Суть в том, что космический корабль — замкнутая система, а автомобиль — нет.

Учтите, что для сохранения импульса нам нужно передать чему-то другому тот же импульс, который был у нашего замедляющегося объекта раньше.

• В случае космического корабля это требует выброса чего-либо в направлении, противоположном направлению движения. Нам нужно вложить энергию, чтобы сделать это.
• В случае с автомобилем мы все время были связаны с дорогой, и из-за этого трения нам нужно постоянно подавать энергию, чтобы не замедляться. Итак, наши колеса вращаются, и из-за связи с дорожным трением мы замедляемся, что делают электрические автомобили, так это добавляют дополнительную силу сопротивления вращению колес (которая необходима для продолжения движения) и используют полученную энергию. из этого.

Итак, поскольку космическим кораблям не требуется дополнительная тяга для поддержания постоянной скорости, у нас нет процесса, из которого можно было бы похитить энергию. Если бы вы могли создать силу сопротивления на космическом корабле, вы могли бы восстановить часть энергии, но она должна была бы находиться вне космического корабля (например, магнитное поле, испускаемое рядом космических станций).

Вы должны двигаться относительно чего-то другого, чему вы можете передать энергию.

В существующих ответах есть одно конкретное упущение, которое я хотел бы исправить.

Дело в том, что существует особый контекст, в котором вы можете решить задачу, дающую положительный ответ на вопрос с очень небольшими реальными усилиями. В этой системе отсчета кажется, что путешествующий космический корабль сначала находится в состоянии покоя, а затем начинает двигаться назад.

Система отсчета

Современная физика обычно признает, что вы можете делать одну и ту же физику в куче различных систем отсчета , которые связаны какой-то группой преобразований . Вы можете выбрать любую рамку, которая вам нравится, все они дают одинаковую физику. В классической физике это делается преобразованием Галилея

Поскольку мы говорим о космическом корабле, вы можете задаться вопросом, не будут ли странные правила относительности противоречить этому объяснению, но на самом деле это не так. На самом деле, для малых изменений скорости специальная теория относительности лишь незначительно меняет это: вместо этого преобразования Галилея мы должны вместо этого использовать

Наша особая система отсчета

В любом случае, суть в том, что все законы физики совершенно справедливы в системе отсчета, которая движется вместе с космическим кораблем, когда он движется с крейсерской скоростью, и они совершенно справедливы в системе отсчета, которая движется вместе с автомобилем. И законы, которые нас интересуют, — это законы сохранения энергии и импульса.

Теперь подумайте о том, как выглядит «торможение» в этой системе отсчета: это похоже на то, что космический корабль/автомобиль, который находился в покое, теперь начинает двигаться назад. Таким образом, он получает кинетическую энергию там, где раньше ее не было, и набирает скорость там, где ее раньше не было.

Но что утверждают законы сохранения? Они заявляют, что в этой системе отсчета что-то может тормозиться (получать отрицательный импульс), только заставляя другие объекты двигаться «больше вперед», чем они двигались раньше (получать положительный импульс). Обычный способ сделать это — запустить ракетный двигатель вперед: он берет ракетное топливо, которое «не двигалось», и толкает его «вперед», и это всегда будет стоить энергии: теперь у вас есть два движущихся объекта (ваш космический корабль, отработавший топлива), движущихся навстречу друг другу с некоторой кинетической энергией. В нашей специальной системе отсчета мы видим, что это требует затрат энергии: сначала у нас нулевая кинетическая энергия, затем у нас ненулевая кинетическая энергия.

Но если вы замедляетесь в атмосфере или тормозите против дороги, в этой системе отсчета это выглядит немного по-другому. В этой системе отсчета это означает, что есть что-то (скажем, оно имеет массу$M$, хотя конечно это идеализация дороги или атмосферы) идущей к вам со скоростью$-\vec v$, и вы собираетесь схватить его или, возможно, (как с солнечными парусами) оттолкнуть его от себя, чтобы получить импульс в$-\vec v$направление.

