Как ракета ускоряется в пустоте, если действию есть противодействие?
Третий закон Ньютона гласит: каждому действию есть равное и противоположное противодействие. Но если в пустоте космоса не за что "оттолкнуться", как же ракеты там движутся? Этот кажущийся парадокс сбивает с толку многих, но на самом деле демонстрирует красоту и изящество физических законов природы.
На Земле мы привыкли к тому, что для движения нужна опора. Автомобиль отталкивается от дороги, лодка — от воды, а мы сами — от поверхности под ногами. Но в космосе нет ни дороги, ни воды, ни даже воздуха! Так в чём же секрет космического передвижения? Давайте разберёмся, как ракеты умудряются ускоряться там, где, казалось бы, нет ничего, от чего можно оттолкнуться.
Основные принципы ракетной физики. Чтобы понять принцип работы ракеты, начнём с третьего закона Ньютона — того самого, который вызывает недоумение. Формулировка этого закона на первый взгляд проста: на каждое действие существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Или, проще говоря, если вы на что-то давите, то это что-то давит на вас с такой же силой, но в противоположном направлении.
Эта идея легла в основу ракетостроения ещё задолго до того, как человечество всерьёз задумалось о космических путешествиях. На заре развития ракетной техники, ещё в XIII веке, китайцы запускали примитивные ракеты, работающие по тому же принципу, что и современные космические монстры. Конечно, они и подумать не могли о выходе за пределы атмосферы, но физика оставалась неизменной.
Секрет в том, что ракете не нужно ни от чего отталкиваться, кроме как от собственного топлива, которое она выбрасывает с огромной скоростью. И тут многие ошибочно считают, что ракета "отталкивается от воздуха". Но это не так.
Понимание действия и противодействия в космосе. Ракетная тяга основана на принципе сохранения импульса, одном из фундаментальных законов физики. Если вы когда-нибудь стояли на идеально гладком льду и бросали тяжёлый предмет, то наверняка замечали, что вас отбрасывало в противоположном направлении. Это тот же самый принцип.
Представьте, что вы находитесь в космосе в скафандре с мешком теннисных мячиков. Каждый раз, когда вы бросаете мячик в одну сторону, вы получаете небольшой импульс в противоположную. Вроде бы мелочь, но если бросать достаточно мячиков с достаточно большой скоростью, можно разогнаться довольно прилично.
Ракета работает точно так же, только вместо теннисных мячиков у неё — горячие выхлопные газы. Она не "отталкивается от воздуха" или от "космической пустоты". Она отталкивается от вещества, которое сама же выбрасывает с колоссальной скоростью из своих двигателей.
"Но позвольте, — скажете вы, — воздух же тоже вещество! Значит, ракета всё-таки отталкивается от воздуха?" И вот тут-то мы подходим к самому интересному. На самом деле, наличие атмосферы только мешает ракете. В вакууме ракетный двигатель работает даже эффективнее, чем в воздухе, потому что ничто не препятствует расширению выхлопных газов.
Ракетное уравнение. Теперь, когда мы прояснили основной принцип, давайте заглянем немного глубже. Существует знаменитое уравнение Циолковского, названное в честь русского учёного Константина Циолковского, которое описывает движение ракеты.
Уравнение Циолковского связывает конечную скорость ракеты с начальной и конечной массой ракеты и скоростью истечения газов из сопла. Если совсем упростить, то чем больше топлива вы сожжёте и чем быстрее вылетят газы из вашего двигателя, тем быстрее полетит ваша ракета.
Вот почему инженеры так одержимы идеей создания более эффективных двигателей и уменьшения массы ракет. Каждый лишний килограмм конструкции — это недополученные метры в секунду конечной скорости. Это как в поговорке: "Не спрашивай, сколько весит твой велосипед, если не готов услышать ответ". Только в случае с ракетами всё гораздо серьёзнее — каждый грамм на счету.
Интересно, что массовое соотношение становится главным ограничивающим фактором. Сжигая топливо, ракета становится легче, а значит, ускоряется всё быстрее и быстрее при той же тяге двигателей. Это похоже на то, как легче разогнать пустую тележку в супермаркете, чем полную.
Практические примеры космической тяги. Теория выглядит красиво, но как же всё это работает на практике? Давайте посмотрим на различные типы ракетных двигателей, которые человечество использует для покорения космоса.
Самый распространённый тип — жидкостный ракетный двигатель. В нём два компонента топлива (горючее и окислитель) впрыскиваются в камеру сгорания, где смешиваются и воспламеняются. Образующиеся при этом газы вырываются через сопло, создавая тягу. Чем-то напоминает сверхмощную версию аэрозольного баллончика, не находите?
Другой популярный вариант — твердотопливный двигатель. Тут всё ещё проще: топливо уже находится в камере сгорания в твёрдом виде, и достаточно его поджечь. Дальше оно горит само по себе, выделяя газы, которые создают тягу. Такие двигатели используются, например, в ускорителях Space Shuttle.
