我一直搞不懂,沒有反作用力的真空環(huán)境中是如何利用噴氣式發(fā)動機(jī)來推動飛船或者宇航員的?:首先厘清一個概念,“噴氣式發(fā)動機(jī)”一般指用于大氣層的航空發(fā)動機(jī),
首先厘清一個概念,“噴氣式發(fā)動機(jī)”一般指用于大氣層的航空發(fā)動機(jī),
但題目中明顯指的是用于太空的發(fā)動機(jī),用于太空的發(fā)動機(jī)通常稱為“火箭發(fā)動機(jī)”。
兩者的結(jié)構(gòu)和工作原理是不同的,不過兩者都是借助反作用力,都向外噴氣。為了順應(yīng)題目,因此在本文中,我們用“噴氣發(fā)動機(jī)”這一名詞粗略地指代火箭發(fā)動機(jī),有時也指航空發(fā)動機(jī)。
的確,反作用力必須產(chǎn)生于兩個以上的物體之間,一個物體是產(chǎn)生不了反作用力的(當(dāng)然也不會產(chǎn)生作用力,作用力和反作用力總是成對出現(xiàn))。如果不借助外物外力,一個物體內(nèi)部的力再大,也不會使物體相對外部運(yùn)動。除非有物質(zhì)脫離物體,這些物質(zhì)就會成為另一個獨(dú)立的物體,可以對原來物體施加反作用力。
真空中確實(shí)沒有實(shí)物粒子可供借力,但處于真空中的物體可以自己不斷向外拋射物質(zhì),這些被拋射的物質(zhì)就會對物體施加反作用力。真空就是空間,本身并不提供反作用力,提供反用力的是這些處于真空中的物質(zhì),而不是真空本身,這些物質(zhì)才是最重要的。
當(dāng)然,處于地球大氣層的噴氣式客機(jī),除了借助向外噴射的尾氣產(chǎn)生的反作用力,還借助大氣層中空氣的反作用力。
我們不妨把地球的大氣層看作是存在著氣體分子的“真空”,或者看作是真空中存在著氣體分子等物質(zhì)。不論是噴氣式發(fā)動機(jī)向外噴射的尾氣物質(zhì),還是空氣分子,它們都可以看作是放置在真空中的物質(zhì)。因此處于沒有空氣的太空中的飛船與處于大氣層的噴氣飛機(jī)一樣,照樣能利用反作用力,只不過太空中不能依靠空氣,只能依靠火箭發(fā)動機(jī)噴射的尾氣物質(zhì)。這些物質(zhì)當(dāng)然都是火箭飛船自己攜帶的燃料產(chǎn)生的。
噴氣發(fā)動機(jī)(火箭發(fā)動機(jī))之所以攜帶能夠高效燃燒且釋放高能的燃料,是因?yàn)楸仨毻ㄟ^燃燒才能最終產(chǎn)生向外噴射尾氣的動力。在拋射尾氣的同時,獲得了尾氣提供的反作用動力,最終推動飛船和宇航員在沒有空氣的太空中遨游。
在牛頓第三運(yùn)動定律中指出的作用力與反作用力,相信大家都是非常熟悉的了。在日常生活中,作用力與反作用力可以說是無處不在,比如說我們平常走路的時候,實(shí)際上就是我們的腳給了地面施加了作用力,然后利用地面提供的反作用力前進(jìn)。
類似的例子還有很多,這里就不再一一列舉了,時至今日,人類對反作用力的利用早已不是局限于地面上的行動了。其中最令人驕傲的就是,我們制造出了可以進(jìn)入外太空的宇宙飛船,完成了自古以來人類就一直期待的飛天夢想。
我們都知道,宇宙飛船的動力來自于自身的火箭發(fā)動機(jī),而且火箭發(fā)動機(jī)的推力也是來自于反作用力。于是一個讓人困惑的問題就出現(xiàn)了,在地球的大氣層里,火箭發(fā)動機(jī)向后噴氣,空氣就會給宇宙飛船提供反作用力,但是太空里沒有空氣,不能提供反作用力,宇宙飛船又是怎么前進(jìn)的?
