A.C. Clarken Avaruusseikkailu 2001 ja keinopainovoima

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Luen taas kerran mainittua kirjaa (se on hyvä kuten aina) ja rupesin pohtimaan siinä olevan avaruusaluksen miehistötilojen keinopainovoimaa.

Ensin pari pientä pätkää kirjasta alustukseksi niille, joille kirja ei ole ihan tuttu

A.C.Clarke
Löydön (avaruusaluksen nimi) pituus oli lähs 120 metriä päästä päähän, mutta miehistön majailutilana oleva maailma oli melkein yksinomaan painekuoren sisäällä oleva, halkaisijaltaan 12-metrinen pallo.

...

Painepallon ekvatoriaalialueeseen - Kauriista Rapuun kulkevaan tasoon, jos niin voi sanoa - kuului halkaisijaltaan 10 -metrinen hitaasti pyörivä rumpu. Tuo kierroksen kymmenessä sekunnissa pyörähtävä karuselli tai sentrifugi synnytti Kuun painovoimaa vastaavan keinopainovoiman.

...

Mutta tavallisesti rumpu sai pyöriä normaalilla nopeudellaan, sillä oli helppoa mennä sisään isoon hitaasti pyörivään rumpuun etenemällä vuoro-otteella sen keskustan painottomalla alueella olevaa tankoa myöten. Siirtyminen liikkuvaan osaan oli vähäisen harjoittelun jälkeen yhtä helppoa kuin astuminen liikkuviin portaisiin.

(Otteet sivuilta 87-88 minun taskupokkaripainoksessani.)

Toimiiko tuo todella?

Kun ollaan lieriön/rummun keskellä olevassa tangossa kiinni painovoimaa ei ole. Kun tangosta ponnistaudutaan irti kohti viiden metrin päässä olevaa kuorta (lattiaa/kattoa) kohden, niin missä vaiheessa keinopainovoima alkaa vaikuttaa?

Minusta ei missään. Kun seinämään törmätään, niin kaksi liikettä kohtaa: rummun pyöriminen ja ihmisen ponnahdusvoima tangosta. Miksi tuo ihminen tarttuisi kiinni pyörivään rumpuun? Alkaako keinopainovoima vaikuttaa siinä? Minusta taas ihminen törmättyään seinään tekee pari kolme kuperkeikkaa ja ponnahtaa liikkeitten yhteisen suuntavektorin suuntaan. Vektori osoittaa rummusta tangentin tavoin ulos, ja painaa ihmisen lattiaa vastaan, eikös siinä näin tapahdu?

Jos olen kiinni lattiassa, pysyn siinä, ellei minuun vaikuta mikään muu liikevoima (kuin avaruusaluksen)?

Jos olen 10 senttiä irti lattiasta, pysyn siinä, ellei minuun vaikuta mikään muu liikevoima (kuin avaruusaluksen)? Lattia vain kiertyy pois altani.

Mitä tapahtuu kun yritän kävellä tällä kaarevalla, pyörivällä alustalla? Onko eroa kävelenkö rummun liikettä vastaan tai saman suuntaan sen kanssa? Jos vahingossa molemmat jalat irtoavat alustasta samanaikaisesti, mitä tapahtuu? Entä jos ponnistan eteenpäin? Pyörivän rummun liikkeen suuntaan, sitä vastaan tai sivulle päin?

Kuten jo mainitsin kirja on aivan loistava. se on kirjoitettu vuonna 1968, jolloin ei edes kuussa oltu käyty, PC:stä ei ollut tietoakaan, WWW:stä kukaan ei ollut uneksinutkaan, sähköpostin @ -merkki oli juuri keksitty, kuitenkin kirjassa melkein kaikki nuo olivat jo ennustettu jossain muodossa. Mistä muuten tulee aluksen HAL -tietokoneen nimi, tiedättekö?

(Älkää saivarrelko, jos matemaattisissa tai fysikaalisissa termeissä on vikaavikaa, liian pitkä aika kun olen niitä joutunut käyttämään. Korjatkaa, kiitos)

Sivut

Kommentit (33)

installer
Seuraa 
Viestejä9908
Liittynyt16.9.2005
Nukkumatti
Luen taas kerran mainittua kirjaa (se on hyvä kuten aina) ja rupesin pohtimaan siinä olevan avaruusaluksen miehistötilojen keinopainovoimaa.

