Domanda:
Come si girano gli astronauti nello spazio?
E.P.
2013-11-29 23:34:37 UTC
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Una recente domanda in Fisica chiede se esiste un modo per un astronauta di ruotare quando è in microgravità e senza toccare nient'altro, pur conservando il momento angolare.

Uno Il modo per farlo è facilmente dimostrato utilizzando un libro pesante e una sedia da ufficio girevole. Tieni il libro di fronte a te e lo ruoti attorno a un asse verticale, avvicinandolo e allontanandolo dal tuo corpo quando va rispettivamente a sinistra ea destra. Per conservare il momento angolare, il tuo corpo ruota anche leggermente, ma a causa della differenza di momento di inerzia del libro quando sei vicino / lontano dal tuo corpo, lo spostamento angolare del tuo corpo è diverso per le due fasi e lo stato finale è uno spostamento atteggiamento.

Questo approccio, e altri simili, incluso il proverbiale gatto che si gira a mezz'aria, sono stati elaborati in modo frammentario in Fisica e nella maggior parte degli altri sbocchi. Tuttavia, i soliti approcci sembrano troppo ingombranti per essere usati nello spazio, ma potrebbero esserci modi più intelligenti per muovere il proprio corpo e ottenere lo stesso effetto.

In pratica , come gli astronauti cambiano il loro orientamento nello spazio? Eseguono regolarmente manovre a corpo libero mentre si trovano all'interno della loro astronave o semplicemente si aggrappano alla navicella? Durante gli EVA, usano i loro propulsori, si aggrappano a qualcosa o si limitano a salutare finché non sono in posizione? In quest'ultimo caso, quali sono i modi comuni per ottenere tali rotazioni? Dipende da quale asse si desidera ruotare?

Ho visto un video di astronauti che fanno il trucco del gatto, girando vari assi senza toccare nulla. Ma dannazione se riesco a trovarlo ora. (Anche i sommozzatori lo fanno.) Dubito che usino queste tecniche se non per divertimento, poiché gli alloggi sono abbastanza angusti che c'è praticamente sempre qualcosa a portata di mano da afferrare. Anche sugli EVA cercano di rimanere alla portata di una superficie.
Tre risposte:
#1
+25
Selene Routley
2015-01-15 16:40:24 UTC
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Anche se questo ha effettivamente "funzionato a pezzi" su Physics e altri siti SE, vale la pena guardare, per il bene di Space Exploration, l'interessante storia dietro l'analisi del gatto che cade. Perché la descrizione completamente rigorosa del riflesso di raddrizzamento del gatto - perfettamente in linea con la conservazione del momento angolare - è avvenuto solo perché è stato suggerito proprio dalla ricerca che è stata fatta alla fine degli anni '50 e all'inizio degli anni '60 su come il corpo umano avrebbe affrontato l'ambiente che incontrava nello spazio .

Il principale ricercatore qui era il professor Thomas Kane, che

  1. ha trovato il corretto equazioni teoriche che descrivono lo spostamento dell'orientamento del gatto in risposta al suo "cambiamento di forma" durante il riflesso di raddrizzamento;
  2. Ha dimostrato sperimentalmente che gli esseri umani potrebbero , con un po 'di addestramento, eseguire i movimenti riflessi di raddrizzamento e capovolgi esattamente come un gatto .

Il riferimento principale qui è:

T. R. Kane e M. P. Scher, "A Dynamical Explanation of the Falling Cat Phenomenon", Int. J.Solids and Structures, 5, pp663-670, 1969

In effetti Thomas Kane ha addestrato le persone a farlo nel 1968 con le tute spaziali Apollo, come mostrato di seguito.

Cat and Astronaut

La sequenza del gatto che cade a sinistra è stata presa dal lavoro del fisiologo Étienne-Jules Marey (1830-1904) (famoso per lo sviluppo della fotografia in movimento per lo studio dei movimenti ad alta velocità); quella a destra è stata scattata durante gli esperimenti di Thomas Kane del 1968 con un trampolinista in una tuta spaziale tipo Apollo. Étienne-Jules Marey era un fisiologo che ha svolto alcune delle piccole ricerche serie sul riflesso di raddrizzamento del gatto prima che lo spazio esterno stimolasse le ricerche di Thomas Kane. Marey, a differenza di molti dei suoi contemporanei, capiva chiaramente che il movimento del gatto era privo di torsione (vedi nota a piè di pagina) e in effetti ha usato la sua fotografia per escludere una teoria comune secondo cui il gatto spinge via qualunque cosa provenga. Il collage è stato preso da

Alexis C. Madrigal, "Video: Deducing the Physics of How Cats Fall", The Atlantic Magazine, 9 settembre 2011

Ora per chiarire alcuni malintesi popolari su il riflesso di raddrizzamento del gatto, particolarmente applicato agli astronauti.