關(guān)于這個問題,我們可以用一個簡單的實(shí)驗(yàn)來加以說明,下面有請這次實(shí)驗(yàn)的主角——小明出場。
現(xiàn)在小明穿上了溜冰鞋,并且站在光滑的滑冰場內(nèi),同時他的手中還有一個籃球。小明的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是讓自己移動一段距離,條件是只能利用手中的籃球傳遞給自己的力,而且籃球不能與其他物體接觸。為了達(dá)到這個目的,小明是這樣做的。
剛開始的時候,不管小明怎么揮舞這個籃球,他都無法移動,但后來小明忽然想通了,只見他將手中的籃球用力地向正前方扔了出去,不出意外的話,這時你就會觀察到,在籃球被小明扔出去的同時,小明也在向后退行。
好的,現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)做完了(小明同學(xué)你已經(jīng)成功了,可以退下了),現(xiàn)在我們來分析一下這個實(shí)驗(yàn)結(jié)果告訴了我們什么原理。
牛頓告訴我們,只有兩個獨(dú)立的物體之間,才會產(chǎn)生作用力與反作用力,因此,當(dāng)小明揮舞手中籃球的時候,實(shí)質(zhì)上他和這個籃球可以看成是一個物體,那么小明當(dāng)然無法從中獲得反作用力了。而當(dāng)小明扔出籃球的時候,小明和籃球就變成了兩個獨(dú)立的物體,根據(jù)牛頓第三運(yùn)動定律,在這個時候,藍(lán)球就會給小明一個反作用力,從而導(dǎo)致了小明向后退行。
同樣的道理,因?yàn)樘绽餂]有空氣,不能提供反作用力,所以當(dāng)宇宙飛船在太空中飛行時,宇宙飛船前進(jìn)動力的來源就是,火箭發(fā)動機(jī)向后噴出的物質(zhì)所提供的反作用力。為了方便理解,我們可以將宇宙飛船比做上述實(shí)驗(yàn)中的小明同學(xué),而將宇宙飛船向后噴出的物質(zhì),比做小明手中的籃球,這樣我們就可以很清楚地了解到,在太空中宇宙飛船是怎么前進(jìn)的了。
我們利用這種方式進(jìn)行推進(jìn)的發(fā)動機(jī),稱之為工質(zhì)發(fā)動機(jī),它必須利用可以實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)化的工作物質(zhì)才可以得到推力。我們可以看到,這種發(fā)動機(jī)需要攜帶大量的推進(jìn)工質(zhì),這無疑是人類探索外太空的一個巨大的障礙。
所以科學(xué)家們都對無工質(zhì)發(fā)動機(jī)相當(dāng)感興趣,對此,英國工程師羅杰.索耶(Roger.Shawyer)曾經(jīng)提出了一種無工質(zhì)發(fā)動機(jī)的模型,即電磁驅(qū)動裝置(EmDrive),據(jù)稱該裝置可以利用大量的電磁波,在一個封閉的容器里產(chǎn)生動力。
電磁驅(qū)動裝置因嚴(yán)重違反了牛頓第三定律而飽受質(zhì)疑,然而奇怪的是,在實(shí)驗(yàn)過程中研究人員發(fā)現(xiàn),這種裝置的原型機(jī)似乎真的可以提供極其微小的動力?梢韵胂蟮氖,如果該裝置可以在宇宙飛船上得到有效應(yīng)用,那么必定是人類航天史的一個重大突破。
回答完畢,歡迎大家關(guān)注我們,我們下次再見`
(本文部分圖片來自網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請與作者聯(lián)系刪除)
向天空發(fā)射飛船,因?yàn)槭钦婵窄h(huán)境,所以使用火箭,也叫火箭噴氣發(fā)動機(jī)。
