Известный популяризатор науки и ведущий научно-популярного YouTube-канала Veritasium Дерек Мюллер отправился во Францию, чтобы впервые в жизни испытать состояние полной невесомости на борту специального самолета Zero-G , . По приглашению французского блогера Брюса (автора канала e-penser) и вместе с физиком Дианой Коуэрн (канал Physics Girl) он провел серию уникальных экспериментов в условиях измененной гравитации , . Эти опыты наглядно продемонстрировали, как отсутствие силы тяжести полностью меняет привычные физические процессы — от формы горения пламени до поведения вращающейся пружины , .
✈️ Физика невесомости: как устроен полет по параболе 0:00
Принцип создания искусственной невесомости на борту самолета относительно прост: воздушное судно и все объекты внутри него должны ускоряться по направлению к Земле с той же скоростью, что и свободно падающее тело в вакууме . Данный показатель равен ускорению свободного падения — 9,8 м/с² .
Для объяснения этого физического явления Дерек Мюллер приводит аналогию с ручкой внутри пластиковой бутылки . Если бутылка свободно падает, между ней и ручкой исчезает сила реакции опоры (физический контакт), из-за чего ручка внутри бутылки оказывается в состоянии невесомости .
Вопреки распространенному заблуждению, для создания этого эффекта самолет не просто пикирует вниз . Процесс состоит из нескольких строго выверенных этапов:
- Набор высоты (Hyper-G): Самолет начинает крутой подъем под углом, который постепенно увеличивается до 50 градусов , . Из-за отсутствия иллюминаторов пассажиры не видят изменения положения тела в пространстве, но ощущают колоссальную перегрузку . В этот момент сила, вдавливающая людей в пол, эквивалентна 1,8 от их обычного веса .
- Вход в параболу (Zero-G): Когда угол подъема достигает 50 градусов, пилоты резко снижают тягу двигателей, переводя самолет на параболическую траекторию движения . В этот момент начинается фаза невесомости .
- Свободное падение: Самолет и пассажиры продолжают двигаться по инерции вверх, но уже ускоряются по направлению к Земле . Пилоты с филигранной точностью регулируют тягу двигателей, чтобы полностью компенсировать сопротивление воздуха и поддерживать ускорение свободного падения .
- Выход из пике: Через 22 секунды невесомости пилоты снова выводят самолет из снижения, из-за чего пассажиры вновь испытывают перегрузку в 1,8g .
Всего за время полета команда выполнила 13 парабол с нулевой гравитацией (Zero-G), а также смоделировала одну параболу с марсианской гравитацией (около 1/3 земной) и две с лунной гравитацией (около 1/6 земной) . По словам Дерека Мюллера, в условиях марсианской гравитации он смог с легкостью отжиматься и подтягиваться на одной руке .
При этом фаза перегрузки в 1,8g физически переносится тяжело .Standing во время набора высоты становится практически невозможным, а кровь отливает от головы к ногам, вызывая сильное головокружение , . Инструкторы рекомендуют пассажирам лежать на спине и не вращать головой, так как в условиях гипергравитации вестибулярный аппарат становится гиперчувствительным, что может быстро привести к морской болезни . Именно из-за этого подобные самолеты неофициально называют «рвотной кометой» (vomit comet) .
🔥 Поведение пламени: почему огонь в невесомости меняет форму 3:39
Для первого эксперимента исследователи взяли обычную газовую зажигалку, чтобы сравнить горение в трех разных режимах: при нормальной гравитации (1g), при перегрузке (1,8g) и в полной невесомости (Zero-G) .
В земных условиях (1g) пламя имеет характерную вытянутую каплевидную форму . Это объясняется законами термодинамики и гравитации: продукты горения обладают высокой энергией, нагреваются, расширяются и становятся менее плотными, чем окружающий их холодный воздух . В результате возникает архимедова (выталкивающая) сила, которая заставляет горячий воздух подниматься вверх . Этот процесс естественной конвекции постоянно втягивает свежий кислород снизу, поддерживая непрерывную реакцию горения .
В условиях повышенной гравитации (1,8g) разница в весе между горячим и холодным воздухом увеличивается почти вдвое . Это приводит к тому, что выталкивающая сила возрастает, горячий воздух устремляется вверх с гораздо большей скоростью, а само пламя становится заметно длиннее и тоньше .
В невесомости (Zero-G) физика процесса кардинально меняется . Горячий воздух по-прежнему остается менее плотным, однако из-за отсутствия веса выталкивающая сила полностью исчезает . В эксперименте с зажигалкой пламя не стало идеально круглым только потому, что газ подавался под давлением из сопла . Тем не менее, пламя выглядело крайне необычно и постоянно колыхалось . При горении обычной свечи в невесомости (например, на МКС) пламя принимает форму идеальной сферы .
Поддерживать горение в невесомости крайне сложно: без конвекции кислород не может легко пробиться к источнику топлива, так как продукты горения не поднимаются вверх, а скапливаются вокруг зоны химической реакции, блокируя приток воздуха . Во время эксперимента Дерека Мюллера от пламени в невесомости отделялось аномально большое количество дыма из-за неполного сгорания углерода . Ведущий резюмирует, что наблюдение за формой пламени — это отличный способ мгновенно определить уровень гравитации в помещении .
🌀 Эксперимент со слинки: вращение вопреки интуиции 5:49
Второй эксперимент Дерек Мюллер провел со знаменитой игрушкой-пружиной слинки . На Земле под действием собственного веса подвешенная пружина растягивается. В условиях невесомости подвесить ее таким образом невозможно, поэтому Мюллер применил другой подход: он начал вращать пружину вокруг своей головы, имитируя равномерное круговое движение , . Каждое кольцо слинки растягивалось, обеспечивая натяжение, необходимое для поддержания кругового вращения .
Основная цель эксперимента заключалась в том, чтобы зафиксировать на камеру с высокой частотой кадров, что произойдет с концом пружины, если ее внезапно отпустить .
После того как ведущий отпустил слинки, она не сжалась, а продолжила лететь в растянутом состоянии, вращаясь практически с той же частотой, что и до этого , . По признанию Мюллера, изначально он посчитал этот результат скучным и неудачным . Однако детальный физический анализ показал глубокую суть произошедшего:
- Сила тяжести (вес) вообще не фигурировала в уравнении деформации этой пружины во время полета .
- Пружина растянулась исключительно за счет центробежного эффекта во время вращения .
- Поскольку после отпускания слинки продолжила вращаться по инерции, внутреннее натяжение витков пружины продолжало выступать в роли центростремительной силы, необходимой для поддержания этого кругового движения .
- В результате слинки осталась растянутой и вращалась на месте без сжатия .
Этот эксперимент, по мнению Мюллера, наглядно демонстрирует, насколько сильно человеческая интуиция ограничена земным опытом постоянного воздействия гравитации . Подобные опыты доказывают критическую важность проведения научных исследований непосредственно в условиях микрогравитации .
