Как космонавты поворачиваются в космосе?

Это видео, опубликованное на YouTube в Zero-G: «Движение в условиях микрогравитации: от Скайлэба к космическому шаттлу» 1988 года. Кадры невесомости НАСА , начиная с 2:10, показывают, как астронавт Скайлэб выполняет передний и спиральный бочки в орбитальной мастерской Скайлэб. не касаясь ничего, на что можно было бы надавить, чтобы изменить свою ориентацию. И то же видео с 5:45 до 6:00 показывает астронавтов, раскачивающихся из одного направления в другое по стойке смирно (забавное видео!):

Как вы увидите, астронавты проделывали всевозможные трюки в условиях невесомости и микрогравитации, вот одна из таких забавных фотографий:

    ^{Астронавт Джеральд П. Карр, командир миссии Skylab 4, в шутку демонстрирует силовые тренировки в условиях невесомости,
    балансируя на пальце астронавта Уильяма Р. Пога, пилота вверх ногами. (Источник: Викисклад )}

Я также часто видел, как астронавты Международной космической станции (МКС) использовали такое движение, чтобы изменить свою ориентацию на станции, например, просматривая прямую трансляцию космической станции или видеозаписи на YouTube , хотя в основном они сначала отталкивались от какой-либо поверхности, чтобы набрать скорость по направлению к следующему пункту назначения. Эти движения не будут сильно отличаться от того, что делают пловцы на повороте в бассейне, или, как упоминалось ранее, когда кошка падает и переориентируется, чтобы приземлиться на лапы. Для более прямой демонстрации, вот видео Smarter Every Day # 85 о том, как астронавты поворачиваются в космосе от марта 2013 года, где экипаж МКС демонстрирует изменение ориентации, ничего не касаясь и, конечно, сохраняя угловой момент:

Тем не менее, во время внекорабельной деятельности (EVA) я сомневаюсь, что им нужны такие трюки или что их будет легко выполнить после того, как они наденут свое снаряжение для выхода в открытый космос с мобильными модулями (последний из них - упрощенная помощь для спасения в открытом космосе или БЕЗОПАСНЕЕ) несколько ухудшив их способность так менять ориентацию, запрещая свободное сгибание тела, но в то же время делая их ненужными, так как изменение ориентации может быть обеспечено самой единицей подвижности, если нет какой-либо поверхности, на которую можно было бы упираться .

Астронавты теперь также привязаны к космической станции и используют предохранительные захваты, установленные на внешнем корпусе станции, во время выхода в открытый космос, поэтому такое движение не только будет обременительным из-за их скафандра для выхода в открытый космос, но и может привести к тому, что астронавт запутается в тросе. Еще кое-что о силовых установках и подвижных устройствах космонавтов описано во второй половине этого ответа .

   ^{Астронавт Рик Мастраккио работает с подключенной системой SAFER. (Источник: Википедия по БЕЗОПАСНОСТИ: Упрощенная помощь для спасения в открытом космосе )}

На самой МКС астронавты используют опоры, чтобы зафиксироваться на рабочем месте, чтобы их собственные движения тела не перемещали их постоянно, и они отталкиваются от всевозможных поверхностей ногами и руками (а иногда, ради развлечения, даже кончиками пальцев). их волосы, как, я думаю, Сунита Уильямс сделала первой), чтобы пройти через станцию. В качестве некоторых примеров я рекомендую посмотреть какой-нибудь видеотур по МКС, как, например , этот тур Суниты Уильямс или тур по МКС Андре Кейперса . Опорные точки также будут использоваться Робонавтом 2 , как только он получит свои ноги, что, я полагаю, должно произойти в этом месяце или самое позднее в январе 2014 года.

   ^{Одна из опор на Международной космической станции. (Источник: Призрак в машине на смотровой площадке )}

Хотя это действительно «сработало до дыр» на сайте Physics и других сайтах SE, ради исследования космоса стоит взглянуть на интересную историю, стоящую за анализом падающего кота. Ибо полностью строгое описание кошачьего рефлекса выпрямления — полностью соответствующее закону сохранения углового момента — появилось только потому, что оно было вызвано именно исследованиями, проведенными в конце 1950-х и начале 1960-х годов, по изучению того, как человеческое тело взаимодействует с окружающей средой. он встретился в космосе .

Главным исследователем здесь был профессор Томас Кейн, который

1. Найдены правильные теоретические уравнения, описывающие изменение ориентации кошки в ответ на ее «изменение формы» во время восстанавливающего рефлекса;
2. Экспериментально было показано, что люди могут при некоторой тренировке совершать рефлекторные движения выпрямления и переворачиваться точно так же, как кошка .

Основная ссылка здесь:

Т. Р. Кейн и М. П. Шер, «Динамическое объяснение феномена падающей кошки», Int. J. Solids and Structures, 5, стр. 663-670, 1969 г.

Действительно, Томас Кейн обучал людей делать это в 1968 году в скафандрах Аполлона, как показано ниже.

Последовательность падающей слева кошки была взята из работы физиолога Этьена-Жюля Маре (1830-1904) (известного разработкой движущейся фотографии для изучения высокоскоростных движений); тот, что справа, был сделан во время экспериментов Томаса Кейна в 1968 году с батутистом в скафандре, похожем на Аполлон. Этьен-Жюль Марей был физиологом, который провел небольшое серьезное исследование рефлекса выпрямления кошек до того, как космическое пространство подтолкнуло к исследованиям Томаса Кейна. Марей, в отличие от многих своих современников, ясно понимал, что движение кошки происходит без крутящего момента (см. сноску), и действительно использовал свои фотографии, чтобы исключить общепринятую теорию о том, что кошка отталкивается от того, с чего падает. Коллаж взят с

Алексис К. Мадригал, «Видео: вывод физики падения кошек», The Atlantic Magazine, 9 сентября 2011 г.

