Как астронавты могут летать в космосе, не подвергаясь воздействию гравитационной силы близлежащих объектов?

Объекты на орбите притягиваются друг к другу, просто их масса настолько мала, что сила притяжения между ними бесконечно мала. Гравитационное ускорение зависит от массы и расстояния. В сценарии, когда астронавт весом 150 кг находится в 10 м от космического корабля "Шаттл" массой 80 000 кг, астронавт будет притягиваться к шаттлу со скоростью 5,336e-8 м/сек в квадрате. Это 0,00000005336 по сравнению с гравитацией на поверхности Земли, равной 9,8 м/сек в квадрате и ~ 8,7 м/сек в квадрате на орбитальной высоте 375 км. Другими словами, сила Земли, действующая на астронавта, была бы более чем в 160 миллионов раз сильнее, если бы она не уравновешивалась прямо противоположной центробежной силой из-за их орбитальной скорости 7682,5 м/с на той же орбитальной высоте.

Влияние Юпитера на космонавта (а также Шаттла и Землю) при сближении Земли и Юпитера составляет 3,2e-7 м/сек в квадрате, что в шесть раз больше, чем гравитационное притяжение Шаттла на космонавта, но все же очень мало.

Рассмотрим это уравнение гравитационного притяжения между двумя телами:

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

куда:

• $F$сила между массами;
• $G$гравитационная постоянная (6,674×10-11 ^Н · (м/кг) ² );
• $m1$первая масса;
• $m2$вторая масса;
• $r$это расстояние между центрами масс.

Итак, если мы скажем, что космонавт в скафандре ВКД имеет массу 150 кг, сама Международная космическая станция (МКС) имеет массу 390 000 кг , а расстояние между их центрами масс составляет 5 метров, то их гравитационное притяжение между они$1.042 × 10^{-6} \text{ m/s}^2$, или примерно одна десятимиллионная (1/10 000 000) стандартной гравитации на поверхности Земли ($9.80665 \text{ m/s}^2$).

Теперь ни космонавт, ни станция не являются точечными массами, поэтому при такой близости друг к другу их распределение масс будет играть главную роль, и мы должны это учитывать. Проблема в том, что у нас нет точного распределения массы станции, даже если мы пренебрегли собственной неравномерностью астронавтов, поскольку она в значительной степени не имеет значения из-за небольшой относительной массы станции. Но, поскольку у нас также нет угла астронавта к ней, я просто предполагаю однородную массу для станции длиной 100 м и 5 м в обхвате (r = 2,5 м), а положение астронавта касается станции и ортогонален ей. центр массы. Т.е. космонавт будет снаружи станции, где-то возле внешней фермы Узла 1 ;

В нашем случае (с некоторыми допущениями, облегчающими расчет) суммарная амплитуда вектора силы тяжести будет изменяться по косинусу относительно среднего угла к массе станции. То есть угол к центроиду каждой 50-метровой стороны. В нашем случае, используя мнемонику SOHCAHTOA , это будет 78,69°. Таким образом, наше ускорение до нашего однородного центра масс с заданными размерами и распределением будет$\text{cos}(78.69°) \cdot 1.042 × 10^{-6} \text{ m/s}^2$или же$2.04264874 × 10^{-7} \text{ m/s}^2$.

Это только$2.36349805 × 10^{-8}$раз (24 миллиардных) силы тяжести Земли на средней высоте орбиты МКС (большой полуоси)$\approx 8.64 \text{ m/s}^2$.

Так что не совсем ничего, но вы отрастите очень длинную бороду, ожидая какого-либо заметного изменения вашего положения относительно станции только из-за вашего взаимного гравитационного притяжения. Небольшая разница на вашей орбите относительно станции в сочетании с гравитационным градиентом по отношению к центру масс станции приведет к тому, что вы будете двигаться относительно нее гораздо быстрее, чем это, и мы по-прежнему называем это микрогравитационной средой (т. масштаб на весь его объем).

Кроме того, что важно, удаленные гравитационные возмущения, как и другие небесные тела, будут действовать на станцию ​​точно так же, как и на нашего астронавта ВКД, так что их положение относительно друг друга от этого не изменится. Могут быть и другие негравитационные возмущающие эффекты, такие как солнечный ветер, радиационное давление и экзосферное сопротивление, влияющие на движение станции несколько иначе, чем на движение нашего астронавта, но вопрос заключается не в этом.

