¿Cómo funcionan las ayudas a la gravedad?

Answer 1

El trabajo realizado por la gravedad puede ser negativo o positivo dependiendo del clima en el que el cuerpo está siendo elevado desde la tierra o hacia abajo.

Cuando el cuerpo viene hacia la Tierra, la gravedad lo ayuda en el sentido de que realiza un trabajo positivo en él y, por lo tanto, aumenta su KE.

Cuando está levantando o levantando el cuerpo, el desplazamiento del cuerpo es hacia arriba, pero la fuerza de la gravedad actúa hacia abajo. La fuerza de la gravedad está drenando la energía cinética de la masa y, por lo tanto, realiza un trabajo negativo. Entendamos esto matemáticamente

W = Fd = FX d X Cos (ángulo entre la fuerza y ​​el vector de desplazamiento)

Cuando está elevando la masa, el ángulo entre el vector de desplazamiento (apuntando hacia arriba) y la fuerza de gravedad (apuntando hacia abajo) es de 180 grados. En tal caso Cos 180 = -1 y por lo tanto

W = FX d X Cos (180) = -FXd que es trabajo negativo.

Igualmente, será positivo cuando la masa descienda o acelere hacia la tierra. En tal caso, el ángulo entre el vector de fuerza de gravedad y el desplazamiento es cero, ya que ambos están en la misma dirección. Por lo tanto, esto da un valor positivo a Fd (FX d X Cos (0) = FXd que es positivo).

En esencia, la gravedad es ayudar al cuerpo a aumentar su KE y, por lo tanto, hacer un trabajo positivo.

Puede ver este video del Science Cube para una comprensión más profunda de este tema.

ENLACE: ¿Qué es el trabajo realizado por la fuerza gravitacional? (Energía de poder de trabajo) # 4

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Answer 2

La misión de Rosetta había usado tiros de 3 por swing o por honda, 2 por la Tierra y uno por Marte. Para poder igualar la velocidad del cometa y alcanzarla en primer lugar, la sonda Rosetta necesitaba un empuje adicional, que no era posible por sí mismo. Así se tomó la asistencia de la gravedad para aumentar su velocidad. Puede considerar la acción similar a la de un tiro de honda.

Swing-by se utiliza en la misión Voyager 1

La ganancia de velocidad es casi 2 veces la velocidad del planeta.

Según la wikipedia
Una pelota de tenis que rebota en un tren en movimiento proporciona una estrecha analogía terrestre. Imagine lanzar una pelota a 30 km / h hacia un tren que se aproxima a 50 km / h. El ingeniero del tren ve que la bola se aproxima a 80 km / hy luego sale a 80 km / h después de que la bola rebote elásticamente en la parte delantera del tren. Sin embargo, debido al movimiento del tren, esa salida es de 130 km / h en relación con la estación.

En la mecánica orbital y la ingeniería aeroespacial, una catapulta gravitacional , una maniobra de asistencia por gravedad , o swing-by es el uso del movimiento relativo (por ejemplo, la órbita alrededor del sol) y la gravedad de un planeta u otro objeto astronómico para alterar la trayectoria y la velocidad de un naves espaciales, generalmente para ahorrar combustible, tiempo y gastos. La asistencia por gravedad se puede utilizar para acelerar una nave espacial, es decir, para aumentar o disminuir su velocidad y / o para redirigir su trayectoria.
La “asistencia” es proporcionada por el movimiento del cuerpo gravitante mientras tira de la nave. La técnica fue propuesta por primera vez como una maniobra de mitad de curso en 1961 por Michael Minovitch trabajando en el problema de los Tres cuerpos. Fue utilizado por sondas interplanetarias desde Mariner 10 en adelante, incluyendo los notables sobrevuelos de Júpiter y Saturno de las dos sondas Voyager .

Answer 3

Las naves espaciales a menudo usan maniobras de asistencia por gravedad para alterar su impulso. Alterar su impulso puede acelerarlos, frenarlos y / o cambiar su dirección de viaje.

