Un velocímetro es un indicador o dispositivo que se utiliza para medir la velocidad instantánea de un vehículo en movimiento en términos generales, por ejemplo, la lectura que se muestra en el velocímetro de un automóvil estacionado al costado de la carretera muestra cero, lo que implica que está en una posición estacionaria con respecto a la carretera o punto de referencia, etc. tiempo que los objetos circundantes están en reposo con respecto al suelo. Creo que algunos de ustedes ya ven a dónde va esto...
Corrección: este velocímetro en realidad cuenta cuántos giros da la rueda, lo que luego se puede traducir como una buena indicación de la velocidad del vehículo, pero no sin fallas, como se menciona en el comentario de Michael Kjörling.
Otro ejemplo es un velocímetro o registro de pitómetro que generalmente se ve en un bote o barco y lo dejaré para que descubra el mecanismo de trabajo. (pista: presión diferencial del agua)
Sé que con el GPS todavía se usa el velocímetro en la actualidad y mucho menos en el futuro, pero estoy seguro de que algunos de ustedes conocen las limitaciones.
notas
Preguntas
Una nave espacial podría medir el cambio rojo/azul de las estrellas a su alrededor.
Esto requeriría una base de datos de distribuciones de frecuencia de luz de estrellas medidas "en reposo". La comparación de los valores observados de las estrellas en diferentes ángulos en relación con la nave daría tanto la velocidad como la dirección de la nave (el desplazamiento máximo hacia el azul es hacia donde te diriges). Al incorporar la relatividad en el cálculo, esto debería funcionar para velocidades cercanas a la velocidad de la luz. también.
Dentro de un sistema planetario, su velocidad normalmente es lo suficientemente lenta como para que la medición de la posición de las estrellas y los planetas funcione.
En el combate espacial no importa la velocidad absoluta, solo la velocidad relativa y sobre todo la aceleración. Para eso, los giroscopios y los láseres deberían funcionar.
La nave estelar se está (presumiblemente) moviéndose de un punto a otro.
Esto significa que la única información relevante es la distancia desde el punto de partida y/o la distancia a la ubicación de destino.
Su velocímetro le da una velocidad medida en distancia por tiempo. Ahora, siempre que pueda medir la distancia a su objetivo, puede comparar dos medidas y obtener la distancia delta en el tiempo entre las medidas.
Esta es tu velocidad. Ahora todo lo que necesita es una pantalla donde se muestre este número.
Para una navegación útil, queremos conocer varios vectores de velocidad
Suponiendo que la física del mundo real y en realidad está utilizando trayectorias orbitales en lugar de navegación 'warp-to-target':
Vector de velocidad a la posición actual del objetivo. Esto es muy relevante cuando ya estás cerca del objetivo e intentas igualar las velocidades para una maniobra de encuentro. Es mucho menos relevante para la intercepción de largo alcance, ya que el objetivo también se mueve a lo largo de una trayectoria orbital y, por lo tanto, conducir constantemente "hacia" el objeto no es la forma más eficiente de llegar al objeto.
Su vector de velocidad orbital en relación con el pozo gravitacional dominante en el que se está moviendo. Esto le permite predecir su órbita con bastante precisión, suponiendo que no se encuentre con otros cuerpos masivos en el camino. Tenga en cuenta que las órbitas incluyen trayectorias hiperbólicas, como escapar de la órbita de un planeta.
Su vector de velocidad relativo a la superficie de un cuerpo que está orbitando. Esto tiene en cuenta la rotación del cuerpo sobre su propio eje y es bastante relevante para cosas como aterrizar o, por ejemplo, trazar la trayectoria de su láser de bombardeo orbital a través de la superficie.
¿Cómo se medirían estos vectores?
Recibir información sobre nuestro movimiento en relación con un observador, como la Tierra. Este sería el modo de operación más probable en una sociedad espacial típica, ya que tendríamos una red de puntos de observación y relés de comunicación que rastrean constantemente todos los objetos en el sistema.
Para la navegación aislada, una posibilidad es usar transmisiones de púlsares conocidos para calcular la posición.
