Jos maasta lähetetään tuhannen kilon kuorma avaruuteen 11,2 kilometrin pakonopeudella, niin paljonko avaruudessa tarvitaan evergiaa liikkeen pysäyttämiseksi nollaan?
Eli tarkennan jos avaruusessa lentää 1000 kg 40320 km tunnissa niin paljonko sillä pitäisi olla polttoainetta että vauhti pysähtyy?
Siis noin riitää.
Eli tarkennan jos avaruusessa lentää 1000 kg 40320 km tunnissa niin paljonko sillä pitäisi olla polttoainetta että vauhti pysähtyy?
Siis noin riitää.
Vastaukset 18
Vanhimmat
Onko sillä vaikutusta tarvittavaan polttoainemäärään, että pysäytetäänkö massa 10 sekunissa vai 10 tunnissa?
"Mikä voimassa voitetaan, se matkassa menetetään" pitää tässäkin paikkansa. Jarrutusenergia ja sen tuottamiseen tarvittava nettomääräinen polttoainemäärä on kuitenkin aina sama.
Tuossa ensimmäisessä jarrutustapauksessa saattaisi olla tuloksena kohtalaisen litteitä astronautteja, kun hidastuvuus on yli 100 G.
Ajattelin että jos olisin kyydissä.
Ei avaruudessa ole erikseen kiihdytystä tai jarrutusta, on vain nopeuden muutos, sama mihin suuntaan. Siihen ei tarvita suoranaisesti energiaa, vaan impulssia. Toisin sanoen, sen tonnin hidastamiseen tarvitaan suurin piirtein sama määrä ajoainetta kun tarvittiin kiihdyttämiseenkin. Jos ei ole huoltamoa matkan varrella niin myös se hidastamiseen tarvittava ajoaine on pitänyt ensin kiihdyttää, eli kiihdytettävää olikin aika paljon enemmän kuin tonni, ja myös polttoainetta kului enemmän. Suhde on kuitenkin sama, jos käytetään samaa polttoainetta. Aineen laatu vaikuttaakin sitten määrään aika paljon.
Jos käytettävän rakettimoottorin ominaisimpulssi on 4000 m/s (vety-happi), tarvitaan ymmärtääkseni 1000 kg massan 11200 m/s nopeuden muutokseen n. 15500 kg ajoainetta.
Vaikutusta on myös sillä, miten kauas annat mennä ennen kuin alat hidastaa, maan vetovoima nimittäin hidastaa nopeutta pois päin mentäessä. Pakonopeus on se juuri riittävä nopeus että ei lopu kesken, ts. ei käänny takaisin, mutta hidastuu kyllä.
Orbiter-simulaattori:
http://orbit.medphys.ucl.ac.uk/orbit.html
Sehän hotkii gallonaa aika reippaasti, kunnon avaruusmatkailuun pitäs kai saada polttoaine kevyemmäksi.
Miten muuten nopeuden muutos saadaan tehtyä juuri vastakkaiseen eli menotuuntaan, ettei rataan tule kiertymää, vaatisiko tämä monimutkaisen koneiston?
Miten ylipäätään voidaan tietää paikka avaruudessa, jos sitten pitäisi ratasuuntaa korjata.
> Sehän hotkii gallonaa aika reippaasti, kunnon
> avaruusmatkailuun pitäs kai saada polttoaine
> kevyemmäksi.
Pitää muistaa, että raketin toiminta perustuu myös polttoaineen massaan (taikka palokaasujen massaan), koska se ponnistaa niistä. Voimalla pitää aina olla vastavoimansa. Vertaa esim. vesiraketti, jossa vesi toimii reaktioaineena ja ilmanpaine työntää sen pullosta ulos.
> Miten muuten nopeuden muutos saadaan tehtyä
> juuri vastakkaiseen eli menotuuntaan, ettei
> rataan tule kiertymää, vaatisiko tämä
> monimutkaisen koneiston?
