeniesiemy się na odległość = 2 r, czyli 12 756 km od środka Ziemi, przyciąganie zmaleje o  czyli o ¼ i wynosić będzie g 2r = 2, 45  .

Na wysokości 343 km od powierzchni Ziemi, gdzie na orbicie mogą krążyć wahadłowce i stacje kosmiczne w których mogą przebywać kosmonauci przyciąganie ziemskie wynosi 
90 % tego z powierzchni ziemskiej czyli g 343 km = 8,82 .

Często można usłyszeć twierdzenia, że astronauci mogą poruszać się swobodnie w przestrzeni kosmicznej, ponieważ są z dala od grawitacji ziemskiej, która tam nie ma znaczenia albo też, że grawitacji tam nie ma w ogóle. My wiemy, że to nieprawda. Przyciąganie grawitacyjne na orbicie okołoziemskiej odległej 343 km od powierzchni Ziemi wynosi: g 343 km = 8,82 .

Więc dlaczego astronauci nie spadają na Ziemię?

Okazuje się, że stacja kosmiczna i kosmonauci są na orbicie w ciągłym spadku swobodnym. Aby utrzymać się w ciągłym spadku swobodnym na orbicie muszą poruszać się z odpowiednią prędkością (około 27 000  w kierunku poziomym) i na odpowiedniej wysokości aby uniknąć tarcia powietrza. Teraz podczas spadku swobodnego na stacji kosmicznej powstają warunki mikrograwitacji.

Środowisko mikrograwitacji powstaje zawsze podczas spadku swobodnego. Jeśli upuścimy piłkę na Ziemi, przyspiesza ona 9, 81 . Jest to środowisko 1g.

Jeśli natomiast kosmonauta upuści piłkę na stacji kosmicznej ona spada również, ale astronauta widzi, że piłka nie spada. Tak jest dlatego, że piłka, astronauta i stacja kosmiczna spadają równocześnie wokół Ziemi. Ponieważ spadają razem i poruszają się swobodnie to są w stanie mikrograwitacji. Podkreślmy, że stację kosmiczną i wszystko na niej trzyma na orbicie okołoziemskiej grawitacja.

Dla lepszego zrozumienia ruchu na orbicie przedstawmy rozważania Newtona jak wprowadzić satelitę na orbitę okołoziemską. Dowodził on, że gdyby z wysokiego wzniesienia na powierzchni Ziemi wystrzelić poziomo kulę armatnią, to leciałaby ona po torze parabolicznym. Im większą nadano by jej prędkość, tym większy byłby jej zasięg. Według Newtona, przy odpowiednio silnym wystrzeleniu kula przeleciałaby „za horyzont” Ziemi. Kula nie odleciałaby w kosmos, gdyż przyciąganie grawitacyjne Ziemi utrzymywałoby ją w stałej odległości od jej powierzchni. Kula próbowałaby spadać ale jednocześnie Ziemia „odsuwałaby się” od niej z powodu swej kulistości.

W końcu wróciłaby do miejsca, z którego ją wystrzelono, wykonując w ten sposób jeden pełny obieg dookoła Ziemi. Ta sama zasada dotyczy wahadłowca czy stacji kosmicznej. Osiągając spadek swobodny otrzymaliśmy mikrograwitację.

 

1.2      Uczenie się podstaw grawitacji i nieważkości
 

Zadając uczniom pytanie, jak daleko oddziałuje grawitacja, często można usłyszeć odpowiedź, iż tak daleko jak sięga atmosfera. Pytając dalej, co by się stało z twoim ciężarem jeżeli zniknęłaby atmosfera, większość uczniów odpowiada, że polecielibyśmy w kosmos. Takie pytania zadawał swoim uczniom Dawid Chandler.[9] Tylko pięciu z osiemdziesięciu jego uczniów w teście odpowiedziało, że grawitacja rozpościera się do nieskończoności.

Każdy wie, że na orbicie astronauci odczuwają nieważkość, ale niewielu wie dlaczego.

Uczniom trudno znaleźć zależności pomiędzy spadkiem swobodnym, ruchem orbitalnym i nieważkością, szczególnie kiedy większość uczniów jest zadowolonych, iż rozumieją: grawitacja po prostu nie sięga daleko.

Należy zwrócić uwagę na trzy trudne koncepcje związane z grawitacją i nieważkością, aby uniknąć w dalszych rozważaniach błędów[10].
 

• Grawitacja rozciąga się na cały kosmos.
• Nieważkość jest rezultatem spadku swobodnego.
• Ruch orbitalny jest formą spadku swobodnego.

