پرتاب توپ در فضا

[rohamavation]

آیا توپی که در سانتریفیوژ پرتاب میشه به زمین باز می گرده؟
به عبارت دیگر آیا نیروی گریز از مرکز در داخل یک سانتریفیوژ فقط برای شبیه‌سازی گرانش عمل میکنه که جسمی به چارچوب مرجع داخل سانتریفیوژ متصل شده باشه؟
1G در سطح دریا به طور معمول حدود 9.8 m/s^2 است با این حال نیروی گریز از مرکز با جاذبه متفاوته
اگر بخوام در سانتریفیوژ مستقیماً به بالا بپرم آیا هنگام فرود آمدن به سمت بالا حرکت میکنم؟ آیا اصلاً فرود میام یا به پرواز مستقیم ادامه میدم تا زمانی که به طرف دیگر سانتریفیوژ برخورد کنم؟
گر پنجره ای که بالای کف یک سانتریفیوژ معلق است شکسته بشه آیا قطعات به کف سانتریفیوژ میافتند یا با سرعت نسبی به سمت سانتریفیوژ ادامه مییابند؟
. به اصطلاح نیروی گریز از مرکز محصولی از جرم و شتاب در یک فریم دواره. اگر در یک سانتریفیوژ هستم و فریم چرخان را رها میکنم دیگر شتاب شعاعی ندارم بلکه فقط حرکتی را که توسط آن و نیروی خود به من منتقل میشه حفظ میکنم
اگر این سانتریفیوژ در گرانش صفر راه اندازی شده باشه مانند چرخ‌های فضایی اگر من بپرم مسیرم هم حاصل جهت پرشم (جزء عمودی) و هم جهت چرخش فریم در نقطه‌ای که آن را رها میکنم (جزء افقی ام) خواهد بود. اما مگر اینکه چیزی در هوا روی من اثر بزاره بنابراین حاصلضرب هر دو این سرعت‌ها اکنون که بزرگی آن را تغییر میدم (شتاب یا کاهش سرعت من مثلاً هوای درون چرخ فضایی که همزمان با آن میچرخه). من اکنون در حرکت ثابت هستم یعنی دیگر شتاب ندارم بنابراین گرانش با شتاب ثابت شبیه سازی نشده است.
. اگر بگوییم که من با همان سرعتی که چرخ میچرخه و به سمت مرکز چرخش آن میپرم با زاویه ۴۵ درجه نسبت به حالت عادی خود و همان زاویه به سمت مرکز چرخش میپرم. از آنجایی که فریم چرخان در حالی که در وسط هوا بودم حرکت میکرد ممکنه در همان نقطه ای که از آن پریدم فرود بیاییم که کمی ترسناک به نظر میرسه اما این لذت فریم های چرخانه. این اثر درک شده روی حرکت من پس از رها کردن فریم چرخان همون اثر کوریولیس:زیرا مسیر بازگشت به فریم چرخان را نیز شامل نمیشود. و این سانتریفیوژ بر روی زمین با مولفه عمودی اضافی گرانش زمین ساخته شده بنابراین به هر حال بهترین نمونه نخواهد بود. فکر میکنم بهتره تصور کنم که در گرانش صفر چگونه به نظر میرسه، اما سعی کنم ابتدا حدس بزنم که سانتریفیوژ در کدام جهت میچرخه . اینه که وقتی یک توپ را در یک سانتریفیوژ در فضا پرتاب میکنم در یک خط مستقیم حرکت میکنه تا زمانی که به چیزی برخورد کنه. این گرانش شبه را تجربه نمیکنه و به طور موثر هیچ شتابی را تجربه نمیکنه
مشکل با تخلیه هوا تا حدودی ساده میشه تا خلاء باشه. فرض کنید سطح سانتریفیوژ با سرعت 50 کیلومتر در ساعت حرکت میکنه منم روی سطح ایستادم و میتونم توپ را با سرعت 50 کیلومتر در ساعت پرتاب کنم.ابتدا توپ را رها میکنم - به سادگی آن را از دست خود رها میکنم. توپ با سرعت 50 کیلومتر در ساعت در یک خط مستقیم به جلو پرواز میکنه من همچنین با سرعت 50 کیلومتر در ساعت در حال حرکت هستم اما توسط سطح سانتریفیوژ به سمت بالا رانده میشه. این توهم بصری ایجاد میکنه که توپ در حال سقوطه سپس آن را با سرعت 50 کیلومتر در ساعت به عقب پرتاب میکنم تا سرعت خالص آن صفر باشه. چه اتفاقی میافته؟ وقتی توپ را پرتاب میکنم درست همان جایی که هست میمونه و در فضا آویزان میشه و هیچ نیرویی روی آن وارد نمیشود. اگر در جایی که روی سطح سانتریفیوژ هستیم ایستاده بمونم، با سرعت 50 کیلومتر در ساعت به توپ ضربه میزنم. از دیدگاهم به نظر میرسد که توپ با سرعت 50 کیلومتر در ساعت ازم دور میشه در اطراف سانتریفیوژ پرواز میکنه حتی اگر در واقع فقط در فضا آویزان شده باشه. اینجاست که یک سانتریفیوژ به طور غیرمعمولی از گرانش واقعی منحرف میشه در یک سیلندر در حال چرخش توهم گرانش ناشی از حرکت جسم در یک خط مستقیمه تا زمانی که کف را قطع کنه (که در حال خم شدن است)، جسمی با سرعت خالص صفر به سادگی در آنجا آویزان شوم زیرا کف سیلندر زیر آن میچرخد.
