miniatura|upright=1.35|Astronautas na Estação Espacial Internacional experimentam condições de microgravidade, que constituem um exemplo de imponderabilidade. Michael Foale aparece se exercitando em primeiro plano.
Imponderabilidade é a ausência completa ou quase completa da sensação de peso, isto é, um peso aparente nulo ou muito pequeno. Também é denominada força g zero ou zero-g, em referência à força g, ou, de maneira enganosa, gravidade zero.
Na mecânica newtoniana, o peso gravitacional é a força exercida sobre um corpo por um campo gravitacional. A sensação de peso resulta do contato com superfícies de apoio, como pisos, assentos, camas e balanças. Essa sensação também pode surgir na ausência de um campo gravitacional, quando forças mecânicas de contato, não gravitacionais, atuam sobre um corpo e alteram seu movimento em oposição à sua inércia, como em uma centrífuga, em uma estação espacial em rotação ou no interior de um veículo em aceleração.
Quando o campo gravitacional não é uniforme, um corpo em queda livre está sujeito a forças de maré e não fica inteiramente livre de tensões internas. Nas proximidades de um buraco negro, esses efeitos podem ser muito intensos e provocar a espaguetificação. No caso da Terra, os efeitos são pequenos, sobretudo em objetos de dimensões relativamente reduzidas, como o corpo humano ou uma espaçonave, e a sensação geral de imponderabilidade se mantém. O termo microgravidade é utilizado para os ambientes de imponderabilidade aproximada encontrados em espaçonaves em órbita, nos quais persistem pequenas acelerações residuais. Ele não significa que o campo gravitacional terrestre tenha quase desaparecido. As forças de apoio podem ser nulas na queda livre ideal, mas efeitos de maré e perturbações mecânicas impedem que uma espaçonave real reproduza integralmente essa condição.
Imponderabilidade na mecânica newtoniana miniatura|Na metade esquerda, a mola está distante de qualquer fonte de gravidade. Na metade direita, encontra-se em um campo gravitacional uniforme.(a) Gravidade nula e imponderabilidade.(b) Gravidade nula, mas sem imponderabilidade: a mola é impulsionada por um foguete.(c) A mola está em queda livre e em imponderabilidade.(d) A mola repousa sobre um pedestal, com peso gravitacional e peso aparente não nulos.
Na física newtoniana, a sensação de imponderabilidade experimentada pelos astronautas não decorre de uma aceleração gravitacional nula, observada a partir da Terra, mas da ausência de uma força g perceptível em condições de queda livre e da ausência de diferença entre a aceleração da espaçonave e a do astronauta. O jornalista especializado em assuntos espaciais James Oberg explica o fenômeno da seguinte maneira:
O mito de que os satélites permanecem em órbita porque "escaparam da gravidade terrestre" é perpetuado, de maneira igualmente equivocada, pelo uso quase universal da expressão "gravidade zero" para descrever as condições de queda livre a bordo dos veículos espaciais em órbita. Evidentemente, isso não é verdade: a gravidade continua existindo no espaço. É ela que impede os satélites de seguirem em linha reta para o vazio interestelar. O que falta é o "peso": a oposição à atração gravitacional exercida por uma estrutura fixa ou por uma força contrária. Os satélites permanecem no espaço por causa de sua enorme velocidade horizontal, que lhes permite, enquanto são inevitavelmente atraídos para a Terra pela gravidade, cair "além do horizonte". O afastamento do solo, decorrente da curvatura da superfície terrestre, compensa a queda dos satélites em direção a ele. É a velocidade, e não a posição ou a ausência de gravidade, que mantém os satélites em órbita da Terra.
