Beschleunigung im Weltall - Physik vs. Gameplay

[Andre Blair]

Ich zerbrech mir gerade den Kopf wie es wohl mit der Beschleunigung im Weltall aussieht.

 

Mir geht es hier rein um die Physik und nicht um das Gameplay. Mir ist klar, das das Gameplay einiges vereinfachen muss, da ja nicht jeder Physik studieren möchte um zu verstehen wie er seine Hornet eigentlich steuern muss.

 

Das ganze ist auch rein hypothetisch und vereinfacht und ich lass einfach mal die Tatsache weg, das das Weltall nicht wirklich leer ist und die ganzen Sterne und Planeten ja eine Gravitation ausüben. Und der ganze andere Rest, an den ich bis jetzt noch nicht gedacht haben.

 

Ich gehe jetzt davon aus, das sich ein Raumschiff durch das Rückstossprinzip nach vorne bewegt und dabei beschleunigt wird. Ich frage mich jetzt aber wie lange diese Beschleunigung andauert und wo hoch die Geschwindigkeit werden kann. Wenn das Schiff startet und durch die Beschleunigung Geschwindigkeit aufnimmt würde es ja nach Abstellen des Antriebs theoretisch mit gleicher Geschwindigkeit weiter fliegen. Wie sieht es aber aus wenn es einfach weiter beschleunigt? Gibt es hier irgendwo Grenzen? Ausser dem Spritvorrat natürlich. Gibt das Triebwerk eine maximale Beschleunigung oder Geschwindigkeit vor? Welche Rolle spielt hier die Masse?

 

Vielleicht gibt es hier ja ein paar schlaue Köpfe, die mir da kurz auf die Sprünge helfen können.

[SaintJunior]

Ich verstehe deinen Ansatz, aber der Rückstoß der zweiten Beschleunigung müsste ja schneller sein als das Schiff um Wirkung zu zeigen. Er verlässt ja maximal mit der gleichen Geschwindigkeit das Triebwerk.

[Sushi]

Tatsächlich setzt die Masse der Beschleunogung ein Ende, da E=mc². Sprich, um die Trägheit einer Masse zu überwinden wird Energie benötigt. Da die aufzubringende Energie exponentiell zur Masse bzw. Geschwindigkeit steigt, man aber nicht unendlich Energie (Triebwerksleistung) zur Verfügung hat, ist irgendwann Ende... mal so ganz Laienhaft erklärt.

Bearbeitet 8. März 2017 von Sushi

[SaintJunior]

Tatsächlich setzt die Masse der Beschleunogung ein Ende, da E=mc². Sprich, um die Trägheit einer Masse zu überwinden wird Energie benötigt. Da die aufzubringende Energie exponentiell zur Masse bzw. Geschwindigkeit steigt, man aber nicht unendlich Energie (Triebwerksleistung) zur Verfügung hat, ist irgendwann Ende... mal so ganz Laienhaft erklärt. [emoji6]

Ey , daß mit laienhaft war ich und nicht du, hab nur in meiner Mittagspause darüber sinniert

[Sushi]

@Junior, wärest du auch noch drauf gekommen. Und ganz falsch war deine Antwort ja auch nicht, da bei Rückstoßtriebwerken Austrittsgeschwindigkeit und Leistung in direktem Zusammenhang stehen. Also kein Grund für .

[KnutG]

Um das besser zu verstehen kann ich nur Kerbal Space Program empfehlen - da lernt man sehr einfach wie Weltraumflug mit "realistischer" Physik funktioniert...

[Sushi]

@KnutG, ich weiß nicht, ob ich das wissen will... hinterher sitz' ich an meinem Spiel, fliege durch die Gegend oder bin im Dogfight und denke ständig: "Eigentlich geht das ja nicht, ne wat'n Quatsch, in Wirklichkeit würde DAS so ja nicht funktionieren...". Der ganze Zauber wäre futsch.

