Nu, de vraag: als de astronaut in een roterend ruimtestation echt hoog zou springen, zou hij dan geen zwaartekracht ervaren totdat hij weer een deel (muur of vloer) van het station zou aanraken? Mis ik iets in mijn begrip?

Nou, hier is een gerelateerde vraag. Stel dat u zich in een lift op de bovenste verdieping van een wolkenkrabber bevindt wanneer de kabel plotseling breekt. Terwijl de lift naar beneden stort, realiseer je je dat je sterft als hij de bodem raakt. Maar dan denk je, wat als ik spring vlak voordat dat gebeurt? Als je springt, beweeg je omhoog, niet omlaag, dus er zal helemaal geen impact zijn!

De fout hier is dezelfde als degene die je hierboven hebt gemaakt. Als je in de lift springt, begin je inderdaad omhoog te bewegen ten opzichte van de lift, maar je beweegt nog steeds met een enorme snelheid naar beneden ten opzichte van de grond, en dat is waar het om gaat.

Evenzo, als je aan de rand van een groot roterend ruimtestation bent, heb je een hoge snelheid ten opzichte van iemand die stilstaat in het midden. Als je springt, is het waar dat je omhoog gaat ten opzichte van het stuk grond waar je vanaf bent gesprongen, maar je hebt nog steeds die enorme tangentiële snelheid. Je verliest het niet alleen door het contact met de grond te verliezen, dus er verandert niets aan het verhaal.

Als je springt, bevind je je in vrije val, afgezien van luchtweerstand, dus je bent gewichtloos.Dit geldt voor elke sprong.Even ervaar je geen zwaartekracht!

Zoals ik het begrijp, om de middelpuntvliedende kracht (die in dit geval verantwoordelijk is voor het creëren van zwaartekracht) te laten werken, moet het object waaraan het werkt, worden bevestigd aan de 'spaak' of 'velg' van de wielen.

Niet precies. Centrifugale "kracht" is wat bekend staat als een "pseudo-kracht". Het is het resultaat van het analyseren van gebeurtenissen met behulp van een niet-inertiaal referentiekader. Als je in een draaimolen zit en je behandelt de draaimolen als stilstaand terwijl de wereld eromheen draait, dan zul je merken dat objecten de neiging hebben om naar de buitenkant van de draaimolen te gaan. ronde. Dus binnen het "De draaimolen is stationair" standpunt, moet je een kracht poneren die de objecten wegduwt uit het midden, wat de middelpuntvliedende kracht is.

Maar deze kracht bestaat niet "echt": wanneer je de situatie analyseert vanuit het oogpunt van iemand die niet op de draaimolen zit, reizen de objecten in een rechte lijn. Het is alleen dat elke rechte lijn noodzakelijkerwijs uit het midden verdwijnt. (Teken een cirkel en teken er dan een rechte lijn naast. Stel je voor dat je langs die lijn reist. Vanuit het oogpunt van de cirkel kom je eerst dichterbij en dan reis je weg.)

Als iets roteert, verandert zijn snelheid voortdurend: hoewel zijn snelheid constant is, verandert de richting, dus de snelheid verandert. Veranderende snelheid betekent versnelling en versnelling betekent kracht. Deze kracht is naar het midden gericht. Stel je voor dat je tegen de klok in rond een cirkel rijdt. Als je het wiel loslaat, vlieg je van de cirkel af. Je moet constant naar links draaien om op de cirkel te blijven. Er is dus een kracht, maar deze is naar het midden van de cirkel gericht en wordt de middelpuntzoekende kracht genoemd.

Vanuit een traagheidsreferentiekader is een kracht nodig om op de cirkel te blijven; de centripetale kracht. Maar vanuit een referentieframe met cirkelvormige beweging is het object stationair. Dus als er een centripetale kracht is die het object naar binnen trekt, moet er een andere kracht zijn, de middelpuntvliedende kracht, die het naar buiten duwt. Dus als je in een roterend ruimtestation staat, zul je een kracht van de vloer voelen die je "omhoog" duwt naar het midden van het ruimtestation, en omdat het voelt alsof je in rust bent (het ruimtestation beweegt met je mee), zal het lijken alsof er een of andere kracht moet zijn die je "naar beneden" in de vloer duwt.

