Zwaartekracht

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