Демистификация физики невесомости в параболических полетах

Параболические полеты часто грубо описываются как самолет, ускоряющийся вверх в течение определенного времени, а затем свободно падающий (таким образом прекращая свою тягу), и во время дугового пути, который он проходит перед падением прямо вниз, пассажиры чувствуют себя невесомыми. Это используется для имитации пребывания на космическом корабле для подготовки космонавтов и, что более важно, физики проводят эксперименты в этих условиях, чтобы собирать данные в условиях почти нулевой гравитации.

Часто для объяснения идеи, стоящей за воспринимаемым ощущением невесомости, проводится аналогия с лифтом, ускоряющимся вниз, т. е. если лифт ускоряется вниз со скоростью, равной г , пассажир чувствует себя невесомым. Но интуитивно я всегда представлял себе это наоборот, а именно, что если есть восходящее ускорение, равное г , ускоренный объект будет иметь чистое ускорение а → "=" 0 → и это была бы невесомая ситуация, потому что мы не чувствуем ускорения ни к чему. Но, по общему признанию, только из уравнений, например, м "=" Ф / а это не ясно, так как мой описанный пример подразумевал бы даже бесконечную массу...

Было бы блестяще, если бы кто-то мог объяснить, что происходит, не полагаясь на метафоры или слишком вводящие в заблуждение аналогии, а вместо этого просто рассуждая с помощью основных ньютоновских уравнений: что достигается в полете по параболе, который мы называем «невесомостью»?

Когда вы находитесь в свободном падении у поверхности земли, ваше ускорение не равно нулю : оно г . Невесомость исходит от пола лифта, не оказывающего на вас никакой силы (потому что вы не оказываете на него никакой силы, поскольку и вы, и лифт падаете с одинаковым ускорением).
Люди, придерживающиеся плоскоземельных убеждений, также сбиты с толку этим. Чего они не понимают, так это того, что гравитация сама по себе не является ускорением (если только вы не апеллируете к общей теории относительности, которая действительно их заводит :) Скорее, это сила, действующая на материю, вроде длинных эластичных лент, притягивающих к себе буквально все на земле. центр земли. Чем массивнее что-то, тем больше у него полос. Когда мы говорим об «ускорении гравитации», мы имеем в виду, насколько быстро эти полосы ускоряют объекты к центру Земли, когда их ничто не удерживает .
На самом деле он не обязательно должен быть параболическим; это ничем не отличается от космонавта в космическом корабле с выключенными двигателями, движущегося вокруг Земли по эллиптической, параболической или гиперболической траектории - все равно космонавт будет в невесомости. Кроме того, если на космический корабль действует более одного гравитирующего тела, то его траектория свободного движения может быть очень сложной - и все равно космонавт внутри будет находиться в невесомости.

Ответы (5)

Я думаю, путаница возникает из-за того, что вы думаете, что для ощущения невесомости вам нужно а → "=" 0 . Это не так.

Вместо этого я бы определил невесомость объекта следующим образом: в системе покоя объектов на объект не действуют никакие силы (в отличие от суммы сил, равной нулю, что приводит к нулевому ускорению по закону Ньютона).

Позвольте мне проиллюстрировать разницу между ними на примере вашего лифта.

  1. Вы падаете с лифтом. В вашей системе координат и при условии, что ситуация идеальна, на вас не действуют никакие силы.
  2. Вы стоите в лифте, который не падает. Тогда в вашей системе координат на вас действуют две силы. Гравитация тянет вас вниз, а пол толкает вверх. Теперь вы мне скажете : «А разве это не одно и то же, ведь по закону Ньютона силы складываются до нуля, и разницы быть не должно» . Нет! Причина в том, что вы являетесь объектом конечного размера . Пол давит только на ваши ноги, в то время как гравитация притягивает (в хорошем приближении) равномерно на каждую часть вашего тела. Это создает градиент деформациипо всему телу, то есть ваши ноги чувствуют, как все ваше тело давит на них, в то время как ваше ухо чувствует только ваши (надеюсь, все еще цветущие) волосы на нем. Это то, что вы воспринимаете как «вес», ваши ноги упираются в ваше тело. У вас не будет этого в свободно падающем лифте или параболическом полете.
  3. Пример в вопросе, где вы стоите в лифте, который ускоряется вверх с г . Ну, та же история, что и во 2, за исключением того, что теперь у вас вдвое больше давления на ноги.