Tarvitaan ohjaussuuttimia tms. vähän joka suuntaan, jos halutaan tehokkaasti ohjailla. Radan kääntäminen on tunnetusti "kallista" puhumattakaan nopeuden pysäyttämisestä kokonaan taikka suunnan vaihtamisesta.
> Miten ylipäätään voidaan tietää paikka
> avaruudessa, jos sitten pitäisi ratasuuntaa
> korjata.
Nykyään GPS-satelliittipaikannusjärjestelmä toimii myös avaruudessa (tietävästi). Muita menetelmiä ovat tähtien yms. kohteiden käyttäminen aseman ja asennon selvittämiseen.
http://en.wikipedia.org/wiki/Rocket
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_orbits
Avaruusnavigaatiossa on useita järjestelmiä. GPS toimii ainakin LEO:lla, eli matalilla radoilla. Jos mennään ylemmäs, niin transponderit, eli maasta lähetettävä signaali kertoo yleensä missä olet.
Varajärjestelmiäkin tietenkin on. Apolloissa (kuulennoissa) oli tavallinen (sähkömekaaninen) inertia-navigointijärjestelmä, eli se mittasi kiihtyvyydet ja niiden ajat eri suuntiin, jolloin on mahdollista laskea nopeuden muutos ja suunta, jolloin saatiin tietää missä on ja millä nopeudella ja mihin suuntaan, jos piti vain kirjaa jokaisesta kiihtyvyyden muutoksesta (homman tietenkin teki tietokone).
Sukkulassa on hienompi versio tästä vekottimesta, nimittäin laser-inertia navigointi. Siinä on lasersäteitä, jotka kaartuvat kiihtyvyyden mukaan (kiihtyvyys on painovoima ekvivalentti), jolloin kiihtyvyydet saadaan laskettua hyvin tarkasti.
*Siihen ei tarvita suoranaisesti energiaa, vaan impulssia. *
Onkohan sulla nuo perusfysiikan käsitteet jotenkin hukassa?
"Onkohan sulla nuo perusfysiikan käsitteet jotenkin hukassa?"
Enpä usko, mutta asiasta voidaan tietysti keskustella. Pystytkö sanomaan täsmällisen energiamäärän, jolla tonnin massa hidastetaan avaruudessa 11200 m/s nopeudesta pysähdyksiin?
mutten viitsi näpytellä laskimeen. Se on tasan sen liike-energian 1/2mvEXP2 suurunen.
Liike-energia on n. 63 GJ, ja sillä siis tonni pysähtyy avaruudessa? Hitsin hitsi, minä (ja moni muu) on luullut että aiemmin mainitsemallani vety-happi-rakettimoottorilla tarvitaan tuo 15.5 tonnia ajoainetta (Tsiolkovskin rakettiyhtälön mukaan), josta 1700 kg vetyä ja loput happea. Siinähän kuluu energiaa 200 GJ!
Hittoako täällä minun kanssani intät, sinun kannattaisi esittää teoriasi NASAlle, ESAlle tms. jotta turhaan niin isoja kantoraketteja rakentavat, kolmasosa riittää.
toimii kuitenkin? Jos liike-energialtaan 2 63GJ vastakkaissuuntaan etenevää kappaletta törmäävät, eikös molemmat pysähdy? Toki jos 63GJ kappaletta aletaan jarruttamaan, energiaa menee myös sen toisen (jarruttavan) kappaleen kiihdytykseen.
Energia säilyy, mutta se saattaa muuttaa muotoaan.
"Jos liike-energialtaan 2 63GJ vastakkaissuuntaan etenevää kappaletta törmäävät, eikös molemmat pysähdy?"
Ei välttämättä. Jos törmäys on täysin kimmoisa, molemmat ponnahtavat alkuperäisellä vauhdilla vastakkaisiin suuntiin ja liike-energia säilyy sellaisenaan. Täysin kimmottomassa törmäyksessä taas molempien koko liike-energia muuttuu lämmöksi. Liikemäärä säilyy aina.
Tosielämässä massan liike-energia 11200 m/s nopeudessa on n 15-kertainen verrattuna vastaavaan määrään dynamiittia, eli melkoinen mosaus tuosta törmäyksestä tulisi, ja molemmat kappaleet haihtuisivat kaasuksi.
