Ora, la domanda: se, mentre si trova all'interno di una stazione spaziale rotante, l'astronauta salta molto in alto, non sperimenterebbe la gravità zero fino a quando non toccherà di nuovo una parte (muro o pavimento) della stazione? Mi manca qualcosa nella mia comprensione?

Bene, ecco una domanda correlata. Supponi di trovarti in un ascensore all'ultimo piano di un grattacielo quando il cavo si spezza improvvisamente. Mentre l'ascensore precipita, ti rendi conto che morirai all'impatto quando tocca il fondo. Ma poi pensi, e se salto appena prima che succeda? Quando salti, ti muovi verso l'alto, non verso il basso, quindi non ci sarà alcun impatto!

L'errore qui è lo stesso di quello che hai fatto sopra. Quando salti nell'ascensore, inizi davvero a muoverti verso l'alto rispetto all'ascensore, ma ti stai comunque muovendo a una velocità tremenda verso il basso rispetto al suolo, che è ciò che conta.

Allo stesso modo, quando ti trovi sul bordo di una grande stazione spaziale rotante, hai una grande velocità rispetto a qualcuno che si trova fermo al centro. Quando salti, è vero che stai salendo rispetto al pezzo di terreno da cui sei saltato, ma hai ancora quell'enorme velocità tangenziale. Non lo perdi solo perdendo il contatto con il terreno, quindi nulla della storia cambia.

Se salti, sei in caduta libera, a parte la resistenza dell'aria, quindi sei senza peso.Questo vale per qualsiasi salto.Per un breve momento, sperimenterai la gravità zero!

A quanto ho capito, affinché la forza centrifuga (che è responsabile della creazione della gravità, in questo caso) funzioni, l'oggetto su cui lavora deve essere attaccato al "raggio" o al "cerchio" delle ruote.

Non esattamente. La "forza" centrifuga è ciò che è noto come "pseudo-forza". È il risultato dell'analisi degli eventi utilizzando un sistema di riferimento non inerziale. Se sei su una giostra e tratti la giostra come se fosse ferma mentre il mondo gira attorno ad essa, scoprirai che gli oggetti hanno la tendenza ad andare verso l'esterno della giostra. il giro. Quindi, all'interno del punto di vista "La giostra è stazionaria", devi posizionare una certa forza che spinge gli oggetti lontano dal centro, che è la forza centrifuga.

Ma questa forza non esiste "realmente": quando analizzi la situazione dal punto di vista di qualcuno che non è sulla giostra, gli oggetti viaggiano in linea retta. È solo che qualsiasi linea retta andrà necessariamente via dal centro. (Disegna un cerchio, quindi traccia una linea retta accanto ad esso. Immagina di viaggiare lungo quella linea. Dal punto di vista del cerchio, ti stai prima avvicinando, poi ti allontani.)

Quando qualcosa ruota, la sua velocità cambia costantemente: sebbene la sua velocità sia costante, la direzione cambia, quindi la velocità cambia. Cambiare velocità significa accelerazione e accelerazione significa forza. Questa forza è diretta verso il centro. Immagina di guidare intorno a un cerchio in senso antiorario. Se dovessi lasciare andare la ruota, voleresti fuori dal cerchio. Devi girare costantemente a sinistra per rimanere sul cerchio. Quindi c'è una forza, ma è verso il centro del cerchio, ed è chiamata forza centripeta.

Da un punto di vista del sistema di riferimento inerziale, è necessaria una forza per rimanere sul cerchio; la forza centripeta. Ma da un sistema di riferimento di movimento circolare, l'oggetto è fermo. Quindi, se c'è una forza centripeta che attira l'oggetto, deve esserci un'altra forza, la forza centrifuga, che lo spinge fuori. Quindi, se ti trovi in ​​una stazione spaziale rotante, sentirai una forza del pavimento che ti spinge "su" verso il centro della stazione spaziale, e poiché ti sembra di essere a riposo (la stazione spaziale si sta muovendo con te), sembrerà che ci debba essere una forza che ti spinge "giù" sul pavimento.

Il punto importante qui è che il contatto con il pavimento fornisce la forza centripeta, ma la forza centrifuga esiste nel sistema di riferimento indipendentemente dal contatto con il pavimento. Torna all'esempio della guida in cerchio. Supponi di far cadere una palla in macchina. Prima che tu lo facessi cadere, si muoveva con l'auto, e così proprio come l'auto aveva una forza centripeta che si mantiene in movimento circolare, la palla aveva una forza centripeta su di essa. Ma per la frazione di secondo che è nell'aria, non ha la forza centripeta.