Il movimento di ribaltamento non è particolarmente gravoso o goffo da fare per gli esseri umani, come hanno dimostrato gli esperimenti di Thomas Kane. È molto simile al movimento di un hula hoop. OK, quindi le mie abilità CGI sono schifose: questa è la migliore animazione di gatti che posso realizzare con i solidi di base in Mathematica, ma questo movimento ti farà rotolare nello spazio, che tu sia gatto o umano, con o senza coda.

Hula Hoop Motion

Le uniche differenze tra gatto e uomo per questo movimento sono (1) la colonna vertebrale del gatto è molto più piegata della nostra, in modo che il flipover possa essere eseguito in meno cicli di "hula hoop" dal gatto e (2) la squisita sensibilità del sistema vestibolare del gatto e riflessi fulminei rispetto ai nostri. Il punto (2) è irrilevante quando si effettua una rotazione pianificata in uno stato di caduta libera (senza gravità) nello spazio, invece di capovolgersi in un tempo limitato mentre si cade.

Un altro malinteso comune è che il gatto abbia bisogno di capovolgere la coda: questo è sbagliato, come dimostrato dagli esperimenti di Thomas Kane che mostrano che gli esseri umani senza coda possono fare il movimento di raddrizzamento. In effetti, per i nostri gatti domestici, la coda non è affatto usata molto per il riflesso. Cito qui solide prove osservative della mia qui: il mio gatto è stato senza coda da quando è stata investita da un'auto nel 2004 e non ha alcuna difficoltà a raddrizzarsi quando cade, cosa che fa spesso a causa della sua natura un po 'goffa - tipicamente quando si addormenta con la testa troppo piegata oltre il bordo del nostro letto. Anche se ha dodici anni, riesce a svegliarsi e ad eseguire il riflesso di raddrizzamento nel tempo che le occorre per far cadere a terra i 40 cm circa dal nostro letto. Inoltre, subito dopo il momento in cui ha avuto l'incidente, l'ho vista fare il riflesso di raddrizzamento addormentarsi in questo modo quando era guarita a malapena abbastanza da camminare correttamente. Quindi sembrerebbe che avesse bisogno di pochissimo "riqualificazione" per adattarsi alla sua nuova mancanza di coda. Anche questo nasce da un'analisi teorica, come mostro nel mio articolo citato di seguito. Infatti l'analisi del video sotto da Wikipedia, che mostra l'addizione del triangolo isoscele dei due vettori del momento angolare è valida solo per un gatto "simmetrico" (a causa della forma isoscele del diagramma di addizione del vettore) senza coda ( ie un gatto la cui metà ostacolare ha lo stesso tensore d'inerzia sull'origine della metà anteriore).

Falling Cat Explanation

(Fonte: Wikipedia "Cat Righting Reflex "Page)

Alcuni gatti selvatici, in particolare il leopardo nebuloso asiatico e il gatto marmorizzato asiatico hanno code enormi, molto più simili a una mazza che alla coda elegante, snella (e con un piccolissimo momento di inerzia di massa) del gatto domestico (Felis Sylvestris) e questo è infatti molto usato per controllare l'orientamento dell'animale nello spazio, ma la coda lascia che l'animale si riorienti liberamente su tutti e tre gli assi cioè può beccheggiare e imbardare oltre che rollare praticamente a volontà, in contrasto con il semplice ribaltamento nel riflesso di raddrizzamento del gatto, che è essenzialmente un movimento su un asse. Questa è un'abilità utile per i predatori che vivono sugli alberi mentre saltano da un albero all'altro e anche bombe in picchiata di precisione le loro prede.

