¿Gravedad artificial en una nave espacial giratoria?

Si saltaste "directamente hacia arriba", todavía tendrías un componente horizontal de velocidad (en relación con un marco no giratorio), por lo que aún terminarías "volviendo a bajar".

Del mismo modo, el agua de la ducha se mueve horizontalmente en un marco no giratorio, lo que eventualmente hace que choque con el piso (ya que el piso se curva hacia arriba en el marco no giratorio). Pero para una persona en el barco, parece como si el agua se moviera hacia abajo, en lugar de que el suelo (y usted) se moviera hacia arriba.

Más peligroso sería si trataras de correr en la dirección opuesta a la rotación; si corrieras lo suficientemente rápido, eventualmente descubrirías que te habías vuelto ingrávido. Esto también significaría que tus pies ya no tocarían el suelo, el mundo estaría girando debajo de ti y no tendrías forma de volver a bajar.

Afortunadamente, dado que el aire también se está moviendo debido a la rotación, el "viento" eventualmente lo "ralentizará" (técnicamente, en realidad lo acelerará) y eventualmente recuperará la "gravedad" y caerá al suelo.

Tsiolkovsky lo descubrió todo hace más de 100 años :)

Tsiolkovsky describe una nave espacial cilíndrica: 100 metros de largo, 4 metros de diámetro, girando de extremo a extremo sobre su "diámetro transversal central", con una velocidad de punto final entre 1 y 10 metros por segundo, produciendo una velocidad angular entre (aproximadamente) 0,2 y 2,0 rotaciones por minuto, y un nivel de gravedad entre 0,002 y 0,2 g. Estos números fueron elegidos para ilustrar un concepto y no deben tomarse demasiado en serio. Sin embargo, muestran que Tsiolkovsky entendió los problemas asociados con las altas velocidades angulares y la practicidad de los niveles de gravedad artificial de menos de un g completo.

Cuando te paras en el suelo de la estación, te mueves a la velocidad del punto final, digamos 10 m/s. Cuando saltas a la velocidad de 1 m/s, tu velocidad se convierte en$\sqrt{1+100}$, pero su dirección es ligeramente hacia adentro ahora. Entonces, vas a golpear el suelo de nuevo, pero ligeramente fuera del punto desde donde saltaste. Entonces, realmente no eres tirado por el suelo, sino que eres golpeado por el suelo.

ACTUALIZACIÓN: aquí está el código y un gráfico para demostrar lo que sucede cuando un hombre salta verticalmente a una velocidad de 1 m/s, dentro de la nave espacial de 100 m de radio y una velocidad final de 10 m/s. El resultado es que un hombre aterrizará a 13 cm del punto en el que estaba inicialmente en aproximadamente 2 segundos.

R=100;

ax0=0
ay0=-R;

vy=1;
vx=10;


phi=vx/(R) % angular speed
theta = (pi-2*( pi/2-atan(vy/vx)) ) % angle at hitting floor

bxf = R*sin(theta);
tau = bxf / vx % time to hit floor

axf = tau*phi; % angle the weel turns
d=(theta-axf)*R %distance from hit

t=(0:0.01:tau);
bx=ax0+vx*t;
by=ay0+vy*t;
plot(bx,by,'r')

hold on

ax=R*sin(phi*t);
ay=-R*cos(phi*t);
plot(ax,ay)


tau2 = theta/phi 

t=(tau:0.01:2*tau2);
ax=R*sin(phi*t);
ay=-R*cos(phi*t);
plot(ax,ay,'-.c')
xlabel 'x'
ylabel 'y'
title 'R=100;v_x=10,v_y=1'

No olvides que no solo gira el piso, sino también el resto del barco (incluido el agua en las tuberías y tú).

Esto provoca que el agua sea arrastrada "hasta el suelo". Como la aceleración está dada por$a=v^2/r$y$v=\omega*r$tu tienes$a=(\omega*r)^2/r$. eso te da$a=\omega^2*r$.

