Questão:
Propriedades gravitacionais dos asteróides
RUDY NUNEZ
2019-10-27 23:47:22 UTC
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Qual deve ser o tamanho de um asteróide para conter uma pessoa de forma que ela não possa escapar?

Maior do que aquele em que vive um certo príncipe que ama ovelhas.
@CarlWitthoft Eu estaria correto em pensar que você não quis dizer [este príncipe] (https://www.mirror.co.uk/news/world-news/prince-charles-visits-sheep-farm-1426329)?
Bem, isso dependeria de ** muitas ** coisas, principalmente do método de escape ... Essa questão deve ser muito mais específica.
Tenho certeza de que há uma referência xkcd sobre este príncipe, mas não consigo encontrar.
AiliuwdyayCMT//what-if.xkcd.com/68/
A pessoa é um saltador olímpico ou apenas um Joe mediano?
Dois respostas:
Rob Jeffries
2019-10-28 02:10:42 UTC
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Claro, você precisaria especificar quem é a pessoa - um atleta olímpico? Vamos supor que sim e então você pode diminuir a escala de acordo.

Então, um saltador olímpico pode pular forte o suficiente para elevar seu centro de gravidade cerca de 2 m do solo.

Vamos supor que seja um problema balístico. O atleta, na verdade, dá a si mesmo velocidade ascendente suficiente para obter seu centro de gravidade de cerca de 1m a 2m no campo gravitacional da Terra. Usando as equações usuais para aceleração uniforme, a velocidade inicial necessária é $ v \ simeq \ sqrt {2gh} = 4,4 $ m / s.

Agora, vamos supor que o atleta poderia entregar algo semelhante em um asteróide. Isso é duvidoso, porque dar uma boa subida, usando um traje espacial, provavelmente não vai acontecer. Mas se fosse possível, então nós apenas igualamos a velocidade de salto à velocidade de escape $$ v = \ sqrt {\ frac {2GM} {R}}, $$ onde $ M $ e $ R $ são a massa e o raio do asteróide (supostamente esférico).

Portanto, não temos restrições separadas sobre a massa e o raio do asteróide, apenas em sua proporção. Se $$ \ frac {M} {R} > \ frac {v ^ 2} {2G}, $$ então, mesmo um atleta olímpico não poderia saltar para o espaço .

Para obter algo mais definido, precisaríamos assumir uma densidade, $ \ rho $ , para o asteróide. Isso depende de de que tipo de asteróide você está falando, mas pode estar entre 1500 e 5000 kg / m $ ^ 3 $ ( Carry 2012).

Se assumirmos (asteróide esférico novamente) que $ M = 4 \ pi R ^ 3 \ rho / 3 $ e substituindo isso pela massa, obtemos uma restrição no raio do asteróide de modo que alguém fica preso se: $$ R > 4.2 \ left (\ frac {v} {4.4 \ {\ rm m / s}} \ right) \ left (\ frac {\ rho} {2000 \ { \ rm kg / m} ^ 3} \ right) ^ {- 1/2} \ {\ rm km} $$

Você pode mexer com isso e assumir uma abordagem diferente- velocidade off (você pode querer argumentar, como faz o MarkP, que poderia aumentar a velocidade horizontal apenas correndo rápido - mas eu duvido que em um "ambiente de miligravidade" - a gravidade da superfície é da ordem de 0,002 m / s $ ^ 2 $ ) ou diferentes densidades de asteróides para modificar a resposta (objetos transneptunianos ou cometas têm densidades inferiores a 1000 kg / m $ ^ 3 $ ). Ou você pode chegar a uma restrição equivalente na massa substituindo por $ R $ em termos de massa e densidade.

@DonHatch Eu vejo tudo bem, então, a menos que isso seja apenas um problema com esta resposta, eu não usaria uma versão beta.
Parece estranho que eu possa saltar mais facilmente de um asteróide de densidade fixa se o raio for * grande *, mas não se for pequeno. Talvez você esteja se referindo a $ v> \ sqrt {\ frac {2 G M} {R}} $, que inverte as desigualdades nas duas últimas telas (ambas são renderizadas corretamente no Firefox 69.0 no Linux).
@EricTowers um grande asteróide tem mais massa. A massa aumenta em $ R ^ 3 $, então a gravidade superficial aumenta em $ R $. A pergunta pede um limite para prender alguém, então é se $ R $ é maior que algum valor.
Uma resposta numérica específica seria útil. Assumindo (seja qual for), parece que ninguém irá pular de um asteróide com raio n km pesando m kg. A propósito, usar o renderizador matemático comon html é uma solução alternativa para o bug do Mathml (usando o navegador Brave versão 0.70.121 Chromium: 78.0.3904.70 (versão oficial) (64 bits)).
@bitchaser * Existe * uma resposta específica. Se $ \ rho = 2000 $ kg / m $ ^ 3 $ e o inicial $ v = 4,4 $ m / s, então a resposta é $ R> 4,2 $ km. Basta inserir suas próprias suposições na última equação se quiser uma resposta diferente; Aqueles são meus. Posso começar uma meta pergunta sobre o problema do navegador - não sei como implementar sua solução alternativa.
Os comentários não são para discussão extensa; esta conversa foi [movida para bate-papo] (https://chat.stackexchange.com/rooms/100388/discussion-on-answer-by-rob-jeffries-gravitational-properties-of-asteroids).
MarkP
2019-10-28 10:23:36 UTC
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Cara, talvez seja tarde da noite, mas não consigo descobrir se Rob está nos dando uma resposta direta aqui, ou o que é se ele está.