Discuto tutto questo in modo molto più dettagliato nel mio articolo (inclusa l'analisi di "simmetrica "Gatti (senza coda) sul mio sito web:

" Dei gatti e il loro riflesso di raddrizzamento più meraviglioso "


Nota a piè di pagina: La fonte principale di Marey Gli studi del 1894 sono i seguenti:

Étienne-Jules Marey, "Des mouvements que Certains animaux exécutent pour retomber sur leurs pieds, lorsqu'ils sont précipités d'un lieu élevé", La Nature, 1119 , 10 novembre 1894

Verso la fine di questo articolo fa la seguente dichiarazione definitiva (traduzione mia, quindi scusa ai francofoni): " Prima di tutto, il controllo di questi figure [foto di gatti che cadono] esclude l'idea che l'animale impartisca un movimento rotatorio su se stesso spingendo contro le mani dello sperimentatore. [Questa conclusione segue] perché i primi fotogrammi delle due serie [di p immagini di un gatto che cade] mostrano che nei primi istanti della sua caduta, il gatto non ha ancora la tendenza a voltarsi da una parte né dall'altra. La sua rotazione inizia solo con la torsione della vita. "

Questa risposta ha 4 gatti animati che girano, eppure solo 7 voti positivi? Questa è un'ottima risposta!
#2
+24
TildalWave
2013-12-01 07:42:05 UTC
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Questo video pubblicato su YouTube su Zero-G: "Movement in Microgravity: Skylab to Space Shuttle" 1988 NASA Weightlessness Footage, a partire da 2:10, mostra uno Skylab astronauta che esegue un lancio frontale e un lancio a spirale nello Skylab Orbital Workshop senza toccare nulla contro cui spingere per cambiare il suo orientamento. E lo stesso video dalle 5:45 alle 6:00 mostra gli astronauti che dimenano da una direzione all'altra per attirare l'attenzione (video divertente!):

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Come vedrai, gli astronauti hanno fatto tutti i tipi di acrobazie zero-g / microgravità come questa, ecco una fotografia così divertente:

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L'astronauta Gerald P. Carr, comandante della missione Skylab 4, dimostra scherzosamente l'allenamento con i pesi a gravità zero mentre
bilancia l'astronauta William R. Pogue, pilota, a testa in giù sul dito. (Fonte: Wikimedia Commons)

Ho anche visto spesso astronauti della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) usare questo movimento per cambiare il loro orientamento sulla stazione, per esempio guardando Space Station Live o registrazioni video di esso su YouTube, anche se per lo più si spingerebbero prima contro qualche superficie per guadagnare velocità verso la loro prossima destinazione. Questi movimenti non sarebbero molto diversi da ciò che fanno i nuotatori in una curva in una piscina, o come accennato in precedenza, un gatto che cade e si riorienta per atterrare sui suoi piedi. Per una dimostrazione più diretta, ecco un video n. 85 Smarter Every Day su How Astronauts Turn In Space di marzo 2013 con l'equipaggio della ISS che dimostra il cambio di orientamento senza toccare nulla e, naturalmente, preservando il momento angolare:

Durante l'attività extraveicolare (EVA), però, dubito che abbiano molto bisogno di tali acrobazie, o che sarebbe un'impresa facile da fare dopo aver indossato la loro attrezzatura EVA, con unità di mobilità (l'ultima è Simplified Aid for EVA Rescue o SAFER) che in qualche modo compromettono la loro capacità di cambiare orientamento in quel modo, vietando la libera flessione del corpo, rendendole allo stesso tempo non necessarie, poiché il cambio di orientamento può essere fornito dall'unità di mobilità stessa, se non c'è alcuna superficie su cui spingere.

Gli astronauti ora sono anche legati alla stazione spaziale e usano le impugnature di sicurezza montate sullo scafo esterno della stazione durante EVA, quindi non solo tale movimento sarebbe ingombrante a causa della loro tuta EVA, ma potrebbe portare l'astronauta a impigliarsi nella catena. Qualcosa di più sulle unità di propulsione e mobilità degli astronauti è descritto nella seconda metà di questa risposta.

Astronaut Rick Mastracchio working with a SAFER system attached.

