Domanda:
Puoi virare contro il sole usando una vela solare?
James Jenkins
2013-07-18 15:45:48 UTC
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Le vele solari sono un ottimo modo economico per allontanarsi dal sole, se non hai fretta. Le navi oceaniche sono in grado di virare controvento e di risalire il vento. Può una vela solare guadagnare slancio in entrata (verso il sole) virando?

Non tutte le navi oceaniche sono in grado di virare controvento. Sono necessarie vele con le forme adeguate.
@Uwe vedi la domanda sul sito gemello correlato; [I rigger quadrati usano anche la propulsione in stile "ala di aereo"?] (Https://outdoors.stackexchange.com/questions/18533/do-square-riggers-also-use-aircraft -pulsione-stile-ala)
Sei risposte:
#1
+37
Bob Stein
2013-07-24 08:15:26 UTC
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No, perché non c'è niente come l'acqua contro cui una chiglia deve lavorare.

Nella navigazione in acqua ci sono due vettori di forza , il vettore dalla reazione del vento contro la vela e il vettore dalla chiglia e dal timone contro l'acqua. Questi vettori si sommano per spingere la barca a vela. Funziona per quasi tutte le direzioni sulla bussola tranne da dove proviene il vento, o circa 45 gradi su entrambi i lati. "Battere vicino al vento", come menziona @geoffc, significa superare quel limite. "Virare" è a zig-zag - andando per un po 'di 45 gradi in senso orario dal vento, e poi per un po' di 45 gradi in senso antiorario. Lavorando controvento.

Nella navigazione solare c'è un solo vettore di forza , perché c'è solo un mezzo, i fotoni solari, come menziona @Craig. Con un vettore i limiti di direzione diventano più di 90 gradi su entrambi i lati da dove proviene la luce solare. Quindi niente zigging, niente zagging, niente come il viraggio.

Ora forse la gravità può essere usata come un altro vettore tramite la meccanica orbitale come menzionano @Pearson e @SF, e forse un giorno questo sarà chiamato "virare" ma la fisica è completamente diversa da una chiglia attraverso l'acqua.


AGGIORNAMENTO, 23 settembre 2017, numero di The Economist, p 73:

In un certo senso una vela elettrica [composta da cavi lunghi 20 km con una carica positiva, che respinge le particelle del vento solare] assomiglia a una vela solare, un'idea rivale per alimentare creare a buon mercato nello spazio. Una vela solare fornisce propulsione perché la luce solare che riflette esercita una pressione sulla vela, spingendola in avanti. Ma le vele elettriche hanno un vantaggio importante rispetto alle vele solari. Una volta spiegata, non esiste un modo semplice per fermare un'imbarcazione con una velocità di raccolta della vela solare. È possibile impedire a un'imbarcazione a vela elettrica di accelerare semplicemente spegnendo il suo cannone elettronico. Ciò significa che può tornare sulla Terra sotto l'influenza della gravità del sole.

Ci sono diverse risposte con molti dettagli, mi piace il modo in cui questa risposta le riunisce tutte (e dà il dovuto credito alle risposte precedenti). Ognuna delle altre risposte fornisce una visione approfondita delle sfide e delle opzioni e, se potessi, accetterei tutte, ma poiché posso accettarne solo una, sto selezionando questa. Anche se breve e molto preso in prestito da altre opere, riassume bene e si legge bene.
#2
+35
Craig Constantine
2013-07-18 18:40:23 UTC
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Non puoi spingere direttamente la vela solare verso il sole.

Una "vela" solare è fondamentalmente uno specchio. L'analogia del vento e delle vele sulle navi non è utile per capire come funzionano le vele solari.

Ogni fotone del sole che colpisce la vela viene riflesso. Ogni fotone trasmette una piccola quantità di quantità di moto. Se la vela è puntata direttamente verso il sole, si ottiene il doppio della quantità di moto del fotone aggiunta alla vela. Se inclini la vela, invii ogni fotone in una direzione che non è direttamente indietro verso il sole; Questo ti dà una forza netta su un lato. Quindi puoi controllare il vettore della forza totale dei fotoni riflettenti, ma la direzione netta è sempre a più di 90 gradi dal sole. Quando lo specchio si avvicina di bordo al sole, il vettore della forza netta si avvicina a 90 gradi dal sole e scende a magnitudine zero.

