宇宙推進力について

質問

急啓
地上では、任意の重さの荷車（ある推進機器類を搭載した台車）を微かに動かせる程度(0.1mm～1mm程)で、直ぐに（瞬時に）車輪と地面との摩擦で台車が止まってしまう様な微々たる前進（推進）力をもつ機体でも、宇宙では、推進可能でしょうか？

又、地上では、１円玉を動かせる（浮かせる）程度の推力しか出ないイオンエンジンでもって、さしたる地面に置いた任意の重さの荷車（同イオン推進器を搭載した台車）を動かせることなど相可能でしょうか？

回答No.6

kamobedanjoh

ＮＯ．5 です。
添付頂いたURL参照しました。
特に感想はありません。
地上で微動若しくは振動する程度の推力でも、アポジエンジンとしては有効でしょう。
衛星として地球周回軌道に乗せるためには、地表面で働く地球の重力(1G＝９８０ガル)の、少なくとも１１倍、つまり11G以上の推力が必要です。
イオンエンジンを１００年間噴かし続けても、１０cmも浮き上がることはないでしょう。

補足

「地上で微動若しくは振動する程度の推力でも、アポジエンジンとしては有効でしょう」とは、どちらの推進装置を指すのですか？

改めて、ご返答願います。

回答No.5

kamobedanjoh

NO.２、３ です。
再度捕捉戴きましたが、
☆　回答No.1の補足の質問内容が、間違っているのか否か、
とのお問い合わせ、残念ながら小生の国語力では、その補足文の趣旨が理解出来ません。
疑問点を箇条書きになさるなど、理解しやすい短文形で纏めて下さい。

要はアポジエンジンとしてのイオンエンジンの推進力についてのご疑問かと思います。
必ずしも適切な例えとは云えませんが、土俵上でも畳の上でも、横綱白鵬関を押し倒すことは困難ですが、横綱が綱渡りしている時には、小指一本で押すだけで彼を落とすことは可能です。
宇宙空間での飛行とは、極めて微妙なバランス状態とも云えます。
僅かな力で加速も減速も出来ます。
加速されれば衛星は地球から遠ざかり（周回半径が大きくなる）、減速はその逆になります。
加速し続ければ、衛星は遙か彼方へ飛び去り、減速し続ければ地上へ落下してきます。
衛星の軌道修正には、左程の推力は必要としません。

補足

アポジエンジンとしてのイオンエンジンでなく、
別の推進装置（以下サイト参照）を発明した人が、同装置類の（地上での）実験結果にかけて、（嘘か真か）微動or振動したと表しているのですが、どう思われますか？

http://astamuse.com/ja/granted/JP/No/4723576

回答No.4

Tann3

No.1です。いろいろと複雑なことをお考えのようですので、少し解きほぐして議論しましょう。

　物理現象の理解のためには、まず理想化した条件で考えます。地上であっても、摩擦がない、空気抵抗がない、などの条件です。宇宙空間であれば、さらに「重力」もない、ということになります。

　質問者さんの疑問は、「宇宙空間」での現象と、「地上」での現象の差異を問うものですが、上に書いたように、理想化した条件では「重力の有無」が異なるだけです。
　ある平面上に物体が乗っていれば、平面と物体との間に「摩擦力」は生じますが、理想的な条件を考えて、この摩擦がないと考えれば、違いは重力のみです。（近似的に「氷の上」とか、「摩擦の極めて小さい潤滑油」とか、「理想的なボールベアリングを持つ車輪」などを想定し、その極限を考えれば、あながち実現不可能ではありません）

　摩擦がなければ、重力は鉛直方向の力ですので、ご質問の議論を「水平方向」で考えれば、宇宙空間でも地上でも、全く同じ議論ができることは、ご理解いただけるでしょうか。
　これが、第1のポイントです。

　次に、地上で摩擦力や空気の抵抗を考える場合です。
　摩擦の大きさは、平面の滑らかさや、物体と平面との「滑りやすさ」（物理的には動き出すまでの静摩擦係数、動き出してからの動摩擦係数で数値化される）に依存します。そもそもが「非線形」の現象なので、理論的に取り扱うのは結構難しいので、私もこれ以上踏み込みません。物理的には、摩擦力 F は、物体の質量を m、重力加速度を g、摩擦係数を μ として、

　　　F = μmg

と表わせます。

（↓　参考サイト）
http://www.wakariyasui.sakura.ne.jp/3-2-0-0/3-2-2-2masaturyoku.html

　この摩擦係数や摩擦力の大きさは、上記の理想化した例に示すような無視できるレベルから、梃子でも動かないレベルまで、千差万別で、一般論として議論するのは不可能です。
　「摩擦力」を漠然と考えるのではなく、その大きさや現象に与える影響を、きちんと論理的・定量的に考えるということです。
　これが第2のポイントです。

　以上の2つのポイントをきちんと踏まえれば、No.1の「補足」に書かれた

＞地上での実験結果にかけて、微動することが確認されないものの、辛うじて、振動する時ですら、先の（微動だにしない？）イオンエンジンのものに比べ、無重力の宇宙圏では、なお有効・効力的な推進力があると思うのですが、専ら、間違っているでしょうか？

は間違っていないことがお分かりになるかと思います。それは、上に書いたように、地上でどの程度の摩擦力を想定するかに依存します。

（１）摩擦力が無視できる程度の「小ささ」であれば、地上でも宇宙空間でもほぼ同じ推進力になる。
（２）地上では大きな摩擦力に打ち勝ってかろうじて動くような状態であっても、摩擦のない宇宙空間ではかなり大きな推進力になる。

