Kompression vs. Reibung – was passiert, wenn Weltraumobjekte in die Erdatmosphäre eindringen?

Wenn man darüber liest, was passiert, wenn kosmischer Schutt in die Erdatmosphäre eindringt, sagen einige Quellen Reibung, andere sagen Kompression. Zum Beispiel:

Auf space.com heißt es :

Meteorschauer treten auf, wenn Staub oder Partikel von Asteroiden oder Kometen mit sehr hoher Geschwindigkeit in die Erdatmosphäre eindringen. Wenn sie auf die Atmosphäre treffen, reiben Meteore an Luftpartikeln und erzeugen Reibung , wodurch die Meteore erhitzt werden. Die Hitze verdampft die meisten Meteore und erzeugt das, was wir Sternschnuppen nennen.

Andererseits schreibt Phil Plait :

Was Sie sehen, ist kein Rauch oder brennende Partikel. Wenn ein Meteoroid (der eigentliche feste Materialklumpen) durch die Atmosphäre schießt, komprimiert er die Luft heftig und erwärmt sie enorm (beachten Sie, dass dies nicht auf Reibung, sondern auf Kompression zurückzuführen ist ; wie wenn sich eine Fahrradpumpe beim Gebrauch erwärmt). ). Die Hitze ist so intensiv, dass sie die Gase ionisiert und Elektronen von ihren Mutteratomen abstreift. Wenn die Elektronen langsam mit den Atomen rekombinieren, emittieren sie Licht – so leuchten Neonreklamen und riesige Sternentstehungsnebel im Weltraum.

Oder hier :

Grundsätzlich erzeugt das Überschallobjekt seinen eigenen Ofen, indem es die Luft vor ihm komprimiert. Wenn das Objekt außerdem aus einem oxidierbaren Material (wie Eisen, Aluminium oder Kohlenstoff) besteht und die Luft sauerstoffreich ist (wie die Erdatmosphäre), dann kann das Objekt buchstäblich verbrennen. Wenn also das nächste Mal jemand versucht, Ihnen zu sagen, dass Luftreibung einen Meteoriten in der Atmosphäre verbrennen lässt, korrigieren Sie ihn unbedingt und erzählen Sie ihm alles über Überschallschock.

und hier :

Wenn Sie sich ansehen, was passiert, wenn das Space Shuttle durch die Atmosphäre fährt, wird die Atmosphäre insgesamt nicht komprimiert , sondern nur erhitzt. Insgesamt erfolgt der Energieverlust also durch Reibung. Unterwegs wird jedoch ein wenig Energie in der komprimierten Luft gespeichert, bevor sie durch Reibung in der Luft verloren geht, wenn sie sich wieder ausdehnt.

Und schließlich eine Kombination aus Kompression und Reibung :

Wenn sich der Meteor mit dieser Geschwindigkeit bewegt, wird viel Wärme erzeugt ( Kompression sowie Reibung/Viskosität ).

Für mich macht die Komprimierung intuitiv viel mehr Sinn (aber ich könnte mich irren). Aber gleichzeitig fehlt mir das tatsächliche Physikwissen, um es selbst zu demonstrieren. Hier auf SE Physics gibt es einige großartige Antworten zu ähnlichen Themen, die meine Fragen jedoch nicht ganz beantworten. Vielleicht sind meine Fragen nicht so einfach zu beantworten, was für mich trotzdem eine wertvolle Antwort wäre!

Also, meine Fragen sind:

F1: Am Beispiel eines idealen Objekts (z. B. Kugel, 1 m Radius), das in die Erdatmosphäre eintritt, ist es möglich, die Gesamtwärmemenge, die in einer bestimmten Höhe erzeugt wird, grob zu berechnen und dann die Wärmemenge zu quantifizieren Kompression vs. Reibung? Sagen wir 80 % Kompression und 20 % Reibung (oder 99 % vs. 1 % oder ähnlich)? Eine Baseballfigur würde völlig ausreichen!

F2: Gibt es in Bezug auf das vorletzte Beispiel/Zitat oben technisch einen Unterschied, ob ein Metroroid oder das Space Shuttle in die dickeren Schichten der Erdatmosphäre eindringt (dh Reibung für das Space Shuttle-Beispiel und nicht Kompression)?

Hinweis: Wenn Sie das Tag hinzufügen meteors, heißt es in der Beschreibung auch:

Aus dem Weltraum fallende Stein- oder Metallstücke, die durch intensive Reibungswärme für einen Teil ihrer Reise sichtbar gemacht wurden .

Keine Erwähnung von Kompression.

Danke für den Hinweis auf die schlechte Definition von Meteoren auf dieser Seite. Ich habe die Verwendung in die offizielle IAU-Definition geändert: Insbesondere das Lichtphänomen, das aus dem Eintritt eines festen Teilchens aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre resultiert; allgemeiner als Substantiv oder Adjektiv jedes physische Objekt oder Phänomen, das mit einem solchen Ereignis verbunden ist. Würde jemand mit Tag-Wiki-Bearbeitungsrechten bitte meine Bearbeitung genehmigen?
Dies ist die klarste Frage, die ich zu diesem Thema gesehen habe. Hoffentlich bekommen wir bald eine gute Antwort.
In Bezug auf die Gesamtwärmemenge können Sie der Berechnung hier folgen: faa.gov/about/office_org/headquarters_offices/avs/offices/aam/… bezüglich der Verteilung zwischen Kompression und Reibung sollte es genügen zu bemerken, dass die Reibungstemperatur gleich sein sollte auf dem Fahrzeug/Meteor und in der Atmosphäre, während es durch Kompression anders sein sollte (die komprimierte Wellenfront wird vom Flugzeug gelöst).
@EarlGrey Der von Ihnen verlinkte Artikel erwähnt eigentlich ausschließlich, dass Reibung die Ursache für Erwärmung ist, tatsächlich wird Kompression nicht erwähnt. Würden Sie zustimmen, dass dies falsch ist?
@RoryMcDonald-Stoßwellen werden ausdrücklich als lokalisierte Erwärmung erwähnt (Seite 322). Wellen in einer nicht viskosen Flüssigkeit (bis zu einem gewissen Grad Luft, bis zu einem gewissen Grad Wasser) sind lokale Kompression und Dekompression des Volumens.

