¿Podría una estación espacial de anillo giratorio tener una extensión similar a un bolo?

editar: la aclaración de la pregunta significaba que mi respuesta anterior no era tan clara como me hubiera gustado, así que aquí hay una reescritura con las mismas matemáticas pero diferentes bits de palabras

Sí, una estación podría tener extensiones tipo bolo (nota plural) sin ningún problema. Lo importante es mantener la estación equilibrada, y la forma más fácil de hacerlo es tener múltiples bolos espaciados uniformemente. Un solo bolo moverá su centro de rotación lejos del centroide del anillo de la estación, lo que dará como resultado que la fuerza de la gravedad artificial cambie a medida que la estación gira, lo que será un poco molesto (probablemente interferirá con algunos de sus instrumentos científicos) a activamente destructivos, dependiendo de varias cosas.

Sí, se podría girar una estación con bolos en su lugar. Esto sería un poco extraño, ya que lo más útil de tener correas flexibles en sus extensiones de bolo es que tendría la capacidad de enrollar las cargas útiles hacia adentro y hacia afuera según sea necesario. Por lo tanto, lo más fácil es enrollarlos después de que la estación haya girado.

Tenga en cuenta que los bolos cuya masa no es pequeña en relación con la estación provocarán cambios notables en la gravedad artificial experimentada en la estación cuando se extiende o retrae. Incluso un bolo con aproximadamente el 1% de la masa de la estación puede causar que la gravedad artificial varíe en un pequeño porcentaje.

Ahora, posiblemente detalles aburridos.

La gravedad artificial es proporcionada por la fuerza centrípeta que resulta de la rotación de la estación.

Fuerza centrípeta$F_c = mr\omega^2$, dónde$m$es masa,$r$es el radio de curvatura y$\omega$es la velocidad angular.

Uno pensaría que duplicar el radio duplicaría la fuerza.

Ahora, momento angular$L = mr^2\omega$. Duplicar el radio aumentaría ese momento angular por un factor de 4... pero el momento angular se conserva , por lo que si simplemente tira de una cuerda, encontrará que la velocidad angular del objeto disminuye . Duplicar su radio con una masa y un momento angular constantes significa que la velocidad angular se reduce a una cuarta parte de su valor original.

El bolo se acelera a medida que aumenta el radio de la correa porque la estación puede intercambiar efectivamente parte de su momento angular con la carga útil. A medida que se reduce el momento angular de la estación, su masa y radio permanecen constantes, por lo que su velocidad angular debe disminuir . ¡Esto a su vez significa que la gravedad artificial experimentada en el anillo también disminuirá! Siempre que la carga útil sea una fracción muy pequeña del peso de la estación, este efecto no debería notarse, pero a medida que la carga útil se vuelve más pesada, esto será un problema cada vez mayor. Los instrumentos científicos serán los primeros en comenzar a leer de manera diferente, pero en el límite, las personas notarán que todo se vuelve más claro y la velocidad del campo de estrellas/escenario que pasa por las ventanas disminuirá.

Imaginemos una estación bolo en lugar de un anillo (porque puedo imaginar que son un par de masas puntuales) con un radio de 100 m y una$\omega^2$de 0,1 para dar una buena fuerza de 10N por kg. Saco una carga útil de 10 kg de cada módulo de la estación en un radio de 200 m. Si cada módulo pesa una tonelada, he movido el centro de masa efectivo de cada sistema de carga útil de módulo alrededor de un metro. Para conservar el momento angular$\omega^2$cae a 0,096, lo que significa que la gravedad artificial se ha reducido a alrededor de 9,7 N por kg. Mientras tanto, la carga útil experimenta una fuerza de aproximadamente 19,2 N por kg, no exactamente el doble que podría haber anticipado originalmente.

Esto significa que, para cargas útiles grandes, también necesitará aumentar la velocidad de rotación para mantener la gravedad en el anillo (y luego reducirla nuevamente una vez que finalice el experimento), y de repente toda esta idea comienza a parecer más complicada de lo que parece. vale la pena.

Puede ver ejemplos del mundo real de esto en la Tierra en patinadores artísticos que giran en el lugar y aceleran mientras tiran de sus brazos, lo que probablemente pueda replicar girando en una silla de oficina.