Если вы задумаетесь об этом на секунду, то поймете, что не обязательно уверены, где кончается энергия. Эта большая вещь$M$будет двигаться назад медленнее, скажем, со скоростью$-v'$и твой маленький космический корабль/машина$m$будет двигаться назад быстрее, скажем, со скоростью$-u$. С$v' < v$не ясно ли$\frac 12 M (v')^2 + \frac 12 m u^2$будет больше или меньше, чем$\frac 12 M v^2$, что соответствует либо требованию вашего ввода энергии, либо позволяет вам откачивать часть энергии и «регенеративно тормозить». Итак, выведем условие.

Некоторые формулы

Итак, наша машина/космический корабль имеет массу$m$и стартует со скоростью$0$и это заканчивается со скоростью$-u$, а объект, с которым он взаимодействует, имеет скорость$-v$и масса$M$, и заканчивается со скоростью$-v'.$Закон сохранения импульса говорит, что$M v' + m u = M v,$чтобы$v' = v - \frac mM u.$Результирующее изменение кинетической энергии равно

Итак: из сопутствующей системы отсчета мы видим, что да , регенерация энергии возможна, но только если вы замедлите (на какую-то крошечную долю) какой-то массивный объект, движущийся в пространстве. Вы также можете увидеть, как этот принцип применяется, например, в гравитационных рогатках: чтобы выполнить гравитационную помощь, вы хотите пройти за планетой, когда она следует по своей орбите вокруг Солнца; это означает, что ваша гравитация будет притягивать эту планету назад , и соответствующее гравитационное притяжение на вас даст вам гораздо больше кинетической энергии. Если вы попытались получить гравитационную помощь, идущую впередипланеты (опять же, с точки зрения направления, в котором она движется по своей орбите), вы обнаружите, что покидаете ее с гораздо меньшей скоростью, чем при входе.

Технически, если бы космический корабль мог найти что-то, против чего можно было бы затормозить, он мог бы восстановить некоторую энергию. Вам понадобится тормозная система, разработанная для использования сопротивления или сопротивления везде, где вы можете его найти. Может быть, в атмосфере планеты или гравитации каким-то образом, или даже в большом приспособлении, предназначенном для того, чтобы поймать космический корабль и извлечь из процесса энергию. Вы можете продолжать и продолжать. На каждое действие есть противоположное действие.

Ведутся работы над системами, которые могли бы компенсировать энергию замедления космического корабля. Вот две основные идеи.

Один из них называется электродинамическим тросом. Для этого требуется магнитное поле и очень длинный провод. Поле и провод действуют как генератор/двигатель и способны превращать механическую энергию в электрическую и наоборот.

Другая идея — импульсный обменный трос . Здесь капсула может быть привязана к другому кораблю (корабль, вероятно, будет намного массивнее капсулы), и оба они будут вращаться вокруг своего общего центра масс. Когда капсула высвобождается, кинетическая энергия вращения меняется на кинетическую энергию поступательного движения, и капсула выбрасывается на новую орбиту. Затем он может быть захвачен аналогичным кораблем в конце своего путешествия, а когда потребуется обратный путь, снова выпущен, чтобы быть выброшенным на орбиту, с которой он пришел.

Чтобы затормозить автомобиль и выработать из него энергию, у вас есть две взаимодействующие системы: приводной вал автомобиля и электрический генератор. Линейная кинетическая энергия автомобиля преобразуется во вращательную кинетическую энергию вала за счет трения между колесами и полом.

Конфигурация на космическом корабле другая: у вас нет ничего похожего на пол, который мог бы преобразовывать линейную кинетическую энергию космического корабля во вращательную кинетическую энергию, которая могла бы вращать ваш электрогенератор. Чтобы затормозить космический корабль, вы должны выбросить из него материю, и эта материя уйдет вместе с энергией, которую вы использовали для ее ускорения.

