Vraag:
Kun je met een zonnezeil tegen de zon varen?
James Jenkins
2013-07-18 15:45:48 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zonnezeilen zijn een geweldige, goedkope manier om uit de zon te komen, als je geen haast hebt. Zeeschepen zijn in staat om tegen de wind in te varen en op te varen. Kan een zonnezeil inkomende (richting de zon) vaart krijgen door te overstag gaan?

Niet alle zeeschepen kunnen tegen de wind in overstag gaan. Zeilen met de juiste vormen zijn nodig.
@Uwe zie gerelateerde zustersite vraag; [Gebruiken vierkante riggers ook 'vliegtuigvleugel-stijl' voortstuwing?] (Https://outdoors.stackexchange.com/questions/18533/do-square-riggers-also-use-aircraft -wing-stijl-voortstuwing)
Zes antwoorden:
#1
+37
Bob Stein
2013-07-24 08:15:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Nee, want er gaat niets boven water waar een kiel tegen kan werken.

Bij het zeilen op het water zijn er twee krachtvectoren , de vector van de reactie van de wind tegen het zeil, en de vector van de kiel en het roer tegen het water. Deze vectoren worden bij elkaar opgeteld om de zeilboot voort te stuwen. Dit werkt voor bijna elke richting op het kompas, behalve waar de wind vandaan komt, of ongeveer 45 graden aan weerszijden daarvan. "Beating close to the wind", zoals @geoffc noemt, gaat tegen die limiet aan. "Overstag gaan" is zigzaggen - een tijdje 45 graden met de klok mee vanuit de wind, en dan een tijdje 45 graden tegen de klok in. Werk je een weg tegen de wind in.

Bij zonnezeilen is er maar één krachtvector , omdat er maar één medium is, de zonnefotonen, zoals @Craig vermeldt. Met één vector worden de richtingsgrenzen meer dan 90 graden aan weerszijden van waar het zonlicht vandaan komt. Dus geen zigging, geen zagging, gebruik zoiets als overstag gaan.

Misschien kan de zwaartekracht nu worden gebruikt als een andere vector via orbitale mechanica zoals @Pearson en @SF vermelden, en misschien ooit dit zal "overstag gaan" worden genoemd, maar de fysica is totaal anders dan een kiel door water.


UPDATE, De uitgave van 23 september 2017 van The Economist, p 73:

In zekere zin lijkt een E-zeil [gemaakt van 20 km lange kabels met een positieve lading, die zonnewinddeeltjes afstoten] op een zonnezeil, een rivaliserend idee voor het aandrijven ambacht goedkoop door de ruimte. Een zonnezeil zorgt voor voortstuwing omdat het zonlicht dat het weerkaatst druk uitoefent op het zeil en het naar voren duwt. Maar E-zeilen hebben een belangrijk voordeel ten opzichte van zonnezeilen. Eenmaal uitgevouwen, is er geen gemakkelijke manier om een ​​vaartuig te stoppen met het verzamelen van een zonnezeil. Een vaartuig dat wordt aangedreven door een E-zeil kan worden verhinderd te accelereren door simpelweg het elektronenkanon uit te schakelen. Dit betekent dat het kan terugkeren naar de aarde onder invloed van de zwaartekracht van de zon.

Er zijn verschillende antwoorden met veel details, ik hou van de manier waarop dit antwoord ze allemaal samenbrengt (en de eer geeft voor eerdere antwoorden). Elk van de andere antwoorden geeft een goed inzicht in de uitdagingen en opties, en als ik kon zou ik ze allemaal accepteren, maar omdat ik er maar één kan accepteren, selecteer ik deze. Hoewel het kort is en zwaar leent van andere werken, vat het mooi samen en leest het goed.
#2
+35
Craig Constantine
2013-07-18 18:40:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Je kunt het zonnezeil niet rechtstreeks naar de zon sturen.

Een zonnezeil is eigenlijk een spiegel. De analogie van wind en zeilen op schepen is niet bruikbaar om te begrijpen hoe zonnezeilen werken.

Elk foton van de zon dat op het zeil valt, wordt gereflecteerd. Elk foton geeft een kleine hoeveelheid momentum. Als het zeil direct op de zon is gericht, krijg je tweemaal het momentum van het foton aan het zeil toegevoegd. Als je het zeil onder een hoek zet, stuur je elk foton weg in een richting die niet direct terug naar de zon is; Dat geeft je een netto kracht aan één kant. Je kunt dus de vector van de totale kracht van de reflecterende fotonen bepalen, maar de nettorichting is altijd meer dan 90 graden van de zon. Als de spiegel de rand van de zon nadert, nadert de netto krachtvector 90 graden van de zon en daalt tot nul magnitude.