Het belangrijke punt hier is dat het contact met de vloer de middelpuntzoekende kracht levert, maar de middelpuntvliedende kracht bestaat in je referentieframe, ongeacht of je contact hebt met de vloer. Ga terug naar het voorbeeld van rijden in een cirkel. Stel dat je een bal in de auto laat vallen. Voordat je hem liet vallen, bewoog hij met de auto mee, en net zoals de auto een centripetale kracht had die in cirkelvormige bewegingen bleef, had de bal een middelpuntzoekende kracht erop. Maar voor de fractie van een seconde dat het in de lucht hangt, heeft het niet de middelpuntzoekende kracht.

Voor een externe waarnemer draait de auto naar links, terwijl de bal in een rechte lijn beweegt. De auto accelereert naar links in de bal, en wanneer de bal landt, is hij rechts van waar hij is gedropt. Voor iemand in de auto lijkt het alsof de auto stilstaat en de bal naar rechts accelereert.

Evenzo, als je in het ruimtestation zou springen, zal het lijken alsof je naar de grond accelereert, aangezien je dingen in het referentiekader van het ruimtestation waarneemt. Deze schijnbare versnelling bestaat ongeacht of je het ruimtestation aanraakt. Dat je accelereert in het referentiekader van het station vereist geen fysiek contact met het station, want het is geen fysiek fenomeen. Het is gewoon een kenmerk van het coördinatensysteem.

Dit alles is lokaal van toepassing: als je omhoog springt, zal je beweging, in het referentiekader van het station, op kleine schaal hetzelfde zijn alsof je door de zwaartekracht naar beneden wordt getrokken.Dit is een benadering die afbreekt naarmate u naar grotere schalen gaat.Deze afwijkingen van de benadering komen naar voren als andere pseudo-krachten, zoals de Coriolis-kracht.Het is dus belangrijk om in contact te zijn met de vloer, omdat het je met het station in beweging houdt en deze afwijkingen vermindert.

Dit is een traagheidsprobleem. De formulering van uw vraag veronderstelt dat de astronaut traagheid verliest tijdens het springen, waardoor hun opwaartse traject de enige grote werkende kracht is. Op elk moment tijdens het roteren in een stationaire positie, is de traagheid van de astronaut naar buiten toe vanaf het rotatiepad in een hoek van 90 graden ten opzichte van de lijn die de astronaut en de rotatieas verbindt. Wanneer de astronaut springt, wordt deze traagheid gehandhaafd en worden twee nieuwe krachten gegenereerd, namelijk de kracht die de astronaut uitoefent op het ruimtestation (resulterend in een verwaarloosbare versnelling van de kant van het ruimtestation) en de kracht die het ruimtestation uitoefent op de astronaut ( resulterend in een niet te verwaarlozen versnelling van de kant van de astronaut naar de rotatieas). De relatieve snelheid van de astronaut is lineair gerelateerd aan de vectorsom van de traagheidskracht die op hem inwerkt, evenals de kracht van zijn sprong. Daarom wordt de "zwaartekracht" die de astronaut voelt, bepaald door de hoeksnelheid van de stationsvloer; grotere hoeksnelheid betekent grotere traagheid en grotere centripetale (en middelpuntvliedende) kracht, wat betekent dat grotere kracht (uitgeoefend door springen) vereist is om dezelfde (relatief) verticale verplaatsing te bereiken.

Het gevoel tegen de grond gedrukt te worden in een kunstmatige zwaartekrachtkamer is te wijten aan de roterende vloer die de astronaut naar de rotatieas duwt, terwijl de astronaut (vanuit een natuurkundig perspectief) het traagheidspad wil blijven volgen. Deze kracht die resulteert in deze centrale versnelling is de middelpuntzoekende kracht, terwijl de tegenkracht die door de astronaut op de vloer van het ruimtestation wordt uitgeoefend de middelpuntvliedende kracht is.

