Pregunta:
¿Puedes virar contra el sol con una vela solar?
James Jenkins
2013-07-18 15:45:48 UTC
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Las velas solares son una forma excelente y económica de alejarse del sol, si no tiene prisa. Los barcos que navegan por el océano pueden virar contra el viento y moverse contra el viento. ¿Podría una vela solar ganar impulso de entrada (hacia el sol) virada?

No todos los barcos oceánicos pueden virar contra el viento. Se necesitan velas con las formas adecuadas.
@Uwe ver la pregunta relacionada del sitio hermano; [¿Los aparejadores cuadrados también usan propulsión de 'estilo de ala de avión'?] (Https://outdoors.stackexchange.com/questions/18533/do-square-riggers-also-use-aircraft -propulsión-estilo-ala)
Seis respuestas:
#1
+37
Bob Stein
2013-07-24 08:15:26 UTC
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No, porque no hay nada como el agua contra la cual trabajar una quilla.

En la navegación en el agua hay dos vectores de fuerza , el vector de la reacción del viento contra la vela y el vector de la quilla y el timón contra el agua. Estos vectores se suman para propulsar el velero. Esto funciona para casi cualquier dirección de la brújula, excepto de dónde viene el viento, o aproximadamente 45 grados a cada lado de eso. "Batir cerca del viento" como menciona @geoffc, es viajar contra ese límite. "Virar" es zigzaguear: ir por un tiempo a 45 grados en el sentido de las agujas del reloj desde el viento y luego por un tiempo a 45 grados en el sentido contrario a las agujas del reloj. Trabajando en contra del viento.

En la navegación solar solo hay un vector de fuerza , porque solo hay un medio, los fotones solares, como menciona @Craig. Con un vector, los límites de dirección se vuelven más de 90 grados a cada lado de donde proviene la luz solar. Así que no zigging, no zagging, usando nada como virar.

Ahora tal vez la gravedad pueda usarse como otro vector a través de la mecánica orbital como mencionan @Pearson y @SF, y tal vez algún día esto se llamará "virar", pero la física es completamente diferente a una quilla a través del agua.


ACTUALIZACIÓN, edición del 23 de septiembre de 2017 de The Economist, p 73:

En cierto modo, una vela electrónica [hecha de correas de 20 km de largo con una carga positiva, que repele las partículas del viento solar] se asemeja a una vela solar, una idea rival para impulsar embarcaciones baratas a través del espacio. Una vela solar proporciona propulsión porque la luz solar que refleja ejerce presión sobre la vela, empujándola hacia adelante. Pero las velas electrónicas tienen una ventaja importante sobre las velas solares. Una vez desplegada, no hay manera fácil de detener una embarcación con una velocidad de acumulación de velas solares. Se puede evitar que una embarcación impulsada por velas eléctricas acelere simplemente apagando su cañón de electrones. Esto significa que puede regresar a la Tierra bajo la influencia de la gravedad del sol.

Hay varias respuestas con muchos detalles, me gusta la forma en que esta respuesta las une a todas (y da el debido crédito por las respuestas anteriores). Cada una de las otras respuestas dan una gran comprensión de los desafíos y opciones, y si pudiera, aceptaría todas, pero como solo puedo aceptar una, estoy seleccionando esta. Si bien es breve y se basa en gran medida en otros trabajos, se resume y se lee muy bien.
#2
+35
Craig Constantine
2013-07-18 18:40:23 UTC
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No se puede impulsar directamente la vela solar hacia el sol.

Una "vela" solar es básicamente un espejo. La analogía del viento y las velas en los barcos no es útil para comprender cómo funcionan las velas solares.

Cada fotón del sol que golpea la vela se refleja. Cada fotón imparte una pequeña cantidad de impulso. Si la vela apunta directamente al sol, se obtiene el doble de impulso del fotón agregado a la vela. Si inclina la vela, entonces está enviando cada fotón en una dirección que no es directamente hacia el sol; Eso te da una fuerza neta hacia un lado. De modo que puede controlar el vector de la fuerza total de los fotones reflectantes, pero la dirección neta siempre está a más de 90 grados del sol. A medida que el espejo se acerca al sol, el vector de fuerza neta se acerca a los 90 grados del sol y cae a una magnitud cero.

