Microgravedad: qué tan poderoso es un astronauta

Aunque el objeto no tiene peso, todavía tiene masa.

Sin fricción, la fuerza es simplemente una cuestión de qué tan rápido puede acelerarla. Es básicamente lo mismo que empujar un objeto en una pista de hielo.

Entonces, si puede proporcionar una fuerza de 800 N, equivalente a levantar su propio peso en la tierra (por ejemplo, haciendo un pull-up), puede acelerar el tanque con a = F/m = 800 N/635 kg = un poco más de 1 m/s^ 2 Si estás en contacto con él durante 1 segundo, saldrá de la estación con una velocidad (relativa) de 1 m/s

La fuerza real para desorbitarlo proviene de la fricción atmosférica en la gran superficie.

Primero responderé a su segunda pregunta: los desechos generalmente se recolectan y luego se desechan en objetos más pesados ​​y masivos (como este tanque o naves espaciales), ya que estos pueden rastrearse más fácilmente que las partículas más pequeñas y también pueden (idealmente) expulsarse de tal manera que ingresan rápidamente a la atmósfera y, por lo tanto, se queman rápidamente.

Si los desechos fueran simplemente 'tirados por la ventana', circularían alrededor de la Tierra durante bastante tiempo; después de todo, la atmósfera allá arriba es bastante delgada y llevará mucho tiempo reducir la velocidad de las pequeñas partículas de desechos lo suficiente como para que se entran en las regiones inferiores y se queman en la atmósfera.

Como incluso las partículas más pequeñas pueden ser peligrosas, tanto para la ISS como para otras naves espaciales, por lo general se trata de evitar las órbitas contaminantes.

Con respecto a su primera pregunta: la ecuación clave es$\vec F = m \vec a$. En la tierra,$\vec F$se compone de una fuerza causada por el humano que tira algo por la borda, la gravedad y posiblemente la fricción y otras fuerzas (si está volando un avión y quiere tirar algo):

En la ISS, normalmente¹ tenemos$\vec F_{\textrm{grav}} \approx 0$, y otras fuerzas causadas por la fricción también son despreciables, lo que significa que un ser humano podría acelerar cualquier cuerpo a cualquier velocidad (en el límite newtoniano) siempre que fuera capaz de ejercer incluso una fuerza pequeña durante el tiempo suficiente.

Sin embargo, hay dos trampas:

En primer lugar, el cuerpo acelerado por el humano ejercerá una fuerza sobre el humano de igual magnitud pero en dirección opuesta también: el reposapiés es esencial, como notó. Conecta al ser humano con la ISS y, por lo tanto, significa que la inercia de toda la ISS resiste la aceleración debida a la fuerza de reacción del cuerpo. Este efecto se vuelve obvio cuando miras el 'marco del centro de masa' en lugar del marco de la ISS.

En este marco, tome la ISS y el tanque para estar en posición$0$en$t = 0$, ahora usaremos un sistema de coordenadas unidimensional. Los subíndices denotan el objeto que tiene la propiedad correspondiente, los superíndices el marco de referencia.

La ISS ahora ejerce una fuerza sobre el tanque, lo que hace que se acelere con una aceleración$a$hasta una velocidad$v_{t}$(un astronauta empuja el tanque, acelerándolo en$a^{I}_{t}$acelerar$v^{I}_{t}$desde su punto de vista).

Como saben, la cantidad de movimiento tiene que ser conservada, y mientras que la cantidad de movimiento total antes del empuje era cero (todo estaba perfectamente asentado en el origen), ya no lo es: el tanque tiene cantidad de movimiento$p_{t} = m_{t} v$. Desde

tenemos

y, como resultado de una transformación de Galileo:

Es decir, mientras que un astronauta puede tener la impresión de que el tanque se aleja volando como resultado de su acción, la ISS también se aleja volando en la dirección opuesta. Si$m_I \gg m_t$,$|v_I| \ll |v_t|$, pero si$m_I \approx m_t$,$v_I \approx - v_t$. Por lo tanto, existe un límite superior en la masa que un astronauta puede arrojar, dado por cuánto desea que se mueva la ISS ($m_I \approx 4.5 \times 10^{5}\textrm{ kg}$según Wikipedia ).