區(qū)別于空氣噴漆發(fā)動機(jī),后者只帶燃料不帶氧化劑,前者既帶燃料又帶氧化劑?諝鈬姎獍l(fā)動機(jī)的燃料燃燒需借助空氣,火箭的燃料燃燒不需要借助空氣,這是空氣噴氣發(fā)動機(jī)不能進(jìn)入太空,而火箭噴氣發(fā)動機(jī)能進(jìn)入太空的原因。
應(yīng)該明白,二者能飛行跟空氣都沒關(guān)系,或者說都不是利用空氣的反作用力,而是利用燃料燃燒產(chǎn)生的燃?xì)獾耐屏︼w行的。大家可以將它們的燃燒室想象成一個圓柱形的容器,飛行器沿其軸線方向飛行。燃燒室只在后面留有噴口,其他部分都是封閉的。燃料在燃燒室內(nèi)燃燒,生成高溫高壓的燃?xì)猓細(xì)饧眲∨蛎洠荒軓暮蟛康膰娍趪姵,其他方向都受到阻礙,會對燃燒室產(chǎn)生壓力。其中側(cè)壁受力平衡,不影響飛行,前部受到的壓力就是飛行器前進(jìn)的動力。可見,只要飛行器攜帶的燃料能燃燒,外界有沒有空氣都能飛行,并且,有空氣還要受到空氣阻力,沒有空氣飛行的更容易。
反作用力跟是不是真空環(huán)境沒有一點(diǎn)的關(guān)系,題主對反作用力的基本概念還是認(rèn)識不夠。下面,作為從事力學(xué)科研14年,從教力學(xué)課程7年的小青椒,就從反作用力基本概念開始,分析噴氣式發(fā)動機(jī)的推力來源,解答本問題。
1、反作用力
牛頓力學(xué)中,作用力與反作用力是牛頓三大定律之一,他們大小相等、方向相反,并且共線。但是,很多人對反作用力的了解也就止步于此了。如何尋找作用力與反作用力,有時候很多人找不到,從而就帶來了題主這樣的困惑。
作用力與反作用力是一對孿生兄弟,他們總是成對出現(xiàn)。有其一,必有其二。那么究竟如何尋找,或者說如何判斷作用力與反作用力呢?
作用力與反作用力,是存在與兩個互相作用的物體上,一個物體施加給另一個物體的力是作用力,反之另一個物體也會有相應(yīng)的力施加給一個物體(反作用力)。
從上面這段話中,我們可以發(fā)現(xiàn),作用力和反作用力不是作用在同一物體上的,而是分別是一個物體對另一個物體之力。受力對象是分開的。舉個簡單的例子,平靜的河面上,有兩條小船。船上一人,用槳把另一條小船推開了。那么被推開的小船收到槳的推力,反過來槳也受到了該小船的推力。這兩個力就是作用力和反作用力。
2、噴氣發(fā)動機(jī)的反作用力
先來看下噴氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu),當(dāng)然,下圖的發(fā)動機(jī)需要空氣?諝鈴倪M(jìn)氣道進(jìn)入,被壓氣機(jī)壓縮,經(jīng)過燃燒室燃燒,推動葉輪作功,最后從噴口噴出。推力來自于噴口,而不是推動葉輪作功。
尾氣從噴口出來,推擠著外部的空氣。反過來,外部的空氣也在推動著尾氣,進(jìn)而把力傳遞到發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上,這個就是利用發(fā)動機(jī)推力的反作用力。
3、火箭發(fā)動機(jī)的反作用力
對于外太空的真空環(huán)境,這種依靠進(jìn)氣道的噴氣式發(fā)動機(jī)顯然是不合適的。所以,進(jìn)入太空的發(fā)動機(jī),都是自帶大量燃料的,像火箭發(fā)動機(jī)。如同普通噴氣發(fā)動機(jī)一樣,反作用力來自空氣的反推力,火箭發(fā)動機(jī)的反推力來自剛排出的火箭尾氣。如下圖。
同等條件下,顯然普通的噴氣式發(fā)動機(jī)獲得的推力更大,因?yàn)橛锌諝獾拇嬖凇?/span>所以,火箭發(fā)射的時候,剛開始是比較省燃料的,進(jìn)入天空后,想要獲得同樣的速度,燃料消耗就多了。當(dāng)然這是不考慮空氣阻力的同等條件。實(shí)際上,空氣阻力太大了,相當(dāng)一部分燃都用來客服空氣阻力了。