 

Przeanalizujmy kilka definicji dotyczących nieważkości w literaturze polskiej i anglojęzycznej.

„Stan nieważkości polega na braku stałego występowania sił wzajemnego nacisku między ciałami w układzie ciał. Stan ten występuje wówczas, gdy układy poruszają się jedynie pod wpływem sił pola grawitacyjnego. W przypadku nieobecności pola grawitacyjnego stan nieważkości występowałby oczywiście w układach poruszających się ruchem jednostajnym po linii prostej”[11].

Stan ważkości polega na stałym występowaniu sił wzajemnego nacisku pomiędzy ciałami w układzie ciał. W polu grawitacyjnym stan ten występuje w takich układach ciał, na które prócz sił grawitacji działają jeszcze inne siły zewnętrzne. Jeżeli siły wzajemnego nacisku (np. ciała i podłoża) przekraczają siłę ciężkości tego ciała, wówczas mówimy o stanach przeciążenia. Jeśli siły te są mniejsze od siły ciężkości ciała, mówimy o stanach niedociążenia[12].

 

Ograniczenie w stosowalności zasad dynamiki Newtona
 

Różnica między kinematycznym, a dynamicznym opisem ruchu polega na tym, że w kinematyce obojętne jest względem jakiego układu odniesienia opisujemy ruch.

Zasady dynamiki Newtona obowiązują tylko w inercjalnych układach obniesienia.

Aby móc stosować w układzie nieinercjalnym zasady dynamiki Newtona, do opisu zjawisk wprowadza się pojęcie siły bezwładności[13].

Siły bezwładności nazywa się też siłami pozornymi, aby podkreślić, że siły te nie są wynikiem faktycznego oddziaływania między ciałami, lecz wynikają one jedynie z dokonanego przez obserwatorów wyboru układu odniesienia.

Aby lepiej zrozumieć zjawisko nieważkości należy wprowadzić kilka pojęć: układ inercjalny i nieinercjalny oraz siły bezwładności.

 

Układ inercjalny

„Układami inercjalnymi nazywamy takie układy odniesienia, które albo spoczywają, albo poruszają się ze stałą prędkością względem gwiazd stałych”[14].

Układ inercjalny to także układ, w którym spełniona jest I zasada dynamiki.

I zasada dynamiki postuluje istnienie takiego układu odniesienia, że jeśli na ciało nie działa żadna siła lub n działających sił równoważy się, to ciało obserwowane w tym układzie pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

 

Układ nieinercjalny

Układ odniesienia poruszający się względem układu inercjalnego ruchem przyśpieszonym.

W takim układzie nie obowiązuje II zasada dynamiki. W takich układach odniesienia ciała poruszają się ruchem przyśpieszonym także wtedy, gdy nie występują realne siły oddziaływania między ciałami.

Aby w układach nieinercjalnych móc stosować II zasadę dynamiki, należy wprowadzić pozorne siły bezwładności.

Siły bezwładności

(siła inercji, siła pozorna) – siła pojawiająca się w nieinercjalnym układzie odniesienia, będąca wynikiem przyspieszenia tego układu. Siła bezwładności nie jest oddziaływaniem z innymi ciałami, jak to ma miejsce przykładowo w sile klasycznie rozumianej grawitacji. Jeżeli zjawisko, w którym pojawiła się siła bezwładności, opisywane jest w inercjalnym układzie odniesienia, wówczas siła bezwładności nie występuje, zachowanie się ciał w takim układzie można wyjaśnić działaniem innych sił.
 

1.3      W jaki sposób wytwarza się warunki Mikrograwitacji?
 

Nieważkość może być związana ze spadkiem swobodnym w prostych demonstracjach. Prawdopodobnie każdy nauczyciel fizyki wykonał eksperyment Galileusza pokazujący, że ciężkie i lekkie ciała spadają w tym samym czasie[15].

Stacje kosmiczne są najlepszymi laboratoriami badawczymi, w których występują warunki mikrograwitacji przez długi czas. Jednocześnie najdroższymi. Dostarczenie kilograma ładunku kosztuje od 20 do 40 tysięcy dolarów. (jednego pomarańcza ponad 2000 $). NASA stosuje też inne, tańsze, metody do przeprowadzania eksperymentów w stanie nieważkości:
 

• wieże i szyby do spadków swobodnych (10 – 5 g),
• loty paraboliczne „komety wymiotnej” KC – 135 (10 – 2 g),
• rakiety typu SPAR (10 – 5 g).

