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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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 burri Verfasst am: 24. Feb 2023 12:44 Titel: Drehender Wassereimer in Raumstation |
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Meine Frage:
wie verhält sich das Wasser in einem drehenden Wassereimer auf einer Raumstation mit künstlicher Gravitation?
Meine Ideen:
auf der Erde wird sich die Wasseroberfläche eines rotierenden Wassereimers symmetrisch krümmen, dies liegt an der Gesamtheit der Sternenmassen, die mit dem Wasser über die Trägheit wechselwirkt. Auf einer rotierenden Raumstation mit künstlicher Gravitation (1g) hingegen wechselwirkt aber zusätzlich noch die Kreiselpräzession. Meine Frage hierzu: wie bildet sich auf der Raumstation die Wasseroberfläche im rotierenden Eimer aus?
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as_string
Moderator
Anmeldungsdatum: 09.12.2005
Beiträge: 5787
Wohnort: Heidelberg
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| as_string Verfasst am: 24. Feb 2023 13:11 Titel: Re: drehender Wassereimer in Raumstation |
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| burri hat Folgendes geschrieben: | | dies liegt an der Gesamtheit der Sternenmassen, die mit dem Wasser über die Trägheit wechselwirkt. |
Ist das so?
Gruß
Marco
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5044
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| DrStupid Verfasst am: 24. Feb 2023 13:35 Titel: Re: drehender Wassereimer in Raumstation |
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| as_string hat Folgendes geschrieben: | | burri hat Folgendes geschrieben: | | dies liegt an der Gesamtheit der Sternenmassen, die mit dem Wasser über die Trägheit wechselwirkt. |
Ist das so? |
Möglicherweise meint er das Machsche Prinzip. Das ist hier aber wenig hilfreich.
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Nils Hoppenstedt
Anmeldungsdatum: 08.01.2020
Beiträge: 2019
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| Nils Hoppenstedt Verfasst am: 24. Feb 2023 15:43 Titel: Re: drehender Wassereimer in Raumstation |
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| burri hat Folgendes geschrieben: | | Auf einer rotierenden Raumstation mit künstlicher Gravitation (1g) hingegen wechselwirkt aber zusätzlich noch die Kreiselpräzession. Meine Frage hierzu: wie bildet sich auf der Raumstation die Wasseroberfläche im rotierenden Eimer aus? |
Du meinst vermutlich nicht die Präzession, sondern die zusätzlich auftretenden Corioliskräfte. Ich vermute, dass sich die Wasseroberfläche immer noch parabolisch verformt, aber die Achse des Paraboloids leicht verkippt ist.
Viele Grüße,
Nils
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Ihr da Ohm macht doch Watt ihr Volt! |
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5044
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| DrStupid Verfasst am: 24. Feb 2023 17:47 Titel: Re: drehender Wassereimer in Raumstation |
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| Nils Hoppenstedt hat Folgendes geschrieben: | | Ich vermute, dass sich die Wasseroberfläche immer noch parabolisch verformt, aber die Achse des Paraboloids leicht verkippt ist. |
Das kommt darauf an, wie genau man hinsieht bzw. wie groß der Eimer im Verhältnis zum Abstand von der Rotationsachse ist. Wenn der Eimer nicht rotiert, dann ist die Wasseroberfläche zylindrisch. Wenn er rotiert, dann wird es kompliziert. Ich erwarte nicht, dass es da in irgend einem Bezugssystem eine statische Lösung gibt. Da sind dann nicht nur Corioliskräfte im Spiel, sondern auch die Strömungsmechanik.
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 24. Feb 2023 20:32 Titel: |
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@Nils
wenn die Parabel verkippt wäre, würde dies ein Symmetriebruch bedeuten,
weil das Wasser im Eimer bezogen auf die Eimerwand nicht mehr überall gleich verteilt wäre.
Eine Seite der Eimerwand hätte dann mehr Wasserdruck als die gegenüberliegende Seite.
Der Eimer würde dann eine Antriebskraft entwickeln.
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Nils Hoppenstedt
Anmeldungsdatum: 08.01.2020
Beiträge: 2019
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| Nils Hoppenstedt Verfasst am: 24. Feb 2023 21:14 Titel: |
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| burri hat Folgendes geschrieben: | @Nils
wenn die Parabel verkippt wäre, würde dies ein Symmetriebruch bedeuten,
weil das Wasser im Eimer bezogen auf die Eimerwand nicht mehr überall gleich verteilt wäre.
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Die Symmetrie ist ja auch gebrochen, denn durch die Rotationsachse der Raumstation ist eine Raumrichtung ausgzeichnet.
| burri hat Folgendes geschrieben: |
Eine Seite der Eimerwand hätte dann mehr Wasserdruck als die gegenüberliegende Seite.
