Frage:
Wenn wir einen Baseball von der ISS werfen würden, könnten wir den Ball desorbieren?
Martin Carney
2016-05-04 21:00:37 UTC
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Dies ist eindeutig eine hypothetische Frage.

Nehmen wir an, wir bringen einen Star-Baseballspieler in die NASA, bereiten ihn angemessen auf eine Mission im Weltraum vor und fliegen ihn zur Internationalen Raumstation.Sie gehen mit einem Baseball auf einen Weltraumspaziergang und werfen ihn an der Apoapsis (höchster, langsamster Punkt in der Umlaufbahn) rückwärts, so hart sie können.Könnten sie den Baseball so weit verlangsamen, dass seine Periapsis (niedrigster, schnellster Punkt in der Umlaufbahn) so weit in die Erdatmosphäre eintaucht, dass der Ball im Laufe der Zeit aus der Umlaufbahn gerät?

(Nehmen wir an, dass der Ball innerhalb von 10 Jahren oder weniger die Umlaufbahn verlassen muss. 10.000 Jahre sind zu lang. Vernachlässigen wir auch den Mobilitätsverlust, den ein Raumanzug verursachen könnte.)

Warten Sie, was ist, wenn Sie den Ball schlagen.Also ein sauberes Spielfeld für Bo Jackson an seinem besten Tag ...
Eine interessante Frage, die nichts mit der Orbitalmechanik zu tun hat, ist, ob ein Baseball-Pitcher im Vakuum schneller ist.Verlangsamt der Luftwiderstand die Baseballfelder erheblich?Wie schnell würde der Top Pitcher auf dem Mond sein?
@JoeBlow Ja, der Luftwiderstand hat einen großen Einfluss auf die Pitchgeschwindigkeit, ebenso wie die Schwerkraft.Wenn Sie diese abschwächen, kann der Ball seine Anfangsgeschwindigkeit viel länger beibehalten.Es wird auch einfacher sein, einen Ball zu werfen, der weniger gravitativ geneigt ist.
@JoeBlow Ja, der Luftwiderstand hat einen großen Einfluss.[Dieser Artikel] (http://www.hardballtimes.com/tht-live/pitchers-nowadays-are-on-speed/) behauptet, dass sich ein Baseballfeld während seines Fluges um etwa 9% verlangsamt.Natürlich könnte es ... schwierig sein, in einer Space Suite zu werfen.
Drei antworten:
John Rennie
2016-05-04 21:09:06 UTC
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Sie müssen den Ball nicht werfen!

In der Höhe der ISS ist die Atmosphäre so dick, dass sie aufgrund des Luftwiderstands jeden Tag 50 bis 100 m Höhe verliert.Bei dieser Rate über einen Zeitraum von zehn Jahren würde die ISS 180 bis 360 km verlieren.Wenn Sie den erhöhten Luftwiderstand in niedrigeren Höhen von zehn Jahren berücksichtigen, reicht dies aus, um den Absturz der ISS zu einem feurigen Ende zu bringen.

Stecken Sie den Ball einfach in Ihre Tasche und warten Sie.

Eigentlich ist das auch gut so, denn die Umlaufgeschwindigkeit der ISS beträgt etwas mehr als 17000 Meilen pro Stunde und die Rekordgeschwindigkeit für das Werfen eines Baseballs (nicht in einem Raumanzug!) beträgt nur einen Schatten über 100 Meilen pro Stunde.

