Die Parker Solarsonde hat sich gerade den Titel des sich am schnellsten bewegenden künstlichen Objekts verdient. Dieses Roboterraumschiff, das im vergangenen August von der NASA gestartet wurde, befindet sich derzeit sehr, sehr nahe an der Sonne, um die äußere Korona unseres lokalen Sterns zu untersuchen.
OK, ich weiß, Sie haben Fragen. Lass mich einfach reinspringen.
Wie schnell wird es gehen?
Laut NASA beträgt die aktuelle Geschwindigkeit 153.545 mph (oder 68.6 Kilometer pro Sekunde). Aber wirklich, das bedeutet einfach super schnell., Es ist fast unmöglich, sich etwas so Schnelles vorzustellen, wenn das schnellste künstliche Zeug auf der Erde vielleicht ein Schienengewehrprojektil mit etwa 2,52 km/s ist. Das bedeutet, dass die Parker Solarsonde mit einer Geschwindigkeit fährt, die 27-mal schneller ist als die schnellste Sache, die wir hier unten haben. Zoom schnell.
Was hat das mit der Lichtgeschwindigkeit zu tun?
Licht ist natürlich noch schneller. Licht hat eine Geschwindigkeit von 3 x 108 m/s (300 000 km/s). Aber warum ist das wichtig?, Sie können ein Objekt nicht bis zur Lichtgeschwindigkeit (oder größer als) bringen. Warum? Beginnen wir mit einem Beispiel. Angenommen, ich habe eine Kraft von 1 Newton und drücke 1 Sekunde lang auf ein ruhendes Objekt mit einer Masse von 1 kg (ich verwende einfache Zahlen). Das Impulsprinzip besagt, dass der Impuls das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit ist. Die auf ein Objekt ausgeübte Kraft sagt uns auch die Änderungsrate des Impulses. Dies bedeutet, dass eine 1-Newtonkraft für 1 Sekunde eine Impulsänderung von 1 kg*m/s ergibt (der Änderungsteil ist wichtig).
Dies funktioniert meist für super hohe Geschwindigkeiten., Das Impulsprinzip funktioniert immer noch, solange Sie eine bessere Definition des Impulses verwenden. Es sollte so Aussehen (in einer dimension).
In diesem Ausdruck ist das p Momentum (fragen Sie nicht warum) und das c repräsentiert die Lichtgeschwindigkeit. Beachten Sie, dass, wenn die Geschwindigkeit näher an die Lichtgeschwindigkeit kommt, erhalten Sie eine viel kleinere Erhöhung der Geschwindigkeit für die gleiche Kraft., Wenn die Geschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit wäre, würden Sie durch Null dividieren-was im Allgemeinen eine schlechte Sache ist.
Nur um klar zu sein, es gibt nicht zwei Modelle für die Dynamik. Sie können immer die kompliziertere version von momentum. Versuchen Sie dies: Berechnen Sie den Impuls eines Baseballs mit einer Masse von 0,142 kg und einer Geschwindigkeit von 35 m/s. Tun Sie dies zuerst mit der einfachen Formel der Masse mal Geschwindigkeit und Sie erhalten 497 kg*m/s. Versuchen Sie es jetzt mit der komplizierteren Formel. Ratet mal was? Du bekommst das gleiche. Ich empfehle, wann immer möglich die einfache Formel zu verwenden.,
Wie schnell geht die Parker Solarsonde im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit? Wenn Sie die Geschwindigkeit der Sonde durch die Lichtgeschwindigkeit teilen, erhalten Sie 0.00023. Eigentlich können wir dies als 0.00023 c schreiben (wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist). Es ist schnell, aber es ist nicht Lichtgeschwindigkeit schnell.
Warum ist diese Geschwindigkeit relativ zur Sonne?
Sie werden wahrscheinlich sehen, etwas über die Geschwindigkeit, mit der Parker Solar Probe mit der Bezeichnung als das heliozentrische Geschwindigkeit. Was ist der Deal damit?
Auf der Erde, ist dies selten ein Problem., Wenn Sie Ihr Auto mit 55 mph fahren, versteht jeder, dass wir diese Geschwindigkeit in Bezug auf den stationären Boden messen. Tatsächlich sind Geschwindigkeiten nur dann wirklich sinnvoll, wenn sie relativ zu einem Referenzrahmen gemessen werden. Auf der Erde ist der offensichtliche Referenzrahmen der Boden.
