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個人對於太空電梯的構想!(空中平衡有可能嗎?)
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之前有看到一則新聞 NASA 再徵太空電梯的構想說 2018 將會有太空電梯出現網路上也找的得到許多的新聞與相關說明但是他們確定的方案好像是用高強度的碳纖維由地面連到太空的一個重物上就是類似鉛球的原理一樣是不知道真不真的就照這樣開始做我的構想是建立一個空中平台,而非固定在地面上當然一定也是利用離心力鉛球的原理一樣只是需要 ... 顯示更多 之前有看到一則新聞 NASA 再徵太空電梯的構想 說 2018 將會有太空電梯出現 網路上也找的得到許多的新聞與相關說明 但是他們確定的方案好像是用高強度的碳纖維 由地面連到太空的一個重物上 就是類似鉛球的原理一樣 是不知道真不真的就照這樣開始做 我的構想是 建立一個空中平台,而非固定在地面上 當然一定也是利用離心力鉛球的原理一樣 只是需要 動態平衡 因為我不是學物理,所以不知道這樣是不是真的可行 但就我所知道,人造衛星有一種所謂的同步衛星 也就是這顆人造衛星會固定在同一個位置,並不會繞著地球跑 是不知為什麼,不所有衛星都這樣搞就好了 現今大多的衛星好像還是都繞著地球跑 不知有啥限制? 如果同步衛星做的出來 理論上只是將其放大 我的想法是由四顆或多顆,類似這種同步衛星的重物 吊住一個空中的平台 太重會飛出去,太輕可能會動能不足 理論上應該算的出來這種平衡 再來的問題就是要怎麼動態平衡 因為貨物或人員機具的進出,平台上的重量是動態的 我想解決這個問題的辦法 就是在每條吊繩上裝上一種類似平衡鎚的東西 可以上下移動,動態平衡 當然平台在設計時,就會有最大載重的計算 當平台都空的時後,這些平衡鎚在最下面,模擬載物 當有載物時,這些平衡鎚就向上移動,補償尾端離心力那顆重物的不足 當貨物上升時,平衡鎚隨之下降 有點類似翹翹板一樣 不知這樣可不可行? 想法理論上應該滿可行的 還有一種狀況,就是貨物到達頂端,被拿走時 平衡鎚在最底,會變成頭輕腳重 不可能馬上瞬間移到位做平衡 我想這個問題,可能就用平衡時間差補償 就是現在頭輕腳重多十分鐘,反過來讓他頭重腳輕多十分鐘 這樣的話,理論上平台會水平位移,或是上下位移一點 不過應該還是可以調的回來 或許會有人覺得奇怪,在地面上不更方便 為啥要費事搞一個空中平台 這有很多方面的考量 自然氣候會加速電梯本身的損耗 飛機航運也要閃避 雖然一定會建的很堅固,但是斷掉怎麼辦 我的想法是做在平流層 現在我們的航運技術,也一定達的到 雖然成本比在陸地上多 但還是有他的好處 只是不知道這奇想有沒有可實行性就是 有時發發白日夢也不錯 更新: 首先感謝梅子的回答 如你所說,真的有同步衛星的運行,雖然還是不太清楚他的運作原理 應該也是另一種巧妙的平衡吧! 位置的搶奪基本上我想應該沒太大的問題 在赤道上國家的空域不見得要給你放,但可放在海洋(公海)上,空中平台有移動的彈性 而且如你所說因為這種同步衛星的特性,有地域與功能上的限制,用途有限,應該是不會滿才對 而且我沒說用現在正在使用的衛星,而且也不可能用,他目前已平衡,不可能有任何掛載 我只是提這個概念舉例,所以沒有你所說的那些衛星停用損失 更新 2: 你提到四顆衛星要如何,協同同步平衡控制的問題 我想現今電腦途非猛進的世界,這應該不是問題 舉個例子,現今的飛機科技 我有看過有關借紹隱形戰機的節目 不知你有沒有看過, F117A 隱形戰鬥機 就是整台都黑色,長的有陵有角的戰機 有陵有角是因為要反射雷達波 但也因為這個有陵有角,和他特殊的機翼設計 節目中也提到,完全違反空氣動力學,本來是飛不起來 但就是因為現在電腦科技進步,可以巧妙動態控制非常細微的部份,才飛的起來,換句話說,這飛機的電腦壞了,靠人是飛不起來 更新 3: 你其中一段的說明,說到水平力與垂直力的問題 