¿Puede un astronauta en caída libre cambiar su giro y orientación?

Imagine que un astronauta durante un EVA se suelta de la estación espacial y cae de ella dando tumbos. Sin ningún objeto extraño o aire con el que interactuar, ¿podría dejar de dar vueltas y girar y girar para mirar de nuevo hacia la estación espacial? La velocidad del giro se puede cambiar extendiendo o enrollando. Pero, ¿podría cambiarse o redirigirse el momento angular?

¿Por qué el astronauta "caería" de la estación espacial?
Si el astronauta estuviera por encima o por debajo de la estación, se alejaría de la estación en un sentido relativo. Si fueran más altos, su período orbital sería más lento. Si fueran más bajos, su período orbital sería más rápido.
física felina, me encanta

Respuestas (5)

El momento angular se conserva. Algo tiene que ser emitido o absorbido para cambiar el momento angular. La velocidad de giro se puede cambiar cambiando los momentos de inercia del objeto, como lo hace un patinador. Pero el momento angular es fijo a menos que tengan un cohete o alguna otra masa de la que puedan deshacerse, una vela solar (y mucho tiempo), una forma de reaccionar contra el campo magnético de la Tierra, o si alguien les arroja algo que captura. El gradiente de gravedad de la Tierra también puede aplicar un par contra el momento angular.

Podrían disminuir bastante su velocidad de giro con dos masas en cuerdas largas que juegan. Si luego sueltan las cuerdas, eso emitiría el momento angular transferido a las masas. Guardaría algunos de esos en mis bolsillos.

La orientación es otra cosa. Si el astronauta tiene una velocidad de giro de aproximadamente cero, puede cambiar su orientación sin tocar nada. Hay videos de esto que se está haciendo en la estación espacial. (Creo que puede encontrar un ejemplo en otra respuesta aquí en alguna parte). Los gatos también hacen esto en caída libre. Puedes hacer esto incluso si estás girando, pero el resultado es más difícil de ver. El eje de su giro no puede cambiar, ya que lo establece su momento angular, pero la orientación del cuerpo en relación con el eje de giro puede cambiar.

¿Qué pasa con el líquido chapoteando dentro del estómago? ¿Cuál es el marco de tiempo aproximado para que se disipe el impulso?
También estoy pensando en la estabilización del gradiente de gravedad:)
@DeerHunter: la energía angular puede disiparse si el objeto tiene cierta flexibilidad (como el burrito de anoche), pero el momento angular no. Esa disipación servirá para cambiar la orientación de los momentos de inercia para minimizar la energía angular. El marco de tiempo depende de la tasa de disipación de energía y la cantidad de energía angular que se puede reducir.
@DeerHunter: buena. Agregaré gradiente de gravedad a la lista.
Con respecto a la capacidad de cambiar la orientación, aquí hay un video (que vi en vivo mientras recorría el MCC) de Reid Wiseman y Steve Swanson haciendo exactamente eso: youtube.com/…
Para agregar más elementos de reflexión, debería poder transferir su momento angular a otro objeto sin soltarlo. Si tuviera un peso en el bolsillo y un trozo de cuerda, podría balancear el peso sobre su cabeza y, si tuviera el ángulo correcto, dejaría de girar. Estás aumentando la velocidad angular del peso para disminuir la tuya. El momento angular de usted y el peso como un todo no ha cambiado.
Probablemente debería tenerse en cuenta que un astronauta en un traje EVA probablemente carece de la destreza y la libertad de movimiento para hacer el baile de cambio de orientación, a pesar de la constricción del traje.

Solo hay dos formas en que podría hacer esto.

La primera es si tiene algo que pueda girar dentro de su traje, algo así como un CMG personal. Esto efectivamente "absorbería" el momento angular. Probablemente tendría que girar rápido o ser una fracción significativa de la masa del astronauta.

La otra es si puede arrojar algo como masa de reacción para contrarrestar el giro. El astronauta tendría que lanzar la masa con bastante precisión para poner a cero su giro. Esto tendría la (posiblemente) consecuencia negativa de impartir también un cambio en el momento lineal. No demasiado difícil si se trata de un propulsor de gas frío. Más difícil si es una pelota de tenis...

