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Apesanteur

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Apesanteur est l'expérience (par des personnes et des objets) pendant la chute libre, de n'avoir aucun poids apparent. Cette condition est également connue sous le nom de microgravité. L'apesanteur dans un vaisseau spatial commun n'est pas due à une distance accrue de la Terre; l'accélération due à la gravité à une altitude de 100 km n'est que de 3% inférieure à celle de la surface de la terre. L'apesanteur signifie une force g nulle ou un poids apparent nul; l'accélération est uniquement due à la gravité, contrairement aux cas où d'autres forces agissent, notamment:

  • debout sur le sol, assis sur une chaise sur le sol, etc. (la gravité est contrée par la force de réaction du sol)
  • voler dans un avion (la gravité est contrée par la portance fournie par les ailes) - voir ci-dessous pour les trajectoires spéciales qui font exception
  • rentrée atmosphérique, atterrissage sur un parachute: la traînée atmosphérique décélère le véhicule
  • lors d'une manœuvre orbitale dans un vaisseau spatial: la fusée fournit la poussée

La différence est que la gravité agit directement sur une personne et d'autres masses, tout comme sur le véhicule, tandis que des forces comme la traînée et la poussée atmosphériques agissent d'abord sur le véhicule, et à travers le véhicule sur la personne. Dans le premier cas, la personne et le plancher du véhicule ne sont pas poussés l'un vers l'autre, alors que dans les autres cas ils le sont.

Présentation

Ce que les humains ressentent comme poids n'est pas réellement la force due à la gravité, bien que ce soit la définition technique du poids. Ce que nous ressentons comme poids est en fait la force de réaction normale du sol (ou de toute surface avec laquelle nous sommes en contact) poussant vers le haut contre nous pour contrer la force due à la gravité, c'est-à-dire le poids apparent.

Par exemple, un bloc de bois dans un conteneur en chute libre subit une apesanteur. En effet, il n'y a aucune réaction au poids du bloc de bois provenant du conteneur, car il est abaissé avec la même accélération. L'accélération du conteneur est égale à l'accélération du bloc, qui est égale à l'accélération provoquée par la gravité. Cependant, lorsque le conteneur est au sol, la force exercée sur chaque pièce du bloc n'est pas uniforme. Parce que le bloc n'accélère pas, il y a aussi une force vers le haut qui se produit parce que le bloc est un solide. Chaque section horizontale du bloc subit non seulement la force due à la gravité, mais également le poids de la partie du bloc qui se trouve au-dessus. Une partie du sentiment de poids subit donc en réalité un gradient de pression (un changement de quantité par unité de distance dans une direction donnée) dans son propre corps.

Il y a un autre aspect de la sensation de poids qu'un gradient de pression ne prend pas en compte, dont la façon dont nos bras sont tirés vers le bas par rapport à notre corps. Cet effet vient du fait que quelque chose qui pend n'est pas soutenu directement par une pression du sol. En fait, l'effet est presque l'opposé exact d'un gradient de pression, c'est un gradient de tension. Cela se produit parce que chaque section transversale d'un objet suspendu, une corde par exemple, doit supporter le poids de chaque pièce en dessous.

Donc, en bref, l'apesanteur n'a rien à voir avec le fait que nous soyons sous l'influence d'une force gravitationnelle, mais plutôt à savoir s'il y a des gradients de force à travers notre corps. En chute libre, un humain ne subit aucun poids car toutes les parties de l'objet humain accélèrent uniformément (en supposant qu'il n'y a pas de forces de marée).

Microgravité

Flamme de bougie dans des conditions orbitales. Image de la NASA.

Le terme microgravité est également utilisé parce que l'apesanteur dans, par ex. un vaisseau spatial ou un autre conteneur n'est pas parfait. Les causes en orbite terrestre comprennent:

  • La gravité diminue d'un ppm pour chaque augmentation de trois mètres de hauteur. Les objets qui ne sont pas des points ressentiront une traction différentielle sur leurs différentes parties. (Il s'agit en fait de la force de marée).
  • Dans un vaisseau spatial en orbite, la force centripète est plus élevée du côté supérieur. (C'est aussi la force de marée).
  • Les objets laissés seuls "tomberont" vers la partie la plus dense du vaisseau spatial. Quand ils toucheront finalement le vaisseau spatial, ils cesseront de bouger et sentiront le poids.
  • Bien que très mince, il y a de l'air au niveau de l'orbite, ce qui provoque une décélération due au frottement. Ceci est perçu comme un "poids" dans le sens du mouvement.
  • Laissées à elles-mêmes, différentes parties d'un véhicule de part et d'autre de son plan orbital se trouvent dans leurs propres plans orbitaux. Dans le cadre de référence du véhicule, cela pousse les objets vers l'intérieur en direction du plan orbital du véhicule dans son ensemble.