Ensin pari pientä pätkää kirjasta alustukseksi niille, joille kirja ei ole ihan tuttu

A.C.Clarke
Löydön (avaruusaluksen nimi) pituus oli lähs 120 metriä päästä päähän, mutta miehistön majailutilana oleva maailma oli melkein yksinomaan painekuoren sisäällä oleva, halkaisijaltaan 12-metrinen pallo.

...

Painepallon ekvatoriaalialueeseen - Kauriista Rapuun kulkevaan tasoon, jos niin voi sanoa - kuului halkaisijaltaan 10 -metrinen hitaasti pyörivä rumpu. Tuo kierroksen kymmenessä sekunnissa pyörähtävä karuselli tai sentrifugi synnytti Kuun painovoimaa vastaavan keinopainovoiman.

...

Mutta tavallisesti rumpu sai pyöriä normaalilla nopeudellaan, sillä oli helppoa mennä sisään isoon hitaasti pyörivään rumpuun etenemällä vuoro-otteella sen keskustan painottomalla alueella olevaa tankoa myöten. Siirtyminen liikkuvaan osaan oli vähäisen harjoittelun jälkeen yhtä helppoa kuin astuminen liikkuviin portaisiin.




(Otteet sivuilta 87-88 minun taskupokkaripainoksessani.)

Toimiiko tuo todella?

Kun ollaan lieriön/rummun keskellä olevassa tangossa kiinni painovoimaa ei ole. Kun tangosta ponnistaudutaan irti kohti viiden metrin päässä olevaa kuorta (lattiaa/kattoa) kohden, niin missä vaiheessa keinopainovoima alkaa vaikuttaa?

Minusta ei missään. Kun seinämään törmätään, niin kaksi liikettä kohtaa: rummun pyöriminen ja ihmisen ponnahdusvoima tangosta. Miksi tuo ihminen tarttuisi kiinni pyörivään rumpuun? Alkaako keinopainovoima vaikuttaa siinä? Minusta taas ihminen törmättyään seinään tekee pari kolme kuperkeikkaa ja ponnahtaa liikkeitten yhteisen suuntavektorin suuntaan. Vektori osoittaa rummusta tangentin tavoin ulos, ja painaa ihmisen lattiaa vastaan, eikös siinä näin tapahdu?

Jos olen kiinni lattiassa, pysyn siinä, ellei minuun vaikuta mikään muu liikevoima (kuin avaruusaluksen)?

Jos olen 10 senttiä irti lattiasta, pysyn siinä, ellei minuun vaikuta mikään muu liikevoima (kuin avaruusaluksen)? Lattia vain kiertyy pois altani.

Mitä tapahtuu kun yritän kävellä tällä kaarevalla, pyörivällä alustalla? Onko eroa kävelenkö rummun liikettä vastaan tai saman suuntaan sen kanssa? Jos vahingossa molemmat jalat irtoavat alustasta samanaikaisesti, mitä tapahtuu? Entä jos ponnistan eteenpäin? Pyörivän rummun liikkeen suuntaan, sitä vastaan tai sivulle päin?

Kuten jo mainitsin kirja on aivan loistava. se on kirjoitettu vuonna 1968, jolloin ei edes kuussa oltu käyty, PC:stä ei ollut tietoakaan, WWW:stä kukaan ei ollut uneksinutkaan, sähköpostin @ -merkki oli juuri keksitty, kuitenkin kirjassa melkein kaikki nuo olivat jo ennustettu jossain muodossa. Mistä muuten tulee aluksen HAL -tietokoneen nimi, tiedättekö?

(Älkää saivarrelko, jos matemaattisissa tai fysikaalisissa termeissä on vikaavikaa, liian pitkä aika kun olen niitä joutunut käyttämään. Korjatkaa, kiitos)

HAL tulee IBM lyhenteestä,H on ennen I kirjainta, A ennen B kirjainta ja L ennen M kirjainta.

Ja kyllä se keinopainovoima toimii.

