Wie können Astronauten im Weltraum schweben, ohne von der Schwerkraft naher Objekte beeinflusst zu werden?

Objekte im Orbit werden voneinander angezogen, nur ihre Masse ist klein genug, dass die Schwerkraft zwischen ihnen verschwindend klein ist. Die Gravitationsbeschleunigung ist abhängig von Masse und Abstand. In einem Szenario, in dem ein 150-kg-Astronaut 10 m von einem 80.000-kg-Space-Shuttle entfernt ist, würde der Astronaut mit 5,336e-8 m/Sekunde im Quadrat zum Shuttle gezogen. Das sind 0,00000005336 im Gegensatz zur Oberflächengravitation der Erde von 9,8 m/Sekunde im Quadrat und ~ 8,7 m/Sekunde im Quadrat bei einer Umlaufbahnhöhe von 375 km. Mit anderen Worten, die Kraft der Erde auf den Astronauten wäre über 160 Millionen Mal stärker, wenn sie nicht durch die genau entgegengesetzte Zentrifugalkraft aufgrund ihrer Umlaufgeschwindigkeit von 7.682,5 m/s auf derselben Umlaufhöhe ausgeglichen würde.

Jupiters Einfluss auf den Astronauten (und das Shuttle und die Erde), wenn Erde und Jupiter nahe beieinander sind, beträgt 3,2e-7 m/Sekunde im Quadrat, sechsmal mehr als die Anziehungskraft des Shuttles auf den Astronauten, aber immer noch sehr gering.

Betrachten Sie diese Gleichung für die Gravitationsanziehung zwischen zwei Körpern:

$$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$$

wo:

• $F$ist die Kraft zwischen den Massen;
• $G$ist die Gravitationskonstante (6,674 × 10 ^–11 N · (m/kg) ² );
• $m1$ist die erste Masse;
• $m2$ist die zweite Masse;
• $r$ist der Abstand zwischen den Massenmittelpunkten.

Wenn wir also sagen, dass ein Astronaut in einem EVA-Anzug eine Masse von 150 kg hat, die Internationale Raumstation (ISS) selbst eine Masse von 390.000 kg hat und der Abstand zwischen ihren Massenschwerpunkten 5 Meter beträgt, dann liegt ihre Anziehungskraft zwischen ihnen sie ist$1.042 × 10^{-6} \text{ m/s}^2$, oder ungefähr ein Zehnmillionstel (1/10.000.000) der Standardgravitation an der Erdoberfläche ($9.80665 \text{ m/s}^2$).

Nun, weder der Astronaut noch die Station sind Punktmassen, also spielt ihre Massenverteilung bei so geringer Nähe zueinander eine große Rolle, und wir müssen das berücksichtigen. Das Problem ist, dass wir nicht wirklich eine genaue Massenverteilung der Station haben, selbst wenn wir die eigene Ungleichförmigkeit der Astronauten aufgrund der geringen relativen Masse zur Station als weitgehend irrelevant vernachlässigt haben. Aber da wir auch keinen Astronautenwinkel dazu haben, nehme ich einfach eine einheitliche Masse für die 100 m lange und 5 m breite Station (r = 2,5 m) und die Position des Astronauten tangential zur Station und orthogonal zu ihr an Massezentrum. Das heißt, der Astronaut befindet sich außerhalb der Station, irgendwo in der Nähe des äußeren Trägers von Knoten 1 ;

In unserem Fall (mit einigen Annahmen, die die Berechnung erleichtern) ändert sich die kombinierte Gravitationsvektoramplitude mit dem Kosinus zum mittleren Winkel zur Masse der Station. Das heißt, Winkel zum Schwerpunkt jeder 50-m-Seite. In unserem Fall wäre das bei Verwendung der SOHCAHTOA-Mnemonik 78,69°. So wäre unsere Beschleunigung zu unserem einheitlichen Massenzentrum mit gegebenen Abmessungen und Verteilung$\text{cos}(78.69°) \cdot 1.042 × 10^{-6} \text{ m/s}^2$oder$2.04264874 × 10^{-7} \text{ m/s}^2$.