Además de la excelente respuesta de Erik, que es 100% correcta, hay un método teórico adicional que el astronauta podría usar para cambiar su giro y rotación.

Realmente no creo que a un humano se le ocurra esto solo, pero si un astronauta ya estuviera familiarizado con el reflejo de enderezamiento del gato , teóricamente podría enderezarse transfiriendo el momento angular a diferentes apéndices y luego cambiando la palanca del apéndice. y devolviendo el momento angular. Básicamente, esto significa extender las piernas, torcer el cuerpo, traer las piernas hacia adentro, luego extender los brazos, torcer el cuerpo y luego traer los brazos hacia adentro. Repita según sea necesario.

Aquí hay un video de un gato realizando la maniobra , y el video corolario Smarter Every Day .

Esto solo funciona para ese gato porque el gato golpea el suelo. Si el gato no golpeaba el suelo, seguiría girando. No obstante, un movimiento notable.
Este es un error común. Puede "volcar" temporalmente su momento angular en una extremidad y alejarla de usted, pero a menos que corte la extremidad, terminará girando a la misma velocidad, que puede ver en el video que vinculó. También son posibles cambios pequeños y permanentes debido a la resistencia del aire.
@Erik: no, no depende de que el gato detenga su giro (si lo hay) al impactar. Si dejas caer a un gato boca abajo con giro cero, el gato se enderezará, aún con giro cero, antes de tocar el suelo (si le das suficiente altitud).
@MarkAdler sí: las velocidades de giro coinciden antes y después del movimiento. Definitivamente puedes cambiar tu orientación, pero no tu momento angular.
Estoy de acuerdo con Erik. El momento angular debe conservarse. El astronauta puede reorientarse, pero la velocidad de giro antes y después de la maniobra será la misma, a menos que el astronauta pueda mantener sus apéndices extendidos para reducir la velocidad.
(Fuera de tema, pero: según estudios epidemiológicos, si le das a un gato suficiente altitud y tiempo (ventanas de rascacielos), primero se reorientará y luego adoptará una pose de paracaidismo para detener la rotación, limitar la velocidad terminal y distribuir las fuerzas de impacto lo más ampliamente posible , luego relájate, lo que permite que las fuerzas se distribuyan de manera uniforme. La supervivencia en realidad mejora por encima de un cierto rango de altura ya que el gato tiene tiempo suficiente para completar esta secuencia).

Si bien las respuestas de Erik y Mark son técnicamente correctas, un astronauta podría (al menos, en teoría) intentar algo arriesgado en una emergencia:

Si el astronauta tuviera algo afilado para hacer un agujero en su traje, o si el traje tiene un accesorio que podría arrancarse, podría usar el aire presurizado dentro del traje como una especie de cambio improvisado. propulsor Apuntado en la dirección correcta (hacia el giro), uno podría negar una pequeña cantidad de giro (a costa de parte del aire en el traje, por supuesto). Esto es algo que solo intentarías si la alternativa fuera una muerte segura, por supuesto...

Esto tendría como consecuencia una muerte segura.
Tenga en cuenta que en el caso reciente de un traje EVA que se llenó de agua en la ISS, el astronauta consideró abrir la válvula de presión para dejar salir parte del agua.
@DeerHunter: no si tuviera alguna forma de detener la fuga (lo que tendría que hacer de todos modos para mantener el control después de estabilizar su giro). Y suponiendo que su traje + suministro de aire tenga suficiente masa para detener su giro antes de que la presión sea demasiado baja para respirar. Tal vez un pequeño agujero en el dedo de un guante para ventilar el aire, con un par de alicates para cerrarlo. Aunque determinar experimentalmente el flujo y la orientación correctos para detener el giro no deseado parece poco probable en una situación de emergencia.

La NASA demostró que esto puede funcionar, allá por 1970. Si sucede, debe ser posible.

Para aquellos que no creen en la física: TR Kane y MP Scher de Stanford, California, en International Journal of Solids and Structures: "A Dynamical Explanation of the Falling Cat Phenomenon".

La búsqueda web mostrará fotos de astronautas (en trampolines, en su mayoría, en lugar de en caída libre) ejecutando este movimiento.

¿Puede un astronauta en caída libre cambiar su giro y orientación?
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