Grobmikrogravitation in der Außenkapsel
Die Außenkapsel fällt wegen des Luftwiderstands langsamer als die Innenkapsel. Deren Beschleunigung in der Außenkapsel und die Grobmikrogravitation werden berechnet.
Bewegung der Innenkapsel in der Außenkapsel
Für die Interpretation von gravitationsempfindlichen Experimenten muss man wissen, wie groß die Mikrogravitation zum Zeitpunkt des Experiments war. Darum wird zum Beispiel auf der Internationalen Raumstation die Größe der Mikrogravitation ständig mithilfe von Sensoren kontrolliert. Hierbei messen die Sensoren die Beschleunigung von frei beweglichen Objekten. Innerhalb der Außenkapsel unseres Fallkapselsystems lässt sich die Größe der Mikrogravitation bestimmen, indem man in ihr die Bewegung der Innenkapsel untersucht. Die Versuchsanordnung zur Beobachtung der Relativbewegung von Außenkapsel und Innenkapsel wird in Abb. 4 schematisch dargestellt. Sie besteht aus folgenden Teilen: Skala auf der Innenwand der Außenkapsel (1), Zeiger auf dem Fenster der Innenkapsel (2), Blattfeder mit Gewicht (3)
Wann tritt Mikrogravitation ein?
Die Kamera der Innenkapsel blickt durch ein Fenster aus Plexiglas auf eine aus Millimeterpapier angefertigte Skala, die auf der Innenseite der Außenkapsel befestigt ist. Auf dem Plexiglas ist eine als Zeiger dienende Nadel befestigt, mit der sich die Position der Innenkapsel auf der Skala ablesen lässt. Vor dem Fenster befindet sich eine Blattfeder, die durch ein fest montiertes Gewichtsstück nach unten gebogen wird. Diese Blattfeder dient als Startsensor. Mit dem Loslassen des Fallkapselsystems wird das Gewichtsstück schwerelos und die gespannte Feder schnellt mit dem Gewichtsstück nach oben. Damit lässt sich in dem Videofilm das erste Bild, das bei Mikrogravitation aufgenommen wurde, identifizieren. Aus der veränderten Auslenkung der Blattfeder und seiner Schwingungsdauer lässt sich der genaue Zeitpunkt des Starts zwischen den Aufnahmen zweier aufeinander folgender Videobilder bestimmen.
Beschleunigung der Innenkapsel innerhalb der Außenkapsel
In Abb. 5 sind zwei Videobilder zu sehen, von denen eines vor dem Start (links) und das andere 0,35 Sekunden nach dem Start aufgenommen wurde (rechts). Man erkennt, dass sich Innen- und Außenkapsel in dieser Zeit um etwa 14 Millimeter gegeneinander verschoben haben. Bei der Vergrößerung des Bildes am Computermonitor lässt sich die Verschiebung mit einer Genauigkeit von 0,1 Millimeter ablesen. Abb. 6 zeigt die Auswertung eines Fallversuchs als Weg-Zeit-Diagramm. Der Zeitnullpunkt wurde aus der Auslenkung der Blattfeder auf dem ersten Videobild bei Mikrogravitation berechnet. Die Messpunkte dokumentieren die beschleunigte Bewegung der Innenkapsel innerhalb der Außenkapsel.
Berechnung der Grobmikrogravitation
Von außen betrachtet fällt die Außenkapsel wegen des Luftwiderstands etwas langsamer als die Innenkapsel. Aus der Sicht eines Beobachters in der Außenkapsel fällt die Innenkapsel mit einer im Vergleich zur Fallbewegung auf der Erde geringen Beschleunigung zum Boden der Außenkapsel. Für ihn ist die Ursache dieser Beschleunigung die Mikrogravitation in der Außenkapsel. Während der Fallbewegung nehmen die Beschleunigung und damit die Mikrogravitation zu, weil mit zunehmender Geschwindigkeit auch der Luftwiderstand wächst. Nimmt man näherungsweise eine konstante mittlere Beschleunigung an, so gilt nach den Gesetzen der Mechanik für den Weg d, den die Innenkapsel innerhalb der Außenkapsel in der Zeit t zurücklegt:
Hierbei ist a die geringfügige Beschleunigung der Innen- in der Außenkapsel. In derselben Zeit legt die Innenkapsel, von außen betrachtet, den Weg
zurück, wobei g die Erdbeschleunigung ist. Aus den beiden Gleichungen ergibt sich für die geringfügige Beschleunigung, Grobmikrogravitation genannt, folgende Gleichung:
Im Experiment hat die Innenkapsel nach einer Fallstrecke von 1,23 Metern innerhalb der Außenkapsel einen Weg von 0,025 Metern zurückgelegt. Daraus folgt für die Grobmikrogravitation in der Außenkapsel der gerundete Wert
Eine Mikrogravitation dieser Größenordnung beobachtet man zum Beispiel bei Parabelflügen.
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- Feinmikrogravitation in der Innenkapsel
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