Misalkan Anda bisa mempercepat rotasi bumi sehingga satu hari hanya setengahnya? Apa yang akan terjadi? Nah, sebagai permulaan kita harus membuat jam baru yang hanya memiliki jam 1 hingga 6 untuk pagi dan PM. Jika Anda memiliki tiket ke konser jam 8, Anda tidak beruntung: jam 8 tidak ada lagi.
Tapi mungkin pertanyaan yang lebih erat adalah, mengapa fisikawan mengajukan pertanyaan gila seperti ini? Itu tidak akan pernah terjadi – teruskan, kan? Nah, inilah kesepakatannya. Berpikir tentang skenario kontrafaktual memberi kita wawasan tentang bagaimana hal -hal bekerja di sini dalam kenyataan. Plus, itu menyenangkan! Perlu saya katakan lebih banyak? Oke, bahkan mungkin membantu kami membangun lift ruang kerja.
Oh, Anda tidak tahu apa itu lift ruang? Ini adalah bahan pokok sci-fi, tambatan dari bumi hingga stasiun ruang angkasa yang mengorbit di orbit geosinkron. Mobil panjat kabel akan naik dan turun, seperti lift biasa. Pada dasarnya ini adalah cara untuk keluar ke luar angkasa dengan mudah dan rutin saat Anda naik lift ke kantor Anda di pagi hari – tidak diperlukan roket.
Mari kita mulai dengan beberapa pertanyaan mendasar dan membangun beberapa fisika yang lebih rumit.
Apa itu hari?
Anda tidak bisa lebih mendasar dari itu. Tapi jawabannya tidak sederhana. Jika Anda mengatakan satu hari adalah 24 jam, Anda benar – dan salah. Jika Anda berdiri di luar, waktu di mana matahari berada pada titik tertinggi di langit disebut siang lokal. Jika Anda berdiri di sana sampai siang lokal berikutnya, jumlah waktu yang berlalu didefinisikan sebagai 24 jam. Jadi satu jam adalah 1/24 dari waktu antara dua siang lokal.
Tapi tunggu! Ini tidak sama dengan revolusi total bumi. Jika Anda mengukur waktu revolusi lengkap, Anda akan menemukan itu bukan Tepat 24 jam. Alasannya adalah bahwa Bumi melakukan dua hal sekaligus: itu berputar pada porosnya, yang menyebabkan matahari tampak bergerak melintasi langit. Tapi itu juga mengorbit matahari selama satu tahun, yang berarti rotasi lengkap tidak akan mengakibatkan matahari berada di posisi yang sama di langit.
Sebenarnya ada dua jenis hari yang berbeda. Itu hari matahari adalah orang yang Anda pikirkan, dan itu yang dijelaskan di atas. Tipe lainnya disebut a Hari Sidereal. Berikut diagram yang sama sekali tidak skala yang akan membantu Anda memahami perbedaannya:
Di posisi 1, ada tongkat yang menandai lokasi. Tongkat itu menunjuk ke arah matahari sehingga ini akan menjadi siang lokal. Saat bumi bergerak ke posisi 2, itu membuat satu rotasi lengkap. Namun belum siang lokal, karena posisi relatif matahari telah berubah karena gerakan orbital Bumi. Ini disebut hari sidereal.
Akhirnya, Bumi sedikit bergerak di luar Satu revolusi lengkap, jadi tongkat itu lagi menunjuk ke arah matahari untuk siang lokal kedua. Hari sidereal hanya sedikit lebih pendek – sekitar 23 jam dan 56 menit.
Mengapa itu penting? Nah, jika kita akan membuat setengah hari lebih lama, kita perlu memutuskan mana yang akan dibagi dengan 2. Hanya untuk kesederhanaan, katakanlah hari matahari adalah 12 jam, bukan 24 jam, tetapi orbit di sekitar matahari (dan lamanya setahun) adalah sama.
Anda akan merasa lebih ringan di khatulistiwa
Ada banyak hal yang akan berubah dengan 12 jam sehari. Seperti, berapa lama Anda tidur? Apakah kita masih bekerja 40 jam seminggu? Akan seminggu masih tujuh hari (dan tetap saja dinamai benda di langit?). Tapi mari kita fokus pada beberapa hal fisika.
Inilah bagian yang menyenangkan. Jika Anda berdiri pada skala di Kutub Utara dan kemudian melakukan hal yang sama di khatulistiwa, skala akan memberikan nilai yang lebih tinggi di Kutub Utara. Sebenarnya, itu benar untuk 24 jam sehari dan 12 jam sehari-tetapi itu lebih terlihat dengan hari yang lebih singkat. Mari kita mulai dari Kutub Utara. Berikut adalah diagram gaya untuk kedudukan manusia normal dalam skala:
Ada dua kekuatan yang bertindak pada orang tersebut. Pertama, ada gaya gravitasi yang menarik ke bawah karena interaksi dengan bumi. (Ini massa, M, dikalikan dengan medan gravitasi, G.) Kedua, ada kekuatan yang mendorong ke atas dari skala (kami menyebutnya gaya normal karena tegak lurus terhadap tanah). Pembacaan pada skala sebenarnya adalah besarnya gaya normal dan bukan berat. Hukum kedua Newton menyatakan bahwa kekuatan bersih pada suatu objek sama dengan produk massa dan akselerasi. Bagi seseorang di Kutub Utara, akselerasi akan menjadi nol (mereka hanya berdiri di sana). Itu berarti bahwa gaya normal sama besarnya dengan gaya gravitasi.
