宇宙空間から、例えば平べったい小皿を地球に向って投げたら、どうなるの

質問

宇宙空間から、例えば平べったい小皿を地球に向って投げたら、どうなるのでしょうか。自分の予想では、皿がくるくる回って飛ぶ⇒やがて地球の重力にひっぱられてスピードと、回転もあがっていく⇒大気圏に入ったら燃え尽きてなくなる。全く知識がないのですが、大体こんな感じでしょうか。

　あと、もう一つうかがいたいことがあります。投げてから、地球の上空で皿が燃え尽きるまでにはどれくらいの時間が掛かるのでしょうか。

大切なことを言い忘れていました。投げる位置は地球から国際宇宙ステーションが飛んでいるくらいの距離です。

変な質問かもしれませんが、お願いします。

回答No.5

phobos · ベストアンサー

面白いご質問だったので、素人ですが回答してみようと思います。

> スピードと、回転もあがっていく
「回転」というのは最初に皿に与えた自転のことですか？
もしそうであれば、スピードは上がるでしょうが、皿の自転は空気との摩擦で下がり、やがて停まるでしょう。
ただし皿が風を受けることで別の回転を始めることはあり得ます。

> 止まった状態で投げたら、どうなるのでしょうか。

ISS（国際宇宙ステーション）の高度は約400kmです。
いっぽう、ふつう流星は大気圏に数km/s～数十km/sで突入し、燃え始めるのは高度150～100km、燃え尽きるのは高度70～50kmとのことです。

手で投げた皿の速度はせいぜい数十m/s前後だろうと思われるので初速は無視して自由落下だけで計算してみます。
高度400kmでの重力加速度は8.7m/s^2、高度100kmで9.5m/s^2、地表で9.8m/s^2なので途中の高度での重力加速度を適宜補間して計算すると、

約270秒後に高度100kmに達し、この時垂直速度は2.4km/sなので、おそらく燃え出すことでしょう。
ちなみに燃え尽きなかったとしたら286秒後に地上に激突することになります。

なお水平に飛行中のISSから投げ下ろした場合をグラフにしてみましたが、
★おそらくこの図は間違っていますので鵜呑みにしないようにご注意を★
なぜなら、この図の通りに皿が落ちるとしたら、ISSも一緒に落ちてきてしまうはずだからです。

たぶん実際にはANo.３のご回答のように、皿は楕円衛星軌道を描いて地球を回り続ける、と言うのが正解だと思いますが、その計算は私の手には負えません。

以上、もしかしたら間違っているかも知れませんが一応の回答とさせて頂きます。

> 変な質問かもしれませんが
そんなことは全然ありませんよ。とてもまっとうなご質問です。
回答になっていない回答だったら、「変な回答」と呼ばれても仕方ないかも知れませんが。

お礼

専門的、かつ分かりやすい説明に感謝します。重力加速はこんなにすごいんですね。自由落下で、落としただけでここまで加速するとは驚きです。イメージが湧いてきました。宇宙船の水平方向の推進力を利用すれば回り続けるけれど、推進力がなければ地球に近い場合だと自由落下で落ちてしまう、と言うことですね。有難うございます。

回答No.8

dondoyaki

宇宙ステーションの話が出てきたので横から失礼します。

物体が衛星軌道上を距離を維持する為には高度と周回速度が適切であれば理論上は半永久的に飛び続けています。
前もって言っておきますが図は誇張し過ぎですｗ
ＡとＢはそれぞれ地球表面からの距離です。
物体が異動した際に地球の引力によって落下します。
その結果　Ａ＝Ｂで永久に回り続けます。
　　　　　Ａ＞Ｂなら落下します。
これはあくまでも理論上です。

＞宇宙ステーションは普段、エンジンを起動させてはいなく、自由落下し続けている。⇒地球が丸いため、落下の先の地面がなくなっているので、地球の周りをぐるぐる回り続けている。
＞と言うことでしょうか。すると、宇宙ステーションの地球を回るスピードも、徐々に重力加速が加わって、上がっていくということでしょうか。

国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）は一日２００ｍほど地球に落下しています。
これはＩＳＳが受ける大気の抵抗や重力傾斜によって軌道周回速度が落ち高度を維持できない為です。
ＩＳＳの軌道はおおよそ３００ｋｍから４５０ｋｍの範囲に収める必要があるので年に数回、修正が行われます。
この修正にはＩＳＳ本体や接続された補給機のスラスタを使用します。
軌道上からの重力加速はスウィング・バイのイメージとは違うのかなーと思います。