 

Nieważkość w klasie

Znając już nieinercjalne układy odniesienia łatwo wykonać doświadczenia obrazujące warunki nieważkości na stacji kosmicznej. Doświadczenia te łatwo wykonać w klasie.

 

Spadająca puszka

W puszce lub plastikowej butelce po napoju robimy otwór i nalewamy wody. Woda wylatuje dzięki ciśnieniu hydrostatycznemu. Gdy upuścimy puszkę wyraźnie widać iż woda przestaje lecieć, dokładnie tak jak na stacji kosmicznej w warunkach nieważkości, gdzie nie istnieje ciśnienie hydrostatyczne.

           

 

 

Rysunek 1. Spadająca puszka

Rysunek 2. Woda wylatująca dzięki ciśnieniu hydrostatycznemu

  

 Rysunek 3. Brak ciśnienia hydrostatycznego w spadającej butelce

  

Spadająca sprężynka – slinky

Trzymając sprężynę za kilka zwojów widzimy jak pozostała jej część swobodnie opada. Ku zdziwieniu sprężyna składa się jeżeli ją puścimy swobodnie. Tak też jest na stacji kosmicznej – sprężyna nie rozciąga się swobodnie.

 

 

 Rysunek 4. Rozciągnięcie się sprężyny pod wpływem grawitacji

 

  

Rysunek 5. Składanie się sprężyny podczas spadku swobodnego

 

Tacka z kubkiem

Jeżeli na stacji kosmicznej odwrócimy kubek z wodą do góry dnem, woda z kubka nie wyleci. Podobnie, gdy będzie spadał swobodnie odwrócony kubek – woda też nie będzie wylatywała, lecz spadnie razem z kubkiem na podłogę.

Rysunek 6. Odwrócony kubek na tacce – podczas szarpnięcia tacki woda z kubka nie wyleje się

 

Wieże zrzutowe do spadków swobodnych

Wieże i szyby do spadków swobodnych przypominają windy, jednak są to wysoce zaawansowane technicznie urządzenia spadające w pudłach o aerodynamicznych kształtach i próżni aby wyeliminować tarcie powietrza. Posiadają one również specjalne poduszki powietrzne aby nie uległa zniszczeniu aparatura. Cały spadek jest rejestrowany przez specjalne kamery. Należy podkreślić, że doświadczeń w wieżach i szybach nie robi się z ludźmi. Z pewnością jest to zbyt niebezpieczne. Astronauci trenują warunki nieważkości w specjalnie przystosowanych do tego samolotach, o których będzie wspomniane poniżej. Krótkich doznań nieważkości można doświadczyć w wesołym miasteczku, na linie bandżi czy też podczas skoku z dość wysokiej wieży do wody. NASA posiada dwie wieże do spadków swobodnych w Cleweland w stanie Ohajo. Jedną 132 metrową w której warunki mikrograwitacji powstają na około 5 sekund i drugą 24-metrową z ponad dwoma sekundami nieważkości podczas jednego spadku. Trzecia wieża NASA, 100-metrowa – 4,5-sekundowa znajduje się w Huntsvill w stanie Alabama. Jednak najdłuższe warunki nieważkości w takich urządzeniach, bo 10 sekund, uzyskują Japończycy posiadający szyb w starej kopalni o wysokości 490 metrów.

 

Loty paraboliczne „komety wymiotnej”

Jak już wspomniano do trenowania kosmonautów w warunkach nieważkości służy specjalnie przerobiony samolot transportowy Boening 707, który jest nazywany „kometą wymiotną” KC – 135. Warunki mikrograwitacji w takim samolocie uzyskuje się podczas zakreślania przez samolot krzywej parabolicznej przy wznoszeniu się pod kątem 45 stopni, na około 25 sekund. Uzyskana nieważkość wynosi 10 – 2 g. Typowy lot KC – 135 trwa od dwóch do trzech godzin, na wysokości od 7 do 10 tysięcy metrów, podczas którego uzyskuje się do czterdziestu 25 sekundowych okresów nieważkości.

 

 Rakiety SPAR

Sześciominutowe warunki mikrograwitacji, również podczas lotów parabolicznych, uzyskuje się w małych rakietach SPAR. Na ich pokładzie może znajdować się aparatura do 300 kilogramów.