U kunt deze informatie vinden in elk elementair natuurkundeboek op universitair niveau; Besteed speciale aandacht aan de hoofdstukken over impulsmoment en zwaartekracht / cirkelvormige krachten. Fundamentals of Physics door David Halliday en Robert Resnick was degene die ik op de universiteit gebruikte.

Hier is een heel eenvoudig experiment dat u nu kunt uitvoeren.

Je staat op het aardoppervlak dat draait met, afhankelijk van je breedtegraad, ergens tussen 1000 en 1600 km / u. Als je durft, sta dan op en spring. Heeft u zich plotseling met grote snelheid zijwaarts gehurkt? Nee. Op dezelfde manier wordt een lamp die aan het plafond hangt niet met geweld opzij geworpen, ondanks dat hij de grond niet raakt.

Uw momentum blijft behouden. En momentum is massa x snelheid. Je massa verandert niet als je springt, dus we kunnen het gewoon hebben over het behouden van snelheid.

Snelheid is een vector, wat betekent dat het een grootte en een richting heeft. Stilstaand reis je met een snelheid van bijvoorbeeld 1200 km / u zijwaarts, maar dat geldt ook voor het oppervlak van de aarde en je huis en de lucht, zodat je het niet waarneemt. Als je springt, behoud je die zijwaartse snelheid van 1200 km / u en voeg je ongeveer 2 m / s opwaartse snelheid toe. Omdat al het andere zijwaarts met je beweegt, zie je alleen de verticale sprong.

Maar alleen je lineaire momentum blijft behouden. De zwaartekracht houdt je vast aan de roterende aarde. Als je de zwaartekracht van de aarde op de een of andere manier teniet zou doen, zou je merken dat je langzaam, en dan steeds sneller, uit het aardoppervlak lijkt te stijgen. Je lineaire momentum voert je mee in een rechte lijn, maar het oppervlak van de aarde is gekromd. Het lijkt alsof het oppervlak wegvalt, maar zonder dat de zwaartekracht je aan het oppervlak plakt, reis je in een rechte lijn over een gebogen oppervlak.

Dit verschil tussen het lineaire moment en het impulsmoment is de Coriolis-kracht en heeft praktische effecten op de aarde en op een ruimtestation. Op aarde daarom wervelen stormen. De veel kleinere schaal op een ruimtestation kan subtiele effecten hebben als je een bal gooit, een pistool schiet of zelfs op je binnenoor schiet.

Je maakt geen enkele fout, behalve dat je denkt dat "kunstmatige zwaartekracht" zou kunnen zijn bijna constant over een regio zo groot als de structuur zelf.Het is echt altijd is alleen van toepassing op een regio "veel kleiner" dan de structuur zelf.

Dus ja, een grote sprong (omhoog en achteruit op het stuur) zou je door de midden van het wiel, waar je gewoon zou zweven.Of, eenvoudiger, snel rennen genoeg (achterwaarts op het wiel) zal je doen zweven.

Deze niet-constante variatie van je "kunstmatige zwaartekracht" in ruimtetijd was er al uitgelegd als een "getijdenkracht" in de opmerking van my2cts.

Natuurlijk is het grootste probleem met de veronderstelling om 'gewichtloos' te worden (terugkeren naar een nul-G-toestand) door een 'grote' sprong te maken, dit: ervan uitgaande dat het OP het had over niet een gecreëerde microzwaartekracht (. 2G of minder) maar dichter bij één volledige zwaartekracht (aardstandaard), is de grootte van de 'kamer' die nodig is om zoveel getijdenkracht te creëren. Hoe kleiner het is, hoe sneller het zou moeten draaien om voldoende middelpuntzoekende kracht te creëren om de indruk van die 'zwaartekracht' te wekken, en vervolgens hoe dunner de band van die 'zwaartekracht' hoe verder van de zone van die 'zwaartekracht'. hoe minder de kracht.