L'astronauta Rick Mastracchio al lavoro con un sistema SAFER allegato. (Fonte: Wikipedia su SAFER: Simplified Aid for EVA Rescue)

Sulla ISS stessa, gli astronauti usano i punti d'appoggio per sistemarsi in un luogo di lavoro in modo che il proprio corpo il movimento non li muove continuamente e spingono contro tutti i tipi di superfici con i piedi e le mani (e talvolta, per divertimento, anche le punte dei capelli, come credo abbia fatto prima Sunita Williams) per farsi strada attraverso la stazione . Per alcuni esempi, consiglio di guardare alcuni video tour della ISS, come ad esempio questo Sunita Williams o un tour ISS di André Kuipers. I punti d'appoggio saranno usati anche da Robonaut 2 una volta che avrà le gambe, che credo dovrebbe essere questo mese o al più tardi a gennaio 2014.

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Uno dei punti d'appoggio della Stazione Spaziale Internazionale. (Fonte: Ghost In The Machine sul ponte di osservazione)

Sì, la clip dalle 5:45 alle 6:00 è una di quelle che ricordo.
#3
-2
geoffc
2013-11-29 23:52:55 UTC
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La conservazione del momento angolare si applicherebbe se l'astronauta fosse una canna di calma. Che in prima approssimazione potrebbero essere.

Tuttavia, poiché possono ruotare il loro corpo, in modo simile a come un gatto che cade può ruotare per atterrare con i piedi verso il basso, possono ruotare la loro metà superiore, mentre tentano di rimanere più bassi per metà immobili, e quando catturano un punto fermo, rilasciano lo slancio alla metà inferiore.

E se non catturano mai nulla di fermo, allora tutta la torsione del mondo sta solo fischiando nel vento. Questo ovviamente è all'interno del veicolo. Se sono fuori, questo fischia nell'aspirapolvere.

Mentre fuori dal veicolo sono SEMPRE attaccati a qualcosa. (Le MMU su uno o due voli navetta sono le eccezioni che fanno la regola. Hanno smesso di usarle dopo alcuni utilizzi). Lasciar andare è un'idea terribilmente cattiva mentre si è in EVA. Sono anche tagliati tramite un cavo. (C'è il pod SAFER che indossano, che è come un bambino MMU a bassa prestazione per il volo di emergenza se si disconnette).

Mi scuso, ma la conservazione del momento angolare regge sempre a meno che non ti aggrappi a qualcos'altro, indipendentemente da quanto giri. È un "paradosso" standard che gli astronauti - e i gatti - possano ancora cambiare il loro atteggiamento pur conservando il momento angolare; si prega di vedere le risposte sul thread di fisica per vedere alcuni metodi. Questa domanda riguarda se tali manovre, o simili, siano effettivamente utilizzate nello spazio.
@EmilioPisanty Così il mio punto. Poiché possono ruotare metà del loro corpo, quando finalmente si connettono con qualcosa di stazionario (tale che, in un veicolo in orbita), il resto del corpo lo segue, mantenendo la conservazione della quantità di moto.
Stai perdendo il mio punto. La manovra consiste nel girare * senza * toccare nient'altro, ed è effettivamente possibile. Il momento angolare totale dell'astronauta sarà preservato, idealmente a zero, ma cambiando i momenti angolari relativi di diverse parti del suo corpo potrebbe comunque ottenere una rotazione netta. Leggi il link o la mia domanda estesa.
@EmilioPisanty Uno dei modi più semplici per farlo è allungare un braccio mentre si tiene l'altro sul petto, quindi spostare rapidamente il primo sul petto e allungare quello che prima era sul petto. Alcuni strumenti di esercizio ti faranno oscillare in questo modo. Non saprei se gli astronauti usano effettivamente questo movimento (potrebbe essere fatto anche in modo diverso, questo è solo un esempio), probabilmente non durante l'EVA dato che hanno unità di mobilità e sono attaccati da un cavo, ma hanno alcuni modi divertenti all'interno della stazione , S. Williams e K. Nyberg hanno usato le punte dei capelli per spingere contro il pari.
([Collegamento video per usare un capello con cui muoversi] (http://www.youtube.com/watch?v=fJujRJMiKVs).)
@EmilioPisanty è corretto. La risposta dovrebbe essere modificata, poiché la conservazione del momento angolare si applica _ sempre_. Il primo paragrafo è molto fuorviante. Mentre il momento angolare è conservato (_sempre! _), L'orientamento angolare di un oggetto flessibile non lo è. Ciò consente a gatti, sommozzatori e astronauti di cambiare il loro orientamento senza toccare nulla o spingere contro l'aria.


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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