Welche Stabilitätsprobleme plagen lange künstliche Schwerkraftzylinder?

Wenn Sie auf irgendeine Weise Energie dissipieren können, dh der Körper nicht vollständig starr ist (und sich in einer Raumstation viel Material bewegt, was ihn nicht starr macht), wird die Winkelenergie durch Verschieben des Winkels minimiert Impulsachse zur Hauptachse mit dem größten Trägheitsmoment. Die Achse eines langen Zylinders hat das geringste Trägheitsmoment und ist daher unter Energiedissipation nicht stabil.

Tatsächlich geschah genau dies mit dem ersten US-Satelliten, Explorer 1, bei dem die Energiedissipation über seine flexiblen Antennen erfolgte. Aus Wikipedia :

Der längliche Körper des Raumfahrzeugs war so konstruiert, dass er sich um seine lange (geringste Trägheits-) Achse drehte, weigerte sich jedoch, dies zu tun, und begann stattdessen aufgrund der Energiedissipation von flexiblen Strukturelementen mit der Präzession. Später wurde verstanden, dass der Körper aus allgemeinen Gründen in den Spinzustand gelangt, der die kinetische Rotationsenergie für einen festen Drehimpuls minimiert (dies ist die Achse mit maximaler Trägheit).

Der größte Punkt an der Instabilität der längeren Zylinder ist, dass sie einem Objekt inhärent sind, das sich um eine Längsachse dreht, und dynamisch zunehmend instabil. Wenn es nicht ständig gegen die kleinsten Bewegungen korrigiert wird, die dazu führen, dass es weiter von der Achse wackelt, muss es schlimmer werden. Das Kalpana entscheidet sich dafür, die Drehachse zu begrenzen, um es inhärent stabil zu halten, wie ein Gyroskop, das von Natur aus widersteht, aus der Achse geschoben zu werden. Daher kommt es eher wie ein Torus mit dem massiven Spinnrand heraus.

Das Reduzieren der Spinrate wird die Dinge langsamer machen und länger dauern, aber die inhärente Instabilität bleibt.

Wahrscheinlich haben Sie diese Antwort bereits auf physical.SE gesehen, aber ich werde den relevanten Teil zitieren:

Ein weiteres potenzielles Problem besteht darin, dass das Schiff wackeln würde, wenn die Massenverteilung des Schiffs nicht symmetrisch ist. Angenommen, das Schiff befindet sich irgendwann im Gleichgewicht, ist dann aber ein Massenobjekt$m$wird um eine Strecke verschoben$d$entlang der Seite des Zylinders zum Ende hin. Dann sollte die Frequenz des Wobbelns in der Größenordnung von liegen$\omega md/MR$und die Amplitude sollte in der Größenordnung von liegen$md/M$. Der Ruck, den Sie fühlen, würde dann in der Größenordnung liegen$\omega^3 m^2d^2/M^2 R$, die klein sein sollte, solange es sich um eine ziemlich kleine Masse handelt, die sich über eine kleine Entfernung bewegt.

Wie gering dürfen diese Effekte sein? Das hängt hauptsächlich von der Größe des Schiffes ab, wie wir zuvor gesehen haben. Wenn das Schiff die Schwerkraft einer Erde simulieren soll, darf es nicht zu groß sein. Schließlich würde die Spannung in den Seiten des Schiffes so groß sein, dass das Schiff sich selbst auseinanderreißen würde. Wenn Ihr Schiff eine Schleife wäre, wäre dieser kritische Radius$T/\lambda g$, mit$T$die Spannung u$\lambda$die lineare Massendichte der Wand. Bei Carbon Nanotubes kommt man auf eine Schiffsgröße von bis zu$10^7 {\rm > m}$, eine Figur, die so groß ist (größer als die Erde), dass alle Effekte belanglos gemacht werden könnten. Bei Stahl geht es um$5*10^3 {\rm m}$, was bedeutet, dass die Auswirkungen auf Menschengröße im Allgemeinen sein können$.001$oder$.0001$der Schwerkraft

Was genau würde die Verwaltung längerer Designs erschweren?

Ich suchte nach dem Papier, das ein Bekannter (Al Globus, der Autor des Kalpana-Vorschlags) zitierte, als er in einem persönlichen Gespräch die „Stämmigkeit“ von Kalpana verteidigte.

Die Google-Suche hat Ihre Frage anstelle dieses Papiers gefunden.

Das Taumeln von Explorer1, das Mark Adler erwähnte, wurde auch von „Veritasium“ im YouTube-Video „ The Bizarre Behavior of Rotating Bodies, Explained “ erwähnt .

Beachten Sie, dass „Veritasium“ den Clip Dancing T-handle in Zero-G, HD verwendet hat

gepostet von "Plasma-Ben".

Der Dzhanibekov-Effekt oder das Tennis-Raket-Theorem oder das Intermediate-Axis-Theorem

Die Instabilität - oder besser gesagt die Tendenz, sich für die minimale kinetische Rotationsenergie für einen festen Drehimpuls (dies ist die Achse mit maximaler Trägheit) neu zu orientieren - wird zu einem Problem, wenn sich das Material innerhalb des rotierenden Zylinders bewegen kann. Und wenn Menschen innerhalb des Habitats leben, werden sie sich bewegen und auch Dinge bewegen. Al sagte mir, dass das Verhältnis von Höhe zu Breite des rotierenden zylindrischen Lebensraums 2,45 oder weniger betragen sollte.

Der T-Griff und die Flügelmutter in den Videos drehen sich um die Achse mit mittlerer kinetischer Energie und mittlerem Drehimpuls, sodass ihre Drehung instabil ist.

Ein "stumpfer" Zylinder sollte "stabil" sein. Eine Kugel könnte ein ähnliches Problem haben, aber die Hantel- und Torusdesigns sollten viel stabiler sein.