我的想法是四顆垂直掉平台,並非四顆水平會有相聯 不過這個問題確實也是要考慮 受力面積一大,自然變數就多,偏移量越大 針對這個問題,我想因為四顆衛星各自用電梯與平台有聯結 (我好像忘了說,這四顆不光是負責吊起平台,而是電梯就在這四條上, 平台是存放貨物,或其他作業用) 所以是可以傳送動力上去,可以用一般長看到的氣體推力,或是其他更有力的推力微調都行 更新 4: 沒錯就整體概念上來看,可視為一大顆同步衛星 所以才會有你最後的那個問題,既然他就是一顆衛星了,為啥還要誰吊誰,要啥平衡 但你可能忽略掉一個問題,就是軌道高度的問題 這個平台的做用,是在現行通用運輸飛行器所能達到的高度 用接駁的方式將貨物運上太空 如果真的照你所說,真的有這麼一顆大衛星的話,我們也不用這麼費事 隨便一顆同步位星,應該目前一般的飛機飛不到那麼高 所以這個平台要實現前,可能有一點問題要先確認 就是同步高軌道衛星,下面有可能吊掛東西嗎?? 更新 5: 地球大氣結構 太空電梯報導 我看報導內容,跟我的構想有點類似 能不能和地球同步,和重量是沒有關係 但問題是如果要吊東西的話,就和重量有關係 更新 6: 本來想說,同步軌道以你算出來的 4.2 萬公里 太長了吧!想說改變想法 但看過報導後發現,他們的目標也是要將衛星放在同步軌道上 並以拉 3 萬多公里的線路來連結 而且將地球端設定點,定在至少在32千米高的塔上 赤道怎麼可能有這麼高的山或塔,很有可能就是用空中平台的方式 只是他新聞中沒有再進一步的說明塔是那種形式 更新 7: 你最後所提到的力矩問題 可能你忽略掉一個說明 我並非說用純物理的方式去完成這個空中平台 一定要加上人為的控制 先前我也有說明過,用來吊掛的衛星是與平台有連結 與一般自生自滅,射後不理的衛星不同 可以透過長期且穩定,由平台傳送能量給吊掛衛星,底消這些力矩的做用 我想這應該不是問題 更新 8: 忘了說明 32千米 應該是 32 公里對吧(一公里 = 1000米(公尺)) 看地球大氣結構,差不多是在平流層的位置 PS.新聞中有關線長的單位怪怪的 35萬千米,不就應該是 35 萬公里了嗎? 我查其他網頁,同步衛星高度 3.6 萬公里,跟你算的差不多 這新聞怎麼好像多了一個零 ~_~ 不知是他沒錯,所以 32千米 不是 32公里 這就跟我的天空之城的想法不同 更新 9: 因為非物理相關學系,所以知識有限 有些專有明詞並不是很懂 你最後的問題,我沒看錯的話 應該不是問力矩要怎麼底消,而是問底消力矩的持續力有多久 這問題也是我之前一直提到過 吊掛衛星的微調能量來源,來自平台 經由平台連接到吊掛衛星的線路傳送 能量是可以由地球一直傳送,所以並沒有你所說多久會噴完的問題 更新 10: 太空電梯用意,原本設計目的 就是要方便將地球資源,低成本的運送到太空 所以不可能兩端都是在人類無法輕易到達的太空 有一端是在地球上,透過中間的連結運送物資 PS.這補充機制有點爛 有補充都沒通知,還要自己上來看,很麻煩 更新 11: 個人是對科學,工程,太空,科技,方面有點興趣 雖然非相關科系 但常看 Descover 相關的節目,偶爾會有點奇想 提出我的構想,只是以我有限的知識,提出一個概念 並非有實際的實做能力 大家可以集思廣義,腦力激蕩一下,搞不好那天被 NASA 的誰誰誰看到也不錯 太空電梯,我想不久的未來,應該會實現 到時可以再回頭看看我們的想法與現實落差有多大 現在當個科幻小說家也不錯 ^_^ , 共勉之~ 更新 12: 今天真對你最後的問題又突然想到 假設垂直力不是問題,同步衛星值量夠大可以平衡 你一直再說明的是橫向力矩問題 我本來說上傳能量底消 可能你的考量是,因為下面拖著一條幾萬公里長的線 所產生的橫向力矩,不是我能想像,要耗費多少能量才能底消 你的意思可能是這樣 如果真是這樣的話 我想應該可以這樣想,橫向拖不拖的動 更新 13: 應該可以每隔一層軌道(高度),多一顆橫向拉的衛星 這衛星的拉線當然不會是直的,是斜上(不知這樣的說明你看不看的懂) 因為要跑的比地球快,才有往前拉的力量 要跑的比地球快,可能就要很重,所以會往外拋 變成斜上這樣拉(這是我自己想的,不知道是不是真的會這樣) 其實電梯也不一定要是直的 幾萬公里長,斜斜的應該也 OK 更新 14: 基本上整個系統還是要平衡 要不一直要消耗能量好像也不太對 所以能量的使用,應該只是微調用 更新 15: 還是要一再感謝梅子的回答 不好意思,我有很多不懂的地方,尤其是專業的領域 以我粗淺的物理知識,實在還是不懂 不過 又有新的疑問? 