Domanda:
Un "pianeta vivente" potrebbe alterare la propria traiettoria solo cambiando la sua forma?
Petr Pudlák
2016-06-14 16:39:24 UTC
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Nel romanzo di Stanislaw Lem Solaris il pianeta è in grado di correggere la propria traiettoria con mezzi non specificati. Supponendo che la sua quantità di moto e momento angolare sia conservata (non espelle né assorbe alcuna massa), sarebbe possibile (nella meccanica newtoniana) e come? In caso contrario, può essere dimostrato? Il presupposto è che il pianeta orbiti attorno a un sistema stellare (o forse una stella binaria).

Intuitivamente questo mi sembra possibile. Ad esempio, le forze di marea fanno sì che un pianeta perda la sua energia di rotazione, quindi sembra possibile che alterando la sua forma, un corpo possa alterare almeno la sua velocità di rotazione.

Le mie idee sono le seguenti: supponiamo di avere una canna ideale composta da due punti di massa collegati. L'asta ruota e orbita attorno a una massa centrale. Quando uno dei punti si sposta verso il corpo centrale, estendiamo l'asta, avvicinandola al centro. aumentando così la forza gravitazionale complessiva che agisce sull'asta. Quando uno dei punti si allontana dal centro, restringiamo nuovamente l'asta, diminuendo così la forza gravitazionale combinata. Non ho ancora eseguito alcuna simulazione, ma sembra che questo principio possa funzionare.

Update: Uno scenario ancora più complesso (che conserva la quantità di moto e il momento angolare) sarebbe se il pianeta espellesse un pezzo di materia e lo assorbisse di nuovo dopo un po 'di tempo.

Lo sai che la Terra trasferisce lentamente la sua energia cinetica rotazionale alla Luna attraverso gli effetti delle maree?Sono infatti possibili effetti di spostamento orbitale come questi, in particolare se potenziati da spostamenti ciclici di forma.In effetti, intorno a un buco nero ci sono orbite instabili da cui le cose possono essere espulse per la presenza di termini di ordine superiore nel potenziale effettivo e questo effetto può essere molto veloce.Dovrei fare calcoli dettagliati o porre una domanda per capire quanto velocemente questo può accadere per condizioni più "normali".Ma è sicuramente un effetto reale.
@WetSavannaAnimalakaRodVance in che modo esattamente gli effetti delle maree della Luna cambiano l'orbita della Terra?Penso che tu stia parlando del blocco della luna che non dovrebbe influenzare molto l'orbita in condizioni "normali".Ed è difficile avere un "pianeta vivente" vicino a un buco nero.
@AndriiMagalich No, questo non è il blocco delle maree, ma il trasferimento di energia cinetica / AM alla Luna dallo spin della Terra AM e KE.Vedi http://physics.ucsd.edu/~tmurphy/apollo/doc/Dickey.pdf, per esempio.La Luna si allontana dalla Terra di circa 4 centimetri all'anno.
@WetSavannaAnimalakaRodVance Hmm ... Sembra che tu abbia ragione, non ci ho pensato
@WetSavannaAnimalakaRodVance Anche se sono d'accordo con te sul meccanismo, credo che il meccanismo che descrivi sia precisamente il blocco della marea.
@Taemyr Grazie;Ho bisogno di rivedere questa roba, ma ho tenuto a bada perché questo tipo di problema mi risucchia davvero profondamente e potrei vedermi sprecare diversi giorni che non posso davvero risparmiare in questo momento!
+1 Sì, per Stanislaw Lem!Chiunque discuta seriamente l'accuratezza scientifica di una qualsiasi delle sue storie probabilmente perde il punto.
@jameslarge Niente di simile, è un'idea indipendente che mi è venuta in mente durante la lettura del romanzo.
Questo QA dovrebbe essere più sul sito di "costruzione del mondo"?
E se il pianeta fosse bloccato dalle maree e la biomassa racchiudesse il pianeta a un livello tale da consentire solo l'attività vulcanica in una direzione opposta alla direzione orbitale creando occasionali piccoli delta -v che allontanano il pianeta dalla stella?(Un po 'come il pianeta che scoreggia, ah ah.)
@JoeBlow può sicuramente vivere qui: suppongo che sarebbe rilevante per Worldbuilding, ma è una fisica molto reale e interessante.
Otto risposte:
Michael Seifert
2016-06-14 20:40:13 UTC
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Se si tiene conto della gravità non newtoniana (cioè la relatività generale), un corpo esteso può "nuotare" attraverso lo spaziotempo utilizzando deformazioni cicliche. Vedi il documento del 2003 "Swimming in Spacetime: Motion by Cyclic Changes in Body Shape" ( Science , vol. 299, p. 1865) e il documento del 2007 " Effetti del corpo esteso negli spaziotempo cosmologici " ( Classical and Quantum Gravity , vol. 24, p. 5161).

