Efectos de deflexión en una vela solar giratoria

Question

Supongamos que tengo una nave estelar impulsada por una vela solar que se aleja directamente de una estrella. La vela es plana y perpendicular a la dirección del viaje. Ahora, para que la trayectoria sea más estable (creemos), hacemos que la nave gire alrededor de su centro de masa y del eje alineado con el movimiento.

1. ¿El giro de la vela provocaría una transferencia de momento lineal/angular entre la propia vela y la radiación que impacta, haciendo que la trayectoria se desvíe de la línea original?

Mi opinión en este caso (radiación que incide perpendicularmente) sería NO, ya que cualquier efecto en una parte de la vela sería contrarrestado por los de la parte opuesta (si la radiación se distribuye uniformemente).

2. Pero entonces, ¿qué pasaría si la nave estuviera volando a través de un sistema estelar con su vela colocada en ángulo, es decir, sólo parcialmente orientada hacia la estrella (en este caso, el lado de la vela más cercano a la estrella y que se mueve, digamos, hacia arriba, recibiría más radiación que el opuesto, que se mueve hacia abajo y está más alejado)? ¿Habría aquí un intercambio de momento lineal que haría que la trayectoria se desviara (como una pelota que gira en el aire)?

3. ¿Qué pasaría en el caso de la radiación electromagnética pura frente al caso en el que tenemos partículas masivas en el viento estelar?

Answer 1

Las respuestas a tus tres preguntas son "no hay ningún efecto debido a la rotación".

Un espejo que se mueve en paralelo a su propia superficie no provoca ningún desplazamiento Doppler en la luz reflejada, ni ninguna aberración Doppler en el ángulo de reflexión. Este es un ejercicio de Zangwill Electrodinámica moderna (Problema 22.21, para ser precisos), y se puede demostrar (de forma bastante tediosa) tomando una onda incidente arbitraria de cuatro momentos $p_I^\mu$ La onda reflejada en el sistema de espejos es la que se refleja en el sistema de espejos, y luego se "desinstala" en el marco del laboratorio para encontrar el cuatro-momento del fotón reflejado. $p_R^\mu$ .

Este resultado implica que los fotones que chocan con cualquier parte de un espejo giratorio impartirán exactamente el mismo (tri)momento que si chocaran con un espejo estacionario, por lo que la presión de la luz ejercida sobre cada parte del espejo es exactamente la misma. Habrá un ligero cambio en la presión cuando la vela esté parcialmente orientada en sentido contrario a la estrella, pero eso se deberá a que la vela no "capta" tanto flujo de fotones debido a su ángulo, no a la rotación de la vela.

Este resultado no depende de que las partículas no tengan masa, ni siquiera de que colisionen elásticamente con la vela (como, de nuevo, se puede demostrar bastante tediosamente utilizando la técnica anterior).

Answer 2

Esta es una respuesta suelta, no dirigida a conseguir la recompensa. Sólo para crear una imagen mental más clara.

Una vela ligera giratoria es algo así como un frizbee giratorio. Si la golpeas hacia arriba en el centro, se eleva.

Considere una vela plana que se aleja directamente de una estrella, y algo sombrea la mitad izquierda, pero no la derecha. Eso sería algo así como un frizbee girando, y se golpea un borde hacia arriba. Ese lado sube y se tambalea.

Considera un frizbee, y espolvorea arena pegajosa uniformemente sobre él. La arena tiene masa, por lo que el frizbee se ralentiza para conservar el momento angular.

La luz transporta el momento sin llevar masa. Así que espero que no cambie la velocidad de rotación de la vela por esa razón. Sin embargo, la luz también transporta el momento angular. Así que la luz polarizada circularmente (más fotones con una orientación de giro) afectaría al momento angular. Por favor, comenta si esto es incorrecto.

Answer 3

En la condición uno no impartiría un vector lateral, pero sí en la condición dos.

Piensa que la dirección en la que la nave es "empujada" está a medio camino entre el lugar de donde viene la luz y donde termina.

Si la luz viene del sol, 0', y se refleja directamente hacia el sol, 360', la diferencia es de 180' y la embarcación se aleja directamente del sol. Si la vela tiene un ángulo de 45' y la luz solar se ve desde la tangente de la órbita de la nave o 270', entonces el vector de la nave será de 135'. Creo que las fórmulas de los fotones son en realidad más complejas de lo que las estoy haciendo, pero el concepto general se mantiene.

La tercera condición es una cuestión completamente diferente y la energía no fotónica no suele incluirse en los cálculos de las velas solares. En la mayoría de las velas solares, si una partícula del tamaño de un átomo o más grande choca contra ella, dañaría la vela, reduciendo el rendimiento general aunque diera un impulso mínimamente mayor durante un momento.