Hãy tưởng tượng bạn đang ngước nhìn bầu trời đêm, biết rằng con người đã thực sự rời bỏ hành tinh của mình và dấn thân vào vùng đất vô định. Nghe có vẻ phi thực tế phải không?

Nhưng đằng sau mỗi lần phóng là cả một núi khoa học và những kiến ​​thức vật lý hóc búa. Hãy cùng khám phá xem điều gì thực sự cần thiết để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất và khám phá ranh giới cuối cùng.

Khởi hành: Thử thách trọng lực

Rào cản đầu tiên và lớn nhất trong du hành vũ trụ là thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất. Trọng lực là lực kéo mọi thứ về phía tâm hành tinh của chúng ta — bao gồm cả tên lửa! Để rời khỏi Trái Đất, một tàu vũ trụ phải đạt được cái gọi là vận tốc thoát ly, khoảng 11,2 km/giây (tương đương khoảng 25.000 dặm/giờ).

Tốc độ này là cần thiết để vượt qua lực hấp dẫn của Trái Đất mà không bị rơi trở lại.

Tại sao lại nhanh như vậy? Hãy tưởng tượng việc ném một quả bóng — bạn ném càng mạnh và càng nhanh, nó càng bay xa trước khi bị trọng lực kéo xuống. Đối với một tên lửa, đạt được vận tốc thoát ly đồng nghĩa với việc nó có thể thoát ra và bay vào quỹ đạo hoặc xa hơn nữa. Nhưng để đạt được vận tốc đó đòi hỏi năng lượng khổng lồ — đó là lý do tại sao tên lửa lại lớn đến vậy và cần hàng tấn nhiên liệu.

Nhiên liệu và phương trình tên lửa

Nói về nhiên liệu, việc mang đủ nhiên liệu để đạt được vận tốc thoát ly là một bài toán kỹ thuật khổng lồ. Đây chính là lúc Phương trình Tên lửa của Tsiolkovsky phát huy tác dụng. Về cơ bản, nó cho các kỹ sư biết lượng nhiên liệu mà tên lửa cần mang theo so với tải trọng của nó (những thứ mà nó mang vào không gian, chẳng hạn như phi hành gia hoặc vệ tinh).

Phần khó khăn là gì? Càng mang nhiều nhiên liệu, tên lửa càng nặng, nghĩa là bạn cần nhiều nhiên liệu hơn nữa để đẩy được trọng lượng đó. Đây quả là một tình huống tiến thoái lưỡng nan kinh điển! Đó là lý do tại sao tên lửa được chế tạo theo từng giai đoạn — chúng đốt nhiên liệu và thả các thùng rỗng trên đường đi để giảm trọng lượng và tiếp tục tăng tốc hiệu quả.

Chân không của vũ trụ: Không có không khí, không vấn đề gì?

Khi bạn ở trong không gian, môi trường thay đổi đáng kể. Không có khí quyển, nghĩa là không có lực cản của không khí nhưng cũng không có oxy. Đối với du hành vũ trụ, điều này có nghĩa là:

- Tên lửa không dựa vào lực đẩy ngược lại không khí; thay vào đó, chúng đẩy khí thải ngược trở lại để đẩy về phía trước — đó chính là Định luật thứ ba của Newton: "Với mỗi tác động, luôn có một phản ứng bằng và ngược chiều."

- Không có không khí, nhiệt không tản ra như trên Trái Đất. Tàu vũ trụ cần vật liệu và hệ thống làm mát đặc biệt để kiểm soát nhiệt độ khắc nghiệt — từ mặt trời thiêu đốt đến bóng tối lạnh giá.

Vi trọng lực: Sống trong trạng thái rơi tự do

Trên quỹ đạo, các phi hành gia trải nghiệm trạng thái vi trọng lực — thường được gọi là không trọng lực — vì về cơ bản họ đang rơi tự do quanh Trái Đất. Môi trường này gây ra một số hiệu ứng thú vị:

- Các phi hành gia lơ lửng bên trong tàu vũ trụ, điều này gây ảnh hưởng đến cơ và xương của họ vì chúng không chống lại được trọng lực. Đó là lý do tại sao các phi hành gia tập thể dục rất nhiều trong không gian.

- Chất lỏng trong cơ thể bị phân phối lại, gây ra tình trạng "mặt sưng húp" và các thay đổi khác.

Bản thân trạng thái vi trọng lực này không phải là một thách thức đối với vật lý du hành, nhưng nó là một

- Các phi hành gia lơ lửng bên trong tàu vũ trụ, điều này gây ảnh hưởng đến cơ và xương của họ vì chúng không chống lại được trọng lực. Đó là lý do tại sao các phi hành gia tập luyện rất nhiều trong không gian.

- Chất lỏng trong cơ thể bị phân phối lại, gây ra hiện tượng "mặt sưng húp" và các thay đổi khác.

Bản thân trọng lực vi mô này không phải là một thách thức đối với vật lý du hành, nhưng nó là một yếu tố quan trọng trong việc lập kế hoạch cho các sứ mệnh dài ngày.

Tốc độ, khoảng cách và thời gian: Yếu tố tương đối

Không gian rất rộng lớn — ngay cả khi di chuyển với tốc độ hàng chục nghìn dặm một giờ, việc đến được các hành tinh gần đó cũng mất hàng tháng hoặc hàng năm. Các định luật vật lý, đặc biệt là thuyết tương đối của Einstein, cho chúng ta biết rằng khi bạn tiến gần đến tốc độ ánh sáng, thời gian sẽ vận hành khác đi. Mặc dù công nghệ hiện tại chưa thể đạt đến gần tốc độ ánh sáng, nhưng việc hiểu được những hiệu ứng này là rất quan trọng cho các chuyến du hành vũ trụ sâu trong tương lai.

Kết thúc!

Du hành vũ trụ không chỉ là những tên lửa hiện đại — đó là một điệu nhảy phức tạp với các định luật vật lý. Từ việc vượt qua trọng lực và quản lý nhiên liệu đến việc đối phó với môi trường khắc nghiệt và bức xạ vô hình, mỗi bước đi đều đòi hỏi sự chinh phục những thách thức khoa học. Nhưng nhờ những bộ óc thiên tài và sự đổi mới không ngừng, chúng ta đang tiến gần hơn đến việc khám phá vũ trụ mỗi ngày.

Vì vậy, lần tới khi bạn nhìn lên các vì sao, hãy nhớ đến những hiện tượng vật lý đáng kinh ngạc thúc đẩy mọi sứ mệnh vượt ra ngoài bầu khí quyển của chúng ta.