Negativer Photonendruck? Was ist die Physik hinter diesem Ausdruck?

Der Wikipedia-Artikel über Strahlungsdruck gibt eine Gleichung für den Druck auf einen perfekten Reflektor an, der von einem Photonenstrahl mit einem Energiefluss erzeugt wird E f (in Einheiten von Leistung/Fläche) als

P = 2 E f c c Ö s 2 ( θ )

wo θ der Einfallswinkel zwischen dem einfallenden Photonenstrahl und der Oberflächennormalen des Reflektors ist, und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Der maximale Druck ist bei senkrechtem Einfall und fällt bei 90° auf Null ab, wenn der Einfall senkrecht zur Flächennormalen ist.

Das c Ö s 2 ( θ ) Verhalten kann wie folgt verstanden werden; die Komponente des Impulses des Photons senkrecht zur Oberfläche skaliert als c Ö s ( θ ) , und die projizierte Querschnittsfläche einer flachen Oberfläche, die dem einfallenden Licht ausgesetzt ist, variiert ebenfalls als c Ö s ( θ ) . Zusammen ergeben sie die c Ö s 2 ( θ ) Verhalten.

Der Wikipedia-Artikel Solar Sail erwähnt jedoch beides c Ö s 2 ( θ ) Form und auch eine kompliziertere, "realistische" Form mit der Form

0,349 + 0,662 c Ö s ( 2 θ ) − 0,11 c Ö s ( 4 θ )

und gibt an, dass die Kraft realistischerweise eher bei etwa 60 ° als bei 90 ° auf Null abfällt .

Ein tatsächliches Rahsegel kann wie folgt modelliert werden: F = F0 (0,349 + 0,662 cos 2θ − 0,011 cos 4θ) / R2 Beachten Sie, dass sich Kraft und Beschleunigung im Allgemeinen um θ = 60° und nicht um 90°, wie man es bei einem Ideal erwarten würde, Null nähern segeln.(18)

Ich verstehe nicht, wie die quadratische Form des Segels etwas mit dem Druck zu tun hat, und ich verstehe nicht, warum es in der Nähe von 60 ° auf Null gehen würde. Referenz (18) ist angegeben als Space Sailing , Jerome Wright (1992), Gordon and Breach Science Publishers, Anhang B.

Ich habe diesen Ausdruck in eine Internetsuche eingefügt und sehe, dass er an vielen Stellen mit ähnlich formuliertem Text wiederholt wird, aber bisher habe ich keine Erklärung dafür gefunden, warum er die Leistung eines Sonnensegels besser darstellen soll.

Frage: Was ist die Physik hinter diesem ungefähren Ausdruck? Warum sollte der Druck bei etwa 60 ° vom Maximum auf Null fallen? Hätte eine quadratische Form überhaupt etwas damit zu tun?

Über 60° hinaus wird der Ausdruck negativ; Sollen wir es auf Null begrenzen, anstatt dass aufgrund des negativen Photonendrucks eine Anziehungskraft entsteht , oder stellt dies ein bekanntes physikalisches Phänomen dar? Unter bestimmten Bedingungen kann Licht als Anziehungskraft wie im Fall einer Laserfalle verwendet werden, aber das erfordert normalerweise entweder einen starken Gradienten oder die Abstimmung auf eine bestimmte Resonanz. In diesem Fall ist das Licht gleichmäßig und die Wechselwirkung nicht resonant.

In der folgenden Handlung ist das einfach c Ö s 2 ( θ ) Das Verhalten wird durch die dicke durchgezogene (blaue) Kurve als Funktion des Einfallswinkels gezeigt θ , und die komplexere Expansion wird durch die dünnere durchgezogene (grüne) Kurve gezeigt. Null wird durch die gestrichelte (schwarze) Linie angezeigt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Abschnitt über physikalische Prinzipien auf der WP-Seite erwähnt das Aufblähen, und es ist klar, wie ein aufgeblähtes Segel, das von der Seite einfallenden Druck erhält, eine Kraft in die „falsche“ Richtung entwickeln würde (aber nicht, warum das Segel in diesem Fall aufgebläht bleiben würde). 60 Grad scheinen auch ein sehr früher Übergang zu sein, was auf eine sehr tiefe Woge hindeutet.
@RussellBorogove Wollen Sie damit sagen, dass diese Gleichung auf eine allgemein gekrümmte (wogende) Oberfläche angewendet werden soll und nicht auf eine flache Oberfläche? Bei spiegelnder Reflexion wirkt die Kraft an jedem Punkt immer in Richtung der lokalen Oberflächennormalen (gilt jedoch nicht für Absorption oder einige Arten von diffuser Reflexion). Ich bin mir nicht sicher, was hier "falsche Richtung" bedeutet.
Die Grafik in der Frage ist falsch. Das eigentliche Diagramm sollte folgendermaßen aussehen: desmos.com/calculator/stxdjtz5a5 . Beachten Sie, dass die Summe der drei numerischen Koeffizienten 1 ergibt. Die beiden Ausdrücke werden bei Theta = 0 jeweils auf 1 normalisiert.