Anche nella gravità newtoniana, sembra essere possibile. Il secondo documento sopra citava "Propulsione orbitale senza reazioni che utilizza il dispiegamento del cavo" ( Acta Astronautica , v. 26, p. 307 (1992)). Non riesco ad accedere al testo completo; ma ecco l'abstract:

Un satellite in orbita può proporsi da solo ritirandosi e dispiegando una lunghezza del cavo, con un dispendio di energia ma senza l'uso della massa di reazione a bordo, come mostrato da Landis e Hrach in un articolo precedente. L'orbita può essere alzata, abbassata o la posizione orbitale cambiata, per reazione contro il gradiente gravitazionale. L'energia viene aggiunta o rimossa dall'orbita pompando la lunghezza del cavo nello stesso modo in cui si pompa un'oscillazione. Vengono discussi esempi di propulsione del cavo in orbita senza l'uso della massa di reazione, tra cui: (1) l'uso dell'estensione del cavo per riposizionare un satellite in orbita senza dispendio di carburante estendendo una massa all'estremità di un cavo; (2) utilizzando un cavo per il pompaggio dell'eccentricità per aggiungere energia all'orbita per il potenziamento e il trasferimento orbitale; e (3) la modulazione della lunghezza di un cavo rotante per trasferire il momento angolare tra l'orbita e lo spin del cavo, consentendo così cambiamenti nel momento angolare orbitale.

Se qualcuno vuole leggere l'articolo e modificare questa risposta di conseguenza con un riepilogo più dettagliato, non esiti a farlo. Come sottolineato da Jules nei commenti, il "documento precedente" menzionato nell'abstract sembra essere questo, che è disponibile gratuitamente.

L'idea di "nuotare nello spaziotempo" è stata discussa anche su StackExchange qui e qui.

Sebbene il documento non sia disponibile, il "documento precedente" menzionato nella tua citazione è probabilmente questo: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19890017506.pdf - anchesapendo che Geoffrey A. Landis è coinvolto, immagino che abbia una spiegazione per laici da qualche parte (anche se non sembra essere sul suo sito web se ce n'è una).
@Jules: Buona scoperta.Ho modificato la mia risposta per includerla.
Usare un cavo in questo modo applicherebbe una forza netta sul satellite con una forza opposta corrispondente sul corpo in cui orbita?Inoltre, è questo teorizzato o effettivamente utilizzato nello spazio in questo momento?
Nuotare nello spaziotempo senza il campo di fondo è estremamente inefficiente, però ... non andresti molto lontano usando quella tecnica.
Ho trovato il documento di riferimento originale: [Satellite Relocation by Tether Deployment] (http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19890017506.pdf) di G. A. Landis e F. J. Hrach, 1989.
la cosa del "nuoto nello spaziotempo" è un ** effetto incredibilmente piccolo **.
valerio
2016-06-14 19:23:41 UTC
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La conservazione del momento angolare ci dice che in un sistema isolato, il momento angolare total rimane costante sia in grandezza che in direzione .

La chiave qui è che la quantità conservata è il momento angolare totale : spin + orbital momento angolare.

Un esempio:

Per un pianeta, il momento angolare è distribuito tra la rotazione del pianeta e la sua rivoluzione nella sua orbita, e questi sono spesso scambiati da vari meccanismi. La conservazione del momento angolare nel sistema Terra-Luna risulta nel trasferimento del momento angolare dalla Terra alla Luna, a causa della coppia di marea che la Luna esercita sulla Terra. Ciò a sua volta provoca il rallentamento della velocità di rotazione di Terra, a circa 65,7 nanosecondi al giorno e in graduale aumento del raggio dell'orbita della Luna, a circa 3,82 centimetri all'anno.

(fonte: Wikipedia)

Supponiamo che il sole di Solaris non ruoti. Se la direzione dell'asse di rotazione di Solaris è $ \ vec n $, il momento angolare totale sarà

$$ \ vec L_ \ text {total} = \ vec L_ \ text {spin} + \ vec L_ \ text {orbital} = I \ omega \ \ vec n + M r ^ 2 \ Omega \ \ vec k $$

Dove $ \ omega $ è la velocità angolare di spin, $ \ Omega $ la velocità angolare orbitale e $ r $ la distanza tra Solaris e il suo sole.

