Pequeño dispositivo propulsor de emergencia si queda atascado flotando en un gran volumen en microgravedad

Encontré una prueba del mundo real de esto. Dan Barry lo intentó cuando la STS-96 se acopló a la ISS. Escaneé su relato del libro " Transbordador espacial: los primeros 20 años " .

tl;dr - escapó tirando su ropa .

Transcripción:

DAN BARRY | Varado en el medio de la habitación

STS-96

Entrar a la estación espacial desde el orbitador por primera vez en 1999 fue una experiencia emocionante. Incluso con solo dos módulos, Unity y Zarya, el volumen de la estación era 10 veces mayor que el de Discovery.cubierta de vuelo y cubierta intermedia combinadas. Floté exactamente hasta el centro de Unity, donde no podía alcanzar las paredes, y me quedé varado en medio de la habitación. No es fácil quedarse varado: tuve que pedirle a mis amigos que me ayudaran a quedarme completamente quieto. Una vez que estuve inmóvil, mi cerebro permaneció convencido de que de alguna manera podría maniobrar o patearme contra la pared. Pero cuando extendí un brazo, mi cuerpo retrocedió y mi centro permaneció en medio de la habitación. Instintivamente traté de moverme rápido, luego despacio, luego pedaleé en bicicleta. Nada de eso ayudó. Solo tenía que esperar a que las corrientes de aire me arrastraran hacia la pared. Estornudar y escupir tampoco sirvió de mucho. Por otro lado, arrojar ropa lo más rápido que pude produjo suficiente reacción para enviarme a la pared opuesta.

UN PUESTO EN EL CIELO 117

¿Qué pasaría si solo llevaras contigo un par de globos desinflados?

Si alguna vez te quedas atascado, simplemente infla el globo y luego mantenlo cerca de tu centro de masa, apúntalo lejos de ti y deja salir el aire. Repite hasta que llegues a la pared.

Lo bueno es que un globo desinflado es lo suficientemente liviano como para que incluso puedas tener un par de repuestos.

En aras de la comparación, MÁS SEGURO es lo que parece 3 m/s-dV de gas comprimido. Dudo que seas capaz de ocultar eso.

Los ventiladores manuales son su mejor opción porque, a diferencia de todas sus otras opciones, no tienen su propia masa de reacción (bueno, si puede llamar a la batería en un puntero láser 'masa de reacción'). No moverán el aire particularmente rápido. , pero moverán cantidades relativamente grandes durante mucho tiempo en comparación con las opciones de gas comprimido/mini-ion.

De hecho, los ventiladores son una opción tan buena que muchos aviones usan versiones ampliadas para una propulsión altamente eficiente.

En el espíritu de la pregunta, busquemos la opción más simple posible.

Necesitamos cubrir 100 metros en 600 segundos (10 minutos). Esto significa que necesitamos una velocidad de

¿Qué pasa si eres un jugador de béisbol profesional? La velocidad de lanzamiento récord mundial es de alrededor de 40 m/s, por lo que este parece un buen lugar para comenzar. Supongamos que usted también tiene una pelota sobre usted en todo momento.

Digamos que eres un poco flaco, alrededor de 60 Kg, y la pelota es un poco pesada, alrededor de 150 g,

La pelota obtendrá el 99,75 % de la velocidad y tú solo el 0,25 %.

Así que no vamos rápido a ninguna parte, pero llegaremos en un cuarto de hora. Si quieres llegar allí en la marca de 10 minutos, lanza algo más pesado o intenta romper el récord mundial de velocidad de lanzamiento. También podrías hacer dieta antes de quedar atrapado, pero eso requeriría una previsión asombrosa.

Lanza un paracaídas que se abre cuando llega al final de una cuerda. Tire hacia atrás rápidamente. Esto le dará impulso (más de lo que tomó para lanzar el paracaídas). Podría funcionar como capa, turbante, taparrabos o mumu.

Aquí hay un par de (malas) ideas:

• Haz un cinturón de macramé con 100 m de cuerda y asegúrate de que la hebilla sea magnética. Quítate el cinturón, desata los nudos y luego ata algo.

• Use un par de abanicos . Serían razonablemente fáciles de ocultar y deberían mover más aire que tus pulmones.

• Lleva una radio pequeña y pide ayuda. Esto probablemente no funcionará si eres víctima de una broma, pero nunca se sabe.

No me molestaría con un tanque de gas comprimido, es demasiado fácil quedarse sin combustible.

Del mismo modo, un electroimán gigante lo suficientemente grande como para atraerlo hacia su objetivo puede ser un poco poco práctico y difícil de ocultar en su cabello.

