Gravitacija Žemėje yra tarsi „foninis triukšmas“, užgožiantis grynus molekulinius procesus – difuziją, skysčių paviršiaus įtempimą ar subtilius dinamikos dėsnius. Vos tik ją „paslepiame“ laisvajame kritime, išvystame visai kitokį, tobulų sferų ir difuzijos valdomą pasaulį. Tarptautinė kosminė stotis (TKS) tampa unikalia fizikos laboratorija, kurioje įprasti reiškiniai vyksta visiškai neįprastai.
Tarptautinė kosminė stotis yra tobula mikrogravitacinė laboratorija
Ugnies sfera orbitoje
Nuolatinis laisvasis kritimas iš esmės pakeičia mums įprastus termodinamikos procesus. Puikiausias to įrodymas – ugnis. Žemėje vandens lašas dėl traukos ištįsta, o uždegta žvakė dega visiems pažįstama „ašaros“ formos liepsna. Tačiau mikrogravitacijoje vandens lašai virsta taisyklingomis sferomis, o ugnis orbitoje elgiasi stulbinamai kitaip ir taip pat išsiplečia į tobulą sferą.
Šio skirtumo priežastis yra dvi skirtingų fizikinių reiškinių, konvekcijos ir difuzijos, pasireiškimas. Kai uždegate žvakę Žemės paviršiuje, liepsna įkaitina aplinkinį orą. Karštas oras plečiasi, tampa mažiau tankus (lengvesnis) už šaltą, todėl planetos gravitacija stumia jį aukštyn – veikia Archimedo jėga. Šis nuolatinis įkaitusio oro kilimas ir šalto deguonies srautas iš apačios sukuria konvekciją, kuri ištęsia liepsną į viršų ir suteikia jai geltoną spalvą dėl įkaitusių, bet nespėjusių sudegti suodžių dalelių.
Ugnies forma Žemėje ir mikrofravitacijos sąlygomis
Paminėsime ir JAV astronautą Reid Wiseman bei jo atliktą eksperimentą FLEX-2: kaip dega ugnis mikrogravitacijos sąlygomis ir kaip ją užgesinti.
Difuzija TKS orbitoje
Tarptautinė kosminė stotis (TKS) ir joje esantis oras krenta vienodu pagreičiu, o gravitacinė konvekcija tiesiog išnyksta. Nelieka sąvokų „lengvesnis karštas oras“ ar „sunkesnis šaltas oras“, įkaitusios dujos niekur nekyla ir lieka vietoje. Naujas deguonis prie ugnies šaltinio patenka tik per difuziją, molekulėms netvarkingai ir lėtai maišantis erdvėje. Šiam procesui vykstant vienodu greičiu visomis kryptimis, liepsna išsiplečia į tobulą sferą, o pati ugnis dega kur kas lėčiau ir ramia, melsva spalva.
Ugnis nėra vienintelis reiškinys, orbitoje atsiskleidžiantis visiškai naujai. Pašalinus juntamą svorį, pasikeičia fundamentalūs skysčių mechanikos ir medžiagų fizikos procesai.
Vandens virimas
Žemėje kaitinamas vanduo plečiasi ir dėl konvekcijos kyla aukštyn. Garų burbuliukai, genami tos pačios Archimedo jėgos, lengvai atsipalaiduoja nuo indo dugno ir veržiasi į paviršių, sukurdami mums įprastą kunkuliavimą su tūkstančiais burbuliukų. TKS orbitoje konvekcijos nėra, todėl garų burbulai niekur nekyla. Jie lieka prie kaitinimo elemento, jungiasi vieni su kitais ir suformuoja vieną milžinišką garų burbulą paties skysčio viduryje. Šilumos perdavimas tokiame vandenyje vyksta ne per maišymąsi, o tik per labai lėtą šilumos laidumą.
Skysčių maišymas
Žemėje supylus aliejų ir vandenį į vieną stiklinę ir netgi sumaišius, dėl skirtingo medžiagų tankio gravitacija sunkesnį vandenį nutempia žemyn, o lengvesnis aliejus išstumiamas į paviršių. TKS orbitoje nėra juntamo svorio skirtumo, Archimedo jėga neveikia. Stipriai sumaišius aliejų su vandeniu, jų lašeliai sudaro vientisą emulsiją, pakibusią erdvėje, ir savaime jie niekada neišsiskirs į du atskirus sluoksnius.
Kristalų augimas
Žemėje, kuomet tirpale auga kristalas, aplink jį kinta skysčio tankis. Tai sukelia mikroskopinius konvekcinius srautus, judinančius tirpalą ir sukuriančius netolygumus bei defektus pačioje kristalinės gardelės struktūroje. TKS orbitoje medžiagos tirpale juda tik per lėtą, tolygią difuziją. Kristalai orbitoje auga neįtikėtinai lėtai, tačiau išauga stulbinamai dideli ir struktūriškai tobuli – pasiekiama tobula simetrija be jokių defektų. Būtent dėl šios priežasties farmacijos ir medžiagų mokslo laboratorijos TKS yra ypač vertingos – čia auginami tobuli baltymai vaistų tyrimams.
Džanibekovo efektas
Jei termodinamikoje ir hidrodinamikoje mikrogravitacija išryškina difuziją, tai teorinėje mechanikoje ji leidžia pamatyti sunkiai suvokiamą sukamojo judėjimo paradoksą – Džanibekovo efektą. Žemėje šį reiškinį trumpam galima pastebėti ore išmetus teniso raketę ar knygą (fizikoje jis dar vadinamas teorema apie teniso raketę), tačiau gravitacija ir oro pasipriešinimas greitai nutraukia eksperimentą. Orbitoje jis gali tęstis be galo.
1985 m. sovietų kosmonautas Vladimiras Džanibekovas pastebėjo keistą reiškinį: stotyje atsukama ir erdvėje paleista skrieti veržlė su sparneliais (arba T formos rankenėlė) elgiasi lyg užkerėta. Ji kurį laiką stabiliai sukasi aplink savo ašį, skrieja į priekį, o tada staiga, tarsi pati savaime, apsiverčia 1800 kampu ir tęsia sukimąsi jau „aukštyn kojomis“. Dar po kelių sekundžių ji vėl apsiverčia atgal.
Džanibekovo efekto paslaptis slypi sukamojo kūno inercijos ašyse. Kiekvienas trimatis objektas turi tris pagrindines inercijos ašis: mažiausio inercijos momento ašį (pvz. išilginė veržlės ašis), didžiausio inercijos momento ašį (ašis, apie kurią kūnui suktis sunkiausia) ir tarpinę inercijos ašį (viduriniąją).
Klasikinė mechanika sako, kad sukimas aplink mažiausią ir didžiausią ašis yra visiškai stabilus. Tačiau sukimas aplink tarpinę ašį yra dinamiškai nestabilus. Bet koks mažiausias virpesys, kurį suteikia kosmonauto pirštai paleidžiant objektą, orbitoje pradeda eksponentiškai stiprėti. Sukaupta kinetinė energija periodiškai „persilieja“ į kitą judėjimo kryptį, priversdama skriejantį kūną daryti reguliarius, periodiškus salto erdvėje.
Šis fenomenalus efektas dar kartą įrodo: kai išjungiami Žemės paviršiaus aplinkos veiksniai, mikrogravitacija atveria duris tyrinėti pačią tyriausią, vadovėlinę fiziką.