Физика - 0G Бассейн: Можно Ли Держать Большой Шарик Воды В Космосе?

У меня есть суперроскошный космический отель. Он имеет искусственную гравитацию в жилых и торговых зонах и 0g в некоторых частях зоны отдыха.

Для гостей имеется бассейн объемом 0 г. Я хочу, чтобы это был большой водяной шар диаметром 10 метров. Может ли это сработать?

Я знаю, что воду можно удерживать за счет поверхностного натяжения. Я видел видео с водяными шарами диаметром несколько дюймов с МКС. Есть ли предел их размерам?

Очевидно, что часть воды рассеется, по крайней мере, из-за взаимодействия с пловцом, поэтому будет действовать система восстановления и переработки. Однако мне бы хотелось, чтобы большую часть времени вода просто находилась посередине, и никакая инфраструктура не касалась бы ее. Является ли это возможным?

#космос #физика #вода #невесомость

Для гостей имеется бассейн объемом 0 г. Я хочу, чтобы это был большой водяной шар диаметром 10 метров. Может ли это сработать?

Я не думаю, что вы сможете сделать это так, как задумали. Давайте рассмотрим некоторые проблемы:

1. Третий закон Ньютона

   Во время плавания вы толкаетесь к воде, а вода отталкивается от вас. Вы идете вперед, а вода идет назад. Вода также довольно хорошо передает волны. В результате в сферическом бассейне вода толкает воду вниз, и эта сила будет распространяться волной вниз к другому концу сферы и создавать там всплеск (хотя, если она движется на 10 метров к противоположному концу бассейна, будет довольно разбросано). Таким образом, каждое движение каждого пловца будет вызывать пульсацию где-то в сфере. Это способствует второй проблеме:

2. Нет способа сохранить воду в свободном плавании.

   Предполагая, что вам не нужно решение для волнистости рук, например какое-то силовое поле, у нас нет хорошего способа удерживать воду там, где вы хотите. Вода не обладает магнитными свойствами, поэтому вы не можете использовать магнитное поле, и если бы вы попытались ввести в воду что-то магнитное, оно в конечном итоге сосредоточилось бы в центре бассейна.

   Вы не можете использовать воздушные форсунки, чтобы удерживать воду в центре — если вы накачиваете воздух (через воздушные форсунки), вам либо нужно вытягивать воздух, либо воздух становится все более плотным (пока он не станет достаточно плотным, чтобы подавить воздушные форсунки). То же самое и с воздухом рядом с водой — воздух будет циркулировать. Это означает, что на поверхности воды должны быть места, где воздух вытекает из воды, и вода будет пытаться уйти вместе с ним.

   Не рассчитывайте также на то, что поверхностное натяжение спасет вас — на Земле создать всплеск в бассейне тривиально, и это преодолевает как поверхностное натяжение, так и гравитацию.

   Кроме того, сохранение импульса здесь вам не в помощь: если вы нырнете в бассейн и остановитесь, этот импульс должен быть передан бассейну. Таким образом, без вмешательства бассейн начал бы стекать в одну сторону комнаты. Кроме того, удачи в попытках полностью нейтрализовать импульс.

3. Адгезивная способность воды

   Обычно мы не слишком много думаем об этом, потому что на Земле гравитация очень хорошо помогает нам высохнуть. Но подумайте о том, что произойдет, когда вы выйдете из бассейна – вы все еще мокрые. В условиях микрогравитации это серьезная проблема, потому что вода, которая прилипает к вам, не имеет силы, пытающейся оторвать ее от вас, поэтому вы выйдете из воды и ваше лицо все еще будет покрыто ею. Однако эту проблему решить проще: нанесите немного гидрофобного крема на лицо (особенно вокруг носа и рта), и вы сможете выйти из воды и дышать.

4. Дезориентация

   Вы когда-нибудь погружались под воду, а затем разворачивались? Довольно легко потерять представление о том, какой путь вверх, хотя, как только вы перестанете вращаться, гравитация подскажет вам, какой путь вверх. В бассейне с невесомостью этого не произойдет. Когда вы погружаетесь под воду, у вас нет реального представления о том, где находится «верх». Если сфера имеет диаметр 10 метров, это может стать серьезной проблемой — если вы не сильный пловец, есть большая вероятность, что вы не сможете проплыть так далеко, прежде чем у вас кончится воздух и вы начнете паниковать. Поэтому, если вы не согласны с тем, что люди тонут, вам не разрешается плавать без акваланга.