Der Eimer würde dann eine Antriebskraft entwickeln. |
Vorweg: wie die Flüssigkeitsverteilung aussehen wird, ist im Allgemeinen wohl tatsächlich kompliziert. Die Vermutung, dass das Paraboloid nur verkippt ist, könnte aber zumindest näherungsweise für bestimmte Szenarien zutreffen (großer Abstand zum Drehzentrum, Corioliskräfte klein im Vergleich zur Fliehkraft etc.).
Dass der Wasserdruck auf dem Eimerboden unterschiedlich ist und somit ein Drehmoment erzeugt wird, macht jedoch Sinn, denn der Drehimpuls des rotierenden Wassers ändert durch die Drehung der Raumstaion ständig seine Richtung.
| burri hat Folgendes geschrieben: | | Der Eimer würde dann eine Antriebskraft entwickeln. |
Hier gilt das gleiche wie immer: Solange keine äußere Kraft auf die Station einwirkt, bliebt ihr Gesamtimpuls erhalten. Der Eimer kann also keine "Antriebskraft" entwickeln.
Viele Grüße,
Nils
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Ihr da Ohm macht doch Watt ihr Volt! |
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 26. Feb 2023 10:54 Titel: |
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wenn es gelingen würde, in einem rotierenden Wassereimer, die Wassermasse über die Präzession, oder wie auch immer, leicht zu verkippen, würde doch der Wassereiner sich in Richtung des erhöhten Wasserstandes hin bewegen.
Vergleichbar mit einer stationären Unwucht, nur bei festen Rotationsmassen ist eine stationäre Unwucht nicht möglich, die Rotationsmasse würde dann lediglich herumeiern.
Dadurch könnte ein Drehmoment in ein lineares Moment gewandelt werden.
Das wäre dann wohl ein Fliehkraftantrieb.
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5044
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| DrStupid Verfasst am: 26. Feb 2023 11:26 Titel: |
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| burri hat Folgendes geschrieben: | | wenn es gelingen würde, in einem rotierenden Wassereimer, die Wassermasse über die Präzession, oder wie auch immer, leicht zu verkippen, würde doch der Wassereiner sich in Richtung des erhöhten Wasserstandes hin bewegen. |
Um zu entscheiden, ob es so eine resultierende Kraft gibt, müsste man die Druckverteilung kennen. Und selbst wenn es sie gibt, wäre das nicht unbedingt ein Problem wenn der Eimer daran gehindert wird ihr zu folgen (z.B. indem er auf einer fest montierten Rotationsachse sitzt).
Wenn nur ein Drehmoment auf die Flüssigkeit wirkt, das die Oberfläche in die Horizontale zurück kippen will, dann sollte es einen stationären Fall geben, in dem das Ausweichmoment sie stattdessen mit der Station rotieren lässt. Für einen soliden Kreisel ließe sich das noch vergleichsweise einfach berechnen, aber bei einer Flüssigkeit ist das schwierig.
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 27. Feb 2023 09:58 Titel: |
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ein fester Rotationskörper ist an seiner Drehachse gefesselt, ein Fluid hingegen nicht, trotzdem wirkt die Präzessionskraft auf das Fluid, und eine Asymmetrie an den Eimerwänden könnte ein Drehmoment in ein lineares Moment wandeln.
Eine feste Rotationsmasse hingegen wird eine Präzessionskraft immer nur in ein Drehmoment wandeln können, wegen der Fesselung an seiner Rotationsachse.
So weit zumindest meine Überlegungen.
Danke für die bisherigen Antworten, denn das Thema ist eigentlich durch die geltende Physik nicht abgedeckt.
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5044
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| DrStupid Verfasst am: 27. Feb 2023 12:59 Titel: |
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| burri hat Folgendes geschrieben: | | ein fester Rotationskörper ist an seiner Drehachse gefesselt |
Nur wenn es eine Hauptträgheitsachse ist und kein Drehmoment auf ihn wirkt.
| burri hat Folgendes geschrieben: | | trotzdem wirkt die Präzessionskraft auf das Fluid |
Was meinst Du mit "Präzessionskraft".
| burri hat Folgendes geschrieben: | | und eine Asymmetrie an den Eimerwänden könnte ein Drehmoment in ein lineares Moment wandeln. |
Drehimpuls und Impuls sind voneinander unabhängige Erhaltungsgrößen. Die können nicht ineinander umgewandelt werden. Das gilt dementsprechend auch für Drehmoment und Kraft.
| burri hat Folgendes geschrieben: | | denn das Thema ist eigentlich durch die geltende Physik nicht abgedeckt. |
Nein, das Thema ist durch die geltende Physik abgedeckt. Das kann man alles im Rahmen der klassischen Mechanik abhandeln. Es ist nur sehr komplex.
