Ураганный ветер или легкий бриз в цилиндре О'Нила?

Рассмотрим цилиндр О'Нила радиусом 3,2 км и длиной 20 км. В классическом дизайне О'Нила у нас есть три больших окна, выровненных по оси, в оболочке, чередующихся между прогонами жилой поверхности. Окна обеспечивают свет и, по-видимому, значительно влияют на теплопередачу.

Перед тем, как начать вращать вещи, мы накачиваем внутренний объем пригодным для дыхания воздухом. Я полагаю, что О'Нил предложил 1/2 атмосферы, 20% парциального давления O и 30% N, но в данный момент у меня нет под рукой моей копии High Frontier.

Предположим, что дизайнеры среды обитания установили зеркала и систему охлаждения, необходимые для поддержания максимально комфортной среды без рукавов рубашки.

Мы вращаем цилиндр со скоростью ~ 0,5 об / мин, чтобы создать центростремительное ускорение в 1g на внутренней поверхности, а затем ждем, пока все не достигнет какого-то равновесного состояния.

Тангенциальная скорость по внешнему радиусу составляет ~630 км/ч (почти 400 миль/ч), тогда как по оси она равна нулю.

Поскольку спиновая гравитация является вымышленной , ускорение передается атмосфере только за счет фрикционного взаимодействия с внутренней поверхностью цилиндра. Предположим, что он не гладкий, а населен невысокими зданиями (вероятно, два или три этажа, максимум), небольшими деревьями, людьми и т. д.

Итак, вблизи внутренней поверхности у вас есть внешний край атмосферного вихря, вращающегося со скоростью ~ 400 миль в час, и относительно спокойный взгляд на оси.

Однако в этом вихре есть много странностей. Я представляю это как коктейль в блендере, за исключением того, что вращается весь блендер, а из стенок блендера выходят лопасти, а не лезвие на одном конце.

Поскольку настоящей гравитации нет, молекулы воздуха просто болтаются в пространстве, пока не вступят во взаимодействие с внутренней поверхностью и не приобретут тангенциальную скорость. Внешний край вихря в конечном итоге будет двигаться примерно с той же тангенциальной скоростью, что и внутренняя поверхность, поэтому, как вы не замечаете, как воздух в вашей машине движется вместе с вами со скоростью 60 миль в час, жителей не должны беспокоить супер- ветры ураганной силы. Но если вы посмотрите, как работают баллистические траектории в этой системе, я думаю, что будет ощущение устойчивого «нисходящего» / направленного по спирали бриза, когда ускоренная масса воздуха встретится с изгибом земли.

Затем мы должны рассмотреть тепловую передачу и конвекцию, но опять же, гравитация вымышлена, поэтому я не уверен, что мы можем думать об этой системе так же, как мы думали бы об атмосфере на Земле. Обычно вы думаете, что горячий воздух поднимается , а более холодный воздух опускается , но без реальной гравитации, которая вылетает в окно.

Вместо этого у вас есть фрикционное взаимодействие на внешнем краю атмосферы, сообщающее линейные скорости массам воздуха. Если применима аналогия с блендером, я думаю, что между осью и внешним радиусом будет значительная разница давлений, но я понятия не имею, насколько.

Таким образом, из-за перепада давления у вас все еще будет теплый воздух, который «поднимается», поскольку система с более высоким давлением ищет среду с более низким давлением, и я думаю, что у вас будут массы более холодного воздуха, «опускающиеся» обратно во внешний радиус с более высоким давлением. , со всеми странными видимыми отклонениями, которые вы получаете во вращающейся системе отсчета: все, что движется к оси или от нее, будет казаться отклоненным против вращения.

Затем нужно учитывать сдвиг ветра: переход от теоретически спокойной оси к ветру со скоростью 400 миль в час в радиусе не будет шуткой.

