Hyppää pääsisältöön

"Oksennuskomeetta" – ja viisi muuta yllättävää asiaa painovoimasta

Painottomuuslentokone
Kun lentokone syöksyy äkkijyrkästi alaspäin, syntyy painottomuuden tila. Painottomuuslentokone Kuva: ESA / Novespace painottomuus,lentokoneet,Airbus,tutkimus,Astronauttien koulutus

Painottomuudessa käy ilmi, miten painovoima vaikuttaa ihmiseen. Niin hyvässä kuin pahassa. Mitä painovoima oikein on?

Vomit Comet, eli "Oksennuskomeetta" oli leikkimielinen nimi Nasan lentokoneelle, jolla lennettiin painottomuuslentoja. Se lensi ylös alas vuoristorataa ja alaspäin syöksyessään syntyi painoton tila, jossa astronautit harjoittelivat painottomuutta. Matkustusmuoto sai monet hieman pahoinvointisiksi.

Pääsin testaamaan, miltä tämän päivän painottomuuslennot tuntuvat, josta kerron lisää myös tässä Tiedeykkösessä.

Painovoima on kuin ilma, sitä tulee harvoin ajatelleeksi. Se vetää meitä koko ajan alaspäin, ja koska kaikki täällä maapallolla on tottunut tähän jatkuvaan voimaan, pidämme sitä itsestäänselvyytenä.

Painottomuus paljastaa kuitenkin painovoimasta yllättäviä seikkoja.

1. Ihminen alkaa sopeutua painottomuuteen heti

Painottomuuslennoilla painottomuutta on vain noin 20 sekuntia kerrallaan, mutta jo siinä ajassa saadaan selville paljon mielenkiintoisia asioita.

Tässä ajassa ennätetään esimerkiksi tekemään metalliseoksia, joita ei voi tehdä normaalisti Maan pinnalla.

Siinä voidaan tutkia muun muassa kaasuja ja nesteitä. Painottomuudessa ei tapahdu kellumista tai sedimentaatiota (eli nesteet ja kaasut eivät järjesty ja liiku massansa mukaisesti). Näiden tutkiminen on tärkeää siksi, että avaruudessa tarvitaan laitteita, jotka normaalisti Maan pinnalla toimiessaan käyttävät näitä ilmiöitä hyväkseen.

On parempi testata niiden toimintaa ensin painottomuuslennolla ja käyttää vasta sen jälkeen avaruudessa.

Painottomuuslennoilla ennätetään tutkia myös paljon myös biologiaa sekä ihmisen käyttäytymistä ja toimintaa painottomuudessa. On yllättävää, että jo 20 sekunnin pienen pyrähdyksen aikana ihminen alkaa sopeutua jo painottomuuteen. Ihmisen käyttäytyminen ja aivotoiminta muuttuu.

Sydämen lyöntitiheys laskee ja verenpaine muuttuu, koska veri jakaantuu kehossa eri tavalla. Painottomuudessa veri ei pakkaannu jalkoihin ja alaruumiiseen, joten sitä virtaa enemmän esimerkiksi päähän. Aivot saavat enemmän happea, mutta samalla pää tuntuu paisuvan ja olotila on hämmentynyt, joten lisäboostista ei ole ainakaan aluksi erityisesti hyötyä.

Myös silmänpaine nousee ja ihmisen reaktionopeudessa on saman tien muutoksia – aluksi se hidastuu, kun uusia ärsykkeitä on niin paljon, mutta myöhemmin painottomuuteen totuttua nopeutuu.

Kun ihminen on pitemmän ajan painottomuudessa, muutokset ovat luonnollisesti suurempia. Esimerkiksi luut ja lihakset alkavat haurastua, koska niitä ei tarvita siinä määrin avaruudessa; täällä Maassahan ne taistelevat koko ajan painovoimaa vastaan.