"Kenet jumalat tahtovat tuhota, sen he lyövät ensiksi sokeudella. "

Vierailija
installer

HAL tulee IBM lyhenteestä,H on ennen I kirjainta, A ennen B kirjainta ja L ennen M kirjainta.

Ja kyllä se keinopainovoima toimii.

HAL oikein, jess.

Mutta miten tuo keinopainovoima toimii? Mistä se tietää, milloin pitää alkaa vaikuttaa?

Vierailija

Keski-HAKU-voiman aiheuttamalla painovoiman simulaatiolla
on yksi haittapuoli, nk. Coriolis-voima, joka kampeaa kulkijaa.
Muutenhan sitä ei Einsteinin mukaan voi millään erottaa
painovoimasta. kuten ei avaruudessa tasaisesti kiihtyvää
hissiliikettäkään !

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26851
Liittynyt16.3.2005
Nukkumatti

Mutta miten tuo keinopainovoima toimii? Mistä se tietää, milloin pitää alkaa vaikuttaa?

Se on keskipakoisvoimaa. Se toimii, kun havaitsija liikkuu pyörivän koordinaatiston (rummun) mukana. Havaitsijan liiketila vaikuttaa luonnollisesti koettuun keskipakoisvoimaan, rummun suuntaan kävellessä keskipakovoima kasvaa ja päinvastaiseen suuntaan edettäessä heikkenee. Rummun mittasuhteista riippuu miten merkittävä vaikutus liikkeillä on. Käytännössä rummun pitänee olla niin iso, ettei kävelyvauhdilla ole isoja vaikutuksia. Tuollaisessa rummussa myös Coriolisvoimien vaikutukset ovat kertaluokkia suuremmat kuin normaalisti Maan pinnalla.

bosoni
Seuraa 
Viestejä2704
Liittynyt16.3.2005

Toimii tuo keinopainovoima, mutta vain jos liikkuu sen lattian mukana. Tuollaisessa rummussa nimittäin voisi kellua paikallaan irti lattiasta, kuten olitkin jo pähkäillyt epäsuorasti. (kunhan ei törmäile mihinkään)

Jos ponnistaisit pienellä alkuvauhdilla keskeltä rumpua, niin mikään voima ei vaikuta sinuun ennen lattiaan törmäämistä. Sittenkin voisin sopivasti lattian liikettä myötäillen jäädä kellumaan irti lattiasta. (jos siis et liiku lattian mukana) Jos et myötäile, niin saat hieman nopeutta lattian liikesuuntaan, ja samalla törmäätkin jo toisen kerran lattiaan, koska pyöreä lattia tulee vastaan ennemmin tai myöhemmin sinun liikkuessa hiemankin johonkin suuntaan suoraviivaisesti. Kohta sinulla jo onkin lattian nopeus, ja olet lattialla seisoessasi koko aja suuntaa muuttavalla radalla, ja silloin tunnet painautuvasi lattiaa kohden. (vrt. pyörität vesiämpäriä narun varassa, ja vesi painautuu pohjaa vasten)

edit2: käytännössä se kelluminen ei onnistuisi kovin pitkää aikaa, koska ilma pyörisi tuollaisen rummun mukana, ja alkaisi työntää myös kellujaa mukanaan.

edit: Neutroni ehti ensin, mutta toisin sanoin. Koitin välttää sanan "keskipakoisvoima" käyttöä, koska aina löytyy joku joka saa niistä joko verenpainetta tai näppylöitä. (sen käyttö ei ole kylläkään väärin, kunhan ymmärtää mitä sillä tarkoitetaan)

Jos sorruin (taas) virheeseen, niin tukka varmaan vain oli silmillä, kuten kuva osoittaa...

Herra Tohtori
Seuraa 
Viestejä2613
Liittynyt18.3.2005

Mainitun kaltainen keinopainovoima toimii parhaiten silloin kun pysytään paikallaan ja kuljetaan rummun pinnan mukana. Silloin on rummun sisäpinnan astronauttiin kohdistama keskeiskiihtyvyys pitää kaverin paikallaan rummun pinnalla, koska syntyy tukivoima.