這條電梯質量固定,相對於地球是不會動,也可說同步(理論上是這樣) 他會產生橫向力矩 不知我說的對不對,這力矩的產生,是因為慣性的問題 更新 16: 疑問是,在太空無重力的狀態之中,因為沒有重力阻力的關係 所以當你朝一方向丟擲一個東西時,他不是會一直朝該方向前進(速度不說) 而且能量不會損耗,也就是一直不會停的意思 如果有一個人工推力的話,理論上來說是可以一直持續的加速 我看 Discover 就有一顆用離子引擎的衛星,已加速兩年,忘了現在多快 不知道我這樣的論述正不正確 如果真是這樣,又是個人異想天開 因為整個電梯系統是沒有在動,也可能有動不知道 如果會動至少速度不會人類跟不上,速度太快還要追他 這就失去當初要降低成本的原意 更新 17: 我假設他是沒動 所以雖然電梯有很大一部份是在大氣層內 如果又是在平流層內,更穩定 理應就沒有空氣阻力的考量,有也很微小 既然沒有空氣阻力的問題,就只剩慣性的問題 如果真如你所說,衛星無法以質量來控制速度 這我可能可以體會到(不是用理解先說),重的東西本來就跑的比較慢 但如果初期施加外力推他一把,是不是會有我想要的效果? 當然如果我的這個說法成立的話,那每顆衛星都可以是同步位星,也不用都在什麼赤道上 因為都靜止不動,都不會有能量損耗,一開始給他推到那個位置給他某個速度就好了 我不是這個意思 更新 18: 就是因為有我不知道的狀況下,有會能量損耗的物理現象 (個人猜想,是不是地球自轉軸心,偏心的問題,會照成不定性慣性的產生) 可能就如你所說,微調是要一直持續,無法達成整個系統平衡 不過還是非常感謝,你一直不厭其煩的一直回答,我個人的奇想 PS.說個題外話,我在知識 的目的,是因為網路搜尋的到 只是想要將一些個人的白日夢記錄起來,有興趣討論的話更好 非常感謝你的專業回答 再放多些天,讓其他人看看 ^_^ 更新 19: 哇~~~ 誤會有點大 我從來沒有要駁斥什麼的意思 只是你說會有這個這個問題,我想怎麼解決 沒錯你再三強調，「衛星的速度和自己質量無關」 你所舉出的公式，T=2pi(R0＋H)^(3/2)/(GM)^(1/2) 不是我不算或不消化 ~_~ 這是一個等式 R0 G M 都固定,當然 H 增加 T 就增加 雖然不知道這公式的原理 但這我理解,我也沒有要推翻或駁斥的意思
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只講同步衛星，就有幾個地方有問題： 衛星是繞著地球的質心轉的，所以想要讓衛星跟地球的自轉同步，唯一能夠擺放同步衛星的位置只有地球赤道上空，在北京、華盛頓或雪梨上空沒辦法有同步的衛星。當然這些地方的上空有一些軍事偵查衛星或通訊衛星，他們的確也繞著地球質心轉，只是他們一定是沿著地球大圓來轉，所以不可能跟地球同步，不可能永遠在地面上方某一個位置，除非你硬要地球自轉軸改變。 再說同步衛星既然只能在赤道上空，在赤道天頂每個衛星能被偵測的張角也是有限的，因此每顆同步衛星和其他的同步衛星之間必須有適當距離分隔開來，不然地面站無法搜尋到正確的衛星。也因此赤道上空的同步衛星其實座位有限，各國都搶。 因為上面的原因，所以不能讓所有的衛星都這樣跑。 其他對於你空中平台的想像過程，我覺得你可以先想一下衛星任何軌道改變、姿態調整都透過跟地面站的聯繫，一下子要讓四顆很靠近，你怎麼在同一個天空上的角度協調這四顆衛星，怎麼溝通？而且這些衛星也都要放棄自己原來的任務來參與，對軍事通訊科學研究的損失怎麼算？