El punto principal es que la nave espacial es un sistema cerrado y el automóvil no es

Considere que para conservar el impulso necesitamos darle a otra cosa el impulso que tenía antes nuestro objeto en desaceleración.

• En el caso de la nave espacial, esto requiere expulsar algo en la dirección opuesta a la dirección de viaje. Tenemos que poner energía para hacer esto.
• En el caso del coche hemos estado todo el tiempo conectados a la carretera y debido a este rozamiento necesitamos aportar energía continuamente para no decelerar. Entonces, nuestras ruedas están girando y, debido a la conexión con la carretera, la fricción nos desacelerará, lo que hacen los autos eléctricos es agregar una fuerza de resistencia adicional al giro de las ruedas (que se necesita para seguir adelante) y hacer uso de la energía ganada de esto.

Entonces, debido a que las naves espaciales no requieren más empuje para mantener una velocidad constante, no tenemos un proceso del cual robar la energía. Si pudiera proporcionar una fuerza resistiva en la nave espacial, podría recuperar parte de la energía, pero tendría que estar fuera de la nave espacial (por ejemplo, un campo magnético emitido por una serie de estaciones espaciales).

Tienes que moverte en relación con algo más a lo que puedas impartir energía.

Hay una omisión particular en las respuestas existentes que me gustaría rectificar.

Es que hay un contexto muy especial en el que se puede hacer el problema, que responde afirmativamente a la pregunta con muy poco esfuerzo real. En este marco de referencia, la nave espacial que viaja parece comenzar en reposo y luego comienza a moverse hacia atrás.

Marcos de referencia

La física moderna generalmente reconoce que puedes hacer la misma física en un montón de diferentes marcos de referencia que están relacionados por algún tipo de grupo de transformación . Puedes elegir el marco que quieras, todos dan la misma física. En la física clásica esto se hace mediante la transformación de Galileo

Dado que estamos hablando de una nave espacial, es posible que se pregunte si las extrañas reglas de la relatividad interferirán con esta explicación, pero en realidad no lo harán. En realidad, para pequeños cambios de velocidad, la relatividad especial solo cambia esto un poco: en lugar de esa transformada galileana, debemos usar

Nuestro marco de referencia especial

De todos modos, el punto es: todas las leyes de la física son perfectamente válidas en el marco de referencia que viaja junto a la nave espacial una vez que se mueve a su velocidad de crucero, y son perfectamente válidas en el marco de referencia que viaja junto al automóvil. Y las leyes que nos interesan son las leyes de conservación de la energía y la cantidad de movimiento.

Ahora piense en cómo se ve el "frenado" en este marco de referencia: parece que la nave espacial/automóvil que estaba en reposo, ahora comienza a moverse hacia atrás. Así que gana energía cinética donde antes no la tenía, y gana impulso donde antes no la tenía.

Pero, ¿qué establecen las leyes de conservación? Afirman que en este marco de referencia, algo solo puede frenar (obtener impulso negativo) haciendo que otras cosas se muevan "más hacia adelante" de lo que se movían antes (obtener impulso positivo). La forma habitual de hacer esto es disparar un motor de cohete hacia adelante: esto toma el combustible del cohete que "no se movía" y lo impulsa "hacia adelante", y esto siempre costará energía: ahora tiene dos entidades en movimiento (su nave espacial, el combustible gastado). combustible) moviéndose uno frente al otro con algo de energía cinética. En nuestro marco de referencia especial podemos ver que esto demanda gasto de energía: primero tenemos energía cinética 0, luego tenemos energía cinética distinta de cero.

Pero si estás desacelerando con una atmósfera o frenando contra una carretera, eso se ve sutilmente diferente en este marco de referencia. En este marco de referencia, eso significa que hay algo (digamos que tiene masa$M$, aunque por supuesto eso es una idealización de una carretera o una atmósfera) viniendo hacia ti con velocidad$-\vec v$, y vas a agarrarlo o tal vez (como con las velas solares) rebotarlo, para ganar impulso en el$-\vec v$dirección.

