Phi hành gia lơ lửng trong trạm ISS không phải vì hết trọng lực — ở độ cao 400 km, lực hút Trái Đất vẫn còn 89%. Họ lơ lửng vì cả trạm lẫn người đang rơi tự do quanh Trái Đất, như viên đạn đại bác của Newton không bao giờ chạm đất. Muốn có lại cảm giác “đứng trên sàn”, chỉ có một cách không cần phép màu: quay.
Sàn đẩy bạn — và thế là đủ
Cảm giác về trọng lượng của bạn xưa nay chưa từng là lực hút — nó là cái sàn đẩy lên. Trong vành trạm quay, sàn cong liên tục ép bạn đổi hướng chuyển động, tức đẩy bạn vào tâm với gia tốc ω²r; hệ quy chiếu của bạn ghi nhận cú đẩy ấy hệt như mặt đất đẩy chân. Đặt r = 100 m, quay 3 vòng/phút: đúng 1g, cà phê rót thẳng vào cốc, xương khớp tin thật.
Tạo nhiều g mới dễ làm sao: máy giặt vắt 1200 vòng/phút với lồng bán kính 25 cm đạt 402g — quần áo bị “nặng” gấp bốn trăm lần, nước bị vắt xuyên lỗ lồng. Máy ly tâm xét nghiệm quay 13 000 vòng/phút ở bán kính 8 cm: 15 000g, tách hồng cầu khỏi huyết tương trong vài phút thay vì để lắng cả ngày. Công thức chấp mọi cỡ máy — khó khăn duy nhất nằm ở hành khách.
Cái giá của vòng quay nhỏ
Vậy sao không làm trạm nhỏ gọn r = 10 m quay 9,5 vòng/phút — vẫn 1g? Demo trả lời bằng con số chênh đầu–chân: đầu bạn gần tâm hơn chân 1,7 m, mà a tỉ lệ thuận r, nên ở r = 10 m trọng lực nơi đầu nhẹ hơn nơi chân 17% — đứng dậy là máu dồn kiểu lạ, cúi xuống nhặt đồ là vật “đổi cân nặng” giữa chừng. Ở r = 100 m, chênh chỉ còn 1,7% — cơ thể bỏ qua.
Thủ phạm thứ hai độc hơn: hiệu ứng Coriolis. Trong khung quay, mọi cú quay đầu, với tay, bước chân đều bị bẻ ngang một lực phụ tỉ lệ với ω. Tai trong người chịu được cỡ 2 vòng/phút trở xuống; 9,5 vòng/phút là say tức thì. Mà giữ 1g với ω nhỏ thì r phải phình: ω = 2 vòng/phút đòi bán kính 224 m — đường kính gần nửa cây số. Đó là lý do mọi thiết kế trạm quay nghiêm túc đều là những chiếc vành khổng lồ, và là lý do sau sáu thập kỷ bay vào vũ trụ, nhân loại vẫn chưa từng xây cái nào: không phải thiếu công thức — thiếu ngân sách cho một cấu trúc nửa cây số phải quay đều tăm tắp.
Trường hợp biên: trạm của bạn có “trọng lực” — miễn là đừng đứng im
Đẩy về cực đoan để lộ bản chất: cho r thật to và ω thật bé thì mãi vẫn 1g, nhưng cho ω = 0 thì trọng lực nhân tạo tắt ngúm tức thì — không có vòng quay, không có gì hết. “Trọng lực” này không phải trường lực; nó là thoả thuận giữa bạn và cái sàn đang cong đường đi của bạn. Nhả thoả thuận là mất tất: phi hành gia nhảy khỏi sàn trong trạm quay sẽ bay theo đường thẳng (trong khung quán tính) và thấy sàn “trồi” lên đón mình lệch một quãng — chính cú lệch Coriolis ấy.
Chuyển động tròn, hoá ra, là người quen cũ mặc đồng phục mới: hạt tích điện trong từ trường bị lực Lorentz bẻ cong y như bạn bị sàn bẻ cong, và khúc cua nghiêng là một mẩu vành trạm đặt nằm trên mặt đất. Ba bài toán, một gia tốc hướng tâm — chỉ khác ai đứng ra ký hợp đồng đẩy.