Si necesitas poder recorrer 100 metros en 10 minutos, y tienes una masa de 70 kg, entonces el impulso mínimo que tienes que poder darte es$70\cdot \frac{100}{600} \approx 12 \rm{~kg~m/s}$. Suponiendo que tiene el brazo de un lanzador de béisbol profesional, que sería capaz de lanzar una pelota de 145 gramos a velocidades de hasta 160 km/h (45 m/s), vemos que tendría que llevar consigo dos pelotas de béisbol (u objetos de masa equivalente). Esta es la razón por la que llevar un ventilador plegable muy pequeño se convierte rápidamente en una opción más atractiva: no necesita llevar toda la masa si puede mover el aire a su alrededor.

Un simple ventilador de mano podría dar una velocidad de aire de 2 m/s sobre un disco con un diámetro de 20 cm. Tal ventilador movería 75 g de aire por segundo, para una fuerza neta de 0,15 N; aplicando esa fuerza a tu cuerpo de 75 kg, acelerarías con a=0.002 m/s$^2$. Esto significa que en 10 minutos puedes cubrir una distancia de $\frac12 at^2 = 380 m, lo cual es suficiente.

La diferencia está en el hecho de que su ventilador aprovecha la masa de aire que lo rodea. Esta es la razón por la que los cohetes son tan grandes: no solo tienen que transportar su combustible, sino que, en esencia, su propulsión es el resultado de expulsar masa por el tubo de escape. Cuando puede mover el medio a su alrededor, puede ser mucho más eficaz.

Tenga en cuenta que una lata de "aire de emergencia" nuevamente no le dará el resultado que desea. Es ese molesto producto de masa y velocidad lo que importa...

En cuanto a la cuestión de la potencia: si suponemos una eficiencia del motor del 25%, la potencia eléctrica tiene que ser cuatro veces la energía cinética del aire que se mueve por segundo. Entonces la potencia del motor tiene que ser

Mantener esto durante 10 minutos requeriría 0,1 Wh de energía.

Un pequeño ventilador portátil con dos baterías de tamaño AA tendría una capacidad de aproximadamente 1600 mAh * 3,0 V = 4,8 Wh. Que es 48 veces más de lo que necesitas. Tenga en cuenta que a medida que el área del ventilador se vuelve más pequeña, la potencia requerida para el mismo impulso aumenta (básicamente, necesita una mayor velocidad de menos aire). Este enfoque tiene cierto margen para una mayor miniaturización: dejaré que usted descubra los detalles de eso. Por cierto, esta es la razón por la que el "helicóptero" de propulsión humana que ganó el desafío Sikorsky tenía rotores de decenas de metros de diámetro...

Su pregunta requiere una velocidad muy baja. 100 metros en 10 minutos es 0,166 m/s.

Por mis cálculos usando$Ek=\frac 1 2 mv^2$, suponiendo que pesa 80 kg, entonces necesita 1.10224J de energía. Si tienes algo en tu persona que puedes tirar a 5 m/s, entonces reorganizando la ecuación da lo siguiente:

$m=\frac 2 {v^2} Ek$

$m=\frac 2 {5^2} 1.10224J = 0.088kg= 88g$

Creo que mis valores y unidades editados son correctos esta vez, por lo que creo que 88 g sigue siendo bajo, aunque se descontrolaría una vez que se moviera.

Cualquier equipo adicional que pueda llevar para ayudarlo a escapar también podría ser arrojado. Como dijo UIDAlexD, un ventilador podría funcionar, pero simplemente arrojar el ventilador lejos de ti sería suficiente para que te muevas.

Un pequeño dispositivo relativamente barato (como se especifica) que emplearía no una sino varias formas de fuerza motriz, de modo que podría usarse en una variedad de escenarios. En primer lugar, tendría una fuente de energía confiable y capaz... como una batería de almacenamiento de polímero de litio decente para empezar. Esa sería su base para este dispositivo. Luego, emplee una forma de electroimán que se puede extender en una extensión corta como un palo de selfie... lo que le permite ubicar un complemento magnético en su entorno inmediato para atraerlo. Si no hay objetos magnéticos (ferrosos) complementarios para aprovechar la influencia móvil, entonces la opción (B) sería un pequeño bote de gas inerte desechable (como CO2 o helio) para usar en situaciones intratables en las que realmente está abandonado sin nada más. para ayudar a su inmovilidad. Entre esos dos,

Inhale con la boca y genere empuje desde la fosa nasal, continúe hasta que haya escapado del peligro.

Proporcione estimulantes externos que pasen a través de los vellos nasales para llegar a la mucosa nasal, lo que permite activar movimientos musculares direccionales controlados en la parte superior del cuerpo (para obtener resultados más rápidos).

Sinceramente, no puedo entender por qué el voto negativo, pero aquí están los detalles.

Dinámica del flujo de aire de los jets humanos: estornudos y respiración

El "Generador de empuje forzado de las fosas nasales de emergencia" tiene como objetivo proporcionar un empuje direccional controlado utilizando nada más que los movimientos del cuerpo humano.

