Questão:
Você pode navegar contra o sol usando uma vela solar?
James Jenkins
2013-07-18 15:45:48 UTC
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As velas solares são uma maneira excelente e barata de se proteger do sol, se você não estiver com pressa. Os navios que vão para o oceano são capazes de virar contra o vento e mover-se contra o vento. Poderia uma vela solar ganhar impulso de entrada (em direção ao sol) virando?

Nem todos os navios oceânicos são capazes de navegar contra o vento. São necessárias velas com os formatos adequados.
@Uwe consulte a questão do site irmão relacionado; [Os riggers quadrados também usam a propulsão do tipo asa de aeronave?] (Https://outdoors.stackexchange.com/questions/18533/do-square-riggers-also-use-aircraft -wing-style-propulsion)
Seis respostas:
#1
+37
Bob Stein
2013-07-24 08:15:26 UTC
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Não, porque nada como a água contra a qual uma quilha possa trabalhar.

Na navegação aquática existem dois vetores de força , o vetor da reação do vento contra a vela e o vetor da quilha e leme contra a água. Esses vetores se somam para impulsionar o veleiro. Isso funciona para quase todas as direções da bússola, exceto de onde o vento está vindo, ou cerca de 45 graus de cada lado. "Vencer perto do vento", como @geoffc menciona, é viajar contra esse limite. "Tacking" é ziguezague - indo por um tempo 45 graus no sentido horário a partir do vento, e por um tempo 45 graus no sentido anti-horário. Trabalhando contra o vento.

Na navegação solar, há apenas um vetor de força , porque há apenas um meio, os fótons solares, como @Craig menciona. Com um vetor, os limites de direção tornam-se mais de 90 graus para cada lado de onde a luz do sol está vindo. Portanto, sem ziguezague, sem ziguezague, usando algo como aderência.

Agora, talvez a gravidade possa ser usada como outro vetor por meio da mecânica orbital, como @Pearson e @SF mencionam, e talvez um dia isso será chamado de "aderência", mas a física é totalmente diferente de uma quilha na água.


ATUALIZAÇÃO, edição de 23 de setembro de 2017 da The Economist, p 73:

Em alguns aspectos, uma E-vela [feita de amarras de 20 km de comprimento com uma carga positiva, repelindo partículas do vento solar] se parece com uma vela solar, uma ideia rival para energia embarcação barata através do espaço. Uma vela solar fornece propulsão porque a luz do sol que ela reflete exerce pressão sobre a vela, empurrando-a para a frente. Mas as velas eletrônicas têm uma vantagem importante sobre as velas solares. Uma vez desenrolada, não há maneira fácil de parar uma embarcação com uma vela solar ganhando velocidade. Uma nave movida a vela E pode ser impedida de acelerar simplesmente desligando seu canhão de elétrons. Isso significa que ele pode retornar à Terra sob a influência da gravidade do Sol.

Existem várias respostas com muitos detalhes, gosto da forma como esta resposta as reúne (e dá o devido crédito às respostas anteriores). Cada uma das outras respostas dá uma grande percepção dos desafios e opções, e se eu pudesse, aceitaria todas, mas como só posso aceitar uma, estou selecionando esta. Embora curto e muito emprestado de outras obras, ele resume e lê muito bem.
#2
+35
Craig Constantine
2013-07-18 18:40:23 UTC
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Você não pode impulsionar a vela solar diretamente em direção ao sol.

Uma "vela" solar é basicamente um espelho. A analogia do vento e das velas nos navios não é útil para entender como as velas solares funcionam.

Cada fóton do sol que atinge a vela é refletido. Cada fóton transmite uma pequena quantidade de momento. Se a vela estiver apontada diretamente para o sol, você terá duas vezes o momento do fóton adicionado à vela. Se você inclinar a vela, estará enviando cada fóton em uma direção que não é diretamente de volta para o sol; Isso dá a você uma rede de força para um lado. Portanto, você pode controlar o vetor da força total dos fótons refletivos, mas a direção da rede está sempre a mais de 90 graus do sol. À medida que o espelho se aproxima da borda do sol, o vetor de força líquida se aproximaria de 90 graus do sol e cairia para magnitude zero.