Do ponto de vista de um observador em um referencial inercial, a força gravitacional sobre um objeto em queda livre continua atuando normalmente. Um exemplo clássico é o de uma cabine de elevador cujo cabo foi cortado e que cai em direção à Terra com aceleração de aproximadamente 9,81 m/s². Nessa situação, a percepção do peso por uma pessoa dentro do elevador diminui quase completamente, embora a força gravitacional não seja nula. Como a gravidade atua em direção ao centro da Terra, duas bolas separadas horizontalmente seriam atraídas em direções ligeiramente diferentes e se aproximariam durante a queda. Se estivessem separadas verticalmente, a bola inferior estaria sujeita a uma aceleração gravitacional maior que a superior, pois a gravidade diminui com a distância de acordo com a lei do inverso do quadrado. Esses efeitos de segunda ordem produzem pequenos desvios em relação à imponderabilidade ideal.
Peso aparente e massa Uma balança de plataforma mede a força normal exercida entre ela e o corpo apoiado sobre sua superfície. Em um elevador que acelera para baixo, enquanto o corpo acompanha o piso e desprezando a resistência do ar, essa força é dada por
em que é a massa do corpo, é a aceleração gravitacional e é o módulo da aceleração descendente do elevador. Na queda livre, , de modo que . A balança deixa de sustentar o corpo, embora a força gravitacional permaneça atuando.
A massa não desaparece na imponderabilidade. Um objeto que flutua dentro de uma nave mantém sua inércia e precisa receber uma força para mudar de velocidade.
Imponderabilidade na relatividade geral Na relatividade geral, um laboratório pequeno, sem rotação e em queda livre, constitui, aproximadamente, um referencial inercial local. Dentro dele, experimentos locais se comportam como em um laboratório sem campo gravitacional. Essa equivalência, expressa pelo princípio da equivalência, é limitada a regiões suficientemente pequenas e a intervalos de tempo suficientemente curtos. As diferenças de atração gravitacional entre pontos do laboratório podem ser detectadas em experimentos mais extensos.
Os corpos em queda livre seguem geodésicas no espaço-tempo. A imponderabilidade local não exige que a curvatura do espaço-tempo seja nula. Os efeitos de maré, que aproximam ou afastam trajetórias inicialmente vizinhas, permitem detectar essa curvatura.
Em uma nave acelerada por seus motores, o piso pode pressionar os ocupantes e produzir a sensação de peso mesmo longe de fontes intensas de gravidade. Essa situação é a outra parte do experimento mental do elevador, no qual uma aceleração adequada reproduz localmente os efeitos de um campo gravitacional.
Ambientes de imponderabilidade e de peso reduzido miniatura|esquerda|Manobra de voo para produzir imponderabilidade.
Períodos breves de imponderabilidade também ocorrem durante um salto ou em brinquedos de parques de diversões que permitem a queda livre. Um objeto lançado para cima já está em queda livre enquanto sobe, desde que a resistência do ar seja desprezível. A condição não se restringe ao instante em que ele alcança a altura máxima.
Peso reduzido em aeronaves
Aviões são utilizados desde 1959 para proporcionar ambientes de imponderabilidade aproximada destinados ao treinamento de astronautas, à pesquisa e à produção cinematográfica. Essas aeronaves são conhecidas pelo apelido "Vomit Comet", ou "cometa do vômito".
Para criar esse ambiente, o avião percorre um trecho aproximadamente parabólico, primeiro em subida e depois em descida. A sustentação é reduzida e a propulsão é ajustada para compensar o arrasto, ou resistência do ar. O avião e seus ocupantes passam a se mover aproximadamente em queda livre. A fase de imponderabilidade abrange parte da subida e da descida, e não apenas a passagem pelo ponto mais alto da trajetória.
miniatura|Um KC-135A da NASA sobe para executar uma manobra de imponderabilidade.
Aeronaves de gravidade reduzida da NASA A partir de 1973, versões dessas aeronaves foram operadas pelo Programa de Pesquisa em Gravidade Reduzida da NASA, no qual surgiu o apelido informal. Posteriormente, a NASA passou a usar oficialmente a denominação "Weightless Wonder" em suas publicações. Entre as aeronaves utilizadas esteve o "Weightless Wonder VI", um McDonnell Douglas C-9, baseado em Ellington Field (KEFD), nas proximidades do Centro Espacial Lyndon B. Johnson.