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 27. Feb 2023 15:55 Titel: |
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https://www.youtube.com/watch?v=ldqUV-DXiUg
wird die die drehbare Rotationsachse in einer bestimmten Richtung gedreht, wird je nach Drehrichtung der Rotationsachse die Schwungmasse nach oben, oder nach unten ausweichen, die Rotationsachse wird sich also verkippen.
Dieses Verkippen, wird auch bezüglich des Wasserinhaltes angenommen, denn im Beispiel des Wassereimers, soll sich der Inhalt des Wassereimers, also das Wasser verkippen, die Rotationsachse soll nicht kippbar sein.
| Beschreibung: |
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5044
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| DrStupid Verfasst am: 27. Feb 2023 17:41 Titel: |
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| burri hat Folgendes geschrieben: | | die Rotationsachse soll nicht kippbar sein. |
Welche Rotationsachse? Die des Wassers? Wenn die nicht kippar ist, dann würde das Wasser im Eimer nach einer viertel Umdrehung der Station um eine horizontale Achse rotieren. Das ist aber nicht zu erwarten. Für hinreichend große Radien sollte sich das Wasser im mitrotierenden System so ähnlich verhalten wie im Gravitationsfeld. Dafür muss sich die Rotationsachse des Wassers mit der Station drehen.
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 27. Feb 2023 18:29 Titel: |
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es gibt zwei Drehachsen, die Drehachse des Wassereimers, und die Drehachse der Raumstation.
Beide Drehachsen sollen nicht verkippen, wohl aber die fluide Schwungmasse,
das Wasser.
Der Eimer kann radiale Lamellen haben, um unerwünschte Strömungen des Wassers zu verhindern.
Dreht sich der Wassereimer nicht, ist es wie auf der Erde, die Wasseroberfläche ist symmetrisch und glatt.
Wenn aber der Wassereimer zu rotieren beginnt, wie verhält sich dann die Wasseroberfläche, entsteht ein Verkippen (Asymmetrie)?
Wenn ja, wohin? senkrecht zur Rotationsachse des Eimers?
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 27. Feb 2023 18:33 Titel: |
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statt Wasser kann man sich auch ganz zähe Fluide vorstellen, das macht es einfacher.
Und um es noch mehr zu vereinfachen, kann man sich zwei gegenüberliegende rotierende Wassereimer vorstellen, dann eiert die Raumstation nicht mehr rum.
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Nils Hoppenstedt
Anmeldungsdatum: 08.01.2020
Beiträge: 2019
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| Nils Hoppenstedt Verfasst am: 27. Feb 2023 18:56 Titel: |
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| burri hat Folgendes geschrieben: | es gibt zwei Drehachsen, die Drehachse des Wassereimers, und die Drehachse der Raumstation.
Beide Drehachsen sollen nicht verkippen, wohl aber die fluide Schwungmasse,
das Wasser.
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Wenn die Drehachse der Raumstation nicht verkippbar sein soll, müsste sie in einem Lager eingespannt sein. Das ist wahrscheinlich nicht das, was du dir vorstellst.
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Ihr da Ohm macht doch Watt ihr Volt! |
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DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5044
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| DrStupid Verfasst am: 27. Feb 2023 19:21 Titel: |
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| burri hat Folgendes geschrieben: | es gibt zwei Drehachsen, die Drehachse des Wassereimers, und die Drehachse der Raumstation.
Beide Drehachsen sollen nicht verkippen, wohl aber die fluide Schwungmasse,
das Wasser. |
Dann passiert das, was ich oben geschrieben habe.
| burri hat Folgendes geschrieben: | | Der Eimer kann radiale Lamellen haben, um unerwünschte Strömungen des Wassers zu verhindern. |
Dann könnte das Wasser nach einer viertel Umdrehung der Station nicht mehr um die gleiche Achse rotieren. Entweder die Rotationsachse des Wassers ändert ihre Orientierung oder es hört auf im Eimer zu rotieren.
| burri hat Folgendes geschrieben: | Dreht sich der Wassereimer nicht, ist es wie auf der Erde, die Wasseroberfläche ist symmetrisch und glatt.
Wenn aber der Wassereimer zu rotieren beginnt, wie verhält sich dann die Wasseroberfläche, entsteht ein Verkippen (Asymmetrie)?