Le symbole de la microgravité, µg, a été utilisé sur l'insigne du vol de la navette spatiale STS-107, car ce vol était consacré à la recherche en microgravité (voir photo dans cet article).

Avions à gravité réduite

L'avion à gravité réduite KC-135 de la NASA

L'avion à gravité réduite KC-135 de la NASA est basé au Lyndon B. Johnson Space Center et est surnommé affectueusement la «comète vomi». C'est un avion que la NASA vole dans des arcs paraboliques de six milles de long, montant d'abord en altitude, puis tombant, de telle sorte que la trajectoire et la vitesse de vol correspondent à celles d'un objet sans propulsion et sans frottement d'air. Ceci est réalisé par la propulsion et la direction de telle sorte que la friction de l'air est compensée et rien d'autre. Le résultat est que les personnes à l'intérieur ne sont pas poussées vers le bas ou tout autre côté de l'avion, c'est-à-dire qu'elles sont temporairement en apesanteur, à chaque fois pendant une période de 25 secondes. En général, un vol dure environ deux heures, au cours desquelles 40 paraboles sont effectuées.

Le plan d'occasions de vol à gravité réduite de l'Université de microgravité de la NASA permet à des équipes d'étudiants de premier cycle de soumettre une proposition d'expérience en microgravité. S'ils sont sélectionnés, les équipes conçoivent et mettent en œuvre leur expérience, et les étudiants sont invités à voler sur le McDonnell Douglas C-9 de la NASA (le récent remplacement du KC-135). L'avion vole selon le schéma décrit ci-dessus, de sorte que l'expérience dispose d'environ 20 à 25 secondes pour remplir sa fonction en microgravité.

Les premiers vols zéro-G de l'ESA ont été effectués en 1984, à l'aide d'un appareil NASA KC-135 à Houston, au Texas.

Zero Gravity Corporation

La Zero Gravity Corporation exploite un Boeing 727 modifié qui vole des arcs paraboliques similaires à ceux des avions à gravité réduite de la NASA. Les vols peuvent être achetés à des fins touristiques et de recherche.

Agence spatiale européenne A-300 Zero-G

L'Agence spatiale européenne effectue des vols paraboliques sur un Airbus A-300 spécialement modifié, afin d'étudier la microgravité. L'ESA vole campagnes de trois vols sur des jours consécutifs, chaque vol volant environ 30 paraboles, pour un total d'environ dix minutes d'apesanteur par vol. Les campagnes ESA sont actuellement opérées depuis l'aéroport de Bordeaux-Mérignac en France par la société Novespace, tandis que l'avion est exploité par le Centre d'essais en Vol (CEV). En mars 2006, l'ESA avait lancé 43 campagnes. Parmi les autres appareils qu'il a utilisés, il y a le Ilyushin russe Il-76 MDK et la Caravelle française.123

Installations au sol à gravité réduite

Les installations au sol qui produisent des conditions de gravité réduite à des fins de recherche sont généralement appelées tubes de descente ou tours de chute.

Installations de la NASA

Le centre de recherche Zero-G de la NASA, situé au Glenn Research Center à Cleveland, Ohio, est un puits vertical de 145 mètres, largement sous le sol, avec une chambre de goutte à vide intégrée, dans laquelle un véhicule d'expérience peut avoir une chute libre pour un durée de 5,18 secondes, chute d'une distance de 132 mètres. Le véhicule de l'expérience est arrêté dans environ 4,5 mètres de pastilles de polystyrène expansé et connaît un taux de décélération maximal de 65 g.

À la NASA, Glenn se trouve également la 2,2 Second Drop Tower, d'une hauteur d'environ 24 mètres.

Le Marshall Space Flight Center de la NASA héberge une autre installation de tube plongeant d'une hauteur de 105 mètres et offre une chute libre de 4,6 secondes dans des conditions de quasi-vide.

Les humains ne peuvent pas utiliser ces arbres de gravité, car la décélération subie par la chambre de goutte pourrait probablement tuer ou blesser gravement quiconque les utiliserait; 20 g correspond à la décélération la plus élevée qu'un être humain en forme et en bonne santé peut supporter momentanément sans subir de blessure permanente.

Autres installations dans le monde

  • Laboratoire de micro-gravité du Japon (MGLAB) - chute libre de 4,5 s
  • Tube à goutte expérimental du département de métallurgie de Grenoble - Chute libre de 3,1 s

Flottabilité neutre

L'apesanteur peut également être simulée avec l'utilisation d'une flottabilité neutre, dans laquelle les sujets humains et l'équipement sont placés dans un environnement aquatique et lestés ou portés jusqu'à ce qu'ils flottent en place. La NASA utilise une flottabilité neutre pour se préparer aux EVA (activité extra véhiculaire) dans son laboratoire de flottabilité neutre.