Bagaimana jika Anda malah berdiri di ekuator? Berikut diagram kekuatan untuk itu:
Bukankah itu hal yang sama ke samping? Tidak, ini berbeda. Perhatikan bahwa dalam hal ini gaya normal tidak sekuat gaya gravitasi (panah lebih pendek). Ini karena seseorang yang berdiri di ekuator bukan tidak bergerak. Mereka bergerak di jalur melingkar saat bumi berputar. Ketika suatu objek bergerak dalam lingkaran, ia memiliki akselerasi ke arah tengah. Akselerasi “sentripetal” ini memiliki besarnya yang meningkat dengan kecepatan sudut (Oh) serta jari -jari jalur melingkar (R).
Jumlah kedua gaya (gravitasi dan skala) harus sama dengan massa yang dikalikan dengan akselerasi. Ini berarti bahwa kekuatan skala adalah:
Mengapa Kutub Utara berbeda? Ya, Anda masih berputar, tetapi Anda berada pada sumbu rotasi, sehingga jari -jari (jarak Anda dari sumbu) adalah nol, dan itu memberi Anda akselerasi nol. Jika Anda menggunakan kecepatan sudut selama 24 jam, berat efektif Anda di khatulistiwa adalah 99,7 persen dari nilai di Kutub Utara. Dengan 12 jam sehari (yang berarti Bumi berputar dua kali lebih cepat dan kecepatan sudut Anda dua kali lebih tinggi), skala akan membaca nilai 98,6 persen dari gaya gravitasi yang sebenarnya. Semakin cepat Anda berputar, semakin ringan Anda.
Apakah Anda akan memperhatikan itu dalam kehidupan nyata? Saya pikir jika Anda terbang langsung dari Kutub Utara ke khatulistiwa, Anda mungkin merasakan perubahan dalam berat efektif lebih dari 1 persen. Dengan bobot yang lebih rendah ini, Anda bisa melompat sedikit lebih tinggi dan berjalan -jalan dengan langkah yang lebih ringan.
Lift Luar Angkasa
Mari kita pikirkan tentang orbit sejenak. Jika Anda meletakkan benda di dekat bumi, akan ada gaya gravitasi yang menarik ke bawah. Ketika Anda semakin jauh dari permukaan bumi, gaya gravitasi ini semakin lemah. Namun, jika Anda memiliki objek di ruang yang awalnya istirahat, gaya gravitasi akan menyebabkannya jatuh dan jatuh. Tapi tunggu! Jika kita menggunakan trik gerak melingkar yang sama untuk berat efektif, kita dapat membuat objek bergerak dalam lingkaran sehingga massa dikalikan dengan akselerasi sentripetal sama dengan gaya gravitasi. Ini akan sama dengan berdiri pada skala dengan bobot nol yang efektif. Kami menyebutnya orbit melingkar.
Tingkat yang diorbit objek tergantung pada jarak dari pusat bumi (R). Kita bisa menghitungnya sebagai:
Di Sini G adalah konstanta gravitasi universal dan M adalah massa bumi. Jika Anda memberi nilai R Itu adalah 400 kilometer di atas permukaan bumi, Anda mendapatkan kecepatan sudut yang akan memakan waktu 92 menit untuk menyelesaikan orbit. Catatan: Ini adalah apa yang dilakukan Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS).
Bukankah keren jika stasiun memiliki kabel mengalir ke bumi? Sayangnya, kabel yang menggantung akan mencambuk di sekitar bumi begitu cepat, Anda tidak akan bisa memulai atau turun.
Nah, mungkin untuk memperbaiki masalah ini. Misalkan Anda memindahkan stasiun luar angkasa hingga jarak 36.000 kilometer, bukan 400 kilometer? Dalam hal ini, kecepatan sudut ISS akan sama dengan laju rotasi Bumi. Seperti yang terlihat dari permukaan bumi, ISS akan tetap berada di tempat yang sama di langit karena mereka berdua akan membutuhkan waktu 24 jam untuk berputar. Kami menyebutnya orbit geostasioner – tetapi harus langsung di atas khatulistiwa sehingga arah rotasi adalah sama.
Dengan objek di orbit geostasioner, Anda bisa menjalankan kabel ke bumi. Ledakan—Ada lift luar angkasa Anda. Tapi tunggu! Ada beberapa masalah. Dapatkah Anda membayangkan kabel yang panjangnya 36.000 kilometer? Itu banyak kabel. Sangat Anda harus mengimbangi berat kabel dengan beberapa massa besar sedikit melewati tingkat geostasioner. Sistem ini akan membutuhkan ketegangan pada bahan yang melebihi nilai maksimum untuk kabel baja terkuat. Itu hanya bisa bekerja dengan sesuatu seperti kabel karbon nanotube – yang belum kita miliki (belum).
Oke, tapi bagaimana jika kita membuat bumi berputar dua kali lebih cepat dengan hari 12 jam? Dalam hal ini, orbit geostasioner akan memiliki kecepatan sudut yang lebih besar (untuk mencocokkan tanah yang lebih cepat). Jika Anda menghitung angka, jarak geostasioner hanya 20.000 kilometer, atau sekitar 45 persen lebih pendek.
Bagaimana jika Bumi berputar begitu cepat sehingga ISS berada di orbit geostasioner hanya 400 kilometer di atas permukaan? Itu mungkin memungkinkan lift ruang. Tentu saja sekarang kita akan memiliki hari yang jauh lebih pendek hanya 92 menit. Bisakah Anda bayangkan harus keluar dari tempat tidur setiap 92 menit? Lupakan itu. Sayang sekali, karena saya benar -benar menginginkan lift luar angkasa.