Вероятно, есть еще пара вещей, о которых я здесь не рассказал, но этого должно быть достаточно, чтобы помочь вам понять, что, как бы круто это ни звучало, свободно плавающий шарик воды — не лучшая идея для бассейна. Вместо этого я бы посоветовал вам иметь резервуар с водой (насколько вам хочется), из которого люди могут выходить и входить через шлюз. Когда вы плаваете в нем, вы надеваете снаряжение для подводного плавания, а также гидрофобный крем, о котором я упоминал ранее. Наконец, вам необходимо убедиться, что система фильтрации воды способна отделять воздух, выдохнутый дайверами, и закачивать обратно только воду.

Да, это возможно. Водяной шар можно было удерживать на месте с помощью вентиляторов, расположенных на одинаковом расстоянии, которые отбрасывали брызги воды назад со всех сторон.

Однако...

При диаметре 10 метров (глубине 5 метров) существует серьезный риск утонуть. При массе 0 г прилипание воды и небольшая разница в плотности приведет к тому, что подвешенные объекты («пловцы») будут окутаны и притянуты к середине шара.

Пример того, как вода окутывает объекты в условиях микрогравитации, см. этот пример Криса Хэдфилда и мокрой тряпки. Обратите внимание, как вода прилипает к ткани и начинает растекаться по рукам. Раскинувшаяся вода, ширина которой достигает 10 метров, будет достаточно глубокой, чтобы в ней можно было утонуть, если вы не сможете вовремя очистить ее собственными силами.

Вот еще одно видео с Марком Висгелем, инженером по невесомости, демонстрирующее, как вода ведет себя в условиях микрогравитации. подтверждение того, что вас затянет в воду.

Еще одно видео показывая, как вода прилипает к объектам и притягивает их к середине, на этот раз камерой Go Pro. Обратите внимание, как вода потом прилипает к рукам космонавта – он ею «ассимилировался». (Помните, что мы говорим и о водной сфере шириной 10 метров.)

Возможно, понадобится снаряжение для подводного плавания. Или направляющие веревки должны будут пересекать водный шар, пловцам понадобятся привязи, или это должно быть прошедшее время «только для ныряния» (т. е. достаточно импульса, чтобы пройти через водный шар).

Другой вариант — вращать мяч, что приведет к выталкиванию более плотных объектов на поверхность, но остается проблема с попыткой выбраться из воды. Вот видео демонстрируя, как пузырьки воздуха сходятся вдоль оси вращения, а чайные листья и другие предметы выталкиваются наружу под действием силы. Да, плотность имеет значение в условиях микрогравитации.

В других ответах в качестве проблемы упоминалось разбрызгивание воды. Да, воды будет много.

Но на самом деле это возможность: вода, которая разбрызгивается, всасывается насосами в стенах, как только она достигает стен, затем очищается, возможно, температура регулируется, и выбрасывается струями обратно в сферу с соответствующего направления, чтобы отменить движение сферы. движение в сторону от центра.

В отличие от воздушных форсунок, которые не будут работать (куда потом пойдет воздух?), это должно работать, по крайней мере, до тех пор, пока внутри сферы находятся брызгающие люди.

Вся область, вероятно, станет все более и более брызгающей, поскольку в воздухе будет смешано больше капель воды, поэтому вам также понадобится некоторая циркуляция воздуха с системой, фильтрующей воду из воздуха и направляющей ее в систему пополнения сфер.

Но, как сказано, 10 метров могут быть опасны. Плавание должно работать как на Земле, но неосторожно нырять в нем без водолазного снаряжения — не лучшая идея. Чтобы люди могли ориентироваться, вам, вероятно, понадобится сильное освещение: под водой они будут плыть к самому сильному свету, чтобы добраться до поверхности. Вы также можете

• используйте сферы меньшего размера
• Ничто не мешает вам направить струи так, чтобы придать сфере другую форму. Например, вы можете сформировать из него закругленный блок размером 5х5х2 м (ограничивающая рамка), обстреливая его струями воды с двух противоположных сторон.
• а может цилиндр 2х10м? Благодаря тому, что вода течет от одного конца цилиндра к другому, можно было бы легко сохранять центрирование, избавиться от струй, вода, разбрызгиваемая в стороны, просто добавлялась бы к существующему притоку.

