Lucia Bruning
CI "'
~ ~j •
1/"- ~
aarom draait de aarde om de zon? En waarom zijn de astronauten in het ruimtestation Mir gewichtlaos? Vragen waar je vast wei eens bij stil hebt gestaan. Het heeft allemaal te maken met zwaartekracht. Maar wat is zwaartekracht; je kunt het niet zien, niet horen, maar je kunt het effect van zwaartekracht wei voelen. In het eerste gedeelte van dit artikel blijven we nag dicht bij huis, op aarde. Daarna gaan we kijken welke invloed de , zwaartekracht heeft in het zonnestelsel. Tenslotte gaan we nag verder het heelal in en duiken we in mysterieuze zwarte gaten.
W
zijn zware maanpak enorme sprongen maken . Hoe kleiner de zwaartekracht , hoe hoger je kunt springen. Ais de zwaartekracht heel klein zou zijn , zou je zelfs nooit meer naar beneden vallen maar altijd omhoog blijven gaan, inderdaad, net als een raket! Niemand weet precies hoe zwaartekracht zwaartekracht, waardoor andere voorw erpen worden aangetrokken. ~ . Grote zware
.'lI:
voor
~~~
werpen hebben een , sterkere zwaartekracht dan kleine lichte voorwerpen. Ook jij hebt dus een piepkleine zwaartekracht! (Dit betekent ook dat wanneer je een steen laat vallen, dat niet aileen de steen naar beneden
f
Aantrekkingskracht DEPLANETEN VAN ONSZONNESTELSEL: DE GROTE, ZWARE PLANETENHEBBEN EEN STERKERE ZWAARTEKRACHT
De aarde draait om de zon, omdat de aarde naar de zon toegetrokken wordt. Die aantrekkingskracht noemen we zwaartekracht. Zwaartekracht zorgt er ook voor dat de Maan om de aarde draait. Ais er geen zwaartekracht zou zijn en je zou zo hoog springen als je kunt, wat zou er dan gebeuren? Zou je in de lucht stil blijven hangen of zou je als een raket omhoog schieten? Om daar achter te komen zou je een reis naar de Maan moeten boeken. Omdat de Maan kleiner is dan de aarde, is de aantrekVrije val tijdens een parachute sprong
valt, maar dat de aarde ook een heel klein beetje omhoog komt!) Zwaartekracht kun je niet zien, niet horen , niet ruiken, niet proeven, maar het effect van zwaartekracht kun je wei voelen. De aantrekkingskracht van de aarde voel je wei, maar die van normale voorwerpen gelukkig niet. Het zou anders maar een zooitje worden ...
Vrije val
kingskracht van de Maan ook minder sterk. De astronaut Neil Armstrong , die in 1969 als eerste een voet op de Maan zette, kon ondanks
~
Universum 1-199S
~
_____
~
Ais je met een parachute uit een vliegtuig springt zul je steeds sneller naar de aarde vallen. Parachutisten noemen dat de vrije val. Door de aantrekkingskracht neemt je vfJ.lsnelheid tijdens de vrije val steeds toe . Op een gegeven moment wordt de parachute openge-
__________--...,-.",_______
",""""""",,,,,,,,,o:...-J_~""""'
_ _ _ _ _ _ __
=_
trokken. Door het grote oppervlak van de parachute is de weerstand van de lucht zo groot dat je niet meer sneller valt. Zonder wrijving van de lucht zou je snelheid tijdens de val blijven toenemen en zou je tegen de grond te pletter slaan. Maar hoe groot is deze valversnelling tijdens de vrije val? Met een eenvoudig proefje kun je zelf de grootte van de valversneliing bepalen .