Das ist nur$2.36349805 × 10^{-8}$mal (24 ein Milliardstel) der Erdanziehungskraft auf der mittleren Umlaufbahnhöhe der ISS (große Halbachse) von$\approx 8.64 \text{ m/s}^2$.

Also nicht gerade nichts, aber Ihnen wird ein wirklich langer Bart wachsen, wenn Sie darauf warten, dass sich Ihre Position relativ zur Station allein aufgrund Ihrer gegenseitigen Anziehungskraft merklich ändert. Ein geringfügiger Unterschied in Ihrer Umlaufbahn relativ zur Station, kombiniert mit einem Gravitationsgradienten in Bezug auf den Massenschwerpunkt der Station, wird Sie relativ dazu viel schneller bewegen, und wir nennen es immer noch eine Mikrogravitationsumgebung (dh eine Differenz, die auf einem Mikro-g messbar ist skalieren für ihr gesamtes Volumen).

Außerdem wirken entfernte Gravitationsstörer wie andere Himmelskörper auf die Station genauso wie auf unseren EVA-Astronauten, sodass sich ihre Position relativ zueinander dadurch nicht ändert. Es könnte andere, nicht gravitative Störeffekte wie Sonnenwind, Strahlungsdruck und exosphärischer Widerstand geben, die die Bewegung der Station etwas anders beeinflussen als die unseres Astronauten, aber darum geht es in der Frage nicht.

Die Schwerkraft ist im Wesentlichen eine wirklich schwache Kraft, und es braucht eine ganze Menge Masse, damit ihre Auswirkungen spürbar sind, ohne dass extrem genaue Messungen durchgeführt werden (und sich ein langer Bart wachsen lässt). Wenn Sie mir nicht glauben, bedenken Sie Folgendes: Sie können relativ schwere Objekte von der Erdoberfläche aufheben, während der gesamte Planet durch die Gravitation an ihnen zieht. Nehmen Sie umgekehrt zwei kleine Seltenerdmagnete, verbinden Sie sie durch entgegengesetzte Magnetpole, und Sie werden wirklich große Probleme haben, sie wieder zu trennen.

Keine Sorge, sie werden von anderen Objekten angezogen.

Das einzige Problem ist, dass die Anziehungskraft lächerlich schwach ist, sodass Sie es nicht bemerken werden.

Die meisten Gymnasiasten sind, wenn sie etwas über die vier Kräfte erfahren, ein wenig überrascht, dass die Schwerkraft die schwächste ist – sie scheint so stark?

Nun, bedenken Sie Folgendes: Es braucht die Schwerkraft eines ganzen Planeten, um es überhaupt zu bemerken. Ein Planet ist ein sehr großes und schweres Ding ... nicht so sehr eine Raumstation oder ein Stück Maschinerie.

Außerdem kann, wie bereits erwähnt, der Magnetismus eines winzigen Magneten die Anziehungskraft des gesamten Planeten leicht überwinden.

Die Schwerkraft ist jedoch vorhanden, und sie existiert sogar zwischen kleinen Objekten. Und es beeinflusst uns auf interessante, wenn auch unerwartete Weise.

Nehmen Sie zum Beispiel Billard. Wenn Sie versuchen, einen Trickschuss zu machen, ist die Schwerkraft da, um es für Sie zu vermasseln. Nun, normalerweise würden Sie es nicht bemerken, aber bei 4-5 oder mehr Zusammenstößen sind Sie abgespritzt – Sie können nicht vorhersagen, wohin ein Ball danach gehen wird. Das kann nicht mal ein Profi.