Per un osservatore esterno, l'auto sta girando a sinistra, mentre la palla si muove in linea retta. L'auto accelera a sinistra nella palla e quando la palla cade, è a destra del punto in cui è stata lasciata cadere. Per qualcuno in macchina, tuttavia, sembra che l'auto sia ferma e la palla acceleri verso destra.

Allo stesso modo, se dovessi saltare nella stazione spaziale, dato che stai percependo cose nel quadro di riferimento della stazione spaziale, sembrerà che tu stia accelerando verso il pavimento. Questa apparente accelerazione esiste indipendentemente dal fatto che tu stia toccando la stazione spaziale. Il fatto che tu stia accelerando nel quadro di riferimento della stazione non richiede un contatto fisico con la stazione perché non è un fenomeno fisico. È semplicemente un attributo del sistema di coordinate.

Tutto questo si applica localmente: se salti in alto, il tuo movimento, nel sistema di riferimento della stazione, su piccola scala sarà lo stesso come se fossi trascinato giù dalla gravità.Questa è un'approssimazione che si interrompe man mano che si va a scale più grandi.Queste deviazioni dall'approssimazione si manifestano come altre pseudo-forze, come la forza di Coriolis.Quindi essere a contatto con il pavimento è importante in quanto ti mantiene in movimento con la stazione e riduce queste deviazioni.

Questo è un problema di inerzia. La formulazione della tua domanda presuppone che l'astronauta perda inerzia quando salta, facendo sì che la sua traiettoria ascendente sia l'unica forza agente principale. In qualsiasi punto durante la rotazione in una posizione stazionaria, l'inerzia dell'astronauta è verso l'esterno dal percorso di rotazione con un angolo di 90 gradi dalla linea che collega l'astronauta e l'asse di rotazione. Quando l'astronauta salta, questa inerzia viene mantenuta e vengono generate due nuove forze, vale a dire la forza che l'astronauta esercita sulla stazione spaziale (con conseguente accelerazione trascurabile da parte della stazione spaziale) e la forza che la stazione spaziale esercita sull'astronauta ( con conseguente accelerazione non trascurabile da parte dell'astronauta verso l'asse di rotazione). La velocità relativa dell'astronauta è correlata linearmente alla somma vettoriale della forza inerziale che agisce su di lui e alla forza del suo salto. Questo è il motivo per cui la "gravità" avvertita dall'astronauta è determinata dalla velocità angolare del pavimento della stazione; maggiore velocità angolare significa maggiore inerzia nonché maggiore forza centripeta (e centrifuga), il che significa che è necessaria una forza maggiore (applicata saltando) per ottenere lo stesso spostamento (relativamente) verticale.

La sensazione di essere schiacciati a terra in una camera di gravità artificiale è dovuta al pavimento rotante che spinge l'astronauta verso l'asse di rotazione, quando l'astronauta (dal punto di vista della fisica) vuole continuare a percorrere il percorso inerziale. Questa forza risultante in questa accelerazione centrale è la forza centripeta, mentre la forza contraria emessa dall'astronauta sul pavimento della stazione spaziale è la forza centrifuga.

Puoi trovare queste informazioni in qualsiasi libro di fisica di livello universitario di base; prestare particolare attenzione ai capitoli che trattano il momento angolare e le forze gravitazionali / circolari. Fondamenti di fisica di David Halliday e Robert Resnick era quello che usavo al college.

Ecco un esperimento davvero semplice che puoi eseguire subito.

Ti trovi sulla superficie della Terra che ruota, a seconda della tua latitudine, da qualche parte tra 1000 e 1600 km / h. Se ne hai il coraggio, alzati e salta. Ti sei improvvisamente sbandato lateralmente a grande velocità? No. Allo stesso modo una lampada che pende dal soffitto non viene lanciata violentemente da un lato nonostante non tocchi il suolo.

Il tuo slancio è conservato. E la quantità di moto è massa x velocità. La tua massa non cambia quando salti, quindi possiamo solo parlare di conservazione della velocità.

La velocità è un vettore che significa che ha una grandezza e una direzione. Fermo, stai viaggiando, diciamo, a 1200 km / h di lato, ma lo è anche la superficie della Terra, la tua casa e l'aria, quindi non lo percepisci. Quando salti, mantieni quella velocità laterale di 1200 km / h e aggiungi circa 2 m / s di velocità verso l'alto. Poiché tutto il resto si muove lateralmente con te, tutto ciò che percepisci è il salto verticale.

