¿Qué se necesita para que una nave realice un vuelo que simule la ingravidez sin tener que volar una parábola/elipse empinada?

¿Qué tan rápido tiene que volar una nave en relación con la superficie de la Tierra para no tener peso en su interior?

Unos 15.000 nudos.

Los astronautas en la ISS se sienten ingrávidos con respecto a su nave porque están "volando" a la velocidad orbital correspondiente a su altitud, que como todos saben es "exactamente 17500 MPH".

STS110-353-012 (8-19 de abril de 2002) --- La astronauta Ellen Ochoa , especialista de la misión STS-110, posa junto a las señales de límite de velocidad en el nodo Unity de la Estación Espacial Internacional (ISS)." desde aquí .

Más fotos en esta respuesta a ¿Cuándo se publicó originalmente el letrero "LÍMITE DE VELOCIDAD 17500 MPH" de la ISS?

Velocidad orbital circular a distancia$a$del Geocentro es aproximada$\sqrt{GM/a}$donde el parámetro gravitacional estándar de la Tierra es 3.986E+14 m ³ /s ² y podemos tomar$a$ser 6378137 metros más la altitud de la nave. Habrá una pequeña corrección de aproximadamente una parte por mil debido al achatamiento de la Tierra (J2), pero podemos ignorarlo.

Por lo tanto, su nave tendría que "volar" a 7669 y 7844 m/seg a altitudes de 400 y 100 km (a la altitud de la ISS y en la línea Karman ) y 7887 m/s a 100 000 pies, que van desde aproximadamente 14900 a 15300 nudos

Obtener eso en relación con la superficie de la Tierra es una pequeña corrección de menos del 10% porque la velocidad de rotación de la Tierra en el ecuador es de aproximadamente 900 nudos y la dirección de la órbita no se especifica. Por "en relación con la superficie de la Tierra, supongo que te refieres a un sistema de coordenadas fijo de la Tierra centrado en la Tierra .

Entonces, aunque ninguno de estos vuelos anteriores llegó al espacio exterior de acuerdo con ninguna de las dos definiciones, me pregunto si fueron lo suficientemente rápidos y altos para que los pilotos se sintieran ingrávidos en sus aviones.

No. No es posible volar esos aviones a 15.000 nudos en el aire, el calentamiento aerodinámico los incineraría. Podría ser posible que un avión cohete alcance este tipo de velocidad en el futuro (vea las varias buenas respuestas a ¿ Cómo sería un "avión Kármán", un pájaro o un avión? ) y sabemos que los aviones reales pueden brevemente elevarse a la altitud de la línea Karman (¿ Cómo controlaba la actitud el X-15 sobre la línea Kármán? ) pero actualmente no existen naves que puedan alcanzar los 15.000 nudos o mach 22,5 y aún llamarse aviones .

Para lograr la "ingravidez", no necesita alcanzar una cierta velocidad, necesita lograr una cierta aceleración . La Tierra tira hacia abajo a aproximadamente 9,8 m/s^2, lo que significa que cualquier objeto que cae se vuelve más rápido en 9,8 m/s por cada segundo que cae. Por ejemplo, una pelota que cae de una torre (sin tener en cuenta la resistencia del aire) y tarda tres segundos en tocar el suelo, se moverá a unos 29,4 m/s cuando golpee porque tuvo tres segundos para acelerar.

Ahora, los humanos siempre estamos sintiendo la atracción de la gravedad de la Tierra sobre nosotros y la aceleración que "quiere" causar. Por ejemplo, si estoy en un ascensor y acelera hacia arriba, me siento más pesado. Si el ascensor acelera hacia arriba a 1 m/s^2 hasta que alcanza su velocidad de crucero, siento la gravedad de la Tierra (9,8 m/s^2) más la aceleración adicional del ascensor (1,0 m/s^2), por lo que en total siento ~11 m/s^2 o 1,1 "G" de "gravedad".

Esto significa que, para sentirse "ingrávido", uno necesita acelerar en la dirección del centro de la Tierra a 9,8 m/s^2 para "anular" el efecto gravitatorio normal que sentimos. Esto se logra en cualquier trayectoria parabólica, por lo que incluye básicamente todos los objetos lanzados (sin tener en cuenta el aire nuevamente). Cualquier objeto, ya sea una pelota, un ladrillo o una persona, sigue una trayectoria de vuelo parabólica cuando se lanza o deja caer en un área con gravedad. Por ejemplo, si lanzo una pelota, tan pronto como sale de mi mano, ya no se le impide acelerar hacia abajo (debido a la gravedad) y comienza a estar en caída libre. Ahora es "ingrávido".