Это не только причина, по которой мы чувствуем себя невесомыми в параболическом полете, но в некоторых случаях и причина, по которой люди хотят проводить физические эксперименты в условиях невесомости. Большинство физических систем представляют собой объекты конечного размера, и если вы хотите провести точный эксперимент, в котором разница в силе различных частей действительно имеет значение, вам придется либо изобрести способ предотвратить их падение, не ставя их на пол, либо перейти в свободное падение (отказ от ответственности: я на самом деле не знаю, делает ли кто-нибудь точные измерения в параболических полетах. Я сомневаюсь в этом, потому что самолеты шатаются). Конечно, существует множество других эффектов, большинство из которых имеет ту же природу градиента деформации/силы (например, разница в форме пламени, см. эту статью ).

РЕДАКТИРОВАТЬ: обязательно ознакомьтесь с комментарием Максима Уманского ниже!

Блестящие объяснения, спасибо. Если можно спросить, почему свободные падения приводятся как примеры невесомости? потому что на нас все еще действуют силы, а именно гравитация и даже трение о воздух.
@ user929304 спасибо! Действительно, гравитация по-прежнему действует на нас, но, поскольку она распространяется на каждую частичку вашего тела, она исчезает в системе вашего покоя . (поскольку для такой силы не существует градиентов деформации, по крайней мере, если мы аппроксимируем гравитационное поле постоянным). Трение тоже есть, вы правы! Но мы можем пренебречь им как приближением для параболического полета. Надеюсь, что это поможет, дайте мне знать, если у вас есть еще вопросы!
Спасибо, это имеет смысл. Итак, можем ли мы обобщить, сказав, что в большинстве случаев, когда на нас не действует нормальная сила, противодействующая гравитации, мы только «чувствуем себя» невесомыми, поскольку каждая часть нашего тела подвергается одинаковому ускорению [*], и мы не отталкиваемся от него. что-либо. С кавычками, потому что на самом деле это не означает, что нас будет легко помыкать, поскольку у нас все еще есть ненулевая масса покоя, потому что изменение импульса, необходимое для перемещения тела даже в вакууме, пропорционально массе этого тела. Это озвучка?
[*]: мы должны добавить здесь небольшое предостережение: мы все еще ускоряемся, хотя это постоянно, но все еще меняет наш импульс во времени. ∂ п / ∂ т ≠ 0 , но тогда почему мы не чувствуем фиктивной силы, действующей на нас в направлении, противоположном силе тяготения? подобно тому, как когда автомобиль ускоряется вперед, нас отталкивает назад.
@user929304 user929304, хотя то, что вы сказали, в основном правильно, я бы посоветовал вам тоже подумать о напряжениях в вашем теле. это также действительно ядро ​​того, что я пытался сказать в своем ответе.
Интересно отметить, что для космонавтов разрабатывается высокотехнологичный облегающий «скафандр» — Gravity Load Countermeasure Skinsuit (GLCS) — для создания напряжения в теле, чтобы чувствовать его более естественным для человека в условиях невесомости и уравновешивать отрицательные влияние его на здоровье человека. Посетите esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Astronauts/…
@MaximUmansky, это так здорово, спасибо, что поделились!!
@ user929304 Нет ничего, что могло бы обеспечить силу, которая «отталкивает вас назад». Нет движения, чтобы сопротивляться, самолет, в котором вы находитесь, внезапно начинает свободно падать с той же скоростью, что и вы. Большая разница между этим и прыжками с парашютом связана с «трением», которого вы, казалось, избегали. Обычно в свободном падении вы чувствуете некоторое сопротивление из-за силы сопротивления. Сила сопротивления проявляется, потому что вы путешествуете по воздуху на относительно высоких скоростях. В закрытом сосуде, таком как самолет, воздух фактически свободно падает вместе с вами, поэтому он не сопротивляется движению и поэтому не ощущается.

При параболическом полете или свободном падении пол, на котором находится объект, и сам объект движутся с одинаковым ускорением g=9,8 м/с. Другими словами, пол падает с той же скоростью, что и объект, поэтому объект находится в свободном падении. Скажем, если вы стоите в падающем лифте. И вы, и лифт имеете одинаковое ускорение g. Вы решаете прыгнуть. Вы прыгаете и теперь должны упасть прямо вниз, но пол лифта (фактически сам лифт) падает с той же скоростью, что и вы, поэтому в вашей системе отсчета вы не испытываете никакого результирующего ускорения. Теперь предположим, что вы стоите в лифте, который движется вверх с ускорением g. Ты снова прыгаешь. Вы падаете из-за ускорения силы тяжести. Кроме того, пол движется к вам с ускорением g.