4、總結(jié)
想要稍微地深入分析,基本的力學(xué)概念是一定要清晰的;鸺l(fā)動機(jī)的推力(反作用力)來自于被噴出口的燃料尾氣。
PS:之前的渦噴配圖錯了,已修正。謝謝大家指正。
太空是真空的理論已經(jīng)過時了,太空不是真空,噴氣發(fā)動機(jī)無法在絕對真空中飛行。氣壓越低,物質(zhì)的熔點(diǎn)沸點(diǎn)就越低,在絕對真空,空間氣壓為零,任何物質(zhì)都會熔化沸騰,分解為微小的粒子。
你站在地球上,你的腳對地球施加向下加速的力,地球就對你產(chǎn)生一個向上加速的反作用力,讓你跳起來。地球在太空中,你對地球施加向下加速的力后,地球不是先碰撞到下面的天體后,再給你向上的反作用力。讓你跳起來的反作用力,來源于是地球的慣性。
同理!噴氣發(fā)動機(jī)的向前加速的反作用力,來源于噴氣粒子的慣性,發(fā)動機(jī)對噴氣粒子施加一個向后加速的力,噴氣粒子就對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生一個向前加速的力。
噴氣發(fā)動機(jī)的推力,與發(fā)動機(jī)內(nèi)部壓力和外部空間壓力的壓力差大小有關(guān),與氣體的噴射速度和噴射量有關(guān),與氣體噴出后所撞上物質(zhì)的質(zhì)量大小無關(guān)。比如,你扔一個鉛球,鉛球給你的反作用力,與這個鉛球扔出去,所撞到物體的質(zhì)量大小是沒有關(guān)系。
你去太空中扔鉛球,鉛球也會對你產(chǎn)生反作用力,噴氣發(fā)動機(jī)在太空中噴粒子,粒子會對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生反作用力。
題主大概是把飛船想象成人在水中游泳了,必須用手把介質(zhì)(水)往后推,人才能借助反作用力向前運(yùn)動。但這個比喻實(shí)際是不恰當(dāng)?shù),如果非要用人在水中運(yùn)動來比喻的話,事實(shí)應(yīng)該是人在水中向后噴射出某種氣體,由于氣體向后運(yùn)動,人從而在氣體的反作用力下向前運(yùn)動。
牛頓第三運(yùn)動定律說,當(dāng)兩個物體相互作用時,彼此施加于對方的力,大小相等,方向相反。作用力與反作用力必然會成雙成對地出現(xiàn),比如你打我一拳,你的拳頭作用在我的胸口,在你的拳頭接觸到隱藏在我胸前衣服里的鋼板的一瞬間,你的拳頭給了鋼板一個作用力,鋼板也必然給你的拳頭一個咎由自取快慰人心的反作用力。這個作用力和周圍的空氣無關(guān),如果我們都在水里,這個作用力也和水無關(guān),推而廣之,如果我們都在太空里,這個作用力當(dāng)然也和我們之外的任何東西都沒有關(guān)系。所以太空中有沒有空氣,是不是真空,都不重要,都不妨礙你打我胸口一拳,唯一妨礙這一拳的,是沒有空氣給你呼吸,我看你丫怎么打出這一拳。
所以請你記住,作用力與反作用力,只與彼此作用的兩個物體有關(guān),其它任何第三者都是不受歡迎的。飛船在太空里飛行,作用力與反作用力也只與飛船和發(fā)動機(jī)噴出的氣體有關(guān),和其它任何物質(zhì)無關(guān),如果周圍有其它物質(zhì)存在,反而會產(chǎn)生阻力,阻礙飛船的飛行。這就像你在太空無重力的真空環(huán)境里,噴射出某種氣體,雖然力量微不足道,但也有可能會推動你緩慢移動;而在地球的水里,你噴射出某種氣體,由于水的巨大阻力,你就完全沒可能有任何運(yùn)動了。
真空并不會導(dǎo)致沒有反作用力,能導(dǎo)致沒反作用力的,是沒有作用力,因?yàn)檫@兩個家伙是形影不離,矛盾的兩個方面,缺一不可。
首先“真空中沒有空氣,也就意味著火箭發(fā)動機(jī)沒有反作用力”這是錯誤的說法!