 

Stacje kosmiczne

Na pytanie „Co trzyma satelitę na orbicie?” można uzyskać wiele różnych odpowiedzi. Są dwie najpopularniejsze. Jedni twierdzą, że satelita przebywa na orbicie dzięki włączonym silnikom, drudzy zaś mówią, że na orbicie nie ma grawitacji.

Pierwsza stacja kosmiczna została wysłana na orbitę przez Rosjan w kwietniu 1971 roku. Nosiła nazwę Salut i działała przez kilka miesięcy. W następnych latach Rosjanie wprowadzili na orbitę jeszcze sześć obiektów tej serii, stopniowo je modernizując i wydłużając czas ich funkcjonowania. Największym rosyjskim osiągnięciem była jednak wielomodułowa stacja Mir, która działała przez 15 lat (1986-2001). Amerykańskie dokonania w tej dziedzinie są znacznie skromniejsze, gdyż obejmują działalność tylko jednej stacji Skylab, umieszczonej na orbicie w 1973 roku i eksploatowanej do roku 1974. Równie cenne doświadczenia przyniosły jednak loty konstruowanych przez NASA i Europejską Agencję Kosmiczną ESA laboratoriów Spacelab (później Spacehab), które instalowano na wahadłowcach. Ich misje różniły się od działalności stacji orbitalnej tylko krótszym czasem trwania, ograniczonymi możliwościami wahadłowca – do 18 dni.

 

1.4      Międzynarodowa Stacja Kosmiczna – International Space Station (ISS)
 

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna jest wspólnym przedsięwzięciem USA, Rosji, Kanady, Japonii, Brazylii i jedenastu państw należących do Europejskiej Agencji Kosmicznej ESA. Jej budowa została rozpoczęta w 1998 roku.

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna – pierwsza stacja kosmiczna wybudowana z założenia przy współudziale wielu krajów. Składa się obecnie z 15 głównych modułów (docelowo ma ich liczyć 16) i umożliwia jednoczesne przebywanie sześciu członków stałej załogi (trzech do roku 2009). Pierwsze moduły stacji zostały wyniesione na orbitę i połączone ze sobą w 1998 roku. Pierwsza stała załoga zamieszkała na niej w roku 2000. Źródłem zasilania ISS są baterie słoneczne, transportem ludzi i materiałów do 2011.07.19 zajmowały się amerykańskie wahadłowce programu STS (od lutego 2003 do 26 lipca 2005 wstrzymane z powodu katastrofy Columbii) oraz rosyjskie statki kosmiczne Sojuz i Progress.

Administracja prezydenta Busha planowała wstrzymać finansowanie stacji po 2015, co skutkowałoby zdjęciem stacji z orbity na początku 2016. Planom tym przeciwstawiła się administracja prezydenta Obamy, która przedłużyła finansowanie do 2020 roku, a potencjalnie nawet do 2028.

 

Powstanie

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna powstała w wyniku połączenia projektów budowy rosyjskiej stacji Mir 2, amerykańskiej Freedom oraz europejskiej Columbus. Miały one na celu spełnienie marzenia o stałym pobycie ludzi w kosmosie. Udaje się je realizować od 2 listopada 2000 roku, kiedy to na ISS dotarła pierwsza stała załoga w składzie: William Shepherd, Jurij Gidzenko oraz Siergiej Krikalow (misja Sojuz TM-31). Pierwsze plany budowy stacji kosmicznej wspólnie przez USA, Japonię, Kanadę i Europejską Agencję Kosmiczną (Rosja dołączyła do nich dwa lata później) pojawiły się w 1991 roku. Projekt miał być realizowany w trzech etapach:
 

I – przygotowanie modułów i międzynarodowe loty do rosyjskiej stacji Mir – zrealizowany w latach 1995-1998

II – montaż i wstępna eksploatacja (1998-2001)

III – dokończenie budowy i dalsza eksploatacja (pocz. 2001, koniec w 2011 r.)

 

Początkowo budżet programu na okres od roku 1994 do ukończenia budowy miał zamknąć się w kwocie 17,4 miliarda dolarów, lecz do momentu wystrzelenia pierwszego modułu w końcu 1997 roku wzrósł ponad dwukrotnie, do 40 miliardów dolarów. W 1998 roku do projektu dołączyła Brazylia. Pierwszy element stacji, rosyjski moduł Zarja, został wyniesiony na orbitę 20 listopada 1998 roku. Do przybycia pierwszej załogi ISS wzbogaciła się o kolejne dwa moduły – amerykański Unity i rosyjski Zwiezda.

