Frage:
Können Sie mit einem Sonnensegel gegen die Sonne kämpfen?
James Jenkins
2013-07-18 15:45:48 UTC
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Sonnensegel sind eine großartige und kostengünstige Möglichkeit, sich von der Sonne zu entfernen, wenn Sie es nicht eilig haben. Hochseeschiffe sind in der Lage, sich gegen den Wind zu wenden und den Wind nach oben zu bewegen. Könnte ein Sonnensegel durch Wenden an Fahrt (in Richtung Sonne) an Fahrt gewinnen?

Nicht alle Hochseeschiffe können sich gegen den Wind wenden. Segel mit den richtigen Formen werden benötigt.
@Uwe siehe verwandte Schwester-Site-Frage: [Verwenden Square-Rigger auch Antriebe im Flugzeugflügel-Stil?] (Https://outdoors.stackexchange.com/questions/18533/do-square-riggers-also-use-aircraft) -wing-style-propulsion)
Sechs antworten:
#1
+37
Bob Stein
2013-07-24 08:15:26 UTC
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Nein, denn es gibt nichts Schöneres als Wasser, gegen das ein Kiel arbeiten kann.

Beim Wassersegeln gibt es zwei Kraftvektoren , den Vektor aus der Reaktion des Windes gegen das Segel und den Vektor aus dem Kiel und dem Ruder gegen das Wasser. Diese Vektoren addieren sich, um das Segelboot anzutreiben. Dies funktioniert für fast jede Richtung auf dem Kompass, außer wo der Wind herkommt oder ungefähr 45 Grad zu beiden Seiten davon. "In der Nähe des Windes schlagen", wie @geoffc erwähnt, stößt an diese Grenze. "Tacking" ist im Zickzack - eine Weile 45 Grad im Uhrzeigersinn vom Wind und dann eine Weile 45 Grad gegen den Uhrzeigersinn. Arbeiten Sie sich gegen den Wind vor.

Beim Sonnensegeln gibt es nur einen Kraftvektor , da es nur ein Medium gibt, die Sonnenphotonen, wie @Craig erwähnt. Mit einem Vektor betragen die Richtungsgrenzen mehr als 90 Grad zu beiden Seiten des Sonnenlichts. Also kein Zickzack, kein Zacken, mit etwas wie Heften.

Jetzt kann die Schwerkraft möglicherweise über die Orbitalmechanik als weiterer Vektor verwendet werden, wie @Pearson und @SF erwähnen, und vielleicht eines Tages Dies wird als "Wenden" bezeichnet, aber die Physik unterscheidet sich grundlegend von einem Kiel durch Wasser.


UPDATE, Ausgabe vom 23. September 2017 von The Economist, S. 73:

In gewisser Weise ähnelt ein E-Segel [aus 20 km langen Bändern mit einer positiven Ladung, die Sonnenwindpartikel abwehrt] einem Sonnensegel, einer konkurrierenden Idee für den Antrieb billig durch den Weltraum basteln. Ein Sonnensegel sorgt für Vortrieb, da das reflektierte Sonnenlicht Druck auf das Segel ausübt und es nach vorne drückt. E-Segel haben jedoch einen wichtigen Vorteil gegenüber Sonnensegeln. Einmal entfaltet, gibt es keine einfache Möglichkeit, ein Fahrzeug mit einem Sonnensegel anzuhalten, das an Geschwindigkeit gewinnt. Ein E-Segel-angetriebenes Fahrzeug kann durch einfaches Ausschalten seiner Elektronenkanone am Beschleunigen gehindert werden. Dies bedeutet, dass es unter dem Einfluss der Schwerkraft der Sonne zur Erde zurückkehren kann.

Es gibt mehrere Antworten mit vielen Details. Ich mag die Art und Weise, wie diese Antwort sie alle zusammenbringt (und frühere Antworten gebührend berücksichtigt). Jede der anderen Antworten gibt einen guten Einblick in die Herausforderungen und Optionen, und wenn ich könnte, würde ich alle akzeptieren, aber da ich nur eine akzeptieren kann, wähle ich diese aus. Obwohl es kurz ist und sich stark von anderen Werken leiht, fasst es gut zusammen und liest sich gut.
#2
+35
Craig Constantine
2013-07-18 18:40:23 UTC
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Sie können das Sonnensegel nicht direkt in Richtung Sonne treiben.

Ein Sonnensegel ist im Grunde ein Spiegel. Die Analogie von Wind und Segeln auf Schiffen ist nicht hilfreich, um zu verstehen, wie Sonnensegel funktionieren.

Jedes Photon der Sonne, das auf das Segel trifft, wird reflektiert. Jedes Photon verleiht einen kleinen Impuls. Wenn das Segel direkt auf die Sonne gerichtet ist, wird dem Segel der doppelte Impuls des Photons hinzugefügt. Wenn Sie das Segel abwinkeln, senden Sie jedes Photon in eine Richtung, die nicht direkt zurück zur Sonne zeigt. Das gibt Ihnen eine Nettokraft zur Seite. Sie können also den Vektor der Gesamtkraft der reflektierenden Photonen steuern, aber die Nettorichtung ist immer mehr als 90 Grad von der Sonne entfernt. Wenn sich der Spiegel der Sonne nähert, nähert sich der Nettokraftvektor 90 Grad von der Sonne und fällt auf die Größe Null ab.