kunt zelf de valversnelling op aarde hor'o!lt:>_' door aaneen touw >heefl en weer te cmnno_, In.sp(:}~ltuinen of in .een sporthal zijn er touwen waar je aan kunt slingeren. Je wei' iemand n"odig die je kan "'ol".o,n IIIA.o,h ... ,.. · secondewijzer op het horloge bepaal tijd waarln je ean keer heen en weer .......,..; .. " noem jeT. Doe dat e.~n aantal keren en het gemiddelde van de tijden, dat is 1n.000'lIu'cn. NattJurlljk kun j e het proefje ook een klein voorwerp aan een touwtje te en dat heen .91\1weer te laten slingeren!. 001<: de lengte van \'let touw in meters. L. Vul de waarde voor de tljd en de deforli1ule:
Eigenlijk veranderen ze zichzelf in een kleine parachute
De scheve toren van Pisa De Italiaan Galileo Galilei werkte in de zestiende eeuw op de universiteit van de stad Pisa . In die tijd dacht men dat kogels sneller vielen als ze zwaarder waren . Toen Galileo vijfentwintig jaar oud was wilde hij laten zien dat iedereen het bij het verkeerde eind had en dat aile voorwerpen even snel vallen. Het verhaal gaat dat hij naar de klokkentoren in de stad is gegaan. Terwijl Galileo de trappen van de scheve toren beklom , verzamelden zich beneden aan de voet van de toren wetenschappers en studenten. Boven aan de toren gekomen liet G a I i leo twee kogels _ tegelijkertijd naar bene den valien ,
js
9 = (6,~8 x L)I(T x T) De valversnelling heeft het symbool g. Ais je het proefje uit het kader goed hebt gedaan , dan heb je gevonden dat geldt: 9 = 9,8 m/s2 . Dat betekent dat tijdens de vrije val je snelheid elke seconde met een snelheid van 9,8 m/s toeneemt. Na een seconde heb je een snelheid van 9,8 m/s (=35 km/uur. Je valt dan van 4,90 meter), na twee secondes een snelheid van 19 ,6 m/s (=71 km/uur en al een val van 19,6 meter) en na drie secondes al 29 ,4 m/s (=106 km/uur en een val van maar liefst 44 meter!). Aile voorwerpen worden even hard door de aarde aangetrokken en daarom vallen ze even hard naar beneden . Maar hoe zit dat dan? Ais je een steen en een blad papier boven je hoofd houdt en tegelijkertijd los laat, hoor je even later dat de steen op de grond valt. Terwijl de steen al op de grond ligt zie je het vel papier rustig naar beneden dwarrelen. Dat komt door de wrijving van de lucht. Door het grote oppervlak en het andere materiaal en afmetingen van het vel papier is de tegenwer,king van de lucht groter dan bij de steen , waardoor het langer duurt voordat het papier op de grond is, KaUen die op de vierde verdieping van het balkon duikelen komen meestal weer heelhuids op hun pootjes terecht. Tijdens de val tuimelen ze rond en strekken ze zich zoveel mogelijk uit.
houten kogel. Scheve toren van pisa. Bijna tegelijkertijd sloegen de beide kogels in op de plavuizen aan de voet van de toren. In Pisa zie je nog steeds toeristen voorover gebogen zoe ken naar de afdrukken van de kogels op de plavuizen. Maar of die er echt zijn ..... ** *
Ontsnappen aan de aarde Ais je omhoog springt, val je uiteindelijk weer te rug naar de aarde. De aarde trekt je weer terug. Om aan de aarde te kunnen ontsnappen moet een raket met een steeds grotere snelheid voortgestuwd worden om los te komen van de aarde. Wanneer de raket een snelheid heeft bereikt van meer dan 11 km per seconde kan de raket ontsnappen aan de zwaartekracht van de aarde. Die snelheid wordt de ontsnappingssnelheid genoemd. Het is nog niet zo
~~~~~~~~_______~~~~~~~~~~~~~~~~~~~_M__ ~__ml~_~
eenvoudig om een raket te bouwen die genoeg stuwkracht heeft om deze ontsnappingssnelheid te bereiken. Aileen maar een grote brandstoftank aan de raket koppelen is niet genoeg, omdat de massa van al die extra brandstof en de tank ook weer omhoog gebracht moet worden. Chemische brandstoffen kunnen namelijk maar een beperkte stuwkracht per kilo verb rande brandstof opleveren. De oplossing voor dit probleem werd gevonden in de bouw van meertrapsraketten. Zo'n meertrapsraket bestaat uit verschillende kleinere raketten, die op elkaar geplaatst zijn. De onderste raket wordt afgevuurd en stuwt het hele gevaarte omhoog totdat aile brandstof verbruikt is. De lege raket wordt losgekoppeld en de volgende raket neemt het werk over. Deze heeft intussen al een hoge snelheid bereikt en hoeft de lege raket niet meer mee omhoog te nemen. Een raket voor op Mars is wat makkelijker te maken. Daar hoef je "maar" met 5 km/s omhoog te gaan. Een "J CJ piterraket" is echter juist heel moeilijk te bouwen. Pas met 60,2 km/s kun je aan die planeet ontsnappen!
