Domanda:
Come sfuggire al centro di una stanza senza gravità?
Jan Gassen
2016-08-22 16:19:26 UTC
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Immagina di essere un astronauta sulla Stazione Spaziale Internazionale e i tuoi compagni astronauti ti hanno fatto uno scherzo prendendo tutti i tuoi vestiti e mettendoti al centro di un modulo in modo da non poter raggiungere nulla né con le mani né con i piedi.

Quale sarebbe il modo più efficace per sfuggire a quella situazione se sei riluttante a iniziare a fare pipì?

Correlati: [Sai nuotare nello spazio?] (Https://space.stackexchange.com/q/8073/415) su [space.se].
Sei risposte:
#1
+62
Ilmari Karonen
2016-08-22 18:24:43 UTC
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Dato che hai aria intorno a te, puoi fare un respiro profondo ed espirare.

In realtà non è necessario girare la testa mentre lo fai, come suggeriscono altre risposte. L'aria ha un numero di Reynolds alto su scala umana, quindi il teorema della capesante non vale: anche se i movimenti di inspirazione ed espirazione sono reciproci, i flussi d'aria che creano non lo sono .

(Puoi verificarlo tu stesso tenendo una mano davanti alla bocca: puoi facilmente sentire il getto d'aria che si crea soffiando fuori, anche con la mano completamente estesa, ma non puoi produrre un "getto inverso" non importa quanto tu inspiri.)

In pratica, lo slancio prodotto dall'inalazione è piuttosto trascurabile, poiché l'aria fluisce verso la bocca e il naso da tutti i lati, quindi l'unica cosa che conta è il modo in cui espiri. Soffiando aria dalla bocca in una direzione, crei un flusso d'aria netto in quella direzione e quindi, conservando la quantità di moto, ti spingi nella direzione opposta. Funziona per calamari e meduse (e capesante!) e funzionerà anche per te. Forse non in modo molto efficiente, ma sicuramente abbastanza per raggiungere un muro negli stretti confini della ISS. Ora, se iniziamo a costruire stazioni spaziali con enormi bolle d'aria di centinaia di metri di diametro, questo potrebbe diventare un problema, ma fino ad allora dovresti stare bene.

Inoltre, potresti non aver nemmeno bisogno di ricorrere a tali sbuffi e sbuffi. Qualsiasi stazione spaziale reale progettata per l'abitazione umana in condizioni di microgravità deve comunque avere ventilatori attivi per la circolazione dell'aria, sia per la distribuzione del calore (importante sia per gli esseri umani che per le apparecchiature, poiché la convezione non funziona in condizioni di microgravità) sia per evitare che l'aria espirata si accumuli intorno al corpo per esempio quando dormi. Quindi, in pratica, l'aria intorno a te si muoverà comunque lentamente e devi solo aspettare che questo flusso d'aria ambientale ti spinga vicino a un muro.

E ovviamente, sulla ISS reale, dubito che ci sia spazio abbastanza grande per portare a termine correttamente questo scherzo.I più grandi spazi aperti sulla ISS, come il modulo pressurizzato Kibo, sono circondati da ISPR larghi circa 2 metri (6 piedi e mezzo), rendendo effettivamente l'interno incrociatosezione a 2 × 2 metri quadrati.Anche se i tuoi compagni di squadra in qualche modo riuscissero a posizionare il tuo corpo longitudinalmente lungo l'asse centrale di un modulo altrimenti vuoto in modo da non poter semplicemente allungare la mano e afferrare una presa, dovresti solo girarti come un gatto (o, più probabilmente, agita solo in modo semi-casuale) finché non sei riuscito a girarti di 90 °, a quel punto le dita dei piedi o le mani dovrebbero sicuramente essere in grado di raggiungere un muro.

Il problema è che la tua testa è abbastanza lontana dal tuo centro di gravità, quindi inizierai a girare più di quanto inizi a muoverti.
@OrangeDog ti punta indietro abbastanza indietro e puoi espirare approssimativamente in linea con il tuo corpo (dall'alto verso il basso).Le braccia / gambe possono essere estese secondo necessità per spostare leggermente il centro di massa.
@OrangeDog: Questo è un buon punto, anche se potresti minimizzare il problema soffiando approssimativamente (su o giù) lungo la lunghezza del tuo corpo.Inoltre, una leggera rotazione non dovrebbe essere un grosso problema in questa situazione, e nel punto in cui inizi ad accumulare abbastanza rotazione da diventare un problema, dovresti anche avere una discreta quantità di velocità laterale.
Se ti raggomitolassi in una palla e facessi saltare il tuo core tra le gambe, questo aiuterebbe la situazione del centro di gravità?
@user151841 Almeno in quel momento lo scherzo inizierebbe a sembrare davvero imbarazzante
Se è per questo, cerca la domanda di Feynman sull'inversione del flusso in un irrigatore da giardino.Inspirare ed espirare non sono inversi l'uno dell'altro.
Questo problema specifico con Kibo è stato notato durante l'installazione.http://www.space.com/5473-space-station-largest-lab-room.html http://www.tor.com/2015/12/11/astronauts-do-the-silliest-dances-in-gravità zero/
[Caduta libera obbligatoria.] (Http://freefall.purrsia.com/ff900/fv00900.htm)
Le scoregge saranno più efficaci in termini di centro di gravità
#2
+31
Floris
2016-08-22 18:50:24 UTC
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Vale la pena calcolare (piuttosto che speculare) alcuni dei metodi descritti.