Wenn ja, wohin? senkrecht zur Rotationsachse des Eimers? |
Das hängt davon ab, wie man es in Rotation versetzt. Ich würde von der anderen Seite an das Problem herangehen: Wohin muss die Wasseroberfläche kippen, damit das daraus resultierende Drehmoment die im mitrotierenden System "vertikale" Rotationsachse des Wassers mit der Station dreht? Wenn ich mich nicht täusche, dann müsste die Oberflächennormale nach Norden kippen (also in die Richtung, in die der Dreimpulsverktor der Station zeigt). Das Drehmoment, das die Oberfläche wieder in die "Horizontale" zurück kippen will, zeigt dann nach Westen (also entgegen der Bewegungsrichtung des Eimers auf seiner Kreisbahn). Das Ausweichmoment hat dann die gleiche Richtung wie die Rotation der Station.
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 28. Feb 2023 07:18 Titel: |
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Danke für die Antworten.
Ich habe die Antwort von Dr. Stupid noch nicht durchdacht, kann aber bereits aussagen, dass wenn die Verkippung des Fluids in der gleichen Ebene wie die Rotationsrichtung der Station zeigt, kein linearer Antriebseffekt entstehen kann.
Wenn aber die Verkippung senkrecht zur Rotationsrichtung der Station erfolgt,
sollte ein Antriebseffekt vorhanden sein.
Am Beispiel Kollergang sieht man, dass der Anpressdruck der Mühlsteine größer dem Gewicht der Mühlsteine ist, dies ist der Präzessionskraft geschuldet.
Allerdings ist dieses zusätzliche Präzessionskraft, ein Drehmoment,
und kann folglich kein linearen Antriebseffekt erzeugen, nur eine Drehung.
Deshalb kam mir die Idee, statt einer festen Schwungmasse, eine fluide auszuwählen, denn so kann kein Kippmoment auf die Achse übertragen werden.
Zuletzt bearbeitet von burri am 28. Feb 2023 19:34, insgesamt einmal bearbeitet |
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 06. März 2023 08:01 Titel: |
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beim Kollergang kann nur dann eine zusätzliche Präzessionskraft auftreten, wenn sich die Rotationsachse des Mühlsteins nach oben abstützen kann.
Die zusätzliche Präzessionskraft tritt nicht auf, wenn der Mühlstein ohne eine solide Rotationsachse rotiert.
Bei der Raumstation mit dem drehenden Wassereimer verhält es sich genauso.
Da eine Abstützung über eine Rotationsachse nicht gegeben ist, wird sich das Wasser wie ein freier Kreisel verhalten, und die Raumstation lediglich in ihrer Rotationsgeschwindigkeit beeinflussen können.
So weit meine Schlussfolgerungen aus dem Gedankenmodell.
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Nils Hoppenstedt
Anmeldungsdatum: 08.01.2020
Beiträge: 2019
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| Nils Hoppenstedt Verfasst am: 06. März 2023 11:34 Titel: |
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| burri hat Folgendes geschrieben: |
Da eine Abstützung über eine Rotationsachse nicht gegeben ist, wird sich das Wasser wie ein freier Kreisel verhalten, und die Raumstation lediglich in ihrer Rotationsgeschwindigkeit beeinflussen können.
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Die Drehachse des Wassereimers wird ja durch irgendeine Halterung fest mit der Raumstation verbunden sein. Daher verhält er sich nicht wie ein freier Kreisel.
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Ihr da Ohm macht doch Watt ihr Volt! |
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burri
Anmeldungsdatum: 30.09.2011
Beiträge: 159
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| burri Verfasst am: 09. März 2023 15:17 Titel: |
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| Zitat: | | Die Drehachse des Wassereimers wird ja durch irgendeine Halterung fest mit der Raumstation verbunden sein. Daher verhält er sich nicht wie ein freier Kreisel. |
Das rotierende Fluid ist nur vom Eimer begrenzt, aber nicht an der Rotationsachse gekoppelt, wie bei einer soliden Schwungmasse, deshalb will das rotierende Fluid seine Lage im Raum beibehalten und wird sich der Rotation der Raumstation in Gegenrichtung widersetzen wollen.
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Nils Hoppenstedt
Anmeldungsdatum: 08.01.2020
Beiträge: 2019
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| Nils Hoppenstedt Verfasst am: 09. März 2023 17:08 Titel: |
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| burri hat Folgendes geschrieben: |
Das rotierende Fluid ist nur vom Eimer begrenzt, aber nicht an der Rotationsachse gekoppelt, wie bei einer soliden Schwungmasse, deshalb will das rotierende Fluid seine Lage im Raum beibehalten und wird sich der Rotation der Raumstation in Gegenrichtung widersetzen wollen. |
Die Kopplung entsteht durch die Wechselwirkung des Fluids mit seiner Begrenzung. Natürlich ist diese Kopplung nicht so stark wie bei einer soliden Schwungmasse.
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