Entmystifizierung der Physik der Schwerelosigkeit bei Parabelflügen

Parabelflüge werden oft grob als ein Flugzeug beschrieben, das für eine bestimmte Zeit nach oben beschleunigt und dann frei fällt (wodurch sein Schub gestoppt wird) und während des Bogenwegs, den es dauert, bevor es direkt nach unten fällt, fühlen sich die Passagiere schwerelos. Dies wird sowohl verwendet, um das Leben in einem Raumschiff nachzuahmen, um Astronauten vorzubereiten, als auch, was noch wichtiger ist, Physiker führen Experimente unter diesen Bedingungen durch, um Daten unter Schwerelosigkeitsbedingungen zu sammeln.

Um die Idee hinter dem wahrgenommenen Schwerelosigkeitsgefühl zu erklären, wird oft die Analogie mit einem nach unten beschleunigenden Aufzug gezogen, dh wenn der Aufzug mit einer Geschwindigkeit gleich nach unten beschleunigt G , der Passagier fühlt sich schwerelos. Aber intuitiv hatte ich mir das immer andersherum vorgestellt, nämlich so, dass es gleich eine Aufwärtsbeschleunigung gibt G , Das beschleunigte Objekt hat eine Nettobeschleunigung A → = 0 → und dies wäre eine schwerelose Situation, weil wir uns zu nichts beschleunigt fühlen. Aber zugegebenermaßen nur aus den Gleichungen, z. M = F / A das ist nicht klar, da mein beschriebenes Beispiel sogar eine unendliche Masse implizieren würde...

Es wäre genial, wenn jemand erklären könnte, was vor sich geht, ohne sich auf Metaphern oder zu irreführende Analogien zu verlassen und stattdessen nur mit grundlegenden Newtonschen Gleichungen zu argumentieren: Was wird bei einem Parabelflug erreicht, den wir "Schwerelosigkeit" nennen?

Wenn Sie sich im freien Fall nahe der Erdoberfläche befinden, ist Ihre Beschleunigung nicht null: sie ist es G . Die Schwerelosigkeit kommt vom Boden des Aufzugs, der keine Kraft auf Sie ausübt (weil Sie keine Kraft darauf ausüben, da sowohl Sie als auch der Aufzug mit der gleichen Beschleunigung fallen).
Auch Menschen der flachen Erde sind darüber verwirrt. Was sie nicht verstehen, ist, dass die Schwerkraft selbst keine Beschleunigung ist (es sei denn, Sie appellieren an die allgemeine Relativitätstheorie, die sie wirklich dampft :) Vielmehr ist es eine Kraft, die auf Materie wirkt, ähnlich wie lange, fadenförmige Gummibänder, die buchstäblich alles auf der Erde ziehen in Richtung der Mittelpunkt der Erde. Je massiver etwas ist, desto mehr Bänder hat es. Wenn wir von der „Beschleunigung der Schwerkraft“ sprechen, meinen wir, wie schnell diese Bänder Dinge in Richtung des Erdmittelpunkts beschleunigen, wenn nichts sie aufhält .
Tatsächlich muss es nicht parabolisch sein; es unterscheidet sich nicht von einem Astronauten in einem Raumschiff mit ausgeschalteten Triebwerken, das sich auf einer elliptischen, parabolischen oder hyperbolischen Flugbahn um die Erde bewegt - dennoch befindet sich der Astronaut in der Schwerelosigkeit. Wenn mehr als ein einzelner Gravitationskörper auf das Raumschiff einwirkt, kann seine freie Flugbahn sehr kompliziert sein – und der Astronaut im Inneren befindet sich immer noch in der Schwerelosigkeit.

Antworten (5)

Ich denke, die Verwirrung entsteht, weil Sie denken, dass Sie sich schwerelos fühlen müssen A → = 0 . Dies ist nicht der Fall.

Ich würde stattdessen die Schwerelosigkeit eines Objekts wie folgt definieren: Im Ruhesystem des Objekts wirken keine Kräfte auf das Objekt (im Gegensatz zu der Summe der Kräfte, die Null ist, was nach Newtons Gesetz zu einer Beschleunigung von Null führt).

Lassen Sie mich den Unterschied zwischen den beiden anhand Ihres Aufzugsbeispiels veranschaulichen.