Hablemos de dirección, primero. La trayectoria de una nave espacial se alterará al pasar a través del pozo gravitacional de un cuerpo grande. Cuanto más profundo es el pozo en el que va la nave, más significativo es el cambio en la trayectoria. Eso significa que pasar realmente cerca de un planeta o luna cambiará la dirección de la trayectoria más que pasar a una distancia. Si una nave espacial pasa lo suficientemente cerca, el cambio de trayectoria podría incluso enviarla de regreso en la dirección en que se produjo. Las misiones lunares del Apolo se diseñaron de modo que si algo salía mal en el camino a la luna, en lugar de lograr la órbita, podrían pasar cerca de la luna, de cerca, y permanecer aferradas alrededor de la Tierra.

Ahora, hablemos de velocidad. La idea de que a medida que una nave espacial se acerca a un planeta, la gravedad de ese planeta tirará de esa nave espacial, acelerándola, es bastante sencilla. Pero si la nave espacial se acelera a medida que se aproxima, eso debería significar que se desacelerará a medida que se aleje.

Y eso es correcto. Es un juego de suma cero del marco de referencia del planeta. Y ahí es donde aparece el truco: estamos interesados ​​en lo que sucede no desde la perspectiva del planeta, sino desde la perspectiva del sol. El planeta no está estacionario durante el tiempo que la nave espacial se encuentra dentro de su pozo de gravedad: el planeta está orbitando alrededor del Sol. El planeta está moviendo bien su gravedad. Entonces, cuando la nave espacial se vaya, habrá cambiado su impulso debido a esa interacción. Dependiendo de la dirección de aproximación, ese cambio podría aumentar el impulso y podría disminuir el impulso.

En realidad, este es un juego de suma cero, también. El impulso no aparece de la nada. Si la nave espacial ha aumentado su impulso, el planeta debe haber renunciado a ese impulso. Pero, los planetas son grandes, tienen un gran impulso, por lo que no nos importa.

Es bastante estándar realizar maniobras de asistencia por gravedad para naves espaciales que abandonan la órbita terrestre. Naves espaciales como Galileo, Cassini, Juno y Rosetta han usado la Tierra como asistencia por gravedad. Galileo realmente usó la Tierra para dos asistencias de gravedad. La Cassini realiza periódicamente asistencias por gravedad, utilizando las lunas de Saturno, para alterar su perspectiva sobre el sistema de Saturno.

Answer 4

Piense en el Sol jugando ping-pong con Rosetta como la pelota y la Tierra y Marte como paletas. Cuando golpeas una pelota de ping-pong, desde el punto de vista de la paleta, la pelota vuela casi a la misma velocidad que tenía cuando llegó. Sin embargo, debido a que estás balanceando la paleta, desde tu punto de vista, la pelota vuela mucho más rápido después de golpearla.

Con la ayuda de la gravedad, en lugar de rebotar en la Tierra, Rosetta se dobla a su alrededor debido a la gravedad de la Tierra. La única diferencia es que la fuerza que media en la interacción es la gravedad en lugar de la fuerza de contacto entre la paleta y la pelota. Todo lo demás es lo mismo. Desde la perspectiva de la Tierra, Rosetta se va con la misma velocidad que tenía cuando llegó. Sin embargo, dado que la Tierra se está moviendo muy rápidamente alrededor del Sol, desde la perspectiva del Sol, Rosetta abandona la Tierra con mayor velocidad.

Pero en el ping-pong, no se trata solo de velocidad: la parte principal del juego es apuntar la pelota cambiando el ángulo de la paleta. No podemos controlar los movimientos de los planetas, pero podemos controlar cómo Rosetta se acerca a ellos. Con ajustes muy pequeños en la trayectoria de Rosetta, podemos elegir en qué lado de la Tierra vuela para controlar la dirección en que se curva su camino alrededor de la Tierra, y podemos hacer que vuele más cerca de la Tierra para hacer que el camino se doble más o más lejos. La tierra para hacer que el camino se doble menos. No solo podemos usar la Tierra para acelerar Rosetta, sino que también podemos usarla para apuntar a Rosetta, que es lo que nos permite golpear el próximo planeta en la ruta.

La otra cosa que podrías notar en el video es que no es como el ping-pong porque la pelota no cambia de dirección tan dramáticamente. En ese sentido, es más como voleibol, donde un jugador que recibe un pase de un compañero detrás de ellos mueve su mano (planeta) para golpear la pelota (Rosetta) desde atrás, de modo que vaya más rápido en la misma dirección.

