Mikrogravitation: Wie mächtig ist ein Astronaut?

Obwohl das Objekt kein Gewicht hat, hat es immer noch Masse.

Ohne Reibung ist die Kraft einfach eine Frage, wie schnell man sie beschleunigen kann. Es ist im Grunde dasselbe wie ein Objekt auf einer Eisbahn zu schieben.

Wenn Sie also eine Kraft von 800 N bereitstellen können, was dem Heben Ihres eigenen Gewichts auf der Erde entspricht (z. B. beim Hochziehen), können Sie den Tank mit a = F / m = 800 N / 635 kg = etwas mehr als 1 m / s beschleunigen ^ 2 Wenn Sie ihn 1 Sekunde lang berühren, verlässt er die Station mit einer (relativen) Geschwindigkeit von 1 m/s

Die wirkliche Kraft, es zu deorbitieren, kommt von der atmosphärischen Reibung auf der großen Oberfläche.

Ich beantworte zunächst Ihre zweite Frage: In schwereren, massiveren Objekten (wie diesem Panzer oder Raumfahrzeugen) wird normalerweise Müll gesammelt und dann entsorgt, da diese leichter verfolgt werden können als kleinere Partikel und auch (idealerweise) so ausgeworfen werden können dass sie schnell in die Atmosphäre gelangen und daher schnell verglühen.

Würde man Müll einfach „aus dem Fenster werfen“, würde er noch eine ganze Weile um die Erde kreisen – schließlich ist die Atmosphäre dort oben ziemlich dünn und wird lange brauchen, um die kleinen Müllpartikel ausreichend abzubremsen in niedrigere Regionen eindringen und in der Atmosphäre verglühen.

Da selbst die kleinsten Partikel sowohl für die ISS als auch für andere Raumfahrzeuge gefährlich sein können, versucht man normalerweise, umweltbelastende Umlaufbahnen zu vermeiden.

Zu Ihrer ersten Frage: Die Schlüsselgleichung ist$\vec F = m \vec a$. Auf der Erde,$\vec F$setzt sich aus einer Kraft zusammen, die der Mensch verursacht, wenn er etwas über Bord wirft, der Schwerkraft und möglicherweise Reibung und anderen Kräften (wenn Sie ein Flugzeug fliegen und etwas wegwerfen möchten):

Auf der ISS haben wir normalerweise¹$\vec F_{\textrm{grav}} \approx 0$, und andere durch Reibung verursachte Kräfte sind ebenfalls vernachlässigbar, was dann bedeutet, dass ein Mensch jeden Körper auf jede Geschwindigkeit (in der Newtonschen Grenze) beschleunigen könnte, vorausgesetzt, er wäre in der Lage, auch nur eine kleine Kraft ausreichend lange auszuüben.

Allerdings gibt es zwei Haken:

Erstens übt der vom Menschen beschleunigte Körper eine gleich große, aber auch entgegengesetzte Kraft auf den Menschen aus - die Fußstütze ist, wie Sie bemerkt haben, unerlässlich. Es verbindet den Menschen mit der ISS und bedeutet daher, dass die Trägheit der gesamten ISS der Beschleunigung aufgrund der Reaktionskraft des Körpers widersteht. Dieser Effekt wird deutlich, wenn man sich den „Massenschwerpunktrahmen“ und nicht den Rahmen der ISS ansieht.

Nehmen Sie in diesem Rahmen die ISS und den Panzer in Position$0$bei$t = 0$verwenden wir jetzt ein 1-dimensionales Koordinatensystem. Indizes bezeichnen das Objekt mit der entsprechenden Eigenschaft, hochgestellte den Bezugsrahmen.

Die ISS übt nun eine Kraft auf den Tank aus, wodurch dieser mit einer Beschleunigung beschleunigt$a$bis zu einer Geschwindigkeit$v_{t}$(Ein Astronaut schiebt den Panzer weg und beschleunigt ihn dadurch$a^{I}_{t}$zu beschleunigen$v^{I}_{t}$aus seiner Sicht).

Wie Sie wissen, muss der Impuls erhalten bleiben, und während der Gesamtimpuls vor dem Stoß Null war (alles saß sauber am Ursprung), ist er es nicht mehr: Der Tank hat Impuls$p_{t} = m_{t} v$. Seit

wir haben

und als Ergebnis einer Galileo-Transformation:

Das heißt, während ein Astronaut den Eindruck haben kann, dass der Panzer aufgrund seiner Aktion davonfliegt, fliegt die ISS auch in die entgegengesetzte Richtung davon. Wenn$m_I \gg m_t$,$|v_I| \ll |v_t|$, aber falls$m_I \approx m_t$,$v_I \approx - v_t$. Es gibt daher eine Obergrenze für die Masse, die ein Astronaut wegwerfen kann, gegeben durch die Menge, um die sich die ISS bewegen soll ($m_I \approx 4.5 \times 10^{5}\textrm{ kg}$laut Wikipedia ).