(Merk op dat de druk van de fotonen van de zon op alles van toepassing is. Het hoeft geen ontworpen zeil te zijn. Orbitale mechanica houdt momenteel rekening met "lichte druk" voor nauwkeurige bepaling van de banen van ruimtevaartuigen.)

Je kunt je baan veranderen met een zonnezeil.

Je kunt het momentum van het zonnezeil gebruiken om de excentriciteit van de baan te veranderen om een ​​deel van de baan dichter naar de zon te verplaatsen, enz.

Als je direct wilt gaan richting de zon vanaf de aarde, je hebt geen kracht nodig die je rechtstreeks naar de zon duwt. Je hebt een kracht nodig die tegen je normale orbitale richting in drukt. Dat vermindert je impulsmoment rond de zon, en je valt dan door de zwaartekracht naar de zon toe.

+1. Ik vind dit antwoord erg leuk - ik zou willen dat je je vetgedrukte punten zou omkeren. De nadruk moet zijn dat je met een zonnezeil bij de zon kunt komen door het zeil te gebruiken om je perigeum te laten zakken.
Goed antwoord. Het zou het hoofd echter duidelijker kunnen maken: een zonnezeil kan u dichter naar de zon of verder van de zon brengen.
#3
+27
PearsonArtPhoto
2013-07-18 18:34:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Dit is eigenlijk iets eenvoudiger dan u zou denken. In de wereld van Orbital Dynamics hoef je alleen maar je baan te versnellen of te vertragen om dichter / verder weg te komen van het object waar je omheen draait. Het enige dat u hoeft te doen, is een netto momentum creëren dat uw baansnelheid vertraagt.

Een groot deel van wat overstagwerk echter maakt, is het feit dat je het water dwingt om als een wrijvingsmedium tegen de wind te werken, waardoor het je in wezen vertraagt.

Ik ben geen expert in dergelijke bewegingen, maar ik geloof dat een configuratie zoals hieronder zou werken, als ik verzeker dat de pijl de richting van de orbitale beweging is en dat het zeil het T-achtige item is. De richting kan 90 graden afwijken om dit te laten gebeuren, en het werkt misschien niet echt dicht bij de zon, maar het zou je in ieder geval in de goede richting moeten krijgen.

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

In feite is dit al gedaan door een Japanse sonde genaamd Ikaros. Het zeilde met behulp van de zon naar Venus, vanuit een baan om de aarde, en toonde daarmee aan dat dit mogelijk is.

Hoewel de waterbestendigheid de sleutel is, omdat het voorkomt dat je gewoon door de wind in de windrichting wordt geduwd, denk ik dat de lift die door het zeil wordt gegenereerd, het belangrijkste item is. Maar anders mee eens.
Dat is een vreemd gevormde zon.
@Undo: Ik ben geen grafisch ontwerper ...
Laten we zeggen dat het twee heel vreemde zonnevlammen zijn.
Een kleine aanpassing aan de beschrijving van Pearson en @geoffcs, het is niet bepaald de wrijving of weerstand van de kiel die zeilen laat werken. Een wrijvingsloze kiel zou geweldig werken. De kiel werkt door het water op dezelfde manier als een aërodynamisch profiel, of het zeil door de wind. De invalshoek tussen de kiel en het water produceert "lift" - een krachtvector die bijna loodrecht op de kiel staat.
Hoewel het geaccepteerde antwoord geweldig is om uit te leggen waarom zeilen in water en zon enkele specifieke verschillen heeft, is dit antwoord geweldig om uit te leggen hoe die verschillen kunnen worden omzeild om hetzelfde effect te bereiken.
#4
+8
SF.
2013-07-18 18:49:56 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Hoewel je vanwege een gebrek aan water geen trucjes kunt doen die gebruikelijk zijn bij normale zeilen om te voorkomen dat je kiel zijwaarts drijft en het schip normaal tegen de wind in laat varen, kun je nog steeds kracht uitoefenen diagonaal op de straal van de zon (de hoek van inval is gelijk aan de hoek van reflectie; resulterende kracht staat loodrecht op het oppervlak), gericht buiten het zonnestelsel.

