Fizyka niezwykle wysokiej wieży

[ShookTea]

Szukam pomocy w stylu "masz rację/nie masz racji", z argumentami i ciekawymi pomysłami.

Najpierw założenia, całkowicie (przynajmniej w tym... stuleciu?) fikcyjne:

• Na orbicie geostacjonarnej Ziemi znajduje się stacja kosmiczna z ludźmi (jak ISS), nazwijmy ją Stacją.
• Odkryto superwytrzymały i jednocześnie niezwykle lekki materiał, nazwijmy go SuperMat.

Na Ziemi, w punkcie dokładnie pod Stacją rozpoczęto budowę Wieży. Jako budulca korzysta się z SuperMatu. Wieża jest coraz wyższa, osiąga coraz wyższe partie atmosfery, w końcu najwyższe piętra znajdują się w kosmosie, zaledwie kilka centymetrów od Stacji. Dzięki wytrzymałości SuperMatu, Wieża opiera się wszelkim przeciwnościom i dumnie stoi bez najmniejszych nawet wstrząsów.

Zgodnie z teorią grawitacji, siła przyciągania między dwoma obiektami jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między centrami masy tych dwóch obiektów. Ponieważ Wieża jest wykonana z bardzo lekkiego SuperMatu, centrum masy Ziemi nie przesunęło się, więc Stacja nadal orbituje tak, jak wcześniej.

Orbitowanie to sytuacja, w której siła odśrodkowa obiektu (uzyskiwana przy zwrocie grawitacyjnym rakiety) jest silniejsza lub równa sile grawitacyjnej. Gdyby Stacja (lub ISS) stała w miejscu - ani nie orbitowała, ani nie spadała z powodu grawitacji Ziemi, na jej pokładzie istniałaby normalna grawitacja (delikatnie obniżona ze względu na odległość od Ziemi). Na Stacji (lub ISS) istnieje jednak wirtualny brak grawitacji ze względu na to, że Stacja cały czas spada (podobny efekt można zaobserwować na lecących w dół samolotach lub w dowolnym innym obiekcie, który spada). Nie spadnie jednak całkiem na Ziemię, ponieważ nadana siła odśrodkowa sprawia, że jednocześnie ze spadaniem Stacja ucieka od Ziemi. Obydwie siły wyrównują się.


Stacja "dokuje" do czubka Wieży. Co się dzieje?

Moje 2 hipotezy:
Bez zmian
Mieszkańcy stacji nie odczują żadnej różnicy. Według mnie najmniej "widowiskowe" wyjście i mam szczerą nadzieję, że niepoprawne
Grawitacja
Ta opcja najbardziej by mnie zadowoliła - Stacja jest w tym momencie czymś w rodzaju kolejnego piętra Wieży, położonym bardzo wysoko. Przyciąganie grawitacyjne na Mount Everest i w Głębi Challengera (dno Rowu Mariańskiego) jest prawie identyczne, różnica wynika jedynie z odległości od centrum masy - różnica 20 kilometrów przy średnim promieniu Ziemi wynoszącym 6371 kilometrów, oraz promieniu SOI Ziemi równym ~925000 kilometrów jest raczej małe. Orbita geostacjonarna przebiega na wysokości około 36 tysięcy kilometrów, więc to w porównaniu do SOI Ziemi już troszkę więcej, ale i tak mało - odległość od Ziemi do orbity geostacjonarnej wynosi około 4% odległości od Ziemi do krańca SOI.
Zakładając, że jeszcze zanim Stacja została podpięta, ktoś postanowił wejść na sam szczyt Wieży. Na szczycie odczułby tylko delikatnie mniejsze przyciąganie grawitacyjne, żadnego "0 G" - ponieważ Ziemia się obraca z zadaną szybkością, każde kolejne piętro Wieży porusza się nieco szybciej od poprzedniego. Człowieczek, wchodząc na kolejne piętra, zwiększałby jednocześnie swoją prędkość orbitalną (mimo, że ze swojego układu odniesienia nie zauważyłby tego - wszak przez całą drogę nie oderwał się nogami od podłoża).
A więc? W chwili, gdy Stacja dotknie czubka Wieży, nastąpi efekt podobny do delikatnego "spadnięcia" na Ziemię - po prostu pojawi się tam grawitacja i nagle wszyscy spadną.


