Vesmírné teleskopy manévrují stejně jako kočky

Ahoj, vítejte
u Smarter Every Day. Nejspíš víte o tom, jakou vědu
produkují vesmírné dalekohledy. Ale možná nevíte o vědě,
která umožňuje jejich chod. Třeba jako na této fotce. Pracují tu na slunečním štítu
pro dalekohled Jamese Webba. Pro mě je tato fotka úžasná,
protože vpravo dole stojí můj táta. Ten dalekohled funguje při 45 kelvinech, ale sluneční
záření ho neustále zahřívá.

Můj otec testuje
3D laserovým skenerem, jestli je štít bezchybný
a poskytuje stabilní prostředí. Jsi skvělý, tati,
jsem na tebe hrdý. Myslel jsem si, že vím,
jak dalekohledy míří na cíl, ale je to trochu komplikovanější. Vysvětlím vám dva způsoby,
jak pomocí externí síly otočit satelitem. Zaprvé... rakety. Když je dalekohled na oběžné dráze, jak ho namíříme na hvězdu?

Rakety jsou super,
ale používají palivo, které znečistí prostor kolem
teleskopu a také může dojít, což ukončí misi. Jak to tedy uděláme bez raket? Teď buďte trpěliví. Zamyslete se nad kompasem. Na jehlu působí
magnetické pole Země.

Co kdybychom udělali větší jehlu
neboli torzní tyč? A na ni bychom nasadili měděný drát? Když ten drát
zapojíme do elektřiny... Vidíte? Elektromagnetické pole. Je pravda, že na toto pole
působí elektromagnetické pole Země stejně jako střelka kompasu,
kterou můžeme rotovat? Ano, je to úplně stejné. Tomuhle se říká torzní tyč.

U kosmických lodí se používají
tři torzní tyče na tři různé osy. Mohou přidávat nebo
ubírat napětí podle toho, kde se nacházejí
a kam se potřebují otočit. Je to velmi elegantní řešení,
protože nemá pohyblivé části. Problém je, že funguje jen tam,
kde je externí magnetické pole. Jako na Zemi. Nefungovalo by to
v mezihvězdném prostoru ani na Marsu,
který má slabé magnetické pole.

Takže aby se dalo rotovat
teleskopem na takovém místě, musíme použít kočičí fyziku. V předešlém dílu jsem popisoval,
jak se kočka dokáže v pádu otočit o 180° tím,
že rotuje dvěma částmi těla. Jestli si to nepamatujete,
koukněte na video. Ale nevysvětlil jsem,
že změna stavu soustavy bez porušení setrvačnosti
je specifický problém, kterým se zabývali matematici,
neurologové, robotici i astrofyzici.

Na internetu najdete tisíce
stránek a rovnic o padajících kočkách. Abych vám vysvětlil,
čím jsou zvláštní, uděláme díru do kusu
dřeva a označíme si míček. Označíme si i dřevo,
abychom viděli, jak jsou vyrovnané, Když pohnete kostkou,
míč se otočí, ale když se vrátíte,
bude v původní poloze. Tak to je vždycky, že? Není.

Když půjdeme zpět po jiné dráze,
nevrátí se do stejného stavu. Takže to znamená,
že stav určuje dráha. Stejně jako míč
nikdy nesklouzne, moment hybnosti se nemění
u koček ani teleskopů. Ale můžeme změnit
jejich konečný stav. Takovým soustavám
se říká neholonomické. Vím, že je to náročné slovo
a možná se koukáte jen kvůli kočkám, ale tohle si poslechněte.

Fyzika padajících koček nám
umožňuje pořídit fotky, jako je tahle. Myslím to vážně. Padající kočky. Jedním ze způsobů,
jak udržet teleskop namířený, je pomocí setrvačníků. Několik se jich točí
uvnitř kosmické lodi. Když je potřeba se otočit,
inženýři vypočítají, které z nich má
změnit rychlost a o kolik.

Jsem v budově NASA
a jdeme do speciální laboratoře. Teď jsme u laboratoře
součástek pro ovládání polohy. Tady vědí, jak ovládat
satelity pomocí kočičí fyziky. Tady je náš průvodce. Pojď dál. Děkuju, že jsem mohl přijít,
když jsem ti ukázal své kočičí video. - Bylo skvělé.
- Děkuju. Mám otázku.


Když je kočka ve stavu beztíže, a pak se rozhodne otočit... jak ovládá svoji rotaci
bez jakékoliv vnější síly? V podstatě používá své nohy
a tělo k tomu, aby přenášela hybnost. Vy děláte něco podobného, že?
Jste zprostředkovatelé hybnosti. Ano, jsme manažeři hybnosti. V jakékoliv soustavě
pohybující se vesmírem se musí hlídat množství
hybnosti přítomné v soustavě. Abyste se mohli zaměřit
na určitou mlhovinu nebo hvězdu.

Co je tohle za přístroj? Tohle je silový gyroskop. Rozdíl mezi setrvačníkem
a silovým gyroskopem je, že silovým gyroskopem můžu rotovat. Tento má dokonce dvě osy,
kolem kterých rotuje. - Když rotuje...
- To jste si zkomplikovali výpočty. To teda. Je tu ale hodně
lidí chytřejších než já, kteří ví, jak namířit satelit
z jednoho bodu na druhý po dané trajektorii.

Když budu dál rotovat,
dojde to do bodu, kde se zastaví. A kdybych se
potřeboval dostat dál, tímhle to nepůjde, takže musím mít další systém,
který mě dostane z té pozice. A v tom přijde vnější síla? Přesně tak, pak přijde
torzní tyč nebo raketový pohon.

- A torzní tyče reagují
s magnetickým polem Země? - Ano. Takže tady testujete součástky, abyste věděli,
že ve vesmíru budou fungovat? Ano, v tomto trezoru
zrovna probíhá test. - To je to, co slyším?
- Ano. - Na co se to dívám?
- Tohle je test setrvačníku teleskopu Chandra. Testujeme přístroje,
abychom viděli, jak dlouho vydrží. Když je například
na setrvačnících porucha, můžeme ho okamžitě rozebrat.

Máte na to dost starý počítač. Chandra byla
konstruovaná v 90. letech, takže hardware, kterým ho testujeme,
je stejný jako ten ve vesmíru. Musíte si uvědomit,
že už je, myslím, 14 let stará. - Takže je zaseknutá v čase.
- Ano. Každý přístroj ve vesmíru je zaseknutý v čase a musíte mít stejný hardware.

Stejný problém měli v ISS. Byli zaseknutí se součástkami
vyrobenými už v 70. letech. - Díky moc.
- Není zač. Děkuji za pozornost, snad jste se
dozvěděli něco nového o kočkách. Zvažte odběr a sdílejte s přáteli. GiGi, aport! Aport! Slyšíš ptáky?

Slyšíš je? Byla to sranda. Můžete to dělat jen protože je to
neholonomický systém a umíte kočičí fyziku. Chtěl bych poděkovat Jimmymu Neutronovi
za půjčení jeho farmy a kočky. Žalmy 111, 2