很多人會問這樣一個問題:
火箭在大氣中依靠空氣,也就是作用力與反作用力,來獲得推力,把火箭推向太空。那麽,太空中沒有空氣,沒有反作用力了,又是什麽原理呢?
提出這樣一個問題的人,他們隻是關注到了“太空中沒有空氣”這樣一個事實,但卻忽略了“火箭還是那個火箭”這樣一個事實。
有人覺得:火箭在大氣中的飛行原理是牛頓第三定律,而在太空中飛行則是動量守恒原理。
同樣一枚火箭,在大氣中飛行與在真空中飛行,隻是空間發生了變化,難道飛行原理就變了?
顯然,這樣的解釋是不合邏輯的。那麽,如何理解呢?
其實,道理很簡單。“牛頓第三定律”與“動量守恒原理”是一個道理,而且,“動量守恒原理”就是由“牛頓第三定律”推導出來的。在現代物理學中,動量守恒定律、能量守恒定律與角動量守恒定律相比牛頓定律更為普遍適用,它們既應用於光,也應用於物質;既應用於經典物理學,也應用於非經典物理學。
一句話:“牛頓第三定律”與“動量守恒原理”是從不同角度來解釋火箭的飛行原理!
具體來講,“牛頓第三定律”(動力學)認為,兩個物體之間的作用力和反作用力,總是同時在同一條直線上,大小相等,方向相反。火箭噴出氣體之後,無論在有空氣的空間內還是沒有空氣的空間內,都會發生膨脹(化學過程加上物理過程),這就是說,火箭(化學反應空間)本身給了這個氣體一個作用力,所以,火箭得到了一個反作用力。
“動量守恒原理”(動量學)認為,火箭與噴出的氣體,是一個整體,這個整體的動量是守恒的。當氣體膨脹時產生壓力,這個壓力使得火箭和氣體同時獲得了一個方向相反的衝量,衝量就是動量的變化量(即力的作用改變了動量),而總的動量就是火箭的動量加上氣體的動量。氣體動量往後,火箭動量則往前,實現動量平衡。
最後,有幾個概念問題:
1,有人把火箭的反作用力和劃船相比,槳向後劃給水一個力,水再給槳一個反作用力,槳再把力傳給船。這個比喻使人產生誤解,誤認為火箭在空氣中如同船在水中,沒有空氣,火箭得不到反作用力。
2,發明火箭就是為了在真空中運行的。原理如下:想象我們的簡易火箭豎直向上漂浮在真空中,靜止不動。這簡易火箭最下麵固定著一個平板,燃料和氧化劑管出口就在平板下方,噴出燃料燃燒產生大量氣體。氣體向前後左右上下六個方向自由膨脹,其中向上膨脹的部分氣體作用在平板上,就能推動真空中的火箭上升。但這樣向其他五個方向膨脹的氣體都浪費了,真實的火箭發動機把這個平板向下彎成一個梨型的容器,將燃料和氧化劑出口包在內部,並仔細設計形狀,使氣體作用在容器內壁向上的力最大。實際上,火箭發動機在真空中的效率是最高的,在空氣中,由於空氣阻礙氣體噴出,會使發動機效率降低。
3,火箭有沒有反作用力跟空氣無關,空氣的存在,隻是增加了阻力和浮力;而在太空,反作用力會比在地球上的反作用力更加輕鬆,因為在地球中存在著介質阻力和摩擦力。
4,飛機在空氣介質中前進,而太空船則是在真空中飛行。牛頓第三運動定律在太空船的飛行中同樣起作用。如果太空船要轉彎,它必須向預定前進方向的反方向噴射火箭推進器(噴出的物質是灼熱的氣體)。太空船共有三個旋轉軸:俯仰、滾轉和偏航。如果飛行員希望向右轉,火箭推進器會向左噴射,通常滾轉和偏航推進器也要同時噴射。這種機動推進器分布在太空船體的各個不同位置,可使太空船在三個旋轉軸上運動。因此,太空船在轉彎時就像是突然在一個方向(或多個方向同時)發生翻轉,而不是發生平滑的橫向傾斜。
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