¿Por qué el spinning ayuda a la estabilización?

Hice algunas investigaciones desde mi comentario, y especialmente en rifles :

En las armas de fuego, el estriado consiste en ranuras helicoidales en la superficie interna (calibre) del cañón de una pistola, que imparten un giro a un proyectil alrededor de su eje largo. Este giro sirve para estabilizar giroscópicamente el proyectil , mejorando su estabilidad aerodinámica y precisión .

Del estriado depende la velocidad de rotación de la bala , y las cifras pueden llegar hasta las 270.000 RPM, una velocidad de rotación que, con suerte, un cohete nunca alcanzará.

Hablando de cohetes, la estabilización de giro no se usa comúnmente, especialmente durante el ascenso y ha sido reemplazada por la estabilización de tres ejes .

Además, parece que este método se usa con más frecuencia en el espacio, y encontré un video muy interesante aquí (pero no logré ponerlo aquí incrustado).

Como dijiste en OP, la nave espacial se gira, se dispara y se quita de girar sucesivamente (una solución para quitar el giro de forma gratuita puede ser un yo-yo de-spin ).

Respuesta adicional a su pregunta adicional: si la estabilización de giro no se usa durante el ascenso, pero una vez que la carga útil alcanza el espacio, entonces no hay dudas sobre cómo administrar el giro de gravedad mientras gira.

Esta respuesta responde al título "¿Por qué el giro ayuda a la estabilización?" en lugar de específicamente para los lanzamientos.

Contexto

Antes de saltar a la respuesta, vale la pena mirar el trasfondo. Con cuerpos rígidos, agregar un giro ayudará a promediar las asimetrías. Sin embargo, ni los cohetes ni los satélites son rígidos, contienen líquidos y apéndices flexibles y estos son medios de amortiguación de energía y medios por los cuales la energía puede transferirse de un eje de rotación a otro.

Las ideas básicas de estabilidad en este contexto (la estabilidad es un gran tema, incluso en matemáticas antes de que uno intente aplicarlo a cualquier objeto real) son que los objetos que giran pueden ser estables si giran alrededor de sus ejes de máxima o mínima inercia. Buenos ejemplos serían el eje central de una moneda (como un molino de viento) y un lápiz (como una barbacoa) respectivamente.

Esto no se aplica a los cuerpos con modos de transferencia de energía a partir del chapoteo del propulsor y los apéndices. Un cohete como un lápiz que gira longitudinalmente puede, a través de modos flexibles, transferir toda su energía de rotación a una rotación alrededor de su eje de máxima inercia. Esto significa que adoptará una moción de "extremo sobre extremo". Tenga en cuenta que no estoy afirmando que su momento angular haya cambiado aquí. Hay un caso en el que esto realmente sucedió con uno de los primeros vehículos de lanzamiento pequeños (creo que de finales de los 50).

La respuesta

Si hay modos flexibles, la única rotación estable será sobre el eje de máxima inercia, es decir, una rotación de molino de viento en lugar de un modo de barbacoa.

La estabilización de giro se utiliza en muchos diseños de satélites, aunque en todos los casos los diseñadores deben prestar mucha atención a la forma del satélite para que se comporte firmemente en modo molino de viento, es decir, girando alrededor de su eje de máxima inercia.

Detalle extra (EDITAR)

El primer vehículo de lanzamiento pequeño que mencioné fue la misión Explorer 1 / Juno 1, el primer satélite de EE. UU. Estaba destinado a girar a 750 rpm a lo largo del eje largo, pero se encontró que giraba a 7,5 - 8 rpm, lo que correspondía a la energía transferida a uno de los ejes transversales. Es lo suficientemente conocido como para ser un ejemplo de dinámica de aula. Esta imagen a continuación muestra las antenas de látigo que son, creo, el mecanismo físico para la transferencia de energía entre ejes.

Es contrario a la intuición, pero cierto según las leyes de la física, que los objetos giratorios serán más difíciles de cambiar de dirección en el eje perpendicular a su rotación.

Es el mismo principio de la bicicleta. Casi nadie puede mantener el equilibrio en una bicicleta estacionaria, pero cuando las ruedas giran, gira lo suficientemente lento como para permitir que un ser humano entrenado lo sienta y cambie su peso a tiempo.

Una moneda rodará sobre una superficie lisa, pero no se mantendrá de lado si no está rodando.

La forma más sencilla de experimentarlo directamente es con uno de esos fidget spinners que están de moda. Se necesita más esfuerzo muscular para rodar uno mientras gira.

El mismo principio se utiliza en los cohetes. Una asimetría de fuerza dada cambiará la dirección del cohete mucho más lentamente si el cohete está girando. Esto le da al sistema de control más tiempo para reaccionar.

(el hecho de que la fuerza provenga del empuje o de la aerodinámica no es relevante)

Se trata de momento angular. Un objeto que gira tiene un momento angular, que se puede visualizar como un vector alrededor del cual gira el objeto. Se necesita una fuerza para cambiar ese vector de momento angular y, por lo tanto, el eje alrededor del cual gira el objeto.