Stellen Sie sich vor, ein Astronaut wird während einer EVA von der Raumstation losgerissen und fällt taumelnd davon. Könnte er ohne Fremdkörper oder Luft, mit der er interagieren könnte, aufhören zu taumeln und sich zu drehen und sich umdrehen, um wieder fest auf die Raumstation zu blicken? Die Geschwindigkeit des Spinnens kann durch Spreizen oder Einrollen verändert werden. Aber ließe sich der Drehimpuls verändern oder umlenken?
Der Drehimpuls bleibt erhalten. Um den Drehimpuls zu ändern, muss etwas emittiert oder absorbiert werden. Die Rotationsrate kann geändert werden, indem die Trägheitsmomente des Objekts geändert werden, wie es ein Skater tut. Aber der Drehimpuls ist fest, es sei denn, sie haben eine Rakete oder eine andere Masse, die sie loswerden können, ein Sonnensegel (und viel Zeit), eine Möglichkeit, gegen das Erdmagnetfeld zu reagieren, oder wenn jemand etwas auf sie wirft, das sie haben Fang. Der Schwerkraftgradient der Erde kann auch ein Drehmoment gegen den Drehimpuls ausüben.
Sie könnten ihre Spinrate mit zwei Massen an langen Saiten, die sie ausspielen, ziemlich verlangsamen. Wenn sie dann die Saiten loslassen, würde das den auf die Masse übertragenen Drehimpuls abgeben. Ich würde einige davon in meiner Tasche behalten.
Orientierung ist eine andere Sache. Wenn der Astronaut ungefähr eine Rotationsrate von Null hat, kann er seine Blickrichtung ändern, ohne etwas zu berühren. Es gibt Videos davon, wie dies auf der Raumstation gemacht wird. (Ich denke, Sie können hier irgendwo ein Beispiel in einer anderen Antwort finden.) Katzen tun dies auch im freien Fall. Sie können dies auch tun, wenn Sie sich drehen, aber das Ergebnis ist schwerer zu sehen. Die Achse ihres Spins kann sich nicht ändern, da diese durch ihren Drehimpuls vorgegeben ist, aber die Ausrichtung des Körpers relativ zur Spinachse kann geändert werden.
Es gibt nur zwei Möglichkeiten, wie er dies tun könnte.
Der erste ist, wenn er etwas in seinem Anzug hat, das er drehen kann – so etwas wie ein persönliches CMG. Dies würde den Drehimpuls effektiv "absorbieren". Es müsste sich wahrscheinlich entweder schnell drehen oder einen erheblichen Bruchteil der Masse des Astronauten ausmachen.
Der andere ist, wenn er etwas als Reaktionsmasse wegwerfen kann, um dem Trudeln entgegenzuwirken. Der Astronaut müsste die Masse ziemlich genau werfen, um seine Drehung auf Null zu bringen. Dies hätte die (möglicherweise) negative Folge, dass auch eine Änderung des linearen Impulses vermittelt würde. Nicht allzu schwierig, wenn es sich um ein Kaltgas-Triebwerk handelt. Schwieriger, wenn es ein Tennisball ist ...
Zusätzlich zu Eriks großartiger Antwort, die zu 100 % richtig ist, gibt es eine zusätzliche theoretische Methode, mit der der Astronaut seinen Spin und seine Rotation ändern könnte.
Ich glaube wirklich nicht, dass ein Mensch selbst darauf kommen würde, aber wenn ein Astronaut bereits mit dem Cat-Aufrichtreflex vertraut wäre , könnte er sich theoretisch selbst aufrichten, indem er den Drehimpuls auf verschiedene Anhänge überträgt und dann die Hebelwirkung des Anhängsels ändert und Rückführung des Drehimpulses. Im Grunde bedeutet dies, die Beine zu strecken, den Körper zu drehen, die Beine wieder einzuführen, dann die Arme zu strecken, den Körper zu drehen und dann die Arme wieder einzuführen. Wiederholen Sie dies nach Bedarf.
Hier ist ein Video einer Katze , die das Manöver durchführt , und das entsprechende Video von Smarter Every Day .
Während die Antworten von Erik und Mark technisch korrekt sind, könnte ein Astronaut (zumindest theoretisch) im Notfall etwas Riskantes versuchen:
Wenn der Astronaut etwas Scharfes hatte, um ein Loch in seinen Anzug zu bohren, oder der Anzug eine Befestigung hat, die abgerissen werden könnte, könnte er die Druckluft im Anzug als eine Art Notlösung verwenden Triebwerk. In die richtige Richtung (spinward) gerichtet, könnte man eine kleine Menge an Spin negieren (natürlich auf Kosten eines Teils der Luft im Anzug). Das ist etwas, was Sie natürlich nur versuchen würden, wenn die Alternative der sichere Tod wäre ...
Dass dies funktionieren kann, hat die NASA bereits um 1970 demonstriert. Wenn es passiert, muss es möglich sein.
Für diejenigen, die der Physik nicht glauben: TR Kane und MP Scher aus Stanford, Kalifornien, im International Journal of Solids and Structures: „A Dynamical Explanation of the Falling Cat Phenomenon.“
Die Websuche zeigt Fotos von Astronauten (meistens auf Trampolinen und nicht im freien Fall), die diese Bewegung ausführen.
DJohnM
Erik
Tyler Durden