Интересно, что форма сопла тоже имеет огромное значение. В атмосфере лучше работают сопла одной формы, а в вакууме — другой. Поэтому у некоторых ракет стоят сопла с изменяемой геометрией или специальные насадки. Это как сменить насадку на садовом шланге, только сложнее и дороже. Намного дороже.
За пределами химических ракет. Но химические ракеты — не единственный способ передвижения в космосе. Наука не стоит на месте, и инженеры придумали и другие, более экзотические варианты.
Например, ионные двигатели работают по тому же принципу отдачи, но вместо горячих газов выбрасывают заряженные частицы, разогнанные электрическим полем. Они создают очень маленькую тягу, зато невероятно экономичны и могут работать годами. Это как разница между спринтом и марафоном — химическая ракета быстро разгоняется и быстро "выдыхается", а ионный двигатель работает медленно, но очень долго.
А как насчёт солнечных парусов? Тут вообще нет никакого топлива! Огромные сверхтонкие "паруса" ловят давление солнечного света (да-да, свет тоже оказывает давление) и медленно, но верно разгоняют космический аппарат. Правда, чем дальше от Солнца, тем слабее эффект.
И, конечно, нельзя не упомянуть перспективные ядерные двигатели, которые могут иметь в сотни раз большую эффективность, чем химические. Самое интересное, что даже эти футуристические концепции основаны на всё том же третьем законе Ньютона — что-то выбрасывается в одну сторону, а корабль движется в другую.
Неизменность законов физики. В заключение хочется отметить, что то, что казалось парадоксом — движение ракеты в пустоте — на самом деле прекрасно иллюстрирует неизменность и универсальность законов физики. Третий закон Ньютона работает одинаково хорошо и на Земле, и в глубинах космоса.
Ракета в вакууме не нарушает принцип "действие равно противодействию". Напротив, она его в точности соблюдает. Просто "противодействие" здесь оказывается не какая-то внешняя опора, а собственное топливо ракеты, которое она выбрасывает с огромной скоростью.
Это замечательный пример того, как наша интуиция, основанная на повседневном опыте, может вводить нас в заблуждение, когда дело касается физики необычных ситуаций. И в то же время — пример торжества человеческого разума, который способен понять и использовать законы природы даже там, где обыденный опыт нас подводит.
Так что в следующий раз, когда вы увидите запуск ракеты или фотографию космического аппарата в глубоком космосе, вспомните: всё это возможно благодаря тому самому закону Ньютона, который изучают школьники, и нескольким тоннам топлива, выброшенным в противоположном направлении.
INFINITY (Вселенная Космос Земля)
Как ракета ускоряется в пустоте, если действию есть противодействие?
Третий закон Ньютона гласит: каждому действию есть равное и противоположное противодействие. Но если в пустоте космоса не за что "оттолкнуться", как же ракеты там движутся? Этот кажущийся парадокс сбивает с толку многих, но на самом деле демонстрирует красоту и изящество физических законов природы.Основные принципы ракетной физики.
Чтобы понять принцип работы ракеты, начнём с третьего закона Ньютона — того самого, который вызывает недоумение. Формулировка этого закона на первый взгляд проста: на каждое действие существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Или, проще говоря, если вы на что-то давите, то это что-то давит на вас с такой же силой, но в противоположном направлении.
Эта идея легла в основу ракетостроения ещё задолго до того, как человечество всерьёз задумалось о космических путешествиях. На заре развития ракетной техники, ещё в XIII веке, китайцы запускали примитивные ракеты, работающие по тому же принципу, что и современные космические монстры. Конечно, они и подумать не могли о выходе за пределы атмосферы, но физика оставалась неизменной.
Секрет в том, что ракете не нужно ни от чего отталкиваться, кроме как от собственного топлива, которое она выбрасывает с огромной скоростью. И тут многие ошибочно считают, что ракета "отталкивается от воздуха". Но это не так.
Ракетная тяга основана на принципе сохранения импульса, одном из фундаментальных законов физики. Если вы когда-нибудь стояли на идеально гладком льду и бросали тяжёлый предмет, то наверняка замечали, что вас отбрасывало в противоположном направлении. Это тот же самый принцип.
Представьте, что вы находитесь в космосе в скафандре с мешком теннисных мячиков. Каждый раз, когда вы бросаете мячик в одну сторону, вы получаете небольшой импульс в противоположную. Вроде бы мелочь, но если бросать достаточно мячиков с достаточно большой скоростью, можно разогнаться довольно прилично.
Ракета работает точно так же, только вместо теннисных мячиков у неё — горячие выхлопные газы. Она не "отталкивается от воздуха" или от "космической пустоты". Она отталкивается от вещества, которое сама же выбрасывает с колоссальной скоростью из своих двигателей.