(Nota che la pressione dei fotoni del sole si applica a qualsiasi cosa. Non deve essere una vela progettata. La meccanica orbitale attualmente tiene conto della "pressione leggera" per determinazioni accurate delle orbite delle astronavi.)

Puoi modificare la tua orbita utilizzando una vela solare.

Puoi usare la quantità di moto della vela solare per alterare l'eccentricità orbitale per spostare una parte dell'orbita più vicino al sole, ecc.

Se vuoi andare direttamente verso il sole dalla terra, non hai bisogno di una forza che ti spinga direttamente verso il sole. Hai bisogno di una forza che spinga contro la tua normale direzione orbitale. Ciò riduce il tuo momento angolare intorno al sole e poi cadi verso il sole a causa della gravità.

+1. Mi piace molto questa risposta: vorrei solo che invertissi i tuoi punti in grassetto. L'enfasi dovrebbe essere che potresti raggiungere il sole con una vela solare usando la vela per abbassare il tuo perigeo.
Buona risposta. Tuttavia, potrebbe rendere più chiaro il principale: una vela solare può avvicinarti al sole o allontanarti da esso.
#3
+27
PearsonArtPhoto
2013-07-18 18:34:58 UTC
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In realtà è un po 'più facile di quanto pensi. Nel mondo di Orbital Dynamics, devi solo accelerare o decelerare la tua orbita per avvicinarti / allontanarti dall'oggetto che stai orbitando. Quindi, tutto ciò che devi fare è creare una quantità di moto netta che spinga a rallentare la tua velocità orbitale.

Tuttavia, una parte importante di ciò che rende il lavoro di virata è il fatto che stai costringendo l'acqua ad agire come un mezzo di attrito contro il vento, in sostanza, facendoti rallentare.

Non sono un esperto in questo tipo di movimento, ma credo che una configurazione come quella di seguito funzionerebbe, assicurando che la freccia sia la direzione del movimento orbitale e che la vela sia l'elemento a T. La direzione potrebbe essere spostata di 90 gradi per far sì che ciò accada e potrebbe non funzionare molto vicino al sole, ma dovrebbe almeno portarti nella giusta direzione.

Travelling towards the sun
Fonte: Ben Diedrich tramite SolarSailWiki, CC BY-SA 3.0

In effetti, questo è già stato fatto, da una sonda giapponese chiamata Ikaros. Ha navigato utilizzando il sole verso Venere, dall'orbita terrestre, dimostrando così che ciò è possibile.

Mentre l'impermeabilità è la chiave, poiché ti impedisce di essere semplicemente spinto dal vento nella direzione del vento, penso che la portanza generata dalla vela sia l'elemento chiave. Ma per il resto d'accordo.
Quello è un sole dalla forma strana.
@Undo: Non sono un grafico ...
Diciamo solo che sono due bagliori solari molto strani.
Un piccolo aggiustamento alla descrizione di Pearson e @geoffcs, non è esattamente l'attrito o la resistenza della chiglia che fa funzionare la navigazione. Una chiglia priva di attrito funzionerebbe benissimo. La chiglia agisce attraverso l'acqua in modo simile a un profilo alare, o la vela attraverso il vento. L'angolo di attacco tra la chiglia e l'acqua produce "portanza", un vettore di forza quasi perpendicolare alla chiglia.
Mentre la risposta accettata è ottima per spiegare perché la navigazione in acqua e al sole presenta alcune differenze specifiche, questa risposta è ottima per spiegare come aggirare queste differenze per ottenere lo stesso effetto.
#4
+8
SF.
2013-07-18 18:49:56 UTC
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Sebbene non sia possibile eseguire acrobazie comuni per le vele normali a causa della mancanza di acqua per evitare che la chiglia si sposti lateralmente e normalmente lascia che la nave viaggi controvento, puoi comunque estrarre la forza diagonale al raggio del sole (l'angolo di l'incidenza è uguale all'angolo di riflessione; la forza risultante è perpendicolare alla superficie), diretta all'esterno del sistema solare.

