３D．宇宙船と「無重力」

　　　　１．「宇宙ステーションなどの宇宙船で体が浮くのはなぜ？」の問題

Fig.1　ロケット

Fig.2　　宇宙ステーション　ISS

Fig.3　  宇宙ステーション内外での遊泳

　

 

２）あるアナウンサーの報道

　　　　

（アナウンサー）・・・打ち上げられたロケットは、順調に高度を上げて地球の重力圏を脱し、無事ISSに到達しました。そこは、無重力のため乗組員は体がふわりふわりと浮く世界です・・

このアナウンサーの表現は一般に抵抗なく受け入れられているものであるが、下線の部分が今回問題になる箇所である。

 

３）テレビ番組「チコちゃんに叱られる!」(2021.11.26放送)

今回の番組のテーマは、「宇宙ステーションで体が浮くのはなぜ？』である。

 　　

（チコちゃん）ボーと生きてんじゃねーよ。宇宙ステーションで体がふわりと浮くのは無重力だからじゃない。正解は、地球に向かって落ち続けているから。遊園地のフリーフォールと同じ様な状態が続いているということ。

この番組の様子はウェブサイト^１で紹介されている。番組で、解説はかなり丁寧だったが、理解できない視聴者が多かったようだ。

筆者は番組を見ていないが、この番組を見た方から質問された。

 

４）上のテレビ番組を見た人たちの感想

（Aさん）えー、宇宙は無重力だと思っていたけど？
（Bさん）落ち続けるって、宇宙ステーションは地球に落ちていないじゃない？
（Cさん）１秒間に８km横に進む間に５m地球に向かって落ちているって超斜めじゃない。フリーフォールと言えるかなあ？
（Dさん）あれは重力と遠心力が釣り合っていると習ったぞ。

Dさんの意見は番組の出演者から出されていたが 、正解とはならなかった。

Fig.4　フリーフォール

横浜八景島シーパラダイスのブルーフォール

　　　　２．宇宙ステーションISS

１）ISSの位置と重力

Fig.5でISSの軌道における地球の重力の大きさF_ISSを地上の重力の大きさF_eに対する比として求めている。比は０．８９（89%）であり、「無重力」と言えない。つまり、上のアナウンサーが「地球の重力圏を脱して」と表現したのは適切でない。

ISSの高度は地上約４００kmであり、Fig.６の概念図の方がその位置を捉えやすい。また、大気圏の構造との関係をFIg.７に示した。地上１００kmのカルマン線より上が「宇宙」とされ

ている。「宇宙」もISSも意外と地表に近い。ISSの軌道の位置は、大気圏の中にあるが空気の密度は低くISSの運動に影響を与えるほどの抵抗はない。なお、静止衛星 Geostationary satelliteの軌道は地上36,000kmとISSの軌道と比べて桁違いに高い。

Fig.5　ISSの地上高度と引力

F_e:地上における引力、F_ISS:ISSにおける引力

Fig.6　ISSの位置を示す概念図

Fig.７　大気圏とISSの位置

　　　　２）ISSの「推進力」

ジェット飛行機はジェットエンジンを推進力にしている。では、ISSは何を推進力にしているだろうか？実は、ISSなどの宇宙船はエンジンなどの推進力を全く使わずに軌道運動をしている。必要なのは、目的とする軌道半径に求められるだけの初速度だけである。その後は原理的には半永久的に運動を続けることができる。

推進力の原理となるのは、ニュートンの運動第一法則つまり慣性の法則で運動を続けている（Fig.８）。

Fig.8　ニュートンの運動第一法則（慣性の法則）

a)静止している物体は静止し続ける。b)でも、釣り合い状態にない力が加われば運動する。c)運動している物体は等速で等方向に運動し続ける。d)でも、釣り合い状態にない力が加われば運動が変化する。

　　　　３．エレベーター

宇宙ステーションの代わりにエレベーターを用いて運動を検討する。エレベーター室内に置いた体重計上の少年が手に手にゴム紐のついたおもりを手にしている。体重の変化と少年の様子を観察しよう。

　　　　　　　　　　a)見かけの体重　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)事故で落下！　　　　　　　　　　　　　　　c)宇宙を自由落下する

Fig.９　見かけの体重の変化

Fig.１０　　自由落下

エレベーターを下げているワイヤーが切れてエレベーターも乗客も自然落下した！その間、体重計はゼロを示している。一瞬「無重力」を感じたわけだ。（幸い安全装置が働いて無事着地した。）

Fig.11　宇宙を自由落下

実際のエレベーターや遊園地のフリーフォールが高速で落下する場合には、落下時間も短く、空気や機械の抵抗を感じてフワフワするような浮遊感を感じるのは難しいかもしれない。しかし、仮にFig.11のようにエレベーターが宇宙を落下する場合を想定すると、周囲の景色が変化せず、落下に伴う振動や抵抗も感じないので、フワフワとした浮遊状態になるだろう。

　　　　４．落体の法則

宇宙を落下するエレベーター内でフワフワ感を感じるには大事なことがある。それは人とエレベーターの運動が全く同じでなければならないということだ(Fig.12)。もし重い（質量が大きい）エレベーターが中にいる人より速く落ちていくと人はエレベーターの天井に頭をぶつけてそこに押し付けられるであろう。実は、空気抵抗が無いか無視できる空間では、落ちる速さは重さ（質量）に無関係であることがわかっている。これを「落体の法則」という。

Fig.12　もし宇宙で同時に落ちたら・・

Fig.13　落体の法則

17世紀まで重いものは軽いものより速く落ちると考えられていた。ピサの科学者ガリレオは落ちる速さは重さによらないと結論した。

ガリレオがピサの斜塔で重さの異なる２個の物を落とす実験をして新理論を劇的に実証したという言い伝えがあるが、この話は疑わしい。^２彼は「思考実験」をしたのだ。

Fig.14　ガリレオの思考実験

重さ、形状、材質が同じ３個の物体A、B、Cは当然同じ速さで落ちる。AとBをごく軽い鎖で結んだらA+BはCの２倍の重さであるが落ちる速さはCと同じはずである。

Fig.15　
Galileo's Drop

生徒実験

こうして、地球に向かってまっすぐ落ちる部屋の中では、中にいる人はフワフワと浮遊すると考えられる。次にまっすぐ落ちるのとは異なる運動について考察しよう。

　　　　文献

２．アルベルト・A・マルティネス（野村尚子訳）「科学神話の虚実　ニュートンのリンゴ、アインシュタインの神」青土社、2015.