Der Grund ist, dass die Schwerkraft die Flugbahn des Balls beeinflusst. Ja, selbst die winzige Schwerkraft der Leute am Tisch ist groß genug, um es unmöglich zu machen, nach mehr als fünf oder so Sprüngen zu wissen, wo die Dinge landen werden :)

( Berry, MV, 1988, „Das Elektron am Ende des Universums“, S. 44 )

Denken Sie also nicht, dass die Schwerkraft zwischen kleinen Objekten keine Wirkung hat!

Douglas Adams sagte einmal:

Der Raum ist groß. Sehr groß. Sie werden einfach nicht glauben, wie gewaltig, riesig, umwerfend groß es ist. Ich meine, Sie denken vielleicht, dass es ein langer Weg bis zur Apotheke ist, aber das sind nur Peanuts für den Weltraum.

Die Schwerkraft funktioniert gut mit sehr massiven Dingen. Bei Dingen mit geringer Masse hat es sehr, sehr geringe Auswirkungen.

Ein US-Flugzeugträger, der neben einem Schlachtschiff schwimmt, erfährt eine Anziehungskraft zwischen den beiden Massen, aber selbst dann ist sie so gering, dass sie unerheblich ist. (Ungefähr die größten mobilen Strukturen der Erde nach Masse, vielleicht ein Öltanker mehr). Verkleinern Sie das auf eine Person in einer ISS mit relativ geringer Masse, und Sie werden sehen, dass sie zwar einen Sog verspürt, aber er ist unglaublich gering.

Mir ist gerade klar geworden, dass das Problem INNERHALB der Raumstation die Endgeschwindigkeit ist .

Auf der Erde mit einer Anziehungskraft von ~9,8 m/s ² beträgt die Endgeschwindigkeit des menschlichen Körpers etwa 53 m/s oder 195 km/h.

Die Anziehungskraft zwischen Objekten auf der Station ist mindestens eine Milliarde Mal geringer, ebenso die Endgeschwindigkeit (siehe den Wikipedia-Artikel zum "freien Fall"). Die Endgeschwindigkeit auf der Station beträgt weniger als 53 Nanometer/s oder 18 mm/Stunde.

Man könnte sagen, sie gleiten oder fliegen sogar, wenn sie etwas effektiv schlagen.

Außerhalb der Station keine Luft, Endgeschwindigkeit kein Problem.

Die Schwerkraft neigt dazu, sich an dich heranzuschleichen. Stellen Sie sich den 150 kg schweren Astronauten in EVA-Anzügen vor, der etwa 50 Meter von der Station entfernt über der 390 Tonnen schweren Raumstation hängt und eingelullt von der wunderschönen Sternenlandschaft einschläft. Was passiert also?

Relevante Gleichungen .
Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft
ISS-Masse (350.000) * Gravitationskonstante (6,674 ) * 1/(100.000.000.000) / (Entfernung * Entfernung )
Bei konstanter Beschleunigung
zurückgelegte Entfernung Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft * (Zeit * Zeit)/2 + Startgeschwindigkeit * Zeit

  
  Slot Zeit Abstand Beschleunigung Geschwindigkeit
    1 0 50 .000 000 0093 0
    2 12 Stunden 42 .000 000 014 0.0004
    3 18 Stunden 29 .000 000 027 0.0007
    4 24 Stunden 10 .000 000 29 0.0013

So wird die Schwelle in weniger als 24 Stunden bis auf 10 Meter an die Station herangezogen und driftet mit 1,3 mm pro Sekunde in die Station. Nur durch "schwache" Schwerkraft. Weniger als weitere 1,5 Stunden, um den Bahnhof zu erreichen.

Ich entschuldige mich, es ist spät hier, und ich habe nur die Beschleunigung an jedem Slot berechnet, anstatt eine kontinuierliche Änderung. Die tatsächlichen Ergebnisse würden die Zeit zum Überqueren der Distanz erheblich um mindestens 25 % verkürzen.