Ma viene conservato solo il tuo momento lineare . La gravità ti tiene bloccato sulla Terra in rotazione. Se dovessi in qualche modo annullare l'attrazione gravitazionale della Terra, ti ritroveresti lentamente, e poi sempre più rapidamente, sembrando emergere dalla superficie della Terra. La tua quantità di moto lineare ti trasporta lungo una linea retta, ma la superficie della Terra è curva. Sembra che la superficie stia cadendo, ma senza che la gravità ti attacchi alla superficie, viaggerai in linea retta su una superficie curva.

Questa differenza tra il momento lineare e angolare è la forza di Coriolis e ha effetti pratici sulla Terra e su una stazione spaziale. Sulla Terra è per questo che turbinano le tempeste. La scala molto più piccola su una stazione spaziale può avere effetti sottili se lanci una palla, spari con una pistola o persino sull'orecchio interno.

Non stai commettendo alcun errore se non pensando che la "gravità artificiale" potrebbe essere quasi costante su una regione grande quanto la struttura stessa.È davvero sempre si applica solo a una regione "molto più piccola" della struttura stessa.

Quindi, sì, un grande salto (su e indietro sulla ruota) potrebbe farti passare attraverso il al centro della ruota, dove fluttueresti.O, più semplicemente, correre veloce abbastanza (all'indietro sulla ruota) ti farà levitare.

Questa variazione non costante della tua "gravità artificiale" nello spaziotempo esisteva già spiegato come una "forza di marea" nel commento di my2cts.

Ovviamente, il problema più grande con la supposizione di diventare "senza peso" (ritornare a uno stato G nullo) facendo un "grande" salto è questo: supponendo che l'OP non stesse parlando di una micro-gravità creata (. 2G o meno) ma più vicino a una piena gravità (standard terrestre), è la dimensione della "stanza" richiesta per creare tanta forza di marea. Più è piccolo, più velocemente dovrebbe ruotare per creare una forza centripeta sufficiente a dare l'impressione di quella 'gravità', e successivamente più sottile è la banda di quella 'gravità', più è lontana dalla zona di quella 'gravità' minore è la forza.

Quindi, a meno che non si trattasse di una stupida e minuscola stanza di filatura, la dimensione della "stazione" necessaria per creare una sensazione di "gravità naturale" supererebbe di gran lunga la capacità dell'astronauta di saltare senza propulsione esterna. In quel caso, ovviamente, la capacità di viaggiare al di fuori della "gravità" funzionale in zone sempre più accelerate (rimuovendo la propria velocità impartita lateralmente) potrebbe quindi raggiungere il centro 0G della stazione o della stanza.

Tuttavia, con il concetto aggiuntivo di scala, lo stesso si potrebbe dire della Terra stessa. Se potessi "saltare" a un'altezza "abbastanza alta", potresti raggiungere 0G (non proprio, ma una micro gravità sufficiente da essere indistinguibile da 0G). Questo fa riflettere, poiché non solo una stazione del genere dovrebbe essere ABBASTANZA grande, ma faresti meglio a indossare una tuta a bassa pressione allo stesso tempo, poiché l'atmosfera dovrebbe essere piuttosto sottile, poiché l'azoto / L'atmosfera di ossigeno sarebbe INOLTRE influenzata dalla forza centripeta della rotazione della stazione, quindi non solo sarebbe sottile, ma sicuramente non composta dai gas adatti alla respirazione (gas più leggeri che salgono al centro di rotazione) ... Almeno questo è quello che ho mi aspetto.

Mentre ti trovi sul pavimento di questa navicella spaziale rotante, ti stai effettivamente spostando lateralmente insieme al pavimento.

Se continui lateralmente in linea retta, dovresti passare attraverso il pavimento poiché il pavimento ruota in un cerchio che attraversa la linea retta della tua traiettoria. Questo ovviamente non accade perché stai spingendo contro il pavimento e il pavimento sta spingendo contro di te. Questa spinta è ciò che dà l'impressione di gravità e ti fa ruotare insieme al pavimento.

La spinta tra te e il pavimento è perpendicolare alla tua direzione di movimento.

Una volta che salti, la spinta sarà brevemente maggiore del necessario per mantenerti nel cerchio in cui si muove il pavimento, quindi ti allontanerai dal pavimento. La tua accelerazione fino a quando non ti alzi dal pavimento è ancora perpendicolare al tuo movimento laterale. Quindi i due non si annulleranno, ma ti muoverai in una direzione "diagonale" che ti allontana dal pavimento.

Una volta che non tocchi più il pavimento, continuerai su una linea retta. Tuttavia, qualsiasi linea retta all'interno di un cerchio dovrà eventualmente incontrare di nuovo il cerchio. A quel punto cadrai a terra.