Dus tenzij het een dwaze, kleine spinkamer was, zou de grootte van het 'station' dat nodig is om een ​​'natuurlijk zwaartekrachtgevoel' te creëren, het vermogen van de astronaut om te springen zonder externe voortstuwing ver te boven gaan. In dat geval zou hij dan natuurlijk de mogelijkheid om dan buiten de functionele 'zwaartekracht' naar afnemend versnelde zones te reizen (door zijn eigen lateraal overgedragen snelheid te verwijderen) uiteindelijk het 0G-centrum van het station of de kamer bereiken.

Maar met het aanvullende concept van schaal, zou hetzelfde kunnen worden gezegd van de aarde zelf. Als je naar een hoogte 'hoog genoeg' zou kunnen 'springen', zou je 0G kunnen bereiken (niet echt, maar voldoende microzwaartekracht om niet van 0G te onderscheiden). Dit geeft wel wat reden tot nadenken, want niet alleen zou een dergelijk station HEEL groot moeten zijn, maar je kunt ook beter een lagedrukpak dragen, aangezien de atmosfeer vrij dun moet zijn, aangezien de stikstof / De zuurstofatmosfeer zou OOK worden beïnvloed door de middelpuntzoekende kracht van de rotatie van het station, dus niet alleen dun, maar zeker niet samengesteld uit de juiste gassen om te ademen (lichtere gassen stijgen in het centrum van de spin) ... Dat is tenminste wat ik zou ik verwachten.

Terwijl je op de vloer van dit roterende ruimtevaartuig staat, beweeg je in feite zijwaarts met de vloer.

Als je zijwaarts in een rechte lijn doorging, zou je door de vloer moeten gaan, aangezien de vloer in een cirkel draait die de rechte lijn van je traject kruist. Dit gebeurt natuurlijk niet omdat je tegen de vloer duwt en de vloer tegen je aan duwt. Deze duw geeft de indruk van zwaartekracht en zorgt ervoor dat je met de vloer meedraait.

Die duw tussen jou en de vloer staat loodrecht op je bewegingsrichting.

Als je eenmaal springt, zal er kortstondig een grotere duw zijn dan nodig om je in de cirkel te houden waarin de vloer beweegt, dus je gaat weg van de vloer. Uw versnelling totdat u de vloer verlaat, staat nog steeds loodrecht op uw zijwaartse beweging. Dus de twee zullen niet worden opgeheven, maar je beweegt in een "diagonale" richting die je van de vloer verwijdert.

Zodra je de vloer niet meer raakt, ga je verder in een rechte lijn. Elke rechte lijn binnen een cirkel zal echter uiteindelijk de cirkel weer moeten ontmoeten. Op dat punt val je op de grond.

Als je gewichtloosheid in dit vaartuig wilt ervaren, moet je je zijwaartse beweging annuleren. Dat doe je niet door te springen, maar door tegen de draairichting in te lopen of te rennen totdat je de zijwaartse beweging hebt opgeheven.

Terwijl je met exact de juiste snelheid loopt of rent, kun je een kleine sprong maken om van de vloer weg te zweven.

Als je het precies goed doet, zou je eindigen in het vaartuig dat nog steeds om je heen draait. Natuurlijk gaf zelfs je kleine sprong je nog steeds een beetje snelheid in een bepaalde richting, dus uiteindelijk raak je weer de grond die nog steeds om je heen zou draaien.

Gewoon een vereenvoudigd voorbeeldscenario dat beschrijft wat de hoeksnelheidsantwoorden zeggen:

Veronderstel dat een grote open cilinder is opgezet als een joggingbaan die een hele draaiende "ring" van het ruimtestation is.