[Compfox]

Zur Zeit werden "Raumschiffe" ja mittels Verbrennung von Gasen und der dadurch erreichten Erhitzung und  Volumenvergrößerung der Verbrennungsgase beschleunigt. Die Masse des hinten rausfliegenden Gases stößt sich quasi an der Rakete ab und treibt diese voran. Dabei kann das Schiff niemals schneller werden, als die Geschwindigkeit der an der "Düse" austretenden Gase. Des weiteren arbeitet man an Plasma Puls Triebwerken, die sich mittels ionisierter Gase und den daraus entstehenden Magnetfeldern fortbewegen. Geht dann etwas schneller. (Einfach mal bei Wikipedia nachschauen...) Das Schiff beschleunigt auch nur so lange, wie die Antriebe arbeiten. Schaltet man sie aus, wird das Schiff und alles darin "schwerelos" und fliegt so lange mit konstanter Geschwindigkeit in die eingeschlagene Richtung, bis durch Schub in die entgegengesetzte Richtung gebremst wird. Was naturbedingt dann genauso lange dauert wie die vorausgegangene Beschleunigung.

 

Wenn Du mal was nicht weisst, einfach nur "Papa" fragen.... 

 

@Sushi Ist gar nicht so schlimm. Ich schaue mir immer noch begeistert (fast) alle SF Filme an und lese haufenweise SF Bücher. Nur wenn es allzu unlogisch wird... Das unrealistischste in ALLEN Geschichten, (ohne die andererseits aber auch gar nichts funktionieren würde) ist allerdings die künstliche Schwerkraft.

Bearbeitet 8. März 2017 von Compfox

[Sushi]

@Compfox, war ja auch nicht wirklich ernst gemeint.

[Kryonoc]

Mir hat mans mal so erklärt:

 

Verbrennungsprinzip ist nichts anderes als eine Explosion, welche durch ein Kanal in eine gewisse richtung abgeführt wird.

 

die Explosion breitet sich in alle Richtungen aus.

durch die Röhrenform der Rakete (oder Triebwerke im Allgemeinen) kann die Explosionsenergie nur in einer Richtung abgeführt werden.

Gleichzeitig erzeugt sie jedoch auf der gegenüberliegenden Seite den exakt gleichen "Druck" und schiebt das Triebwerk weg.

 

Rein Theoretisch ist somit eine Geschwindigkeit möglich die = der Austritsgeschwindigkeit entspricht.

 

und wie schnell es dort raus geht hängt davon ab wie viel Energie die Explosion besitzt.

 

bsp. wenn du im All pupst wirste wohl mit ca. 0.5-1km/h wegfliegen, manche kommen auch sicher auf bis zu 10km/h.

 

 

[Sushi]

Aaalso... mal zum Thema Rückstoß und Austrittsgeschwindigkeit... hab nochmal ge-guckt-googlt... innerhalb der Atmosphäre maximal 3900m/s, im Vakuum etwas unter 4500m/s.

Wenn wir also jetzt davon ausgehen, dass das Raumschiff sehr leicht und der Antrieb so höllisch stark ist, dass er die Masse des Schiffes bis zur Austrittsgeschwindigkeit beschleunigen kann, dann wären derzeit die knapp 4500m/s wohl die Grenze. Ist jetzt aber sehr theoretisch und wohl auch nicht wirklich machbar.

Bearbeitet 8. März 2017 von Sushi

[Marcel]

Aaalso... mal zum Thema Rückstoß und Austrittsgeschwindigkeit... hab nochmal ge-guckt-googlt... innerhalb der Atmosphäre maximal 3900km/h, im Vakuum etwas unter 4500km/h.

Wenn wir also jetzt davon ausgehen, dass das Raumschiff sehr leicht und der Antrieb so höllisch stark ist, dass er die Masse des Schiffes bis zur Austrittsgeschwindigkeit beschleunigen kann, dann wären derzeit die knapp 4500km/h wohl die Grenze. Ist jetzt aber sehr theoretisch und wohl auch nicht wirklich machbar. [emoji6]

Bei 4500 km/h würde aber jedes Raumschiff wieder auf die Erde klatschen.