Si piensas en eso por un segundo, te darás cuenta de que no estás necesariamente seguro de dónde terminará la energía. esta gran cosa$M$va a moverse hacia atrás más lento, digamos a una velocidad$-v'$y tu pequeña nave espacial/coche$m$se moverá hacia atrás más rápido, digamos a la velocidad$-u$. Ya que$v' < v$no está claro si$\frac 12 M (v')^2 + \frac 12 m u^2$va a ser mayor o menor que$\frac 12 M v^2$, correspondiente a requerir su entrada de energía o permitirle desviar algo de energía y "frenar regenerativamente". Así que vamos a derivar la condición.

Algunas fórmulas

Así que nuestro coche/nave espacial tiene masa$m$y comienza con velocidad$0$y termina con velocidad$-u$, y el objeto con el que interactúa tiene velocidad$-v$y masa$M$, y termina con velocidad$-v'.$La conservación de la cantidad de movimiento dice que$M v' + m u = M v,$de modo que$v' = v - \frac mM u.$El cambio resultante en la energía cinética es

Entonces: vemos desde el marco de referencia de movimiento conjunto que sí , es posible regenerar energía, pero solo si reduce la velocidad (en una pequeña fracción) algún objeto masivo que se mueve a través del espacio. También puede ver este principio aplicado, por ejemplo, en tirachinas gravitacionales: para completar una asistencia gravitacional, debe pasar detrás de un planeta mientras sigue su órbita alrededor del Sol; esto significa que su gravedad tirará hacia atrás en ese planeta, y su correspondiente atracción gravitatoria sobre usted le dará mucha más energía cinética. Si trataste de obtener una asistencia gravitatoria yendo al frentedel planeta (nuevamente, en términos de la dirección en la que va en su órbita), te encontrarías saliendo con mucha menos velocidad que cuando entraste.

Técnicamente, si la nave espacial pudiera encontrar algo contra lo que frenar, podría recuperar algo de energía. Necesitaría un sistema de frenado diseñado para aprovechar la resistencia o el arrastre donde quiera que pueda encontrarlo. Tal vez en la atmósfera de un planeta o la gravedad de alguna manera, o incluso un gran artilugio diseñado para atrapar la nave espacial y extraer energía del proceso. Podrías seguir y seguir. Para cada acción hay una acción opuesta.

Se está trabajando en sistemas que podrían recuperar energía al reducir la velocidad de una nave espacial. Estas son dos de las ideas principales.

Uno se llama amarre electrodinámico. Requiere un campo magnético y un cable muy largo. El campo y el cable actúan un poco como un generador/motor y pueden convertir la energía mecánica en energía eléctrica y viceversa.

La otra idea es una correa de intercambio de momento . Aquí, una cápsula podría estar atada a otra nave (la nave probablemente sería mucho más masiva que la cápsula) y ambas rotarían alrededor de su centro de masa común. Cuando se suelta la cápsula, la energía cinética de rotación cambia a energía cinética de traslación y la cápsula se lanza a una nueva órbita. Luego podría ser capturado por una nave similar al final de su viaje, y cuando sea necesario el viaje de regreso, se liberará nuevamente para ser arrojado a la órbita en la que entró.

Para frenar un automóvil y generar energía a partir de él, tiene dos sistemas que interactúan: el eje de transmisión del automóvil y el generador eléctrico. La energía cinética lineal del automóvil se convierte en energía cinética rotacional del eje debido a la fricción entre las ruedas y el piso.

La configuración en la nave espacial es diferente: no tienes nada análogo al piso que pueda convertir la energía cinética lineal de la nave espacial en energía cinética rotacional que pueda hacer girar tu generador eléctrico. Para frenar la nave espacial, tienes que expulsar materia de ella, y esta materia desaparece junto con la energía que usaste para acelerarla.