С точки зрения законов Ньютона и нашего опыта, когда люди думают об этом:

Когда вы стоите на полу, гравитация тянет вас вниз, и вы умираете от этого, вы прижимаетесь к полу, что дает восходящую нормальную силу реакции . Эта нормальная сила реакции дает вам ощущение прижатого контакта с полом.

Теперь рассмотрим движение снаряда. Путь снаряда представляет собой параболу, и обратите внимание, что ускорение частицы по параболе всегда равно g вниз, поэтому, если самолет следует по этой траектории, пол самолета также падает вниз на g вниз, поэтому человек больше не давит затем к полу (поскольку кажется, что пол отпадает), и поэтому нормальная сила реакции теперь равна 0. Это невесомость.

Как указывает Ник, вес — это ощущение, которое вы испытываете, когда пол толкает ваши ноги вверх. То, что вы чувствуете, — это электромагнитное отталкивание в ваших ногах, которое оказывает на вас земля. Эта сила ускоряет вас со скоростью − г что в сумме с гравитационным притяжением оставляет вас в покое. При свободном падении действует только гравитационное притяжение. Вы действительно ускоряетесь, НО вы этого не чувствуете. Вы не можете этого знать. Потому что ничто не давит на ноги. И это чрезвычайно глубоко и, по сути, отправная точка ОТО.

Это называется принципом эквивалентности и является особым для гравитации (в отличие от других сил). Дело в том, что заряд под действием силы тяжести (гравитационная масса) в точности совпадает с инертной массой (в отличие от электрического заряда, который явно не совпадает с инертной массой). Это, в свою очередь, означает, что вы не можете отличить ускорение от гравитационного притяжения. Эйнштейн использовал это понимание, чтобы доказать, что гравитационного притяжения не существует. Вместо этого мы движемся в искривленном пространстве-времени. Тогда силы гравитации не существует. Тогда действительно, когда вы в свободном падении т час е р е а р е н о ф о р с е с е Икс е р т е г о н у о ты .

Подводя итог: вы не можете сказать, что находитесь в свободном падении, потому что вы не можете отличить ускорение от гравитационного притяжения.

А что касается уравнений Ньютона, вы просто используете неправильные знаки. Дело в том, как пол ускоряется по отношению к вам. Если лифт имеет то же ускорение, что и вы, ускорение, которое вы ф е е л это вычитание. То есть, г − Е л е в а т о р А с с е л е р а т я о н .

С уважением.

Путь к пониманию заключается в концепции неинерциальной системы отсчета. Классическая механика (а тем более закон инерции) работает в инерциальной системе отсчета, в которой не происходит ускорения (называемой также галилеевой системой отсчета). Если вы хотите использовать

Ф → "=" м а →
, а находится в инерциальной системе отсчета. Таким образом, падающий самолет ускоряется вниз с г . Во внешней инерциальной системе отсчета ваше ускорение в этой системе а я ф → равно вашему ускорению а п → в плоскости плюс ускорение вашего самолета (неинерциальная система отсчета), а п ф → "=" г → . Итак, закон Ньютона в инерциальной системе отсчета пишет:
Ф → "=" м а я ф → "=" м ( а п → + а п ф → )
Ф → − м а п ф → "=" м а п →
в − м а п ф → термин называется фиктивной силой. Это порождает центробежную силу (противоположную центростремительному ускорению), а сила Кориолиса заключается в том, что ваша неинерционная система теперь вращается вокруг одной оси. Теперь, если ваша единственная сила Ф → является г → , у вас есть
м а п → "=" 0
Это невесомо. Я настаиваю, это не чувство, это реальное состояние нулевой силы.

а в случае другого вашего примера (лифт движется вверх) вы испытаете силу 2g. Вы можете получить этот результат, выполнив те же вычисления. Именно поэтому пилот военного самолета испытывает небольшое ускорение во время взлета: ускорение вперед создает фиктивную силу назад.
Демистификация физики невесомости в параболических полетах
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v