Gewichtloos Astronauten die in de Spaceshuttle of het ruimtestation Mir verblijven zijn gewichtloos. Zolang je nog vastgesnoerd zit in je stoel is er niets aan de hand, maar als je eenmaal door de Shuttle zweeft begint de ellende. Je wordt duizelig en misselijk, hetzelfde gevoel als je zeeziek bent. Op aarde is het allemaal heel duidelijk wat boven en onder is, maar wie staat er in de ruimte eigenlijk op z'n kop? Gewichtloos zijn heeft ook voordelen. Je kunt je met €len yinger afzetten. Erg moe hoef je dus niet te worden, maar kijk uit want voor je het weet bots je ergens tegenaan!
*
Maar in tegenstelling tot een sjoelbak schuift de puk niet over het blad van de tafe!. De puk ligt op een klein laagje lucht, waardoor de wrijving met de tafel heel klein wordt. Daardoor schiet de puk met grote snelheid over de tafel en moet je heel snel reageren. Dat heeft te maken met een natuurwet, die Newton op het spoor kwam. Ais er geen tegenwerkende krachten zijn, zoals wrijving, blijf je met dezelfde snelheid vooruit bewegen . Ais je in een ruimtestation afzet, is er niets wat je tegen houdt en voor je het weet stoot je je hoofd!
Interplanetaire startbaan De bemande reizen naar de Maan waren al een gigantische onderneming. Andere manen en planeten in het zonnestelsel staan zo ontzagwekkend ver weg dat het jaren duurt voordat je op je bestemming zult komen. Voor het onderzoek aan manen en planeten worden daarom onbemande ruimtesondes ingezet. De snelheid van zo'n ruimtesonde moet groot genoeg zijn. Daarom maakt de sonde een omweg langs andere planeten alvorens op weg te gaan. Steeds wanneer de sonde langs een planeet wordt gestuurd , neemt zijn snelheid toe, doordat de zwaartekracht van de planeet aan het ruimtescheepje trekt. Voor een rechtstreekse reis zijn de meeste raketten niet krachtig genoeg. Een paar rondjes over de interplanetaire startbaan helpt de ruimtesonde daarom alvast op weg. Helaas duurt het daardoor wei langer tot de sonde bij de planeet aangekomen is.
Een partijtje voetbal op een komeet
Kometen zijn vuile sneeuwballen , die in een langgerekte baan om de zon bewegen . Wanneer de komeet in de buurt van de zon komt, smelt het ijs langzaam. Het oppervlak van de komeet is dan bedekt met talloze fonteinen van gas en stof. De gas- en stofstaart maakt de komeet tot een indrukwekkende verschijning aan de sterrenhemel. Toch is een komeet maar klein; een paar kilometer in doorsnede. De zwaartekracht van zo'n komeet is dus maar zwak. Stel je voor dat je op zo'n komeet bevindt. Wanneer je een sneeuwbal gooit, komt die nooit meer terug. Kijk uit als je springt, want op een komeet ben je gevaarlijk sterk! Een partijtje voetbal zou er heel anders uitzien. Wanneer je je afzet om de bal in het doel te kopMisschien heb je wei eens bij zo 'n grote Gewichtloos in de Spaceshutt/e pen, spring je wei 30 kilometer hoog en speeltafel staan kijken. pas na een dag of tien sta je weer met bijde benen op de "grond", mocht je die nog De twee spelers proberen de puk op de tafel in het doel van de tegenstander te schuiven. kunnen vinden ...
Un"ersom 1-1998
Einstein's zwaartekracht In het eerste gedeelte over zwaartekracht, zijn we nog dicht bij huis gebleven. We hebben gekeken naar de invloed van zwaartekracht op aarde en in het zonnestelsel. Maar nu gaan we verder het heelal in om te kijken wat zwaartekracht met de ruimte om ons heen doet. ***
Lichtsnelheid Wanneer je in huis het licht aandoet, verlicht de lamp meteen aIle hoeken van de kamer. Het licht gaat zo snel dat je niet ziet dat het even duurt voordat het licht de kamer overgestoken is. Het licht heeft een snelheid van bijna 300.000 kilometer per seconde. De zon staat 150 miljoen kilometer van ons vandaan, het zonlicht heeft nog een dikke acht minuten nodig om die afstand te overbruggen.]