Otra posibilidad es encontrar algo más moviéndose a lo largo de una órbita conocida y observar cómo se mueve. Esto requiere que estemos bastante cerca del objeto o que tengamos sensores realmente buenos.
Un ejemplo motivador de cómo se utilizarían estos vectores de velocidad
Para dar una idea de cómo funcionaría esto en la práctica, es útil considerar la órbita de transferencia de Hohmann , que es una forma eficiente de interceptar otro objeto que viaja en el mismo plano en órbita alrededor del mismo cuerpo. Este es el tipo de maniobra que usaría para transferirse de un planeta a otro, por ejemplo. El tiempo para realizar la intercepción no solo está determinado por la distancia entre los objetivos (que cambia a medida que se mueven en sus órbitas), sino que depende de varias cosas:
Se necesita tiempo para lograr la fase orbital correcta para la transferencia. Este es un 'tiempo de espera' incluso antes de comenzar la maniobra. En esta fase nos preocupamos por nuestras velocidades orbitales (y por lo tanto nuestras órbitas), ya que estas determinan el punto correcto para realizar la transferencia.
Lleva tiempo acercarse realmente al objeto. Esta es la duración real de la órbita de transferencia y es la analogía más cercana a la 'velocidad de viaje'.
Una vez que te acercas a tu objeto, puedes igualar la velocidad. Aquí es donde la velocidad al objetivo finalmente se vuelve útil. Una vez que haya igualado la mayoría de las velocidades, es probable que también siga con una maniobra directamente "hacia" el objeto. En este punto, las distancias y las velocidades relativas son muy pequeñas en comparación con las trayectorias orbitales, por lo que la gravedad es prácticamente insignificante y podemos fingir que las cosas se parecen más a la imagen intuitiva de las cosas que flotan libremente en el espacio.
Descargo de responsabilidad justo, todo lo que sé sobre la mecánica orbital lo aprendí jugando Kerbal Space Program. Obligatorio xkcd .
Supongamos que está viajando a una fracción apreciable de C. Lo más probable es que tenga algún tipo de protección para que la parte delantera de su nave (y luego la parte delantera de usted) no se desgaste con el medio interestelar. ¿Podrías encontrar algún tipo de dispositivo de medición que use la actividad de ese escudo? ¿Podría entonces combinar eso con una densidad conocida del medio interestelar?
Es muy simple: solo necesitas un acelerómetro preciso . Esto se conoce como un sistema de navegación inercial .
La aceleración se puede medir sin puntos de referencia externos. Solo asegúrate de medir tu velocidad inicial con precisión cuando todavía está navegando fuera del sistema solar, antes de encender el motor warp. A partir de entonces, solo mira el acelerómetro y calcula su nueva velocidad a partir de la aceleración medida: por cada segundo de aceleración en , añades a .
Si está acelerando de manera complicada, necesitará un acelerómetro por eje. Si te acercas a un planeta, deberás corregir la gravedad del planeta, pero luego tienes una referencia externa, por lo que puedes recalibrar.
Si eres una raza lo suficientemente avanzada, entonces podría ser ventajoso colocar una serie de 'balizas' que emitan pulsos con combinaciones conocidas de frecuencias.
Las balizas tendrían que estar muy juntas (en términos interestelares), debido a las limitaciones de nuestra tecnología de transmisión de señales (aún no somos tan poderosos como las estrellas), pero este sistema podría usarse para unir carreteras conocidas a través del espacio. con las balizas actuando como marcadores de 'millas' y satélites GPS.
El poder relativo de las señales de varias balizas se puede usar para calcular la ubicación en el espacio, y si combina este enfoque con la respuesta de Cyrus sobre el corrimiento al rojo, también obtiene velocidad con un poco más de precisión. 'Velocidad' se convierte entonces en un valor relativo a esta red de balizas.
Obviamente, este enfoque no funciona en un sistema estelar a menos que tenga una cantidad ilimitada de delta-V para mantener las balizas en su lugar, pero si está dentro del sistema, puede usar señales bombeadas desde cuerpos celestes conocidos (como la Tierra). ) para calcular la velocidad. Cualquier red en el espacio interestelar tendrá que cambiar ocasionalmente según el movimiento relativo de las estrellas, pero cualquier sistema que use las estrellas como referencia para el viaje interestelar tendrá que compensar eso de todos modos. Ah, y será costoso de construir y mantener, pero dependiendo de su nivel tecnológico y la necesidad de información de navegación sólida, podría valer la pena.
