Mattegrafen

Tyngdlöshet och satelliter

Många tror att astronauter svävar på rymdstationen ISS för att det inte finns gravitation där. Det är fel. Jordens gravitation vid ISS, omkring 400 kilometer upp, är fortfarande ungefär 90 procent så stark som vid markytan. Astronauterna är tyngdlösa av en helt annan anledning: de och stationen faller tillsammans runt jorden.

Tänk dig att du står i en hiss och linan brister. Under den korta stund du faller känner du dig lätt, nästan tyngdlös, eftersom du och hissen faller med exakt samma fart. Astronauterna upplever samma sak, bara under mycket längre tid. Stationen faller mot jorden hela tiden, men den rör sig också väldigt snabbt framåt i sidled, omkring 7,7 kilometer per sekund. De två rörelserna gör att stationen aldrig når marken, utan hamnar om och om igen på sidan om jorden i en bana.

Det tar ISS bara ungefär 90 minuter att gå ett helt varv runt jorden. Allt ombord, astronauter, verktyg och mat, faller på samma sätt, och det är därför det ser ut som att allt svävar fritt. Det krävs ingen motor för att hålla farten uppe: när en satellit väl är i en cirkelformad bana fortsätter den med samma fart, eftersom gravitationen där bara ändrar riktningen och inte farten. ISS behöver bara små motorpuffar då och då, eftersom den tunna luften på den höjden bromsar stationen lite.

En geostationär satellit fungerar efter samma princip, men på en helt annan höjd. Där, omkring 36 000 kilometer över jordytan, är gravitationen mycket svagare, och satelliten går ett varv på 24 timmar, i samma takt och riktning som jorden snurrar. Eftersom banan ligger rakt ovanför ekvatorn befinner sig satelliten alltid över samma punkt på jorden, vilket används för till exempel väder- och tv-satelliter.

Det här lär du dig

  • Förklara varför astronauter svävar trots att gravitationen finns kvar
  • Relatera tyngdlöshet till fritt fall i en omloppsbana
  • Jämföra en låg bana som ISS med en geostationär bana
  • Förklara varför en satellit i stabil bana inte behöver en motor

Begrepp att kunna

Tyngdlöshet
Känslan av att sväva fritt utan att pressas mot ett golv. Den uppstår när man är i fritt fall, till exempel i en omloppsbana.
Fritt fall
En rörelse där bara gravitationen verkar. Om farten framåt är stor nog hamnar man i en bana i stället för att slå i marken.
Omloppsbana
Den stabila, böjda väg ett föremål följer när fritt fall mot en himlakropp kombineras med rörelse framåt i sidled.
Låg bana
En omloppsbana nära jorden, som ISS på omkring 400 kilometers höjd, där gravitationen är nästan lika stark som vid markytan och farten måste vara hög.
Geostationär bana
En omloppsbana omkring 36 000 kilometer rakt ovanför ekvatorn, där en satellit går ett varv per dygn i samma riktning som jorden roterar och därför alltid syns över samma punkt.

Vanliga svårigheter

Tror att tyngdlöshet betyder att gravitationen är borta

Jordens gravitation vid ISS är fortfarande ungefär 90 procent så stark som vid markytan, så den är definitivt inte borta. Astronauterna svävar för att de och stationen faller tillsammans i samma fria fall, inte för att något drag har upphört.

Tror att en satellit behöver en motor för att hålla farten

När en satellit väl har rätt fart och höjd fortsätter den av sig själv, utan att bränna bränsle. I en cirkelformad bana ändrar gravitationen bara riktningen på rörelsen, inte farten, så banan blir stabil utan motorkraft. Mindre motorkorrigeringar behövs bara för att kompensera svagt luftmotstånd på låg höjd.

Blandar ihop låg bana och geostationär bana

ISS ligger lågt, rör sig mycket snabbt och gör ett varv på ungefär 90 minuter. En geostationär satellit ligger mycket högre, rör sig mycket långsammare och gör ett varv per dygn, i takt med jordens egen rotation. Det är två olika sätt att vara i bana, inte två olika grader av tyngdlöshet.