Jos ihminen jäisi avaruuteen, olisi tämä ihmisen nopea luontainen sopeutuminen uuteen ympäristöön aivan erinomainen asia. Periaatteessa jalat ja kädet voisivat olla ohuita ja heppoisia, jos eläisimme vain vapaana leijuen.

Ongelmaksi tämä muodostuu siksi, että ihmiset ovat (ainakin toistaiseksi) tulleet aina takaisin maapallolle. Paluu painovoiman alla elämiseen on oma sopeutumisprosessinsa ja vie aikaa ja vaatii ponnisteluja niin jo avaruudessa kuin laskeutumisen jälkeenkin.

Koska painottomuudella on paljon pitkäaikaisia vaikutuksia, voidaan näihin asioihin liittyviä tutkimuksia tehdä vain avaruudessa. Painottomuuslennoilla tehtävät kokeet on siksi valittu varta vasten lentokoneissa tehtäviksi.

Tim Peake juoksee Lontoon maratonia avaruusasemalla.
Astronautit kuntoilevat pari tuntia päivässä, jotta heidän lihaksensa ja luustonsa eivät sopeutuisi liikaa painottomuuteen. Jotkut vievät tämän äärimmilleen: brittiastronautti Tim Peake juoksi vuonna 2016 Lontoon maratonin avaruusaseman juoksumatolla samaan aikaan muiden juoksijoiden kanssa. Huomaa elastiset hihnat, jotka pitävät Timin kiinni matossa! Tim Peake juoksee Lontoon maratonia avaruusasemalla. Kuva: ESA astronautit,liikunta,painottomuus,Timothy Peake

2. Painovoima ei katoa avaruudessa

Painovoima, eli gravitaatio on yksi fysiikan neljästä perusvuorovaikutuksista, ja niistä kaikkein kummallisin.

Muut vuorovaikutukset (alkeishiukkasten sisällä oleva vahva vuorovaikutus, atomiytimiä kasassa pitävä heikko vuorovaikutus ja elektronien sekä atomiydinten välillä oleva sähkömagneettinen vuorovaikutus) voidaan selittää nyt käytössä olevalla hiukkasfysiikan standardimallilla, mutta painovoimaa ei.

Painovoiman "keksinyt" Isaac Newton päätteli vuonna 1687, että kappaleiden toisiinsa aiheuttama vetovoima on suoraan verrannollinen niiden massojen tulolle ja kääntäen verrannollinen niiden etäisyyden neliöön.

Albert Einstein tarkensi tätä myöhemmin yleisessä suhteellisuusteoriassa. Siinä se on voima, joka kuvaa perushiukkasten suurten kasautumien välillä olevaa vetovoimaa silloin, kun muiden vuorovaikutusten osuus hiukkasten havaittavassa käyttäytymisessä on vähäinen.

Yksinkertaisesti sanottuna mitä isommat kappaleet ovat ja mitä lähempänä ne ovat toisiaan, niin sitä suurempi on niiden välinen vetovoima. Mitä kauempana kappaleet ovat toisistaan, sitä pienempi on vetovoima. Ja mitä suurempi kappaleiden välinen etäisyys on, sitä pienemmäksi voima tulee.

Painovoima ei siis katoa minnekään avaruuteen noustessa, sillä kaikki avaruudessa olevat kappaleet vaikuttavat toisiinsa. Maa vetää puoleensa satelliitteja ja esimerkiksi Plutoa, samoin kun Linnunradan keskus vetää puoleensa meitä.

Täällä maapallon pinnalla painovoiman huomaa alaspäin suuntautuvana kiihtyvyytenä. Kun pudotan kiven, sen nopeus kiihtyy noin 9,8 m/s2.

Käytännössä ilmanvastus hidastaa vähän ja tarkalleen ottaen luku on hieman eri päiväntasaajalla ja napa-alueilla, mutta periaatteessa tämä on maapallon niin sanottu putoamiskiihtyvyys.