Como puede ver en la imagen proporcionada en este diario, la teoría clásica de utilizar la respiración para acumular velocidad con el fin de escapar es ineficiente en el mejor de los casos por dos razones.

1. La teoría clásica no parece sostenerse en condiciones de microgravedad. La noción tradicional era, inhalar lentamente desde todas partes, exhalar rápidamente concentrado y listo. Sin embargo, mirar los movimientos de aire/fluido en la ISS indica lo contrario. Aquí están las matemáticas. Sea p la densidad del aire , el área de la superficie de la boca A y la velocidad del flujo de aire de la boca sea u , lo siguiente se cumple al exhalar.$-pAu2$del trabajo se realiza con el tiempo. por lo tanto, empuje inverso de$pAu2$se genera para avanzar. Mientras que el flujo de aire del pulmón a la boca sigue una sola ruta, tan pronto como sale de la boca, el flujo de aire se dispersa en todas las direcciones posibles, independientemente de la forma de la boquilla. El volumen neto de entrada y salida sigue siendo el mismo a menos que cambie el vector de entrada y salida a una dirección diferente. Si hubo incluso un cambio visual en la dirección del flujo de aire, esto se deberá a la densidad del aire mismo. (ya que no existe el flujo natural de aire en condiciones de microgravedad. ¿Recuerdas POR QUÉ la ISS obligó a encender el aire acondicionado?). En pocas palabras, cuando exhalas aire en microgravedad, el aire simplemente se queda allí, no obtienes un empuje neto si sigues mirando en la misma dirección. No puede confiar en la forma externa del flujo de aire para impulsarse.

El campo de la dinámica de fluidos parece representar un modelo más cercano del flujo de aire en condiciones de microgravedad que el modelo clásico de la tierra al que estamos acostumbrados...

2. Problema de control de movimiento Cuando intentamos usar la respiración como método de autopropulsión, la dificultad radica en cambiar el vector de movimiento. Desea limitar el movimiento del cuerpo tanto como sea posible aquí, pero generar un empuje controlado.

La fosa nasal está ubicada en el extremo más alejado de la masa corporal, pero mira hacia abajo, hacia el centro de gravedad, con la abertura de la boca ubicada en un ángulo de aproximadamente 90 grados, lo que permite que la entrada y la salida se posicionen en un plano diferente en un momento dado. , una propiedad muy deseable. Y el empuje generado siempre está controlado por la cantidad de aire que se respira.

¿Por qué pedí meter un objeto alienígena en la nariz? La pregunta que tenemos es un escenario muy real y probable, que puede suceder en situaciones de emergencia. Bajo el supuesto, no sería una buena idea esperar que el soporte vital y otros sistemas de flujo de aire funcionen (de todos modos, no estaría atascado si estuvieran funcionando correctamente en primer lugar)

"Proporcionar estimulantes externos que pasen a través de los vellos nasales para llegar a la mucosa nasal, lo que permite desencadenar movimientos musculares direccionales controlados en la parte superior del cuerpo" es realmente la forma más rápida y eficiente de generar impulso instantáneamente para evacuar el peligro con un recurso mínimo. (pero supongo que la gente pensó que estaba bromeando).

Razonamiento en el diseño Dada la condición, realmente solo tiene aire como posible propulsor. Existe un problema de ingeniería conocido entre tamaño/eficiencia para proporcionar empuje de aire mediante un motor de turbina mecánica.

Esto nos deja en un problema bien conocido de masa limitada, potencia limitada, un área en la que se ha trabajado en la Tierra, en el campo del diseño de aeronaves propulsadas por humanos.

La clave en tales restricciones es reemplazar tantos componentes de ingeniería como sea posible con el cuerpo humano, utilizando el cuerpo humano como parte del diseño en lugar de ser solo una carga útil.

Al diseñar un generador de empuje teórico, tiene dos opciones (1) colocarlo en el centro de gravedad o (2) en la punta de la estructura, dirigiendo la boquilla hacia el centro de gravedad.

Usando la fosa nasal y mirando hacia abajo, creo honestamente que esta es una solución muy elegante para proporcionar un impulso controlado de manera controlada. Permite reemplazar la boquilla y el generador de empuje de aire con la fosa nasal y los pulmones.

La pieza final del rompecabezas es "movimientos musculares controlados de la parte superior del cuerpo", y aquí intencionalmente no escribí estornudar porque no era eso lo que quería decir. Si bien es cierto que el experimento de estilo MacGyver (pimienta en la nariz) propuesto es desagradable, fue para mostrar cuánto empuje potencial puede generar el cuerpo humano cuando se trabajan los músculos apropiados en el orden deseado.

Puede parecer una tontería, pero siempre me tomo muy en serio mis respuestas.