Si miras el video, particularmente la segunda asistencia de la Tierra, puedes ver claramente a Rosetta moviéndose más lento que la Tierra antes de la interacción y luego más rápido que la Tierra, como si la Tierra lo hubiera golpeado como una paleta de ping-pong.

Answer 5

El efecto de la catapulta gravitacional se puede considerar como una “colisión de campo”, es decir, un intercambio de energía e impulso de la misma manera que ocurriría en una colisión elástica. La diferencia es que la interacción se produce a distancia a través de campos gravitatorios. Esa diferencia no le importa a la física básica de las colisiones elásticas. Ya sea que las fuerzas parezcan estar sobre grandes distancias o distancias cortas, actúan de la misma manera para cambiar el impulso.

Por ejemplo, si se lanza un súper balón hacia una persona con un bate de béisbol y el bateador se balancea y golpea el balón, no es sorprendente que el balón salga del bate a una velocidad mucho más alta de lo que fue hacia él. El murciélago más masivo puede perder algo de su energía, mientras que la bola gana la mayor parte de esa energía cinética perdida sin ralentizar mucho el movimiento del bate.

En el caso extremo del efecto de catapulta gravitacional, una sonda espacial se movería en la dirección opuesta al planeta al principio, simplemente extrañe el planeta y gire alrededor de él hasta que se aleje directamente del planeta. La física es exactamente la misma que si el planeta golpeara la sonda como si un bate golpeara una pelota en una colisión elástica.

Por supuesto, rara vez podemos hacer que una sonda vaya inicialmente en la dirección opuesta a un planeta, pero los principios generales funcionan de la misma manera, independientemente de los detalles.

Puedes producir una colisión un tanto elástica que funciona como el efecto de tirachinas colocando una pelota de tenis encima de una pelota de baloncesto bien inflada y colocándolas juntas sobre una superficie dura. Después de que el baloncesto golpea y comienza a rebotar, una onda de choque se desplaza rápidamente hacia la pelota de tenis y la propulsa hacia arriba mucho más rápido de lo que había estado bajando.

Answer 6

¿Cómo funciona la maniobra de colisión por gravedad?
las naves espaciales pierden tanta velocidad en el camino de regreso fuera del planeta
Se está utilizando para la maniobra, ya que ganó en el camino hacia ese
¿planeta?

Hay dos maneras en que esto puede suceder, pero ambas cosas equivalen a que la nave espacial tarda menos tiempo en desacelerar en la salida que en acelerar al entrar.

El caso común, el caso más eficiente, usado a menudo por las sondas espaciales, es que la nave espacial gira detrás del cuerpo, endureciendo parte de su movimiento orbital al salir.

A medida que la nave se aproxima, cae hacia un cuerpo que se aleja en su dirección de movimiento, por lo que el tiempo que cae hacia ese cuerpo se estira a medida que el cuerpo avanza, luego la embarcación gira alrededor, por lo que se aproxima aproximadamente al La dirección opuesta y el tiempo que tarda en desacelerarse se reduce por el vuelo del cuerpo a medida que se mueven en direcciones opuestas.

Sencillo.

Sin embargo, es un caso más complejo, ya que está dispuesto a gastar un poco de combustible, lo que le permite obtener más de ese combustible.

Considere el caso simplificado en el que la gravedad es constante una vez que ingresa a la esfera de influencia de un cuerpo. Ignoraremos la aceleración debida a la gravedad hasta que cambie la trayectoria de la nave, luego la agregaremos de una vez.

A medida que la nave se aproxima a la velocidad X, se acelera en G durante el tiempo = D / X, donde D es la distancia desde el borde de la esfera de influencia gravitatoria del cuerpo hasta el enfoque más cercano. Al salir, la nave espacial se está moviendo más rápido, X + Y, por lo que disminuirá en -G para el tiempo D / X + Y. Dado que D / X + Y debe ser más corto que D / X (para Y distinto de cero), la nave no disminuirá tanto como aceleró. Sin embargo, es un delta bastante pequeño, y para un cuerpo en el espacio profundo, su esfera de influencia se mantendrá detrás de usted durante todo el tiempo que sea necesario. Por eso necesitas un poco de combustible. Si dispara su motor al mismo tiempo que hace su acercamiento más cercano, puede disminuir el tiempo total empleado en reducir la velocidad justo en el punto en el que más le convenga. Debido a esto, obtendrá más net delta-v de lo que proporciona la quema del motor solo.