Tämä putoamiskiihtyvyys pitää meidät paikallaan penkillä, jalat kiinni kadussa. Se vetää meitä ja kaikkea muuta ympärillämme koko ajan alaspäin.

Se, miksi planeetat eivät syöksy Aurinkoon, satelliitit Maahan tai tähdet Linnunradan keskustaan, johtuukin ihan muusta. Samoin avaruuden painottomuus johtuu ihan muusta: siitä, että ne putoavat painovoimakiihtyvyydellä (ja siitä enemmän kohdassa 4).

Falcon 9 -kantoraketin toisen vaiheen rakettimoottori toiminnassa ja lentotietoja.
Raketin tehtävänä satelliittilaukaisuissa on paitsi nostaa satelliitti ilmakehän ulkopuolelle, niin myös kiihdyttää se tarvittavaan ratanopeuteen. Falcon 9 -kantoraketin toisen vaiheen rakettimoottori toiminnassa ja lentotietoja. Kuva: SpaceX SpaceX,Falcon 9,Kantoraketti

3. Satelliitit putoavat koko ajan Maan ohitse

Kaikki satelliitit ja avaruusalukset pysyvät avaruudessa siksi, että ne kulkevat ilmakehän ulkopuolella niin nopeasti Maan pinnan suuntaan, että ne putoavat koko ajan maapallon horisontin ohitse. Jos niiden ratanopeus voitaisiin stopata noin vain, niin ne putoaisivat alas.

Sama pätee Aurinkoa kiertäviin planeettoihin ja myös tähtiin, jotka pyörivät Linnunradan keskustan ympäri.

Asian ymmärtää paremmin taas ajattelemalla kiven pudottamista.

Jos oltaisiin Himalajan huipulla, eikä ilmakehää olisi, ja kivi pudotettaisiin alas siten, että sillä ei ole sivusuunnassa vauhtia, niin se tietysti putoaa suoraan alas. Jos kiven heittäisikin kohti horisonttia, niin se putoaa tietysti alaspäin, mutta samalla se lentää kauas heiton suuntaan. Mitä suuremmalla nopeudella kiven heittää, sitä kauemmaksi se putoaa. Jos onnistuisit heittämään kiven noin 28440 kilometrin tuntinopeudella, niin kivi ei putoaisikaan alas, koska maapallon pinta kaareutuu koko ajan sen alla juuri sopivasti siten, että se jatkaa koko ajan putoamistaan. Heittämisen jälkeen kivi kiertäisi maapallon hieman alle puolessatoista tunnissa ja osuisi sinua takaraivoon – tai jos menet sivuun, niin kivi jatkaisi kiertämistään.

Satelliitit pysyvät juuri samaan tapaan kiertoradalla ja koska ne ovat koko ajan putoamisliikkeessä, on niiden sisällä painottomuus.

Niin sanottu Newtonin kanuuna, joka auttaa ymmärtämään ratanopeuden.
Niin sanottu Newtonin kanuuna, joka auttaa ymmärtämään mistä ratanopeudessa on kyse. Niin sanottu Newtonin kanuuna, joka auttaa ymmärtämään ratanopeuden. Isaac Newton,fysiikka,Ratanopeus

4. Olet painoton vapaassa putoamisliikkeessä

Painottomuuden voi kenties helpoiten ymmärtää ajattelemalla hissiä. Jos olet hississä ja sen koria kannattava vaijeri katkeaa, niin sekä kori että sinä alatte putoamaan painovoimakiihtyvyydellä alaspäin. Kori putoaa siis samaa vauhtia kuin sinä, ja siksi leijut itse asiassa korin sisällä.

Jos hissikori vempautettaisiin katapultilla tekemään laajan kaaren ilmassa (eikä ilmanvastus vaikuttaisi), olisi tilanne täsmälleen sama.