火箭的反作用力不是因?yàn)榭諝獾拇嬖诓庞械,換句話說就是火箭不是靠向后推動空氣獲得動力的。
火箭的原理遵循動量守恒定律,即MV=mv,大寫的M,V代表火箭的質(zhì)量與速度,小寫的m,v為燃料的質(zhì)量與速度,所以火箭速度為V=mv/M。
也就是系統(tǒng)在內(nèi)力作用下,當(dāng)一部分向某一方向的動量發(fā)生變化時,剩余部分沿相反方向的動量發(fā)生同樣大小變化的現(xiàn)象.
比如人用手推墻,手臂作用在墻上,你的手臂給了墻壁一個作用力,必然墻壁也會給你的手臂一個作用力。這個作用力和周圍的空氣無關(guān),作用力與反作用力,只與彼此作用的兩個物體有關(guān),所以太空中有沒有空氣,是不是真空,都不重要。真空并不會導(dǎo)致沒有反作用力,反作用力只與作用力有關(guān)。
當(dāng)飛船和火箭飛行時,依靠自身攜帶的燃料燃燒會產(chǎn)生爆炸氣體,毫無疑問的是這些產(chǎn)生的氣體肯定是有質(zhì)量的,當(dāng)氣體以極快的速度向后噴出,這樣就會給飛船一個強(qiáng)大的推力,會加速飛船或火箭的速度。
恰恰相反,真空也是有反作用力的。當(dāng)引擎噴射工質(zhì)沖擊波作用于真空介質(zhì),真空介質(zhì)也會對工質(zhì)有一個反沖擊波。其動力學(xué)關(guān)系與鏈方程如下:
引擎獲得動量?工質(zhì)反沖量?真空反沖量
引擎動能增量?工質(zhì)動能?真空場輻射能
?(M?-m)v?2=?mv?2=κ(m/m?)hc/λ......(1)
其中,M?是引擎初始質(zhì)量;m是被噴射的工質(zhì)質(zhì)量,涉及等離子;m?是電子質(zhì)量常數(shù)。
▲從科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的發(fā)動機(jī)離子推進(jìn)器
而真空場介質(zhì)的量子數(shù)為n=m/m?,是本文解釋的一個重點(diǎn)。方程(1)看起來簡單,但其物理蘊(yùn)含是深刻的,這涉及對真空作為場介質(zhì)的深度思考。
就還原論與人擇原理而言,本題不只是題主本人一直搞不懂,整個科學(xué)界也是不清楚的。
人類只是在經(jīng)驗(yàn)主義或唯象方法論基礎(chǔ)上,無意識的利用了真空場之最本質(zhì)的自然資源。
兩千年前,人們以為空氣是「空空如也」的虛無,這至少在一千年前被證否:空氣不空。
上世紀(jì)前,人們以為真空是「靜止氣態(tài)」的以太,后來在上世紀(jì)初被MM實(shí)驗(yàn)證否。
此后迄今,愛因斯坦的「真空虛無」的理念,作為相對論核心依據(jù),被人們津津樂道。
與此同時,麥克斯韋的「真空介質(zhì)」作為麥克斯韋方程組的核心依據(jù),被選擇性淡忘。
愛因斯坦沿襲了麥克斯韋光速只取決于真空介質(zhì)電磁常數(shù)(ε?μ?),但又否定真空介質(zhì)。
真空是介質(zhì)還是虛無,這在物理界依然沒有定論,可以說真空問題涉及物理學(xué)的命運(yùn)。
▲卡西米爾效應(yīng),證實(shí)【真空不空】。
目前看來,真空不空,真空是一種特殊的物質(zhì)存在形式,已經(jīng)成為科學(xué)界的共識。
毫無疑問,基礎(chǔ)物理或動力學(xué)原理,最起碼要搞清楚,什么是虛無,什么是物質(zhì),物質(zhì)的共同屬性有哪些。以下是物理新視野的觀點(diǎn)。
除了人類自身想當(dāng)然所導(dǎo)致的莫須有的東西諸如天堂·地獄·妖精·超弦·時間隧道都不存在,此類心理學(xué)的意淫形式,叫虛無;