  1. Sie fallen mit dem Aufzug. In Ihrem Rahmen und unter der Annahme, dass die Situation ideal ist, wirken keine Kräfte auf Sie ein.
  2. Du stehst in einem Aufzug, der nicht herunterfällt. Dann wirken in deinem Rahmen zwei Kräfte auf dich. Die Schwerkraft zieht dich nach unten und der Boden drückt dich nach oben. Jetzt werden Sie mir sagen, "aber ist das nicht dasselbe, da sich nach Newtons Gesetz die Kräfte zu Null addieren und es keinen Unterschied geben sollte? " NEIN! Der Grund ist, dass Sie ein Objekt endlicher Größe sind . Der Boden drückt nur auf Ihre Füße, während die Schwerkraft (in guter Näherung) gleichmäßig an jedem in Ihrem Körper zieht. Dadurch entsteht ein Dehnungsgradientüber Ihren Körper, dh Ihre Füße spüren, wie Ihr ganzer Körper oben auf sie drückt, während Ihr Gehör nur Ihre (hoffentlich noch blühenden) Haare darauf spürt. Das ist das, was du als „Gewicht“ wahrnimmst, deine Füße drücken in deinen Körper. Das haben Sie in einem frei fallenden Aufzug oder einem Parabelflug nicht.
  3. Das Beispiel in der Frage, mit dem Sie in einem Aufzug stehen, der nach oben beschleunigt G . Nun, dieselbe Geschichte wie in 2, außer dass Sie jetzt doppelt so viel Druck auf Ihre Füße haben.

Das ist nicht nur der Grund, warum wir uns bei einem Parabelflug schwerelos fühlen, es ist in einigen Fällen auch der Grund, warum Menschen Physikexperimente in Schwerelosigkeit durchführen möchten. Die meisten physikalischen Systeme sind Objekte endlicher Größe, und wenn Sie ein Präzisionsexperiment durchführen möchten, bei dem der Kraftunterschied der verschiedenen Teile tatsächlich eine Rolle spielt, müssen Sie entweder einen Weg finden, sie am Herunterfallen zu hindern, ohne sie auf dem Boden abzulegen, oder Sie selbst in den freien Fall gehen (Haftungsausschluss: Ich weiß nicht wirklich, ob jemand Präzisionsmessungen bei Parabelflügen durchführt. Ich bezweifle es, weil Flugzeuge wackeln). Natürlich gibt es noch viele andere Effekte, von denen die meisten jedoch den gleichen Ursprung von Dehnungs-/Kraftgradienten haben (z. B. die unterschiedliche Form von Flammen, siehe diesen Artikel ).

BEARBEITEN: Stellen Sie sicher, dass Sie sich den Kommentar von MaximUmansky unten ansehen!