Jos astronautti päättää lähteä kävelemään rummun pyörimissuuntaa vastaan, ja jos hänen nopeutensa saavuttaa rummun pyörimisnopeuden, astronautti havaitsee pian hilluvansa paikallaan rummun reunan lähellä rummun pyöriessä hänen ympärillään. Jos astronautti taas lähtee kävelemään pyörimissuuntaan, niin riippuen rummun halkaisijasta hän havaitsee että pyörimissuuntaan on vaikeampi kävellä koska painoa tuntuu tulevan enemmän.

Tämä johtuu siitä että astronautti pystyy säätelemään omaa kehänopeuttaan vakioetäisyydellä keskipisteestä, mikä tarkoittaa käytännössä erisuurisia keskeiskiihtyvyyksiä.

Hyppiminen tuottaa hyvin mielenkiintoisia tuloksia.

Jos astronautti hyppää suoraan "ylös" kohti rummun keskipistettä, hän siirtyy lennon ajaksi tietysti suoralle lentoradalle koska lennon aikana häneen ei käytännössä vaikuta mikään voima ilmanvastusta lukuunottamatta.

Hypyn alkaessa hänellä on nopeutta rummun tangentin suuntaisesti pyörimissuunnan mukaan. Hän saavuttaa tietyn nopeuden kohti rummun keskustaa ponnistaessaan.

Erottuaan rummun pinnasta astronautin nopeus koostuu kahdesta komponentista: rummun keskiöön suuntautuneesta ja rummun tangentin mukaan suuntautuneesta voimasta.

Toisin sanottuna astronautti ajautuu alkuperäisen kehänopeutensa takia "eteenpäin" hypätessään "ylöspäin". Jonkin ajan kuluttua hän törmää takaisin rummun pintaan.

Päästäkseen suoraan "ylöspäin" eli kohti rummun keskiötä astronautin on saavutettava nolla kehänopeus ponnistuksessa, eli näennäisesti - rummun pyörivässä koordinaatistossa - hänen on ponnistettava sekä taaksepäin että ylöspäin. Jos ponnistuksessa saavutetun nopeuden tangentiaalinen komponentti kumoaa rummun kehänopeuden, astronautti lähtee lillumaan suoraan kohti rummun keskiötä, sivuuttaa sen, ja sitten tupsahtaa toiselle puolelle rumpua. Matkaan kuluva aika riippuu tietysti ponnistuksessa saavutetusta nopeudesta kohti keskustaa.

Eli vastaus kysymykseen "mistä keinopainovoima tietää milloin sen pitää vaikuttaa" on seuraava: Astronautilla pitää olla kehänopeutta että häneen kohdistuu keskeiskiihtyvyys. Keskeiskiihtyvyyteen tarvittava tukivoima on astronautin paino tässä tapauksessa. Se ei ole vakio, vaan riippuu siitä miten astronautti liikuskelee rummussa.

Yleistetysti, mitä isompi rumpu, sitä heikommin huomattavissa äsken kuvatut ilmiöt ovat, koska mittakaava kasvaa.

Capito tutto, perchè sono uno
Persona molto, molto intelligente...

-Quidquid latine dictum sit, altum viditur.

If you stare too long into the Screen, the Screen looks back at you.

Vierailija

Nyt muistuikin mieleeni vierailu lasten kanssa Gröna Ludin Lustiga Husetissa (Linnanmäellä saattaa olla samanlainen paikka: Vekkula?), jossa oli tuollainen lieriö, joka pyöri. Sen sisällä käveleminen oli todella hankalaa. Se johtui ilmeisesti tuosta mainitsemastanne corioilisvoimasta.

Minua edelleen hämmentää tuo Avaruusseikkailun juttu. Tai siis kiehtoo. Keskihaku/pakovoimaahan ei ole olemassa, näin ainakin minä olen oppinut pikkuhiljaa. Nyt te väitätte, että sellainen kuitenkin on olemassa?

Minusta kyse on edelleen liikkeestä tuon mainitsemani tangentin suuntaan, jota lieriön pyörivä liike pyrkii estämään. Minä putoan koko ajan ulospäin, mutta lieriön lattia vie minua takaisin jonnekinpäin (?). Kyseessä on siis kaksi voimaa???