Niestety, mimo wszystko ciężko mi przyjąć do wiadomości, by hipoteza nagłego pojawienia się grawitacji była tą poprawną, dlatego proszę was o prezentację argumentów za/przeciw moim hipotezom, ewentualnie prezentację swoich.
Powodzenia!

[Koper]

Na intuicję to stacja zadokowana czy nie nadal znajduje się na orbicie. W przypadku zadokowania i tak musi się poruszać wraz z ruchem obrotowym planety (poprzez połączenie z wieżą).

[Rogovic]

Jeżeli popatrzysz na tą wieże jak na linie składającą się z nieskończonej liczby punktów. Rozpatrując sumę sił w poszczególnych punktach zauważysz że czym dalej jestes od powierzchni ziemi tym różnica miedzy siłą grawitacji a siłą odśrodkową maleje. W punkcie stacji różnica ta wynosi 0. Grawitacja by się nie pojawiła, ONA TAM JEST OD ZAWSZE, tylko ze jest równoważona siłą odśrodkową i nie jest odczuwana.

Budując wieże dalej jakby nad stacje, dochodzimy do momentu że siła odśrodkowa jest większa od siły grawitacji. Zakładając że masa wieży jest znikoma, a na jej końcu mamy punkt materialny(o danej masie) nasza wieża próbowała by się rozerwać. Zachowaniem przypominałoby to obracanie się wokół własnej osi ze skakanką.

[Kadaf]

Nic się nie stanie. Stacja musi znajdować się na orbicie geostacjonarnej, żeby w ogóle kontakt z czubkiem wieży był możliwy, a skoro tak, to nie wystąpi żaden dziwny efekt pojawiającej się z nienacka grawitacji. Przecież taka jest idea windy kosmicznej, gdzie ze stacji opuszcza się kabel który w końcu zostaje zacumowany do powierzchni planety i po którym wciąga się i opuszcza ładunki na orbitę.
[Post scalony: Czw, 24 Lip 2014, 00:00:54]A jeszcze co do argumentu że na dnie rowu marjańskiego i na szczycie mount everest różnica jest nieodczuwalna w grawitacji. No tak, ale ta różnica to ile, 15 km? A tu masz 36 TYSIĘCY km czyli 2000 razy więcej z hakiem. Człowiek jak idzie se normalnie to pokonuje 3 km/h, gdy bardzo szybko biegnie, to ile to będzie, 20 km/h? Różnica niby duża, o 10 razy szybciej prawie. No i nagle wyobraź sobie że nad tym biegaczem zadowolonym z siebie że tak pędzi przelatuje myśliwiec z prędkością 5000 km/h, czyli przeszło mah 3. A więc mocno na oko o tyle szybciej o ile wyżej jest orbita geostacjonarna od różnic między rowem marjańskim a mount Everestem. Widzisz subtelną różnicę?

[beryl]

Człowiek jak idzie se normalnie to pokonuje 3 km/h, gdy bardzo szybko biegnie, to ile to będzie, 20 km/h?

No, jak się na pół godziny na piwo zatrzyma Prędkość "spacerowa" to średnio koło 5km/h, dobry marsz to 6-7km/h. Bardzo szybki bieg to ponad 30km/h. Ale poza tym wszystko się zgadza, jeżeli tylko stacja znajduje się na geostacjonarnej. Jeżeli nie, to w chwili dokowania i hamowania zmieni się rozkład sił.