Вода прилипнет к вашему лицу, когда вы выйдете из нее, но покачивание головой должно создать почти такую ​​же центробежную силу, как и сила гравитации Земли (доказательство: потрясите головой с длинными волосами. Волосы могут подниматься даже выше 45 градусов[1]), легко стряхивая это.

[1]Диаметр увеличивается с увеличением длины волос, но все же.

На самом деле я не согласен со многими предыдущими ответами и скажу, что, хотя вы и можете создать водяной шар диаметром 10 м в среде с нулевой гравитацией, никто не будет в нем плавать.

Если предположить, что капля идеально сферическая, то разница давлений между внешней и внутренней частью капли составит $\Delta p = \frac{2\gamma}{R}$ от Уравнение Юнга-Лапласа, где $R$ — радиус капли, а $\gamma$ — поверхностное натяжение. Так для капли воды радиусом 5 м ($\gamma = 0,072 \textrm{ Н/м}$) разница давления внутри и снаружи составит $\Delta p = -0,0288 \textrm{ Па}$ ( отрицательный знак означает, что это жидкая капля, поэтому давление внутри капли будет ниже, чем давление в воздухе.

Здесь важно то, что это мало. Действительно маленький. Воздушная струя, движущаяся со скоростью 1 м/с, остановленная на поверхности, будет оказывать давление $p = \frac{1}{2}\rho v^2 = 0,6 \textrm{ Па}$. Поскольку капля не является твердой поверхностью, это приведет к локальному искажению поверхности капли. Когда поверхность искажается, локальный радиус кривизны изменяется. Возвращаясь к приведенному выше уравнению Юнга-Лапласа, жидкость может захотеть стабилизироваться, что затем приведет к отрыву небольших капель.

Люди, плывущие или даже просто соприкасающиеся с поверхностью пузыря, вызовут колебания давления на несколько порядков большие, чем те, которые вызваны слабой воздушной струей, а это означает, что пузырь вряд ли удержится под действием пловцов. Ответ Эрин описывает способ справиться с этим, но как только вы перейдете к такой системе с оболочкой, вы больше не будете работать с пузырем, состоящим только из воды.

То, о чем вы говорите, конечно, выходит за рамки современной науки. Но если в вашем рассказе наука о гравитации намного превосходит нашу, то почему бы и нет?

Я собираюсь подойти к этому с точки зрения безопасности и логистики, а не с научной точки зрения, потому что на самом деле, в вымышленной вселенной вы можете сделать все, что угодно, если у вас есть подходящая технология. Я знаю, знаю, здесь есть тег физики, но здесь есть больше препятствий, чем просто физика. Вы спросили, возможно ли это, и я собираюсь подойти к этому с несколько иной точки зрения.

Внешний край мяча должен иметь значительное натяжение — достаточное, чтобы пловцы не разлетелись, если это вообще сработает. РЕДАКТИРОВАТЬ: Если подумать, он должен быть многослойным, чтобы люди могли плавать: первый слой — это внешний «более твердый» слой, из которого ничего не ускользает, за исключением точек сброса, может быть, сверху и, возможно, снизу. Слой 2, внутренний, отвечает за всплеск и выпуск пузырьков, а также за физику плавания, большая часть которых отражается от слоя 1, если это вода.

Я бы порекомендовал пловцам иметь дыхательные аппараты, потому что, попав в мяч, они окажутся под водой. Звучит так, как будто вы хотите, чтобы произошло плавание по поверхности, что невозможно в этой модели, если только вы не хотите, чтобы верхняя часть была плоской, как в обычной воде. В противном случае вы рискуете утопить людей, потому что, если он удерживается таким образом, пловцам будет очень трудно преодолеть поверхностное натяжение. Даже если это не так, большинству людей будет очень трудно ориентироваться в мяче. Я вижу, как люди тонут только потому, что «заблудились» и были дезориентированы. Оттолкнуться тоже не от чего, нет дна... Если есть способ умереть, люди его найдут...