Geniale Erklärungen, danke. Wenn ich fragen darf, warum wird der freie Fall als Beispiel für Schwerelosigkeit angeführt? denn es wirken immer noch Kräfte auf uns ein, nämlich die Schwerkraft und sogar die Luftreibung.
@ user929304 danke! Tatsächlich wirkt die Schwerkraft immer noch auf uns, aber da sie jeden Teil Ihres Körpers betrifft, verschwindet sie in Ihrem Ruherahmen . (weil es für eine solche Kraft keine Dehnungsgradienten gibt, zumindest wenn wir das Gravitationsfeld als konstant annähern). Reibung ist auch da, du hast recht! Aber wir können es als Näherung für einen Parabelflug vernachlässigen. Hoffe, das hilft, lass es mich wissen, wenn du weitere Fragen hast!
Danke, macht sehr viel Sinn. Können wir also verallgemeinern, indem wir sagen, dass wir uns in den meisten Fällen, in denen keine Normalkraft auf uns wirkt, die der Schwerkraft entgegenwirkt, nur schwerelos "fühlen", da jeder Teil unseres Körpers der gleichen Beschleunigung ausgesetzt ist [*] und wir nicht dagegen drücken irgendetwas. Mit Anführungszeichen, weil es nicht wirklich bedeutet, dass wir leicht herumgeschubst werden können, da wir immer noch unsere Ruhemasse ungleich Null haben, weil die Impulsänderung, die erforderlich ist, um einen Körper selbst im Vakuum zu bewegen, proportional zur Masse dieses Körpers ist. Ist das eine solide Zusammenfassung?
[*]: sollten wir hier einen kleinen Vorbehalt wie folgt hinzufügen: Wir werden immer noch beschleunigt, obwohl es konstant ist, ändert es immer noch unsere Dynamik in der Zeit ∂ P / ∂ T ≠ 0 , aber warum spüren wir dann nicht eine fiktive Kraft, die entgegen der Gravitationskraft auf uns einwirkt? Ähnlich wie beim Vorwärtsbeschleunigen eines Autos werden wir rückwärts geschoben.
@ user929304 Während das, was Sie gesagt haben, größtenteils richtig ist, würde ich Sie ermutigen, auch über die Belastungen in Ihrem Körper nachzudenken. das ist auch wirklich der Kern dessen, was ich in meiner Antwort sagen wollte.
Es ist interessant festzustellen, dass ein eng anliegender High-Tech-Skinsuit – Gravity Loading Countermeasure Skinsuit (GLCS) – für Astronauten entwickelt wird, um eine Belastung im Körper zu erzeugen, um ihn für Menschen in Schwerelosigkeit natürlicher zu empfinden und negativ auszugleichen Auswirkungen davon auf die menschliche Gesundheit. Siehe esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Astronauts/…
@MaximUmansky das ist so cool, danke fürs Teilen!!
@ user929304 Es gibt nichts, um die Kraft bereitzustellen, die "Sie zurückdrückt". Es gibt keine Bewegung zu widerstehen, das Flugzeug, in dem Sie sich befinden, beginnt plötzlich mit der gleichen Geschwindigkeit wie Sie in den freien Fall zu gehen. Ein großer Unterschied zum Fallschirmspringen hat mit der "Reibung" zu tun, der Sie sich zu entziehen schienen. Normalerweise spüren Sie im freien Fall aufgrund der Widerstandskraft einen gewissen Widerstand. Die Widerstandskraft manifestiert sich, weil Sie mit relativ hohen Geschwindigkeiten durch die Luft reisen. In einem geschlossenen Gefäß, wie einem Flugzeug, fällt die Luft tatsächlich frei mit Ihnen, sodass sie der Bewegung keinen Widerstand entgegensetzt und daher nicht zu spüren ist.

Bei einem Parabelflug oder freien Fall bewegen sich sowohl der Boden, auf dem das Objekt platziert wird, als auch das Objekt selbst mit der gleichen Beschleunigung, die g=9,8 m/s beträgt. Mit anderen Worten, der Boden fällt mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Objekt, sodass das Objekt einen freien Fall erfährt. Sagen Sie, wenn Sie in einem fallenden Aufzug stehen. Sowohl Sie als auch der Aufzug haben die gleiche Beschleunigung g. Du beschließt zu springen. Sie springen und jetzt sollen Sie nach rechts fallen, aber der Boden des Aufzugs (eigentlich der Aufzug selbst) fällt mit der gleichen Geschwindigkeit wie Sie, sodass Sie in Ihrem Bezugsrahmen keine Nettobeschleunigung erfahren. Angenommen, Sie stehen in einem Aufzug, der mit der Beschleunigung g nach oben fährt. Du springst wieder. Durch die Erdbeschleunigung stürzen Sie herunter. Außerdem bewegt sich der Boden mit der Beschleunigung g auf Sie zu.

In Bezug auf die Newtonschen Gesetze und unsere Erfahrung als Menschen denken Sie darüber nach:

Wenn Sie auf einem Boden stehen, zieht Sie die Schwerkraft nach unten und Sie werden gegen den Boden gedrückt, was eine nach oben gerichtete normale Reaktionskraft ergibt . Diese normale Reaktionskraft gibt Ihnen das Gefühl, in gepresstem Kontakt mit dem Boden zu stehen.

Betrachten Sie nun die Projektilbewegung. Die Bahn des Projektils ist eine Parabel und beachten Sie, dass die Beschleunigung eines Teilchens in einer Parabel immer g nach unten ist. Wenn also ein Flugzeug dieser Flugbahn folgt, dann fällt auch der Boden des Flugzeugs bei g nach unten weg, sodass eine Person nicht mehr gedrückt wird gegen den Boden (der Boden scheint wegzufallen) und so ist die normale Reaktionskraft jetzt 0. Das ist Schwerelosigkeit.