這個牽線建平台的工作勢必要派太空人進行，而有趣的是，原本的衛星上方本來就沒有規劃要照你的想像作空中平台的打算，太空人就算上去了，繩子要綁在哪裡？有些人造衛星的外殼只有像鋁箔一樣薄薄的一層，能綁在哪裡？ 就算真的綁在一起也成功了，你想想：任兩個在地球同步軌道上的天體，是可以相安無事繞著地球軌道運行，與地球連線的鉛垂方向只受地心引力，並拿來當作繞地向心力；水平方向只有兩個天體之間互相吸引的萬有引力，因為數值很小當作沒有影響。今天你在兩個天體之間綁繩子，當繩子還沒拉直的時候，有綁繩子與沒綁沒有差別；假設兩個天體因為自身的水平方向上的慣性而相互遠離，遠離到把繩子繃緊，它們的水平方向就從受力=0，突然變成受力=繩張力，這個繩張力把兩個天體各扯一下，阻止了原來的慣性，更可能造成新的慣性，讓兩個天體相互靠近，導致毀滅。所以不能在水平方向使用繩子，在鉛垂方向使用繩子的話也不能讓繩子有任何水平分量，否則後果就是損失所有的人造衛星。 你可以把繩子這種觀念改成用剛體去連接四顆人造衛星，這樣觀念上整體人造衛星群就變成一顆人造衛星一樣，因為各部分的組成物彼此之間不會互相運動，我比較可以接受這種做法。不過既然這樣何不只找一顆衛星來連平台實際一點？ 你說的那個平台不會因為只有一顆人造衛星就吊不動。更何況那個平台本來就完全不需要任何人造衛星來吊，你把這點想通再來問吧！ 2007-01-14 23:39:10 補充： 同步軌道的距離我簡單算一下，GM/r^2=rw^2，GM=9.8R^2，其中w=角速度=2pi/86400，r軌道高度，R地球半徑=6400000m，算出來軌道半徑r~4.23*10^7公尺=42300公里。 重點來了，不管你「吊」的平台多遠多近，只要離地球的距離不是上述軌道距離，就不會和地球同步。能不能和地球同步，和重量控制毫無關係。 從很嚴謹的數學來看，你可以讓一個大型的剛體質心剛好在那個軌道上，那就不是從同步人造衛星上以剛體懸吊/連接下來。 但是這樣的運行還是有問題，因為各部分的運行速率不同，久了之後會受到一個力矩躺平在質心所在軌道上。這樣也就沒有與地表平行的平台。 2007-01-15 14:11:52 補充： 一些細節我不說了，只要一個抵銷力矩的問題你能夠回答，應該就可以去NASA找工作了：給你一個實際case，兩顆衛星以剛體用你說的方式上下相連，兩顆衛星等質量，每個衛星200公斤，質心恰在同步軌道上，其中有每顆衛星有5公斤是攜帶氣瓶上去噴，在太空中無可憑藉施力的情況下，噴氣是調整衛星姿態的唯一方法。你可以算一下這5公斤氣體拿來補償力矩的話多久會噴完，再看看科技進步的人類目前克服不了的事你怎麼用一個知識的題目克服。 2007-01-15 19:18:11 補充： 你沒看錯，我只問平衡力矩的氣瓶補充，而我建議你實際算算看氣瓶為了補充這個力矩可以耗多久。如果噴完只需要5秒(我不太想算，你有興趣自己算算看)，地面補充就變得無意義。這些補充文字好像有上限的樣子，再回答下去會超過，我回答到此為止吧！我知道你不是物理系本科生，這裡回答的內容也只有高中物理程度，你有興趣可以自己算一題：與地球半徑R等長的棒子，假設為理想剛體，棒子一端位於地表上空5.6R到6.6R，整根棒子各點角速度初速與地球自轉同步，求經過一天之後棒子的狀態。 2007-01-18 09:13:34 補充： 基本上對於我提到的最後一個問題，可能你還是沒有抓到重點，衛星對地球的運行，假設為圓形軌道，在重力常數G、地球質量M、地球半徑R0固定的情形下，衛星所在的軌道高度H就決定了衛星的速度以及繞地的週期，衛星本身的質量跟衛星速度與週期「完全無關」，無法拿來作微調。 2007-01-18 09:13:57 補充： T=2pi(R0 H)^(3/2)/(GM)^(1/2)，靠近地球的衛星H小T小，一天之內可以繞地球超過一圈，離地球遠的H大T大，一天之內無法繞地球一天，你要強制它們一起繞地球週期只有一天，可以，離地球近噴氣作一段減速並持續對地球噴氣抵銷部分地球吸引的向心力，離地球遠的噴氣作一段加速並持續對地球反方向噴氣增加部分地球吸引的向心力，這樣所有衛星可以跟同步衛星同步 2007-01-18 09:18:51 補充： 上面有說必須要「持續」噴氣才能維持，所以並不是「微調」，某一時刻不調整就失去同步了。