 
Loty do ISS

Dotychczas odbyto do stacji 32 (stan na 8 lutego 2010) loty amerykańskich wahadłowców oraz 43 loty rosyjskie, w tym 14 załogowych. W kwietniu 2008 do stacji po raz pierwszy zadokował ATV – pojazd transportowy skonstruowany przez ESA, natomiast we wrześniu 2009 r. odbył się pierwszy lot japońskiego HTV.

W marcu 2013 Sojuz TMA-08M startując z kosmodromu Bajkonur dotarł do ISS w rekordowym czasie 5 godzin 45 minut.

 

Eksploatacja

Głównym zadaniem Międzynarodowej Stacji Kosmicznej jest prowadzenie badań naukowych w warunkach mikrograwitacji, niemożliwych do osiągnięcia na Ziemi. Mają one pozwolić na udoskonalenie metod prowadzenia upraw, lepsze poznanie działania ludzkiego organizmu (a więc i możliwość wynalezienia nowych leków) oraz pomóc rozwiązać wiele innych problemów na Ziemi. Do tej pory nie dokonano jednak na ISS żadnego przełomowego odkrycia.

Począwszy od 1998 roku na ISS przebywało 170 osób, z tego 50 było członkami stałych załóg w ramach 20 ekspedycji. Dla porównania – rosyjską stację Mir w ciągu 14 lat odwiedziło łącznie 137 ludzi. Niemal 1/4 wszystkich astronautów stanowiło załogę Międzynarodowej Stacji Kosmicznej lub pojazdów ją obsługujących.

Pierwotnie stałe załogi składały się z trzech osób, wymienianych amerykańskimi wahadłowcami, jednakże po unieruchomieniu amerykańskich wahadłowców po katastrofie Columbii czasowo zmniejszono ich liczebność do dwóch. Do trzyosobowych załóg powrócono w 2006 r.; trzeci członek załogi był wymieniany przez wahadłowce. Natomiast od 2009 r. na stacji przebywają pełne, 6-osobowe załogi. W związku z wycofaniem wahadłowców z użytku, wymiana załóg odbywa się wyłącznie za pomocą rosyjskich Sojuzów.

W 2001 roku na ISS gościł pierwszy w historii kosmiczny turysta. Amerykański milioner Dennis Tito zapłacił 20 milionów dolarów za niecałe osiem dni (7 dni 22 godziny 4 minuty) pobytu w kosmosie w dniach od 28 kwietnia do 6 maja. Drugim turystą był Mark Shuttleworth z RPA. Trzecim turystą został Gregory Olsen w 2005 roku, który poleciał na Międzynarodową Stację Kosmiczną pomimo złego stanu zdrowia. Pierwszą kobietą-turystką w kosmosie została Amerykanka pochodzenia irańskiego Anousheh Ansari. Pierwotny kandydat do lotu Sojuz TMA-9 Daisuke Enomoto został odsunięty z powodów medycznych.

30 września 2009, na pokładzie statku kosmicznego Sojuz TMA-16, Kanadyjczyk Guy Laliberté jako siódmy turysta kosmiczny udał się na Międzynarodową Stację Kosmiczną. Za swój lot zapłacił 35 milionów dolarów.

 

Zagrożenia

Największym zagrożeniem dla stacji jest możliwość zderzenia z osiągającymi ogromne prędkości meteoroidami. Proponowanym zabezpieczeniem jest "laserowa miotła", która mogłaby błyskawicznie niszczyć owe odłamki. Jej wprowadzenie będzie jednak wymagało zmiany przepisów zabraniających używania broni laserowych w kosmosie. Ponadto istnieje możliwość zderzenia stacji z kosmicznym odpadkiem o średnicy ponad 1 cm. Innym niebezpieczeństwem związanym z przebywaniem w przestrzeni kosmicznej są strumienie naładowanych cząstek powstających podczas wybuchów na Słońcu. Powodują one awarie instalacji elektrycznych nawet na Ziemi i mogłyby poważnie uszkodzić stację kosmiczną, którą jedynie częściowo ochrania ziemska magnetosfera.

 

Moduły stacji

Po zakończeniu budowy, stacja będzie liczyć 16 hermetyzowanych modułów, o łącznej objętości około tysiąca m3. Są to moduły laboratoryjne, dokujące, śluzy, łączniki. Obecnie 15 z tych modułów zostało dołączonych do stacji. Są one wynoszone na orbitę za pomocą wahadłowców, rakiet Proton lub Sojuz.