Vanliga missuppfattningar

  • I rymden finns ingen gravitation. Eleven tror att astronauter är tyngdlösa för att gravitationen saknas i rymden. I omloppsbana verkar gravitationen fortfarande; tyngdlösheten beror på att både astronaut och farkost faller fritt.
  • Rörelse kräver kraft. Eleven tror att ett föremål som rör sig med konstant hastighet behöver en kraft i rörelseriktningen, och att rörelsen upphör när kraften tar slut. Enligt Newtons första lag behövs ingen resulterande kraft för att hastigheten ska vara konstant.

I verkligheten

En rymdpromenad utanför ISS ser ut som att astronauten svävar fritt i tomma rymden.

Astronauten är i exakt samma fria fall som stationen och rör sig i samma bana runt jorden. Gravitationen håller båda kvar i omloppsbanan; det är bara att de faller tillsammans, utan att något trycker upp eller ner, som gör att det ser ut som att sväva.

En väderapp visar bilder från en satellit som alltid ser samma del av jorden.

Det är en geostationär satellit, som ligger så högt och rör sig så exakt i takt med jordens rotation att den alltid befinner sig över samma punkt. Både den satelliten och ISS är i fritt fall runt jorden, bara på helt olika höjd och med helt olika fart.

Tips

  • Hoppa upp från golvet och lägg märke till den korta stund du känner dig lätt i luften. Det är en miniatyrversion av samma fria fall som astronauterna upplever hela tiden i omloppsbana.
  • Slå upp höjden och omloppstiden för ISS och för en geostationär satellit och jämför dem. Att se siffrorna sida vid sida gör skillnaden mellan en låg och en hög bana mycket tydligare.
  • Titta på en video där astronauter rör sig ombord på ISS. Lägg märke till att de inte flyter iväg åt ett håll, utan stannar kvar tillsammans med allt annat i stationen, eftersom allt faller i samma bana.

Testa dig själv

1. Varför känner astronauter sig tyngdlösa på ISS, trots att jordens gravitation där är nästan lika stark som vid markytan?

Gravitationen vid ISS är ungefär 90 procent så stark som vid markytan, så den är fortfarande nästan lika kraftig. Astronauterna känner sig tyngdlösa för att de och stationen faller tillsammans, med samma acceleration, runt jorden. Det är det fria fallet som ger känslan, inte avsaknaden av gravitation.

2. En satellit rör sig med konstant fart i sin bana utan motor. Varför behövs ingen kraft för att hålla farten uppe?

Gravitationen drar hela tiden satelliten mot jorden, vinkelrätt mot rörelsen i en cirkelformad bana, och ändrar riktningen på dess rörelse, men den ändrar inte hur snabbt satelliten rör sig. Eftersom nästan ingen annan kraft bromsar satelliten i rymden fortsätter den med samma fart varv efter varv, utan att en motor behöver tillföra kraft.

3. Varför måste en satellit i låg bana nära jorden röra sig mycket snabbare än en geostationär satellit långt ute?

Nära jorden är gravitationen starkare, så satelliten måste röra sig snabbare för att hamna i en bana i stället för att falla in. Långt ute, som vid den geostationära banan, är gravitationen mycket svagare, och en lägre fart räcker för att hålla satelliten kvar i sin bana.

Ur kursplanen

  • Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället

    Krafter, rörelser och rörelseförändringar samt hur kunskaper om detta kan användas, till exempel i frågor om trafiksäkerhet.

  • Fysik nivå 2 · Krafter och rörelse

    Harmonisk svängning och centralrörelse samt tvådimensionell rörelse i gravitationsfält och i elektriska fält.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Hänger ihop med

Bygger på

Träna fysik gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än, men du kan träna på andra ämnen för din nivå.

Börja träna