Есть некоторые логистические проблемы, которые не затрагивает ни одна структура. Как люди на самом деле попадут в воду? Поверхность воды придется контролировать ежеминутно, поэтому, если вы также планируете, чтобы люди «плыли» по воздуху, чтобы попасть внутрь, это может стать проблемой. Наверху может быть трамплин для прыжков в воду, но как только они окажутся внутри, как беднягам выбраться оттуда?

Вот как я бы его установил: шарик с водой на высоте примерно 5–9 футов над обычным бассейном. Так что, возможно, они ныряют сверху, а затем выталкиваются, приземляясь в обычной воде внизу. Бассейн внизу должен был бы в основном предназначаться для выхода из мяча, а не для каких-либо других целей - ИЛИ вы могли бы построить огромный обычный бассейн, где люди могли бы плавать обычным способом, с отделенной частью, используемой только для выхода из мяча. о вода. РЕДАКТИРОВАТЬ: Поэтому сверху и снизу шара должны быть точки входа/выхода на случай чрезвычайной ситуации. Это определенно будет контролироваться, как и любая немного опасная деятельность, такая как скалолазание, спелеология и тому подобное. Я не считаю это чем-то, что каждый захочет или сможет сделать. Время пребывания в клубе обязательно регламентировалось и контролировалось.

В целях безопасности я бы

• Поместите несколько спасателей внутри мяча (они также будут говорить пловцам, когда выходить, прежде чем у них закончится дыхание)
• Пусть каждому пловцу, находящемуся внутри мяча, будет предоставлена ​​возможность повторного дыхания некоторой

вид, который сложно потерять, как и очки.

Я подойду к вопросу немного сбоку. Вам не нужна вода.

. Я подозреваю, что в сочетании с (1) поверхностным натяжением и (2) мощными электромагнитами, управляемыми компьютером, окружающими комнату, в которой находится «бассейн», это можно сделать.

Стоимость подъема воды на орбиту может быть почти нулевой, поскольку (замороженную) воду можно найти просто летающей вокруг, а также много тепла (воздействие на солнечной стороне) также находится в свободном доступе. Вероятно, мы можем предположить, что соответствующая технология и методология добычи комет будут доступны к тому времени, когда мы создадим космические отели с какой-либо достойной компенсацией невесомости (не обязательно «антигравитации»). Первое, о чем я беспокоюсь, — это оказаться в ловушке внутри него. Вода и сопротивляется вещам, вырывающим его поверхность. Как только вы полностью окажетесь внутри него, вам может быть трудно снова открыть рот/нос воздуху. Вода будет стремиться растекаться по ним и может «растягиваться», чтобы держать их накрытыми. Вам не придется сильно сопротивляться, чтобы прорваться.

Мы на самом деле не знаем, сколько (насколько мало) силы необходимо. Водная сфера будет иметь тенденцию сохранять некоторую форму естественным путем. Базовая инерция будет стремиться сохранить свою позицию. Любые внешние магнитные поля будут использоваться только для противодействия движению всей сферы от центра. Сила магнитного поля может быть небольшой. (Было бы интересно протестировать!)

Да, шарик воды, любого размера (чем больше, тем лучше) можно удерживать в космосе в сферической форме. Самый большой из этих водяных шаров известен как Планеты океана и они действительно очень большие.

Во всяком случае. Да, вы можете это сделать. Вода обладает достаточно сильными связующими силами, чтобы оставаться вместе. Также, если вы построите контейнер этого пузыря сильным гидрофобным веществом (например, воском на кожистых листьях), это поможет сохранить его изолированным.

Что касается вопроса, искусственная гравитация доступна в торговых и жилых помещениях. Если бильярдная также имеет сферическую форму, ей просто понадобится равномерно расположенный массив этих генераторов искусственной гравитации. Когда мяч приближается к стене, можно на короткое время включить гравитационный генератор на противоположной стороне, притягивая мяч обратно к центру. Если бы генераторы гравитации могли генерировать отрицательную гравитацию, то даже лучше: стена, к которой приближается водяной шар, тоже может отталкиваться.

