Wenn ich eine Münze auf den Mars werfe, ist die Atmosphäre des Planeten selten genug, dass ich mich mit dem Planeten (mit seiner Winkelgeschwindigkeit) drehen würde, aber nicht mit der Münze?
Es hängt davon ab, wo auf dem Mars Sie die Münze werfen und wie hoch Sie sie werfen.
In einem rotierenden Bezugssystem scheint ein sich bewegendes Objekt von einem Paar fiktiver Kräfte beeinflusst zu werden – der Zentrifugalkraft und der Corioliskraft. Ihre Größe ist gegeben durch
Die Frage ist, wann diese Kräfte ausreichen, um die Münze "von Ihrer Hand weg" zu bewegen - mit anderen Worten, mit welcher Anfangsgeschwindigkeit ist die Gesamtverschiebung der Münze größer als 10 cm (als grobe Schätzung, wie "Rücken in der Hand" aussehen könnte; natürlich können Sie die Zahlen ändern).
Die Zentrifugalkraft wird nur beobachtet, wenn sich das Teilchen mit der Geschwindigkeit des Bezugsrahmens dreht - sobald sich das Teilchen im freien Fall befindet, bewegt es sich nicht mehr mit dem rotierenden Bezugsrahmen mit und die Zentrifugalkraft "verschwindet". Für ein Objekt, das sich senkrecht zur Erdoberfläche bewegt, ist die Coriolis-Kraft am Äquator am stärksten und wird am Pol zu Null; es ist eine Funktion der Geschwindigkeit der Münze. Wir werden den Ausdruck als Funktion des Breitengrades berechnen – wobei wir anerkennen, dass er am Äquator maximal sein wird.
Als vereinfachende Annahme nehmen wir an, dass die Höhenänderung so klein ist, dass wir Änderungen der Schwerkraft ignorieren; Wir ignorieren auch jeglichen atmosphärischen Luftwiderstand (insbesondere den Wind; wenn man der Eröffnungsszene von „Der Marsianer“ glauben würde, kann es auf dem Roten Planeten ziemlich windig werden.) Schließlich nehmen wir an, dass jede horizontale Geschwindigkeit gering sein wird - wir ignorieren sie für die Berechnung der Coriolis-Kraft, integrieren sie aber, um die Verschiebung zu erhalten.
Die Vertikalgeschwindigkeit ist gegeben durch
und die insgesamt benötigte Zeit ist . In jedem Moment ist die Coriolis-Beschleunigung
Einmal integrieren, bekommen wir
Und für die Verschiebung
Ersatz für wir bekommen
Der Sternentag des Mars dauert 24 Stunden, 37 Minuten und 22 Sekunden - also und die Erdbeschleunigung . Setzen wir diese Werte in die obige Gleichung ein, finden wir , wobei die Geschwindigkeit in m/s angegeben ist. Daraus folgt, dass Sie die Münze mit einer Anfangsgeschwindigkeit von etwa 15 m/s werfen müssten, damit der Coriolis-Effekt ausreicht, um die Münze um 10 cm abzulenken, bevor sie wieder herunterfällt.
Auf der Erde würde ein solcher Wurf zu einer Münze führen, die etwa 3 Sekunden lang fliegt und eine Höhe von etwa 11 m erreicht. Es ist denkbar, dass jemand eine Münze so hoch wirft - aber ich habe es noch nie gesehen.
NACHGEDANKEN
Ihre Definition von „vertikal“ muss sorgfältig durchdacht werden. Es gibt eine Nord-Süd-Komponente der Zentrifugalkraft, die bei 45° Breite am stärksten ist und dazu führt, dass eine Masse an einer Schnur in einer nicht ganz vertikalen Richtung hängt. Wenn Sie Ihre Münze in diese Richtung werfen, werden Sie während des Flugs keine signifikante Nord-Süd-Ablenkung beobachten, aber wenn Sie die Münze "vertikal" (in einer geraden Linie weg vom Zentrum des Mars) werfen würden, würde dies tatsächlich der Fall sein eine kleine Abweichung sein. Aus der relativen Größe der Zentrifugalkraft und der Schwerkraft kann berechnet werden
Wenn Sie die Münze mit 15 m/s werfen, bleibt sie etwa 8 Sekunden in der Luft. In dieser Zeit führt die obige Beschleunigung zu einer Verschiebung von etwa 27 cm. Dies zeigt, dass Ihre Definition von "vertikal" wirklich wichtig ist (abhängig vom Breitengrad - an den Polen oder am Äquator spielt es keine Rolle, aber es ist in den mittleren Breiten von Bedeutung und erreicht ein Maximum bei 45 ° Breite).
Die Münze wird auf Ihre Hand zurückkehren, genau wie auf der Erde. Der Einfluss der Atmosphäre ist im Vergleich zur Trägheit der Münze vernachlässigbar, sodass die horizontale Position der Münze relativ zu Ihrer Hand kaum beeinflusst wird. Die Seltenheit der Atmosphäre wirkt sich nur auf die vertikale Bewegung der Münze aus, z. B. wie schnell die Münze in Ihre Hand fällt.
Ja, aus dem einfachen Grund, dass Sie die Münze nicht sehr hoch werfen (vermutlich jedenfalls). Sie scheinen zu glauben, dass auf der Erde der atmosphärische Luftwiderstand die Münze am Wurfbezugsrahmen "klebt", aber das ist überhaupt kein Faktor.