Электромобиль с двигателем постоянного тока может замедлить себя за счет рекуперативного торможения , при котором напряжение, подаваемое на двигатель, снижается до значения, меньшего, чем противо-ЭДС Eb. Ток и крутящий момент якоря меняются местами, якорь замедляется, скорость падает, а двигатель действует как генератор постоянного тока, питаемый инерцией вращающихся колес автомобиля. Затем мощность может быть сохранена в аккумуляторе для использования в будущем.

Космический корабль не движется за счет вращения колес или вращающейся арматуры. Если космический корабль замедляется, процесс должен включать обратную тягу, а не изменение направления тока. Тяга создается выбросом вещества из космического корабля, что является необратимым процессом, как указывает Толивейра в своем ответе.

Вы как будто сравниваете яблоки и кирпичи. Космический корабль может и ДЕЙСТВИТЕЛЬНО получать энергию от торможения, но это бесполезно. Преимущество автомобиля в том, что он работает на энергии, которую мы знаем, как генерировать в процессе торможения.

Космические корабли не работают на электричестве. Они также не работают на тепле, что является наиболее очевидным приростом энергии, если вы посмотрите на наше нынешнее состояние космических полетов. Если бы мы могли превратить это тепло в большее количество ракетного топлива, у вас был бы эквивалент, но мы не можем.

Есть много способов получить энергию во время торможения или входа в атмосферу космического корабля, но мы не можем превратить эту энергию в ракетное топливо. Для этого нам нужно было бы создавать материю из энергии, но пока мы знаем только, как превратить материю в энергию. А не наоборот.

Поразмыслив над этим еще немного, вы могли бы разбить его на: Нужен ли вам внешний объект с разной скоростью (дорога для автомобиля, врезающийся в атмосферу как космический корабль) для преобразования кинетической энергии в другую форму. Каков основной принцип этого факта?

Инерция. Объект в движении будет оставаться в движении, будет оставаться в движении, если на него не воздействует внешняя сила. Для автомобиля «внешняя сила» — это трение воздуха о кузов и дороги о колеса. Вместо того, чтобы превращать эту энергию в тепло с помощью обычных тормозов, рекуперативное торможение превращает ее в энергию, используя колеса для вращения электрического генератора, который замедляет колеса, тянущиеся по дороге.

Для космического корабля в идеализированном вакууме такой внешней силы нет... но на самом деле она есть. Например, космический корабль на орбите вокруг тела с сильным магнитным полем может использовать свое движение через это поле для выработки энергии с помощью электрического генератора. Это также окажет тормозной эффект и понизит его орбиту.

Вакуумы не идеальны даже в открытом космосе . Космический корабль обычно движется через какой-то очень тонкий газ и солнечный ветер . Они могут использовать эту среду для торможения, как автомобиль тормозит против дороги, только очень, очень, очень, очень медленно. Например, предположим, что наш космический корабль движется со скоростью 10 км/с относительно среды.

     ==>                           . . . . .
   10km/s -->                       0 km/s

Или, если мы используем космический корабль в качестве точки отсчета.

     ==>                           . . . . .
    0 km/s                        <-- 10 km/s

Все эти частицы летят на космический корабль со скоростью 10 км/с. Их отскок от корпуса космического корабля будет прикладывать небольшую «тормозную» силу в зависимости от их общего импульса. Это очень мало, но со временем будет увеличиваться. Но помните, торможение — это ускорение. Итак, в этой системе отсчета «торможение» — это ускорение в направлении среды.

      ==>                           . . . . .
<-- 0.000001 km/s                  <-- 10 km/s

Если бы вместо этого космический корабль захватывал эти частицы и использовал их для вращения генератора, они получали бы как электричество, так и реактивную массу, а также торможение.