Un automóvil eléctrico con motor de CC puede reducir su velocidad a través del frenado regenerativo , en el que el voltaje aplicado al motor se reduce a menos que la fuerza contraelectromotriz Eb. La corriente y el par del inducido se invierten, el inducido se ralentiza, la velocidad cae y el motor actúa como un generador de CC, impulsado por la inercia de las ruedas giratorias del vehículo. La energía se puede almacenar en una batería para uso futuro.

Una nave espacial no se impulsa a sí misma mediante ruedas giratorias o una armadura giratoria. Si se reduce la velocidad de una nave espacial, el proceso debe implicar un empuje inverso, no una inversión de la corriente. El empuje se genera expulsando materia de la nave espacial, que es un proceso irreversible, como señala toliveira en su respuesta.

Parece que estás comparando manzanas y ladrillos. Una nave espacial absolutamente puede, y LO HACE, ganar energía al frenar, pero no es útil. La ventaja que tiene el coche es que funciona con la energía que sabemos generar a partir del proceso de frenado.

Las naves espaciales no funcionan con electricidad. Tampoco funcionan con calor, que es la ganancia de energía más obvia, si nos fijamos en nuestro estado actual de los vuelos espaciales. Si pudiéramos convertir ese calor en más combustible para cohetes, tendrías tu equivalente, pero no podemos.

Hay muchas formas de capturar energía durante el frenado o el reingreso de una nave espacial, pero no podemos convertir esa energía en combustible para cohetes. Para hacer eso, necesitaríamos poder crear materia a partir de la energía pero, hasta ahora, solo sabemos cómo convertir la materia en energía. No de la otra manera.

Pensándolo un poco más, podría dividirlo en: ¿Necesita absolutamente un objeto externo a una velocidad diferente (la carretera para un automóvil, chocando contra una atmósfera como una nave espacial) para convertir la energía cinética en otra forma? ¿Cuál es el principio fundamental de este hecho?

Inercia. Un objeto en movimiento permanecerá en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Para un automóvil, la "fuerza externa" es la fricción del aire sobre la carrocería y la carretera sobre las ruedas. En lugar de convertir esa energía en calor con los frenos convencionales, el frenado regenerativo la convierte en energía mediante el uso de las ruedas para hacer girar un generador eléctrico que reduce la velocidad de las ruedas que se arrastran contra la carretera.

Para una nave espacial en un vacío idealizado no existe tal fuerza externa... pero en realidad las hay. Por ejemplo, una nave espacial en órbita alrededor de un cuerpo con un fuerte campo magnético podría usar su movimiento a través de ese campo para generar energía a través de un generador eléctrico. Esto también tendría un efecto de frenado y bajaría su órbita.

Las aspiradoras no son perfectas, ni siquiera en el espacio exterior . Una nave espacial generalmente se mueve a través de algún tipo de gas muy tenue y viento solar . Pueden usar este medio para frenar, como un automóvil frena contra la carretera, solo que muy, muy, muy, muy lentamente. Por ejemplo, digamos que nuestra nave espacial se mueve a 10 km/s en relación con el medio.

     ==>                           . . . . .
   10km/s -->                       0 km/s

O, si usamos la nave espacial como punto de referencia.

     ==>                           . . . . .
    0 km/s                        <-- 10 km/s

La nave espacial tiene todas estas partículas volando hacia ella a 10 km/s. Su rebote en el casco de la nave espacial aplicará una pequeña fuerza de "frenado" dependiendo de su impulso general. Es muy pequeño, pero se acumulará con el tiempo. Pero recuerda, frenar es acelerar. Entonces, en este marco de referencia, "frenar" está acelerando en la dirección del medio.

      ==>                           . . . . .
<-- 0.000001 km/s                  <-- 10 km/s

Si, en cambio, la nave espacial capturara estas partículas y las usara para hacer girar un generador, ganarían electricidad y masa de reacción, además de frenado.

