Question:
Comment échapper au centre d'une pièce sans gravité?
Jan Gassen
2016-08-22 16:19:26 UTC
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Imaginez que vous êtes un astronaute sur la Station spatiale internationale et que vos collègues astronautes vous ont fait une farce en prenant tous vos vêtements et en vous plaçant au centre d'un module afin que vous ne puissiez rien atteindre avec vos mains ou vos pieds.

Quel serait le moyen le plus efficace d'échapper à cette situation si vous hésitez à faire pipi?

Connexes: [Pouvez-vous nager dans l'espace?] (Https://space.stackexchange.com/q/8073/415) sur [space.se].
Six réponses:
Ilmari Karonen
2016-08-22 18:24:43 UTC
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Puisque vous avez de l'air autour de vous, vous pouvez simplement prendre une profonde inspiration et souffler.

Il n'est en fait pas nécessaire de tourner la tête en faisant cela, comme le suggèrent d'autres réponses. L'air a un nombre de Reynolds élevé à l'échelle humaine, et donc le théorème du pétoncle ne tient pas: même si les mouvements d'inspiration et d'expiration sont réciproques, les flux d'air qu'ils créent ne le sont pas. .

(Vous pouvez le tester vous-même en tenant une main devant votre bouche: vous pouvez facilement sentir le jet d'air créé en soufflant, même avec la main complètement étendue, mais vous ne pouvez pas produire un "jet inversé" peu importe à quel point vous inspirez.)

En pratique, l'élan produit par l'inhalation est assez négligeable, car l'air entre vers votre bouche et votre nez de tous les côtés, et donc la seule chose qui compte est la manière dont vous expirez. En soufflant de l'air hors de votre bouche dans une direction, vous créez un flux d'air net dans cette direction, et ainsi, en conservant votre élan, vous propulsez dans la direction opposée. Cela fonctionne pour les calmars et les méduses (et les pétoncles!), et cela fonctionnera pour vous aussi. Peut-être pas très efficacement, mais sûrement assez pour atteindre un mur dans les limites étroites de l'ISS. Maintenant, si nous commençons à construire des stations spatiales avec d'énormes bulles d'air de centaines de mètres de diamètre, cela pourrait devenir un problème, mais d'ici là, tout devrait être bien.

De plus, vous n'aurez peut-être même pas besoin de recourir à de telles souffles et bouffées. Toute station spatiale réelle conçue pour l'habitation humaine en microgravité doit de toute façon avoir des ventilateurs de circulation d'air actifs, à la fois pour la distribution de la chaleur (importante pour les humains et pour l'équipement, car la convection ne fonctionne pas en microgravité) et pour empêcher l'air expiré de s'accumuler autour de votre corps. par exemple quand tu dors. Donc, dans la pratique, l'air autour de vous se déplacera lentement de toute façon, et il vous suffit d'attendre que ce flux d'air ambiant vous pousse près d'un mur.

Et bien sûr, sur l'ISS, je doute qu'il y ait même un espace assez grand pour réussir correctement cette farce.Les plus grands espaces ouverts de l'ISS, comme le module pressurisé Kibo, sont entourés par des ISPR qui mesurent environ 2 mètres (6 ½ pieds) de large, ce qui rend l'intérieursection un carré de 2 × 2 mètres.Même si vos coéquipiers ont réussi à positionner votre corps dans le sens de la longueur le long de l'axe central d'un module autrement vide de sorte que vous ne puissiez pas simplement tendre la main et saisir une poignée, il vous suffit de vous tordre comme un chat (ou, plus vraisemblablement, agitez-vous simplement de manière semi-aléatoire) jusqu'à ce que vous ayez réussi à vous tourner de 90 °, à quel point vos orteils ou vos mains devraient sûrement pouvoir atteindre un mur.

Le problème est que votre tête est assez éloignée de votre centre de gravité, vous allez donc commencer à tourner plus que vous ne bougez.
@OrangeDog pointe la tête suffisamment en arrière et vous pouvez expirer approximativement en ligne avec votre corps (de haut en bas).Vos bras / jambes peuvent être étendus au besoin pour déplacer un peu votre centre de gravité.
@OrangeDog: C'est un bon point, bien que vous puissiez minimiser le problème en soufflant approximativement (vers le haut ou vers le bas) le long de votre corps.Là encore, une rotation légère ne devrait pas être un problème majeur dans cette situation, et au point où vous commencez à accumuler suffisamment de rotation pour que cela devienne un problème, vous devriez également avoir une quantité décente de vitesse latérale.
Si vous vous blottissiez en boule et que vous faisiez sauter votre cœur entre vos jambes, cela aiderait-il la situation du centre de gravité?
@user151841 Au moins à ce moment, la farce commencerait vraiment à paraître maladroite
Pour cette question, recherchez la question de Feynman sur l'inversion du débit dans un arroseur de pelouse.Inspirer et expirer ne sont pas des inverses l'un de l'autre.
Ce problème spécifique avec Kibo a été remarqué lors de l'installation.http://www.space.com/5473-space-station-largest-lab-room.html http://www.tor.com/2015/12/11/astronauts-do-the-silliest-dances-in-Gravité zéro/
[Chute libre obligatoire.] (Http://freefall.purrsia.com/ff900/fv00900.htm)
Péter sera plus efficace en termes de centre de gravité
Floris
2016-08-22 18:50:24 UTC
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Il vaut la peine de calculer (plutôt que de simplement spéculer) certaines des méthodes décrites.