Quindi, se Solaris è in grado di cambiare il suo momento di inerzia $ I $ cambiando la sua distribuzione di massa, vediamo che è effettivamente possibile che aggiusti la sua traiettoria, perché se $ I $ cambia allora $ \ omega, \ Omega $ e $ r $ dovranno cambiare per conservare il momento angolare totale.

Questo è sostanzialmente corretto, anche se ritengo incompleto: occorre annotare anche le condizioni di conservazione dell'energia.Sarebbe bello se si potesse trovare dei numeri attraverso un sistema completo di equazioni.
@WetSavannaAnimalakaRodVance Hai ragione, dovremmo includere il risparmio energetico e vedere cosa può realmente accadere.Non appena avrò un po 'di tempo aggiornerò di sicuro la mia risposta :-)
Sì, non è banale;Mi piacerebbe provarci anch'io, ma potrei vedermi perdere facilmente molte ore.In particolare se il corpo irregolare sta rotolando, così che il suo tensore $ I $ cambia sia per lo spostamento di forma che per il movimento dei suoi assi principali.Questo è forse un problema in cui gli assi principali non sarebbero così utili;Sono sicuro che deve essere stato affrontato da qualche parte nella letteratura.
Chris H
2016-06-14 21:00:56 UTC
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Un meccanismo diverso: su un lungo periodo di tempo, aumentando la superficie esposta al sole (appiattendo il pianeta), la pressione di radiazione aumenterebbe, aumentando l'orbita.Cambiare l'albedo sarebbe un mezzo più efficace per lo stesso scopo, ma potrebbe consentire anche la forza asimmetrica. In entrambi i casi, sarebbe più semplice in un pianeta bloccato dalla marea.Questo è stato proposto per deviare gli asteroidi.Estrapolando dalla figura 3 a quel collegamento, una superficie perfettamente riflettente della stessa scala dell'asteroide / pianeta richiederebbe millenni per una deflessione sufficiente per evitare che un asteroide / coemt colpisse la Terra.Non sembra esserci un limite alla scala temporale nella domanda, quindi supponendo che le scale temporali geologiche questo potrebbe essere ciò che stai cercando.

Penso che una combinazione sarebbe preferibile.Usa la pressione radiativa per guadagnare energia orbitale e rotazione.Quindi scambia la rotazione con più energia orbitale usando le forze di marea.
Petr Pudlák
2016-06-15 16:39:36 UTC
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Grazie alla risposta di Michael Seifert, ho trovato un documento a cui faceva riferimento: Satellite Relocation by Tether Deployment di G. A. Landis e F. J. Hrach, 1989.

Estendendo un cavo radialmente, un satellite può aumentare o diminuire la sua velocità orbitale (le immagini sotto sono copiate dal foglio):

Figure2. - Satellite relocation by extension and retracton of a tether.

Il principio quindi può essere utilizzato per pompare un'orbita eccentrica:

Figure 4. - Eccentricity pumping (schematic).

Allo stesso modo un pianeta come Solaris potrebbe quindi assumere una forma ellittica, prolungandosi in direzione radiale, per modificarne la traiettoria.

... anche se oso dire che è lecito ritenere che questo _non_ sia il modo in cui Solaris stabilizza la sua orbita.Questa sarebbe pura gravità newtoniana, ma il libro ci dice che Solaris in realtà modifica la metrica di Minkowski (in un modo che nessuno capisce).Probabilmente è anche necessario;Dubito che sarebbe sufficiente modulare un po 'l'ellitticità.Questi attacchi devono avere una lunghezza che si avvicini alla scala orbitale, quindi il pianeta dovrebbe praticamente _spaghettarsi_ se stesso.
Wolphram jonny
2016-06-14 21:43:34 UTC
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Puoi sempre utilizzare il processo di accelerazione / decelerazione delle maree.In natura questo processo potrebbe essere molto lento, come per il sistema Terra / Luna.Tuttavia, è sempre possibile accelerarlo aumentando artificialmente la frequenza delle oscillazioni di forma.In un sistema naturale l'accelerazione della marea si fermerà quando i due oggetti sono in blocco di marea (entrambi gli oggetti sono sempre uno di fronte all'altro), ma questo può essere superato.Il blocco della marea arresta l'accelerazione perché gli oggetti non cambiano più il loro momento d'inerzia.Se continui a modificare artificialmente la forma, il processo può continuare indefinitamente (ma diventerà più veloce man mano che i corpi si avvicinano o rallentano man mano che si allontanano). il prodotto finale, tuttavia, sarà un enorme cambiamento nella velocità di rotazione del corpo, che sarà la fine prodotto di questi cambiamenti di distanza.