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[Sushi]

@Marcel... ups, falsche Einheit... ich korrigier das mal.

[Marcel]

@Marcel... ups, falsche Einheit... ich korrigier das mal.

Besser

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[Alter.Zocker]

Hier wurde zu dem Thema ja im Prinzip schon alles gesagt. Grundlage aller auf dem Rückstoß basierenden Antriebe ist der Impulserhaltungssatz. Als "praktisches" Beispiel sei hier das Beispiel aus unzähligen Schulbüchern udgl. genannt:

 

Es ist Sommer, die Sonne brennt vom Himmel, Du befindest Dich bei bestem Badewetter in einem Ruderboot auf einem See und schickst Dich gerade an, etwas Erfrischung im kühlen Nass zu suchen. Du bist aber nicht alleine im Boot, sondern Deine Freundin/Angebetete,... wer auch immer sitzt Achtern im Boot und betrachtet gerade abschätzend durch eine perfekt zu restlichen Outfit und Haarfarbe passende, modische Sonnenbrille Deinen entblößten Oberkörper, als Du Dich im Boot aufrichtest und anschickst in einem elegant kernigen Hechtsprung Deinen schweißglitzernden Surferbody in die Fluten zu stürzen.  Du gehst  an der Bordwand leicht in die Knie und lässt Dich nach vorne in Richtung Wasser fallen, dabei holst Du Schwung und stößt Du Dich mit den Beinen noch kräftig vom Boot ab, um den rechten Eindruck bei Deiner Flamme zu hinterlassen...

Aber was passiert dann? 

Statt in einem dieser kernig-maskulinen Hechtköpper in einem eleganten Bogen geschmeidig in die Fluten einzutauchen, klatschst Du kaum eine Beinlänge entfernt von der Bordwand, an der Du Dich soeben noch mit aller Macht abzustoßen versuchtest, in einem veritablen Bauchklatscher auf die Wasseroberfläche. Das Wasser spritzt hoch auf und ruiniert Frisur und Laune Deiner Flamme gleichermaßen. Außerdem wird das Boot derartig ZURÜCKGESTOßEN (ich nähere mich langsam dem Thema...), dass es heftigst schwankt und samt pudelnass gespritzter Freundin auch noch fast zu kentern droht...Das ging ja mal sprichwörtlich richtig nach hinten los (wir bleiben nun nah am Thema), die bis gerade eben noch aufwändig aufgetakelte Freundin gleicht nun eher einer gebadeten Maus, währe sie nicht so durchnässt, würden statt einigen Wassertropfen von ihrer vor Empörung zitternden Nasenspitze Flammen des Zorns aus ihren Nüstern lodern...ich schweife ab.

 

Was ist also physikalisch passiert: Ausgehend davon, dass Deine Flamme , die mit Dir in einem relativ leichten Boot/Schlauchboot  auf dem Badesee sitzt, Dich nicht gerade um eine halbes Dutzend Gewichtsklassen übertrumpft, wird also bei Deinem Versuch, Dich mit Deinem eigenen Gewicht mit Nachdruck von Board zu hechten, das Boot samt Freundin in die zu Deiner Sprungrichtung entgegengesetzten Richtung beschleunigt (Impulserhaltung: Der Impuls, mit Dem Du Dich im Augenblick des Sprunges vom Boot weg drücken willst, wirkt in exakt umgekehrter Richtung auf das Boot mit darin befindlicher Freundin, die vektorielle Addition beider Impulse ergibt Null). Die Kraft, die Du beim Abstoßen während des Sprunges aufgewendet hast, wurde nur zur Hälfte in die Beschleunigung Deines eigenen Körpers umgesetzt, der andere Teil Deiner aufgewendeten Kraft diente zur Beschleunigung des Bootes samt Freundin, allerdings in entgegengesetzte Richtung. Wenn der Freundin Wasser nix ausmachen würde und Du nach dem Bauchklatscher immer wieder  zum Boot zurückschwimmst und hineinkletterst um Dich erneut in der selben Richtung wie vorher von Bord zu stürzen, kannst Du Boot samt Freundin also mittels Rückstoß über den See befördern...mit Dir als "Rückstoßtreibstoff und Triebwerk in einem"... ein auf die Freundin sicherlich beeindruckend wirkender Gedanke...sie müsste Dir allerdings schon ein WEilchen zuhören und es Dich erklären lassen...

 

Genau so funktioniert Rückstoß auch im Weltraum, ohne den NAchteil der Reibung, wie beim Boot auf dem See. Begrenzt wird die erreichbare Geschwindigkeit des Raumschiffes , wie oben schon von einigen erwähnt, von der Austrittsgeschwindigkeit der Antriebsgase. Die BEschleunigung hängt neben der Austrittsgeschwindigkeit auch noch von der Masse der Antriebsgase ab. Da bekanntermaßen Gase nicht sonderlich viel Masse haben, benötigt man eben hohe Austrittsgeschwindigkeiten, um eine brauchbare BEschleunigung zu erhalten. Bei Ionentriebwerken z.B. ist die Masse der "Gase"  (es ist ja nur der ionisierbare Teil eines Gases) noch viel geringer, als typische Verbrennungsgase chemischer Antriebe, dafür ist seine Austrittsgeschwindigkeit um ein Vielfaches höher. Da der "Treibstoffverbrauch" bei Ionenantrieben im Vergleich zu konventionellen chemischen Antrieben vergleichweise gering ist, kann man Ionenantriebe viel länger "brennen" lassen, was den NAchteil der geringen Gasmasse und damit der geringen Beschleunigung durchaus wettmacht. Mit Ionentriebwerken kann man also höhere Geschwindigkeiten als mit chemischen Antrieben erreichen. Die BEschleunigung ist geringer, aber dafür wirkt sie viel länger wegen des geringeren "Verbrauches".

Bearbeitet 8. März 2017 von Alter.Zocker

[Compfox]

Ja, so wollte ich das auch sagen...

 

[FlameRider]

Es kann durchaus sein das ich völlig falsch liege um die Impulserhaltung grade mal aufzunhemen , doch irgendwie hing mir noch im hirn dass :

Wenn ein Körper Beschleunigt wird müsste er doch (im luftleeren Raum ) sich immer weiter beschleunigen bis eine entgegenwirkende Kraft auftritt . In form von Feststoffen oder Steuerdüsen etc .

Liege ich damit noch richtig oder bewege ich mich in eine falsche Richtung ?

 

[Sushi]

@TopGun89,

ja, falsche Richtung.

Selbst wenn der Luftleere Raum wirklich leer wäre (was er nicht ist), also keine Reibung irgendeinen Widerstand leisten würde, und wir die Austrittsgeschwindigkeit außer Acht lassen, wird die nächste Grenze, wie ich anfangs erwähnte, durch die Massenträgheit gesetzt. Und wenn wir einen Antrieb bauen könnten, der in der Lage wäre, die Masse eines Raumschiffes auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wäre hier, wenn man Einstein glauben möchte, spätestens Ende.

Kannst ja mal spaßeshalber ausrechnen, wieviel Energie nötig wäre, um z.B. die Merlin auf Lichtgeschwindigkeit zu bringen und dem dann den Wert für eine Idris gegenüber stellen.

 

Oder mag das ein Mathematiker hier mal übenehmen? Ich bin zu faul.