"Toki jos 63GJ kappaletta aletaan jarruttamaan, energiaa menee myös sen toisen (jarruttavan) kappaleen kiihdytykseen."
Minusta vähän tuntuu että sinulla ne klassisen fysiikan perusasiat on hakusessa.
Jos vielä palataan rakettimoottoriin, niin energioita voidaan laskea monella tavalla, mutta tuloksilla ei oikein tee mitään. Ratkaisevaa on nopeudenmuutoskyky, joka saadaan Tsiolkovskin rakettiyhtälöstä ve * ln(alkumassa/loppumassa). Tässä ve on moottorin ominaisimpulssi eli suihkun nopeus jolla ajoaine moottorista ulos lentää ja massat tankki täynnä ja tyhjänä. Raketin työntövoima on yksinkertaisesti ajoaineen massavirta kertaa suihkun nopeus, liikemäärän säilymislain mukaan.
*Minusta vähän tuntuu että sinulla ne klassisen fysiikan perusasiat on hakusessa. *
Katsotaanpa noita lauseitasi:
*Ei avaruudessa ole erikseen kiihdytystä tai jarrutusta, on vain nopeuden muutos, sama mihin suuntaan. *
Peruskoulun 8 luokka: kiihtyvyys on nopeuden muutosta, eikö?
*Siihen ei tarvita suoranaisesti energiaa, vaan impulssia.*
Väität siis, ettei tuon rautamöhkäleen pysäyttämiseksi tarvita energiaa, vaan impulssia. Vähän kuin sanoisi, ettei nälän voittamiseksi tarvita ruokaa, vaan makkaraa. Impulssihan on liikemäärän muutos, eli voiman aikaderivaatta. Tarvitaan siis voima, että kappaleen liiketilaa voidaan muuttaa. Kun kappaleeseen vaikutetaan jollakin voimalla joku matka, niin sanotaan, että tehdään työtä. Tehty työ on samansuuruinen kuin kappaleen liike-energian muutos. Jos jarruna on moottori, niin sen pakokaasujen kemiallinen energia muutetaan sen liike-energiaksi, josta voiman ja vastavoiman lain mukaan saadaan jarruraketille työntövoima. Toki moottorin hyötysuhde pitää ottaa huomioon, kaikki kemiallinen energia ei muutu liike-energiaksi.
Sanoin: "Toki jos 63GJ kappaletta aletaan jarruttamaan, energiaa menee myös sen toisen (jarruttavan) kappaleen kiihdytykseen." jolla siis tarkoitin tilannetta, että tuo rautamötikkä lentää avaruudessa, jarruraketti lennätetään siihen kiinni ja sitten se alkaa jarruttaa. Tällöinhän sen pitää pysäyttää sekä tuo rautamötikkä (sillä liike-energia) sekä itsensä (sillä liike-energia). Kiihtyvyys tässä yhteydessä tarkoittaa siis hidastuvuutta, mutta fysiikassa nämä ovat sama asia, eli nopeuden muutos (positiivinen tai negatiivinen).
"Vähän kuin sanoisi, ettei nälän voittamiseksi tarvita ruokaa, vaan makkaraa."
Sanoisin mieluummin, ettei nälän voittamiseen tarvita kaloreita vaan ruokaa.
"Kun kappaleeseen vaikutetaan jollakin voimalla joku matka, niin sanotaan, että tehdään työtä"
Niin. Mutta jos tietyntyyppisessä raketissa on tietty määrä polttoainetta, se voi muuttaa nopeuttaan tietyn verran, suunnasta ja alkunopeudesta riippumatta. Tehdyn työn määrä sen sijaan vaihtelee riippuen nopeuden muutoksen suunnasta ja alkunopeudesta. Sen takia väitän edelleen, ettei energiaperiaate ole mielekäs rakettijutuissa.