ということです。
　結果として、摩擦のない宇宙空間でどの程度の推進力になるのかは、No.1の回答をよくお読みください。

　これは、繰り返しになりますが、摩擦が無視できる地上でもまったく同じことが言えるということです。
　地上と宇宙空間では何が違うのか、その違いが物理現象としてどのように違い、現象にどう影響するのか、ひとつひとつ分解・分離して、必要なら各々の「理想化された」条件を想定して考える、ということが大切です。

お礼

早速のご回答、誠にありがとうございます。

恐縮ながらも、当方は、これから他用（私用）がある為、貴方のご直答内容を考慮できかねるのですが、後程、卑見的にも熟考の上、疑問に思う点などあれば、再補足の追加質問をさせて戴きます。

先ずは、御礼まで。

補足

「地上での実験結果にかけて、微動することが確認されないものの、辛うじて、振動する時ですら、先の（微動だにしない？）イオンエンジンのものに比べ、無重力の宇宙圏では、なお有効・効力的な推進力があると思うのですが、専ら、間違っているでしょうか？　ーーは間違っていないことがお分かりになるかと思います」ということですが、とりわけ、イオンエンジンでなく、別の推進装置（以下サイト参照）を発明した人が、同装置類の（地上での）実験結果にかけて、（嘘か真か）微動or振動したと表しているのですが、どう思われますか？

http://astamuse.com/ja/granted/JP/No/4723576

回答No.3

kamobedanjoh

NO.２です。
小生の回答は、NO.１さんへの補足を見て、そのご回答を補強したいと思い投稿しました。
作用・反作用の法則及び慣性の法則についての概念は、中学生程度でも理解出来るはずです。
気象衛星ひまわり、放送衛星など、地球から見て静止しているように思える衛星も、実は高速で地球を周回しています。
飛び去ってしまうことも落下して来ないことも、地球の重力と衛星の重力が、相互の距離関係で拮抗していて、地球の引力と衛星に働く遠心力が均衡しているためです。
衛星には地球以外の月や太陽、諸惑星や小天体の引力も作用しますから、慣性運動を永久に続けることは出来ません。静止衛星も、時々アポジエンジンを噴射することで、地球から見た静止位置を修正しています。
アポジエンジンは、地球と衛星間の距離を一定に保つことで、衛星の地球周回速度を安定させているのです。
燃料切れになった時が、静止衛星の寿命です。
幾らかでもご理解の手助けになりましたら、幸甚の限りです。

お礼

続けての貴回答、重ねて、お礼申し上げます。

尚執拗ながらも、できれば、回答No.1の補足の質問内容が、間違っているのか否か、だけでもお答え戴けないでしょうか？

回答No.2

kamobedanjoh

無重力の宇宙空間では、抵抗力が働きません。
僅かなエンジン噴射でも、反作用が加速力として働きます。
エンジン停止状態は、慣性運動による定速軌道運動ですから、僅かな推進力で加速・減速・方向転換（軌道変更）が可能になります。
地表での空気抵抗のような抵抗体は皆無です。

お礼

この度のご回答、誠にありがとうございます。

できれば、回答No.1の補足の質問にもお答えを。

回答No.1

Tann3

高校の物理の教科書に出てくる「運動の第二法則」より、

　　（力（N)） = （質量（kg））　×　（加速度(m/s^2)）　　　（１）

です。ニュートンの運動方程式とも言います。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8B%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%83%88%E3%83%B3%E5%8A%9B%E5%AD%A6

　地上での「重さ」は、宇宙では「質量」に相当します。ある力をかけたときに、動きやすいか動きにくいか、つまり加速度が大きいか小さいか、ということです。宇宙空間に浮いていれば、摩擦力は働きません。

　「地上では、１円玉を動かせる（浮かせる）程度の推力」というのは、重力加速度に対抗する力です。

　　推進力（N)　＝　（1円玉の質量：kg）　×　（重力加速度＝9.8m/s^2）

です。

　上の（１）式の「力」にこの「推進力」を代入し、「質量」に「任意の重さの荷車」の質量を入力して、発生する加速度を求めてください。加速度は「ゼロ」ではないので、「動く」ということになります。どの程度動くのかは、その「加速度」の大きさによります。

　ちなみに、ご質問の最初の、「任意の重さの荷車（ある推進機器類を搭載した台車）を微かに動かせる程度(0.1mm～1mm程)」という「変位」（移動距離）は、この場合は関係ありません。（1）式のように加速度だけが問題で、一度動き出せば「運動の第一法則｝（慣性の法則）で、ずっと等速度運動を続けるからです。（第一法則も、上記のリンク先を参照ください）

お礼

この度のご回答、誠にありがとうございます。

できれば、補足の追加質問にもお答えの程を。
敬具

補足

恐縮ながらも、当方の推測では、宇宙上に於いて、有効なイオンエンジンでも、さして、地上では、当のイオン推進器を搭載した台車など、さしたる摩擦力の方が勝る為、同エンジンによる推力が、全く？機能しない、即ち、同上の台車が動かないと存じますが、如何せん、別の推進機器（実験機類）を搭載した台車の場合、例題を改め、地上での実験結果にかけて、微動することが確認されないものの、辛うじて、振動する時ですら、先の（微動だにしない？）イオンエンジンのものに比べ、無重力の宇宙圏では、なお有効・効力的な推進力があると思うのですが、専ら、間違っているでしょうか？

前回答中、「変位」（移動距離）は、この場合は関係ありません。と言われたことなどを踏まえて、改めてご直答の程を。