Гравитация , по сути, является очень слабой силой, и для того, чтобы ее эффекты были заметны, требуется большая масса, без проведения чрезвычайно точных измерений (и отращивания длинной бороды). Если вы мне не верите, подумайте вот о чем: вы можете поднимать относительно тяжелые объекты с поверхности Земли, в то время как вся планета гравитационно притягивается к ним. И наоборот, возьмите два небольших редкоземельных магнита, соедините их друг с другом противоположными магнитными полюсами, и у вас снова возникнут большие проблемы с их разделением.

Не волнуйтесь, их привлекают другие объекты.

Единственная проблема в том, что притяжение смехотворно слабое, так что вы его не заметите.

Большинство старшеклассников, когда узнают о четырех силах, немного удивляются, что гравитация — самая слабая из них — она кажется такой сильной?

Ну, подумайте вот о чем: вам нужна гравитация целой планеты, чтобы вы это заметили. Планета — это очень большая и тяжелая вещь... не столько космическая станция или механизм.

Кроме того, как кто-то упомянул, магнетизм крошечного магнита может легко преодолеть гравитационное притяжение всей планеты.

Однако гравитация есть, и она существует даже между небольшими объектами. И это влияет на нас интересным, хотя и неожиданным образом.

Возьмем, к примеру, бассейн. Если вы попытаетесь сделать трюк, гравитация все испортит. Ну, обычно вы бы этого не заметили, но при 4-5 и более столкновениях вы попали в ловушку — вы не можете предсказать, куда полетит мяч после этого. Это не под силу даже профессионалу.

Причина в том, что гравитация влияет на траекторию мяча. Да, даже крошечная гравитация людей вокруг стола достаточно велика, чтобы невозможно было узнать, куда окажутся вещи после более чем пяти или около того отскоков :)

( Берри, М.В., 1988, «Электрон на краю Вселенной», стр. 44 )

Так что не думайте, что гравитация не действует между маленькими объектами!

Дуглас Адамс однажды сказал:

Космос большой. Действительно большой. Вы просто не поверите, насколько он огромен, огромен, ошеломляюще велик. Я имею в виду, вы можете подумать, что до аптеки далеко, но это пустяки в космосе.

Гравитация хорошо работает с очень массивными вещами. С вещами с малой массой это имеет очень незначительные эффекты.

Американский авианосец, плавающий рядом с линкором, испытывает притяжение между двумя массами, но даже тогда оно настолько мало, что не имеет значения. (О самых больших мобильных конструкциях на земле по массе, может больше весит нефтяной танкер). Уменьшите это до человека на МКС с довольно малой массой, и вы увидите, что да, они испытывают притяжение, но оно невероятно низкое.

Я только что понял, что проблема ВНУТРИ космической станции заключается в предельной скорости .

На Земле с гравитационным притяжением ~9,8 м/с ² конечная скорость человеческого тела составляет около 53 м/с или 195 км/ч.

Гравитационное притяжение между объектами на станции как минимум в миллиард раз меньше, равно как и конечная скорость (см. статью в Википедии о «свободном падении»). Конечная скорость на станции меньше 53 нм/с или 18 мм/час.

Вы можете сказать, что они планируют или даже летают, если эффективно взмахивают чем-то.

За пределами станции нет воздуха, конечная скорость не проблема.

Гравитация имеет тенденцию подкрадываться к вам. Представьте себе 150-килограммового астронавта в открытом космосе, который висит на 390-тонной космической станции примерно в 50 метрах от станции и, убаюканный красивым звездным пейзажем, засыпает. Так что же происходит?

Соответствующие уравнения.
Ускорение под действием силы тяжести
Масса МКС (350 000) * Гравитационная постоянная (6,674) * 1/(100 000 000 000) / (расстояние * расстояние)
Расстояние, пройденное при постоянном ускорении
Ускорение под действием силы тяжести * (время * время)/2 + начальная скорость * время

  
  слот время расстояние ускорение скорость
    1 0 50 .000 000 0093 0
    2 12 часов 42 .000 000 014 0.0004
    3 18 часов 29 .000 000 027 0.0007
    4 24 часа 10 000 000 29 0,0013

Таким образом, менее чем за 24 часа спящий человек оказывается в пределах 10 метров от станции и дрейфует в сторону станции со скоростью 1,3 мм в секунду. Просто по "слабой" гравитации. До станции еще 1,5 часа.

Прошу прощения, здесь поздно, и я только вычислил ускорение в каждом слоте, вместо непрерывного изменения. Фактические результаты позволили бы значительно сократить время преодоления дистанции как минимум на 25%.