Da die ISS manchmal bis auf 330 km abfällt, müssen Sie nicht einmal den erhöhten Luftwiderstand berücksichtigen, um das feurige Ende zu sehen :-)
Ok, guter Punkt.Wie viel früher als die ISS würde der Ball verbrennen, wenn wir ihn werfen würden?
@MartinCarney: Das wäre eine sehr schwierige Berechnung.Es könnte sogar länger im Orbit bleiben, da ich wette, dass das Verhältnis von Luftwiderstand zu Masse der ISS höher ist als das eines Balls.
Dann ist die nächste nicht triviale Frage, um wie viel Sie das Perigäum des Balls senken können, wenn Sie es vom Apogäum werfen, und wie weit hinter (?) Der Station der Ball zum nächsten Apogäum kommt.
@JohnRennie Wenn wir den Baseball als Kugel modellieren ... Oh.
@EmilioPisanty: Oder würde sich der Ball außerdem schneller umkreisen, wenn Sie ihn hinter sich werfen oder wenn Sie ihn nach unten werfen?
@EmilioPisanty: Wenn Sie es am Apogäum nach hinten werfen, wird die Umlaufbahn niedriger und schneller.Beim nächsten Höhepunkt befindet sich der Ball aufgrund der kürzeren Umlaufzeit vor der Station.
http://blogs.scientificamerican.com/news-blog/tool-kit-dropped-from-space-station-2009-08-03/
@Ross Ich weiß - daher das (?).Orbitalmechanik ist sicher komisch!Die Frage war jedoch, um wie viel.
@Ellesedil Wenn Sie den Baseball nach unten werfen, wird keine Energie hinzugefügt. Sie ändern also nur die Elliptizität der Umlaufbahn, während die Hauptachse konstant bleibt.Abhängig davon, ob Sie sich auf dem Apogäum oder dem Perigäum befinden, wird die Umlaufbahn entweder mehr oder weniger elliptisch, wobei mehr elliptische Umlaufbahnen dazu neigen, die Umlaufbahn durch ihren erhöhten Widerstand am Perigäum schneller zu verlassen.Nun aber, ob sich die Umlaufzeit im Vergleich zu einem Rückwärtswurf erhöht ...
@JohnRennie Ich bezweifle es, der Ball ist viel kleiner als die ISS und man bekommt ein Quadrat / Würfel-Ding mit Masse und Widerstand.Form und Dichte machen natürlich auch einen Unterschied, aber ich bezweifle sehr, dass sie ausreichen würden, um den massiven Größenunterschied auszugleichen..
Ich frage mich daher, wie viel Energie - sagen wir, wie viele "Gallonen Kraftstoff" - die ISS jeden Tag aufwenden muss, um im Orbit zu bleiben.
user10851
2016-05-05 09:58:18 UTC
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John Rennie gab bereits die praktische Antwort unter Berücksichtigung der Atmosphäre und stellte fest, dass Objekte in der Nähe der ISS, ohne etwas zu tun, schnell vom Luftwiderstand befreit werden. Aber das lässt die Realität einem guten Physikproblem im Wege stehen. Ich werde zeigen, dass ein Mensch zwar keinen Ball in einer Umlaufbahn gegen die Oberfläche krachen lassen kann, aber nahe kommen kann.

Die ISS hat eine typische Umlaufgeschwindigkeit von $ v = 7,66 \ times10 ^ 3 \ \ mathrm {m / s} $. Für ein Testteilchen in einer Umlaufbahn um die Erde Gravitationsparameter $ GM_ \ oplus = 3.98 \ times10 ^ {14} \ \ mathrm {m ^ 3 / s ^ 2} $, eine kreisförmige Umlaufbahn (welche Wir gehen aus Gründen der Konkretheit und Einfachheit davon aus, dass sie eine Hauptachse (dh einen Radius) von haben $$ a_0 = \ frac {GM_ \ oplus} {v ^ 2} = 6.79 \ times10 ^ 6 \ \ mathrm {m}. $$ Es hat eine spezifische Energie von $ \ epsilon_0 = -GM_ \ oplus / 2a_0 = -v ^ 2/2 $ und einen spezifischen Drehimpuls von $ h_0 = a_0v $.

Ihr erster Instinkt 1 sup> könnte darin bestehen, den Ball mit der Geschwindigkeit $ \ Delta v $ nach unten zu werfen. Dadurch wird die Geschwindigkeit senkrecht zu der aktuellen Geschwindigkeit addiert, sodass die Änderung der Energie einfach ist: $ \ epsilon_ \ mathrm {down} = \ epsilon_0 + \ Delta \ epsilon_ \ mathrm {down} $, $ \ Delta \ epsilon_ \ mathrm {down } = (\ Delta v) ^ 2/2 $. Da die hinzugefügte Geschwindigkeit entlang der radialen Richtung liegt, ändert sich der Drehimpuls nicht: $ h_ \ mathrm {down} = h_0 $.

Bei $ \ epsilon $ und $ h $ können wir die entsprechenden $ a $ und $ e $ (Exzentrizität) entsprechend berechnen $$ a = - \ frac {GM_ \ oplus} {2 \ epsilon}, \ qquad e = \ sqrt {1- \ frac {h ^ 2} {GM_ \ oplus a}}. $$ Von dort aus ist es ganz einfach, das Perigäum zu finden $$ r_ \ mathrm {per} = (1-e) a. $$ Wenn Sie Zahlen für $ \ Delta v = 100 \ \ mathrm {mph} = 44,7 \ \ mathrm {m / s} $ eingeben, erhalten Sie dies $$ r_ \ mathrm {per, down} = 6.75 \ times10 ^ {6} \ \ mathrm {m}. $$

Sie können es jedoch besser machen, indem Sie direkt nach hinten werfen. Dies ist der effizienteste Weg, um das Perigäum zu senken. In diesem Fall ist die neue spezifische kinetische Energie $ k_ \ mathrm {back} = (v- \ Delta v) ^ 2/2 $, was bedeutet, dass sich die Energie um $ \ Delta \ epsilon_ \ mathrm {back} = k_ \ mathrm ändert {zurück} - v ^ 2/2 $. Der Drehimpuls ändert sich auch in diesem Fall: $ h_ \ mathrm {back} = a_0 (v- \ Delta v) $. Das Einstecken von Zahlen bringt uns $$ r_ \ mathrm {per, back} = 6.64 \ times10 ^ 6 \ \ mathrm {m}. $$

Nun stellt sich heraus, dass der höchste Punkt der Erde Chimborazo ist, mit einer Höhe über dem Erdmittelpunkt von $ r = 6,38 \ times10 ^ 6 \ \ mathrm {m} $. Daher konnte man den Ball nicht zwingen, mit Geschwindigkeit einen Teil der Erde zu treffen. Der Effekt ist jedoch nicht vernachlässigbar. Wenn wir uns die Werte von $ r_ \ mathrm {per} / r $ ansehen, haben wir bei $ 1.064 $ angefangen und entweder $ 1.059 $ (runterwerfen) oder $ 1.040 $ (rückwärts werfen) erreicht.