Andrii Magalich
2016-06-14 16:45:40 UTC
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Conservando la quantità di moto e l'energia, l'unico modo possibile per cambiare la traiettoria di un pianeta è espellere una massa (grande) ad alta velocità in una direzione specifica, come fanno i razzi. Ma hai anche ragione sul fatto che aumentando il momento di inerzia, la velocità di rotazione può essere modificata. Ma questo non può influenzare il movimento del centro di massa.


Edit2: Altre risposte catturano ciò che mi sono perso mentre cercavo una soluzione rapida. L'interazione tra momento angolare rotazionale e orbitale può effettivamente produrre qualche effetto (credito a @WetSavannaAnimalakaRodVance e @ valerio92).

Supponiamo che l'asse di rotazione del pianeta e la sua orbita siano allineati. Quindi, abbiamo 2 invarianti:

$$ E = \ frac12 I \ omega ^ 2 + \ frac12 m R ^ 2 \ Omega ^ 2 - G \ frac {m M} {R} $$ $$ L = I \ omega + m R ^ 2 \ Omega $$

dove $ I $ è un momento di inerzia di un pianeta e $ \ omega $ è la frequenza di rotazione mentre $ \ Omega $ è la frequenza orbitante. $ m $ e $ M $ sono rispettivamente le masse del pianeta e una stella. Ora, escludiamo $ \ omega $:

$$ \ omega = \ frac {1} {I} (L-M R ^ 2 \ Omega) $$ $$ E = \ frac {1} {2 I} (LM R ^ 2 \ Omega) ^ 2 + \ frac12 m R ^ 2 \ Omega ^ 2 - G \ frac {m M} {R} $$

Per $ \ Omega $ abbiamo una condizione per rimanere in orbita:

$$ \ Omega ^ 2 R = G \ frac {M} {R ^ 2} $$ $$ \ Omega ^ 2 = G \ frac {M} {R ^ 3} $$

Quindi,

$$ E = \ frac {1} {2 I} \ left (LM R ^ 2 \ sqrt {G \ frac {M} {R ^ 3}} \ right) ^ 2 + \ frac12 G \ frac { M m} {R} - G \ frac {m M} {R} = \ frac {1} {2 I} \ left (LM R ^ 2 \ sqrt {G \ frac {M} {R ^ 3}} \ destra) ^ 2 - \ frac12 G \ frac {M m} {R} $$

Potrebbe esserci un errore da qualche parte, ma possiamo risolverlo per $ R $ e, mantenendo costanti $ L $ e $ E $, possiamo variare $ I $ cambiando il raggio dell'orbita.


Edit: Non direttamente correlato alla domanda formulata nel titolo.Ok, tra le opzioni futuristiche ci sarebbe la distruzione di alcuni oggetti vicini come i pianeti più vicini o la stella ospitante.Se questo non distruggerà il nostro pianeta, il corso cambierà sicuramente.Ma per farlo, è necessario disperdere accuratamente la massa paragonabile o molto più grande del pianeta.

Fondamentalmente, tutto si riduce a cambiare la distribuzione della massa.

Nemmeno in presenza di un campo gravitazionale di una stella (o più stelle) il pianeta orbita intorno?
Il campo gravitazionale conserva (almeno, molto, molto bene) l'energia e la quantità di moto.Inoltre, vedi il mio aggiornamento
Ma dovrebbe essere possibile usare la manovra gravitazionale come fanno le sonde cosmiche per ridurre al minimo la quantità di cose da far saltare in aria.
@AndriiMagalich La distruzione avrebbe bisogno di razzi e slancio o qualcosa del genere, se fosse fatto apposta per controllare l'orbita.
@annav Non necessariamente.Se fai esplodere la stella con un qualche tipo di ordigno nucleare (quasi senza quantità di moto e razzi coinvolti), la sua massa sarà dispersa ovunque e il pianeta perderà l'attrattore e più o meno continuerà ad andare avanti.Ovviamente, è necessario spostare delicatamente una grande massa nell'area esterna dell'orbita
e quel movimento non ha uno slancio che sarà equilibrato?Se uno dei pianeti attorno a una stella fosse una bomba naturale che potrebbe essere innescata dalla luce laser, ad esempio, si potrebbe sostenere che la piccola quantità di moto trasportata dal raggio laser non influenzerebbe realmente il centro di movimento di massa e se il pianeta che esplode finiscein alto nella stella e tutte le orbite vengono cambiate, troppe iff, ed è diverso dalla domanda.la tua risposta è corretta per il titolo.Il centro di massa definisce l'orbita
Su un punto pedante, tutto ciò che una stella * fa * esplode continuamente.Un singolo ordigno nucleare per far saltare in aria la stella è come usare un petardo per spostare completamente il monte Everest.
@Neil stiamo parlando di fantascienza qui :) È un dispositivo nucleare davvero, davvero grande.
LMSingh
2016-06-14 23:21:22 UTC
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Domanda divertente! Prova questa risposta molto semplice (newtoniana come hai chiesto) ..