La razón por la que los aviones que simulan la gravedad artificial van tan alto es porque acelerar constantemente hacia abajo requiere mucho espacio vertical. Puedes calcularlo fácilmente, si me estoy volviendo 9,8 m/s más rápido cada segundo que pasa, la velocidad comienza a aumentar rápidamente. Sí, se podría construir un ascensor que haga que los ocupantes pierdan peso brevemente, pero el viaje en ascensor sería muy corto incluso en el edificio más alto.

No es tanto una cuestión de velocidad sino de altitud: donde la presión atmosférica es lo suficientemente baja como para que no haya resistencia del aire, por lo que uno puede estar sin peso sin ninguna limitación de aire. Básicamente, la altitud donde hay un arrastre de aire lo suficientemente bajo como para que su parábola pueda ser de cualquier tamaño y donde no necesariamente tiene que caer inmediatamente sobre la Tierra.

Esto no es correcto. La resistencia aerodinámica es solo una de las razones por las que las parábolas de los aviones tienen los límites que tienen. La razón principal es que la aceleración vertical en la parábola es casi fija (incluso a altitudes muy altas, la aceleración gravitatoria es casi idéntica a la aceleración en la superficie).

Entonces, para volar una parábola larga con esa limitación, solo tienes dos opciones:

• extender la parábola muy alto
• haz que la parábola sea lo suficientemente ancha para que no entre en contacto con la tierra (ya no es realmente una parábola).

Lo primero no es posible con los aviones porque dependen de la presión del aire para funcionar. A medida que asciende, los motores no producen suficiente potencia y las alas no producen suficiente sustentación. Casi no hay forma de volar a 100k pies sin cohetes. Y debido a la aceleración vertical, duplicar la altitud no duplica el tiempo.

El segundo no es posible sin la velocidad horizontal mencionada en las otras respuestas. Permite que la trayectoria de vuelo no se cruce con la superficie terrestre.

Mi pregunta es: ¿qué velocidad / altitud / presión de aire exterior son necesarias para perder peso sin tener que volar una parábola empinada?

Una velocidad de 2 m/s, una altitud de 1 m y una presión de aire exterior de aproximadamente 1 atmósfera funcionarán perfectamente.

¿Cómo haces eso? Ve a buscar un arroyo, comienza a correr y salta sobre él. Esto hará que te sientas ingrávido, aunque por un período de tiempo extremadamente breve.

Usted podría estar pensando, "¡Eso no es lo que quise decir!" En realidad, eso es lo que quisiste decir. La sensación de ingravidez es causada por estar en caída libre, es decir, por no tener fuerzas significativas no gravitatorias actuando sobre ti. No hay absolutamente ninguna diferencia cualitativa entre saltar sobre un arroyo y estar a bordo de un vuelo espacial suborbital. En ambos casos, te sientes ingrávido exactamente por la misma razón.

Está bien, pero supongo que lo que realmente te interesa es estar sin peso durante un tiempo considerable y con una trayectoria de vuelo poco profunda.

Bueno, agregar altitud aumentará la duración de la ingravidez, pero hará que su ruta de vuelo parezca más empinada. Agregar velocidad hará que la trayectoria de vuelo parezca menos profunda y, si la velocidad es una fracción significativa de la velocidad orbital, también aumentará la duración de la ingravidez.

Entonces, ¿exactamente qué velocidad y altitud necesita para no tener peso durante una cantidad considerable de tiempo y para que su trayectoria de vuelo sea poco profunda? La respuesta depende completamente de lo que considere "una cantidad sustancial de tiempo" y "una trayectoria de vuelo poco profunda". Es imposible dar una respuesta más precisa sin tener una pregunta más precisa.

Esto es solo una adición a las otras respuestas cuyo objetivo es brindar las fórmulas reales que necesita para resolver este tipo de cosas.

Simplificando suposiciones: asumiré que la Tierra es esférica, su densidad depende solo del radio e ignoraré su rotación. Estas son buenas suposiciones de primer orden, pero probablemente no las use si desea lanzar una nave espacial a la Luna y espera que lleguen allí.

Trabajando la aceleración

Entonces, supongamos que la Tierra tiene un radio$R \approx 6371\,\mathrm{km}$y masa$M\approx 5.97\times 10^{24}\,\mathrm{kg}$. Y asumiremos que lo que queremos que sea ingrávido tiene masa$m\ll M$(entonces, esto será incorrecto para la Luna).$G$es la constante gravitatoria universal,$G \approx 6.674\times 10^{-11}\,\mathrm{m^2 N kg^{-2}}$

Entonces, un objeto no tiene peso si cae libremente en el campo gravitatorio de la Tierra. Entonces, usando Newton 2, la ley de gravitación de Newton y el teorema de la capa (¡también debido a Newton!), Si el objeto tiene una altura$h$por encima de la superficie, obtenemos

Así que esto te dice que para sentirte ingrávido, a una altura$h$sobre la superficie, entonces debes acelerar hacia el centro de la Tierra con$a = GM/(R + h)^2$. Podemos ver cómo esto varía con la altura. Aquí es para valores bastante pequeños de$h$:

Y aquí para los mucho más grandes

Entonces puedes ver que, para valores de$h$que son compatibles con estar en la atmósfera de estar en LEO,$a \approx 9.8\,\mathrm{ms^{-1}}$.

como logras eso$a$depende de ti. Saltar en el aire es un comienzo fácil.