Wie weit in die Atmosphäre bringt Sie das Zurückwerfen? Gemäß diesem Tool für das NRLSISE-00-Atmosphärenmodell steigt die Dichte der Atmosphäre von einer Höhe von 415 $ \ \ mathrm {km} $ auf 259 $ \ \ mathrm {km} $ um einen Faktor von etwa 30 $. Somit kann der Widerstand der ISS mit nur einer kleinen Änderung der Umlaufbahn erheblich gesteigert werden.

atmosphere density as a function of altitude

Wie schnell müssten Sie den Ball werfen, um ihn ohne Atmosphäre zu desorbieren?Wenn wir rückwärts werfen, wird unser altes $ a = a_0 $ unser neuer Höhepunkt sein.Wir möchten, dass unser neues Perigäum die Höhe $ r $ hat.Das Lösen von $ r_ \ mathrm {apo, per} = (1 \ pm e) a $ für $ a $ sagt uns, dass wir eine neue Hauptachse von $ a = (a_0 + r) / 2 $ wollen.Beim Zurückverfolgen durch $ \ epsilon = -GM_ \ oplus / 2a $ erfahren wir, was die neue Energie ist und wie sich die Geschwindigkeit ändern muss (da wir die kinetische Energie nur mit einem augenblicklichen Impuls ändern können).Die Antwort lautet $ 120. \ \ Mathrm {m / s} = 268 \ \ mathrm {mph} $.Diese im Vergleich zur Umlaufgeschwindigkeit relativ kleine Zahl spiegelt wider, wie nahe die erdnahe Umlaufbahn im Vergleich zum Erdradius an der Oberfläche liegt.


1 sup> Es sei denn, Sie haben das Kerbal Space Program gespielt. sub>

Wenn man sich in einer Kreisbahn mit der Höhe H befand und den Ball mit dem kleinsten Delta-V werfen wollte, das dazu führen würde, dass sein Perigäum L ist, wäre es am besten, ihn rückwärts zu werfen?Es ist möglich, das Perigäum einer Umlaufbahn zu ändern, ohne die Energie zu ändern, wenn man auch den Apogäum ändert und umgekehrt, aber ich weiß nicht, ob dies mehr oder weniger Delta-V erfordern würde.
@supercat Vielleicht, aber ich beschränke mich auf einen Impuls.
ChrisMSpace
2016-05-05 01:03:16 UTC
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Praktisch gesehen gab es vor einigen Jahren einen Weltraumspaziergang, als sie eine ausgefallene Ammoniakpumpe von der Größe eines Kühlschranks ersetzten.Der Astronaut schob es einfach schnell von der Station weg und wusste, dass es bald schnell genug desorbieren würde, dass es keine Kollisionsgefahr darstellen würde.

PS: Wenn Sie ein Kerbal-Weltraumprogramm haben, macht das Testen Spaß.

Wenn Sie über den Ausfall der Ammoniakpumpe auf der ISS im Jahr 2010 sprechen, wurde diese Pumpe [zur Inspektion sicher über das Space Shuttle zur NASA auf der Erde zurückgebracht] (http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=)20150004079).
KSP hat mich tatsächlich dazu gebracht, diese Frage zu stellen.Ich hatte einige Fälle, in denen das Trennen meiner Wiedereintrittsphase vom letzten Motor + Kraftstofftank die Apoapsis meines Wiedereintrittsbehälters zu niedrig senkte und dazu führte, dass sie aufgrund der Wiedereintrittserwärmung explodierte, anstatt nur über ein paar Durchgänge zu bremsen.
... Was jetzt, wo ich darüber nachdenke, auf Kerbin nicht ganz dasselbe gilt wie auf der Erde - Kerbin ist 1/10 der Größe der Erde und ihre Atmosphären unterscheiden sich auch ziemlich stark.
@pentane So wichtig wie der Austausch der Pumpe.Langfristig ist es auch sehr wichtig, nachträglich zu erklären, warum die Pumpe ausgefallen ist, wenn sie die Pumpe nicht ersetzen kann (auf dem Mars).
@pentane Ich habe gerade diese Zeitung gelesen.Ich weiß nicht warum ich es getan habe.Aber es war super cool!


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
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