Antworten (1)

Ich bezweifle, dass wir darauf antworten werden, ohne ein Exemplar des Buches von Wright zu finden oder ihn zu kontaktieren. Das Folgende ist daher keine vollständige Antwort, aber es ist zu lang, um in einen Kommentar zu passen. Die Geschichte des WP-Artikels zeigt, dass Wright einer der wichtigsten frühen Autoren des Artikels war und dass er den knappen Text geschrieben hat, der die Gleichung einführt. Wright hat eine Website , auf der er eine sehr kurze Präsentation einiger Informationen hat, die vermutlich ausführlicher in seinem Buch enthalten sind.

Die ideale Funktion kann geschrieben werden als

f ( θ ) = 1 2 + 1 2 cos ⁡ 2 θ ,
während der im WP-Artikel angegebene numerische Ausdruck die Form hat
g ( θ ) = EIN 0 + EIN 2 cos ⁡ 2 θ + EIN 4 cos ⁡ 4 θ ,
wo sie die Normalisierung so gewählt zu haben scheinen EIN 0 + EIN 2 + EIN 4 = 1 .

Auf einer Seite von Wrights Website hat er die folgende etwas detailliertere Beschreibung, wie g wurde erhalten: „Ein Schiff kann mehrere Segel haben, jedes mit unterschiedlichen Ausrichtungen. Jedes Segel hat eine gewisse Krümmung. Unter Verwendung der Finite-Elemente-Analyse kann der lokale Druck auf Teile der Segel integriert werden, um die Gesamtkraft und die Momente zu bestimmen, die auf das Schiff wirken . Eine resultierende Annäherung der Kraft über ihrem Winkel Theta, gültig für ein Rahsegel, ist: [...]"

Es ist theoretisch möglich zu haben g < 0 ohne exotische Physik. Man könnte sich zum Beispiel ein System vorstellen, das Licht akzeptiert, das in einem schrägen Winkel einfällt, es durch Glasfaserkabel sendet und es entlang der Normalen zur Oberfläche auf der dunklen Seite der Oberfläche zurückwirft. Allerdings ist mir überhaupt nicht klar, wie so etwas bei einem Sonnensegel passieren kann. Insbesondere scheint es sehr schwierig zu sein, dies zu erklären g einen großen negativen Wert bei erreicht θ = 90 . In diesem Winkel wird ein nicht wogendes Segel kein Sonnenlicht abfangen, also sollte es keine Kraft geben. Selbst wenn sich das Segel aufbläht, sollte die Menge des aufgefangenen Sonnenlichts sehr gering sein. Außerdem würden Sie bei 90 Grad erwarten, dass die Komponente der Kraft entlang der durchschnittlichen Normalen des Segels aus Symmetriegründen Null ist. Die einzige Möglichkeit, diese Symmetrie zu brechen, wäre, wenn das Segel auf seinen beiden Seiten ungleiche Absorption und Emittanz hätte. Trotzdem erscheint dieses Ergebnis sehr unglaubwürdig.

Soweit "Ich bezweifle, dass wir dies beantworten werden, ohne eine Kopie zu finden ..." sieht es so aus, als würden Sie sich sowieso auf die Antwort einigen :) Ich werde es später noch einmal überprüfen.
OK, ich denke, aus dem kurzen Absatz im Link geht hervor, dass diese Gleichung nicht den Druck auf eine einzelne flache reflektierende Oberfläche darstellt , sondern das Ergebnis der Modellierung eines vollständigen Raumfahrzeugs mit einer komplexen Form ist, einschließlich verschiedener unebener Oberflächen wie dieser eine auf der Seite i.stack.imgur.com/nJpiv.jpg Da wir nichts weiter sehen können, ist die Gleichung für andere Leser des Wikipedia-Artikels, die nach hilfreichen Gleichungen und Erklärungen suchen , ziemlich nutzlos und sollte es wahrscheinlich sein ENTFERNT. Danke für deine Antwort und dass du das nachverfolgt hast!
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