De zon is meer dan driehonderdduizend keer zwaarder dan de aarde . De zwaartekracht van de zon is dus ook veel sterker dan op aarde. Niet aIleen zorgt die kracht ervoor dat aile planeten rondom de zon bewegen, maar die zwaartekracht is zelfs zo sterk dat het licht niet zomaar langs de zon kan . Albert Einstein had al berekend dat Afbuigen van het licht van het licht van een ster een ster, dat normaal gesproken rechtdoor zou bewegen wordt, in de buurt van de zon wordt afgebogen. Het lijkt dan alsof de ster op een andere plek staat, maar je ziet hem aileen maar op een andere plek. Er waren aan het begin van deze eeuw een heleboel wetenschappers die Einstein niet geloofden. Volgens zijn berekeningen moest het a"emaal wei kloppen , maar de wetenschappers wilden het graag met eigen
ogen zien. En dat was niet zo makkelijk, want als sterren in de buurt van de zon staan , wordt het licht van de sterren overstraald door dat van de zon. Daarom moesten ze wachten tot de eerst volgende zonsverduistering. Door de chaos tijdens de eerste wereldoorlog kon er pas in 1919 een expeditie georganiseerd worden. Er werden foto's gemaakt van de hemel in de buurt van de verduisterde zon. Deze opnamen werden vergeleken met foto's van de sterrenhemel als de zon er niet stond . Door de foto's met elkaar te vergelijken , kon Einstein zijn theorie ook bewijzen. De belangrijkste Londense krant "Times" maakte het grote nieuws bekend als "Revolutie in de wetenschap". Het afbuigen van het licht van sterren in de buurt van de zon was het bewijs dat de ruimte in het heelal gekromd was. (Zo'n "kromming" betekent dat de gewone 3dimensionale ruimte "gebogen" wordt in een 4e dimensie. Vergelijk het maar met de aarde: die lijkt plat (2-dimensionaal) maar is eigenlijk bol , en dus 3-dimensionaal!) De kromming van de ruimte is groter in de buurt van een voorwerp met een grate massa, zoals de zon . Of anders gezegd: op plaatsen waar de zwaartekracht groot is, is de ruimte meer gekromd! Doordat de ruimte in het heelal gekromd is, bewegen objecten in het heelal in bepaalde banen. De planeten draaien dus om de zon , doordat de zon de ruimte om haar heen op een bepaalde manier kromt. Einstein zei het zo: "De ruimte vertelt de massa hoe het zich moet gedragen , en de massa vertelt de ruimte hoe het zich moet gedragen".
Zwarte gaten De zon is veel zwaarder dan de aarde, maar is eigenlijk maar een gewone ster. Tussen de sterren bevinden zich enorme zware reuzen, vele malen zwaarder dan onze zon. Deze reuze sterren zu"en de ruimte dus nog veel sterker krommen dan de zon dat doet. Wanneer zo'n zware ster aan het eind van haar leven ineenstort, ontstaat een zwart gat. De zwaartekracht van een zwart gat- is zo sterk dat alles erdoor wordt opgeslokt: licht, ruimte en tijd. Dat maakt een zwart gat zo geheimzinnig, want hoe weet je dan dat het er is? Raketten moeten met een snelheid van meer dan 11 kilometer per seconde voortgestuwd worden om aan de zwaartekracht van de aarde te kunnen ontsnappen. Bij de zon is dat al meer dan 600 km/s. Maar in een zwart gat is de snelheid van het licht niet eens groot genoeg om aan de zwaartekracht te kunneontsnappen!
"Het is zwart, en het lijkt op een gat. Ik zou zeggen da~ het een zwart gat was.
Wormgaten De zwarte gaten zijn de oorzaak van de sterke kromming van de ruimte. Maar het kan nog pig blijft dat nog wei even toekomstmuziek. Maar wie weet wat voor een verrassingen de veel gekker. Wormgaten zijn een soort tunnels door de ruimte, waardoor ver uit elkaar gelegen zwaartekracht nog meer voor ons in petto heeft. punten in het heelal met elkaar verbonden worden. Tegelijkertijd zijn het sluipwegen waardoor je sneller dan het licht van de ene plek naar de andere kunt reizen. Wormgaten zijn dus zeer sterke vervormingen van de ruimte, _ _ _ _ _~' _ _-~........-q~maar niemand heeft ze nog gezien. Het is ook moeilijk om voor te stellen hoe zo'n wormgat eruit ziet . Dat komt omdat de wereld om ons heen 3-dimensionaal is en het is bijna niet voor te stellen dat de werkelijkheid uit meer dimensies bestaat. Toch worden wormgaten al vaak gebruikt in sciencefiction verhalen. In die verhalen reizen ruimteschepen via de tunnels in korte tijd van de ene ster naar de andere. Voorlo-
~um_."m'4008~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~i