بنابراین اگر توپ را با سرعت 50 کیلومتر در ساعت در جهت حرکت پرتاب کنم، آنگاه با سرعت 100 کیلومتر در ساعت در یک خط مستقیم حرکت میکنه و به دلیل انحنای استوانه به سطح سانتریفیوژ میخورد. مسیر در واقع هیچ تفاوتی با پرتاب توپ با سرعت 100 کیلومتر در ساعت در یک استوانه غیر چرخشی نداره در هر دو مورد توپ در یک خط مستقیم حرکت میکند و به زمین نزدیک و نزدیکتر میشود تا زمانی که به آن برخورد کند. مسیر ظاهری یک سهمی نیست همانطور که با گرانش است بلکه بخشی از یک دایره است که می تونه تقریب خوبی برای یک سهمی برای زوایای کوچک باشد.
هنگامی که هوا را اضافه میکنیم مقاومت هوا را دریافت میکنیم که به طور کلی باعث کند شدن توپ میشود و هوا همراه با سطح سانتریفیوژ جارو میشود و در واقع باد ایجاد میکند که اشیا را با خود حمل میکند. فشار هوا تمایل دارد اجسام شناور کمتری را به سطح سانتریفیوژ و سبکتر از اجسام هوا را به مرکز فشار دهد.
اینکه آیا می‌توانید جسمی را در سراسر سانتریفیوژ به طرف دیگر (یا «در سراسر جهان») پرتاب کنید، بستگی به توانایی غلبه بر سرعت سطح سانتریفیوژ دارد. اگر سطح با سرعت 100 کیلومتر در ساعت حرکت می کرد، توپی که با سرعت 50 کیلومتر در ساعت پرتاب می شود همیشه در یک خط مستقیم به جلو پرواز می کند و به زمین می خورد. هر چه سانتریفیوژ بزرگ‌تر و سریع‌تر باشد، گرانش را بیشتر تقلید میکند.
نیروی گریز از مرکز حاصل چارچوب مرجع شماست. حاصل چیزی که هستید یا به آن وابسته نیستید نیست. بنابراین صرفاً به این دلیل که دیگر با زمین در تماس نیستید ناپدید نمیشه.
با این حال اگر در یک فریم مرجع با نیروهای گریز از مرکز قرار دارید در یک چارچوب مرجع با نیروهای کوریولیس نیز قرار دارید. این نیروی شبه با سرعت شما نسبت به چارچوب مرجع متناسب است.
عواقب این کار این است که زمان خروج از زمین به سرعت شما بستگی دارد. - با این حال در واقع لازم نیست زمین را ترک کنید تا این نیرو قابل توجه باشد. اگر برخلاف چرخش استوانه حرکت کنید، نیروی کوریولیس شروع به خنثی کردن نیروی گریز از مرکز می کند. وقتی با همان سرعت چرخش سیلندرها حرکت میکنید. این به این معنیه که از منظر یک قاب مرجع اینرسی با همان سرعت مرکز سیلندر حرکت میکنین. در این مرحله نیروی کوریولیس و نیروی گریز از مرکز به طور مستقیم خنثی می‌شوند و شما در امتداد سطح استوانه شناور میمونید.
مهم است که توپ را در جهت چرخش یا در امتداد آن پرتاب کنید. اگر آن را در مقابل چرخش پرتاب کنید و به آن سرعتی بدهید که مخالف سرعت مماسی آن است، توپ در حالت سکون خواهد بود همانطور که توسط یک ناظر بیرونی دیده میشه. این به این معنی است که ارتفاع توپ در استوانه با زمین ثابت خواهد بود. اگر آن را در جهت چرخش پرتاب کنید همیشه با زمین برخورد میکنه
یک توپ به سمت بالا حتی می تواند دوباره به سمت بالا شتاب بگیرد و به نیمه دیگر سیلندر برسد. اگر سرعتی به توپ بدهید تا سرعت مماسی لغو شود و از بیرون دیده شود، سرعتی خطی به سمت مرکز استوانه دارد و سپس به آن سرعت بستگی داره پس از یک حرکت عجیب همانطور که از داخل دیده میشه به زمین استوانه برخورد میکند. میتونید تصور کنید. اگر سرعت نداشته باشه به دور مرکز میچرخه. اگر سرعت به سمت مرکز کوچک است همونطور که از بیرون دیده میشه توپ در دایره های کوچکتر و کوچکتر همونطور که از داخل دیده میشه با همان سرعت زاویه ای میچرخه به این ترتیب سرعت خطی کاهش مییابه توپ پس از عبور از مرکز دوباره روی دایره ای با شعاع فزاینده حرکت میکند و با سرعتی که مجموع سرعت خطی آن و سرعت مماسی زمین در حال چرخش به دور مرکزه به زمین برخورد میکنه.