Cuando una nave espacial Apolo fue a la luna, se colocó en una trayectoria de retorno libre que causaría que la velocidad se detuviera casi al mismo tiempo que alcanzaba la esfera de influencia de la luna, y luego caía hacia la luna en una larga elipse que daba retrocede solo la energía suficiente para girar alrededor de la tierra.

Abandonado a sus propios dispositivos, luego desaceleraría casi hasta detenerse justo en el borde de la esfera de influencia de la luna, y luego volvería a caer hacia la tierra.

Ignorando algunos detalles, esto podría haberse prolongado durante miles de años sin un cambio NETO en la velocidad de la nave a lo largo del tiempo.

En el caso de Apolo, la idea era reducir la velocidad cerca de la luna lo suficiente como para caer en la órbita lunar. Para eso estaba el gran motor SPS. Si el CSM hubiera girado la cola y hubiera disparado su motor para acelerar, podría haber pasado a toda velocidad por la luna hacia una trayectoria abierta, una que se comportaría como lo describí anteriormente.

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No soy un científico espacial. Escribo scifi.

Answer 7

es ineficiente usar combustible para todo el viaje espacial, cuando la gravedad puede hacer la mayoría del trabajo
lo que hacen estos cuerpos celestes es capturarlos en órbita, de lo contrario, a menos que estén tripulados, las naves espaciales flotan en el espacio.
de modo que cuando la nave es atrapada en la órbita del planeta (o luna), esperan hasta que sea lo más eficiente para que puedan llegar al destino, y luego se mueven allí desde la órbita.

así que en lugar de tomar un camino directo desde la tierra a otro objeto, movemos la nave a un objeto intermedio que proporciona la aceleración tan necesaria, sin combustible. Solo tenemos que gastar combustible nuevamente para escapar de la órbita, que es mucho menos en comparación con todo el viaje en combustible.

Answer 8

Al proporcionar lo que se conoce como “el efecto de tirachinas”, Júpiter ayudó a New Horizons a acelerar hacia Plutón (y, a diferencia de Star Trek, NO retrocedió en el tiempo, probablemente porque no estaba usando el disco Warp). El efecto de tirachinas se utiliza para acelerar una nave espacial en un sobrevuelo planetario. La NASA llama a esto una “asistencia de gravedad” y la explota para ahorrar combustible en las misiones a los planetas exteriores. Aunque la nave espacial acelera hacia el planeta y luego pierde esa aceleración al salir, el movimiento del planeta en órbita alrededor del sol se agrega a la velocidad de la nave espacial. Una nave espacial puede ganar hasta el doble de la velocidad de la órbita del planeta añadida a la propia. Júpiter viaja alrededor del sol en aproximadamente 12 años, por lo que se está moviendo a través del espacio a aproximadamente 30,000 mph (48,000 kph). Si el satélite se está moviendo en la misma dirección que Júpiter en su órbita, puede aumentar su velocidad en 30,000 mph.

Answer 9

Se trata del intercambio de impulso. Una asistencia por gravedad puede aumentar o disminuir el impulso de la nave espacial según cómo se ejecute el sobrevuelo planetario. Mientras trabajaba en JPL, apoyé el sobrevuelo de Hayabusa con la Tierra en mayo. En cualquier caso, la energía total del sistema solar se conserva … el planeta se ralentiza o se acelera ligeramente (con respecto al Sol) en compensación al encuentro de la nave espacial.

Answer 10

La gravedad tira de un objeto hacia el centro, mientras que la inercia lo empuja en la dirección en que se está moviendo.

Si un objeto se está moviendo hacia arriba, y un campo gravitatorio está dentro del rango hacia la izquierda, las fuerzas se combinarán para que el objeto se mueva hacia arriba, a la izquierda, hasta que esté fuera del rango de la gravedad.

Por lo tanto, usar la gravedad de un objeto puede reducir la cantidad de energía necesaria para hacer un giro.

xkcd: seis palabras

Answer 11

La asistencia por gravedad, también conocida como efecto de tiro con honda, es un método para aprovechar la fuerza de gravitación de los planetas y su movimiento alrededor del sol para acelerar la velocidad de la nave espacial. Imagina una sonda espacial que viaja más allá de Júpiter, dile a Neptuno. Cuando se aproxime a Júpiter, será arrastrado por la enorme fuerza gravitacional del planeta y, al mismo tiempo, será arrastrado a su órbita. El efecto combinado sería el considerable aumento de la velocidad de la nave espacial.