"Но позвольте, — скажете вы, — воздух же тоже вещество! Значит, ракета всё-таки отталкивается от воздуха?" И вот тут-то мы подходим к самому интересному. На самом деле, наличие атмосферы только мешает ракете. В вакууме ракетный двигатель работает даже эффективнее, чем в воздухе, потому что ничто не препятствует расширению выхлопных газов.
Теперь, когда мы прояснили основной принцип, давайте заглянем немного глубже. Существует знаменитое уравнение Циолковского, названное в честь русского учёного Константина Циолковского, которое описывает движение ракеты.
Уравнение Циолковского связывает конечную скорость ракеты с начальной и конечной массой ракеты и скоростью истечения газов из сопла. Если совсем упростить, то чем больше топлива вы сожжёте и чем быстрее вылетят газы из вашего двигателя, тем быстрее полетит ваша ракета.
Вот почему инженеры так одержимы идеей создания более эффективных двигателей и уменьшения массы ракет. Каждый лишний килограмм конструкции — это недополученные метры в секунду конечной скорости. Это как в поговорке: "Не спрашивай, сколько весит твой велосипед, если не готов услышать ответ". Только в случае с ракетами всё гораздо серьёзнее — каждый грамм на счету.
Интересно, что массовое соотношение становится главным ограничивающим фактором. Сжигая топливо, ракета становится легче, а значит, ускоряется всё быстрее и быстрее при той же тяге двигателей. Это похоже на то, как легче разогнать пустую тележку в супермаркете, чем полную.
Теория выглядит красиво, но как же всё это работает на практике? Давайте посмотрим на различные типы ракетных двигателей, которые человечество использует для покорения космоса.
Самый распространённый тип — жидкостный ракетный двигатель. В нём два компонента топлива (горючее и окислитель) впрыскиваются в камеру сгорания, где смешиваются и воспламеняются. Образующиеся при этом газы вырываются через сопло, создавая тягу. Чем-то напоминает сверхмощную версию аэрозольного баллончика, не находите?
Другой популярный вариант — твердотопливный двигатель. Тут всё ещё проще: топливо уже находится в камере сгорания в твёрдом виде, и достаточно его поджечь. Дальше оно горит само по себе, выделяя газы, которые создают тягу. Такие двигатели используются, например, в ускорителях Space Shuttle.
Интересно, что форма сопла тоже имеет огромное значение. В атмосфере лучше работают сопла одной формы, а в вакууме — другой. Поэтому у некоторых ракет стоят сопла с изменяемой геометрией или специальные насадки. Это как сменить насадку на садовом шланге, только сложнее и дороже. Намного дороже.
Но химические ракеты — не единственный способ передвижения в космосе. Наука не стоит на месте, и инженеры придумали и другие, более экзотические варианты.
Например, ионные двигатели работают по тому же принципу отдачи, но вместо горячих газов выбрасывают заряженные частицы, разогнанные электрическим полем. Они создают очень маленькую тягу, зато невероятно экономичны и могут работать годами. Это как разница между спринтом и марафоном — химическая ракета быстро разгоняется и быстро "выдыхается", а ионный двигатель работает медленно, но очень долго.
А как насчёт солнечных парусов? Тут вообще нет никакого топлива! Огромные сверхтонкие "паруса" ловят давление солнечного света (да-да, свет тоже оказывает давление) и медленно, но верно разгоняют космический аппарат. Правда, чем дальше от Солнца, тем слабее эффект.
И, конечно, нельзя не упомянуть перспективные ядерные двигатели, которые могут иметь в сотни раз большую эффективность, чем химические. Самое интересное, что даже эти футуристические концепции основаны на всё том же третьем законе Ньютона — что-то выбрасывается в одну сторону, а корабль движется в другую.
В заключение хочется отметить, что то, что казалось парадоксом — движение ракеты в пустоте — на самом деле прекрасно иллюстрирует неизменность и универсальность законов физики. Третий закон Ньютона работает одинаково хорошо и на Земле, и в глубинах космоса.
Ракета в вакууме не нарушает принцип "действие равно противодействию". Напротив, она его в точности соблюдает. Просто "противодействие" здесь оказывается не какая-то внешняя опора, а собственное топливо ракеты, которое она выбрасывает с огромной скоростью.
Это замечательный пример того, как наша интуиция, основанная на повседневном опыте, может вводить нас в заблуждение, когда дело касается физики необычных ситуаций. И в то же время — пример торжества человеческого разума, который способен понять и использовать законы природы даже там, где обыденный опыт нас подводит.
Так что в следующий раз, когда вы увидите запуск ракеты или фотографию космического аппарата в глубоком космосе, вспомните: всё это возможно благодаря тому самому закону Ньютона, который изучают школьники, и нескольким тоннам топлива, выброшенным в противоположном направлении.
Источник: entertaining physics....
#наука