可是就算這樣做所有衛星不能互相連在一起，因為作用力=反作用力，噴氣的動作是單一衛星的內力，如果把好幾顆衛星用剛體相連看成系統，這個噴氣動作的反作用力會傳遞到系統的其他部位，要考慮的就是整體質心的淨力與淨力矩。如果你還是看不懂質量增減無法改變軌道或運行速率，我也不想再答下去了。 2007-01-18 09:20:52 補充： T=2pi(R0＋H)^(3/2)/(GM)^(1/2) 09:12:41補充內容部分的加號沒顯現，上面這樣寫才對。 2007-01-18 12:02:28 補充： 有些部分我一再答過了，你還是問出來，我不得不再提醒：衛星的圓周運動繞的是地心，你如果在台北上空看到一顆衛星，它能走的只有任何通過台北的地球大圓往外延伸的同心圓，不管是通過台北和北極的大圓、還是通過台北和倫敦的大圓，總之沒有一個通過台北的上空的地球大圓同心圓的轉軸可以跟地球轉軸重合，所以地球轉地球的、衛星轉衛星的，兩個圓沒有同步的可能，台北的天空也沒有同步衛星的可能。請看我所有回答一開始是不是有寫這個？ 2007-01-18 12:17:23 補充： 你要讓每顆衛星都能夠同步？好啊自己疊磚頭疊上去固定它，腳踏實地就同步了，所有我提到的你不願意算的東西都被磚頭之間的水泥剪力吸收掉了，地球帶著轉，絕對同步。你先告訴我你有沒有辦法蓋到聖母峰，不用，玉山那麼高就好了，蓋的到的話，請再疊1400個玉山的高度上去。我答題對於答題對象的程度沒有意見，聞到有先後，術業有專攻，沒什麼好比較也沒什麼好說的，但請尊重事實，請尊重答題者的時間，「衛星的速度和自己質量無關」，別讓我重複的內容一再回答，請消化後再用合理的論述與公式來反駁，但不要反駁事實。 2007-01-18 12:18:28 補充： 訂正喔：1400個玉山改成1400「萬」個玉山 2007-01-18 23:21:45 補充： 我發現你對慣性兩個字有很大的誤解與誤用：物理學中的慣性，指的是不受外力狀態下，系統的固有動作，比較貼近慣性的一個物理量是物體的動量mv，在不受外力的情況下，系統的動量守恆，這句話可以代表牛頓的第一運動定律。衛星繞地球轉，嚴格說不能講成衛星有慣性，因為所受地心引力被拿來當成向心力，動量不守恆。 2007-01-18 23:24:19 補充： 衛星在太空中雖不受空氣阻力(或很小的空氣阻力)，但常常會受太陽風侵襲而帶電，或動量改變，一旦帶電就會有不可預期的行為，因為電磁作用力是重力的10^40倍。噴離子和噴氣體的差別也只是多這項電磁力。打一顆衛星耗費台幣上百億，能帶的氣體量不多，帶太多射不上去，還不如多帶些科學酬載儀器。告訴你這些是想說：別再異想天開了，哪個納稅人願意拿自己的稅金這樣子試？也許你年紀還沒到要開始繳稅的時候吧！等你開始繳你就知道痛了。 2007-01-20 08:16:06 補充： 「反正我還是相信有可能空中平衡,不過要等我想到再說 例如 : 離心力雖然是向外的,可能也可以產生,橫向力量」 您最後一段回應，除了上面這兩句話之外，我都同意。上面這兩句話的第一句到逗點之前，我也同意，只要經過計算，只要能持續施力，幾個不同軌道的衛星可以用計算過質量分佈的剛體連接，在施力不間斷之下持續運轉。不過由於施力量值太大，以目前的技術來說還不可能辦到，也許幾秒或千分之幾秒有可能。 2007-01-20 09:24:59 補充： 離心力的來源是重力，不可能產生橫向(軌道切線方向)力量，當有任何橫向力量突然存在而且重力突然消失的時候，衛星會從軌道的切線一路逃離地球。如果橫向加速或減速力量突然存在而重力仍在的話，衛星會以螺旋狀遠離或墜落地球。力只能在切線方向加減速或在法線方向改變物體運動方向，所以重力沒辦法變成橫向力量。
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