Теперь, чтобы прояснить некоторые популярные заблуждения о кошачьем рефлексе выпрямления, особенно применительно к астронавтам.

Как показали эксперименты Томаса Кейна, переворачивание не особенно обременительно или неуклюже для людей. Это очень похоже на движение обруча. Итак, мои навыки CGI - дерьмо - это лучшая анимация кота, которую я могу сделать с базовыми телами в Mathematica, но это движение перевернет вас в пространстве, будь вы кошкой или человеком, с хвостом или без него.

Единственные различия между кошкой и человеком в этом движении заключаются в том, что (1) позвоночник кошки намного более гибкий, чем наш, так что кошка может сделать переворот за меньшее количество циклов «хула-хуп» и (2) исключительная чувствительность кошачьего позвоночника. вестибулярный аппарат и молниеносные рефлексы по сравнению с нашими. Пункт (2) не имеет значения, когда человек совершает запланированное вращение в состоянии свободного падения (без гравитации) в пространстве, а не переворачивается за ограниченное время при падении.

Еще одно распространенное заблуждение состоит в том, что кошке нужен хвост, чтобы переворачиваться: это неверно, как показали эксперименты Томаса Кейна, показавшие, что бесхвостые люди могут совершать выравнивающее движение. Действительно, у наших домашних кошек хвост практически не используется для рефлекса. Я привожу здесь веские доказательства собственных наблюдений: моя собственная кошка стала бесхвостой с тех пор, как ее сбила машина в 2004 году, и ей без труда удается выпрямиться, когда она падает с предметов, что она часто делает из-за своего несколько неуклюжего характера. – обычно, когда она засыпает, слишком низко свесив голову с края нашей кровати. Несмотря на то, что ей двенадцать лет, ей удается встать и сделать восстанавливающий рефлекс за то время, которое требуется ей, чтобы упасть на землю примерно на 40 см с нашей кровати. Более того, сразу после того, как она попала в аварию, Я видел, как она вырабатывала восстанавливающий рефлекс, засыпая таким образом, когда она едва поправилась, чтобы нормально ходить. Так что, казалось бы, ей нужно совсем немного «переобучиться», чтобы приспособиться к ее новому отсутствию хвоста. Это также вытекает из теоретического анализа, как я показываю в своей статье, цитируемой ниже. Действительно, анализ приведенного ниже видео из Википедии, показывающего сложение равнобедренного треугольника двух векторов углового момента, действителен только для «симметричной» кошки (из-за равнобедренной формы диаграммы сложения векторов) без хвоста (т . е . кошка, задняя половина которой имеет тот же тензор инерции относительно начала координат, что и передняя половина).

(Источник: страница Википедии «Рефлекс восстановления кошки» )

У некоторых диких кошек, особенно у азиатского дымчатого леопарда и азиатской мраморной кошки, огромные хвосты больше похожи на дубину, чем на изящный, тонкий (с очень малым моментом инерции массы) хвост домашней кошки (Felis Sylvestris), и это действительно очень во многом используется для управления ориентацией животного в пространстве, но хвост позволяет животному свободно переориентироваться по всем трем осям , т . е. оно может наклоняться и рыскать, а также перекатываться в значительной степени по желанию — в отличие от простого переворачивания в рефлексе выпрямления кошки, что по существу представляет собой движение по одной оси. Это полезная способность для хищников, живущих на деревьях, поскольку они прыгают с дерева на дерево, а также прицельно бомбят свою добычу.

Гораздо подробнее обо всем этом я рассказываю в своей статье (в том числе анализ «симметричных» (бесхвостых) кошек на моем сайте:

«О кошках и их самом прекрасном восстанавливающем рефлексе»

Сноска: первоисточником исследований Марея 1894 г. является следующее:

Этьен-Жюль Марей, «Des Mouvements que sures animaux exécutent pour retomber sur leurs pieds, lorsqu'ils sont précipités d'un lieu élevé», La Nature, 1119, 10 ноября 1894 г.

Ближе к концу этой статьи он делает следующее окончательное заявление (перевод мой, так что извиняюсь перед франкоговорящими): « Прежде всего, рассмотрение этих фигур [фотографий падающих кошек] исключает представление о том, что животное сообщает вращательное движение на себя, упираясь в руки экспериментатора.[Этот вывод следует] потому, что первые кадры двух серий [фотографий падающей кошки] показывают, что в первые мгновения своего падения кошка еще не имеет склонности поворачиваться ни с одной стороны, ни с другой. Его вращение только начинается с закручивания его талии » .

Сохранение углового момента было бы применимо, если бы астронавт был неподвижным стержнем. Какими они могут быть в первом приближении.

Однако, поскольку они могут вращать свое тело, подобно тому, как падающая кошка может вращаться, чтобы приземлиться на лапы, они могут вращать свою верхнюю половину, пытаясь удерживать нижнюю половину неподвижно, и когда они захватывают какую-то неподвижную точку, затем высвобождают импульс. к нижней половине.

И если они никогда не снимают ничего стационарного, то все крутилки в мире просто свистят по ветру. Это, конечно, внутри автомобиля. Если они снаружи, то это свист в вакууме.

Находясь вне автомобиля, они ВСЕГДА к чему-то привязаны. ( MMU на одном или двух рейсах челнока являются исключениями, которые составляют правило. Их перестали использовать после нескольких использований). Отпустить — ужасно плохая идея во время выхода в открытый космос. Они также обрезаются через кабель. ( Они носят БЕЗОПАСНУЮ капсулу , которая малоэффективна, детские MMU для экстренной помощи возвращаются обратно, если они действительно отключились).