Гидрофобное покрытие на стенах означает, что даже если водяной шар ударится о стену, его будет относительно легко «спустить на воду» снова с помощью гравитационных генераторов.

На самом деле проблема в том, что людям приходится плавать на поверхности бассейна, чтобы дышать. Даже если вам удастся удержать водный шар вместе, любой, кто войдет в этот шар, не сможет выйти наружу, поскольку поверхностное натяжение унесет человека внутрь и найти выход наружу будет невозможно.

Ух ты, теперь я вспомнил очень хороший пример: вы можете поискать и увидеть известную проблему «муравей в воде». Вероятно, произойдет то же самое.

Удачи!

Главное здесь то, что в таком большом водоеме поверхностное натяжение будет тривиальным по сравнению со всеми другими силами, распространяющимися через него в виде волн от любого вида деятельности. Если бы никто не пользовался бассейном и вам удалось каким-то образом стабилизировать воду и сохранить воздух вокруг нее совершенно неподвижным (что в любом случае было бы невозможно, поскольку вибрация от деятельности в других местах отеля передавалась бы через стены), она могла бы остаться такой же, как и раньше. шар на некоторое время, но очень скоро он снова начнет распадаться на более мелкие шары в результате приливных сил (если только ваш отель не находится где-то глубоко-глубоко в межзвездном пространстве). И, конечно же, в тот момент, когда кто-то вообще каким-либо образом взаимодействовал с водой, волны начинали распространяться по ней во всех направлениях, вызывая быстрый распад среды на все более мелкие агломерации. Состоянием по умолчанию для такой системы будет множество водяных шариков разного размера, плавающих в случайном порядке, взаимодействующих друг с другом и другими объектами, прилипающих к стенам и людям и имеющих тенденцию все больше и больше распадаться при любом движении. и объединиться еще немного, когда его нет. Очевидно, что в такой среде пловец без акваланга не выживет, так как не будет известного места, куда он/она мог бы пойти и иметь возможность дышать. Вода может быть где угодно и когда угодно, а дыхание будет зависеть от счастливого совпадения, когда ваши ноздри окажутся посередине воздушного кармана, который, кстати, может закрыться в любой момент, пока вы вдыхаете (и на самом деле, вероятно, БЫ сделало именно это из-за движения воздуха к вашим ноздрям). Скорее всего, ничто большее, чем бактерия, не сможет выжить в такой среде очень долго — или наслаждаться пребыванием в ней дольше, чем сможет задержать дыхание…

Самый простой способ сделать это (на самом деле, сегодня очень легко) — создать напряжение. Другими словами, вместо того, чтобы просто сделать шар из воды, сделайте из него воду в шаре. Это предотвратит разбрызгивание «бассейна» повсюду и обеспечит необходимое давление, чтобы вода оставалась жидкой, если вы решите разместить бассейн в «пространстве», за пределами герметичного отсека.

Однако учтите, что вам в любом случае понадобится дыхательное оборудование.

Аналогично ответу mccdyl001, окружите бассейн гравитационными генераторами. Однако вместо того, чтобы включать их только тогда, когда сфера приближается к стене, они должны быть включены постоянно. Кроме того, их необходимо гораздо более точно настроить, чтобы гравитационная сила не умножалась к центру, а чтобы был определенный центр (возможно, два поколения технологий за пределами обычных линейных генераторов гравитации). Плавучесть должна препятствовать тому, чтобы кто-либо мог снова всплыть. Строго говоря, это не будет деятельностью 0g, но этот факт не должен сдерживать маркетинг.

Поскольку сила тяжести будет действовать одинаково со всех сторон, возникнет риск того, что человек или объект, обладающий естественной плавучестью, может застрять точно в центре сферы. Поэтому сила тяжести должна периодически смещаться на пару метров в сторону, чтобы позволить плавучему человеку/объекту всплыть к ближайшей поверхности.

Предположительно, общество, разработавшее такую ​​технологию, также будет иметь автоматизированных спасателей, которые будут следить за жизненными показателями пловцов и вмешиваться в случае необходимости.