  1. Respirez d'une manière et expirez de l'autre. Votre volume courant au repos est d'environ 0,5 litre; respirez profondément et cela peut faire 3 à 5 litres (merci @Aaganrmu). Cela représente environ 4 grammes de matériau. Si vous serrez vos lèvres pour augmenter la vitesse à laquelle vous expulsez l'air, vous pouvez l'obtenir à environ 10 m / s (je l'estime à partir des données de cet article qui mesuraient la vitesse de l'air dans une toux - 15 m / s - et des paroles - 4 m / s.). Cela donne un élan net de 0,04 kg m / s, ce qui signifie qu'un astronaute de 70 kg obtiendra une vitesse de réaction de 0,05 mm / s, se déplaçant de 1 cm toutes les 20 secondes. Mais si vous faites cela 10 fois par minute, votre accélération sera d'environ 10 $ ^ {- 4} ~ \ rm {m / s ^ 2} $ et vous parcourrez 2 m (jusqu'au mur le plus proche) en environ 200 secondes. Se sentir quelque peu étourdi par l'hyperventilation ... Notez qu'il n'est pas nécessaire de tourner la tête: il suffit d'inspirer lentement, et d'expirer rapidement.
  2. "nagez" avec vos bras. Si vous pouvez changer la zone de vos bras de 20 cm $ ^ 2 $ entre la partie "avant" du mouvement et la partie "arrière" du mouvement, et vous pouvez déplacer la main avec une vitesse de pointe d'environ 2 m / s pendant 50 cm, la force de traînée approximative sera $ F = \ frac12 \ rho v ^ 2 A C_D = 0,5 * 1 * 4 * 0,02 * 1,0 = 0,04 ~ \ rm {N} $ - quatre fois plus que l'expiration . Et bien sûr, vous pouvez probablement bouger vos bras beaucoup plus rapidement - disons un coup complet (deux bras) par seconde, pour une accélération de 6 $ \ cdot 10 ^ {- 4} ~ \ rm {m / s ^ 2} $ et un temps sur la capsule de 80 secondes.

En combinant les deux techniques, l'exercice avec les bras vous permettra de respirer plus rapidement (au pic de l'effort, un homme adulte peut bouger environ 100 litres d'air par minute, soit 10 fois plus que la valeur que j'ai utilisée). Cela devrait vous amener confortablement sur le côté de la capsule en moins d'une minute.

Si vous pouvez augmenter la masse que vous accélérez, vous pouvez grandement améliorer ces chiffres.J'ai brièvement considéré que cracher pourrait être la réponse, mais votre bouche se tarira assez rapidement.D'autres fluides corporels amélioreraient considérablement le temps - mais étant donné que vous devez encore vivre dans cet espace après coup, je pense que passer un peu plus de temps à agiter les bras, puis à rire des vidéos que vos coéquipiers ont faites, c'est lemeilleure approche ici.

Je me demande si ce que vous avez mangé la veille au soir (et à quel point cela vous rend gazeux) pourrait être un facteur dans votre accélération nette ...
@mikeTheLiar Servent-ils même de tels repas dans une station spatiale avec peu d'air et la nécessité de vivre ensemble dans un espace confiné?
Hourra pour la correspondance!
"_Prends une profonde inspiration et cela peut faire 1 litre_" Ceci est connu sous le nom de [capacité vitale] (https://en.wikipedia.org/wiki/Vital_capacity) et devrait être entre 3 et 5 litres pour les adultes en bonne santé, ce qui en faitnouvelle méthode de propulsion environ 4 fois plus rapide que votre estimation actuelle.
@Aaganrmu - J'ai peut-être sous-estimé;Je cherchais des "nombres ronds".Prendre 10 respirations par minute à 4 litres par respiration me semble une assez mauvaise hyperventilation.À moins que vous ne fassiez un exercice vigoureux (voir http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1905613 - montrant que les mâles adultes peuvent bouger 100 litres / minute au maximum de l'exercice).La bonne réponse est donc «quelque part entre les deux».Nager avec vos bras sera plus efficace.Si cela vous fait respirer plus fort, vous pouvez atteindre le mur en moins d'une minute.
@Aaganrmu - J'ai mis à jour mon calcul.Merci pour le pointeur.
C'est exactement le genre de question et de réponse que je demanderais à un physicien ou à quelqu'un qui est actif dans l'ingénierie physique.Mais c'est stackexchange, et en particulier * this * stackexchange.Je me demande s'il ne devrait pas y avoir deux sites SE de physique - un pour les fermiers de questions, et un pour les personnes qui veulent apprendre à utiliser la physique et celles qui veulent leur montrer comment.
@uhoh - si vous souhaitez créer un message Meta, il vaut mieux discuter de votre point.Mais j'ai peur que ce soit un sujet qui a déjà été longuement débattu ...
ya je commence à voir cela, bien que peut-être pas encore franchi l'horizon des événements.Sur le sujet ici, il est possible dans de très grands volumes ouverts en microgravité que les gens portent un petit appareil d'urgence, j'ai donc posé une [question de suivi] (http://space.stackexchange.com/q/18386/12102).
John Rennie
2016-08-22 16:31:40 UTC
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Il existe des solutions évidentes et ennuyeuses, par exempleinspirez puis tournez la tête de 180 degrés et soufflez l'air.Répétez assez longtemps et vous construirez une vitesse nette.