Площадь поверхности обычного космического корабля слишком мала, а среда слишком тонкая, чтобы его можно было использовать в качестве значительного источника энергии или тяги (если только вы не находитесь на НОО, где сопротивление имеет большое значение). Но расширьте свою поверхность, и у вас будет солнечный парус . Объедините их вместе, используя электромагнитные поля для сбора межзвездной среды, и вы получите прямоточный воздушно- реактивный двигатель Бассара .

Подумайте об импульсе в двух ситуациях. В любой замкнутой системе должен сохраняться импульс. Когда вы разгоняете машину, вы толкаете Землю в противоположном направлении с точно таким же импульсом. Когда вы хотите замедлиться (что опять-таки является ускорением, только в направлении, противоположном движению), вы снова толкаете Землю, и она будет ускоряться в противоположном направлении. Так как Земля намного массивнее автомобиля, ускорение на Земле крошечное, что облегчает отталкивание Земли (сравните прыжки на бетоне с прыжками на кусочке пенопласта - бетон почти не поддается, что дает вам много рычагов).

Торможение и ускорение в этом случае симметричны — при ускорении вы заставляете машину двигаться быстрее относительно земли, при торможении — медленнее относительно земли. Замедление быстрого объекта на медленном позволяет вам извлечь полезную работу, почти так же, как вы можете извлечь работу, скажем, из интерфейса между высокотемпературным и низкотемпературным объектом или системой высокого и низкого давления.

Но это не относится к космическому кораблю в открытом космосе (т.е. где мы можем спокойно игнорировать гравитацию, космическую пыль и т.д.). Нет простого способа «оттолкнуть» что-либо в космосе — поэтому вы несете свою собственную «толкающую массу». Импульс все еще сохраняется - если вы посмотрите из системы отсчета, в которой исходный космический корабль неподвижен, ускорение заставит вас увидеть космический корабль, движущийся в одном направлении с заданным импульсом, а топливо (масса, которую вы отбрасываете назад) будет иметь точно такое же значение. противоположный импульс. Вместе общий импульс по-прежнему равен нулю, но относительно неподвижной точки обе массы получили ускорение, и у обеих есть собственный импульс. Вот как мы можем добраться до других планет, несмотря на то, что у нас нет дорог, чтобы оттолкнуться - это'

А теперь представьте, что должно было бы произойти, если бы вы тормозили, как автомобиль. Вам каким-то образом нужно будет вернуть уже выброшенное топливо — представьте себе что-то вроде двух шаров, соединенных нитью. Когда струна натягивается, шарики «откатываются», направление их движения меняется на противоположное, и в какой-то момент они сталкиваются; если вы будете достаточно осторожны, вы можете ускорить один мяч, бросив другой мяч в противоположном направлении, и когда нить закончится, они снова остановятся. Проблема в том, что точно так же, как сохраняется импульс, сохраняется и центр масс — где-то между двумя шарами центр масс находится точно в том же положении, что и до ускорения и последующего замедления (точнее, там, где он должен был бы находиться). было, если бы вы не ускорились в первую очередь, пока мы можем предположить вмешательство, например, в атмосферу или гравитационное поле и т. д.). Единственная причина, по которой ракеты могут двигаться в космосе, заключается в том, что топливобольше не связан с ракетой.

Если бы у вас была волшебная нить, которая позволяла бы вам соединить вашу ракету с топливом и оттянуть его назад, вы могли бы затормозить ракету «бесплатно». Но вы также вернете ракету туда , откуда она стартовала. Имейте в виду, что в планетарной системе это все еще можно было бы использовать для транспортировки, и это было бы революцией в космических полетах — вы бы использовали гравитационные маневры с вашей целевой планетой, чтобы украсть часть ее импульса, что позволило бы вам притягивать топливо назад с большим «рычагом». Но у нас нет ни такой волшебной нити, ни другого способа перемещаться в свободном пространстве.