Älkää nyt minua ihan kokonaan sekoittako!

Herra Tohtori
Seuraa 
Viestejä2613
Liittynyt18.3.2005

Keskipakovoimaa ei ole olemassa - paitsi pyörivässä koordinaatistossa näennäisvoimana.

Käsitteellisesti lieriön sisäpinnalla oleva ihminen, jonka koordinaatisto on juuri tuo pyörivä, nähnee helpommaksi ajatella asioita tuon näennäisvoiman kautta kuin joka yhteydessä pitää mielessä että oikeasti mikään ei vedä häntä kohti lieriötä, vaan lieriö työntää häntä sivuun kehänopeusvektoriltaan, mikä aiheuttaa keskeiskiihtyvyyden, jonka ihminen aistii esimerkiksi jalkapohjissa tuntuvana paineena ja yleisenä painon aistimuksena.

Asioita voi yksinkertaistaa, kunhan muistaa mitä niiden takana oikeasti on...

Capito tutto, perchè sono uno
Persona molto, molto intelligente...

-Quidquid latine dictum sit, altum viditur.

If you stare too long into the Screen, the Screen looks back at you.

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26851
Liittynyt16.3.2005
Nukkumatti

Minua edelleen hämmentää tuo Avaruusseikkailun juttu. Tai siis kiehtoo. Keskihaku/pakovoimaahan ei ole olemassa, näin ainakin minä olen oppinut pikkuhiljaa. Nyt te väitätte, että sellainen kuitenkin on olemassa?



Keskihakuvoimassa ei ole mitään ihmeellistä. Se on liikesuuntaa vastaan kohtisuora voima, joka saa kappaleen kaarevalle radalle. Esimerkiksi tuollaisen rummun mukana pyörivään ihmiseen rumpu kohdistaa keskihakuvoiman, joka saa ihmisen kiihtymään kohti keskipistettä. Ihminen aistii sen voiman keinopainovoimana. Tässä tilannetta tarkastellaan inertiaalikoordinaatostosta (koordinaatisto, joka ei kiihdy eikä pyöri).

Kun siirrytään tarkastelemaan tilannetta pyörivässä koordinaatistossa, näennäiset voimavaikutukset ovat erilaisia. Nuo voidaan laskea melko yksinkertaisella koordinaatistomuunnoksella. Osoittautuu, että pyörivässä koordinaatistossa olija kokee keskipako- ja coriolisvoimia. Nuo näennäiset voimat ovat luonnollisesti seurausta siitä, että kappaleet noudattavat Newtonin lakeja inertiaalikoordinaatistossa. Siitä ovat peräisin harhaanjohtavat opetukset tyyliin "keskipakoisvoimaa ei ole", vaikka kyseessä on täsmällisesti määritelty pyörivään koordinaatistoon liittyvä ilmiö.

Kun tarkastellaan tilannetta rummun mukana pyörivässä koordinaatistossa niin, että havaitsija liikkuu rummun mukana, mikään ei liiku eikä keskihakuvoimaakaan silloin voi olla. Havaitsijaan vain vaikuttaa kohdistuvat voima, joka painaa häntä kohti rummun reunoja. Se on keskipakovoima. Kun havaitsija lähtee liikkeelle, häneen näyttää vaikuttavan toinenkin, nopeusvektorista riippuva voima. Sitä kutsutaan coriolisvoimaksi. Sekin seuraa vain siitä, että havaitsija pyrkii liikkumaan suoraan inertiaalikoordinaatistossa. Inertiaalikoordinaatistossa keskipako- ja coriolisvoimia ei ole.

On siis erittäin tärkeää pitää koko ajan mielessä, missä koordinaatistossa havainnointia suoritetaan. Kun siirretään tarkastelu toiseen koordinaatistoon, pitää aina tehdä koordinaatistojen suhteellisen liiketilan huomioivat koordinaatistomuunnokset.


Minusta kyse on edelleen liikkeestä tuon mainitsemani tangentin suuntaan, jota lieriön pyörivä liike pyrkii estämään. Minä putoan koko ajan ulospäin, mutta lieriön lattia vie minua takaisin jonnekinpäin (?). Kyseessä on siis kaksi voimaa???