In plaats van te springen, ren zo snel als het baanvak draait, maar in tegengestelde richting. Het lijkt alsof je gewicht verliest terwijl je accelereert, omdat je niet langer het impulsmoment van de vloer hebt, maar iets minder dan dat.

Wanneer je de snelheid bereikt waarop het station draait, ben je gewichtloos en stijg je van de grond (als je niet eerst grip verliest). Op deze manier boven de grond zul je gewichtloos zijn.

Dit betekent intuïtief ook dat als je met de spin van het station zou rennen, je zwaarder zou worden.

Als je het eenmaal zo ziet, kun je zien dat springen op zichzelf niets zou doen.

tl; dr

Probleem 1: Nadat je gewichtloos bent geworden, roteert de lucht waarschijnlijk met de vloer van de baan, dus het zal je lichaam duwen en het weer wat impulsmoment geven, op welk punt je terug naar de oppervlakte wordt "getrokken". Als het kunnen veranderen van uw gewicht een gedeeltelijk doel was van deze oefenruimte, konden ze de vloer en muren redelijk glad maken, zodat de lucht (grotendeels) op zijn plaats bleef en de spin helemaal negeerde. Als dit het geval was, zou je beginnen met een wind in je rug, maar hoe sneller je liep, hoe zwakker de wind zou worden en als je gewichtloos werd, zou er geen lucht zijn die je duwt.

Probleem 2: om de snelheid van het station te laten lopen, moet de startzwaartekracht misschien minder zijn dan 1 g, helemaal niet zeker van de wiskunde, maar ik weet zeker dat je met de juiste startsnelheid zou kunnen rennen totdat je gewichtloos was .

Als je de film "Interstellar" hebt gezien, zie je een paar jongens honkbal spelen in een enorme roterende cilinder in de ruimte.De rotatie is zodanig dat ze dezelfde zwaartekracht (maar kunstmatige) kracht ervaren als op aarde.
De bal wordt door een van hen geraakt en raakt de kamer van een huis helemaal omhoog (volgens iemand die in deze cilinder staat).
Nadat de bal is geraakt (gelijk aan iemand die een enorme sprong maakt) beweegt hij in een rechte lijn, omdat hij nu vrij beweegt, zonder versnelling.Dus na enige tijd was het has om de cilinder weer te raken.Waar het de cilinder raakt, hangt natuurlijk af van de snelheid die aan de bal wordt gegeven.
Hetzelfde geldt voor een man die opspringt.

Stel dat je wordt ontvoerd en wanneer je weer bij bewustzijn komt, merk je dat je midden in de lucht naar beneden accelereert in een kubusvormige kamer. Dit scenario kan het resultaat zijn van twee mogelijkheden:

1. De kubusvormige kamer bevindt zich op aarde. De versnelling die je waarnam toen je bewust werd, was gewoon de zwaartekracht van de aarde.

2. Je kwam weer bij bewustzijn in een kubusvormige kamer die in de ruimte zweefde en omhoog accelereerde (in de richting waarin je hoofd kijkt) met versnelling 9,8 $ m / s ^ 2 $

In beide scenario's bevindt u zich midden in de lucht en bent u in staat een kracht waar te nemen die op u inwerkt. In het tweede scenario is de kracht die je waarneemt alleen omdat je dingen vanuit een versneld kader bekijkt. Beide scenario's zijn vanuit jouw standpunt niet van elkaar te onderscheiden. Dit is eigenlijk het idee van Einsteins principe van gelijkwaardigheid (dat zwaartekracht eigenlijk niet te onderscheiden is van pseudokrachten).

Hetzelfde gebeurt wanneer u zich midden in de lucht bevindt in een roterende centrifuge. Je geest ziet de centrifuge als een vast, onbeweeglijk stadium als je erin bent. Maar dat is niet waar. Deze zogenaamd gefixeerde fase versnelt eigenlijk altijd. Maar omdat je erin zit, denk je dat jij degene bent die versnelt. En je merkt deze 'kracht' altijd op je, het maakt niet uit of je midden in de lucht bent