Wie drehen sich Astronauten im Weltall?

Dieses auf YouTube auf Zero-G veröffentlichte Video: „Movement in Microgravity: Skylab to Space Shuttle“ 1988 NASA Weightlessness Footage , das bei 2:10 beginnt, zeigt einen Skylab - Astronauten, der im Skylab Orbital Workshop eine Frontrolle und eine Spiralrolle ausführt ohne irgendetwas zu berühren, wogegen er drücken könnte, um seine Orientierung zu ändern. Und das gleiche Video von 5:45 bis 6:00 zeigt Astronauten , die von einer Richtung in die andere wackeln , um Aufmerksamkeit zu erregen (lustiges Video!):

Wie Sie darin sehen werden, haben Astronauten alle möglichen Zero-G / Mikrogravitations-Stunts wie diese gemacht, hier ist ein solches lustiges Foto:

    ^{Astronaut Gerald P. Carr, Kommandant der Mission Skylab 4, demonstriert scherzhaft Gewichtstraining in der Schwerelosigkeit, während er
    Astronaut William R. Pogue, Pilot, kopfüber auf seinem Finger balanciert. (Quelle: Wikimedia Commons )}

Ich habe auch häufig gesehen, wie Astronauten der Internationalen Raumstation (ISS) solche Bewegungen nutzten, um ihre Orientierung auf der Station zu ändern, indem sie beispielsweise Space Station Live oder Videoaufnahmen davon auf YouTube ansahen, obwohl sie sich meistens zuerst gegen eine Oberfläche drückten Geschwindigkeit in Richtung ihres nächsten Ziels gewinnen. Diese Bewegungen wären nicht viel anders als das, was Schwimmer bei einer Wende in einem Schwimmbecken tun, oder, wie bereits erwähnt, eine Katze, die fällt und sich neu ausrichtet, um auf ihren Füßen zu landen. Für eine direktere Demonstration finden Sie hier ein Smarter Every Day-Video Nr. 85 über How Astronauts Turn In Space vom März 2013, in dem die ISS-Crew die Änderung der Ausrichtung demonstriert, ohne etwas zu berühren und natürlich den Drehimpuls beizubehalten:

Während Extravehicular Activity (EVA) bezweifle ich jedoch, dass sie solche Stunts dringend benötigen oder dass sie nach dem Anlegen ihrer EVA-Ausrüstung mit Mobilitätseinheiten (die neueste ist Simplified Aid for EVA Rescue oder SAFER) ein leichtes Unterfangen wären. ihre Fähigkeit, die Orientierung zu ändern, etwas beeinträchtigen, ein freies Beugen des Körpers verhindern und sie gleichzeitig unnötig machen, da die Orientierungsänderung von der Mobilitätseinheit selbst bereitgestellt werden kann, wenn es keine Oberfläche zum Andrücken gibt .

Astronauten sind jetzt auch an die Raumstation gebunden und verwenden während der EVA Sicherheitsgriffe an der Außenhülle der Station, sodass eine solche Bewegung aufgrund ihres EVA-Anzugs nicht nur umständlich wäre, sondern auch dazu führen könnte, dass sich der Astronaut in der Leine verheddert. Etwas mehr über die Antriebs- und Mobilitätseinheiten der Astronauten wird in der zweiten Hälfte dieser Antwort beschrieben .

   ^{Astronaut Rick Mastracchio arbeitet mit einem angeschlossenen SAFER-System. (Quelle: Wikipedia zu SAFER: Simplified Aid for EVA Rescue )}

Auf der ISS selbst fixieren sich die Astronauten an einem Arbeitsplatz mit Fußstützen, damit sie nicht ständig durch ihre eigene Körperbewegung bewegt werden, und sie drücken mit Füßen und Händen (und manchmal aus Spaß auch mit Spitzen) gegen alle möglichen Oberflächen ihrer Haare, wie ich glaube, Sunita Williams zuerst), um sich ihren Weg durch die Station zu bahnen. Für einige Beispiele empfehle ich, sich eine Videotour durch die ISS anzusehen, wie zum Beispiel diese von Sunita Williams oder eine ISS-Tour von André Kuipers . Tritte werden auch von Robonaut 2 verwendet, sobald er seine Beine bekommt, was meiner Meinung nach diesen Monat oder spätestens im Januar 2014 sein sollte.