本題の答えもしなければいけませんね＾＾；
素材と大きさと進入角度、進入速度にもよりますが、
僅かですが燃え尽きないで地表に到達する可能性はあります。

お礼

ナルホドナルホド、宇宙ステーションは調節しながら飛んでいるのですね。参考になりました。それと回答が遅れ、失礼しました。

回答No.7

phobos

ANo.6,7です。

> 宇宙船の水平方向の推進力を利用すれば回り続けるけれど、推進力がなければ地球に近い場合だと自由落下で落ちてしまう、と言うことですね。

いやいや、そうじゃないんです。
心配したとおり、ANo.6のグラフが誤解を招いてしまったようですね。
すみません。

あのグラフは、地上がどこまでも平らで、ISSは水平に飛行しているものと仮定したものですが、実際にはそんなことはありません。

ISSには水平に飛行するための推進力などありませんし、推進力がないからまさしく自由落下し続けているのです。
もしも地面がどこまでも平らだったら、ISSもグラフの点線に沿って地上に落ちてくるでしょう。

自由落下し続けているのに地上に落ちて来ないのは、地球は丸いので、落ちていく先に地面が無くなっているからなのです。

あのグラフを載せたのは、高度400mに留まっている地点から落とした物体が垂直に次第に加速して落ちてくる様子を判りやすく示したいと思ったためでしたが、横軸を書いたことでかえって誤解を招いてしまったようです。
申し訳ありません。

お礼

度々ご教授いただき有難うございます。

宇宙ステーションは普段、エンジンを起動させてはいなく、自由落下し続けている。⇒地球が丸いため、落下の先の地面がなくなっているので、地球の周りをぐるぐる回り続けている。
と言うことでしょうか。すると、宇宙ステーションの地球を回るスピードも、徐々に重力加速が加わって、上がっていくということでしょうか。

※わびるのはこっちの方です。何度もうかがいたてて失礼します。

回答No.6

phobos

ANo.6です。書き間違いの訂正です。

> 約270秒後に高度100kmに達し、　（←数字を間違えました）

> 約250秒後に高度100kmに達し、　（←こう書くつもりでした）

お礼

有難うございます。

回答No.4

zenzaburou

おもしろいですね。
お皿の角度と進入角度＆速度でも変化するでしょうね。
アポロなどの宇宙機が高速で再突入する際は、
浅めの角度で進入し、何回か大気層にはじかれて
徐々に高度と速度を落とします。
（平たい石を水面に浅く投げた時のように。）
ファインセラミックのお皿で、
条件がよければ燃え尽きる事もないかもしれません。
衝撃波で砕け散るでしょうが、、。

参考までに。

お礼

スペースシャトルなどは、はじかれることも計算しながら、絶妙のタイミングを選んで帰還すると言うことですね。科学技術の進歩には驚かせれます。

回答No.3

Corneria

まぁいけないことかどうは別として。

質問者さんの考えは概ね正解です。ただし、「回転もあがっていく」だけは間違い。地球へ向かうスピードは上昇しますが、回転スピードは上がりません。

お礼

回転が上がり続ける要素はないんですね。スピードが上がる要素は重力加速ですね。有難うございます。

回答No.2

tetsumyi

こんなことをしてはいけません。
たとえば宇宙ステーションは秒速７ｋｍ程度で地球を回っていますから、ここから力いっぱい地球に向かって投げたとしても小皿はほんの少し速度が遅い楕円軌道となって回り続けます。
宇宙のゴミとなって、回転を繰り返すうちにこの宇宙ステーションに投げた時と同じ速度でぶつかる可能性があります。

お礼

有難うございます。参考になります。秒速７キロから投げた分の抵抗を差し引いた速度で回り続けるということでしょうか。止まった状態で投げたら、どうなるのでしょうか。

回答No.1

砲術長（@houjutucho）

宇宙船の再突入

再突入の条件は非常に厳しく、適切な軌道離脱タイミングと降下角度(再突入回廊)で
大気圏に突入する必要がある。
タイミングが少しずれただけで着陸地点を大幅に外れる上、角度が浅いと大気に弾かれ
深いと速度が上がりすぎ、空力加熱によって機体が破壊されるおそれがある。

スペースデブリの場合も、ほぼ同様である。

お礼

なるほど、よく分かりました。それでは留まった状態で投げたら、どうなるのでしょうか、起動を回らずに、地球に落ちていくのでしょうか。