Was wäre, wenn Sie die Erdoberfläche nicht als Referenzrahmen verwenden möchten? Stellen Sie sich vor, ein Polizist zieht Sie in Ihr Auto und sagt: „Oh hallo, ich habe Sie bei 67,055 mph getaktet.“Das könnte tatsächlich wahr sein, da die Erde nicht stationär ist., Um die Sonne zu umkreisen, muss sie mit einer Geschwindigkeit von 67.000 Meilen pro Stunde reisen, um sie in einem Jahr vollständig um die Sonne zu bringen. Ja, das ist schnell (in Bezug auf die Sonne).
Wenn Sie die Geschwindigkeit der Parker-Sonnensonde in Bezug auf die Erde messen wollten, würden Sie es schwer haben, weil Sie nicht nur einen Wert hätten. Wenn sich die Sonde näher an die Sonne bewegt, können sich die Sonde und die Erde in verschiedene Richtungen bewegen. Obwohl die Geschwindigkeit relativ zur Sonne konstant bleiben könnte, würde sich ihre Geschwindigkeit relativ zur Erde ändern, da sich die Erde in ihrer Umlaufbahn um die Sonne dreht.,
Wenn Sie wirklich verrückt werden möchten, können Sie einen anderen Referenzrahmen verwenden—wie das galaktische Zentrum. Aber lass uns nicht verrückt werden.
Wie bricht die Sonde ihren eigenen Geschwindigkeitsrekord?
Die Sonde geht noch schneller als sie bereits unterwegs ist. Die NASA projiziert eine etwas schnellere Geschwindigkeit, wenn sie sich 2024 der Sonne nähert. Aber warum wird es schneller, wenn es näher an der Sonne ist?
Hier gibt es zwei Schlüsselideen. Die erste ist die Gravitationskraft. Dies ist eine attraktive Kraft zwischen der Sonne und der Sonde., Die Größe dieser Kraft nimmt zu, wenn der Abstand zwischen ihnen abnimmt. Oh, keine Sorge—Sie können keine Zunahme der Gravitationskraft bemerken, wenn Sie sich näher am Boden bewegen. Selbst wenn Sie eine vertikale Entfernung von 1000 Metern zurückgelegt haben, ist dies im Vergleich zur Größe der Erde mit einem Radius von 6, 37 Millionen Metern unbedeutend.
Der andere Teil des Problems ist Kreisbewegung. Stellen Sie sich die Raumsonde vor, die sich in einer kreisförmigen Umlaufbahn bewegt (was eigentlich nicht wahr ist). Damit sich ein Objekt in einem Kreis bewegen kann, muss es eine Kraft geben, die es zum Mittelpunkt des Kreises zieht., Die Größe dieser seitlichen Kraft ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des Objekts, aber umgekehrt proportional zum Radius des Kreises. Wenn ich die Gravitationskraft und die erforderliche kreisförmige Kraft zusammensetze, erhalte ich den folgenden Ausdruck für die Umlaufgeschwindigkeit.
In diesem Ausdruck, Ms die Masse der Sonne, und G ist die Gravitationskonstante. Der Hauptpunkt ist jedoch, dass die Geschwindigkeit zunimmt, wenn der Radius abnimmt., Es ist nur Physik.
Hausaufgaben
Wenn Sie Spaß Physik Hausaufgaben Fragen wollen, habe ich Sie abgedeckt. Hier gehts.
- Berechnen Sie die kinetische Energie der Parker Solarsonde mit ihrer aktuellen Geschwindigkeit (in Bezug auf die Sonne). Ja, Sie müssen die Masse der Sonde nachschlagen oder schätzen.
- Angenommen, Sie würden die Sonde auf den neuesten Stand bringen, indem Sie einen Menschen auf einem stationären Fahrrad an einen Generator anschließen. Der Mensch kann 50 Watt so lange produzieren, wie Sie möchten (vielleicht sind es zwei Menschen, die sich abwechseln). Wie lange würde es dauern, bis die Sonde ihre aktuelle Geschwindigkeit erreicht hat?,
- Die Sonde ist seit ungefähr 3 Monaten im Weltraum (gehen wir mit 3 Monaten). Angenommen, die Sonde war die ganze Zeit mit konstanter Geschwindigkeit unterwegs (verwenden Sie ihre aktuelle Geschwindigkeit). Erstellen Sie ein Diagramm von Geschwindigkeit vs. Zeit, gemessen relativ zur Erde. Denken Sie daran, in 3 Monaten ändert die Erde die Richtung.
- Wie viele Schokoriegel müsste die Sonde „essen“, um ihre aktuelle Geschwindigkeit zu erreichen. Ja, ich nehme an, die Sonde frisst. Dies könnte auch nützlich sein.,
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