Таким образом, между более плотными и холодными воздушными массами, отклоняющимися против направления вращения по мере того, как они удаляются от оси, и этим устойчивым потоком воздуха, направленным в направлении вращения из-за фрикционных линейных ускорений на уровне поверхности, определенно кажется, что мы, по крайней мере, будем иметь тряску в направлении вращения и антиспиновые бризы на поверхности. Если только в моем очень условном мысленном моделировании не изменились какие-либо знаки! :)

Что касается подвода тепла, у вас есть радиационная инсоляция через окна, у вас есть кондуктивный теплообмен через оболочку, и у вас есть тепло, генерируемое трением между атмосферой и внутренними стенами, зданиями, деревьями и т. д. (В другом вопросе Карлос Самора предлагает конвективные системы, развивающиеся между окнами и наземными прогонами, но он, возможно, не принимает во внимание «эффект блендера»…)

Мой вопрос: на что эта сумасшедшая погодная система будет похожа на опыте людей с короткими рукавами, живущих на поверхности? Определенно будет какой-то сумасшедший сдвиг ветра, когда вы двигаетесь от оси к радиусу (я думаю, в этом сценарии нет людей-планеров и нет пушистых белых облаков). Я думаю, что поверхность была бы пригодна для жизни, даже если бы всегда была хорошая погода для запуска воздушных змеев.

Чем сложнее наука, к которой вы можете обратиться в ответе, тем лучше, но я не думаю, что кто-то на самом деле изучал этот вопрос с какой-либо степенью строгости, поэтому я с радостью приму полеты фантазии и воображения. :D

Я прочитал все обсуждения, которые смог найти об атмосфере в одном из этих приспособлений. Я вижу много намеков, много сомнительных предположений, но четкого ответа нет:

Обновление: @Matthew делает действительно хорошее замечание о конвекции: это просто различные плотности газа, стремящиеся к равновесию. Когда я впервые готовил вопрос, я пытался переключаться между двумя системами отсчета и рассматривать переход от покоя к вращению. Когда среда обитания достигает заданной угловой скорости и ее содержимое приходит в равновесие, скорости передаются от стен к соседним газам посредством трения, а затем ударяются до тех пор, пока все вблизи стен не начнет двигаться относительно упорядоченно вместе со стенами, так что все близко к стенам действует более или менее так, как если бы они находились под действием силы тяжести, с конвекционными потоками и целыми девятью ярдами.

Джентри Ли и Артур Кларк ответили на некоторые из этих вопросов позже в серии книг о Раме. Вращение вверх и вниз вызывает мощные ветры, при охлаждении воздух оседает ближе к «земле», и даже когда он теплый, чем ближе к центральной оси, тем ниже давление, поэтому приходится иметь дело с меньшим количеством молекул из-за «гравитации». Не основано на науке, поэтому не является ответом.
Я здесь новенький. Тег science-basedвсе еще слишком ограничителен для того, что я пытаюсь понять?
Я думаю science-based, вы должны получить достойные ответы. Тег, hard-scienceскорее всего, даст вам плохие/мало ответов с большим количеством аргументов, поэтому я думаю, что вы можете его избежать. Отсутствие каких-либо scienceтегов даст вам много догадок, предположений, «может быть» и несколько хороших ответов. ИМО, вы можете идти, даже если вы не получите ответ (ы), которые вы ищете. Лично ИДК, если кто-то исследовал большие массы воздуха в огромном цилиндре. Было бы интересно, если бы кто-нибудь еще слышал о таких исследованиях.
Я доволен тем, что физики-любители и метеорологи выдумывают то, что им известно. :D
Поскольку на самом деле никто не построил цилиндр О'Нила, я не знаю, можем ли мы сказать наверняка (по крайней мере, за исключением серьезного компьютерного моделирования). Тем не менее, я хочу отметить, что предположение о конвекции не сработает, потому что гравитация «подделка» не обязательно верна. Вы говорите о явлениях, происходящих из-за разделения по плотности. Так получилось, что у нас есть большой опыт работы с устройствами разделения на основе плотности, которые работают за счет «фиктивной» гравитации. Их называют центрифугами .
Мета-наблюдение: я получаю хороший смех, что единственный ответ здесь, который цитирует настоящую НАУКУ, - единственный, у которого есть отрицательный голос. «Можете ли вы сослаться на рецензируемый журнал, чтобы оправдать свой отрицательный голос?» :D
Восходящие и нисходящие потоки по-прежнему будут работать с ожидаемой силой в местном масштабе, в зависимости только от плотности воздуха и кажущейся «гравитации». Однако восходящие потоки будут изгибаться в сторону вращения, а нисходящие потоки будут изгибаться в сторону антивращения. Угол отклонения от вертикали будет пропорционален соотношению вертикальной (относительной) и горизонтальной (абсолютной) скорости.