El área de superficie de una nave espacial normal es demasiado pequeña y el medio demasiado delgado para que se use como una fuente significativa de energía o empuje (a menos que esté en LEO donde la resistencia es significativa). Pero amplía tu superficie y tienes una vela solar . Combine los dos juntos, usando campos electromagnéticos para recolectar el medio interestelar, y tendrá un estatorreactor Bussard .

Piense en el impulso en las dos situaciones. En cualquier sistema cerrado, se debe conservar la cantidad de movimiento. Cuando aceleras un automóvil, empujas la Tierra en la dirección opuesta con exactamente el mismo impulso. Cuando quieras reducir la velocidad (que de nuevo es aceleración, justo en la dirección opuesta al movimiento), vuelves a empujar la Tierra y se acelerará en la dirección opuesta. Dado que la Tierra es mucho más masiva que el automóvil, la aceleración en la Tierra es pequeña, lo que hace que la Tierra sea fácil de empujar (compare saltar sobre concreto con saltar sobre un poco de espuma: el concreto es casi inflexible, lo que le da mucho de apalancamiento).

El frenado y la aceleración son simétricos en este caso: al acelerar, hace que el automóvil se mueva más rápido en relación con el suelo, al frenar, lo hace más lento en relación con el suelo. Reducir la velocidad de una cosa rápida en una cosa lenta le permite extraer trabajo útil, más o menos de la misma manera que puede extraer trabajo de, por ejemplo, una interfaz entre un objeto de alta y baja temperatura, o un sistema de alta y baja presión.

Pero ese no es el caso con una nave espacial en el espacio libre (es decir, donde podemos ignorar con seguridad la gravedad, el polvo espacial, etc.). No existe una forma sencilla de "empujar" nada en el espacio, por lo que llevas tu propia "masa de empuje". El impulso aún se conserva: si observa desde un marco de referencia donde la nave espacial original está inmóvil, la aceleración le hará ver que la nave espacial se mueve en una dirección con un impulso dado, y el propulsor (la masa que lanza hacia atrás) tendrá exactamente la impulso opuesto. Juntas, la cantidad de movimiento total sigue siendo cero, pero en relación con el punto fijo, ambas masas se han acelerado y ambas tienen su propia cantidad de movimiento. Así es como podemos llegar a otros planetas, a pesar de no tener caminos para impulsarnos.

Ahora imagina lo que tendría que pasar si tuvieras que frenar de forma similar a un coche. De alguna manera necesitaría recuperar el propulsor ya expulsado; imagine algo como tener dos bolas conectadas por una cuerda. Cuando la cuerda se tensa, las bolas "retrocederán", se invertirá su dirección de movimiento y chocarán en algún punto; si eres lo suficientemente cuidadoso, puedes acelerar una bola lanzando la otra bola en la dirección opuesta, y cuando se acabe la cuerda, se detendrán de nuevo. El problema es que, al igual que se conserva la cantidad de movimiento, también se conserva el centro de masa: en algún lugar entre las dos bolas, el centro de masa está exactamente en la misma posición que antes de la aceleración y la desaceleración posterior (o más bien, es donde debería). sido si no aceleraste en primer lugar, siempre que podamos suponer interferencia con, por ejemplo, la atmósfera o el campo gravitatorio, etc.). La única razón por la que los cohetes pueden moverse en el espacio es que el propulsor esya no está conectado al cohete.

Si pudieras tener una cuerda mágica que te permitiera conectar tu cohete a su propulsor y retirarlo, podrías frenar el cohete "gratis". Pero también llevarías el cohete de regreso a donde comenzó. Ahora, fíjese, en un sistema planetario, esto aún podría usarse para el transporte, y sería una revolución en los vuelos espaciales: usaría maniobras gravitacionales con su planeta objetivo para robar algo de su impulso, lo que le permitiría dibujar el propulsor vuelve con más "palanca". Pero no tenemos esa cuerda mágica, ni otra forma de movernos en el espacio libre.