Zweitens,$F_{\textrm{grav}} > 0$auch auf der ISS. Aber angesichts der Zahlen in den Fußnoten und vorausgesetzt$F_{\textrm{human}} = 500\textrm{ N}$, wir haben$m_{\textrm{max}} = 6.631\times10^3\textrm{ kg}$(indem die vom Menschen verursachte Beschleunigung gleich der durch die Zentrifugal-/Schwerkraft verursachten Beschleunigung gesetzt wird).

Beachten Sie, dass diese Berechnung streng newtonisch ist und keine relativistischen Effekte berücksichtigt. Also nicht zu schnell werfen!

[1] Berechnet man die Erdbeschleunigung bei$6371\textrm{ km} + 400\textrm{ km}$weg von der Erde ($m_{E} = 5.9736 \times 10^{24}\textrm{ kg}$) Zentrum, finden Sie$g = -8.69\textrm{ ms}^{-2}$. Die Zentrifugalkraft, der die ISS aufgrund ihrer Umlaufbahn ausgesetzt ist ($v = 7706.6\textrm{ ms}^{-1}$) Ist$a = 8.7714\textrm{ ms}^{-2}$, ergebend$g_{\textrm{actual}} = 0.0754\textrm{ ms}^{-2}$. Dies würde darauf hindeuten, dass es aus Sicht eines Astronauten tatsächlich einfacher ist, Dinge nach oben als nach unten zu werfen. Irgendwelche Kommentare dazu?

Mit dieser Frage habe ich gekämpft. Wir müssen realistisch sein. Dies ist die Höhe der ISS im Laufe der Zeit:

Dies spiegelt die Betriebsreichweite der ISS wider, dies ist wichtig, weil ich dies trügerisch finde:

Clayton Anderson warf einen 635-kg-Tank mit Ammoniak-Kühlmittel von der Internationalen Raumstation (ISS) über Bord. Anschließend brannte der Tank planmäßig in Erdatmosphäre aus.

Bedeutet dies, dass es beim ersten Durchgang verbrannt ist? Meine Schlussfolgerung ist, dass dies unmöglich der Fall sein kann.

Stellen Sie sich einen Astronauten vor, der sich anstrengen kann$(70 kg) ( 9.8 m/s^2)=686 N$Kraft, über eine Länge von$0.5 m$. Das würde zu einer kinetischen Energieübertragung führen$KE=F d=343 J$. Nehmen Sie an, dass die Schwerkraft in der Nähe der ISS ungefähr ist$9.0 m/s^2$, und verwenden Sie die sehr einfache$m g h$Formel, um zu finden, dass er, wenn wir nur kreisförmige Bahnen annehmen, die Höhe nur ändern könnte durch:

Wir sollten auch berücksichtigen, dass die Orbitalenergie ist$\frac{G M }{2 r}$, nicht nur$\frac{G M }{r}$, also in Wirklichkeit ist es$12 cm$, nicht$6 cm$. Außerdem können wir berücksichtigen, dass nur der durchschnittliche Radius des Radius sinken würde$12 cm$, so dass sich der tiefste Punkt der Umlaufbahn möglicherweise ändern könnte$24 cm$.

Vergleichen Sie einige Zentimeter mit einer gewöhnlichen Umlaufbahn von fast 100 km für die ISS. Es funktioniert einfach nicht, dass der Wurf selbst einen signifikanten Unterschied macht. Das Beste, worauf sie hoffen könnten, wäre, dass der Wurf eine Kollision mit der ISS bei einem zweiten Durchgang vermeidet . Das ist möglich, nicht wegen ein paar Zentimetern Bewegung, sondern weil die Periode der Umlaufbahn mit einem Wurf verändert werden kann, damit später keine Kollision droht.

Der Panzer brauchte wahrscheinlich viele Umlaufbahnen, um schließlich in der Atmosphäre zu verglühen. Einige schnelle Suche bestätigt dies.

Ein Stück Müll von der Größe eines Kühlschranks ist bereit, am späten Sonntag durch die Erdatmosphäre zu stürzen, mehr als ein Jahr nachdem ein Astronaut es über Bord geworfen hat .

http://www.space.com/6053-space-station-trash-plunging-earth.html

Die Funktion der Fußstütze in diesem Szenario bestand darin, Anderson davon abzuhalten, sich zu verletzen oder möglicherweise umzubringen. Newtons 3. Gesetz sagt uns, dass jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion hat. Anderson musste verdammt hart auf diesen Panzer drücken, um ihn dazu zu bringen, von ihm weg zu beschleunigen. Das bedeutet, dass der Panzer gleich stark auf ihn drückte . Der Astronaut brauchte die Fußstütze, um zu verhindern, dass er gegen eine Wand oder in die Tiefen des Weltraums fliegt.