Waarom kunstmatige zwaartekracht in ruimteschepen?

Wat hebben een rondvliegende emmer, een centrifuge en een futuristisch ruimteschip uit de film Interstellar met elkaar gemeen? Het antwoord is de centrifugaalkracht. Deze bijzondere kracht zorgt ervoor dat het water in een emmer blijft zitten als je hem snel genoeg ronddraait en dat je wasgoed aan de wanden van je wasmachine plakt. Zijn broertje is de centripetaalkracht, die ervoor zorgt dat auto’s niet uit de bocht vliegen en dat de aarde in een baan rond de zon blijft draaien. Maar waar komen deze krachten vandaan? En WRM kunnen ze gebruikt worden om in een ruimteschip kunstmatige zwaartekracht op te wekken?

Vliegende emmers
De meesten zullen de centrifugaal- of middelpuntvliedende kracht kennen van de middelbare school en het bekende experiment met een emmer water aan een touw, die bij hard ronddraaien horizontaal kan bewegen zonder dat het water eruit vliegt. De kracht die hiervoor verantwoordelijk is, wijst van het middelpunt van de cirkelbeweging af (vandaar ‘middelpuntvliedend’). De centripetaal- of middelpuntzoekende kracht werkt de andere kant op, naar het midden van de cirkelbaan.
De oorzaak van de middelpuntzoekende kracht is niet in elke situatie hetzelfde. In het geval van de emmer speelt de spankracht van het touw de rol van centripetaalkracht, maar bij een auto die gierend door een bocht gaat, is het de weerstand van de banden op het asfalt. In verschillende situaties heeft deze kracht dus verschillende bronnen, maar er is altijd een bron aan te wijzen. Je kunt het bekijken vanuit de positie van de emmer water. Deze wil graag rechtdoor bewegen, maar de spankracht van het touw trekt hem naar binnen, waardoor de emmer in een cirkelvormige baan beweegt. Deze baan is het compromis tussen het touw en de emmer die rechtdoor wil vliegen, of zoals Newton het zei in zijn tweede wet: ‘De verandering van de snelheid is recht evenredig met de resulterende kracht en volgt de rechte lijn waarin de kracht werkt’ (geciteerd vanuit Wikipedia). Als de bewegingskracht van de emmer wint, zal de emmer wegvliegen (en een waterspoor achterlaten) en als het touw wint, valt de emmer naar binnen en mogelijk over de persoon heen die de emmer niet hard genoeg ronddraaide (met kletsnatte gevolgen).

Schijnkracht
Middelpuntvliedende krachten zijn een ander verhaal. Er is geen aanwijsbare kracht die het water in de emmer naar buiten duwt, daarom heet het een schijnkracht. Het is de kracht die het water voelt terwijl het rondgeslingerd wordt. De kracht is een netto-effect van de emmer die rechtdoor probeert te gaan en de spankracht die hem juist naar zich toe trekt. Samen resulteert dit in een schijnkracht naar buiten toe. Dit kun je ook zien als Newtons derde wet: ‘Als een voorwerp A een kracht op een voorwerp B uitoefent, gaat deze kracht gepaard met een even grote, maar tegengestelde gerichte kracht van B op A’ (wederom met dank aan Wikipedia). De spankracht van het touw (de middelpuntzoekende kracht) heeft een even grote, maar tegengestelde schijnkracht (de middelpuntvliedende kracht) als gevolg. De kracht die het water in de emmer houdt is dus geen echte kracht, maar een schijnkracht die optreedt als gevolg van de spankracht en de snelheid van de emmer, die samen tot het compromis van een cirkelbaan komen. Dit gebeurt ook met de aarde die om de zon draait. Eigenlijk zou de aarde rechtdoor willen vliegen, maar de zwaartekracht van de zon trekt onze planeet naar binnen en samen komen de twee tot een compromis: de baan van de aarde om de zon.

Ruimteschip
Maar wat heeft dit alles te maken met het creëren van kunstmatige ‘zwaartekracht’ in futuristische ruimteschepen? Zoals je waarschijnlijk weet, zijn astronauten in de ruimte gewichtloos: ze zweven rond in het ruimtestation. Ondanks dat zweven een heerlijk gevoel schijnt te zijn, brengt het toch wat nadelen met zich mee. Als je ergens een pen en een notitieboekje neerlegt, kan het zomaar zijn dat deze voorwerpen tien minuten later allebei een compleet andere kant opgedreven zijn. Vind ze dan maar weer eens terug! Bovendien is het menselijk lichaam niet gemaakt om langdurig te werken zonder zwaartekracht (al worden de precieze gevolgen hiervan nog onderzocht).

Mocht de mensheid dus langere tijd in de ruimte door willen brengen, om bijvoorbeeld op zoek te gaan naar een andere planeet omdat de aarde uitgeput is, dan is kunstmatige zwaartekracht geen overbodige luxe. Een manier om dit op te wekken, is door gebruik te maken van de middelpuntvliedende kracht. Als je een ruimteschip continu laat ronddraaien, zal de bemanning tegen de buitenwanden aangedrukt worden. Bij precies de juiste omwentelsnelheid zal het, wanneer je over de wanden van het schip loopt, aanvoelen als dezelfde kracht die op je werkt wanneer je over het aardoppervlak wandelt. Dit is waarom de ruimtestations in de films Interstellar, Mission to Mars en 2001: A Space Odyssey ronddraaien: om de middelpuntvliedende kracht op te wekken. Helaas is NASA nog niet zover dat een dergelijk schip gebouwd wordt, maar wie weet laat dit niet lang meer op zich wachten. Dan kunnen we al rondtollend de rest van het universum gaan verkennen, met het comfort van onze eigen zwaartekracht.