Почему материал для космических лифтов должен быть очень прочным?

Если платформа космического лифта (самая вершина) вращается вокруг планеты по геосинхронной орбите, разве силы на «веревке» лифта не будут минимальными?

Только вершина находится на геостационарной орбите. Это не должно быть слишком удивительным, поскольку для данной точки существует только одна геосинхронная орбита — вся «веревка» ниже или выше этой обязательно не находится на геостационарной орбите и будет перетаскиваться, что вводит/требует натяжения на кабель. Не говоря уже о том, что сила ветра сама по себе намного превышает любые материалы, которые мы можем производить в настоящее время, когда я последний раз проверял :)
@Luaan Верх должен быть выше геостационарной орбиты (хотя, используя противовес, вы можете не ставить его слишком далеко выше), чтобы снять натяжение с внутренней части кабеля. В большинстве научно-фантастических схем станцию ​​ставят на геосинхронной высоте, и кабель там имеет максимальную толщину, но кабель должен выходить за ее пределы.
@dmckee Да, это изображение я тоже вижу. Противовес — это дешевый способ сделать все устойчивым (некоторые работы кладут камень на конец, чтобы сделать кабель короче, но на самом деле это не так уж важно), и он дает вам хороший способ повысить скорость ваших космических кораблей. выход.

Ответы (5)

Дополнение к другим ответам; Вы правы в том, что результирующая сила на тросе будет минимальной, поскольку вращение противовеса будет противодействовать силе тяжести. Но отдельные компоненты этой чистой силы распределяются неравномерно.

Рассмотрим, скажем, первый километр троса от земли. Это притягивается гравитацией и «поддерживается» противовесом, но противовес находится на много-много километров дальше, тогда как гравитация возникает прямо там. Итак, остальная часть троса «растягивается» этими двумя силами.

(Между прочим, противовес в верхней части троса будет намного выше, чем «геосинхронная орбита» была бы для обычного спутника. Вместо этого центр тяжести всей системы противовеса-троса будет находиться на высоте геостационарной орбиты, или немного дальше.)

Исправление: центр тяжести всей системы должен находиться на геостационарной высоте, что означает, что центр масс должен находиться далеко за геостационарной высотой. Космический лифт одинаковой толщины и без противовеса должен был бы достигать примерно 6-кратной геосинхронной высоты, чтобы центр тяжести находился на геостационарной высоте.
@DavidHammen Хороший вопрос! В моей голове центр масс и центр тяжести означали одно и то же, но я не трачу много времени на размышления о физике космических лифтов. Отредактировано соответствующим образом.
Отличный ответ. Лично я не совсем понимаю, как (и где) можно было бы использовать противовес в этом случае. Это упоминалось в комментариях, но не OP. Не могли бы вы объяснить это подробнее или, может быть, сделать дешевый рисунок краской? Я понимаю, что это граница задавать новый вопрос...
@Marc.2377 Marc.2377 Самый простой способ понять, зачем нужен противовес, — это представить себе строительство лифта, отматывая его от геостационарной станции. Когда вы «опускаете» кабель гонга, центр тяжести всего этого устройства смещается внутрь, что приводит к более быстрой орбите , если вы также не «опускаете» вторую массу, чтобы сбалансировать вещи. В качестве бонуса вы получаете приливную стабилизацию ориентации конструкции. Используя тяжелую массу, исходящий конец может быть относительно коротким, или вы можете сделать его длинным и получить «бесплатный» межпланетный толчок, взобравшись на дальний конец и отпустив его.

Сила на веревке возникает из-за веса веревки. Вы можете себе представить, что веревка длиной 36 000 км весит очень много.

конкретно к вопросу: самый верх может быть на геостационарной орбите, а веревка - нет.
А поскольку для того, чтобы лифт находился на орбите и был устойчив относительно земной поверхности, его центр масс должен находиться на ГСО, таким образом, это гораздо более длинная веревка.

Представьте, что вы строите кучу грязи. В течение короткого периода времени он может торчать прямо вверх, но в конце концов он упадет, образуя что-то вроде пирамиды. У каждого материала есть количество, при котором вы можете строить из него и не дать ему разрушиться. Переход к пирамидальной форме отчасти помогает, но не решает всего. В частности, важна разрывная длина , которую можно определить как максимальный вес вертикальной конструкции равной площади, которую можно поддерживать для данного материала. Если материал может выдержать 5000-километровую вертикальную башню (при измерении на уровне моря), он достаточно прочен, чтобы использовать его для строительства космического лифта.

Вы, кажется, говорите о сжатии , в то время как концепция космического лифта включает трос, важнейшим свойством которого является его прочность на растяжение .
Комментарий @PeterA.Schneider довольно острый (вызывающий острое чувство печали или сожаления). Можете ли вы добавить что-нибудь, чтобы помочь понять, как/почему аргумент сжатия о куче грязи на земле действительно применим к космическому тросу?
@uhoh, не жалею ;-)... см. merriam-webster.com/dictionary/poignant

Космический элактор работает, уравновешивая гравитацию с центробежной силой.

По мере удаления от центра Земли (который является одновременно центром тяжести и центром вращения) гравитация уменьшается, а центробежная сила увеличивается.

Каждому сегменту «веревки» можно присвоить «эффективный вес», состоящий из веса минус центробежная сила (и вес, и центробежная сила пропорциональны массе). Для сегментов ниже геостационарной орбиты эффективный вес будет положительным, для сегментов выше геостационарной орбиты эффективный вес будет отрицательным.

Натяжение каната максимально на геостационарной орбите, где все канаты с отрицательным эффективным весом тянут за собой все канаты с положительным эффективным весом.

Хотя эффективный вес каната ниже геостационарной орбиты будет ниже, чем его фактический вес, он все равно будет составлять его значительную часть.

Мы можем в какой-то степени обойти это, сделав канат неоднородным, но, как и в случае с ракетой, вам нужен высокий ISP, чтобы избежать нелепых соотношений масс, а для троса космического лифта вам нужно высокое отношение прочности к весу, чтобы избежать смехотворных соотношений толщины.

Трос натянут - максимум в центре - потому что каждый фут, который вы поднимаете по тросу, свисает с него еще на один фут троса.

Эту проблему можно решить путем сужения кабеля: поперечное сечение кабеля увеличивается по мере приближения к центру, чтобы выдерживать растущее количество свисающих с него кабелей. Существует уравнение «коэффициента конусности» (обо всем этом я читал статью IIRC, опубликованную либо в «Новых судьбах», либо в «Аналоге» не менее десяти лет назад). Учитывая углеродное волокно, коэффициент конусности начинает снижаться (опять же, IIRC) примерно до 4,5.

Почему материал для космических лифтов должен быть очень прочным?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v