宇宙中的任何存在形式是可賦予體積·質(zhì)量·能量·動量·電量·信息量·反作用量之屬性都可測量,此類物理學(xué)的抽象形式,叫物質(zhì)。
物質(zhì)的存在形式是千奇百怪與千變?nèi)f化的,但是人類可通過統(tǒng)計學(xué)手段,把它們抽象為在測量屬性上有重大差異的兩大類物態(tài)。
3.1 第一類物態(tài):氣場態(tài)
氣場態(tài),也叫場態(tài),是不含實(shí)體粒子或亞原子的但含電容率(ε?)與磁導(dǎo)率(μ?)并以光速震蕩而連續(xù)性波動的特殊氣態(tài)。
氣場態(tài),通常表現(xiàn)為三種經(jīng)典的場輻射形式:
①引力輻射真空場(U?,簡稱引輻場),是與實(shí)體內(nèi)向引力場(U?)相互制衡的反向引力場,是傳播天體之間引力勢能的外向引力場。
有:U?=U?=Gm?m?/r......(2)
②電磁輻射真空場(U?,簡稱電輻場),是與電荷之間內(nèi)向電磁場(U?)相互制衡的反向電磁場,是傳播電荷之間電磁勢能的外向電磁場。
有:U?=U?=(1/4πε?)q?q?/r......(3)
③熱力輻射真空場(U?,簡稱熱輻場),是與粒子之間內(nèi)向熱力場(U?)相互制衡的反向熱力場,是傳播粒子之間熱力勢能的外向熱力場。
有:U?=U?=?mv2(=1.5kT)......(4)
3.2 第二類物態(tài),實(shí)體態(tài)
實(shí)體態(tài),是表現(xiàn)為亞原子或含有亞原子的高密度真空場的凝聚態(tài)。
凝聚態(tài),可分為超聚態(tài)與常聚態(tài)。
超聚態(tài),特指超高密度的亞原子態(tài)(電子態(tài)、核子態(tài))與超低溫下的原子態(tài)(玻愛凝聚態(tài)、費(fèi)米子凝聚態(tài))。
常聚態(tài),特指常溫下的分子態(tài),包括氣態(tài)(如水蒸氣)、液態(tài)(如水)、固態(tài)(如冰)。
魚類與船舶在水中的游行,表觀上取決于凝聚態(tài)液體水的浮力與反推力,但本質(zhì)上還是取決于真空引力場的反作用力。因?yàn)椋?/p>
雖然水是凝聚態(tài),但水分子之間也會相距較遠(yuǎn),不可能超距性作用到相鄰水分子。故魚鰭對水的作用力,只能借助真空場的反作用力作用到水分子上,同時,水分子也會對真空場有一個反作用力。
即:螺旋槳的推力(F?)=真空場的反推力(F?)
且:真空場的推力(F?)=水分子的反推力(F?)
必須指出,浮力定律,只是唯象性的揭示了浮力取決于排水量與水密度。但本質(zhì)上,依然是船體重力必須通過真空場的反重力作用到水分子上,同時水分子對真空場施加反作用力,進(jìn)而完成二力平衡懸浮與壓差沉浮效應(yīng)。
這里關(guān)鍵是:船體表面粒子的核外電子與水分子的核外電子之間不可能超距作用。
飛行迎角是一個關(guān)鍵。鳥類飛行時,振翅方向是斜向推壓空氣的,與龍骨有一個迎角,既保證向上有升力,也保證向前有推力。
由于鳥類與飛機(jī)的飛行姿態(tài),總是前高后低,始終保持一個上傾的迎角。
飛行器上表面附近總有短暫真空的負(fù)壓,飛行器下表面總有對空氣沖壓作用的正壓,上下面之間的負(fù)壓差,就是飛行器升力的表觀機(jī)制。
但就微觀本質(zhì)而言,飛行器界面的核外電子與空氣分子的核外電子之間相距較遠(yuǎn),不可能超距作用,只能通過真空場的反推力作為中介,作用到對方。
即:尾噴工質(zhì)推力(F?)=真空場反推力(F?)