Ora, questo non ti permetterebbe di viaggiare verso l'interno, tranne ... - puoi applicare detta forza con la componente laterale diretta contro il tuo vettore di velocità orbitale. In questo modo, nonostante la componente parallela ti spinga all'esterno, contro la gravità del Sole, la tua velocità orbitale e la conseguente forza centrifuga diminuiscono; e mentre la componente esterna della spinta della vela solare è solo momentanea, la tua perdita di velocità orbitale si accumula e porta a una riduzione continua del tuo raggio orbitale.

In altre parole: la vela solare ti permette di cambiare la velocità orbitale. La gravità del Sole può farti viaggiare verso il Sole, a seconda di detta velocità.

Una vela solare inclinata ha una componente di accelerazione AA lontano da Sol, e un'altra componente PP perpendicolare a quella. Se la velocità della vela ha una componente lontana da Sol, AA si aggiunge alla sua energia. Se la componente è verso Sol sottrae energia. Se PP è nella direzione della velocità trasversale della vela, PP aggiunge energia e momento angolare, e viceversa. Se PP ha una componente perpendicolare al piano orbitale, cambia l'inclinazione di quel piano.
Spiacenti, ho usato troppo tempo sopra. Una vela solare inclinata ha una componente di accelerazione AA lontano dal Sole e un'altra componente PP perpendicolare a quella. Se la velocità della vela ha una componente lontana da Sol, AA aggiunge energia. Una componente verso Sol sottrae energia. Se PP è nella direzione della velocità trasversale della vela, PP aggiunge energia e momento angolare, e viceversa. Una vela inclinata la navicella non segue un'ellisse, ma può ancora circondare il Sole e avere afelio e perielio. È possibile ridurre il momento angolare a zero. Solar Sailing di Colin R. McInnes sviluppa la matematica.
#5
+5
geoffc
2013-07-18 17:55:56 UTC
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In navigazione, le virate vengono utilizzate per navigare il più vicino possibile al vento (ovviamente non direttamente in esso, anche se la barca ad ala dura della Coppa America avrebbe potuto essere in grado di farlo) pur continuando a generare portanza nella vela. Per barche normali questo significa al massimo un angolo di 25-30 gradi rispetto al vento. Quindi navighi a zig zag e devi virare, altrimenti esci dalla rotta.

Le vele del vento non funzionano con la pressione del vento, spingendole, tranne che in situazioni di poppa dritta o nella vecchia vela quadrata che vedi nei film sui pirati, ecc.

Le vele moderne hanno curvatura e loft e funzionano come ali verticali, generando portanza dal differenziale di pressione creato dal flusso d'aria a velocità diverse sui due lati dell'ala.

Le vele solari non hanno questa capacità, poiché i fotoni non si comportano come molecole d'aria in un'atmosfera. Quindi hanno bisogno di navigare, dritti "sottovento" per così dire.

Sì, il vento solare (fotoni, protoni, elettroni, neutroni, ioni, atomi ... plasma, in un certo senso) non è conforme alla definizione di gas. Ma non riesco a immaginare che la risposta sia così semplice. E le * gigantesche * vele solari? E gli effetti elettromagnetici?
@ernestopheles Forse ci sono altri modi per fare una vela solare, navigare controvento (up-sun?) Ma il classico approccio a vela con vento non lo farà.
@RoryAlsop Sì, stavo pensando che fosse sbagliato, avrei dovuto pensare a 45 gradi, come base, e poi puoi puntare più in alto. Si aggiornerà.
#6
  0
Muze
2018-10-01 00:06:37 UTC
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Sì. Usando il gradiente di gravità dei pianeti vicini e del Sole. La vela non si sta spostando dal sole. È anche in orbita attorno al sole mentre si muove, tutto ciò che la vela dovrebbe fare è un corpo grande o inclinare la pressione della radiazione nella direzione di viaggio per rallentare la sua velocità fino a dove la gravità del sole la attira.



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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