O programa Microgravity University da NASA, por meio do Reduced Gravity Flight Opportunities Plan, também conhecido como Reduced Gravity Student Flight Opportunities Program, permitia que equipes de estudantes de graduação apresentassem propostas de experimentos em microgravidade. As equipes selecionadas projetavam e executavam seus experimentos, e os estudantes eram convidados a voar no Vomit Comet da NASA.
A310 Zero-G da Agência Espacial Europeia A Agência Espacial Europeia (ESA) realiza voos parabólicos em um Airbus A310-300 especialmente modificado para pesquisas em microgravidade. Em conjunto com o Centro Nacional de Estudos Espaciais (CNES), da França, e o Centro Aeroespacial Alemão (DLR), organiza campanhas de três voos em dias consecutivos. Cada voo compreende cerca de 30 parábolas, que proporcionam aproximadamente dez minutos de imponderabilidade. As campanhas são operadas a partir do Aeroporto de Bordéus-Mérignac pela Novespace, subsidiária do CNES, e a aeronave é pilotada por pilotos de ensaio da DGA Essais en vol.
Até maio de 2010, a ESA havia realizado 52 campanhas científicas e nove campanhas de voos parabólicos para estudantes. Seus primeiros voos de imponderabilidade ocorreram em 1984, com um KC-135 da NASA, em Houston, no Texas. Entre as outras aeronaves utilizadas estiveram o Ilyushin Il-76 MDK, russo, antes da criação da Novespace, e, posteriormente, um Caravelle francês e um Airbus A300 Zero-G.
Voos comerciais abertos ao público
miniatura|direita|Interior de um Ilyushin 76MDK russo do Centro de Treinamento de Cosmonautas Yuri Gagarin.
Os voos da Air Zero G abertos ao público começaram em 2013. O Airbus A310 Zero-G passou a realizar voos parabólicos em 2015, em substituição ao A300. A aeronave também foi utilizada em voos para cerca de 40 passageiros, além dos experimentos científicos. Comercializados pela Avico e operados principalmente a partir de Bordéus-Mérignac, na França, esses voos têm como objetivo divulgar a pesquisa espacial europeia e permitir que o público experimente a imponderabilidade. Jean-François Clervoy, astronauta da ESA e então presidente da Novespace, acompanhava esses "astronautas por um dia" a bordo do A310 Zero-G. Após o voo, explicava a exploração espacial e relatava suas três viagens ao espaço. A aeronave também foi utilizada no cinema, com Tom Cruise e Annabelle Wallis em A Múmia, de 2017.
A Zero Gravity Corporation opera um Boeing 727 modificado que percorre arcos parabólicos para produzir períodos de 25 a 30 segundos de imponderabilidade.
Instalações terrestres de queda miniatura|direita|Ensaio de imponderabilidade na Zero Gravity Research Facility, da NASA. As instalações terrestres que produzem condições de imponderabilidade para pesquisa são geralmente denominadas tubos de queda ou torres de queda.
A Zero Gravity Research Facility da NASA, situada no Centro de Pesquisa John H. Glenn, em Cleveland, no estado de Ohio, possui um poço que se estende 155 m abaixo do solo e contém uma câmara de vácuo de 142 m de comprimento. Nela, um veículo experimental pode permanecer em queda livre por 5,18 segundos, percorrendo 132 m. O veículo é detido em aproximadamente 4,6 m de grânulos de poliestireno expandido, com um pico de desaceleração próximo de 65 g.
O centro também possui a 2.2 Second Drop Tower, com uma distância de queda de aproximadamente 24 m. O experimento cai livremente dentro de uma proteção que recebe o arrasto do ar. O conjunto é detido por uma bolsa de ar, com desaceleração máxima de aproximadamente 30 g. A torre pode realizar até doze quedas por dia, enquanto a Zero Gravity Research Facility opera com uma queda diária.
O Centro de Voos Espaciais George C. Marshall, da NASA, abriga outro tubo de queda, com 105 m de altura, que proporciona 4,6 segundos de queda livre em condições próximas do vácuo.
Outras instalações de queda incluem: