宇宙エレベータの揺れ、コリオリの力も原因

capra 曰く、

先日日本でも「 第1回日本宇宙エレベーター会議が開催されるなど、宇宙エレベータが微妙に盛り上がりつつあるが、宇宙エレベータの課題は建設材料の強度だけでなく、月や太陽の重力、また太陽風によって発生する揺れの問題が大きいとも言われている。この揺れは更にエレベータの運搬機の上昇によって増大する恐れがあるとのこと（New Scientist、/.本家記事より）

上昇による揺れを起こす原因はコリオリの力。宇宙エレベータは、地球のある地点から垂直に設置されるが、運搬機が上昇するとコリオリの力によって運搬機を地球の回転と反対方向に引っ張る力が発生し、運搬機は振子のように揺れてしまうとのこと。

コリオリの力によって発生する振子運動はさほど大きくない可能性もあるが、テザーが揺れることによって運搬機から「降りる」宇宙船の速度が速くなったり、もしくは遅くなったりする恐れがある。このようなスピードの変化によって宇宙船の軌道が数十km外れる恐れもあり、軌道修正のために余分な燃料を要する恐れも発生する。運搬機のスピードが速いほうが働く力が大きくなるため、影響を小さくするには単純に上昇スピードを抑えればいいが、到着までかかる時間が非常に長くなってしまう。

2基の運搬機が対となったエレベータなどは揺れを抑えられる可能性もあるとのことで、運搬機の数や動き方など、エレベータの構造が問題解決の一つの鍵となるだろうと考えられている。

コリオリの力

[ryu-2 (9699)]

読者からの質問：
「コロニー内で発生するコリオリの力って何ですか？」
編集部の答え：
「わかりません。コリョーリの美味い店なら知っています。」

…私が雑誌『アニメック』の講読をやめたのは、これがきっかけでした（実話）。

＃ 初期の『アニメック』では、科学的な解説がされていたのに…。

Re:

[Anonymous Coward]

そして、アウシタンになった？
アニメージュはなんだっけ？

Re:

[Anonymous Coward]

アニメージュ：メージュニアン
OUT：アウシタン
ファンロード：ローディスト
アニメディア：メディア（ン）
アニメック：メックニアン（私の友人近辺では）
アニメV：不明

……福島のとある地方出身者より

形状を工夫すれば、

[black-hole (9124)]

揺れの力で勝手に登って行く運搬機ができそうです。

　炎
　炎
　炎
　｜

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-------- tear straight across --------

Re:

[Anonymous Coward]

紐で引っ張りあげたり降ろしたりする方式なので、そもそもの話
上に上げるのに必要なエネルギーは下におりるときに、結構な効率で回収できると思う。
だから勝手に上るとか下るとかべつにどうでもいいんじゃないかな。この場合。

Re:

[Anonymous Coward]

上に上げるのに必要なエネルギーは下におりるときに、結構な効率で回収できると思う。
だから勝手に上るとか下るとかべつにどうでもいいんじゃないかな。この場合。

元コメに突っ込みたい気持ちも分かるが、１軸上のエネルギー総和の話してどうするよ。コリオリの力やテザーの揺れって時点で直交２軸以上の振動の話でしょうが。脳内を３次元＋時間軸にしてから出直しんしゃい。

Re:形状を工夫すれば、

[Anonymous Coward]

俺の嫁は渡さん！

＃AC

Re:

[Anonymous Coward]

>俺の嫁は渡さん！

渡……哲也さん？
マニアックな！！

Re:

[Anonymous Coward]

んな事したら地球の自転が減っちゃうじゃないか。

垂直？(オフトピ)

[genkikko (36404)]

意味は通じるけど、正確に書いて欲しい。

鉛直。

あたりまえ過ぎて(ry

[tarosuke (2403)]

軌道エレベータなら荷物を加速しなくていいとでも思ってたんだろうか。

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[Anonymous Coward]

>軌道エレベータなら荷物を加速しなくていいとでも思ってたんだろうか。

コリオリの力は速度に比例するので加速することすら必要条件ではありません(地球上で動くものには何でも働く）

鉛直方向に動くときに働くコリオリの力を排除したければ極点で上下運動を行うと都合がいいです。
ただ、極点の上空に静止軌道がない、という欠点がありますが。

#コリオリくらい考慮してるのが当然だと思っていたのですが、なんというセキュリティホール

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[ken2 (27347)]

少なくともWikipedia2005年4月5日時点の「軌道エレベータ」の項 [wikipedia.org]には(もっと遡れますが面倒なのでこれでご勘弁を)、コリオリの力について触れられてますね。

というか、タレこみ段階では単に確認のためにコリオリの力に触れただけで、タイトルにわざわざ書く、というつもりではなかったのではないでしょうか？

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[tarosuke (2403)]

違う違う。加速ってのはそういう意味じゃない。「荷物を軌道速度まで加速」の加速。で、その時の加速力が即ち「コリオリの力」だべ？
# もっと言えば「コリオリの力」っつー概念自体が天動説みたいなもん。そんなもんは捨てちまえ。と常々思ってる。

教えて特殊相対性理論のエロい人

[SteppingWind (2654)]

相対性つながりで気になっていたことなんですが, 軌道エレベータをカーボンナノチューブみたいな導電性の素材で作った場合, 地磁気を横切って自転することにより発電しちゃったりすることはないのでしょうか?

回転座標系でも移動しているテザー衛星 [kyushu-u.ac.jp]なんかなら発電するであろうことはすぐに分かるのですが, 回転座標系では止まって見える地磁気と軌道エレベータとの間ではどうなるんでしょう? 特殊相対性理論というかMaxwell方程式は慣性系で成り立っているので, 同様に発電しそうな気もするんですよね.

もしも発電するのであれば, 秒速1km以上とかで磁力線を横切る上に全長が36,000km以上にもなるため, 先端部と基部との間でかなりの電位差になりそう. 先端部とか熱圏なんかではコロナ放電しっぱなしとか.

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[GrayMecha (30326)]

まあ、その通りですよね。

ただ、誤解を招かないためにちょっとだけ解説しておきますね。

---

１． 慣性系から見たとき、静止軌道上の物体と赤道上の物体は違う速度で運動している。
２． このときの速度の差は、鉛直線に対して直角方向。
３． この「水平方向の」運動量の差は、エレベータ軸が「水平方向」に受ける応力の反作用によって賄われる。
４． 引っ張り強度だけじゃダメよ。

Re:

[Anonymous Coward]

ん？……“私が見て、正誤が入り乱れている”ので、「だべ？」に「そぉそぉ！」と答えられない。
（“”のの文章表現は単に私の読解力の無さかもしれませんが）。

まず後段からいいますと。
># もっと言えば「コリオリの力」っつー概念自体が天動説みたいなもん。

まあそのとおりですね。見かけの力ですし。
座標系をどこにおくか、だけの問題です。

>そんなもんは捨てちまえ。と常々思ってる。

無理です。絶対座標系を基準として自分を客観視できるなら可能ですが。
もし、それができるのならニュートン以来の天才です＞絶対座標系が定義できる“人”として。

>違う違う。加速ってのはそういう意味じゃない。

後半略しますが、座標系をかえるのなら軌道速度もなにもないですね。一歩動くだけで加速です。

>「荷物を軌道速度まで加速」の加速。

逆に「軌道速度まで加速」は言いすぎでしょう。

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[tarosuke (2403)]

無理です。絶対座標系を基準として自分を客観視できるなら可能ですが。
もし、それができるのならニュートン以来の天才です＞絶対座標系が定義できる“人”として。

「回転系」は慣性系じゃないんだよ？
任意の慣性系から観測するだけで「コリオリの力」なんてサクッと捨てられるんだがなー。

逆に「軌道速度まで加速」は言いすぎでしょう。

初期状態が「地面に対して静止」で、最終状態が「静止軌道上」なら、どう考えたってその間に3km/s程加速する必要があるだろう。

「コリオリの力が天動説みたいなもん」に同意できて他に同意できないのが不思議。

Re:

[Anonymous Coward]

専門家はどうか知らないけど、半可通が解説してる軌道エレベータの話には、揺れのことなんて一切ありませんがな。
まるで「引っ張り強度が十分な素材さえあればすぐにでも作れる」みたいなものまであったり。
ずいぶん前にここで話題になったときも「揺れなんてたいした問題じゃない」みたいな意見もあったしさ。

どこかが実験衛星でも飛ばして、1000メートル程度でいいからテザーの伸縮実験してくれればいいのになぁ。

Re:

[Anonymous Coward]

楽園の泉というインチキ小説でさえ、振動を制御し、 それを利用してフォボスとダイモスをさけるというアイデアまであったので、 振動する事は余りに当たり前じゃあないのか。

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[Anonymous Coward]

っつうか、いまあるビルだって能動的に振動を制御する技術が使われ始めてますよね。軌道エレベータだって使うでしょ、当然。

Re:

[Anonymous Coward]

ビルの制振装置の仕組み知ってて言ってる?
軌道エレベーターは人工衛星。衛星になんて使えないよ。

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[Anonymous Coward]

ビルの制振装置の仕組み知ってて言ってる?

もちろん。たとえばこういうの [mhi-bridge-eng.co.jp]ですよね。

軌道エレベーターは人工衛星。衛星になんて使えないよ。

そうですか？現在はともかく、将来的にはこういう技術 [tohoku.ac.jp]も、制振に使えますよね。説明不足だったかもしれないですが、別に今の技術だけ使うという話をしたつもりはありません。

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[taka2 (14791)]

軌道エレベータに働くコリオリの力の挙動と、地震におけるビルの揺れの挙動の違いを無視しちゃだめですよ。
「揺れ」って表現をしてるので紛らわしいですが、コリオリの力は、
上りの時は、西向き(自転と逆方向)
下りの時は、東向き(自転が同じ方向)
に、一方的にかかり続けます。

ビルの制振装置なんかはカウンタウェイトを動かすことで本体の揺れを抑えるわけですが、言い変えれば、
外からかかる力に対して、カウンタウェイトを同じ方向により大きく動かすことで、
「カウンタウェイトを含めた全体の重心は外力にあわせて運動している」が、
「カウンタウェイトを除いた本体部分は動いていない」
といった状況を実現するものです、

「振動」に対しては、動かす方向が交互に変わりますから、カウンタウェイトを外力に応じて動かし続けることが出来ますが、
同じ方向に力がかかり続ける状況では、カウンターウェイトを同じ方向にずっと動かし続けなければなりません。
そんなことは物理的に実現不可能です。
(遠く離れたカウンタウェイトを捨てればいけますが、それって要するに「ロケットを噴射して軌道修正する」って方法ですね)

そんなことするよりは、テザーを上り線と下り線の2本に分けて、それぞれを鉛直線上ではなくコリオリの力にそった曲線 [wikipedia.org]上に這わす方がよっぽど現実的だと思います。

Re:あたりまえ過ぎて(ry

[Anonymous Coward]

ええと、たしかにエレベータが動いているときには力がかかり続けるでしょうが、全体に対しては張力がかかっているので、その後ゆっくりと引き戻されますよね。いわば極超低周期振動というか。そういう想定でのコメントです。

そんなことするよりは、テザーを上り線と下り線の2本に分けて、それぞれを鉛直線上ではなくコリオリの力にそった曲線上に這わす方がよっぽど現実的だと思います。

別に2本に分けなくても、空荷だろうがなんだろうがエレベータを昇降セットで動かし続ければいいんじゃないでしょうか。で、重量バランスや高度によるコリオリ力の差などはエレベータの運行速度や間隔を調整して吸収すると。

# これだと長いスパンで出て行くほうが超過とか入ってくるほうが超過とかの問題には、また別の対処が必要になりそうですが

元々、個別の技術の話をするつもりはなくて

[Anonymous Coward]

説明不足のままコメントを重ねると話が明後日の方にいっちゃっていけませんね。

#1474088 [srad.jp] で云いたかったのは「能動的に振動を制御する技術の総体」であって、個別の技術の適不適ではなかったんです。#1474185 [srad.jp] も #1474259 [srad.jp] にしてもそうで、…どうもうまく書けませんが。

現在のビルに対しても複数の制振・免震技術が使われたりしますよね。当然、軌道エレベータにだって複数の技術を投入してもかまわないわけで、振動だって #1474259 [srad.jp] で書いた極超低周期振動から現在の制振技術がそのまま使えるような周期の短い振動まで起こるでしょうから、それぞれに適した制振技術を組み合わせて使うのは当たり前でしょう、とい

赤道上の国投資しよう

[chachahoo777 (14816)]

赤道上では、コリオリの力の影響はほとんど無いのでは？

あまりちゃんとした議論ではないように思う。

ところで、静止衛星もそうだけど、赤道ビジネスのネタが増えたな。

Re:赤道上の国投資しよう

[waffle (34526)]

赤道上でも、地上と宇宙では回転半径が違います。
回転半径が違うので、その間を移動するとコリオリの力が働きます。

Re:

[Anonymous Coward]

元コメント読んで、なぜだろうと思ったんですけど、
赤道となっていた部分は南極大陸とか北極とかが正しいんですよね。
# どちらにしても、争いの大きそうな地域だ

良かった、まだ物理の知識が残っていた、、、

Re:

[Anonymous Coward]

＞赤道となっていた部分は南極大陸とか北極とかが正しいんですよね。
今度は起動エレベータが作れない。ｗ

＃オービタルリングにぶら下げるタイプなら可。

Re:赤道上の国投資しよう

[TarZ (28055)]

オービタルリングって、高度は稼げますけど軌道速度は与えられませんよね。

軌道エレベータでコリオリの力の問題が発生するというのは、裏を返せばまさに「ペイロードに軌道速度を（エレベータを介して地球の自転から）与えている」ということでもあります。
極点上でペイロードを持ち上げた場合、確かにコリオリの力による影響はないですけど、軌道速度は全く与えられず、エレベータからペイロードを切り離した瞬間に地球に落ちてしまうのでは。

ということで、オービタルリングのメリットが「空気抵抗のない高度までペイロードを持ち上げられる」という点だけで、軌道速度は別の手段で与えるなら、（建造の手間を考えると）いまいちおいしくない気がします。
他にもなにかメリットあるのでしたっけ？

Re:

[Anonymous Coward]

ということで、オービタルリングのメリットが「空気抵抗のない高度までペイロードを持ち上げられる」という点だけで、軌道速度は別の手段で与えるなら、（建造の手間を考えると）いまいちおいしくない気がします。

せっかく ORS(Orbital Ring Systems) があるんだから、今度は ORS の上でリニアモーターかなんかで加速してやればいいのでは。二度手間であるのは、まぁそのとおりなんですが。

Re:赤道上の国投資しよう

[Anonymous Coward]

> 赤道上では、コリオリの力の影響はほとんど無いのでは？

それは地球の表面上を移動する場合の話。
鉛直方向に動く軌道エレベータの場合は、ばっちり影響します。

Re:赤道上の国投資しよう

[a-isaku (25287)]

地軸上ならいいんじゃない！？

Re:

[Anonymous Coward]

宇宙で太陽光を利用して発電して、それをどうにか地上に持ってこれないものですかね。
その設備の建設のためにも軌道エレベーターが欲しいところだ。

＃そして中東の石油依存からの脱却を、、、とか書くとどこかで聞いたような話に

発想の転換

[the.ACount (31144)]

固定した軌道エレベーターと考えずに，衛星からぶら下げたヒモと考えれば，上下する時に横に動いても良いんじゃない？
もちろん、固定したヒモは、ガイドあるいは衛星側クレーンへの送電線として別にあるわけだけど。
下ろす時のコントロールが面倒そうだが，どっちにしろ細かいコントロールしながらの運転は必要だろう。

--
the.ACount

コオロギに見えた

[Anonymous Coward]

エレベーターの揺れは隙間に入ったコオロギが原因に見えた

Re:

[Anonymous Coward]

実はコオロギではなく、もっとひらっべったい形状のＧ（ry

＃あいつの生命力ならありうるかもしれん

Re:

[Anonymous Coward]

なんかコスタリカの問題が云々と読んでしまった。

こんなことを忘れてるから

[Anonymous Coward]

スターホルム人に笑われるんだよ。