(Beachten Sie, dass der Druck der Photonen der Sonne auf alles zutrifft Es muss kein entworfenes Segel sein. Die Orbitalmechanik berücksichtigt derzeit den "leichten Druck" für die genaue Bestimmung der Umlaufbahnen von Raumfahrzeugen.)

Sie können Ihre Umlaufbahn mit einem Sonnensegel ändern. stark>

Sie können den Impuls des Sonnensegels verwenden, um die Exzentrizität der Umlaufbahn zu ändern, um einen Teil der Umlaufbahn näher an die Sonne heranzuführen usw.

Wenn Sie direkt gehen möchten Von der Erde zur Sonne hin brauchst du keine Kraft, die dich direkt zur Sonne drückt. Sie benötigen eine Kraft, die gegen Ihre normale Umlaufbahn drückt. Das verringert Ihren Drehimpuls um die Sonne und Sie fallen dann aufgrund der Schwerkraft in Richtung Sonne.

+1. Ich mag diese Antwort sehr - ich wünschte nur, Sie würden Ihre fettgedruckten Punkte umkehren. Der Schwerpunkt sollte darauf liegen, dass Sie mit einem Sonnensegel zur Sonne gelangen können, indem Sie das Segel verwenden, um Ihr Perigäum abzusenken.
Gute Antwort. Dies könnte jedoch das Wesentliche klarer machen: Ein Sonnensegel kann Sie entweder näher an die Sonne oder weiter von ihr entfernt bringen.
#3
+27
PearsonArtPhoto
2013-07-18 18:34:58 UTC
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Das ist eigentlich etwas einfacher als Sie denken. In der Welt der Orbitaldynamik müssen Sie nur Ihre Umlaufbahn beschleunigen oder verlangsamen, um sich näher / weiter von dem Objekt zu entfernen, das Sie umkreisen. Alles, was Sie tun müssen, ist, einen Nettodrehimpuls zu erzeugen, der Ihre Umlaufgeschwindigkeit verlangsamt.

Ein großer Teil dessen, was das Wenden zum Funktionieren bringt, ist die Tatsache, dass Sie das Wasser zwingen, im Wesentlichen als Reibungsmedium gegen den Wind zu wirken, wodurch es Sie verlangsamt.

Ich bin kein Experte für solche Bewegungen, aber ich glaube, dass eine Konfiguration wie unten funktionieren würde, um sicherzustellen, dass der Pfeil die Richtung der Orbitalbewegung ist und das Segel das T-ähnliche Objekt. Die Richtung könnte um 90 Grad abweichen, um dies zu erreichen, und es könnte nicht wirklich nah an der Sonne funktionieren, aber es sollte Sie zumindest in die richtige Richtung bringen.

Travelling towards the sun
Quelle: Ben Diedrich über SolarSailWiki, CC BY-SA 3.0 sup>

Tatsächlich wurde dies bereits von einer japanischen Sonde namens Ikaros durchgeführt. Es segelte mit der Sonne von der Erdumlaufbahn zur Venus und zeigte damit, dass dies möglich ist.

Während der Wasserwiderstand der Schlüssel ist, da er Sie davon abhält, nur vom Wind in Windrichtung gedrückt zu werden, denke ich, dass der vom Segel erzeugte Auftrieb der Schlüssel ist. Aber sonst stimme zu.
Das ist eine seltsam geformte Sonne.
@Undo: Ich bin kein Grafikdesigner ...
Sagen wir einfach, es sind zwei sehr seltsame Sonneneruptionen.
Eine geringfügige Änderung der Beschreibung von Pearson und @geoffcs. Es ist nicht genau die Reibung oder der Widerstand des Kiels, die das Segeln zum Funktionieren bringt. Ein reibungsloser Kiel würde großartig funktionieren. Der Kiel wirkt durch das Wasser ähnlich wie ein Tragflächenprofil oder das Segel durch den Wind. Der Anstellwinkel zwischen Kiel und Wasser erzeugt einen "Auftrieb" - einen Kraftvektor nahezu senkrecht zum Kiel.
Während die akzeptierte Antwort großartig ist, um zu erklären, warum das Segeln in Wasser und Sonne einige spezifische Unterschiede aufweist, ist diese Antwort großartig, um zu erklären, wie diese Unterschiede umgangen werden können, um den gleichen Effekt zu erzielen.
#4
+8
SF.
2013-07-18 18:49:56 UTC
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Obwohl Sie aufgrund von Wassermangel keine für normale Segel üblichen Tricks ausführen können, um zu verhindern, dass Ihr Kiel seitwärts driftet und das Schiff normalerweise gegen den Wind fährt, können Sie dennoch die Kraft diagonal zum Sonnenradius (dem Winkel von) extrahieren Der Einfall entspricht dem Reflexionswinkel (die resultierende Kraft ist senkrecht zur Oberfläche) (außerhalb des Sonnensystems).