   ^{Einer der Stützpunkte auf der Internationalen Raumstation. (Quelle: Geist in der Maschine auf der Aussichtsplattform )}

Obwohl dies auf den Physics- und anderen SE-Sites tatsächlich "bis ins kleinste Detail funktioniert hat", lohnt es sich, der Weltraumforschung zuliebe die interessante Geschichte hinter der Analyse der fallenden Katze zu betrachten. Denn die völlig rigorose Beschreibung des Aufrichtreflexes der Katze – ganz im Sinne der Drehimpulserhaltung – kam nur zustande, weil sie gerade durch die Forschung der späten 1950er und frühen 1960er Jahre zum Umgang des menschlichen Körpers mit der Umwelt angeregt wurde es traf sich im Weltraum .

Der Hauptforscher hier war Professor Thomas Kane, der

1. Die richtigen theoretischen Gleichungen gefunden, die die Orientierungsänderung der Katze als Reaktion auf ihre „Formänderung“ während des Aufrichtungsreflexes beschreiben;
2. Experimentell zeigte sich, dass Menschen mit etwas Training die aufrichtenden Reflexbewegungen ausführen und sich genau wie eine Katze umdrehen konnten .

Die primäre Referenz hier ist:

TR Kane und MP Scher, „Eine dynamische Erklärung des Phänomens der fallenden Katze“, Int. J. Solids and Structures, 5, S. 663-670, 1969

Tatsächlich hat Thomas Kane 1968 Menschen in Apollo-Raumanzügen dafür ausgebildet, wie unten gezeigt.

Die links fallende Katzensequenz stammt aus der Arbeit des Physiologen Étienne-Jules Marey (1830-1904) (berühmt für die Entwicklung der Bewegungsfotografie zum Studium von Hochgeschwindigkeitsbewegungen); Die rechte wurde während Thomas Kanes Experimenten von 1968 mit einem Trampolinspringer in einem Apollo-ähnlichen Raumanzug aufgenommen. Étienne-Jules Marey war ein Physiologe, der einige der wenig ernsthaften Untersuchungen zum Aufrichtungsreflex der Katze durchführte, bevor der Weltraum die Forschung von Thomas Kane veranlasste. Im Gegensatz zu vielen seiner Zeitgenossen verstand Marey eindeutig, dass die Bewegung der Katze drehmomentfrei war (siehe Fußnote) und verwendete seine Fotografie tatsächlich, um eine allgemein verbreitete Theorie auszuschließen, dass die Katze alles abstößt, von dem sie fällt. Die Collage wurde entnommen

Alexis C. Madrigal, „Video: Deducing the Physics of How Cats Fall“, The Atlantic Magazine, 9. September 2011

Nun, um einige weit verbreitete Missverständnisse über den Aufrichtreflex der Katze aufzuklären, der insbesondere bei Astronauten angewendet wird.

Die Rollover-Bewegung ist für den Menschen nicht besonders belastend oder ungeschickt, wie die Experimente von Thomas Kane zeigten. Es ist sehr ähnlich wie eine Hula-Hoop-Bewegung. OK, also sind meine CGI-Fähigkeiten Mist - das ist die beste Katzenanimation, die ich mit einfachen Körpern in Mathematica machen kann, aber diese Bewegung wird Sie im Raum herumrollen, egal ob Sie Katze oder Mensch sind, mit oder ohne Schwanz.

Die einzigen Unterschiede zwischen Katze und Mensch bei dieser Bewegung sind (1) die Wirbelsäule der Katze ist viel biegsamer als unsere, so dass die Katze den Flipover in weniger Hula-Hoop-Zyklen ausführen kann, und (2) die exquisite Sensibilität der Katze vestibuläres System und blitzschnelle Reflexe im Vergleich zu unseren. Punkt (2) ist irrelevant, wenn man eine geplante Drehung in einem Zustand des freien Falls (schwerkraftfrei) im Raum durchführt, im Gegensatz dazu, sich in begrenzter Zeit beim Fallen umzudrehen.

Ein weiteres häufiges Missverständnis ist, dass die Katze ihren Schwanz braucht, um sich umzudrehen: Dies ist falsch, wie die Experimente von Thomas Kane zeigen, die zeigen, dass schwanzlose Menschen die aufrichtende Bewegung ausführen können. Tatsächlich wird bei unseren Hauskatzen der Schwanz überhaupt nicht viel für den Reflex verwendet. Ich zitiere hier solide eigene Beobachtungsbeweise: Meine eigene Katze ist schwanzlos, seit sie 2004 von einem Auto überfahren wurde, und hat keinerlei Schwierigkeiten, sich aufzurichten, wenn sie von Dingen fällt, was sie aufgrund ihrer etwas tollpatschigen Natur oft tut – typischerweise, wenn sie einschläft und ihr Kopf zu weit über die Bettkante hängt. Obwohl sie zwölf Jahre alt ist, schafft sie es, sich aufzuraffen und den aufrichtenden Reflex innerhalb der Zeit zu machen, die sie braucht, um etwa 40 cm von unserem Bett auf den Boden zu fallen. Außerdem, kurz nachdem sie den Unfall hatte, Ich sah, wie sie auf diese Weise beim Einschlafen den aufrichtenden Reflex ausführte, als sie kaum gut genug geheilt war, um richtig gehen zu können. Es scheint also, dass sie sehr wenig „Umschulung“ brauchte, um sich an ihren neuen Schwanzmangel anzupassen. Dies ergibt sich auch aus einer theoretischen Analyse, wie ich in meinem unten zitierten Artikel zeige. Tatsächlich ist die Analyse des folgenden Videos von Wikipedia, das die gleichschenklige Dreiecksaddition der beiden Drehimpulsvektoren zeigt, nur für eine "symmetrische" Katze (aufgrund der gleichschenkligen Form des Vektoradditionsdiagramms) ohne Schwanz (dh eine Katze, deren hintere Hälfte den gleichen Trägheitstensor um den Ursprung hat wie die vordere Hälfte).