Однако у нас есть несколько хитростей. Аэродинамическое торможение и гравитационная помощь — это способы обмена импульсом с планетами (и другими массивными телами), и поэтому они сильно отличаются от самого ракетного двигателя. Импульс снова сохраняется — каждый такой «толчок» изменяет характеристики движения рассматриваемого тела; он может замедлить свою орбиту или ускорить ее, замедлить или ускорить ее вращение. Но так как мы снова имеем дело с объектами гораздо более массивными, чем ваш космический корабль, мы вернулись к «по сути свободным». И действительно, мы широко используем эти маневры — наши возможности настолько ограничены, что мы едва ли можем позволить себе не делать этого. Помните те жестокие видеоролики о входе в атмосферу космического челнока и подобных кораблей? Огромные скорости, огромные температуры, огромная нагрузка на космический корабль? Они необходимы только потому, что у нас нет достаточно эффективных двигателей для космических кораблей. Если бы у нас были ракетные двигатели, которые использовали бы половину массы ракетного топлива/топлива для того же самого импульса, космический полет стал бы намного проще, и мы могли бы легко избежать опасного повторного входа в атмосферу с существующими космическими кораблями (хотя, возможно, мы просто построили бы меньшие по размеру космические корабли). космические корабли, чтобы сделать то же самое).

Ладно, если нам есть что оттолкнуть, мы можемвосстановить энергию. В самом деле, мы можем даже восстановить больше энергии, чем мы использовали первоначально, если мы просто используем правильные траектории между правильными массивными телами! Но мало что можно сделать с этой энергией. У нас есть двигательные установки космических кораблей, работающие на электричестве (им все еще нужно топливо, просто им требуется гораздо меньшая масса для такого же изменения скорости); но те питаются либо от солнечных батарей, либо от РИТЭГов - им не выгодно рекуперировать энергию, даже если бы это было практически возможно. С нашей технологией энергия не является самой большой проблемой, а топливо. Пока мы продолжаем выбрасывать массу из задней части ракеты для изменения скорости, нам нужен какой-то способ вернуть эту массу. Кинетическая энергия космического корабля ничтожно мала по сравнению с массой энергии топлива.квадрат скорости), и тем меньше тяга. Большую часть энергии нельзя рекуперировать, поскольку она находится в топливе, а не в вашем космическом корабле, и чем эффективнее ваш двигатель, тем больше энергии содержится в топливе, а не в космическом корабле. Таким образом, системы, которые получат наибольшую выгоду от рекуперации энергии, также нуждаются в гораздо большем количестве энергии.

Святым Граалем космических полетов было бы волшебное устройство, позволяющее оттолкнуть любой объект с такой силой, с какой вы хотите. Это сделало бы космический полет почти таким же легким, как вождение автомобиля. Хотите ускориться? Оттолкнитесь от планеты, которую вы покидаете. Замедлять? Восстановите энергию, оттолкнувшись от целевой планеты. Он будет работать так же, как электрический двигатель в вашем автомобиле! К сожалению, у нас мало оснований полагать, что мы когда-нибудь сможем сделать такое устройство; технически это не невозможно в теории, но мы не знаем ни одного адекватного механизма. Можно представить себе некую орбитальную инфраструктуру, которая позволила бы нам обмениваться импульсом планет с космическими кораблями, перебрасываемыми с одной планеты на другую, но, конечно, не для независимых космических кораблей, волей-неволей мчащихся по системе.

Одним из ключевых принципов, лежащих в основе этого, является обратимость процессов.

Обратимость связана с энтропией: обратимый процесс не увеличивает энтропию, а процесс, увеличивающий энтропию, необратим.

Процессы рекуперативного торможения обратимы:

• Электрическая энергия может быть преобразована в кинетическую с помощью электродвигателя и наоборот.
• Химическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию в батарее и наоборот, если батарея является перезаряжаемой.