Wie Nick betont, ist Gewicht das Gefühl, das man bekommt, wenn der Boden die Füße nach oben drückt. Was Sie spüren, ist die elektromagnetische Abstoßung in Ihren Füßen, die die Erde auf Sie ausübt. Diese Kraft beschleunigt Sie mit einer Rate von − G was sich mit der Anziehungskraft summiert, um Sie in Ruhe zu lassen. Beim freien Fall wirkt nur die Schwerkraft. Sie werden zwar beschleunigt, ABER Sie spüren es nicht. Du kannst es nicht wissen. Weil es nichts gibt, was Ihre Füße drückt. Und das ist extrem tief und tatsächlich der Ausgangspunkt der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Dies wird als Äquivalenzprinzip bezeichnet und ist eine Besonderheit der Schwerkraft (im Gegensatz zu anderen Kräften). Der Punkt ist, dass die Ladung unter der Schwerkraft (schwere Masse) genau gleich der Trägheitsmasse ist (im Gegensatz zur elektrischen Ladung, die offensichtlich nicht mit der Trägheitsmasse zusammenfällt). Dies impliziert wiederum, dass Sie die Beschleunigung nicht von der Gravitationskraft unterscheiden können. Einstein nutzte diese Erkenntnis, um zu argumentieren, dass die Gravitationskraft nicht existiert. Stattdessen bewegen wir uns in einer gekrümmten Raumzeit. Dann existiert die Gravitationskraft nicht. Dann tatsächlich, wenn Sie frei fallen T H e R e A R e N Ö F Ö R C e S e X e R T e D Ö N j Ö u .

Zusammenfassend: Sie können nicht sagen, dass Sie sich im freien Fall befinden, weil Sie die Beschleunigung nicht von der Gravitationskraft unterscheiden können.

Und bei Newtons Gleichungen verwendest du nur falsche Vorzeichen. Der Punkt ist, wie der Boden in Bezug auf Sie beschleunigt. Wenn der Aufzug die gleiche Beschleunigung wie Sie hat, ist die Beschleunigung Sie F e e l ist die Subtraktion. Das ist, G − E l e v A T Ö R A C C e l e R A T ich Ö N .

Grüße.

Der Weg zum Verständnis ist das Konzept des nicht-trägen Referenzrahmens. Die klassische Mechanik (und darüber hinaus das Trägheitsgesetz) arbeitet in einem Trägheitsbezugssystem, das keiner Beschleunigung unterliegt (auch Galileisches Bezugssystem genannt). Wenn Sie verwenden möchten

F → = M A →
, Die A befindet sich in einem Inertialbezugssystem. Für das fallende Flugzeug beschleunigt es also nach unten um G . In einem äußeren Trägheitsbezugssystem Ihre Beschleunigung in diesem Rahmen A ich F → ist gleich deiner Beschleunigung A P → in der Ebene plus die Beschleunigung Ihrer Ebene (nicht inertialer Referenzrahmen), A P F → = G → . Das Newtonsche Gesetz im Trägheitssystem schreibt also:
F → = M A ich F → = M ( A P → + A P F → )
F → − M A P F → = M A P →
Die − M A P F → Begriff wird eine fiktive Kraft genannt. Es entsteht eine Zentrifugalkraft (im Gegensatz zur Zentripetalbeschleunigung) und die Corioliskraft ist, dass sich Ihr nicht träger Rahmen jetzt um eine Achse dreht. Nun, wenn Ihre einzige Kraft F → Ist G → , du hast
M A P → = 0
Das ist schwerelos. Ich bestehe darauf, es ist kein Gefühl, es ist ein tatsächlicher Null-Kraft-Zustand.

und im Falle Ihres anderen Beispiels (der Auftrieb nach oben) werden Sie eine Kraft von 2 g erfahren. Sie können dieses Ergebnis erhalten, indem Sie denselben Kalkül erstellen. Dies ist eigentlich der Grund, warum Kampfflugzeugpiloten während des Starts wenige g erfahren: Die Beschleunigung nach vorne erzeugt eine fiktive Kraft nach hinten.
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