Svenskt rekord i ”rymdlyft”!

Bl a Sveriges Radio rapporterar att Christer Fuglesang har manövrerat en ”800 kg tung ammoniaktank … ett uppdrag som innebär nytt rymdrekord i tyngdlyftning” utanför rymdstationen ISS. Som fysiklärare är jag imponerad över Fuglesangs  bedrift, men klart mindre imponerad av mediernas sätt att berätta vad som faktiskt är bedriften.

Tyvärr kan inte begreppet ”tyngdlyftning” förekomma under de förhållanden som Fuglesang befinner sig i – astronauterna och allt omkring dem är nämligen tyngdlöst, iallafall skenbart tyngdlöst. — Vadå skenbart tyngdlöst? Vi har ju sett på TV hur de flyter omkring på rymdstationen, så de måste väl vara tyngdlösa på riktigt!?

—Mja, faktum är att de bara är ca 400 km från jordytan. På jorden finns en konstant som kallas för g som vid havsnivån ligger på ungefär 9,8 ”masstyngdenheter”. 400 km upp gäller att g ≈ 8,6 masstyngdsenheter. Det är långt ifrån tyngdlöst.

— ??? —

Grejen är att de faller mot jordytan hela tiden. Orsaken till att de inte faller ned är att de har sådan stor fart framåt, nästan 28 0000 km/h. Så när de fallit en bit har Jorden krökts under dem lika långt som de har fallit. På så sätt kommer de aldrig ned till ytan. Fuglesang beskrev det själv på en fråga av en SvD-läsare så här: Känns det, åtminstone i början av rymdresan, som när man åker Fritt Fall på Gröna Lund med hjärtat i halsgropen? – Faktiskt inte i början av jetaccelarationen, då känns det mer som att man är längst ner i dalgången på en berg- och dalbana. Men när man väl har kommit upp i rymden är vi i fritt fall, och då faller vi hela tiden faktiskt.

Men vad har detta med rymdlyftet att göra? Jo; allting i Fuglesangs omgivning, t ex ammoniaktanken, faller med samma hastighet. Då verkar det som att allting i omgivningen är tyngdlöst. Men tanken har ändå en massa även om den inte är tung. Så ett ”lyft”, i ordagrann betydelse, innebär att föremålet höjs i förhållande till sin egen kropp.

Är det tungt att lyfta ett föremål i fritt fall, när man själv befinner sig i det tillståndet? Ja, man måste ju få igång en rörelse på föremålet i förhållande till kroppen (eller kroppen i förhållande till föremålet). För att få igång en rörelse krävs det acceleration. Och enligt Newtons kraftekvation (Newtons andra lag) krävs det kraft för att få till stånd en acceleration. Men när väl föremålet har försatts i rörelse finns det inget som stoppar det. Det behöver alltså bara en kort stöt, en impuls, för att börja rörelsen. För att manövrera ett föremål krävs naturligtvis flera sådana impulser (att korrigera en rörelse kräver ju dels en acceleration för att förändra den  inslagna riktningen). Och det var Fuglesang som gav dessa. Förhoppningsvis var Fuglesang fastspänd i rymdstationen ISS när han gav dessa impulser. Annars hade han märkt hur både tank och rymdstation hade börjat röra sig bort från honom. Eller ur en annan synvinkel: Fuglesang hade gett en impuls till tanken, och tanken ger tillbaka samma impuls till den betydligt lättare Fuglesang (det ser Newtons tredje lag till). Och det är den lättare i denna kamp som förlorar, dvs får den största accelerationen under impulsen. Eftersom inget luftmotstånd finns kommer efter impulsen likformig rörelse att äga rum (Newtons första lag): en för tanken som fått en betydligt mindre acceleration än Fuglesang, och en för Fuglesang som då fått en högre acceleration under impulsens varaktighet. Deras hastigheter kommer att vara rakt motriktade varandra.

Orsaken att det går bättre om Fuglesang sitter fast i rymdstationen är att det är hela rymdstationens massa som ska mäta sig med tankens massa. Men summa summarum: Det krävs en kraft för att manövrera ett föremål i tyngdlöst (både ”riktigt” tyngdlöst och skenbart tyngdlöst) tillstånd. Men den kraften är av valfri storlek så länge föremålet står still i förhållande till en själv: ju större kraft, desto snabbare sker förflyttningen. Är föremålet i rörelse är kraften som krävs för en önskad riktningsändring definitivt inte valfri. Den ”tyngd” (Svergies Radio beskriver ju tanken som 800 kg tung) som känns av har alltså enbart med acceleration att göra, vi kallar det för tröghet. En mer korrekt beskrivning hade alltså varit ”en 800 kg trög tank”.