(Tenga en cuenta que la presión de los fotones del sol se aplica a cualquier cosa. No tiene que ser una vela diseñada. La mecánica orbital actualmente tiene en cuenta la "presión ligera" para determinar con precisión las órbitas de las naves espaciales.)

Puedes alterar tu órbita usando una vela solar. fuerte>

Puedes usar el impulso de la vela solar para alterar la excentricidad orbital para mover una parte de la órbita más cerca del sol, etc.

Si quieres ir directamente hacia el sol desde la tierra, no necesitas una fuerza que te empuje directamente hacia el sol. Necesita una fuerza que empuje contra su dirección orbital normal. Eso disminuye tu momento angular alrededor del sol y luego caes hacia el sol debido a la gravedad.

+1. Me gusta mucho esta respuesta, solo desearía que invirtiera sus puntos en negrita. El énfasis debe ser que podría llegar al sol con una vela solar usando la vela para bajar su perigeo.
Buena respuesta. Sin embargo, podría hacer que la principal sea más clara: una vela solar puede acercarlo al sol o alejarlo.
#3
+27
PearsonArtPhoto
2013-07-18 18:34:58 UTC
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En realidad, esto es algo más fácil de lo que cree. En el mundo de la dinámica orbital, solo tienes que acelerar o desacelerar tu órbita para acercarte o alejarte del objeto que estás orbitando. Entonces, todo lo que tienes que hacer es crear un impulso neto que empuje a disminuir tu velocidad orbital.

Sin embargo, una gran parte de lo que hace que viradas funcione es el hecho de que estás obligando al agua a actuar como un medio de fricción contra el viento, en esencia, lo que hace que te frene.

No soy un experto en tal movimiento, pero creo que una configuración como la siguiente funcionaría, asegurando que la flecha es la dirección del movimiento orbital y la vela es el elemento tipo T. La dirección podría estar desviada 90 grados para que esto suceda, y puede que no funcione muy cerca del sol, pero debería llevarlo en la dirección correcta al menos.

Travelling towards the sun
Fuente: Ben Diedrich a través de SolarSailWiki, CC BY-SA 3.0

De hecho, esto ya lo ha hecho una sonda japonesa llamada Ikaros. Navegó usando el sol hasta Venus, desde la órbita terrestre, y así demostró que esto es posible.

Si bien la resistencia al agua es clave, ya que evita que el viento lo empuje en la dirección del viento, creo que la sustentación generada por la vela es el elemento clave. Pero por lo demás de acuerdo.
Ese es un sol de forma extraña.
@Undo: No soy diseñador gráfico ...
Digamos que se trata de dos llamaradas solares muy extrañas.
Un pequeño ajuste a la descripción de Pearson y @geoffcs, no es exactamente la fricción o la resistencia de la quilla lo que hace que la navegación funcione. Una quilla sin fricción funcionaría muy bien. La quilla actúa a través del agua de manera similar a un perfil aerodinámico, o la vela a través del viento. El ángulo de ataque entre la quilla y el agua produce "sustentación", un vector de fuerza casi perpendicular a la quilla.
Si bien la respuesta aceptada es excelente para explicar por qué navegar en el agua y el sol tiene algunas diferencias específicas, esta respuesta es excelente para explicar cómo sortear esas diferencias para lograr el mismo efecto.
#4
+8
SF.
2013-07-18 18:49:56 UTC
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Si bien no puedes hacer trucos comunes para las velas normales debido a la falta de agua para evitar que la quilla se desvíe hacia los lados y normalmente deja que el barco viaje contra el viento, aún puedes extraer fuerza diagonal al radio del sol (el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión; la fuerza resultante es perpendicular a la superficie), apuntada fuera del sistema solar.

