Füüsika õpetaja raamat Füüsika õpetaja raamat : (Kuidas ennast kaaluta olekus kaaluda?)

Kuidas ennast kaaluta olekus kaaluda?

Kaalumine kaalutuses – tundub kui oksüümoron. Tegelikult on küsimus asjalik, sest kaalumisega määratakse massi. Kaalu määramine kaaluta olekus on päris eraldi teema, seejuures päris huvitav ja arutlusväärne teema.

Maapinnal viibides kipume me massi määrama kaalutava keha ja Maa vahelise gravitatsioonilise vastastikmõju kaudu, aga tegelikult saab massi määramiseks kasutada ka inertsiga seotud nähtusi.

Vedru otsa riputatud raskus jääb üles-alla võnkuma, kui ta alustuseks veidi tasakaaluasendist välja viia. Üles-alla võnkumine võib viia mõttele, et vedrupendlil on miskit pistmist gravitatsiooniga, aga perioodi valemis on ainult pendlikeha mass ja vedru jäikus. Ei mingit gravitatsiooni. Nii võibki pendli võnkuma panna ka küliliasendis (a) või kaaluta olekus (b).

Vedrupendli võib võnkuma panna ka küliliasendis (a) või kaaluta olekus (b).
Vedru abil saab kaaluta olekus ka tavalise pendli võnkuma panna, aga tuntud pendli valem seal siiski ei kehti. Sest vedrupendlit ei pane käima raskusjõud.

Niisiis vedrupendli võnkumise periood sõltub pendli massist. Ja seda teadmist võib kasutada ka massi mõõtmiseks, nagu näitab alljärgnev video:

Ülesanne

Meenutage mehaanika kurusest veel kolme nähtust, kus mass ilmutab enda inertsi kaudu. Kas need nähtused kõlbavad massi määramiseks kaaluta olekus?

Kosmosejaamas

Kaalutus on üldtuntud teemaks kerkinud alles viimase poolsajandi kestnud kosmoseajastuga. Mida teha, kui kosmoselennul on vaja mingeid kehi (näiteks toitu või inimesi) kaaluda? Gravitatsioonilise võimaluse nullib ära kosmoselaeva liikumise iseloom. Orbitaalne liikumine on olemuselt vaba langemine ja kõik kehad (sh toit, inimesed ja kaalud) langevad ühtviisi. Seega ei ole võimalik midagi kaaludele tõsta või vedrukaalu konksu otsa riputada. Jääb üle kasutada kehade inertsust ja arvutada Newtoni II seaduse järgi.

Kosmosejaamas on tegelikult väga palju asju, mis tuleb kaaluda. Täpsemalt, kõik peab olema kaalutud ja arvestatud ning peaaegu kõik kaalutakse enne starti. Mõned asjad küll muutuvad ja nende massid püütakse enamasti arvutada. Näiteks tühjad toidupakendid, kasutatud riided jms loetakse prügiks ja ka nende mass on vajalik üldises massibilansis arvesse võtta. Selliste asjade kohta on välja töötatud arvutuseeskirjad ja loodud sobiv tarkvara. Mõni üksik probleem siiski jääb.

Rahvusvahelise kosmosejaama (ISS) meeskonda kaalutakse kaaluta olekus. Kuna organismil on pikaajalise kaaluta oleku talumisel suuri probleeme, siis meditsiiniline kontroll (sh kaalumine) on sage ja põhjalik.

20. ekspeditsiooni insener Frank De Winne teostab oma keha massi mõõtmist kiirenduse kaudu ISSi laboris Columbus.

Kehamassi mõõtmiseks on kasutusel kaaluta olekus kaalumise seade (KOKS) ehk Space Linear Acceleration Mass Measurement Device (SLAMMD). Kaalutav inimene sätib end kindlalt mõõtmisasendisse. Jalad põimitakse ümber ühe toe, lõug või pea toetatakse teisele. Kõht surutakse tugevasti vastu keskmist tuge. Mõõtmise käivitamisel vabastab elektromagnet lühikese aja pärast kaks vedru, mis tõmbavad kaalutavat inimest muutumatu jõuga 23,3N. Kiirenevat liikumist jälgitakse optilise kaugusmõõtjaga ja arvutisse salvestuvad aja ning läbitud teepikkuse toorandmed. Massi arvutamine toimub sülearvutis KOKSi jaoks väljatöötatud takrvara abil. Aparaadi töö ei ole väga lihtne. KOKS ei saa eraldi inimest kiirendada, vaid peab liikuma panema ka seadme enda. Ühelt poolt tõmbab ta kosmonauti koos kõigi tugedega, mis teda fikseerivad. Teiselt poolt hakkab vastu liikuma kogu ülejäänud seade. Kuigi jaama sees püütakse liikuvate osadega seadmeid mitte jäigalt kinni kruvida, liigub veidi vastu kogu ISS. Meeskonna liikmeid võivad olla ka erineva kasvu ja massijaotusega, seetõttu peab KOKSi kinnitusi veidi reguleerima ja tarkvarainsenerid pidid kõiki erisusi Maal st kaaluga olekus arvesse võtma.

Lisaülesanded

Niitpendel (l=40cm) ja vedrupendel (k=20N/m) on sama võnkeperioodiga. Kui suur on pendlikeha mass? Millised oleksid nende pendlite võnkeperioodid Marsil?