Avaruudessa on mm. sellainen veikeä piirre, että jos pitää päästä elliptiseltä radalta pakonopeuteen, kannattaa kiihdyttää vauhtia silloin kun aluksen nopeus on valmiiksi suurin eli kun ollaan lähinnä kappaletta jolta halutaan pois. Pakonopeudessa on kyse energiasta, ja rakettimoottorilla saadaan sitä nopeammin lisää energiaa mitä enemmän on alkuvauhtia. Tarvittavan kiihdytyksen laskeminen on helpointa kun lasketaan tarvittava pakonopeus ko. etäisyydellä kappaleesta, sitten tarvittava nopeuden muutos ja ajoaine Tsiolkovskin kaavalla.
"sen pakokaasujen kemiallinen energia muutetaan sen liike-energiaksi josta voiman ja vastavoiman lain mukaan saadaan jarruraketille työntövoima"
Annapa esimerkki miten lasket työntövoiman liike-energiasta? Liikemäärällä onnistuu helpommin. Siinä mielessä olet oikeassa, että mitä suurempi lämpöteho pakokaasuihin saadaan, sitä suurempi on niiden nopeus ja myös työntövoima. Jos halutaan oikeasti laskea paljonko polttoainetta tarvitaan, energiat voi unohtaa sen jälkeen kun tiedetään ominaisimpulssi eli pakokaasujen nopeus.
"Toki moottorin hyötysuhde pitää ottaa huomioon, kaikki kemiallinen energia ei muutu liike-energiaksi"
Rakettimoottorin tapauksessa kokonaishyötysuhteeseen vaikuttaa käytetty nopeus ja se muuttuu koko ajan nopeuden muuttuessa. Ei ole mielekäs suure. Voidaan tietysti laskea myös pakokaasun kineettinen "teho", se pysyy samana, mutta eipä silläkään mitään tee jos rakettimoottoria käytetään työntövoiman lähteenä. Jos raketilla pyöritetään turbiinia, suihkun teho on mielekäs suure.
Vielä esimerkki: sain aiemmin vety-happi-raketilla kokonaishyötysuhteeksi noin 30%. Jos sama tonni kiihdytetään samalla raketilla 0 - 100 km/h, vetyä palaa 0.77 kg, energialtaan n. 93 MJ. Tonnin liike-energiaksi tästä jää vaivaiset 385 kJ eli vajaat 0.5 %. Pysyn kannassani.
asiassa ja laskusi pitävät varmaan paikkansa. Siitä riippumatta onko jokin suure käytännöllinen laskuissa tai ei, niin uskallan silti väittää, että kaikissa tilanteissa voi sanoa, että energian säilymislaki pitää paikkansa ja raketin pysäyttämiseen tarvitaan energiaa. Tässä tulikin paljon mielenkiintoista asiaa tälle palstalle :)
Tässä tulikin paljon mielenkiintoista asiaa tälle palstalle :)
No en minäkään väitä etteikö energian säilymislaki pitäisi paikkaansa. Se vaan tässä tapauksessa jakautuu moneen kohteeseen ja jakosuhde muuttuu koko ajan eli ei voida ilmoittaa tarkkaa määrää jolla tonni pysähtyy. Impulssille voidaan.
Tulipa tässä mieleen, että uuden tyyppisissä rakettimoottoreissa energialla onkin erittäin suuri merkitys. Syksyllä kuuhun törmännyt SMART-luotain kiipesi sinne ionimoottorin(?) voimalla maata kiertävältä radalta. Siinä ajoainetta ei polteta vaan se kiihdytetään moottorista ulos sähköllä. Veikkaisin sähkötehoa tarvittavan vähintään saman verran kuin suihkun kineettinen teho on. Jos suihkun nopeus kasvatetaan vaikka kaksinkertaiseksi niin kiihdytettävän aineen massavirta eli ajoaineen kulutus voidaan puolittaa saman työntövoiman saavuttamiseksi. Tällöin kuitenkin sähkötehontarve kaksinkertaistuu, koska kineettinen energia kasvaa nopeuden neliössä. Ajoainetta säästyy, mutta voimalan koko kasvaa.