Esto significa que cualquier cosa que gire alrededor del eje de la nave se acelera hacia el exterior proporcionalmente a la distancia desde el eje.

Entonces, si la ducha está en el techo, el agua acelerará hacia abajo, pero con una aceleración creciente.

Y recuerda, cuando saltas, todavía tienes la velocidad que te dio el contacto anterior con el suelo, así que después del salto, no solo vas "hacia arriba" sino también "hacia adelante", lo que significa que todavía estás girando alrededor del eje.

Einstein lo dijo: la aceleración es gravedad y la gravedad es aceleración. Cuando está en contacto con el piso, está acelerando (rotando) con respecto a un marco de referencia inercial y uno puede interpretar eso como un campo gravitacional. Por eso sientes la fuerza de tu masa a tus pies. Puedes hacer malabares con pelotas, hacer un experimento o hacer una medición, todo como en la gravedad.

Cuando saltas estás en caída libre por eso sientes ingravidez. Su velocidad es constante con respecto a un marco que no gira. Pero tu nave espacial sigue acelerando, por lo que te alcanza. Eso es a menos que la fuerza que aplicas cuando saltas se elija cuidadosamente para cancelar la velocidad de rotación de la nave en el punto de salto. Luego, hacia el marco no giratorio que se está moviendo con velocidad constante en línea recta hacia el centro de rotación. ¡Entonces lo alcanzarás sin esfuerzo lo suficientemente pronto y toda la nave espacial girará a tu alrededor!

De manera similar, con el agua que sale de una tubería giratoria: está en caída libre pero estás acelerando hacia el agua. Por supuesto, bajará en un ángulo que depende de la velocidad de rotación, pero si te colocas en esa posición, ¡obtendrás una ducha completa!

Digamos que estás en una gran esfera o cilindro que gira. Estás flotando en el centro y no hay atmósfera que te arrastre en ninguna dirección. Suponga que la estructura es lo suficientemente ligera como para que la atracción gravitatoria debida a la masa sea despreciable (y se cancelaría si fuera simétrica). Asumiría que no se moverá en ninguna dirección en particular. Ahora, con un breve impulso del propulsor, comienzas a moverte lentamente hacia la pared exterior. ¿Experimenta alguna aceleración adicional debido a la "gravedad artificial" antes de hacer contacto con la pared exterior? creo que no ¿De repente acelera hacia los lados al hacer contacto?

Si hago girar un balde de agua, el agua se mueve instantáneamente tangencialmente a mí (y volaría en una línea más o menos recta si la soltara). Estoy aplicando fuerza centrípeta al balde y al agua, para acelerarla hacia mí, y la fuerza centrífuga reactiva del agua la mantiene en el balde. Entonces, una vez que estoy en contacto con la pared exterior que gira, sería acelerado constantemente hacia el centro, y mi reacción igual y opuesta se sentiría como si estuviera siendo presionada contra la pared/piso exterior ("gravedad").

Entonces, si salto, ¿qué sucede? ¿Qué me está acelerando hacia afuera hacia la pared exterior ("piso")? Por supuesto, tendré cierta velocidad lateral (tangencial) de la pared que gira, lo que me hará ir a la deriva en la dirección de la rotación de la pared (Efecto Coriolis) y eventualmente debería volver a golpear el suelo, pero no en el mismo lugar desde el que salté. . Es decir, "abajo" no está bien definido.

Esto también se aplicaría al agua que sale de un cabezal de ducha hacia "abajo" (la pared exterior). Si una gota de agua se filtrara fuera del cabezal de la ducha sin velocidad en ninguna dirección en particular, ¿qué (si es que algo) haría que se moviera "hacia abajo"? En un entorno de microgravedad como la ISS, utilizan ventiladores para garantizar el movimiento. Si inicialmente tuviera algo de velocidad "hacia abajo", esperaría que no acelere hacia abajo porque no hay nada que actúe sobre él una vez que sale del cabezal de la ducha. Se movería "demasiado lento" y se curvaría hacia el costado de la ducha debido al efecto Coriolis, pero ¿aparte de eso?