Nun, Sie könnten sich nicht nach innen bewegen, außer ... - Sie können diese Kraft anwenden mit der seitlichen Komponente gegen Ihren Orbitalgeschwindigkeitsvektor gerichtet. Auf diese Weise sinkt Ihre Umlaufgeschwindigkeit und die daraus resultierende Zentrifugalkraft, obwohl die parallele Komponente Sie gegen die Schwerkraft der Sonne nach draußen drückt. und während die nach außen gerichtete Komponente des Sonnensegelschubs nur vorübergehend ist, akkumuliert sich Ihr Orbitalgeschwindigkeitsverlust und führt zu einer kontinuierlichen Verringerung Ihres Orbitalradius.

Mit anderen Worten: Mit dem Sonnensegel können Sie die Orbitalgeschwindigkeit ändern. Die Schwerkraft der Sonne kann Sie abhängig von der Geschwindigkeit in Richtung Sonne bewegen.

Ein gekipptes Sonnensegel hat eine Beschleunigungskomponente AA von Sol weg und eine andere Komponente PP senkrecht dazu. Wenn die Segelgeschwindigkeit eine Komponente von Sol entfernt hat, erhöht AA seine Energie. Wenn die Komponente in Richtung Sol ist, subtrahiert sie Energie. Wenn PP in Richtung der Quergeschwindigkeit des Segels liegt, fügt PP Energie und Drehimpuls hinzu und umgekehrt. Wenn PP eine Komponente senkrecht zur Orbitalebene hat, ändert es die Neigung dieser Ebene.
Entschuldigung, ich habe oben zu viel Zeit verwendet. Ein gekipptes Sonnensegel hat eine Beschleunigungskomponente AA von Sol weg und eine andere Komponente PP senkrecht dazu. Wenn die Segelgeschwindigkeit eine Komponente von Sol entfernt hat, fügt AA Energie hinzu. Eine Komponente in Richtung Sol subtrahiert Energie. Wenn PP in Richtung der Quergeschwindigkeit des Segels liegt, fügt PP Energie und Drehimpuls hinzu und umgekehrt. Als gekipptes Segel folgt das Raumschiff keiner Ellipse, kann aber dennoch Sol umkreisen und Aphel und Perihel haben. Es ist möglich, den Drehimpuls auf Null zu reduzieren. Solar Sailing von Colin R. McInnes entwickelt die Mathematik.
#5
+5
geoffc
2013-07-18 17:55:56 UTC
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Beim Segeln wird das Wenden verwendet, um so nah wie möglich am Wind zu segeln (offensichtlich nicht direkt hinein, obwohl das Hard Wing Americas Cup-Boot dies möglicherweise hätte können), während dennoch Auftrieb im Segel erzeugt wird. Für normale Boote bedeutet dies bestenfalls einen Winkel von 25 bis 30 Grad zum Wind. Sie segeln also im Zick-Zack-Muster und müssen wenden, sonst geraten Sie vom Kurs ab.

Windsegel funktionieren nicht durch Druck des Windes und drücken sie, außer in Situationen mit direktem Gegenwind oder in älteren quadratischen Segeln, die Sie in Filmen über Piraten usw. sehen.

Moderne Segel haben Krümmung und Schlag und arbeiten als vertikale Flügel und erzeugen Auftrieb aus dem Druckunterschied, der durch den Luftstrom mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über die beiden Seiten des Flügels erzeugt wird.

Sonnensegel haben diese Fähigkeit nicht, da Photonen nicht so wirken Luftmoleküle in einer Atmosphäre. Sie müssen also segeln, sozusagen gerade gegen den Wind.

Ja, Sonnenwind (Photonen, Protonen, Elektronen, Neutronen, Ionen, Atome ... Plasma in gewisser Weise) entspricht nicht der Definition von Gas. Aber ich kann mir nicht vorstellen, dass die Antwort so einfach ist. Was ist mit * gigantischen * Sonnensegeln? Was ist mit elektromagnetischen Effekten?
@ernestopheles Vielleicht gibt es andere Möglichkeiten, ein Sonnensegel zu bauen, gegen den Wind zu segeln (gegen die Sonne?), Aber das klassische Segeln im Wind wird es nicht tun.
@RoryAlsop Ja, ich dachte, es wäre falsch, ich hätte 45 Grad als Basis denken sollen, und dann können Sie höher zeigen. Werde dich auf den neuesten Stand bringen.
#6
  0
Muze
2018-10-01 00:06:37 UTC
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Ja. Durch Verwendung des Schwerkraftgradienten von nahe gelegenen Planeten und der Sonne. Das Segel bewegt sich nicht von der Sonne weg. Es befindet sich auch in einer Umlaufbahn um die Sonne, während es sich bewegt. Alles, was das Segel tun müsste, ist ein großer Körper oder ein Winkel des Strahlungsdrucks in Fahrtrichtung, um seine Geschwindigkeit dahin zu verlangsamen, wo die Schwerkraft der Sonne es hineinzieht.



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