Kaksi voimaa, mutta ne ovat eri koordinaatistoissa olevien havaitsijoiden kokemia voimia. Et voi noin vain alkaa vertailla niitä, vaan sinun pitää tehdä koordinaatistomuunnos. Se ei ole mikään hirvittävän vaikea lasku, mutta hankalan pitä esitettäväksi täällä. Parhaiten sen voi oppia lainaamalla kirjastosta korkeakoulufysiikan perusoppikirja. Niissä pyörivä koordinaatisto käydään läpi kädestä pitäen.

Vierailija
Neutroni
Nukkumatti

Mutta miten tuo keinopainovoima toimii? Mistä se tietää, milloin pitää alkaa vaikuttaa?



Se on keskipakoisvoimaa. Se toimii, kun havaitsija liikkuu pyörivän koordinaatiston (rummun) mukana. Havaitsijan liiketila vaikuttaa luonnollisesti koettuun keskipakoisvoimaan, rummun suuntaan kävellessä keskipakovoima kasvaa ja päinvastaiseen suuntaan edettäessä heikkenee. Rummun mittasuhteista riippuu miten merkittävä vaikutus liikkeillä on. Käytännössä rummun pitänee olla niin iso, ettei kävelyvauhdilla ole isoja vaikutuksia. Tuollaisessa rummussa myös Coriolisvoimien vaikutukset ovat kertaluokkia suuremmat kuin normaalisti Maan pinnalla.

NIIN, usein virheellisesti puhutaan "keskipakovoimasta", mutta
kyllä se on "keskihakuvoíma", joka vaikuttaa ! Piirräpä koor-
dinaatistoon nuo vektorit !

Neutroni
Seuraa 
Viestejä26851
Liittynyt16.3.2005
BUSHMAN, long time no see

NIIN, usein virheellisesti puhutaan "keskipakovoimasta", mutta
kyllä se on "keskihakuvoíma", joka vaikuttaa ! Piirräpä koor-
dinaatistoon nuo vektorit !

Mihin koordinaatistoon? Inertiaalisessa on keskihakuvoima, mutta pyörivässä keskipako- ja coriolisvoimat. Edelleenkin suosittelen tutustumista aiheeseen kunnollisen oppikirjan avulla. Nuo koordinaatistomuunnokset kannattaa laskea auki ihan itse, niin kyllä siinä huomaa mistä on kyse.

Vierailija
Neutroni
BUSHMAN, long time no see

NIIN, usein virheellisesti puhutaan "keskipakovoimasta", mutta
kyllä se on "keskihakuvoíma", joka vaikuttaa ! Piirräpä koor-
dinaatistoon nuo vektorit !



Mihin koordinaatistoon? Inertiaalisessa on keskihakuvoima, mutta pyörivässä keskipako- ja coriolisvoimat. Edelleenkin suosittelen tutustumista aiheeseen kunnollisen oppikirjan avulla. Nuo koordinaatistomuunnokset kannattaa laskea auki ihan itse, niin kyllä siinä huomaa mistä on kyse.

NIIN, emmekö me olettaneet astronautin kävelevän kehällä ?
Silloin häneen vaikuttaa summavoima sentrifugaalivoimasta JA
Coriolis-voimasta, summaa kutsutaan sentripetaalivoimaksi ?

---------------------------------------------
"Voin olla väärässäkin, mikä ei olisi epätavallista "

Vierailija

NOOH...ei "BUSHMAN" halua nolata ketään, ei edes itseään !

"BUSHMAN" myöntää olevansa tässä lajissa vain "lahjakas harrastelija".

"BUSHMAN" on kemisti, termodynamiikassa olen peto .

Otetaanko erä ?

Vierailija

A.C Clarke oli muutenkin aikaansa edellä kirjoissaan. Eikö gravitaatioon perustuva avaruusaluksen vauhdin lisääminenkin ollut hänen keksintöään. Käytännössähän sitä kokeiltiin vasta 1970-luvulla. Vai

Paras tieteiskirjailija; tieteeseen perustuvaa fiktiota hänen tarinansa suurilta osin, ei mitään sekavaa utopiaa.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat