Interazione Uomo - Astronave

Buongiorno gentili utenti del forum.

L’altro giorno guardavo un servizio su Focus a proposito della Stazione Spaziale Internazionale, ed osservando gli astronauti muoversi all’interno dei vari moduli mi sono lasciato andare alla seguente riflessione.

Considerando gli astronauti e la Stazione Spaziale come un sistema isolato, qualunque contatto tra astronauti e Stazione Spaziale avverrà mediante una Forza che possiamo ritenere interna al sistema, pertanto la Quantità di Moto complessiva non verrà alterata (Principio di Conservazione della Quantità di Moto). Di conseguenza, la velocità del centro di massa del sistema astronauta + ISS non viene variata nel momento in cui un astronauta si spinge contro una parete del modulo per raggiungere la parete opposta. Tuttavia, a causa di attriti interni, dovrebbe poter variare l’Energia Cinetica.

Nella meccanica del volo orbitale vi è un continuo palleggiamento tra Energia Cinetica ed Energia Potenziale, pertanto mi chiedevo: può il contatto di un astronauta con la superficie interna della Stazione Spaziale variare, alla lunga, il moto orbitale di quest’ultima? Se si, si tiene conto di questo effetto nelle manovre che riportano la stazione periodicamente alla giusta quota per contrastare il drag atmosferico? E quanto importante potrebbe risultare un simile effetto di interazione uomo-astronave in un viaggio lungo come quello verso Marte?

Grazie in anticipo a voi tutti.

No, se non c’è nessuna forza esterna, il moto non varia.

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La forza esterna è naturalmente la gravità. Se varia l’energia cinetica a causa di dissipazioni interne, non cambia la forma dell’orbita sotto l’effetto del campo gravitazione?

Hai cambiato la domanda ora…

La forza di gravità fa muovere la ISS in un’orbita ellittica (quasi circolare). L’interazione dell’uomo all’interno non fa variare questo moto. Altre forze esterne fanno variare questo moto (interazione della gravità della Luna, non sfericità della Terra, attrito con l’esosfera).

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Non ti risulta quindi che il sistema astronauta + ISS possa subire una dissipazione di energia cinetica a causa di attriti interni?

No. L’interazione astronauta-ISS non porta a una dissipazione dell’energia cinetica della ISS calcolata con sistema di riferimento inerziale centrato al centro della Terra.

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Magari mi sto incartando da solo ma non vedo ancora il perchè no. La situazione tipo che immagino è questa:

Mi trovo appeso ad una parete del modulo Columbus, vicino il pavimento. Mi spingo via dalla parete per arrivare dalla parte opposta, ma mentre fluttuo all’interno del modulo struscio un piede sul pavimento del modulo stesso, perdendo velocità. Per via dell’attrito mi aspetto che una parte della mia energia cinetica venga restituita alla ISS ma un altra parte venga dissipata in calore. Nel complesso una quota parte di energia cinetica del sistema è andata perduta.

Stai mischiando due sistemi di riferimento! Fissane uno prima!
Energia cinetica rispetto a chi?

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Può essere che quello che scrivi sia vero, ma il suo effetto sarà trascurabile rispetto a tutto gli effetti esterni che alterano il moto orbitale, e in particolare l’attrito atmosferico.

La definizione di buon ingegnere è quello che sa valutare correttamente gli ordini di grandezza e scartare gli effetti trascurabili :slight_smile:

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Scusa, perché dici che è vero? una forza interna non può provocare un’accelerazione al sistema.

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Ho corretto al volo prima che rispondessi, passando da “di sicuro” a “può essere che” :grin:

In ogni caso lo definisco come seg*e mentali, perché se anche ci fosse un effetto sarebbe di ordini di grandezza inferiore rispetto agli altri fenomeni

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L’unico vero effetto di cui tenere conto, sono le vibrazioni indotte alla struttura che possono disturbare alcuni esperimenti in corso.

Per i resto Imho stiamo paragonando in termini di massa, un fringuello che zampetta su una mucca.

Anzitutto ho fatto l’esempio della Iss ma il concetto potrebbe essere anche riportato alla Soyuz o magari, che so, una capsula Mercury, che sono ben più piccole. Inoltre, proprio per via della probabile trascuratezza dell’effetto interazione uomo-astronave, proponevo il caso del viaggio verso Marte. Ovvero volevo ideare una missione di lunga durata temporale, chiedendomi se un simile fenomeno possa indurre effetti concreti. Nel caso della Stazione Spaziale, alla peggio accendo i motori e mi riporto in quota, e anche in tal caso sarebbe difficile quantificare quale parte del mio “scostamento” orbitale sia stata indotta dal Drag Atmosferico e quanta dalle dissipazioni interne. In un viaggio verso Marte mi ritroverei invece nel vuoto siderale e, a parte le perturbazioni esterne di vario genere, avrei mesi e messi di continuo contatto uomo-astronave.

No, scusate se insisto, non è ordini di grandezza inferiori e non è un fringuello, è proprio zero. Non c’è alcun effetto. A meno che l’astronauta non apra il finestrino, quel che succede nella ISS rimane nella ISS e la sua orbita non viene perturbata da movimenti interni.

Non è un effetto trascurabile, è nessun effetto. Non date suggerimenti fuorvianti.

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Posto che sono anche io con Buzz nel dire che non è un effetto signficativo, l’esempio del piede che struscia generando calore è perfetto per dire che in un certo senso è come riconoscere che la “finestra” è sempre aperta.
Quel calore prima o poi finisce nel circuito ECLSS e viene radiato nello spazio. C’è una perdita netta di energia. Non vale probabilmente la pena nemmeno quantificarla.

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Questo potrebbe aiutare a capire di che entità di perturbazioni parliamo e a cosa può condurre una variazione di energia interna:


È peraltro ben possibile che una specie di effetto Yarkowsky/YORP agisca anche sulla ISS. Sebbene, come dicono Buzz e Mike, definitivamente in maniera del tutto trascurabile in confronto alle altre ben più note perturbazioni: J2, terzo corpo, attrito aerodinamico…
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Esattamente quello a cui pensavo io.

Considerando che il calore viene espulso in forma di radiazioni infrarosse, a seconda di come sono orientati i radiatori, questo calore espulso potrebbe anche essere una forma di propulsione :grin:

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Rimanendo sempre nel concetto di energia trasformata in calore e irradiata, direi che tutte le altre forme di energia nell’astronave (ovvero tutto ciò che consuma energia elettrica, come le luci, pompe, ventilatori, etc e tutto ciò che produce calore, come gli astronauti stessi) sono di ordini di grandezza superiori rispetto all’energia dissipata per attrito dai “contatti” uomo astronave…

E tutto questo direi che è nell’ordine di grandezza della pressione di radiazione solare, la quale comunque ha bisogno di vele di vari chilometri quadrati per avere un effetto palpabile

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Sono d’accordo con @Vespiacic, l’oggetto che percorre l’orbita ha una certa energia totale che dipende dalla somma di energia cinetica (\frac{1}{2}mv^2) ed energia potenziale (-G\frac{mM}{r}). Assumiamo per semplicità che l’orbita sia circolare, energia cinetica e potenziale sono costanti su ogni punto dell’orbita (vale solo per l’orbita circolare) e l’energia totale non varia (vale per ogni orbita). Perché l’orbita cambi si dovrebbe perdere energia cinetica e/o energia potenziale.

Visto che la ISS non scambia massa con l’ambiente spaziale esterno (nel tuo esempio) la ISS e tutti i suoi contenuti possono essere considerati un sistema chiuso.

Per cambiare l’energia cinetica possiamo cambiare la massa del sistema (ma il sistema è chiuso) o cambiare la velocità. Per cambiare la velocità dovrebbe essere applicata una forza al sistema, ma il sistema è chiuso per cui le forze interne non possono contribuire ad un cambiamento di velocità.

Per cambiare invece l’energia potenziale possiamo cambiare la massa del sistema ISS (ma il sistema è chiuso), la massa della terra (ma non è il punto dell’esempio) o la distanza tra centro di massa del sistema ISS e centro di massa del sistema Terra. Ma per cambiare la distanza ci deve essere una velocità non nulla sulla perpendicolare rispetto all’orbita. Nel nostro esempio l’orbita però è circolare e visto che forza di gravità e forza centripeta sono bilanciate e le forze interne non possono contribuire, l’energia potenziale nell’esempio resta costante.

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Io parlerei piu’ del principio di conservazione della quantita’ di moto che dell’energia.

Dentro la ISS possono esserci urti anelastici, attriti, combustioni, feste danzanti ma la quantita’ di moto del sistema nel suo complesso si conserva, salvo forze esterne e scambi di massa.

Parlare troppo di energia puo’ fuorviare un lettore disattento. L’energia meccanica si conserva solo a condizioni piu’ stringenti, ad esempio che ci siano solo urti elastici dentro al sistema.