Разница между свободным падением и постоянной скоростью

Ощущение веса — это просто ощущение того, что «что-то» давит на вас. Например, встаньте в лифт, ускоряющийся вверх, и вы почувствуете себя тяжелее. Встаньте в лифт, ускоряющийся вниз, и вам станет легче.

В обоих сценариях, которые вы описываете, это тот случай, когда ничто не давит на вас, чтобы вызвать ваше ускорение. На МКС вы находитесь в состоянии покоя относительно МКС, поэтому вас ничто не давит. Если бы вы двигались с постоянной скоростью и на вас не действовали никакие силы, то происходило бы то же самое.

Обратите внимание, что это связано с принципом эквивалентности , о котором вам может быть интересно прочитать.

В обоих случаях астронавты одинаково чувствуют себя «невесомыми» и «плавают». Однако эти две ситуации очень сильно различаются с точки зрения сил и ускорения. Как мы можем это объяснить?

Добро пожаловать в SE, и отличный первый вопрос!

Ваш вопрос очень похож на то, что привело Эйнштейна к принципу эквивалентности, за исключением того, что в его дни не было ни астронавтов, ни космических станций, поэтому его подвиг воображения был тем более впечатляющим. Он и вы поняли, что в малых масштабах, таких как внутри МКС, сила гравитации неотличима от силы инерции (также называемой фиктивной силой или псевдосилой), возникающей при использовании неинерциальной системы отсчета.

Это означает, что инерциальная система отсчета находится в свободном падении. Не существует эксперимента, который астронавты могли бы провести полностью на борту (то есть без получения информации извне), который позволил бы различить две ситуации. Серьезное отношение к этой идее приводит к общей теории относительности.

В основном силы гравитации и силы инерции обладают следующими общими свойствами:

1. они пропорциональны массе
2. их можно удалить, выбрав систему отсчета
3. они не могут быть обнаружены с помощью акселерометра

В частности, третье свойство объясняет неспособность космонавтов различать две ситуации. Физические ощущения, обычно связанные с гравитацией, при ближайшем рассмотрении на самом деле обусловлены какой-то другой силой. Как контактная сила от пола или стула.

Можно сказать, что результирующая сила, действующая на астронавтов, равна нулю в обоих случаях. Пока они вращаются вокруг Земли, центробежная сила соответствует силе гравитации, чтобы сделать результирующую силу равной нулю, а в пустом пространстве сил нет.

Обычно говорят, что центробежная сила является «виртуальной» силой, но в подобных случаях она вполне реальна. Когда мы рассматриваем такую ​​систему в классической механике, мы обычно не рассматриваем наблюдателей, находящихся внутри объектов, находящихся в орбитальном движении. Для такого наблюдателя центробежная сила реальна. Для наблюдателя, смотрящего извне, центростремительная сила реальна, одна из них втягивает объект внутрь, другая выталкивает внутрь него наблюдателей. Поскольку «невесомость» возникает у наблюдателей внутри орбитального объекта, центробежная сила является подходящим способом объяснения этого.

В обоих случаях астронавты одинаково чувствуют себя «невесомыми» и «плавают». Однако эти две ситуации очень сильно различаются с точки зрения сил и ускорения. Как мы можем это объяснить?

Я не согласен; Я думаю, что эти две ситуации почти идентичны с точки зрения сил.

В случае с МКС на космическую станцию ​​практически не действуют силы, кроме гравитации, и это создает ощущение невесомости. В случае космического корабля в глубоком космосе вдали от всего, опять же, на космический корабль практически не действуют силы, кроме гравитации, и это создает ощущение невесомости. Так что в обоих случаях экипаж чувствует себя невесомым по одной и той же причине.

Единственная разница между этими двумя ситуациями заключается в том, что МКС сильно притягивается гравитацией, тогда как космический корабль в глубоком космосе совсем не притягивается. Однако это никак не влияет на то, что испытывают космонавты. Как ни странно, сила гравитации не заставляет нас чувствовать, что у нас есть вес; это чувство вызвано всеми другими силами, кроме гравитации.