Nu, dit zou je niet naar binnen laten reizen, behalve ... - je kunt die kracht uitoefenen met de laterale component gericht tegen uw orbitale snelheidsvector. Op die manier, ondanks de parallelle component die je naar buiten duwt, tegen de zwaartekracht van de zon in, daalt je omloopsnelheid en de resulterende middelpuntvliedende kracht; en terwijl het naar buiten gerichte deel van de duw van het zonnezeil slechts tijdelijk is, stapelt uw orbitale snelheidsverlies zich op en leidt dit tot een continue verkleining van uw orbitale straal.

Met andere woorden: met zonnezeil kunt u de omloopsnelheid veranderen. De zwaartekracht van de zon kan je naar de zon laten reizen, afhankelijk van die snelheid.

Een gekanteld zonnezeil heeft een versnellingscomponent AA weg van Sol, en een ander component PP loodrecht daarop. Als de zeilsnelheid een component verwijderd heeft van Sol, voegt AA toe aan zijn energie. Als de component naar Sol is gericht, wordt er energie afgetrokken. Als PP in de richting van de transversale snelheid van het zeil is, voegt PP energie en impulsmoment toe, en vice versa. Als PP een component heeft die loodrecht op het baanvlak staat, verandert het de helling van dat vlak.
Sorry, ik heb hierboven te veel tijd gebruikt. Een gekanteld zonnezeil heeft een versnellingscomponent AA weg van Sol, en een ander component PP loodrecht daarop. Als de zeilsnelheid een component verwijderd heeft van Sol, voegt AA energie toe. Een component naar Sol trekt energie af. Als PP in de richting van de transversale snelheid van het zeil is, voegt PP energie en impulsmoment toe, en vice versa. Met een gekanteld zeil volgt het ruimtevaartuig geen ellips, maar kan het toch Sol omcirkelen en een aphelium en perihelium hebben. Het is mogelijk om het impulsmoment tot nul te reduceren. Solar Sailing door Colin R. McInnes ontwikkelt de wiskunde.
#5
+5
geoffc
2013-07-18 17:55:56 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Tijdens het zeilen wordt overstag gaan gebruikt om zo dicht mogelijk bij de wind te zeilen (uiteraard niet recht erin, hoewel de hard-wing Americas Cup-boot dat misschien had kunnen doen) terwijl het zeil nog steeds lift genereert. Voor normale boten betekent dit op zijn best een hoek van 25-30 graden met de wind. Je vaart dus een zigzagpatroon en moet overstag gaan, anders raak je uit de koers.

Windzeilen werken niet door de druk van de wind, ze te duwen, behalve in situaties met de wind met de wind of in oudere vierkante zeilen die je ziet in films over piraten, enz.

Moderne zeilen hebben kromming en loft en werken als verticale vleugels, die lift genereren door het drukverschil gecreëerd door luchtstroom met verschillende snelheden over de twee zijden van de vleugel.

Zonnezeilen hebben dat vermogen niet, omdat fotonen zich niet gedragen als luchtmoleculen in een atmosfeer. Ze moeten dus zeilen, als het ware 'met de wind mee'.

Ja, zonnewind (fotonen, protonen, elektronen, neutronen, ionen, atomen ... plasma, in zekere zin) voldoet niet aan de definitie van gas. Maar ik kan me niet voorstellen dat het antwoord zo simpel is. Hoe zit het met * gigantische * zonnezeilen? Hoe zit het met elektromagnetische effecten?
@ernestopheles Misschien zijn er andere manieren om een ​​zonnezeil te maken, up-wind zeilen (up-sun?), Maar de klassieke zeilen in wind-benadering zal het niet doen.
@RoryAlsop Ja, ik dacht dat het verkeerd was, ik had 45 graden moeten denken, als basis, en dan kun je hoger wijzen. Zal updaten.
#6
  0
Muze
2018-10-01 00:06:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ja. Door gebruik te maken van de zwaartekrachtgradiënt van nabijgelegen planeten en de zon. Het zeil beweegt de eigenschap niet uit de zon. Het is ook in een baan om de zon terwijl het beweegt, het enige wat het zeil zou hoeven te doen is een groot lichaam of de stralingsdruk in de bewegingsrichting onder een hoek zetten om zijn snelheid te vertragen tot waar de zwaartekracht van de zon het naar binnen trekt.



Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 3.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...