[Marcel]

vor 29 Minuten schrieb TopGun89:

Es kann durchaus sein das ich völlig falsch liege um die Impulserhaltung grade mal aufzunhemen , doch irgendwie hing mir noch im hirn dass :

Wenn ein Körper Beschleunigt wird müsste er doch (im luftleeren Raum ) sich immer weiter beschleunigen bis eine entgegenwirkende Kraft auftritt . In form von Feststoffen oder Steuerdüsen etc .

Liege ich damit noch richtig oder bewege ich mich in eine falsche Richtung ?

 

Nichts beschleunigt ohne Energie. Ob es nun ein Antrieb is oder Gravitation einer Sonne, ohne zufügen von Energie kann auch nichts schneller werden

[Andre Blair]

vor 16 Stunden schrieb Alter.Zocker:

Da der "Treibstoffverbrauch" bei Ionenantrieben im Vergleich zu konventionellen chemischen Antrieben vergleichweise gering ist, kann man Ionenantriebe viel länger "brennen" lassen, was den NAchteil der geringen Gasmasse und damit der geringen Beschleunigung durchaus wettmacht. Mit Ionentriebwerken kann man also höhere Geschwindigkeiten als mit chemischen Antrieben erreichen. Die BEschleunigung ist geringer, aber dafür wirkt sie viel länger wegen des geringeren "Verbrauches".

Aber die Endgeschwindigkeit ist immer noch begrenzt auf die Geschwindigkeit der Antriebsgase? Und die Beschleunigung hängt von der Geschwindigkeit der Antriebsgase und der Masse der Antriebsgase ab. Und die Masse vom Schiff? Die dürfte sich auch auf die Beschleunigung auswirken. Auf die Endgeschwindigkeit wohl nicht, oder?

 

Ich hoffe es gibt ingame Mechaniken, das ich nicht einfach unkontrolliert weiterfliege, wenn mir der Sprit ausgeht ;-) Ich glaub hier treffen theoretische Physik und praktische Anforderungen aufeinander.

[Sushi]

@Andre Blair,

doch, die Masse wirkt sich auch, wie anfangs schon erwähnt, auf die Geschwindkeit aus, weil man, um die Geschwindigkeit einer Masse zu erhöhen, zusätzliche Energie braucht. Will man die Geschwindigkeit verdoppeln, vervierfacht sich die benötigte Energie.

 

Nun, ohne Sprit wirst du nahezu ungebremst in die letzte eingeschlagen Richtung driften. Bis die paar Teilchen, die im All umherschwirren, dich abgebremst haben, bist du längst verdurstet oder verhunger oder erfroren und mumifiziert - oder wirst von der Gravitation eines Himmelskörpers eingefangen, auf den du dann früher oder später, nach langem Aufenthalt in seiner Umlaufbahn stürzt, oder oder oder...

 

Warum sollte es Ingame-Mechaniken geben, die das verhindern? Achte auf deinen Spritstand.

Bearbeitet 9. März 2017 von Sushi

[Alter.Zocker]

Wenn man einen Antrieb mit unbegrenzten Treibstoffvorräten hätte, der also unbegrenzt laufen könnte, so wäre die erreichbare Endgeschwind im hypothetisch ansonsten kräftefreien Raum in der Tat nur durch die Austrittsgeschwindigkeit der Antriebsgase begrenzt. Die BEschleunigung, also im Prinzip das Maß der Geschwindigkeitsänderung pro Zeit (m/s mal 1/s =m/s^2) indes hängt zusätzlich auch von allen beteiligten Massen (Antriebsgase und Raumschiff) ab. Zwei Raumschiffe mit sehr verschiedenen Massen aber mit IDENTISCHEN Antrieben und unendlichen Treibstoffvorräten erreichen auf jeden Fall beide die selbe Endgeschwindigkeit, allerdings benötigen beide sehr unterschiedliche Zeiträume, um diese zu erreichen, da die BEschleunigung auf Grund der ungleichen Massen unterschiedlich ist.

