Natürliche Konvektion und Auftrieb: Wie lässt sich ggg besser beschreiben?

In ihrer Ableitung der Grashof-Zahl (Gr) machen Çengel und Ghajar den folgenden Kommentar:

Beachten Sie, dass es im Weltraum keine merkliche Schwerkraft gibt und es daher in einem Raumfahrzeug keine natürliche Konvektionswärmeübertragung geben kann, selbst wenn das Raumfahrzeug mit atmosphärischer Luft gefüllt ist.

Darüber hinaus ist eine ihrer "Konzeptfragen".

Stellen Sie sich ein heißes gekochtes Ei in einem Raumschiff vor, das zu jeder Zeit mit Luft bei atmosphärischem Druck und atmosphärischer Temperatur gefüllt ist. Kühlt das Ei schneller oder langsamer ab, wenn sich das Raumschiff im Weltraum statt auf dem Boden befindet? Erklären.

Wozu die offizielle Lösung gehört

Das heiße gekochte Ei in einem Raumfahrzeug kühlt schneller ab, wenn sich das Raumfahrzeug auf dem Boden befindet, da es im Weltraum keine Schwerkraft gibt und daher keine natürlichen Konvektionsströmungen aufgrund der Auftriebskraft auftreten. [sieh]

Die Implikation ist die in einem Raumschiff G R = 0 Weil G = 0 . Das ist jedoch jedem Physikstudenten auf Highschool-Niveau bekannt G ≠ 0 in einem Raumfahrzeug und dass es im Weltraum Schwerkraft gibt. Außerdem scheint mir "keine spürbare Schwerkraft" nicht besonders streng zu sein.

Meine Frage bezieht sich also auf die richtige Beschreibung G . Diese Frage behandelt die richtige Beschleunigung , die wie die richtige Interpretation von aussieht G für diesen Fall, aber ich bin mir nicht 100% sicher. Deshalb frage ich mich: Wenn man die Variable kurz, aber rigoros beschreiben würde G in worten in bezug auf natürliche konvektion und auftrieb, wie würde diese beschreibung lauten? Hier sind einige Gedanken, die ich habe:

  • "Die Normalkraft auf den Flüssigkeitskörper, der das Objekt umgibt"
  • "Die Eigenbeschleunigung des Objekts und der es umgebenden Flüssigkeit"
Es ist erwähnenswert, dass es zwei Möglichkeiten gibt, „Gewicht“ in der grundlegenden Newtonschen Physik zu definieren. Der "offensichtliche" (aber weniger nützliche) Weg ist, wie die Schwerkraft auf ein Objekt wirkt; Der weniger offensichtliche Weg ist die auf ein Objekt wirkende Nettoreaktionskraft. Die Verwendung des ersteren Sprichworts, dass Objekte im Orbit schwerelos sind, ist falsch, während es unter der letzteren Definition richtig ist. Wenn wir die letztere Konvention verwenden und die Auftriebskraft auch als das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit definieren, wird dies durch die Magie guter Konventionen auf Kosten einer weniger naiven Definition von Gewicht geklärt.
Auftriebskräfte scheinen externe Kraftfelder auf ein Objekt zu sein, die eine Verschiebung einer Flüssigkeitsgrenze verursachen, basierend auf den Bildern in Wikipedia. Und die Gr-Zahl scheint aus Buckinghams Pi-Theorem ableitbar zu sein.
Ich verstehe nicht, wie Schwerkraft benötigt wird - es sei denn, das Argument lautet, da das Ei in Mikrogravitation nicht im Wasser schwimmt, können Sie es nicht "kochen". Die der Sonne zugewandte Seite des Raumfahrzeugs wird durch den Strahlungsdruck zu grob erwärmt 250   C ∘ - und die Temperatur auf der dunklen Seite wird auf ungefähr gekühlt − 160   C ∘ . Bei dieser Temperatur sollten Sie kein Wasser benötigen. Es ist schwer vorstellbar, dass es im Inneren keine Klimaanlage oder Luftbewegung gibt - besonders wenn die Leute längere Zeit kein richtiges Bad genommen haben. Vielleicht servieren sie einfach keine Bohnen.
Im Bezugssystem des Raumfahrzeugs ist g tatsächlich gleich Null, da sich das Raumfahrzeug im kontinuierlichen freien Fall um die Erde befindet.

Antworten (2)

Wenn Sie sagen, dass es Schwerkraft im Weltraum gibt, meinen Sie damit, dass Dinge im Weltraum, wie sie von einem Beobachter auf der Erde wahrgenommen werden , mit Beschleunigung auf die Erde fallen G .

Für einen Beobachter innerhalb eines frei fallenden Raumfahrzeugs werden Objekte innerhalb des Raumfahrzeugs jedoch nicht beschleunigt. Für ihn ist sein Bezugssystem inertial (innerhalb des Bereichs der Raumzeit, in dem Gezeiteneffekte ignoriert werden können, was genau genommen nur in der infinitesimalen Grenze zutrifft). Für diesen Beobachter im Raumschiff gibt es keine Schwerkraft.

Jetzt wird die Konvektionsströmung wie jedes andere physikalische Phänomen von lokalen Bedingungen geleitet (keine Fernwirkung). In einem frei fallenden Raumfahrzeug sieht es lokal keine Schwerkraft, und daher wird es keine Konvektion geben. Was von einem Beobachter auf der Erde oder in der Andromeda-Galaxie oder wo auch immer wahrgenommen wird, spielt keine Rolle.

Auf der Erdoberfläche können wir eine Beschleunigung von Objekten in Bezug auf die Erdoberfläche mit einem Wert in der Nähe messen 9.8   M / S 2 . Da die meisten Gegenstände, mit denen wir interagieren (Labore, Atmosphäre usw.), durch den Kontakt mit der Erdoberfläche eingeschränkt sind, ist dies ein nützlicher Rahmen für die Messung.

In einem Raumfahrzeug können wir in ähnlicher Weise einen Wert für die Erdbeschleunigung in Bezug auf die Erde berechnen. Da unsere Umgebung jedoch nicht mehr durch die Oberfläche eingeschränkt ist (sondern sich stattdessen im freien Fall befindet), ist dieser Wert nicht so lokal relevant.

Für Konvektionszwecke ist es sinnvoller, die Gravitationsbeschleunigung in Bezug auf das Fahrzeug (und die Atmosphäre darin) zu messen. Diese Beschleunigung wird mit nahezu null gemessen.

Ein nützlicher Wert für G ist normalerweise aus dem Kontext klar. Wenn Sie die Umlaufzeit eines Satelliten berechnen, ist die Beschleunigung in Bezug auf den darunter liegenden Planeten erforderlich. Wenn Sie herausfinden möchten, wie viel Kraft Sie benötigen, um eine Kiste anzuheben (oder die Konvektion zu untersuchen), ist die Beschleunigung in Bezug auf den Boden Ihres Zimmers nützlicher.

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