  1. Respira in un modo ed espira nell'altro. Il volume corrente a riposo è di circa 0,5 litri; fai un respiro profondo e può essere 3-5 litri (grazie @Aaganrmu). Si tratta di circa 4 grammi di materiale. Se stringi le labbra per aumentare la velocità con cui espelli l'aria, puoi portarla a circa 10 m / s (lo stimo dai dati in questo articolo che misurava la velocità dell'aria in una tosse - 15 m / s - e una parola - 4 m / s.). Ciò fornisce una quantità di moto netta di 0,04 kg m / s, il che significa che un astronauta di 70 kg otterrà una velocità di reazione di 0,05 mm / s, muovendosi di 1 cm ogni 20 secondi. Ma se lo fai 10 volte al minuto, la tua accelerazione sarà di circa $ 10 ^ {- 4} ~ \ rm {m / s ^ 2} $ e viaggerai per 2 m (fino al muro più vicino) in circa 200 secondi. Sensazione di vertigini per l'iperventilazione ... Nota che non è necessario girare la testa: è sufficiente inspirare lentamente ed espirare rapidamente.
  2. "nuota" con le braccia. Se puoi cambiare l'area delle tue braccia di 20 cm $ ^ 2 $ tra la parte "avanti" della pennellata e la parte "posteriore" della bracciata, e puoi muovere la mano con una velocità di picco di circa 2 m / s per 50 cm, la forza di trascinamento approssimativa sarà $ F = \ frac12 \ rho v ^ 2 A C_D = 0,5 * 1 * 4 * 0,02 * 1,0 = 0,04 ~ \ rm {N} $ - quattro volte più che espirare . E ovviamente puoi probabilmente muovere le braccia molto più velocemente - diciamo un colpo completo (due braccia) al secondo, per un'accelerazione di $ 6 \ cdot 10 ^ {- 4} ~ \ rm {m / s ^ 2} $ e un tempo attraverso la capsula di 80 secondi.

Combinando le due tecniche, l'esercizio con le braccia ti consentirà di respirare più rapidamente (al culmine dell'esercizio, un maschio adulto può muovere circa 100 litri d'aria al minuto, ovvero 10 volte di più rispetto al valore che ho usato). Questo dovrebbe portarti comodamente a lato della capsula in meno di un minuto.

Se puoi aumentare la massa che acceleri, puoi migliorare notevolmente questi numeri.Ho brevemente considerato che sputare potrebbe essere la risposta, ma la tua bocca si asciugherà abbastanza rapidamente.Altri fluidi corporei migliorerebbero notevolmente il tempo, ma dato che devi ancora vivere in quello spazio dopo il fatto, penso che passare un po 'più di tempo agitando le braccia, poi ridendo dei video realizzati dai tuoi compagni di squadra, è ill'approccio migliore qui.

Mi chiedo se quello che hai mangiato a cena la sera prima (e quanto ti rende gassoso) potrebbe essere un fattore nella tua accelerazione netta ...
@mikeTheLiar Servono anche tali pasti in una stazione spaziale con aria limitata e la necessità di vivere insieme in uno spazio ristretto?
Viva l'effettiva corrispondenza!
"_Fai un respiro profondo e può essere di 1 litro_" Questa è nota come [capacità vitale] (https://en.wikipedia.org/wiki/Vital_capacity) e dovrebbe essere compresa tra 3 e 5 litri per gli adulti sani, rendendo questonuovo metodo di propulsione circa 4 volte più veloce della tua stima attuale.
@Aaganrmu - Potrei aver sottovalutato;Stavo cercando "numeri tondi".Fare 10 respiri al minuto a 4 litri per respiro mi sembra un'iperventilazione piuttosto brutta.A meno che tu non stia facendo un esercizio vigoroso (vedi http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1905613 - che mostra che i maschi adulti possono muoversi di 100 litri / minuto al massimo dell'esercizio).Quindi la risposta giusta è "da qualche parte nel mezzo".Nuotare con le braccia sarà più efficace.Se questo ti fa respirare più forte, puoi raggiungere il muro in meno di un minuto.
@Aaganrmu - Ho aggiornato il mio calcolo.Grazie per il puntatore.
Questo è esattamente il tipo di domanda e risposta a cui rivolgerei un fisico o qualcuno che è attivo nella fisica dell'ingegneria.Ma questo è stackexchange, e in particolare * this * stackexchange.Mi chiedo se dovrebbero esserci due siti SE di fisica: uno per chi chiude le domande e uno per le persone che vogliono imparare a usare la fisica e per coloro che vogliono mostrare loro come.
@uhoh: se desideri creare un post Meta, il tuo punto è meglio discusso lì.Ma temo che sia un argomento che è stato già dibattuto a lungo ...
comincio a capirlo, anche se forse non ho ancora attraversato l'orizzonte degli eventi.Sull'argomento qui, è possibile che in volumi aperti molto grandi in condizioni di microgravità le persone portino un piccolo dispositivo di emergenza, quindi ho posto una [domanda di follow-up] (http://space.stackexchange.com/q/18386/12102).
#3
+12
John Rennie
2016-08-22 16:31:40 UTC
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Esistono alcune soluzioni ovvie e noiose, ad es.inspira quindi gira la testa di 180 gradi e soffia fuori l'aria.Ripeti abbastanza a lungo e acquisirai una velocità netta.