(Observe que a pressão dos fótons do sol se aplica a qualquer coisa. Não não precisa ser uma vela projetada. Atualmente, a mecânica orbital leva a "pressão leve" em consideração para determinar com precisão as órbitas de espaçonaves.)

Você pode alterar sua órbita usando uma vela solar.

Você pode usar o impulso da vela solar para alterar a excentricidade orbital para mover uma parte da órbita mais perto do sol, etc.

Se você quiser ir diretamente em direção ao sol da terra, você não precisa de uma força empurrando você diretamente em direção ao sol. Você precisa de uma força empurrando contra sua direção orbital normal. Isso diminui seu momento angular em torno do sol, e você então cai em direção ao sol devido à gravidade.

+1. Gosto muito dessa resposta - só queria que você invertesse seus pontos em negrito. A ênfase deve ser que você pode chegar ao sol com uma vela solar usando a vela para abaixar seu perigeu.
Boa resposta. No entanto, poderia deixar o principal mais claro: uma vela solar pode levá-lo para mais perto do sol ou para longe dele.
#3
+27
PearsonArtPhoto
2013-07-18 18:34:58 UTC
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Isso é um pouco mais fácil do que você imagina. No mundo da Orbital Dynamics, você só precisa acelerar ou desacelerar sua órbita para se aproximar / afastar do objeto que está orbitando. Portanto, tudo o que você precisa fazer é criar um momentum líquido que empurre para diminuir sua velocidade orbital.

No entanto, uma grande parte do que faz o alinhamento funcionar é o fato de que você está forçando a água a agir como um meio de atrito contra o vento, em essência, fazendo com que ele desacelere.

Não sou um especialista nesse tipo de movimento, mas acredito que uma configuração como a abaixo funcionaria, garantindo que a seta seja a direção do movimento orbital e a vela seja o item T como. A direção pode estar errada em 90 graus para que isso aconteça e pode não funcionar muito perto do sol, mas deve levar você na direção certa, pelo menos.

Travelling towards the sun
Fonte: Ben Diedrich via SolarSailWiki, CC BY-SA 3.0

Na verdade, isso já foi feito por uma sonda japonesa chamada Ikaros. Ele navegou usando o Sol para Vênus, da Órbita da Terra, e assim demonstrou que isso é possível.

Embora a resistência da água seja fundamental, já que evita que você seja empurrado pelo vento na direção do vento, acho que a sustentação gerada pela vela é o item principal. Mas de outra forma concordo.
Esse é um sol de formato estranho.
@Undo: Não sou designer gráfico ...
Vamos apenas dizer que são duas erupções solares muito estranhas.
Um pequeno ajuste na descrição de Pearson e @geoffcs, não é exatamente o atrito ou a resistência da quilha que faz a navegação funcionar. Uma quilha sem atrito funcionaria muito bem. A quilha atua através da água de forma semelhante a um aerofólio ou a vela através do vento. O ângulo de ataque entre a quilha e a água produz "sustentação" - um vetor de força quase perpendicular à quilha.
Embora a resposta aceita seja ótima para explicar por que navegar na água e no sol tem algumas diferenças específicas, essa resposta é ótima para explicar como contornar essas diferenças para obter o mesmo efeito.
#4
+8
SF.
2013-07-18 18:49:56 UTC
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Embora você não possa fazer truques comuns para velas normais devido à falta de água para evitar que sua quilha flutue lateralmente e normalmente deixe o navio viajar contra o vento, você ainda é capaz de extrair força diagonal ao raio do sol (o ângulo de a incidência é igual ao ângulo de reflexão; a força resultante é perpendicular à superfície), direcionada para fora do sistema solar.