Se un pianeta cambia la sua forma da una palla rotonda a una bobina di spago (cioè con un centro più spesso e estremità più sottili allungate) e supponendo che l'allungamento sia eseguito esattamente lungo la linea radiale verso la stella (Sole), allora per semplicità, la quantità di massa che si avvicina alla stella è la stessa quantità che si allontana dalla stella.

Preservare il momento angolare nello scenario di allungamento sopra implica che la velocità di rotazione del pianeta lungo il proprio asse aumenterà, tuttavia, per la stessa brevità, assumeremo che non ci sia alcun effetto giroscopico o insignificante in gioco e guarderemo solo le forze gravitazionali ... ...

Poiché la forza gravitazionale è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le masse, porta a un'inferenza ovvia / diretta che la somma della forza gravitazionale totale sull'intera massa del pianeta (la parte più vicina alla stella e la parte più lontana) aumenterà, quindi il pianeta verrà avvicinato.

Per rendere questo un po 'più chiaro .. Supponiamo che un quarto del pianeta (Parte A) si sia spostato di X km più vicino alla sua Stella / Sole. Allo stesso tempo, 1/4 del pianeta (Parte B) si è spostato di X km dalla Stella / Sole. Il restante 1/2 è rimasto alla distanza originale e non fa parte dei calcoli del cambiamento della forza gravitazionale. La forza G originale sulla ParteA aumenta in base alla formula newtoniana standard \ begin {equation} \ F = G * (m1 * m2) / r ^ 2 \ end {equation} Quindi questo significa che se "r" era originariamente Y km, ora è (Y - X) km. Il che significa che F (sulla Parte A) è aumentato inversamente proporzionale alla riduzione di "r". Significa anche che F (sulla parte B) è diminuito inversamente proporzionale all'aumento di "r", tuttavia a causa del quadrato inverso l'aumento è maggiore della diminuzione, quindi nel complesso il pianeta sta subendo più forza gravitazionale. Il che significa che il pianeta inizierà ad avvicinarsi alla stella.

Hmm .. ehi!è piuttosto interessante "un pianeta vivente che altera la sua forma perché vuole essere attratto più vicino al suo Sole".

Allo stesso modo se il pianeta cambia forma per essere più simile a una piastra appiattita lungo la traiettoria planetaria (cioè perpendicolare alla linea radiale), sarà in grado di ridurre l'attrazione gravitazionale e potrebbe allontanarsi dalla stella.

Quindi sì, un pianeta vivente che in origine era una palla rotonda, per l'alterazione abbastanza semplice della sua forma sopra descritta, potrebbe effettuare un cambiamento nella propria traiettoria.

I voti negativi non hanno senso.Se davvero pensi che la mia risposta non sia valida, commenta con la tua opinione invece di voti negativi improduttivi.Almeno avrei la possibilità di chiarire o spiegare.
Semplicemente non riesco a capire la tua logica, era la probabile ragione dei bassi.Ad esempio, perché la velocità di rotazione aumenterà in modo esponenziale?(Non ho votato contro.)
@peterh grazie.Modificherò il post per chiarire.Il riferimento alla velocità di rotazione è un effetto collaterale ma non rilevante per la forza gravitazionale.
Hagen von Eitzen
2016-06-16 23:15:15 UTC
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Un aspetto diverso da questo nel caso in cui stiamo davvero parlando di un pianeta vivente.Poiché la gravità entra davvero in gioco a quella scala, qualsiasi cosa delle dimensioni di un pianeta è così liscia rotonda che una palla da biliardo levigata si vergogna della propria imperfezione.Quindi, se questo essere è davvero delle dimensioni di un pianeta, è meglio che abbia una densità molto bassa ...



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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