Apesanteur dans un vaisseau spatial

L'astronaute Marsha Ivins démontre l'effet de l'apesanteur sur les cheveux longs pendant STS-98

De longues périodes d'apesanteur se produisent dans un vaisseau spatial en dehors de l'atmosphère d'une planète, à condition qu'aucune propulsion ne soit appliquée et que le navire ne tourne pas. C'est le cas en orbite autour de la Terre (sauf lorsque des roquettes tirent pour des manœuvres orbitales), mais pas lors de la rentrée atmosphérique. L'apesanteur ne se produit pas dans un navire-fusée qui accélère en tirant ses roquettes. Même si la fusée accélère uniformément, la force est appliquée à l'arrière de la fusée par le gaz qui s'échappe et cette force est transférée dans tout le navire via une pression ou une tension, ce qui empêche l'apesanteur.

L'apesanteur dans un vaisseau spatial ou une station spatiale est obtenue par la chute libre. Le vaisseau et tout ce qu'il contient tombent en fait vers la surface de la Terre, mais les vitesses de l'orbite sont si grandes, généralement cinq miles par seconde, que la Terre s'éloigne de vous avant que vous puissiez entrer dans l'atmosphère. Cependant, sa gravité continue de vous tirer et le résultat est un état apparent de chute libre perpétuelle.

L'apesanteur au centre d'une planète

Au centre d'une planète, une personne se sentirait en apesanteur parce que l'attraction de la masse environnante de la planète s'annulerait. Plus généralement, la force gravitationnelle est nulle partout au sein d'une planète creuse sphérique symétrique, par le théorème de la coquille.

Effets sur la santé

À la suite de la création de stations orbitales pouvant être habitées pendant de longues périodes par l'homme, il a été démontré que l'exposition à l'apesanteur a des effets délétères sur la santé. Les humains sont bien adaptés aux conditions physiques régnant à la surface de la Terre. En apesanteur, certains systèmes physiologiques commencent à changer et des problèmes de santé temporaires et à long terme peuvent survenir.

La condition initiale la plus courante rencontrée par les humains après les deux premières heures environ d'apesanteur est communément appelée mal de l'espace. Les symptômes comprennent un malaise général, des nausées, des vertiges, des maux de tête, une léthargie, des vomissements et un malaise général. Le premier cas a été signalé par le cosmonaute Gherman Titov en 1961. Depuis lors, environ 45 pour cent de toutes les personnes ayant subi une flottaison libre sous gravité zéro ont également souffert de cette condition. La durée du mal spatial varie, mais en aucun cas il n'a duré plus de 72 heures. À cette époque, les astronautes se sont habitués au nouvel environnement.

Les effets indésirables les plus importants de l'apesanteur à long terme sont l'atrophie musculaire et la détérioration du squelette; ces effets peuvent être minimisés grâce à un régime d'exercice. D'autres effets importants comprennent la redistribution des fluides, un ralentissement du système cardiovasculaire, une diminution de la production de globules rouges, des troubles de l'équilibre et un affaiblissement du système immunitaire. Les symptômes mineurs comprennent la perte de masse corporelle, la congestion nasale, les troubles du sommeil, les flatulences excessives et les poches du visage. Ces effets sont réversibles au retour sur Terre.

De nombreuses conditions causées par l'exposition à l'apesanteur sont similaires à celles résultant du vieillissement. Les scientifiques pensent que les études sur les effets néfastes de l'apesanteur pourraient avoir des avantages médicaux, comme un traitement possible de l'ostéoporose et de meilleurs soins médicaux pour les personnes alitées et âgées.

Remarques

  1. ↑ Agence spatiale européenne. A300 Zero-G. Site Web de l'ESA sur les vols spatiaux humains. Récupéré le 16 février 2008.
  2. ↑ Agence spatiale européenne. Campagne suivante. Site Web de l'ESA sur les vols spatiaux humains. Récupéré le 16 février 2008.
  3. ↑ Agence spatiale européenne. Organisation de la campagne. Site Web de l'ESA sur les vols spatiaux humains. Récupéré le 16 février 2008.

Les références

  • Howstuffworks.com. 2006. Comment fonctionne l'apesanteur HowStuffWorks, Inc. Récupéré le 16 février 2008.
  • Henderson, Tom. 2004. Apesanteur en orbite La salle de classe de physique. Récupéré le 16 février 2008.
  • 1999. La gravité crée l'apesanteur? Science Joy Wagon. Récupéré le 16 février 2008.
  • 2002. Apesanteur et plus… Apprendre à survivre dans l'espace! MedicineNet, Inc. Récupéré le 16 février 2008.
  • Graveline, Duane. 2005. Apesanteur Spacedoc.net. Récupéré le 16 février 2008.

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 9 août 2013.

  • Zero-G Research Facility Une installation de la NASA pour la recherche au sol en microgravité.
  • NASA Microgravity University Un programme étudiant de la NASA qui permet à des équipes d'étudiants de planifier une expérience de microgravité et de voler à bord du C-9 de la NASA, l'avion de remplacement du KC-135.

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