且:真空場的推力(F?)=空氣分子反推力(F?)
這才是飛行器升力與推進(jìn)力的基本原理。
注意到:機(jī)翼截面的上凸下凹,只提供局部輔助性迎角,整個機(jī)身迎角最重要。當(dāng)飛機(jī)倒過來飛行,機(jī)翼凸凹反而起消極作用。
粒子推進(jìn)器,是利用引擎釋放等離子體工質(zhì),并作用到太空中的真空場的飛行器。
表面上看,假設(shè)推進(jìn)器質(zhì)量為M,釋放的等離子體的質(zhì)量為m,根據(jù)動量守恒,推進(jìn)器獲得前進(jìn)動量(M-m)v?與離子工質(zhì)動量(mv?)的一對相互制衡的反作用關(guān)系。
即:(M-m)v?=mv?.....(5)
由于離子質(zhì)量微乎其微,式(4)近似處理,
即:Mv?=mv?......(6)
離子噴射幾乎為光速,式(5)可近似處理,
即:v?≈c·m/M....(7)
加速推進(jìn)器質(zhì)量1噸,離子總質(zhì)量為0.001克,則可估算推進(jìn)器此時累積達(dá)到的速度
為:v?=3×10?·10??/103=0.3m/s
不要小看這個龜速,由于太空阻力很小,推進(jìn)器一直做加速運(yùn)動,直到與阻力齊平。
其實(shí),讀者有這樣的回答就算可以了。但是,這并沒有揭示本質(zhì),以下是深度思考。
離子工質(zhì)與飛行器之間有較大的空隙,不可能進(jìn)行超距作用。其內(nèi)在的作用機(jī)制是:
引擎釋放等離子→離子與推進(jìn)器之間出現(xiàn)短暫的真空負(fù)壓帶→離子沖壓真空場,離子附近真空場被急遽壓縮→真空場反作用于離子并極速填充前面的負(fù)壓帶→同時作用到推進(jìn)器尾部,即完成真空場對推進(jìn)器的反沖效應(yīng)。
這里涉及的因果鏈方程是
?(M-m)v?2=?mv?2=κ(m/m?)hc/λ.....(1)
其中,m?是場量子質(zhì)量常數(shù),即電子質(zhì)量,m/m?是離子對應(yīng)電子當(dāng)量的量子數(shù)。κ是場效應(yīng)系數(shù),可由實(shí)驗(yàn)測定?梢詮氖(1)分別求出離子推進(jìn)器的速度方程組:
v?2=2κ(m/m?)hc/λ(M-m)......(8)
v?2=2κhc/λm?......(9)
(完)
但是在沒有空氣的太空里,噴氣式發(fā)動機(jī)是不可能工作的,所以說宇宙中的飛船用的并不是噴氣式發(fā)動機(jī)而是火箭發(fā)動機(jī),它最大的特點(diǎn)就是自帶氧化劑從而保證了發(fā)動機(jī)在真空環(huán)境下依然能產(chǎn)生高速噴流推動飛船前進(jìn),而且由于太空基本沒有阻力,所以火箭發(fā)動機(jī)往往只需要開一小會兒。
在我們看到的火箭發(fā)射視頻中,真正的有效載荷其實(shí)只有火箭頂端那“一丟丟”,而火箭兩側(cè)外掛的助推火箭會隨著高度上升而自動脫落,沒一次脫落都會讓火箭重量減輕從而飛的更快,最終在進(jìn)入太空后位于下段的助推火箭會再次分離,剩余的一小截火箭頭則開始執(zhí)行各種任務(wù)。
其實(shí)人類的航空航天技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在還是在牛頓力學(xué)三定律里打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn),所有的發(fā)動機(jī)最后都逃不開“作用力和反作用力”