Se volessi provare l'assenza di gravità all'interno di questa imbarcazione, dovresti annullare il tuo movimento laterale. Non lo fai saltando, ma piuttosto camminando o correndo contro la direzione di rotazione finché non hai annullato il movimento laterale.

Mentre cammini o corri alla giusta velocità, puoi fare un piccolo salto per allontanarti dal pavimento.

Se lo indovini esattamente, finirai per fluttuare all'interno del velivolo che girerebbe ancora intorno a te. Ovviamente anche il tuo piccolo salto ti ha dato ancora un po 'di velocità in una certa direzione, quindi alla fine colpirai di nuovo il pavimento che girerebbe ancora intorno a te.

Solo uno scenario di esempio semplificato che descrive ciò che dicono le risposte sulla velocità angolare:

Immagina un grande cilindro aperto allestito come una pista da jogging che sia un intero "Anello" rotante di una stazione spaziale.

Invece di saltare, corri veloce quanto la sezione del binario sta ruotando ma nella direzione opposta. Ti sembrerà di perdere peso mentre acceleri poiché non avrai più il momento angolare del pavimento ma qualcosa di meno.

Quando raggiungi la velocità di rotazione della stazione, sarai senza peso e ti solleverai da terra (se prima non perdi trazione). Mentre sei al di sopra del suolo in questo modo sarai senza peso.

Questo significa anche, intuitivamente, che se corri con il giro della stazione diventeresti più pesante.

Una volta che lo vedi in questo modo, puoi vedere che saltare non farebbe davvero nulla da solo.

tl; dr

Problema 1: Dopo che sei diventato senza peso, l'aria sta probabilmente ruotando con il pavimento della pista, quindi spingerà il tuo corpo dandogli di nuovo un momento angolare, a quel punto sarai "Tirato" di nuovo in superficie. Se essere in grado di alterare il tuo peso fosse un obiettivo parziale di questa palestra, potrebbero rendere il pavimento e le pareti abbastanza lisci in modo che l'aria rimanga (principalmente) al suo posto e ignori del tutto la rotazione. Se così fosse, inizieresti con un vento alle spalle, ma più velocemente corri più debole diventerebbe il vento e quando diventerai senza peso non ci sarebbe aria a spingerti.

Problema 2: per eseguire la velocità della stazione, la gravità iniziale potrebbe essere inferiore a 1 g, Non sono affatto sicuro della matematica, ma sono sicuro che con la giusta velocità di partenza potresti correre fino a quando non fossi senza peso .

Se hai visto il film "Interstellar", vedi alcuni ragazzi che giocano a baseball all'interno di un enorme cilindro rotante nello spazio.La rotazione è tale che sperimentano la stessa forza gravitazionale (ma artificiale) della Terra.
La palla viene colpita da uno di loro e colpisce la stanza di una casa molto in alto (secondo qualcuno in piedi in questo cilindro).
Dopo che la palla è stata colpita (equivalente a qualcuno che fa un enorme salto) si muove in linea retta, perché ora si muove liberamente, senza accelerazione.Quindi, dopo un po 'di tempo, ha per colpire di nuovo il cilindro.Il punto in cui colpisce il cilindro dipende, ovviamente, dalla velocità data alla palla.
Lo stesso vale per un uomo che salta.

Supponi di essere rapito e quando riprendi conoscenza, ti ritrovi a mezz'aria ad accelerare verso il basso all'interno di una stanza cuboidale. Questo scenario potrebbe derivare da due possibilità:

1. La stanza cuboidale è situata sulla Terra. L'accelerazione che hai percepito quando sei diventato cosciente era semplicemente l'attrazione gravitazionale della Terra.

2. Hai ripreso conoscenza in una stanza parallelepipeda fluttuante nello spazio e accelerando verso l'alto (lungo la direzione in cui è rivolta la testa) con accelerazione 9.8 $ m / s ^ 2 $

In entrambi gli scenari, sei a mezz'aria e sei in grado di percepire una forza che agisce su di te. Nel secondo scenario, la forza che percepisci è solo perché stai guardando le cose da un fotogramma accelerato. Entrambi gli scenari sono indistinguibili dal tuo punto di vista. Questa è in realtà l'idea del principio di equivalenza di Einstein (che la gravità è in realtà indistinguibile dalle pseudo forze)

Lo stesso accade quando ci si trova a mezz'aria all'interno di una centrifuga rotante. La tua mente percepisce la centrifuga come uno stadio fisso e immobile quando ci sei dentro. Ma non è vero. Questa fase presumibilmente fissa in realtà sta accelerando in ogni momento. Ma dal momento che ci sei dentro, pensi di essere quello che sta accelerando. E percepisci questa "forza" su di te in ogni momento, non importa se sei a mezz'aria