اگر بال در جهت چرخش با سرعت کافی پرتاب شود و یک جزء رو به بالا روی زمین بچرخه به سمت مرکز مارپیچ میشه و دوباره از آن بیرون میاید. خیلی عجیبه! اگر آن را در همان جهت چرخش پرتاب کنم بدون مارپیچ در مرکز به زمین برخورد میکنه
برای ساده‌تر شدن توضیحم فرض که روی سطح داخلی یک درام چرخان بزرگ در فضا ایستادین. اگه مستقیم به سمت بالا بپرین (به سمت مرکز چرخش) یک بردار سرعت دارین که مجموع حرکت اصلی شما در امتداد محیط به اضافه حرکت داخله که با پریدن به خود داده اید. بدون در نظر گرفتن اثرات اصطکاک با اتمسفر داخلی شما به حرکت در یک خط مستقیم در امتداد این بردار جدید (با سرعت یکنواخت) ادامه خواهید داد. این مسیر یک خط وتر خواهد بود که درام را در دو نقطه قطع میکنه یکی از آنها نقطه بلند کردن شما ست دیگری فرود اجتناب ناپذیر شما بر روی سطح درامه
پرتاب یک توپ در یک ایستگاه فضایی در حال چرخش
به روش زیر فکر کرده ام که باعث گیج شدنم میشود. فرض کنید در یک سفینه فضایی استوانه‌ای ایستاده‌اید که برای شبیه‌سازی گرانش می‌چرخد (مثلاً یک استوانه O'neill). اگر یک توپ را مستقیماً بالای سر خود پرتاب کنید، چه اتفاقی میافته؟
هنگامی که توپ از دست شما خارج میشود هیچ نیرویی روی آن وارد نمیشه (فرض کنید مقاومت هوا ناچیز است). فکر میکنم که توپ با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه میدهداما این نتیجه گیری احتمالا اشتباهه
برای گسترش سناریوام تصور کنید که ما توپ را در فضا قرار دادیم و سفینه فضایی را در اطراف توپ ساختیم سپس شروع به چرخش سفینه فضایی کردیم. هرکسی که در سفینه فضایی ایستاده است احساس می کند 1 g روی پاهای خود اعمال میشود و بنابراین به نظر میرسد شبیه سازی گرانش به خوبی کار میکند. اما سپس آن‌ها توپ را میبینند که بالای سرشان شناوره و هیچ نیرویی روی آن وارد نمیشود و تعجب میکنند که چرا این شبیه‌سازی روی توپ اعمال نمیشه
اساساً به نظر میرسه که همه اشتباهات و عدم درک شما از اختلاط اشتباه مشاهدات در فریم های مرجع مختلف ناشی میشود. که مشاهدات یک ناظر در حال چرخش در سفینه فضایی را با مشاهدات یک ناظر اینرسی که با سفینه فضایی نمیچرخه یکی نکنید وبرای یک ناظر اینرسی توپ پس از رها شدن در واقع در امتداد یک خط مستقیم با سرعت ثابت حرکت میکند، اما برای ناظری که با سفینه فضایی میچرخدمسیر توپ به طور کلی مستقیم به نظر نمیرسه
من در لبه سفینه فضایی که با سفینه فضایی میچرخه توپی مماس به لبه سفینه و در صفحه عمود بر چرخش آن پرتاب کنم. علاوه بر این فرض کنید که با سرعتی دقیقاً برابر با لبه سفینه ام همانطور که از داخل مشاهده میشه در خلاف جهت چرخش پرتاب شود. در این حالت از دید یک ناظر اینرسی در خارج سرعت اولیه توپ صفر خواهد بود زیرا سرعت سفینه و سرعت توپ در لحظه اولیه لغو میشود. با این حال که سفینه از دید ناظر اینرسی زیر توپ خواهد چرخید. یعنی که از نقطه نظر پرتاب کننده ای که با سفینه میچرخه یعنی رهام توپ به صورت دایره ای در امتداد لبه سفینه حرکت میکنه
به عبارت دیگر به نظر میرسه توپی که فقط در نقطه‌ای از لبه است با مشاهده یک ناظر اینرسی در امتداد یک قوس دایره‌ای طبق یک ناظر در حال چرخش حرکت میکنه
طرز تفکر دیگر در این مورد که فقط ناظر اینرسیه که هیچ نیرویی را روی توپ مشاهده نمیکنه. من که باسفینه میچرخم. این نیروها به این معنا واقعی نیستند اما اگر من که با سفینه در حال مشاهده توپی هستم که پرتاب شده به همان اندازه نیروها به نظر واقعی میرسند و احساس میکنم جالبه نه