Movimiento circular

Una forma particularmente interesante de hacerlo es intentar moverse, muy rápido, en un círculo alrededor de la Tierra. Esto es interesante porque es, en una buena aproximación, lo que hacen las naves espaciales en órbita.

Entonces, la aceleración de un objeto que se mueve con velocidad angular uniforme$\omega$en un radio$r$es$a = \omega^2 r$. Su velocidad lineal es$v = \omega r$& entonces$a = v^2/r$. Entonces, para que este objeto no tenga peso ( es decir, que esté en una órbita circular alrededor de la Tierra) tenemos

Esta es la rapidez con la que necesitas moverte en una órbita circular en altura$h$. Nuevamente, podemos trazar esto:

Tenga en cuenta que, en$h = 200\,\mathrm{km}$,$v \approx 7789\,\mathrm{ms^{-1}} \approx 17,420\,\mathrm{mph}$.

Así de rápido tienes que ir, en un círculo alrededor de la Tierra, para ser ingrávido.

Si tengo tiempo más tarde, agregaré los casos de órbita más generales.

La pregunta es qué altitud mínima, velocidad y presión/resistencia del aire exterior deben alcanzarse para volverse ingrávido sin tener que empujar el yugo para bajar la nariz de un avión espacial.

Según se informa, los humanos comienzan a percibir la gravedad lineal "correctamente" a 0,007 g. Así que definamos una ingravidez considerable como por debajo de 0,007 g (y por encima de menos 0,007 g). 0,007 g es 0,069 m/s².

De todos mis vuelos atmosféricos y espaciales en Orbiter2016 , puedo concluir que debe superar los 200 000 pies (61 km) para, cuando el motor esté en ralentí, perder peso sin tener que empujar el yugo, pero manteniendo el avión espacial flotando libremente sin controlarlo. . El acelerómetro de mi nave espacial muestra la gravedad en los ejes x, y y z. Por encima de 200.000 pies, la gravedad puede caer por debajo de 0,069 m/s² (y permanecer por encima de menos 0,069 m/s²) en los tres ejes si el motor está en ralentí. Esto no necesariamente ocurre inmediatamente.cuando deja el motor en ralentí pero cuando el avión espacial alcanza una cierta velocidad de cancelación, desaceleración o ángulo. Tampoco significa que tenga que dejar el motor de su avión en ralentí a 200 000 pies o más, puede dejarlo en ralentí a altitudes más bajas y dejar que el avión flote libremente, superando los 200 000 pies.

La velocidad por encima de esa altitud suele ser de alrededor de Mach 5-5,5 (5-5,5 veces la velocidad del sonido), que a esa altitud es una velocidad respecto al suelo de alrededor de 1-1,1 mi/s o alrededor de 1,5-1,8 km/s . La presión atmosférica por encima de 200.000 pies cae por debajo de 0,003 psi .

La ingravidez absoluta (para que los tres ejes muestren 0,000 m/s²) se puede lograr por encima de 54 mi (86,9 km) y su velocidad sería de alrededor de Mach 6,5-7,0 .

Entonces, según el muy realista Orbiter2016, estos parecen ser los requisitos mínimos para lograr la ingravidez sin bajar manualmente la nariz de un avión. A modo de comparación, el límite espacial definido por EE. UU. está a 264 000 pies (50 millas, 80,47 km) y el límite espacial definido por la FAI a 100 km (330 000 pies, 62,14 millas).

De los cinco ejemplos proporcionados en la pregunta, Mike Melvill en el vuelo 14P de SS1 puede haberse vuelto ingrávido.

Sólo puede hacer un movimiento vertical, un caso muy especial de un vuelo parabólico. Solo necesita la aceleración adecuada para obtener gravedad cero por un corto tiempo. Una torre de caída con un tubo de vacío como Fallturm Bremen servirá.

Una caída desde 110 m de altura ofrece 4,74 segundos de ingravidez. Usar una catapulta desde tierra duplicará el tiempo. Para un experimento de caída libre sin arrastre atmosférico, se vacía el tubo de vacío.