Mikäli sama hissi olisi planeettojenvälisessä avaruudessa, niin se alkaisi liikkua siellä sen mukaan, kuinka Maa, Aurinko ja muut planeetat vetävät sitä puoleensa. Kun kaikkien vetovoimat lasketaan yhteen, niin tuloksena on yksi suunta, mihin hissikori alkaa hivuttautua.

Putoavassa hississä harva on ollut, mutta monen maha on muljahtanut autolla mäen nyppylän yli ajaessa. Kun nopeus on sopiva ja nyppylä juuri oikean muotoinen, on auto hetken ajan vapaassa heittoliikkeessä – siis painoton. Maa vetää sitä kuitenkin puoleensa ja auto jysähtää pian asfalttiin.

Samoin keinussa heiluessa aina silloin kun keinu on heilahduksen ylimmässä kohdassa, vatsassa tuntuu jännältä. Sekin on hetkellinen painottomuus.

Painottomuuslennoilla lentokone ohjataan täsmälleen tällaista heittoliikkeen rataa – geometrian tunneilta tuttua paraabelia – pitkin. Koska lentokone lentää hieman autoa nopeammin ja lennettävä paraabeli on mäennyppylää pitempi, kestää painottomuus myös pitempään.

Tyypillisesti "muljahdus" kestää noin 20 sekuntia. Se voisi olla pitempikin, mutta turvallinen lentäminen liikennelentokoneella tekee tempusta juuri tuon mittaisen.

Kuva painottomuuslentokoneen sisältä.
Vaikka painottomuuslennolla olisi kiva temppuilla, tutkijat pysyvät tylsästi kiinni laitteissaan. Kuva painottomuuslentokoneen sisältä. Kuva: ESA / Melanie Cowan painottomuus,tutkimus

5. Voit tehdä painottomuutta kotonakin

Koska painottomuus on yksinkertaisesti vapaasta putoamisliikkeessä olemista, on painottomuutta helppo "tehdä" itsekin: heitä mitä vain ilmaan tai pudota alas, niin tuo kappale on painoton.

Tämän voi nähdä kätevästi siten, että ota esimeriksi puolentoista litran limupullo. Revi siitä muovit ympäriltä pois siten, että pullon sisälle näkee hyvin. Pese ja kuivaa pullon sisusta, ja laita sinne vaikkapa pieniä värikkäitä karkkeja, nappeja tai muita pieniä kappaleita.

Heitä pullo ilmaan ja katso tarkasti mitä pullon sisällä tapahtuu: sisällä olevat kappaleet leijuvat aivan kuten astronautit avaruusaseman sisällä.

Jos lyhyen lennon aikana tätä on vaikea nähdä, niin teippaa kännykkä kiinni pullon kylkeen siten, että kamera näkee sisälle. Laita känny kuvaamaan hidastettua videota ja heitä pullo ilmaan.

Tietystikin nyt kannattaa heittää pullo pehmeään paikkaan tai ottaa siitä koppi, ettei kännykkä mene rikki. Video näyttää selvästi leijumisen.

Jos haluat hifistellä, niin pullon voi korvata esimerkiksi läpinäkyvällä muovisella pakasterasialla ja kännykän toimintakameralla. Kamera kannattaa laitaa kuvaamaan videota 120 tai 240 kuvaa sekunnissa.

Mitä korkeammalle uskallat boksin tai pullon heittää, sitä pitemmän painottomuuden saat aikaan.

Skip Twitter post

Millainen sinun painottomuusvideostasi tuli? Jaa sinäkin videosi sosiaalisessa mediassa #yletiedepainoton.

Lue lisää:

Miltä tuntuu olla painoton?

Painovoima on kuin kahle, joka vetää koko ajan alaspäin. Kun siitä pääsee eroon, näyttäytyy maailma erilaisena ja voit liikkua kolmessa ulottuvuudessa. Se on upea tunne, jota jää kaipaamaan.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

Ylen tiedekirje

Ylen kiinnostavimmat tiedejutut sähköpostiisi joka sunnuntai!

Tilaa

Uusimmat sisällöt - Tiede