Più interessante è che se il campo gravitazionale non è completamente uniforme puoi effettivamente nuotare al suo interno.Tuttavia questo è un effetto così piccolo che saresti morto di vecchiaia (per non parlare della fame) prima di gestire qualsiasi cambiamento significativo di posizione.

La cosa di inspirare ed espirare funziona davvero praticamente come un modo per spingere te stesso?(Presumo che un discreto numero di astronauti l'abbiano provato, forse quando nessuno stava guardando.)
@Nathaniel: "Nessuno stava cercando" è divertente in questo contesto.
Non dovresti nemmeno piegare il collo per ottenere un'accelerazione netta attraverso la respirazione.Poiché la quantità di quantità di moto dipende dalla velocità delle particelle, è sufficiente inspirare lentamente e quindi espirare l'aria più forte possibile.Questa sarebbe la soluzione a uno scherzo molto più brutto, in cui i tuoi compagni astronauti ti hanno rivestito di un corpo intero prima di metterti al centro del modulo.Tuttavia, raggiungere il lato non ti farebbe bene in questo caso :-(
La mia comprensione è che il campo gravitazionale sulla ISS in realtà è sufficientemente non uniforme che il centro di un modulo è un equilibrio instabile.Non puoi abbinare con precisione l'orbita del centro di gravità della ISS, quindi andrai alla deriva verso o lontano dalla Terra, insieme ad altri detriti sciolti.In caso contrario, la ISS regola l'altitudine in media una o due volte al mese, quindi cerca di non morire di sete prima di allora e finirai a terra quando brucia.
@M.Herzkamp: Non c'è bisogno nemmeno di inspirare lentamente;Il flusso d'aria ad alti numeri di Reynolds non è reversibile, quindi solo inspirare ed espirare a una velocità costante creerà un trasferimento netto della quantità di moto.(Puoi testarlo tu stesso tenendo una mano davanti alla bocca: puoi facilmente sentire il getto d'aria creato dall'espirazione, ma non puoi produrre un "getto inverso" per quanto tu inspiri.)
#4
+8
TToni
2016-08-22 20:21:21 UTC
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Per la risposta sperimentale (con i vestiti addosso), guarda questo video di YouTube intitolato "Gli astronauti entrano nel nuovo modulo giapponese Kibo" che mostra un astronauta che dimostra la capacità di nuotare (lentamente) nell'aria.

Le risposte solo link sono effettivamente scoraggiate perché i link possono morire in qualsiasi momento;meglio aggiungere il contenuto pertinente qui o, una volta che hai una reputazione sufficiente, puoi aggiungerlo come commento.
La mia risposta è ovviamente più la versione "ironica", dal momento che non puoi effettivamente vedere cosa causa il movimento nel video (potrebbe essere il "nuoto", la respirazione, le correnti d'aria, un po 'di slancio iniziale o persino il movimento delISS stessa).Ma poiché il video mostra quasi esattamente la configurazione descritta dall'OP, ho pensato di includerlo per il suo valore di intrattenimento.Inoltre mostra alcuni movimenti molto ingegnosi che (ovviamente) conservano lo slancio ma cambiano l'orientamento degli astronauti in modo preciso e controllato.
#5
+3
Ethunxxx
2016-08-22 17:42:07 UTC
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Considerando le leggi del moto di Newton le possibilità sono molto limitate: devi accelerare la massa nella direzione opposta rispetto a dove vuoi andare.Tuttavia, poiché l'aria è l'unico materiale di cui puoi trattenere e non vuoi usare il liquido corporeo, devi usare l'aria intorno a te:

  • Come già suggerito da John Rennie, inspira ed espira in direzioni opposte.
  • Esegui un colpo al seno come se stessi nuotando nell'acqua.Questo ovviamente non sarà efficace come in acqua, ma anche l'aria è un fluido e fornirà una certa propulsione.

Altre tecniche di propulsione teoricamente possibili che utilizzano effetti gravitazionali relativistici o la quantità di moto dei fotoni impiegheranno probabilmente così tanto tempo ad accelerare il tuo corpo che sarai morto molto prima di raggiungere le pareti della ISS.

Un piccolo commento: non è davvero necessario inspirare ed espirare in direzioni opposte, come altri hanno sottolineato.
#6
+2
Jens
2016-08-23 02:04:33 UTC
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Non ancora menzionato, per ottenere delta-v puoi:



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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