Ответы (4)

В целом, вы получите эффекты конвекции и Кориолиса от движения воздуха точно так же, как на вращающейся поверхности планеты. Самая большая разница по сравнению с Кориолисом заключается в том, что ось вращения параллельна земле, и существует большая разница скоростей в относительно небольшом диапазоне высот.

На Земле эффект Кориолиса при сильном восходящем потоке вблизи экватора пренебрежимо мал, потому что вы поднимаете воздух примерно на километр при начальном радиусе 6400 км и скорости вращения 24 часа. В вашем цилиндре О'Нила вы поднимаете воздух на километр с начальным радиусом 3,2 км и скоростью вращения полминуты — так что, как вы заметили, разница в скорости вращения от земли до земли составляет около 200 км/ч. высота 1км.

Таким образом, у вас в тысячу раз больше эффекта Кориолиса, чем на Земле. Будет ли это вызывать торнадо каждый раз, когда земля становится немного теплее, чем ось?

Возможно нет.

Почему? Восходящему потоку никогда не удастся набрать достаточно импульса, чтобы превратиться в (горизонтальный) вихрь; он начнет вращаться почти мгновенно. Вместо этого вы получите крошечные вихри, наверняка не больше небольшого пылевого вихря (диаметром метр или два и скоростью вращения около пары м/с), и для человека на «земле» они могут быть заметны только как порыв ветра, который развевает ваши волосы в одну сторону, а штаны — в другую. В конце концов, воздух все еще может подниматься, поэтому у вас могут появиться облака и дождь (при достаточной влажности и разнице температур по высоте), но у вас не будет сильных кориолисовых бурь, потому что эффект Кориолиса слишком велик .

Я сам готовлю ответ, и мой вывод таков, что вся среда обитания сама по себе является сильным штормом. :D
Мне нравится идея водоворотов; как маленькие горизонтальные пылевые вихри. Я думаю, что эффект будет более выраженным на краю окон. Возможно, все-таки не самая лучшая погода для воздушных змеев?
Вы получите больше завихрений там, где воздух нагрет, то есть там, где он соприкасается с нагретой «землей» — окнам потребуется постоянный подвод тепла , чтобы они не покрылись инеем (излучая в пространство, за исключением случаев, когда зеркало обеспечивает солнечный свет). Нет смысла тратить энергию на их нагревание выше температуры воздуха.

Да, будет сдвиг ветра, но это не имеет значения:

На Земле существует разница в 1656 км/ч на расстоянии 10 000 км между тем, как быстро воздух движется на полюсах, и как быстро он движется на экваторе. Из-за того, что он настолько рассредоточен, сдвиг настолько незначителен, что этот эффект Кориолиса заметен только в глобальном масштабе. В вашем цилиндре О'Нилла разница скоростей воздуха между центром и периметром составляет 630 км/ч, но эта разница скоростей распространяется только на 3,2 км. Это означает, что ваш эффект Кориолиса примерно в 1200 раз более выражен, чем на Земле, но природа того, как работает цилиндр О'Нилла, в большинстве случаев делает этот дополнительный сдвиг ветра нулевым для наблюдателя.

Причина, по которой ураганы/торнадо так опасны, не в том, что они быстры, а в том, что они движутся с другой скоростью, чем мы. Давайте представим, что вы строите башню высотой 1 км внутри цилиндра О'Нилла. База будет двигаться со скоростью 630 км/ч, а вершина будет двигаться по меньшему кругу; значит, он будет двигаться только со скоростью 433 км/ч. Кстати, скорость воздуха у земли будет около 630 км/ч, а воздуха на высоте 1 км тоже будет около 433 км/ч; таким образом, вы не почувствуете изменения скорости воздуха относительно вашей собственной по мере подъема. Единственными сущностями внутри цилиндра, которые испытают это смещение, будет что-то свободно плавающее, что еще не синхронизировалось с вращением цилиндра.

Единственный видимый ветер, который вы получите, будет зависеть от того, формируются ли узоры внешним нагревом и охлаждением цилиндра, что приводит к восходящим потокам поперек градиента.