 

Zur Physik in SC im Allgemeinen:

Ich glaube hier kaum, dass physikalische Grundsätze im Spiel so umfassend ,wie wir hier gerade diskutieren, berücksichtigt werden, v.a. wenn sie entweder schwierig umsetzbar sind oder aber wenn sie sich allzu negativ auf die beabsichtigte Spielerfahrung auswirken könnten. Besonders speziell wirds da schon, wenn ich mir die Konstruktion der meisten Schiffe so ansehe, und mir dann vorstelle, wie diese aerodynamisch "unförmigen" Objekte sich bei Anflügen auf planetare Landezonen durch deren Atmosphären bewegen sollen. Entweder muss dass dann sehr langsam erfolgen (zu Lasten des Spielspaßes), oder es wird zu irgendeiner Art metaphysicher "Trickserei" in Form eines ominösen Energiefeldes o.ä. gegriffen, welche dann die aerodynamischen "Unverhältnisse" der robertschen Kreationen ausbügelt. Das fördert dann den Spielfluss, hat aber mit Physik nix mehr zu tun. Deshalb würde ich der korrekten Wiedergabe physikalischer Zusammenhänge in dem Spiel "SC" nur geringe BEdeutung beimessen....

Bearbeitet 9. März 2017 von Alter.Zocker

[Sushi]

@Alter.Zocker,

da ein Kräfteimpuls aber immer in beide Richtungen wirkt, spielt die Masse der Schiffe auch im luftleeren Raum sehr wohl eine Rolle für die Endgeschwindigkeit, da man sie ins Verhältniss zur Masse der austretenden Gase setzen muss, schließlich beschleunigt man nicht nur das Schiff nach vorne, sondern die Gase auch nach hinten. Da die austrende Masse an Gasen bei beiden Schiffen gleich ist, das eine Schiff aber mehr Masse hat als das andere, werden die Schiffe niemals gleich schnell sein, sondern nur die Summe beider Geschwindigkeiten (Geschwindigkeit der Gase nach hinten + die Geschwindigkeit des Schiffes nach vorne).

Bearbeitet 9. März 2017 von Sushi

[Gast]

Sushi, du verwirrst mich... Bis eben dachte ich, ich hätte es verstanden... 

[Sushi]

@Tamaya Wolf, ist eigentlich ganz einfach. Um mal auf auf das Beispiel von Alter.Zocker mit dem Ruderboot zurück zu kommen:

 

Stell' dir vor, dass der Typ, der ins Wasser springt, die Austretenden Gase darstellt, und das Boot mit der Perle ist das Raumschiff.

Das Boot ist aus Plaste und wiegt 50kg, das Mädel ebenfall. Der Kerl ist groß und muskulös und wiegt 100kg. Nu' stößt er sich mit 20 km/h vom Boot ab. Lassen wir jetzt alle Widerstände außer der Masse außer Acht, würde sich sowohl das Boot, als auch unser Adonis mit 10km/h fortbewegen, da beide Massen gleich sind.

Jetzt nehmen wir mal an, dass das Boot ein Holzboot ist und so 125kg wiegt und das Mädel mit 75kg auch etwas rundlicher ist. Der Galan bleibt wie er ist. Wieder stößt er sich mit 20km/h vom Boot ab - jetzt erreicht das Boot nur noch eine Geschwindigkeit von 2,5km/h und der Möchtegern Kunstspringer 17,5km/h, da sich bei Verdoppelung der Masse (Mädel + Boot jetzt 200kg) die benötigte Kraft, um es auf 10km/h zu beschleunigen, vervierfacht. Die eingebrachte Kraft durch den Sprung hat sich aber nicht verändert, daher bleiben die Geschwindigkeiten in der Summe gleich, jedes einzelne Objekt hat aber eine andere.

 

Wenn du einen Führerschein hast, kennst Du den umgekehrten Fall. Der Bremsweg eines Fahrzeuges vervierfacht sich bei doppelter Geschwindigkeit oder doppelter Masse.

Bearbeitet 9. März 2017 von Sushi