Sin embargo, tenemos algunos trucos. El aerofrenado y las asistencias gravitatorias son formas de intercambiar impulso con los planetas (y otros cuerpos masivos) y, como tales, son muy diferentes del propio motor de cohete. El impulso aún se conserva: cada "empuje" cambia las características de movimiento del cuerpo en cuestión; podría ralentizar su órbita, o hacerlo más rápido, o ralentizar su rotación o hacerlo más rápido. Pero dado que nuevamente estamos lidiando con objetos mucho más masivos que su nave espacial, volvemos a ser "esencialmente libres". Y, de hecho, usamos estas maniobras ampliamente: nuestras capacidades son tan limitadas que apenas podemos darnos el lujo de no hacerlo. ¿Recuerdas esos brutales videos de reentrada del transbordador espacial y naves similares? Grandes velocidades, grandes temperaturas, gran estrés en la nave espacial? Solo son necesarios porque no tenemos motores de naves espaciales lo suficientemente eficientes. Si tuviéramos motores de cohetes que usaran la mitad de la masa de propulsor/combustible para la misma cantidad de impulso producido, los vuelos espaciales serían mucho más fáciles y podríamos evitar fácilmente el peligroso reingreso con las naves espaciales existentes (aunque podría ser que simplemente construyéramos más pequeños). naves espaciales para hacer lo mismo).

De acuerdo, si tenemos algo que impulsar, podemosrecuperar energía. De hecho, ¡incluso podemos recuperar más energía de la que usamos originalmente, si solo usamos las trayectorias correctas entre el tipo correcto de cuerpos masivos! Pero hay poco que puedas hacer razonablemente con esa energía. Tenemos sistemas de propulsión de naves espaciales que funcionan con electricidad (todavía necesitan algo de propulsor, solo necesitan mucha menos masa para la misma cantidad de cambio de velocidad); pero estos funcionan con celdas solares o RTG: no tienen ningún beneficio al recuperar la energía, incluso si fuera prácticamente posible. Con nuestra tecnología, la energía no es el mayor problema, sino el propulsor. Mientras sigamos arrojando masa por la parte trasera de un cohete para producir un cambio en la velocidad, necesitaríamos alguna forma de recuperar esa masa. La energía cinética de la nave espacial es pequeña en comparación con la masa-energía del propulsor.cuadrado de la velocidad), y menor el empuje. La mayor parte de la energía no se puede recuperar, ya que está en el propulsor, no en su nave espacial, y cuanto más eficiente sea su motor, más energía habrá en el propulsor en comparación con la nave espacial. Entonces, al final, los sistemas que se beneficiarían más de la recuperación de la energía también necesitan mucha más.

El santo grial de los vuelos espaciales sería un dispositivo mágico que le permite empujar cualquier objeto que desee con tanta fuerza como desee; esto haría que los vuelos espaciales sean casi tan fáciles como conducir un automóvil. ¿Quieres acelerar? Empuja el planeta que estás dejando. ¿Desacelerar? Recupera la energía a medida que te alejas del planeta objetivo. ¡Funcionaría como el motor eléctrico de su coche! Lamentablemente, tenemos pocas razones para creer que alguna vez podremos fabricar un dispositivo de este tipo; no es técnicamente imposible en teoría, pero no conocemos ningún mecanismo que sea adecuado. Uno podría imaginar alguna infraestructura orbital que nos permitiera intercambiar el impulso de los planetas con naves espaciales lanzadas de un planeta a otro, pero ciertamente no para naves espaciales independientes que se mueven a toda velocidad alrededor del sistema.

Un principio clave que subyace a esto es la reversibilidad de los procesos.

La reversibilidad está ligada a la entropía: un proceso reversible no aumenta la entropía, mientras que un proceso que aumenta la entropía no es reversible.

Los procesos implicados en el frenado regenerativo son reversibles:

• La energía eléctrica se puede traducir a energía cinética mediante un motor eléctrico, y viceversa.
• La energía química se puede traducir a energía eléctrica en una batería, y viceversa si la batería es recargable.