Antworten (2)

Stellen Sie sich ein stumpfes Objekt wie eine Raumkapsel vor, die in die Atmosphäre eindringt. Es erfährt eine verlangsamende Kraft, richtig? Teilt man diese Kraft durch die Fläche der stumpfen Stirnfläche, erhält man einen effektiven Druck. Die Atmosphäre muss diesen Druck vor dem Objekt erzeugen, sonst gäbe es keine Kraft (ein Molekül, das an den Seiten des Objekts vorbeiströmt, ohne es zu treffen, kann eine solche Kraft nicht erzeugen). Diese Kompression erwärmt auch das Gas vor dem Objekt.

Das heiße, dichte Gas strömt nun an den Seiten der Kapsel entlang. Wenn wir die Kapsel kühl halten wollen, dann wollen wir sicher nicht, dass dieses heiße Gas den Körper wieder berührt, weshalb Kapseln mit der breiten Seite eintreten und nicht wie Flugzeuge mit scharfer Kegelspitze fliegen. Der Körperwinkel muss klein genug sein, damit das Gas den gesamten Körper passieren kann, bevor es sich weit genug ausdehnt, um die Wände zu erreichen.

Sie können diese Effekte gut in alten NASA-Bildern sehen, die den Überschall-Bogenstoß um Modelle ihrer Kapseln zeigen, die dunklen Bereiche sind dichtes Gas unter hohem Druck, die hellen sind weniger dichte Regionen mit niedrigem Druck:

Eine Schattengrafik der Wiedereintrittskapsel des Projekts Mercury, die die Bugstoßwelle davor und die Strömungsfelder hinter der Kapsel zeigt.

Der größte Teil der kinetischen Energie in der Kapsel wird bei diesem Bugstoß in Gaserwärmung umgewandelt, nur ein Bruchteil davon wird vom Hitzeschild absorbiert und ein immer kleinerer Teil erwärmt die Rückseitenwände. Ohne dieses Phänomen wäre der Wiedereintritt ein noch schwierigeres thermisches Problem, als es ohnehin schon ist.

Das sind interessante Zusatzinformationen (deshalb habe ich hochgestimmt), aber leider werden meine beiden Fragen nicht beantwortet.
Um Ihre Fragen zu beantworten: Ja, es ist sicherlich möglich, diese Verhältnisse zu berechnen, aber Sie müssten sich ein Leben lang auf die Erforschung von Hyperschall-Bogenschocks einlassen. Ich glaube nicht, dass es eine einfache Drei-Minuten-Antwort gibt. Auch die zweite Frage ist zu bejahen, das Space Shuttle wurde in seiner Lage aktiv gesteuert, während ein Meteorit einfach taumelt, während seine Oberfläche schmilzt. In den unteren Schichten wird das Shuttle sowieso zu einer prallen Ebene, sodass die Reibung fast vollständig überwiegt, wie bei jeder anderen Ebene.
Danke für deine Antworten. Es ist ein ziemlich interessantes Thema und nicht leicht zu verstehen. Hier ist eine weitere interessante Diskussion zu den Fragen, die ich hatte.

Bei einem Objekt, das mit hoher Geschwindigkeit in unsere Atmosphäre eindringt, werden zwei Arten von Wärme erzeugt, eine durch Reibung, bei der kollidierende Moleküle kinetische Energie erzeugen, und eine atmosphärische Kompression, bei der vielleicht mehrere Meilen Atmosphäre zu einer dünnen Gasschicht vor ihnen komprimiert werden des Objekts in weniger als einer Sekunde. Ich glaube, dass die überwiegende Mehrheit der Wärme, die Plasma erzeugt, das Ergebnis der atmosphärischen Kompression einer sehr großen Menge Gas ist und nicht die Reibung von Gasmolekülen, die gegen die Oberfläche des Objekts selbst kollidieren. Obwohl Reibung eine Rolle spielt, ist die Hitze – Plasma – aufgrund der Kompression von Gas vor dem Objekt weitaus bedeutender, zumindest bei den typischen Geschwindigkeiten von Objekten, die in unsere Atmosphäre eintreten.
Gute Beispiele für Maschinen, die die Temperatur des Gases durch Kompression erhöhen, sind eine Fahrradpumpe, wie von anderen erwähnt, und ein Kühlschrank, der kühlt, indem er Gas zuerst durch Komprimieren erhitzt, dann das erhitzte Gas durch ein Expansionsventil und dann durch leitet ein Kühler, der das Gas unter seine ursprüngliche Temperatur abkühlt. Reibung ist in beiden Fällen nicht beteiligt, nur Kompression. Mit anderen Worten, Erklärungen der superhohen Hitze von Meteoren, die in unsere Atmosphäre eintreten, die nur „Reibung“ erwähnen, ignorieren die Realität der Physik vollständig. So traurig!

Kompression vs. Reibung – was passiert, wenn Weltraumobjekte in die Erdatmosphäre eindringen?
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