En segundo lugar,$F_{\textrm{grav}} > 0$incluso en la ISS. Pero dados los números en las notas al pie y suponiendo$F_{\textrm{human}} = 500\textrm{ N}$, tenemos$m_{\textrm{max}} = 6.631\times10^3\textrm{ kg}$(estableciendo la aceleración causada por el ser humano igual a la causada por la fuerza centrífuga/gravitacional).

Tenga en cuenta que este cálculo es estrictamente newtoniano y no tiene en cuenta ningún efecto relativista. ¡Así que no tires cosas demasiado rápido!

[1] Si calculas la aceleración de la gravedad en$6371\textrm{ km} + 400\textrm{ km}$lejos de la Tierra ($m_{E} = 5.9736 \times 10^{24}\textrm{ kg}$) centro, encontrará$g = -8.69\textrm{ ms}^{-2}$. Sin embargo, la fuerza centrífuga experimentada por la ISS debido a su órbita ($v = 7706.6\textrm{ ms}^{-1}$) es$a = 8.7714\textrm{ ms}^{-2}$, Resultando en$g_{\textrm{actual}} = 0.0754\textrm{ ms}^{-2}$. Esto indicaría que, desde el punto de vista de un astronauta, en realidad es más fácil arrojar cosas hacia arriba que hacia abajo. ¿Algún comentario sobre esto?

Luché con esta pregunta. Tenemos que ser realistas. Esta es la altitud de la ISS a lo largo del tiempo:

Esto refleja el rango operativo de la ISS, esto es importante porque lo encuentro engañoso:

Clayton Anderson arrojó por la borda un tanque de 635 kg de refrigerante de amoníaco desde la Estación Espacial Internacional (ISS). Posteriormente, el tanque se quemó en la atmósfera terrestre como estaba previsto.

¿Significa esto que se quemó en la primera pasada? Mi conclusión es que esto no puede ser así.

Considere un astronauta capaz de ejercer$(70 kg) ( 9.8 m/s^2)=686 N$de fuerza, sobre una longitud de$0.5 m$. Eso daría como resultado una energía cinética impartida de$KE=F d=343 J$. Suponga que la gravedad en la vecindad de la ISS es aproximadamente$9.0 m/s^2$, y usa el muy simple$m g h$fórmula para encontrar que, si asumimos solo órbitas circulares, solo podría cambiar la altitud por:

También debemos considerar que la energía orbital es$\frac{G M }{2 r}$, No solo$\frac{G M }{r}$, así que en realidad es$12 cm$, no$6 cm$. Además, podemos considerar que solo el radio promedio del radio caería$12 cm$, por lo que el punto más bajo de la órbita posiblemente podría cambiar$24 cm$.

Compare unos pocos centímetros con un rango orbital ordinario de casi 100 km para la ISS. Simplemente no funciona que el lanzamiento en sí mismo marque una diferencia significativa. Lo mejor que podrían esperar sería que el lanzamiento evite la colisión con la ISS en un segundo pase . Esto es posible, no por unos pocos centímetros de movimiento, sino porque el período de la órbita se puede cambiar con un lanzamiento, asegurándose de que luego no corra el riesgo de colisionar.

El tanque probablemente tomó muchas órbitas para finalmente quemarse en la atmósfera. Algunas búsquedas rápidas lo confirman.

Un pedazo de basura de la estación espacial del tamaño de un refrigerador está a punto de sumergirse en la atmósfera terrestre el domingo por la noche, más de un año después de que un astronauta lo arrojara por la borda .

http://www.space.com/6053-estación-espacial-basura-plunging-earth.html

La función del reposapiés en este escenario era evitar que Anderson se lastimara o se suicidara. La 3ra Ley de Newton nos dice que toda acción tiene una reacción igual y opuesta. Anderson tuvo que empujar muy fuerte ese tanque para que acelerara y se alejara de él. Esto significa que el tanque lo estaba empujando con la misma fuerza. El astronauta necesitaba el reposapiés para evitar volar contra una pared o las profundidades del espacio.