Agora, isso não deixaria você viajar para dentro, exceto ... - você pode aplicar a referida força com o componente lateral direcionado contra seu vetor de velocidade orbital. Dessa forma, apesar do componente paralelo empurrá-lo para fora, contra a gravidade do Sol, sua velocidade orbital e a força centrífuga resultante caem; e enquanto o componente externo do impulso da vela solar é apenas momentâneo, sua perda de velocidade orbital se acumula e leva à redução contínua de seu raio orbital.

Em outras palavras: a vela solar permite que você altere a velocidade orbital. A gravidade do Sol pode fazer você viajar em direção ao Sol, dependendo da velocidade mencionada.

Uma vela solar inclinada tem um componente de aceleração AA longe do Sol e outro componente PP perpendicular a ele. Se a velocidade da vela tiver componente longe do Sol, AA aumenta sua energia. Se o componente for em direção ao Sol, ele subtrai energia. Se PP estiver na direção da velocidade transversal da vela, PP adiciona energia e momento angular e vice-versa. Se PP tiver um componente perpendicular ao plano orbital, ele altera a inclinação desse plano.
Desculpe, gastei muito tempo acima. Uma vela solar inclinada tem um componente de aceleração AA longe do Sol e outro componente PP perpendicular a ele. Se a velocidade da vela tiver um componente distante do Sol, AA adiciona energia. Um componente em direção ao Sol subtrai energia. Se PP estiver na direção da velocidade transversal da vela, PP adiciona energia e momento angular e vice-versa. Uma vela inclinada, a espaçonave não segue uma elipse, mas ainda pode circundar o Sol e ter afélio e periélio. É possível reduzir o momento angular a zero. Solar Sailing de Colin R. McInnes desenvolve a matemática.
#5
+5
geoffc
2013-07-18 17:55:56 UTC
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Na vela, a virada é usada para navegar o mais próximo possível do vento (obviamente, não diretamente nele, embora o barco da Copa das Américas pudesse ser capaz) enquanto ainda gerava sustentação na vela. Para barcos normais, isso significa, no máximo, um ângulo de 25-30 graus com o vento. Assim, você navega em zigue-zague e precisa virar por davante, do contrário sairá do curso.

As velas do vento não funcionam pela pressão do vento, empurrando-as, exceto em situações a favor do vento ou em velas quadradas mais antigas que você vê em filmes sobre piratas, etc.

As velas modernas têm curvatura e loft e funcionam como asas verticais, gerando sustentação a partir do diferencial de pressão criado pelo fluxo de ar em diferentes velocidades sobre os dois lados da asa.

As velas solares não têm essa capacidade, pois os fótons não agem como moléculas de ar em uma atmosfera. Portanto, eles precisam navegar, "na direção do vento", por assim dizer.

Sim, o vento solar (fótons, prótons, elétrons, nêutrons, íons, átomos ... plasma, de certa forma) não está de acordo com a definição de gás. Mas não consigo imaginar que a resposta seja tão simples. Que tal velas solares * gigantes *? E os efeitos eletromagnéticos?
@ernestopheles Talvez existam outras maneiras de fazer uma vela solar, velejar contra o vento (sol nascente?), Mas a abordagem clássica da vela no vento não o fará.
@RoryAlsop Sim, estava pensando que estava errado, deveria estar pensando em 45 graus, como base, e então você pode apontar mais alto. Atualizará.
#6
  0
Muze
2018-10-01 00:06:37 UTC
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Sim. Usando gradiente de gravidade de planetas próximos e do sol. A vela não está movendo característica do sol. Ele também está em órbita ao redor do sol, pois está se movendo, tudo o que a vela teria que fazer é um grande corpo ou ângulo da pressão da radiação na direção da viagem para diminuir sua velocidade para onde a gravidade do Sol o puxa.



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