Una ventaja más: cuando tienes al menos 66 caminos de baliza diferentes, puedes construir algunos comensales espaciales increíbles.
1. ¿Cómo mediría la velocidad instantánea con precisión una nave espacial interestelar sin FTL o capacidad envolvente?
Otras respuestas implícitas, pero nadie declaró descaradamente la respuesta: NO PUEDE medir una velocidad absoluta, lo que se vuelve especialmente obvio en el espacio exterior. Por lo que podemos decir, no existe tal cosa. Incluso en la Tierra, su "velocidad instantánea" es en realidad relativa a... ¡la superficie de la Tierra! (Tenga en cuenta que, por definición, la "velocidad" es independiente de la dirección, y para una nave que se mueve en 3 dimensiones, el vector direccional de su velocidad es vital. ¡Shades of Wrath of Khan! )
A menos que el momento exacto sea importante, como trazar un "campo de batalla" intrincado o ir (bastante lento) entre planetas dentro de un sistema estelar, generalmente puede asumir que sus planetas no se están moviendo. Sólo la velocidad relativa entre las estrellas podría ser de algún interés, y rara vez lo sería. La posición relativa en el espacio tridimensional podría ser de interés, ya que podría haber una distancia considerable en el eje Z entre 2 estrellas que tienen coordenadas X e Y similares.
No preguntaste, pero afortunadamente, se sugirieron varias buenas sugerencias sobre cómo medir la velocidad relativa .
En la práctica, probablemente usaría una combinación de cosas para describir su velocidad, dependiendo de su tecnología, ubicación y velocidad relativa; (continúa en la explicación del #2).
2. Si la velocidad instantánea es inútil para los viajes espaciales, ¿qué tipo de medida se adoptaría en su lugar? (por ejemplo, se usa año luz en lugar de millas o kilómetros, etc.)
Eso dependerá de qué tan "rápido" vaya en relación con otros cuerpos en el espacio (que le interesen), es decir, su "velocidad delta". Algunos ejemplos podrían ser:
Sin duda querrías medir la distancia entre estrellas en años luz. Solía ser común usar parsecs, pero eso es muy Sol-céntrico.
Aceleración : probablemente en metros por segundo al cuadrado para tecnologías conocidas, o como se expresa comúnmente, tal vez en "gravedades" donde 1 G = 9,8 m/s/s: la aceleración debida a la gravedad al nivel del mar en el ecuador de la Tierra. Sin embargo, esto solo sería necesario si sus naves pudieran acelerar muy rápidamente. Los humanos desprotegidos solo pueden soportar unos pocos G, tal vez tanto como 6 G sin lesionarse.
La relatividad especial establece que la masa relativista de un objeto cambia dependiendo de su velocidad. Si tuviera que medir la masa relativista de un objeto en su nave, podría calcular su velocidad.
Esta respuesta asume que las leyes de movimiento de Newton están en efecto:
Para acelerar una embarcación a cierta velocidad, incluidas velocidades superiores a la velocidad de la luz, se requerirá energía para acelerar la embarcación. Si se conoce la masa aproximada de la embarcación, se conoce el consumo de energía de su sistema de propulsión y se conoce su eficiencia, puede determinar su aceleración y, por lo tanto, la velocidad actual.
Los sistemas modernos de control de motores de automóviles pueden controlar la cantidad de combustible que ingresa al motor y podemos determinar la eficiencia aproximada del combustible con ciertas pruebas básicas. En base a esto, en ciertos vehículos, podemos determinar la aceleración y, por lo tanto, la velocidad en función del consumo de combustible.
Esto no tiene ninguna base en la física relativista y se basa principalmente en la física newtoniana. Esto probablemente sea algo bueno, ya que si asumimos que podemos romper la velocidad de la luz por medios razonables, la física relativista es cuestionable.
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