«Единственными объектами внутри цилиндра, которые испытают этот сдвиг, будет что-то свободно плавающее, что еще не синхронизировано с вращением цилиндра». Именно к такому выводу я и пришел. (Это сценарий, который впервые заставил меня задуматься над этим вопросом.)
@David Говоря о несинхронизации ... если вы разместите шлюзы в центре концов, корабли снабжения должны иметь возможность входить при минимальном сдвиге и либо использовать лифты для разгрузки груза, либо спускаться по градиенту ветра вниз; поэтому даже отсутствие синхронизации не должно быть серьезной проблемой.
«если вы разместите шлюзы в центре концов» ... именно так это сделал Рама, и я верю, что Говард Тейлор также (похожие структуры появляются несколько раз в Schlock Mercenary ). На самом деле, вы в значительной степени должны это сделать, потому что удержание на месте относительно чего-то, что не просто вращается, но и движется , смехотворно сложно и требует постоянного расхода топлива. Люки вдали от оси будут иметь тенденцию отбрасывать все, что выходит из них, из цилиндра (хотя для некоторых типов выхода — просто не входа — это может быть хорошо).
Интересный! Наверное, нецелесообразно летать на машине в основной объем среды обитания, по сравнению с обработкой грузов в условиях микрогравитации среды обитания, а затем пересадкой, но при правильной настройке это было бы довольно круто.

Это действительно зависит от того, насколько горячий пол. Если структура поглощает и передает много звездной энергии внутрь в виде тепла на уровне земли, тогда вы получите сильную конвекцию, грозы и т. д., которые сопутствуют ей. Если вы вводите относительно небольшое количество тепла непосредственно на уровне земли, но в основном нагреваете атмосферу сверху вниз, используя то, что я называю «центральной нитью накала» (согласно «Раме» Артура Кларка), то у вас будет намного больше контроля над длину волны излучения и его взаимодействие с внутренним ландшафтом, и вы можете создать менее агрессивную погоду.

В конструкции О'Нила большая часть тепла исходит с уровня земли через зеркала и окна. Так как мы стоим лицом к солнцу, может быть значительный тепловой градиент между оконными и наземными прогонами. Очень интересно! Центральная нить Кларка, к сожалению, является «достаточно продвинутой технологией» для сценария «вещей, которые мы действительно можем построить».
@David Мы могли бы построить сетку освещения вдоль оси вращения с помощью современных технологий, в конце концов, на нее очень мало нагрузки, и то немногое, что есть, распределено симметрично. Я не уверен, сможем ли мы достаточно быстро выкачать из него достаточное количество фотонов, чтобы выполнить эту работу, или нет.
Хех, хорошо, если вы хотите, чтобы это было так просто! Я представлял себе что-то вроде плазмопровода. Интересно, сможет ли светодиод дать достаточно света для работы? Я бы не хотел быть парнем, который должен менять лампочки.
@ Дэвид, я не уверен, но с современными светодиодами это возможно, и их также можно настраивать по спектру. Да нет, это не работа для тех, у кого есть малейшие проблемы с ростом или координацией, так что для меня это сложное нет.

Мысли о блендерах заставили меня задуматься о торнадо.

Если мы рассмотрим самые большие зарегистрированные торнадо, торнадо Эль-Рино 2013 года имел ширину 4,2 км и максимальную скорость ветра 302 мили в час. Цилиндр О'Нила с такими характеристиками обеспечивает ускорение всего 0,4 g.

С цилиндром О'Нила мы буквально говорим о закупорке суперторнадо и продаже лотов в стенах шторма. 🤯

Конечно, из-за того, что участки и люди, живущие на них, двигаются вместе со штормом, все идет как по маслу. Может быть?

Изучая характеристики торнадо и мезоциклонов , мы можем начать делать некоторые интересные предположения для строителя этих чудовищ.

