Tyngdekraft er et frittfall

Gravitasjon. Dette fenomenet som holder oss nede på bakken, og som gjør at vi blir dratt ned selv om vi forsøker å hoppe opp i lufta. Gravitasjonen gjør at bl.a at vi kan veie oss på badevekta og se om vi blir feitere av å spise kaker og annen usunn mat.

Isaac Newton kalte det tyngdekraft og mente det var en kraft som drar oss ned mot bakken. Albert Einstein kalte det krummet romtid og sammenlignet det med en fleksibel gummiduk der masseobjekter lager ulikt dype gravitasjonsbrønner. Lette objekter danner knapt synlige dumper i duken, mens tunge objekter danner dype, trompetformede brønner som påvirker duken langt utover fra objektet.

Krummet «romtid»? Romtid er rom ganget med tid, av og til kalles det også «tiderom». Rom er de tre romdimensjonene vi er vant til: frem og tilbake, sideveis, og opp og ned. X, y og z. Einstein mente at tiden var en fjerde dimensjon, uløselig knyttet til de andre. Dette formulerte han i den generelle relativitetsteorien, som ble publisert i 1915. Noe av det han påstod var at masseobjekter deformerer rommet de befinner seg i, slik som den nevnte gummiduken. Dessuten bremses tiden nede i disse gravitasjonensbrønnene, mer tidsbremsing jo dypere ned i brønnen man kommer. 

Siden har har utallige forsøk vist at Einstein hadde rett. Mye av det vi bruker i hverdagen ville ikke fungert hvis vi ikke hadde tatt hensyn til at gravitasjon bremser tiden, f.eks ville GPS vært ubrukelig. Tiden går nemlig litt tregere nede på bakken enn ute i verdensommet der GPS-satelittene sirkler rundt jorda i sine satelittbaner.

Men en sånn gummiduk er jo bare todimensjonal, og rommet er tredimensjonalt. Ja, og romtiden er firedimensjonal. Hjernene våre klarer ikke helt å fatte sånt. Så finnes det en annen måte å se dette på som er lettere å skjønne? Ja, og fenomenet ble også beskrevet i den generelle relativitetsteorien, nemlig såkalt frittfall. Selv Newton var på sporet av frittfallet, men han var opphengt i den mystiske tyngdekraften.

Frittfall er det som tillater satelitter i å gå i omløpsbaner rundt jorda, det er frittfall som holder planetene i baner rundt sola, og det er frittfall som holder oss trygt nede på bakken. Hvis det ikke var for gulvet eller bakken vi står på, så ville vi falle innover mot jordas sentrum. Det er jordas blokkering av vårt frittfall mot jordas indre som vi opplever som tyngde, det er dette vi måler på badevekta.

Vi opplever frittfall hvis vi faller eller hopper utfor en kant. Selv når vi hopper opp i lufta, så opplever vi et frittfall inntil vi igjen treffer gulvet eller bakken. Du rekker neppe å føle deg vektløs i et sånt hopp, men faktisk er du vektløs i hele hoppet, fra du forlater underlaget til du treffer underlaget igjen. På tivoli, på bakketoppene av berg- og dalbaner og på toppen av oppskytingstårn kan man oppleve vektløshet så lenge at det er merkbart, kanskje et sekund eller to.

De som utdanner seg til astronauter kan kjenne på vektløshet i flere sekunder av gangen i spesielle flyturer, der flyet føres i parabelbaner, som etterligner frittfall, omtrent som en diger berg- og dalbane. Ofte blir noen av deltagerne så dårlige av opplevelsen av vektløshet at de kaster opp, derfor kalles disse flyturene (uoffisielt) for «vomit comet»(oppkastkometer).

Men er man egentlig vektløs i verdensrommet? Nei, egentlig ikke. Romstasjonen ISS går i en bane omtrent 400 km over jordoverflaten. Hvis man hadde laget et 400 km høyt tårn og veid noen oppå der, så ville de veid 90% av det de veier nede på bakken. Årsaken til at astronautene likevel opplever vektløshet er at både de og romstasjonen går i samme frittfallbane rundt jorda.

Einstein sammenlignet frittfall med en fritthengende heis uten vinduer som ble sluppet fra stor høyde mot bakken. En person inne i heisen ville føle seg vektløs, fordi både personen og heisen faller like fort, de har samme frittfallbane. Sånn er det med astronautene ombord på romstasjonen også, de faller like fort mot jorda som romstasjonen. Men samtidig har de en så stor sideveisfart at både de og romstasjonen hele tiden bommer på jorda. Jorda har også en så stor sideveisfart at den ikke faller inn i sola, jordas banehastighet rundt sola er omtrent 107 000 km/t. Vi merker ikke denne hastigheten, for vi har jo på en måte samme frittfallbane rundt sola som jorda. Jorda er «romskipet» vårt i ferden rundt sola. én runde er det vi kaller et år.

Heiseksperimentet bør man ikke forsøke, for i det øyeblikket heisen treffer bakken så blir det en brutal bråstopp både for heisen og personen inne i den. Men man kan lage et enkelt eksperiment med ei vannflaske som viser at det virkelig er sånn at noe inne noe annet opplever samme frittfallbane og derfor vektløshet. Man borer små hull langs bunnen av flaska og fyller flaska med vann. Dette vannet vil selvsagt sprute ut av hullene, men hvis man slipper flaska så slutter faktisk vannet å sprute ut av hullene, for vannet i flaska og flaska er i samme frittfallbane inntil flaska treffer bakken. Dette betyr at så lenge flaska faller, så «opplever» vannet på innsiden vektløshet i forhold til flaska, dermed forsvinner årsaken til at vannet spruter ut av hullene.

Hvis dere er flere kan én slippe flaska mens en annen, eller flere, filmer flaska i fallet. Hvis dere filmer med flere bilder per sekund enn normalt, så blir resultatet såkalt «slow motion» når det vises etterpå. Bruk plastflasker, de gir ikke skarpe biter som kan skade folk og dyr, slik glassflasker vil gjøre. Kanskje dette flaskeeksperimentet kan bli en kul greie på sosiale media? Lykke til!

Les mer:
Gravitasjon = krummet romtid (Kjekt å vite)
Krummet romtid, et reelt fenomen (Kjekt å vite)