Compression vs friction – ce qui se passe lorsque des objets spatiaux pénètrent dans l’atmosphère terrestre

Stefan

Compression vs friction – ce qui se passe lorsque des objets spatiaux pénètrent dans l’atmosphère terrestre


Lorsque vous lisez ce qui se passe lorsque des débris cosmiques pénètrent dans l’atmosphère terrestre, certaines sources parlent de friction, d’autres de compression. Par exemple:

Sur space.com, il est dit :

Les averses de météores se produisent lorsque la poussière ou les particules d’astéroïdes ou de comètes pénètrent dans l’atmosphère terrestre à très grande vitesse. Lorsqu’ils frappent l’atmosphère, les météores se frottent contre les particules d’air et créent une friction , chauffant les météores. La chaleur vaporise la plupart des météores, créant ce que nous appelons des étoiles filantes.

D’un autre côté, Phil Plait écrit :

Ce que vous voyez, ce n’est pas de la fumée ou des particules brûlantes. Comme un météoroïde (le véritable morceau solide de matière) souffle dans l’atmosphère, il comprime violemment l’air, le réchauffant énormément (notez que ce n’est pas dû à la friction, mais à la compression ; comme lorsqu’une pompe de vélo chauffe lorsque vous l’utilisez) ). La chaleur est si intense qu’elle ionise les gaz, éliminant les électrons de leurs atomes parents. Alors que les électrons se recombinent lentement avec les atomes, ils émettent de la lumière – c’est ainsi que les enseignes au néon brillent, ainsi que les nébuleuses géantes formant des étoiles dans l’espace.

Ou ici :

Fondamentalement, l’objet supersonique crée son propre four en comprimant l’air devant lui. De plus, si l’objet est fait d’un matériau oxydable (comme le fer, l’aluminium ou le carbone) et que l’air est riche en oxygène (comme l’atmosphère terrestre), alors l’objet peut littéralement brûler. Donc, la prochaine fois que quelqu’un essaie de vous dire que la friction de l’air fait brûler une météorite dans l’atmosphère, assurez-vous de les corriger et de leur parler du choc supersonique.

et ici :

Si vous regardez ce qui se passe lorsque la navette spatiale traverse l’atmosphère, l’ atmosphère n’est pas globalement compressée , juste chauffée. Donc, globalement, la perte d’énergie est due au frottement. Sur le chemin, cependant, un peu d’énergie est stockée dans l’air comprimé avant de se perdre par friction dans l’air lors de sa ré-expansion.

Et enfin une combinaison de compression et de friction :

Avec le météore se déplaçant à cette vitesse, il y a beaucoup de chaleur générée ( compression, ainsi que friction / viscosité ).

Pour moi, la compression a beaucoup plus de sens intuitivement (mais je peux me tromper). Mais en même temps, il me manque les connaissances physiques réelles pour le démontrer moi-même. Ici, sur SE Physics, vous trouverez d’excellentes réponses sur des sujets similaires, mais elles ne répondent pas tout à fait à mes questions. Peut-être que mes questions ne peuvent pas être répondues aussi facilement, ce qui serait toujours une réponse précieuse pour moi!

Donc, mes questions sont:

Q1: En prenant un objet idéal comme exemple (par exemple sphérique, 1 m de rayon), qui pénètre dans l’atmosphère terrestre, est-il possible de calculer approximativement la quantité totale de chaleur générée à une hauteur donnée, puis de quantifier la quantité de chaleur due à compression vs friction? Dites 80% de compression et 20% de friction (ou 99% contre 1%, ou similaire)? Un chiffre approximatif suffirait totalement!

Q2: En ce qui concerne l’avant-dernier exemple / citation ci-dessus, y a-t-il techniquement une différence si un métoroide ou la navette spatiale pénètre dans les couches plus épaisses de l’atmosphère terrestre (c’est-à-dire le frottement pour l’exemple de la navette spatiale et non la compression)?

Remarque: En ajoutant la balise meteors, sa description indique également:

Des morceaux de pierre ou de métal tombant de l’espace, rendus visibles pendant une partie de leur voyage en raison d’un chauffage par friction intense .

Aucune mention de compression.

David Hammen

Merci pour le pointeur sur la mauvaise définition des météores sur ce site. J’ai changé l’usage pour être la définition officielle de l’AIU: En particulier, le phénomène de lumière qui résulte de l’entrée dans l’atmosphère terrestre d’une particule solide de l’espace; plus généralement, en tant que nom ou adjectif, tout objet ou phénomène physique associé à un tel événement. Est-ce que quelqu’un avec des privilèges de modification de wiki de balise approuve ma modification?

Joshua Dance

C’est la question la plus claire que j’ai vue concernant ce sujet. J’espère que nous aurons bientôt une bonne réponse.

Réponses


 CuriousOne

Imaginez un objet contondant comme une capsule spatiale entrant dans l’atmosphère. Il connaît une force de décélération, non? Si vous divisez cette force par la surface de la surface frontale émoussée, nous obtenons une pression efficace. L’atmosphère doit créer cette pression devant l’objet, sinon il n’y aurait pas de force (une molécule coulant par les côtés de l’objet sans la toucher ne peut pas créer une telle force). Cette compression chauffe également le gaz devant l’objet.

Le gaz chaud et dense coule maintenant le long des côtés de la capsule. Si nous voulons garder la capsule fraîche, nous ne voulons certainement pas que ce gaz chaud touche à nouveau le corps, c’est pourquoi les capsules entrent par le côté large et ne volent pas comme des avions avec un cône de nez pointu. L’angle du corps doit être suffisamment petit pour que le gaz puisse traverser tout le corps avant de se dilater suffisamment pour atteindre les murs.

Vous pouvez bien voir ces effets sur de vieilles images de la NASA montrant le choc de l’arc supersonique autour des modèles de leurs capsules, les zones sombres sont des gaz denses sous haute pression, les zones claires sont des régions moins denses et à basse pression:

Un graphique de l'ombre de la capsule de réentrée du Projet Mercury, montrant l'onde de choc d'arc devant elle et les champs d'écoulement derrière la capsule.

La majorité de l’énergie cinétique de la capsule sera convertie en chauffage du gaz dans ce choc d’arc, seule une fraction de celle-ci sera absorbée par le bouclier thermique et une quantité toujours plus petite chauffera les parois arrière. Sans ce phénomène, la rentrée serait un problème thermique encore plus difficile qu’il ne l’est déjà.

Stefan

Ce sont des informations supplémentaires intéressantes (c’est pourquoi j’ai voté positivement) mais ne répondent malheureusement pas à mes deux questions.

CuriousOne

Pour répondre à vos questions: oui, il est certainement possible de calculer ces ratios, mais vous devrez vous lancer dans la recherche d’une vie entière sur le choc hypersonique de l’arc hypersonique. Je ne pense pas qu’il y ait une réponse facile en trois minutes. La deuxième question est également affirmative, la navette spatiale a été activement contrôlée dans son attitude, tandis qu’une météorite s’effondre simplement tandis que sa surface fond. Dans les couches inférieures, la navette devient de toute façon un plan dodu, de sorte que la friction reprend presque complètement, comme sur tous les autres plans.

Stefan

Merci pour vos réponses. C’est un sujet assez intéressant et pas facile à comprendre. Voici une autre discussion intéressante concernant les questions que j’avais.

 

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