Оба процесса связаны с потерями, создающими некоторую энтропию, но в качестве эффектов второго порядка, таких как сопротивление, не являющихся фундаментальными для процесса.

Процессы, происходящие в ракетной технике, являются необратимыми, энтропийными процессами:

• Химическая энергия преобразуется в тепло посредством горения - по второму закону термодинамики это необратимый процесс, увеличивающий энтропию
• Эта тепловая энергия используется для выделения реакционной массы. Преобразование организованного состояния вещества в топливном баке в неорганизованный выхлопной шлейф снова является увеличением энтропии и необратимо.

(Строго говоря, вы МОЖЕТЕ обратить вспять оба процесса, но только за счет приложения дополнительной энергии, дальнейшего увеличения общей энтропии, что сводит на нет точку рекуперативного торможения).

Так что для рекуперативного торможения космического корабля нужно отказаться от ракетной техники и найти обратимые процессы, которые можно применить к проблеме. Возможно взаимодействие с внешним магнитным полем или солнечным потоком — как предполагает ведущий в настоящее время ответ, это означает, что космический корабль перестает быть закрытой системой.

Маленькие спутники (такие как кубсаты) уже взаимодействуют с магнитными полями Земли, чтобы вращаться, раскручиваться и ориентироваться с помощью магнитоусилителей . Они в принципе обратимы - хотя поле настолько слабое, а сопротивление обмотки настолько велико, что генерируемая энергия незначительна. Возможно, сверхпроводящие магниторегуляторы могли бы генерировать некоторую энергию.

Другой пример: возможен отплыв от одного солнца, ускорение до скорости его солнечного ветра и прыжки с парашютом к другому.

Я предполагаю, что рекуперативное торможение космического корабля действительно возможно, и средствами, подобными автомобильным. Линейному импульсу транспортного средства противостоит приток энергии, забираемой из углового момента тормозной системы. Решение, нести круговую дорогу/кольцо в космос вместе с кораблем. Важно не то, что дорога не прикреплена к планете, а то, что она имеет достаточный угловой момент и достаточное время для передачи энергии. Практично ли это - другой вопрос.

Рекуперативное торможение — это не бесплатный обед. Энергия для остановки в конечном итоге исходит от топлива, используемого для ускорения. Будь то автомобиль или космический корабль, при запуске транспортное средство преобразует химическую энергию в кинетическую энергию. Транспортное средство несет с собой эту кинетическую энергию.
Транспортное средство также должно нести с собой оборудование, чтобы соединяться с кинетической энергией и изменять ее направление или форму.
В конце пути «трение» между этим вращающимся механизмом и невращающимся транспортным средством, которое было слабым и непрерывным, внезапно увеличивается, вызывая перенаправление кинетической энергии.

Космический корабль, который я себе представляю, имеет взлетные ракеты, установленные на одном или нескольких больших концентрических кольцах, которые могут свободно вращаться относительно фюзеляжа корабля, а также скользить по длине фюзеляжа. Ракеты расположены под небольшим углом, так что при взлете одновременно возникают подъемная сила и вращение. Эти вращающиеся кольца можно было бы использовать для создания искусственной гравитации, но такое использование ограничивает практическую угловую скорость, доступную для торможения. Трение кольца о фюзеляж должно быть достаточно низким, чтобы оно продолжало вращаться в конце пути. Если внешняя часть фюзеляжа состоит из спиральной наклонной плоскости (винтовой резьбы), то разрывной штифт, выходящий из кольца в резьбу фюзеляжа, внезапно заденет резьбу и толкнет фюзеляж назад по отношению к кольцам. когда кольцо достигает конца фюзеляжа, происходит удар. Втягивание штифта, передача части импульса заднего фюзеляжа кольцу, некоторое замедление всего корабля и сброс относительного положения вращающихся колец и фюзеляжа, готовый к следующему рывку. Операция аналогична работе перфоратора в увеличенном масштабе. Возможно, не приятно, но теоретически правдоподобно.