  • Торнадо издают звук:
    • высокая частота ( Abdullah, 1966 ): атмосферные торнадо описывались как издающие «своеобразный скулящий звук, похожий на жужжание миллиона пчел», который заглушается ревом, который начинается, когда торнадо соприкасается с землей.
    • низкая частота ( Bedard , 2005 ): торнадо производят идентифицируемые неслышимые инфразвуковые сигнатуры.
  • Давление в ядре торнадо быстро падает (как я и подозревал по аналогии с блендером). Человек , который сообщил , что видел центр относительно небольшого торнадо над своей головой, сообщил о «сильном газовом запахе, и мне казалось, что я не могу дышать».
  • Торнадо излучают электрические сигналы и поля ( Leeman, 2008 ).
  • В том же отчете центр описывается как очень тихий: «Все было неподвижно, как смерть».
  • В том же отчете описывается молния (!) в центре: «все было прекрасно видно из-за постоянных вспышек молнии, которые зигзагами двигались из стороны в сторону», хотя Википедия отмечает, что «торнады содержат не больше молний, ​​чем другие бури» (цитата нужный).

Сравнение, конечно, сложное, поскольку трудно отделить эффекты от взаимодействия между торнадо и большей атмосферой. (Легче отделить эффекты от взаимодействия с землей, поскольку в воздухе наблюдалось множество торнадо с различными характеристиками.)

Обновление для уточнения : как и во всем, что касается вращающихся систем отсчета, все зависит от вашей точки зрения. Хорошей новостью является то, что, как я уже упоминал, жители перемещаются вместе со штормом, так что ощущение внутренней поверхности, вероятно, больше похоже на ветреный осенний день. Опасность торнадо заключается в том, как вихрь взаимодействует с неподвижными объектами на земле, т. е. в другой инерциальной системе отсчета . Мы поймали этот вихрь в бутылке, но это все еще вихрь, поэтому сравнение с торнадо в воздухе — полезное упражнение. /Обновлять

Наиболее важными потенциальными характеристиками для жителя колонии могут быть:

  • Пчелы. Присуще ли это звуковое явление самому торнадо или это взаимодействие с внешней атмосферой? Некоторые наблюдатели связывают шум с небольшими субвихрями, которые, кажется, исходят от внешнего края главного вихря торнадо, так что это может быть особенностью только земных торнадо. Однако никто не знает, так что это все еще честная игра для творческой лицензии.
  • Коричневая нота. Инфразвуковые излучения могут вызывать раздражительность, нарушение сна и утомляемость.
  • Электрическое поле. Мы уже знаем, что колония действует как гигантская клетка Фарадея, требующая, чтобы внешние сигналы повторялись внутри. Не помешает ли шум внутри радиосвязи? Будет ли работать сотовый телефон?
  • Молния(?!). Будут ли жители подвергаться постоянному световому шоу на оси? Будем надеяться, что этот эффект поддается превентивной инженерии!

Некоторые очень интересные неочевидные эффекты сеттинга, полезные для рассказчиков, но, возможно, менее полезные для идиллических видений О'Нила и Безоса. :)

Меня также интересуют эффекты на оси. Старые рассказы о цилиндрах О'Нила полны людей, летающих на крыльях и т. д. в свободном падении в центре. В одной книге, которую я читал, даже была гора на одном конце, по которой можно было взобраться на ось. Похоже, что полет может сработать, возможно, с кислородом, но не отклоняйтесь слишком близко к стенам вихря со скоростью 400 миль в час. И берегитесь молнии!