Na konferencji szefów agencji kosmicznych, która odbyła się 23 lipca 2003 roku, ustalono ostateczny kształt stacji. Zdecydowano m.in. rozbudować ją do wielkości pozwalającej na zwiększenie stałej załogi do sześciu osób oraz dołączyć dodatkowe moduły. NASA zamierza prowadzić rozbudowę, podczas gdy Rosja będzie przewozić kolejne załogi. Po ukończeniu całej konstrukcji stacja będzie mieć 1160 m³ pomieszczeń hermetyzowanych, masę 419 ton oraz wymiary 108,4 m rozpiętości baterii słonecznych i 74 m długości, umożliwiając pracę sześcioosobowej załogi. Moc generowana przez baterie słoneczne wyniesie 110 kW, z czego 50 kW będzie służyć funkcjonowaniu stacji, reszta ma być przeznaczona na badania naukowe.

 

Koszty Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

Szacuje się, że łączny koszt budowy, utrzymywania i wysyłania kolejnych ekspedycji na Międzynarodową Stację Kosmiczną przekroczy 100 miliardów dolarów. Wobec zużywania tak ogromnych środków rośnie liczba przeciwników projektu, którzy widzą w nim stratę czasu i pieniędzy, jakie mogłyby umożliwić wysłanie wielu tańszych i efektywniejszych misji bezzałogowych. Na przykład Kosmiczny Teleskop Hubble'a (koszt 2 miliardy USD) przyniósł więcej odkryć niż jakiekolwiek inne przedsięwzięcie, zaś roboty Spirit i Opportunity (razem 800 mln dolarów) dowiodły obecności wody na Marsie. Nie brak również głosów krytykujących eksplorację kosmosu w ogóle – według nich za 100 miliardów dolarów można by rozwiązać wiele problemów na Ziemi. Zwolennicy podboju kosmosu odpowiadają, że jego krytyka jest krótkowzroczna i pozbawiona jakichkolwiek podstaw. Z kolei entuzjaści lotów załogowych argumentują, że opracowane podczas ich przygotowywania i realizacji technologie przyniosły miliardy dolarów realnego zysku. Według niektórych prognoz, pośrednie korzyści ekonomiczne odniesione w wyniku komercjalizacji tych technologii siedmiokrotnie przekraczają zainwestowany kapitał (inne prognozy mówią o trzykrotnym zysku) inne z kolei o stukrotnej stracie. To, czy tego rodzaju korzyści wynikną również z programu ISS, jest przedmiotem intensywnej dyskusji.

Tak mniej więcej wyglądały rozważania Newtona, które go skłoniły do szukania wyjaśnienia ruchu Księżyca dokoła Ziemi w twierdzeniu, iż wszystkie ciała przyciągają się wzajemnie z silą wprost proporcjonalną do iloczynu ich mas, a odwrotnie pro­porcjonalną do kwadratu ich odległości.

Z twierdzenia tego, które później przyjęło nazwę prawa grawitacji, wynikają te właściwo­ści ruchu Księżyca, które stwierdza obserwacja i które miały być wyjaśnione. Wyjaśnienie to byłoby już dokonane, gdyby twier­dzenie o powszechnej grawitacji było już twierdzeniem przyję­tym. Ponieważ jednak nie było na razie dostatecznych podstaw do jego przyjęcia, należało je potraktować jako hipotezę wyma­gającą sprawdzenia.

Sprawdzenia tego dokonał Newton zestawiając dalsze na­stępstwa rozważanej hipotezy ze stwierdzonymi juz faktami. Z hi­potezy tej mianowicie dały się wyprowadzić następstwa odnoszące się do ruchu planet dookoła Słońca. Następstwa te porównał Newton ze znanymi już prawami Keplera opisującymi te ruchy, aby stwierdzić, czy następstwa te z prawami tymi się zgadzają, czy też im przeczą. Porównanie to zakończyło się wynikiem do­datnim. Następstwa płynące z hipotezy grawitacji wykazały zgod­ność zupełną z prawami Keplera, okazały się więc twierdzeniami prawdziwymi. Hipoteza grawitacji znalazła więc potwierdzenie. Dopiero teraz, na podstawie dalszych następstw hipotezy grawita­cji, poznanych jako prawdziwe, przyjął Newton tę hipotezę jako prawo dostatecznie przez prawdziwość swych następstw uprawdo­podobnione. Przyjęcie prawa grawitacji dokonało się więc osta­tecznie w drodze rozumowania redukcyjnego, prowadzącego do uznania racji na podstawie uznanych już naprzód jej następstw