[Robson]

Założenie jest takie, że stacja znajduje się na orbicie geostacjonarnej, więc pytanie jest głupie, bo i stacja i wieża poruszają się z tą samą prędkością. Na wieży, na tej wysokości panuje zerowa grawitacja. Nie ma znaczenia, czy stacja zadokuje do wierzy, czy do stacji zadokuje wahadłowiec, do puki nie nastąpi zmiana prędkości, nic się nie stanie. Gdyby było niżej to by doszło do katastrofy, zobacz jak się skończyła próba zadokowania boeinga do wieży WTC.
Nie powinno się rozpatrywać takich problemów pod kątem jakichś fizycznych brył umieszczonych gdzieś tam w kosmosie, tylko jako ruch punktów materialnych. Mamy ruch stacji dookoła środka masy i ruch wieży. Ruch wieży utożsamia ruch obrotowy Ziemi. Pytanie więc jest takie: na jakiej orbicie mogę zadokować do wieży? A odpowiedź już dałeś: na orbicie geostacjonarnej.

[ShookTea]

Wszystko rozumiem, ale wyszedłem z założenia, że skoro wirtualny brak grawitacji na Stacji jest wynikiem jest ciągłego spadania, to w chwili zadokowania do Wieży... przestanie spadać.

[Dirkuu]

Przepraszam, ale boli mnie, gdy czytam coś takiego:

[...] brak grawitacji [...]

[...] zerowa grawitacja [...]

Tam nie ma braku grawitacji/nie panuje tam zerowa grawitacja. Jest tam odczuwalny stan nieważkości, a grawitacja tam ciągle jest. Mam wrażenie, iż część osób w tym temacie myśli, że stan nieważkości na orbicie jest spowodowany brakiem grawitacji, a nie równoważeniem jej siły siłą odśrodkową tak jak już wcześniej napisał to Rogovic.

ShookTea:
Stan nieważkości też do końca nie jest wynikiem spadania, bo gdyby tak było to spadając po skoku z samolotu również byś odczuwał pełny stan nieważkości, a przez opór powierza tak nie jest.

[ShookTea]

Cały czas powtarzam zwrot "WIRTUALNY brak grawitacji", a jeśli chodzi o opór powietrza... piszemy chyba o kosmosie, nie? Wątpię, by na wysokości orbity geostacjonarnej atmosfera była tak gęsta, że da się odczuć jej opór.

[Dirkuu]

Tak, ale napisałeś, że Stan nieważkości jest wynikiem spadania, a tak nie jest - to jest błędne podejście i podałem przykład kiedy ten zwrot nie działa tak jak powinien.



A co do "wirtualnego braku grawitacji" - nie wiedziałem o co Ci chodzi.

[PanKurczak]

stan nieważkości nie jest wynikiem spadania? a loty paraboliczne? nawet jakaś piłka zamknięta w kartonie i zrzucona z wysokości przez chwilę będzie sobie latała.

[Dirkuu]

W tym przypadku można określić stan nieważkości spadaniem, tak samo gdy coś orbituje - "ciągle spada", ale są sytuacje w których spadanie ≠ stanowi nieważkości. Spadanie na księżycu, czy gdzieś gdzie nie ma atmosfery było by stanem nieważkości, ale na Ziemii/Kerbinie/Eve spadanie nie jest pełnym stanem nieważkości - jest to stan niedociążenia.

[Kadaf]

No i zaczął się jakże typowo Polski spór o przecinek. Kwestia wieży została rozwiązana prawda? Zagadnienia dotyczące nieważkości są dość skomplikowane, więc tylko czekać aż rozpocznie się dyskusja o tym czy ISS znajduje się w tym stanie nieważkości czy nie, wszak brzuchem ryje w atmosferze. Ale czy to jest właściwie ważne?

[Robson]

Wszystkie inercjalne układy odniesienia są równouprawnione i panują tam identyczne prawa fizyki.
Dla kosmonautów przebywających na orbicie, grawitacja jest zerowa.
Jeśli Cię to boli Dirkuu, to przekształć moją rakietę w układ nieinercjalny i policz tensor napięć-energii. Albo najlepiej zmierz miernikiem.

Dzięki Kadaf za przywołanie do porządku, bo już chciałem rozwinąć temat. A nawet misja na Jool, którą aktualnie wystrzeliłem, za chwilę zamknie orbitę tylko dla tego, żeby sprawdzić GRAVMAX'y. Specjalnie cztery zamontowałem na tę okazję.

[Diakon]

Żeby dało się budować wysokie obiekty w KSP to by można sprawdzić.
.