Ahora, esto no te permitiría viajar hacia adentro, excepto ... - puedes aplicar dicha fuerza con el componente lateral dirigido contra su vector de velocidad orbital. De esa manera, a pesar de que el componente paralelo lo empuja hacia afuera, contra la gravedad del Sol, su velocidad orbital y la fuerza centrífuga resultante disminuyen; y mientras que el componente exterior del empuje de la vela solar es solo momentáneo, la pérdida de velocidad orbital se acumula y conduce a una reducción continua de su radio orbital.

En otras palabras: la vela solar le permite cambiar la velocidad orbital. La gravedad solar puede hacerte viajar hacia el Sol, dependiendo de dicha velocidad.

Una vela solar inclinada tiene un componente de aceleración AA alejado del Sol, y otro componente PP perpendicular a ese. Si la velocidad de la vela tiene un componente alejado del Sol, AA aumenta su energía. Si el componente es hacia Sol, resta energía. Si PP está en la dirección de la velocidad transversal de la vela, PP agrega energía y momento angular, y viceversa. Si PP tiene una componente perpendicular al plano orbital, cambia la inclinación de ese plano.
Lo siento, usé demasiado tiempo arriba. Una vela solar inclinada tiene un componente de aceleración AA alejado del Sol, y otro componente PP perpendicular a ese. Si la velocidad de la vela tiene un componente alejado del Sol, AA agrega energía. Un componente hacia Sol resta energía. Si PP está en la dirección de la velocidad transversal de la vela, PP agrega energía y momento angular, y viceversa. Una vela inclinada, la nave espacial no sigue una elipse, pero aún puede rodear al Sol y tener afelio y perihelio. Es posible reducir el momento angular a cero. Solar Sailing de Colin R. McInnes desarrolla las matemáticas.
#5
+5
geoffc
2013-07-18 17:55:56 UTC
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En la navegación, virar se usa para navegar lo más cerca posible del viento (obviamente, no directamente hacia él, aunque el barco de ala dura de la Copa América podría haberlo hecho) sin dejar de generar sustentación en la vela. Para barcos normales, esto significa en el mejor de los casos un ángulo de 25-30 grados con el viento. Por lo tanto, navega en zig zag y necesita virar, de lo contrario se desviará del rumbo.

Las velas de viento no funcionan por la presión del viento, empujándolas, excepto en situaciones de viento a favor o en velas cuadradas más antiguas que ves en películas sobre piratas, etc.

Las velas modernas tienen curvatura y loft y funcionan como alas verticales, generando elevación a partir del diferencial de presión creado por el flujo de aire a diferentes velocidades sobre los dos lados del ala.

Las velas solares no tienen esa capacidad, ya que los fotones no actúan como Moléculas de aire en una atmósfera. Por lo tanto, necesitan navegar, directamente "viento abajo", por así decirlo.

Sí, el viento solar (fotones, protones, electrones, neutrones, iones, átomos ... plasma, en cierto modo) no cumple con la definición de gas. Pero no puedo imaginar que la respuesta sea tan simple. ¿Qué pasa con las velas solares * gigantes *? ¿Qué pasa con los efectos electromagnéticos?
@ernestopheles Tal vez haya otras formas de hacer una vela solar, navegar contra el viento (¿hacia arriba?), Pero el enfoque clásico de navegación con viento no lo hará.
@RoryAlsop Ya, estaba pensando que estaba mal, debería haber estado pensando en 45 grados, como base, y luego puedes apuntar más alto. Actualizará.
#6
  0
Muze
2018-10-01 00:06:37 UTC
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Sí. Utilizando el gradiente de gravedad de los planetas cercanos y el Sol. La vela no se mueve como rasgo del sol. También está en órbita alrededor del sol, ya que se está moviendo, todo lo que la vela tendría que hacer es un cuerpo grande o inclinar la presión de radiación en la dirección de viaje para reducir su velocidad hasta donde la gravedad del sol la atrae.



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