火箭發(fā)動機(jī)通過自帶氧化劑來燃燒并產(chǎn)生推力,但實(shí)際上在太空中前進(jìn)或者后退是相當(dāng)簡單的一件事,比如宇航員在緊急情況下可以隔開宇航服手套讓空氣外泄來產(chǎn)生反作用力。
甚至在科幻短片里迷失太空的女宇航員還通過摘掉手套然后用力擲出的方式來獲得反作用力,后來還把自己已經(jīng)完全凍住的小臂完全扭斷然后再擲出,最終她用這種辦法活著回到了空間站內(nèi)。
現(xiàn)如今宇航推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)快到瓶頸期了,尋常的化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)由于需要攜帶大量化學(xué)工質(zhì)而不可能讓飛船高速前進(jìn),因此未來各種形式的電推進(jìn)技術(shù)才是主流。
談到作用力和反作用力,要涉及到兩個物體,一個是施力物體,一個是受力物體。當(dāng)施力物體給受力物體一個作用力的時候,受力物體會反過來給施力物體一個反作用力。作用力和反作用力同時產(chǎn)生,同時消滅,在同一條直線上,大小相等,方向相反。這就是牛頓第三定律的內(nèi)容。
真空不是物體,不會給飛船力的作用,所以說,推動飛船前進(jìn)的力不是來自真空。
用作用力和反作用力的知識解釋題主提出的問題,不能把飛船和飛船噴出來的氣體看作一個整體,要把它們看作兩個物體。飛船噴出氣體,給氣體一個向后的作用力,氣體反過來會給飛船一個向前的反作用力,這個反作用力就是飛船前進(jìn)的動力。
需要補(bǔ)充說明的是,力不是維持物體運(yùn)動的原因,力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。飛船靠慣性就可以在真空中做勻速直線運(yùn)動,并不需要外力推動。當(dāng)飛船要改變運(yùn)動狀態(tài)(改變速度或者方向)的時候,才需要外力,根據(jù)前面的分析,這個外力就是飛船噴出的氣體給飛船的反作用力。
一天中什么時候運(yùn)動減肥效果好抓 小孩能不能練啞鈴多大的孩子適合 小孩嘴唇起皮怎么辦怎樣才能預(yù)防 孩子的羅圈腿是怎么形成的三大因 孩子早戀怎么辦如何有效疏導(dǎo)孩子 醫(yī)生婆婆稱自己專業(yè)孩子的事必須 兒子成人禮送什么禮物好呢給你孩 有孩子的夫妻千萬不要離婚對于孩 小孩千萬別讓老人帶的說法正確嗎 自卑缺乏安全感的孩子怎么改善 怎么讓孩子開口說話 這幾個方法 怎么讓孩子吃飯 教你如何讓孩子 怎么管教不聽話的孩子 家長首先 頑皮的孩子怎么管教的 這些方法 叛逆期的孩子怎么管教 引導(dǎo)孩子 孩子性格軟弱怎么辦 懦弱的性格 孩子性格偏激怎么辦 孩子性格偏 孩子性格固執(zhí)怎么辦 家長們不妨 愛惹事的孩子怎么管教 不妨試試 養(yǎng)育優(yōu)秀的孩子具備特征,家長要 高考數(shù)學(xué)難出新天際,可有的孩子 “做胎教”和“不做胎教”的孩子 花費(fèi)十幾萬只考了302分 媽媽覺得 甘肅作弊考生留下來的疑團(tuán),是怎 一舉奪魁!高三學(xué)生離校時,校領(lǐng) 高考釘子戶:26次參加高考,今年 D2809次列車因泥石流脫線!此類 “女兒16歲,學(xué)校宿舍里分娩了” 扭曲邪門的內(nèi)容,頻頻出現(xiàn)在教科 川渝地區(qū)幾所大學(xué)實(shí)力很牛!四川