Wie wiegt man Dinge in einer Mikrogravitationsumgebung?

Offensichtlich wird eine Waage keinen Mehrwert für die Aufgabe im freien Fall bringen. Das Gewicht im Weltraum wird genauer als Masse beschrieben, aber es besteht immer noch die Notwendigkeit, es zu definieren. Unabhängig davon, ob Sie wissenschaftliche Experimente durchführen, Zutaten mischen oder Masse-Schub-Werte für Delta-V berechnen, Sie müssen die Masse oder das Gewicht von Dingen kennen.

Wie berechnet man also die Masse eines Objekts, wenn man keine Waagschale verwenden kann?

Sie wiegen die Dinge nicht als solche, weil die Dinge schwerelos sind, aber wie Sie richtig sagten, sie haben eine Masse, die keine Schwerkraft benötigt, um einen Wert zu haben
"Gewicht im Weltraum wird genauer als Masse beschrieben, aber die Notwendigkeit, es zu definieren, besteht immer noch." . . . was? Gewicht ist die Kraft, die eine Masse in einem Gravitationsfeld erzeugt . Wenn Sie kein Gravitationsfeld haben (oder Sie sich in einem Referenzrahmen befinden, der die Gravitationsbeschleunigung als Null betrachtet, wie z. B. die Erdumlaufbahn), ist das "Gewicht" eines Objekts buchstäblich bedeutungslos .
@imallett Das OP möchte Masse messen . Gewicht ist buchstäblich Null, aber Masse kann als Trägheit gemessen werden , wie die Antworten zeigen.

Antworten (6)

Für eine ziemlich genaue Messung verwenden Sie die lineare Beschleunigung des Körpers mit fester Kraft (z. B. Feder gezogen, bis seine Kraft den Nennwert erreicht) und messen dann seine Geschwindigkeit beim Start.

Kinetische Energie E = 1 2 m v 2 gleich der potentiellen Energie des "Werfers" ist (der leicht kalibriert werden kann, indem ein Objekt mit bekannter Masse gestartet und seine Geschwindigkeit mit derselben Baugruppe gemessen wird).

Nun können wir bei bekannter Energie und messbarer Geschwindigkeit die Masse berechnen:

m = 2 E v 2

Angenommen, die Startbaugruppe ist beispielsweise 5 k g . Sie starten 5 k g Gewicht aus der Baugruppe und messen Sie die Strecke, die sie im Laufe von 1 Sekunde zurücklegt. Es geht 10 m / s ;

E = 1 2 ( 5 k g + 5 k g ) ( 10 m / s ) 2 = 500 J

das ist die Kraft der Versammlung.

Wir starten einen Menschen, und das Ergebnis der Messung ist 4 m / s .

m = 2 ⋅ 500 J ( 4 m / s ) 2 = 62.5 k g
Ziehe das Bekannte ab 5 k g der Versammlung, und die menschliche Masse ist 57.5 k g .

Dies ist ein weiterer Fall, in dem wir richtige Formeln brauchen ...
Dies ist im Wesentlichen das, was Astronauten verwendet haben. Dr. William Edgar Thornton meldete 1968 ein Patent für ein solches Gerät an, während er für die NASA arbeitete und die Auswirkungen untersuchte, die Null G auf den menschlichen Körper hat, einschließlich der Notwendigkeit, Massenänderungen zu messen. Heute wird ein nahezu identisches Gerät namens SLAMMD (Space Linear Acceleration Mass Measurement Device) verwendet, um dasselbe zu tun (um die Masse von Astronauten während längerer Aufenthalte auf der ISS zu messen).

Grundsätzlich können Sie alle Effekte nutzen, die von der Masse eines Objekts abhängen. Federpendel, etwas Magie mit Fliehkräften, Drehimpulsen .....

Zur Bestimmung der Masse beispielsweise eines menschlichen Körpers siehe Space Linear Acceleration Mass Measurement Device .