(Quelle: Wikipedia-Seite „Cat Righting Reflex“ )

Einige Wildkatzen, insbesondere der Asiatische Nebelparder und die Asiatische Marmorkatze, haben riesige Schwänze, viel mehr wie eine Keule als der elegante, schlanke (und sehr geringe Massenträgheitsmoment) Schwanz der Hauskatze (Felis Sylvestris) und das ist in der Tat sehr viel verwendet, um die Orientierung des Tieres im Raum zu steuern, aber der Schwanz ermöglicht es dem Tier, sich frei um alle drei Achsen neu zu orientieren, dh es kann ziemlich nach Belieben nicken und gieren sowie rollen - im Gegensatz zum einfachen Umdrehen im Katzen-Aufrichtungsreflex, was im Wesentlichen eine einachsige Bewegung ist. Dies ist eine nützliche Fähigkeit für baumbewohnende Raubtiere, wenn sie von Baum zu Baum springen und ihre Beute mit Präzisions-Sturzbomben bombardieren.

Auf all dies gehe ich in meinem Artikel viel ausführlicher ein (einschließlich der Analyse von "symmetrischen" (schwanzlosen) Katzen auf meiner Website:

"Von Katzen und ihrem wunderbarsten Aufrichtungsreflex"

Fußnote: Die Hauptquelle für Mareys Studien von 1894 ist die folgende:

Étienne-Jules Marey, „Des mouvements que Certains animaux exécutent pour retomber sur leurs pieds, lorsqu'ils sont précipités d'un lieu élevé“, La Nature, 1119, 10. November 1894

Gegen Ende dieses Artikels macht er die folgende endgültige Aussage (Übersetzung von mir, also Entschuldigung für Französischsprachige): „ Zunächst schließt die Betrachtung dieser Figuren [Fotos von fallenden Katzen] die Vorstellung aus, dass das Tier eine Drehbewegung ausübt auf sich selbst, indem sie gegen die Hände des Versuchsleiters stößt. [Diese Schlussfolgerung folgt], weil die ersten Einzelbilder der beiden Serien [von Fotos einer fallenden Katze] zeigen, dass die Katze in den ersten Augenblicken ihres Falls noch keine Tendenz hat sich weder von der einen noch von der anderen Seite zu drehen. Seine Drehung beginnt erst mit der Verdrehung seiner Taille. "

Die Erhaltung des Drehimpulses würde gelten, wenn der Astronaut ein unbewegter Stab wäre. Was sie in erster Näherung sein könnten.

Da sie jedoch ihren Körper drehen können, ähnlich wie eine fallende Katze sich drehen kann, um mit den Füßen nach unten zu landen, können sie ihre obere Hälfte drehen, während sie versuchen, die untere Hälfte still zu halten, und wenn sie einen stationären Punkt einnehmen, würden sie dann den Schwung freigeben zur unteren Hälfte.

Und wenn sie nie etwas Stationäres einfangen, dann pfeift alles Verdrehen der Welt nur im Wind. Diese befindet sich natürlich im Fahrzeuginneren. Sollten sie draußen sein, pfeift das im Vakuum.

Außerhalb des Fahrzeugs sind sie IMMER an etwas befestigt. ( MMUs auf einem oder zwei Shuttle-Flügen sind die Ausnahmen, die die Regel bilden. Sie hörten auf, sie nach ein paar Anwendungen zu verwenden). Loslassen ist eine schrecklich schlechte Idee, wenn man auf EVA ist. Sie werden auch über ein Kabel geclippt. (Es gibt die SAFER -Kapsel , die sie tragen, die wie leistungsschwache Baby-MMUs für den Notfall zurückfliegen, wenn sie getrennt wurden).