Le plus intéressant est que si le champ gravitationnel n'est pas complètement uniforme vous pouvez en fait nager dedans.Cependant, c'est un si petit effet que vous seriez mort de vieillesse (sans parler de famine) avant de réussir un changement de position significatif.

Est-ce que l'inspiration et l'expiration fonctionnent pratiquement comme un moyen de vous propulser?(Je suppose que quelques astronautes l'ont essayé, peut-être alors que personne ne le regardait.)
@Nathaniel: "Personne ne cherchait" est drôle dans ce contexte.
Vous n'auriez même pas à plier votre cou pour obtenir une accélération nette grâce à la respiration.Étant donné que la quantité d'élan dépend de la vitesse des particules, il suffit d'inspirer lentement, puis de souffler l'air aussi fort que possible.Ce serait la solution à une farce beaucoup plus méchante, où vos camarades astronautes vous ont revêtu un plâtre entier avant de vous placer au centre du module.Cependant, atteindre le côté ne vous servirait à rien dans ce cas :-(
Je crois comprendre que le champ gravitationnel sur l'ISS est en fait suffisamment non uniforme pour que le milieu d'un module soit un équilibre instable.Vous ne pouvez pas correspondre précisément à l'orbite du centre de gravité de l'ISS, vous dériverez donc vers ou loin de la Terre, avec d'autres débris.A défaut, l'ISS ajuste l'altitude en moyenne une ou deux fois par mois, alors essayez de ne pas mourir de soif avant cela et vous toucherez le «plancher» quand il brûlera.
@M.Herzkamp: Pas besoin d'inspirer lentement;le flux d'air à des nombres de Reynolds élevés est irréversible, donc juste inspirer et expirer à un rythme constant créera un transfert d'élan net.(Vous pouvez le tester vous-même en tenant une main devant votre bouche: vous pouvez facilement sentir le jet d'air créé en soufflant, mais vous ne pouvez pas produire un «jet inversé» quelle que soit la force que vous inspirez.)
TToni
2016-08-22 20:21:21 UTC
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Pour la réponse expérimentale (avec des vêtements), regardez cette vidéo YouTube intitulée "Les astronautes entrent dans le nouveau module japonais Kibo" qui montre un astronaute démontrant sa capacité à nager (lentement) dans les airs.

Les réponses aux liens uniquement sont en fait déconseillées car les liens peuvent mourir à tout moment;mieux ajouter le contenu pertinent ici ou une fois que vous avez une réputation suffisante, vous pouvez l'ajouter en commentaire.
Ma réponse est bien sûr plus la version "langue dans la joue", puisque vous ne pouvez pas réellement voir ce qui cause le mouvement dans la vidéo (peut-être la "nage", la respiration, les courants d'air, un élan initial ou même le mouvement duISS lui-même).Mais comme la vidéo représente presque exactement la configuration décrite par l'OP, j'ai pensé l'inclure pour sa valeur de divertissement.En outre, il montre des mouvements très astucieux qui (bien sûr) conservent l'élan mais changent l'orientation des astronautes de manière précise et contrôlée.
Ethunxxx
2016-08-22 17:42:07 UTC
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Compte tenu des lois du mouvement de Newton, les possibilités sont très limitées: vous devez accélérer la masse dans la direction opposée à celle où vous voulez aller.Cependant, comme l'air est le seul matériau que vous pouvez obtenir et que vous ne voulez pas utiliser de liquide corporel, vous devez utiliser l'air autour de vous:

  • Comme John Rennie l'a déjà suggéré, inspirez et expirez dans des directions opposées.
  • Effectuez un coup de sein comme si vous nagiez dans l'eau.Ce ne sera évidemment pas aussi efficace que dans l'eau, mais l'air est aussi un fluide et fournira une certaine propulsion.

D'autres techniques de propulsion théoriquement possibles utilisant des effets gravitationnels relativistes ou l'élan des photons mettront probablement si longtemps à accélérer votre corps que vous serez mort bien avant d'atteindre les parois de l'ISS.

Un petit commentaire: ce n'est vraiment pas nécessaire d'inspirer et d'expirer dans des directions opposées, comme d'autres l'ont souligné.
Jens
2016-08-23 02:04:33 UTC
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Pas encore mentionné, pour obtenir du delta-v, vous pouvez:



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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