Es gibt eine wirklich coole Website der NASA, die einen netten Einblick und ein Experiment bietet, das eine Möglichkeit zeigt, wie es funktionieren kann: http://quest.nasa.gov/space/teachers/microgravity/4inert.html

SLAMMD

Eine schnelle Suche auf den Websites der Weltraumagenturen ergab dieses Foto des IM-01M-Massenmessgeräts im russischen Orbitalsegment:

Anatoly Ivanischin unternimmt regelmäßiges Wiegen seines Körpers auf dem "Massenmessgerät". Credits: Roskosmos . Der wahrscheinliche Autor des Fotos ist Anton Shkaplerov .Ivanisin

Peggy Whitson : Wir wiegen uns mit einem in Russland gebauten Gerät namens Body-Mass-Messsystem. Es berechnet die Trägheit, wenn es eine Masse auf einer kalibrierten Feder hin und her bewegt. Es ist ein sehr einfaches System, aber es scheint sehr gut zu funktionieren. Nachdem wir die Feder kalibriert haben, steigen wir auf das Gerät und lösen die Feder. Unsere Masse errechnet sich aus den Trägheitskräften auf die Feder.

Quelle: http://spaceflight.nasa.gov/feedback/expert/answer/isscrew/expedition5/index.html

@Philipp: Ich denke, das ist eine gute Antwort, da es Beweise für ein tatsächlich verwendetes Gerät liefert. Das Prinzip ist, dass eine Masse an einer Feder gemäß der Gleichung hier schwingt (wenn sie von der unbelasteten Länge weggedrückt wird): en.wikipedia.org/wiki/Harmonic_oscillator#Spring.2Fmass_system . Wenn Sie also die Feder kalibrieren, können Sie die Frequenz messen der Schwingung und damit der an der Feder angebrachten Masse. Der Bonus hier ist, dass es enthalten ist, also nicht den Platz eines linearen Beschleunigungssystems benötigt. Und eine Feder ist einfach zu kalibrieren.

Nach der Antwort von Deer Hunter, die das russische Gerät zeigt, können wir eine Masse auf einer Feder zum Schwingen bringen; das ist die Bewegungsgleichung:

x ( t ) = EIN cos ⁡ ( k m t )

(von der Wikipedia-Seite zu harmonischen Oszillatoren )

Damit ergibt sich die Frequenz zu:

f = k m

Wenn wir also die Masse von der Ruhelage wegbewegen, können wir die Frequenz ihrer Schwingung über einen bestimmten Zeitraum messen. Wenn wir die Feder sorgfältig kalibriert haben und die Federkonstante kennen k mit hoher Präzision können wir die Masse berechnen m .

Die Vorteile davon gegenüber einem linearen Beschleunigungsgerät sind seine Einfachheit, Robustheit und dass es enthalten ist; Die Masse schwingt an Ort und Stelle, anstatt sich im Raum zu bewegen, und Sie müssen nur die Frequenz messen, die über eine Reihe von Schwingungen durchgeführt werden kann. Im Vergleich dazu erfordert ein lineares Beschleunigungsgerät die Kenntnis der beteiligten Kraft, eine sorgfältige Messung der Geschwindigkeit und einen Single-Shot-Betrieb. In einer Raumstation ist nicht viel Platz!

...obwohl ich glaube, dass bei Linearbeschleunigern der Komfort beim Wiegen von Personen etwas höher ist. Auch für die frequenzbasierten Messungen muss der Körper etwas steif sein. Schwingende Teile darin können die Ergebnisse verfälschen.

Sie können die Rotation verwenden, um eine Waage zum Funktionieren zu bringen. Befestigen Sie das zu wiegende Objekt an einem Ende einer Stange, die an einem Drehpunkt befestigt ist, und ein bewegliches Gegengewicht am anderen. Nur eine Position auf der Stange für das Gegengewicht ermöglicht es, das System für jede gegebene Testmasse auszubalancieren.

Dies ist in Ordnung für Objekte mit gleichmäßiger Massenverteilung oder viel kleiner als der Drehpunkt. Wenn das Objekt groß ist und zB die meiste Masse auf seiner Oberseite konzentriert ist, wird es einen signifikanten Fehler geben.

Das Folgende ist nur ein Beispiel. Wie schon Ernestoheles sagte, könnte man jeden Effekt verwenden, der von der Masse abhängt.

Um die Masse kleiner fester Objekte zu messen, würde ich einen kleinen Schlitten zwischen 2 Federn mit bekannten Eigenschaften stellen. Legen Sie die Masse in den Schlitten, lenken Sie den Schlitten etwas aus und lassen Sie ihn los. Messen Sie die Schwingungsfrequenz.

Wie wiegt man Dinge in einer Mikrogravitationsumgebung?
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