Angenommen, Sie befinden sich auf der Erde, auf Meereshöhe, am Äquator, und Sie werfen die Münze 3 Meter senkrecht nach oben. Unter Vernachlässigung des Luftwiderstands bleibt die Münze 1,56 Sekunden lang in der Luft. Die Erde dreht sich unter Ihren Füßen mit 463 m/s und hat einen Radius von 6,37 * 10^6 m. Die Münze erreicht eine Höhe von 3 m, was 4,71 * 10 ^ -7 Erdradien entspricht, sodass die Rotationsgeschwindigkeit in dieser Höhe um einen gleichen Anteil unterschiedlich sein wird, was 0,00022 m / s entspricht. Eine Obergrenze zu erhalten, indem angenommen wird, dass die Münze die ganze Zeit auf der maximalen Höhe verbringt, weil ich faul bin, und wir am Ende eine Durchbiegung von 0,34 mm haben, was weniger als die Dicke der Münze ist, geschweige denn ihr Durchmesser. Irgendwo weg vom Äquator oder über dem Meeresspiegel, und die Zahl würde noch niedriger ausfallen.
Wenn wir das gleiche Experiment auf dem Mars durchführen, nehmen wir an, dass Sie der Münze die gleiche Anfangsgeschwindigkeit geben können und dass Sie sich in mittlerer Höhe auf dem Äquator befinden. Die Oberflächengravitation des Mars ist geringer (3,71 m/s^2), sodass die Münze eine beeindruckende Höhe von 7,92 m erreichen und 4,14 Sekunden in der Luft bleiben wird. Der Mars dreht sich unter Ihren Füßen mit 241 m/s (weniger als die Erde, weil er einen kleineren Umfang, aber eine ähnliche Tageslänge hat) und hat einen Radius von 3,39 * 10^6 m. Die Münze gewinnt dann 2,34 * 10^-6 Marsradien, und die Rotationsgeschwindigkeit in dieser Höhe unterscheidet sich um 0,00056 m/s. Bei der gleichen (Über-)Schätzung wie zuvor erhalten wir 4,14 s * 0,00056 m/s = 2,33 mm. Ungefähr eine Münzstärke, aber nicht viel mehr. Sicherlich nicht genug, um Ihre Hand auf dem Weg nach unten zu verpassen.
Grundsätzlich sind die Höhen, mit denen Sie es zu tun haben, wenn Sie eine Münze werfen, im Vergleich zur Größe eines Planeten einfach zu klein, um einen großen Unterschied zu machen, Atmosphäre oder nicht. Versuchen Sie stattdessen, eine Kanonenkugel 1 km hoch zu werfen, und Sie würden eher einen Effekt bemerken. Ich habe die Mathematik nicht ausgearbeitet, aber ich glaube immer noch nicht, dass die horizontale Komponente des Luftwiderstands überhaupt viel beitragen würde; Die Atmosphäre würde eher einen Unterschied machen, indem sie die maximal erreichte Höhe verringert.
Die Münze kommt mit Sicherheit herunter, es sei denn, Sie haben sie mit einer Fluchtgeschwindigkeit geworfen, und die Fluchtgeschwindigkeit hängt von der Masse des Planeten, der Masse der Münze usw. ab. Selbst wenn Sie sich weit innerhalb der Grenze der Fluchtgeschwindigkeit befinden, erreicht sie möglicherweise nicht Ihre Hand. Ihre Beobachtung ist richtig, dass die Widerstandskraft eine Rolle bei ihrer Tangentialgeschwindigkeit spielt, aber bei allen Würfen über kleine Entfernungen erreicht die Münze Ihre Hand, unabhängig von der atmosphärischen Seltenheit im Vergleich zur Erde.
Ich denke ja, als ob du auf der Erde wärst. Der Grund ist, dass die Münze die gleiche Geschwindigkeit wie Sie und die Oberfläche des Planeten Mars hat, es hat nichts mit der Atmosphäre zu tun.
Ja, Sie bewegen sich mit der Oberfläche, aber Sie beschleunigen nicht. Du bewegst dich mit konstanter Geschwindigkeit. Wenn Sie in etwas werfen, was Ihrer Meinung nach vertikal ist (nennen Sie es Y-Richtung), hat die Münze die gleiche Rotationsgeschwindigkeit (nennen Sie es X-Richtung) wie Sie. Sogar die Atmosphäre bewegt sich mit Ihnen, so dass es für eine kurze Strecke keinen Windwiderstand in X-Richtung gibt. Die X-Geschwindigkeit der Münze bleibt konstant und entspricht genau Ihrer X-Geschwindigkeit.
Die Kombination Ihrer beiden Fragen lässt mich glauben, dass Sie wirklich fragen, ob die Dichte (oder das Fehlen davon) der Atmosphäre einen Einfluss auf die horizontale Position eines Objekts hat, dem zunächst nur ein vertikaler Impuls gegeben wird? Wenn diese Interpretation Ihrer Frage richtig ist, dann möchte ich Ihnen zunächst sagen, dass Sie eine umgekehrte Vorstellung von der Effektdichte haben. Die Widerstandskraft einer Atmosphäre ist proportional zu ihrer Dichte, daher geht die Widerstandskraft auf Null, wenn ihre Dichte auf Null geht (keine Atmosphäre). Je "seltener" die Atmosphäre, desto geringer die Wirkunges hat auf die Bewegung der Münze. Da wir nur daran interessiert sind, dass die Münze an dieselbe Stelle zurückkehrt (wenig oder keine horizontale Verschiebung), sind Unterschiede in der vertikalen Richtung, die durch den Widerstand und die unterschiedliche Marsgravitation verursacht werden, ohne Bedeutung. Da auf die Münze nur geringe oder keine horizontalen Kräfte einwirken, kehrt sie an die gleiche Stelle zurück, von der sie geworfen wurde ( Ihre Hand ).
Sathyam
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Garyp
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