Answer 12

Los planetas están orbitando el sol y se mueven muy rápido. En comparación con una nave espacial, tienen una masa mucho mayor. Júpiter es un ejemplo simple: lanzamos una nave espacial a Júpiter y la enviamos en una trayectoria para que cruce justo detrás de la trayectoria orbital de Júpiter. La gravedad de Júpiter es lo suficientemente fuerte como para arrastrar la nave junto con ella, lo que le da un impulso de velocidad. Es esencialmente “energía libre” (no requiere combustible, que es pesado para ser lanzado desde la Tierra) lo que acelera la nave y la pone en una órbita más alta. Algunas naves espaciales como Rosetta aprovecharon varias de estas ayudas para llegar al cometa.

Answer 13

Supongamos que corres en una carrera y te adelantas a alguien.

Si resulta que eres una escoria de trampa, puedes decidir agarrar a la otra persona por detrás y luego empujarla hacia atrás al pasarla. Se reducirían un poco, y obtendrías un pequeño aumento de velocidad. Parte de su impulso habría sido transferido a usted.

Esencialmente, lo mismo sucede con una asistencia gravitacional, excepto que la nave espacial y el planeta están unidos por la gravedad en lugar de los brazos, y el planeta no experimenta una gran disminución de velocidad porque es muy masivo en relación con la nave espacial.

Answer 14

El efecto de la catapulta gravitacional es una aplicación de la conservación del momento angular. Por favor vea: Asistencia por gravedad. Los soviéticos fueron los primeros en usarlo cuando enviaron una sonda para fotografiar el lado posterior de la Luna. La teoría fue discutida por primera vez por un físico soviético Yuri Kondratyuk en 1938.

Answer 15

La asistencia por gravedad es análoga a la piedra atada al final de la cuerda y la cuerda se gira.

La piedra girará a tu alrededor. Pero cuando abandone la cuerda, la piedra se moverá recta en dirección tangencial a su trayectoria circular anterior.

Lo mismo sucede cuando una nave espacial está en efecto gravitacional de un objeto masivo, por ejemplo. Tierra

Girará a su alrededor y también acelerará debido a la aceleración de la gravedad cuando se gane la velocidad suficiente. Se iniciaron los propulsores de las naves espaciales que lo ayudan a escapar de la gravedad y moverse en dirección tangencial a su trayectoria anterior.

Y así la nave espacial avanza en su viaje.

Este es todo el procedimiento de asistencia por gravedad.

Gracias

Answer 16

La forma más sencilla de explicarlo es que básicamente estás rebotando la nave espacial en un planeta. Si arrojas tu nave espacial a un planeta que se estaba moviendo en su órbita muy rápidamente (como suelen hacer), es fácil ver que (si los planetas estuvieran realmente hinchados), el planeta se estrellaría contra la nave espacial y la derribaría volando a una gran velocidad

Eso es casi exactamente lo que está sucediendo, excepto que realmente no puedes rebotar algo fuera de un planeta. Afortunadamente, puedes hacer uso de la gravedad y las órbitas para lograr el mismo efecto.

Answer 17

Robert Frost tiene una muy buena respuesta acerca de cómo la gravedad ayuda en ¿Los Viajeros ganaron alguna velocidad duradera de sus sobrevuelos planetarios?

Answer 18

Hace lo que usted dice, pierde tanto salir como gana, pero en el marco de referencia del planeta . En el marco de referencia del lanzador, por lo tanto, ha agregado efectivamente la velocidad orbital del planeta a su propia cuenta.

Otra forma de verlo es que pasa más tiempo cayendo, y por lo tanto es arrastrado por la gravedad de los planetas, de lo que hace volar. El planeta lo obliga a ponerse al día antes de escupirlo de nuevo.

Answer 19

¿Cómo ayudó Júpiter a New Horizons para llegar a Plutón más rápido?

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Puede encontrar útil este artículo de Wikipedia: Asistencia por gravedad

Answer 20

Las ayudas a la gravedad implican caer en el pozo gravitatorio de un planeta y luego usar una pequeña quema para impulsarse lejos del objeto gravitacional a una velocidad mayor.