Ambos procesos implican pérdidas, creando cierta entropía, pero como efectos de segundo orden, como la resistencia, no son fundamentales para el proceso.

Los procesos involucrados en la cohetería son procesos entrópicos irreversibles:

• La energía química se traduce en calor a través de la combustión; según la segunda ley de la termodinámica, este es un proceso irreversible, aumentando la entropía.
• Esa energía térmica se utiliza para emitir masa de reacción. Convertir un estado organizado de la materia en un tanque propulsor en un penacho de escape no organizado es nuevamente un aumento en la entropía y no es reversible.

(Estrictamente hablando, PUEDE revertir ambos procesos, pero solo mediante la aplicación de más energía, aumentando aún más la entropía general, lo que niega el punto de frenado regenerativo).

Entonces, para el frenado regenerativo de una nave espacial, debe abandonar la cohetería y encontrar procesos reversibles que pueda aplicar al problema. La interacción con un campo magnético externo o una corriente solar puede ser posible; como sugiere la respuesta principal actual, esto implica que la nave espacial deja de ser un sistema cerrado.

Los satélites pequeños (como los cubesats) ya interactúan con los campos magnéticos de la Tierra para girar, girar y orientarse a través de magnetorquers . Estos son en principio reversibles, aunque el campo es tan débil y la resistencia del devanado es tan alta que la energía generada es insignificante. Quizás los magnetorquers superconductores podrían generar algo de energía.

Otro ejemplo: puede ser posible navegar alejándose de un sol, acelerar hacia la velocidad de su viento solar y lanzarse en paracaídas hacia otro.

Propongo que el frenado regenerativo de una nave espacial es realmente posible, y por medios similares a los de un automóvil. El momento lineal del vehículo es contrarrestado por la afluencia de energía extraída del momento angular del sistema de frenos. La solución, llevar un camino/anillo circular al espacio junto con la nave. No importa que la carretera no esté unida a un planeta, solo que tenga suficiente momento angular y suficiente tiempo para transferir la energía. Si es práctico, es una cuestión diferente.

El frenado regenerativo no es un almuerzo gratis. La energía para detenerse proviene en última instancia del combustible utilizado para acelerar. Ya sea un automóvil o una nave espacial, en el momento del lanzamiento, el vehículo convierte la energía química en energía cinética. El vehículo lleva consigo esa energía cinética.
El vehículo también debe llevar consigo la maquinaria para acoplarse a la energía cinética y cambiarla en una dirección o forma diferente.
Al final del viaje, la 'fricción' entre esta maquinaria giratoria y el vehículo no giratorio, que ha sido baja y continua, aumenta repentinamente provocando que las energías cinéticas se redirijan.

El vehículo espacial que imagino tiene cohetes de despegue montados en 1 o más anillos concéntricos grandes que pueden girar libremente en relación con el fuselaje de la nave, así como deslizarse a lo largo del fuselaje. Los cohetes están ligeramente inclinados para que tanto la sustentación como el giro se impartan simultáneamente en el despegue. Estos anillos giratorios podrían usarse para generar gravedad artificial, pero tal uso limita la velocidad angular práctica disponible para frenar. La fricción entre el anillo y el fuselaje debe ser lo suficientemente baja como para seguir girando al final del viaje. Si el exterior del fuselaje consta de un plano inclinado en espiral (rosca de tornillo), un pasador de ruptura, extendido desde el anillo hacia la rosca del fuselaje, se engancharía repentinamente en la rosca y empujaría el fuselaje hacia atrás en relación con los anillos. cuando el anillo llega al final del fuselaje, se produce el impacto. Retraer el pasador, impartir algo del impulso del fuselaje trasero en el anillo, ralentizar un poco toda la nave y restablecer las posiciones relativas de los anillos giratorios y el fuselaje listo para otro intento. El funcionamiento es similar al de un martillo perforador a gran escala. Quizás no agradable, pero teóricamente plausible.