Если нет чего-то, что сбрасывает давление воздуха с оси цилиндра (Утечка !! Идите в укрытие, наденьте свои аварийные пузыри и вырвите комплекты заплат!), Поглотитель давления, который, гм, играет центральную роль в формировании торнадо, отсутствует . Вместо этого есть основания полагать, что воздушный поток (в общем, игнорируя конвекцию и ее эффекты Кориолиса) будет достаточно турбулентным, чтобы заметить 640 км/ч, так же как мы не замечаем ветер со скоростью 1600 км/ч, в котором мы живем на экваторе Земли? ?
Я не уверен, к чему ты клонишь. Я почти уверен, что перепад давления между центром и окружностью вихря связан с вращением; вы видите тот же эффект в блендере или сливе раковины. Единственное, чего не хватает среде обитания, — это осевого ускорения, придающего ей форму конуса. Что касается турбулентности: как и на поверхности земли, обитатели внутренней поверхности цилиндра движутся с той же скоростью, что и местная атмосфера. Я предполагаю, что большую часть времени это хорошая погода для запуска воздушных змеев, но, надеюсь, ничего хуже этого. Наконец, почему минус?
«Я предполагаю, что большую часть времени стоит хорошая погода для запуска воздушных змеев». Это сильно отличается от утверждения, что все в цилиндре живут в облаке стены торнадо F5. Что наносит ущерб и создает другие эффекты торнадо, так это сочетание давления воздуха, близкого к стратосферному, на уровень земли и трения ветра со скоростью 300 миль в час о землю. Ни то, ни другое не встречается в нашей среде обитания О'Нила.
Как и везде в этом вопросе, все зависит от вашей системы отсчета. Со стороны наблюдателя, свободно плавающего по оси, это выглядит так, будто люди живут на стене торнадо. Отклонитесь слишком далеко от оси, и вы наткнетесь на внутреннюю стенку вихря и испытаете некоторые неприятные эффекты. Я обновлю свой ответ, чтобы уточнить.
Внутренней стенки вихря нет . Вязкость воздуха обеспечит более или менее плавный переход от «вращающегося вокруг своей оси» воздуха на линии невесомости к «неподвижному относительно пола» воздуху во внешнем корпусе. Свободное падение от оси, и вы получите горизонтальную скорость от эффекта Кориолиса, но воздух не падает свободно, он смешивается.
«Внутренней стены вихря нет». Вы можете обосновать это? Такой же вязкий воздух и на Земле, и мы видим неподвижные центры и вихревые «стены» в ураганах и смерчах. (Я, вероятно, использую неправильный термин в разговорной речи; под «стеной» я подразумеваю зону резкого перехода давления/скорости.) Вы упомянули провалы давления в более раннем комментарии; что, я думаю, подразумевает, что что-то за пределами системы вихря вытягивает это давление, тогда как в предлагаемой среде обитания это закрытая система, поэтому нет внешних поглотителей. Это то, чего мне не хватает в моем понимании здесь?
Эффекты «пчел», молний и коричневых нот торнадо в воздухе можно объяснить очень внезапной разницей скорости воздуха между движущимся краем торнадо и неподвижным воздухом, через который он проходит. Этот уклон в несколько сотен километров в час на расстоянии всего нескольких футов создает сильное «трение». В вашей среде обитания О'Нила внешняя стена вашей системы (сама среда обитания) находится в вакууме, поэтому вы не должны слышать громких звуков.
@Nosajimiki Судя по документам, которые я просмотрел, они не совсем понимают, что именно происходит или вызывает эти эффекты в торнадо. Эта диаграмма NOAA предполагает, что большая часть инфразвука и часть слышимого шума генерируются ядром вихря, а не пограничным слоем или сдвиговой нестабильностью, но я еще не нашел никаких документов, разъясняющих диаграмму.
@ Дэвид Точно. Давление в ядре постоянно истощается за счет сочетания сильного восходящего потока и центробежного эффекта пристенного ветра. В цилиндре это будет означать катастрофическую утечку.
@ZeissIkon Хорошо, так что уберите сильный восходящий поток (и в любом случае, что является источником этого сильного восходящего потока?), У нас все еще есть центробежный эффект, который, как подсказывает мне общий опыт, создаст ядро ​​с более низким давлением и более высокое давление по окружности. См. также комментарии Мэтью выше о центрифугах. Я, вероятно, немного преувеличиваю свой случай с «торнадо в бутылке», но мне кажется, что есть достаточно соответствий, чтобы поддержать предположение.
Там еще нечего производить сдвиг. Воздух движется с той же скоростью, что и земля, и любой слой мало чем отличается от тех, что чуть выше или чуть ниже.
Что ж, думаю, я тоже не понимаю, почему ураган, или торнадо, или слив в моей раковине имеют спокойный центр, окруженный относительно сильной турбулентностью. "Стричь" - неправильное слово? Если бы это было вращающееся твердое тело, да, у вас был бы плавный градиент увеличения тангенциальной скорости от оси к окружности, но поскольку воздух вязкий, он не будет действовать как твердое тело. Более холодный воздух с более высокой плотностью перемещается к периферии, оставляя более теплый воздух с более низкой плотностью в центре, а конвекционные потоки переплетаются внутрь и наружу. Вот ваша раковина под давлением: она снаружи у стен.
Ураганный ветер или легкий бриз в цилиндре О'Нила?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v