Talvez eu possa ajudar um pouco Apesar; a densidade da maioria dos asteróides menores, sempre que vi um número medido ou razoavelmente bem estimado, foi bem menor do que gelo de água. Eles são essencialmente pilhas de entulho congeladas, porosas e não colapsadas, de modo que sua densidade bruta é algo em torno de 0,8 a 0,9 g / cc (ou 800 a 900 kg / cu.m). Isso indica e faz com que sua gravidade geral seja bastante baixa. Eu já vi declarado para pelo menos uma pedra de alguns quilômetros de raio que alguém pulando em torno dela em um traje espacial teria que ter muito cuidado com sua velocidade de deslocamento e força de seus saltos, pois seria inteiramente possível para um humano alcance a velocidade de escape com força muscular.

O maior problema, é claro, em uma pilha fracamente compactada de lama suja é conseguir qualquer tipo de apoio para o push-off. Você acabará naufragando, como tentar escalar uma duna de areia solta ou escalar uma colina lamacenta na chuva. Portanto, o primeiro trabalho será erguer algum tipo de plataforma sólida.

Depois de fazer isso, conecte essa densidade (cerca de 850, em vez de 2.000 kg / m ^ 3) na equação de Rob e veja o que você consegue. Também pode ser possível aumentar a velocidade inicial um pouco; é contraproducente tentar pular direto do planeta, quando você poderia dar um salto com corrida antes. Não lançamos nossos foguetes diretamente para cima, eles partem em uma trajetória espiral em expansão - funciona muito melhor, tanto para alcançar a órbita quanto para excedê-la, para acelerar ao lado, em vez de diretamente para cima da Terra. A fase inicial direta é principalmente para sair do arrasto enorme da baixa atmosfera (que é uma barreira severa para alcançar os ~ 17500 mph necessários) o mais rápido possível, o que não será uma preocupação em um pequeno asteróide.

(então, novamente, 4,4 m / s é cerca de 10 mph, que é o que eu ia sugerir como uma velocidade de corrida; no entanto, se você ADICIONAR um salto a isso, o que será muito mais eficaz do que na Terra, você pode adicionar a isso; se dissermos que há um vetor para frente e um vetor para cima de 4,4 m / s cada, o vetor de 45 graus resultante é mais parecido com 6,2 m / s)

Duas coisas. Você não pode correr quando há apenas 0,002 m / s $ ^ 2 $ de gravidade. Em segundo lugar, acho que você está se referindo a coisas como cometas e objetos transnetunianos, em vez de asteróides, com essas densidades. Eu adicionei uma referência a uma revisão oficial à minha resposta.
Além disso, o argumento do foguete não é realmente relevante. Os foguetes têm aceleração tangencial quando tentam colocar algo em órbita. Se eles estão apenas tentando escapar (balisticamente), então a direção não importa (é apenas conservação de energia).
Correr em pequena gravidade é apenas uma série de longos saltos. Contanto que você consiga mover sua perna rápido o suficiente e manter sua atitude, você ganhará um pouco de impulso para frente a cada salto. Manter a atitude é a parte difícil, mas acho que a prática pode superar isso. Mesmo assim, isso só o levará à velocidade orbital, não à velocidade de fuga.
Como um aparte, 4,4 m / s é uma velocidade de execução ruim. 4,4 m / s é uma velocidade péssima para uma corrida de 10 km, quanto mais para uma corrida de 100 metros. Atletas olímpicos de qualidade têm corrido menos de 10 segundos em traços de 100 metros (> 10 m / s) por mais de 50 anos. Nós, humanos, evoluímos para atropelar as presas em vez de arrancar maçãs de uma árvore pulando para cima.
@DavidHammen - vestindo um traje espacial ?? Acho que não - observe o pouso na Lua. 4,4 m / s é uma velocidade de decolagem vertical em minha resposta; Ainda defendo que é provavelmente a única maneira viável de tentar escapar de um pequeno asteróide. A sugestão de grandes saltos feita acima simplesmente não é possível. Você passaria minutos longe da superfície entre os saltos e seria incapaz de controlar a rotação. - a menos que você tivesse uma mochila a jato, nesse caso por que você não a usa para escapar?
Talvez uma estratégia seja um processo de 2 estágios. Dê uma estocada em uma direção "para frente" e então, quando descer, tente dar um grande salto para cima no estilo de um salto triplo (desde que você alcance a superfície com os pés).


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