我知道牛頓的第三運動定律可能是解決這個問題的方法,但是我仍然想知道火箭如何在空曠的空間中推進並朝相反的方向運動。我想宇航員將無法用他的手或腿在空曠的空間中推動自己移動,但有了火箭發動機,這是可能的。怎麼樣?廣義相對論對此有何解釋?
我知道牛頓的第三運動定律可能是解決這個問題的方法,但是我仍然想知道火箭如何在空曠的空間中推進並朝相反的方向運動。我想宇航員將無法用他的手或腿在空曠的空間中推動自己移動,但有了火箭發動機,這是可能的。怎麼樣?廣義相對論對此有何解釋?
牛頓第三定律非常接近。
您引用的所有現象均源於隔離系統中動量守恆的原理,其本身最終是(通過Noether定理)的結果。事實上,如果我們移動坐標系的空間原點,則該孤立系統的物理描述將保持不變。
因此,如果您處在深空中,並且將質量為$ m $的東西丟入一個在速度$ v $的方向上,其動量在該方向上為$ m \,v $。系統的初始總動量(您+投擲的東西)是零。因此,這意味著該系統的最終總動力必須為零。因此,您自己的動量必須在與拋出的物體相反的方向上為$ m \,v $。如果您的質量是$ M $,那麼您在與所投擲物體相反的方向上的速度為$ m \,v / M $。
請注意,即使您無法移動質心,不會拋出任何東西(無論如何,整個系統的重心 ie 您和所拋出的東西都會保持原狀),您可以旋轉和移動方向而不會出現偏差通過週期性地改變形狀來保持角動量;這與貓掉落時翻身的方法相同。參見我對“宇航員有旋轉的方式嗎?”問題的回答,還有我的文章“貓及其最厲害的扶正反射”
廣義相對論並未以您可能會想到的方式描述火箭(嗯,幾乎是這樣,請參閱下面的說明)。廣義相對論通過愛因斯坦場方程解的定義的測地線系統描述了局部自由下落的框架及其所謂的李氏拖動。用相對較少的術語來說:廣義相對論告訴您哪種運動符合牛頓的《第一法則》。它告訴您時空內的運動,某些“孤立的”(沒有經歷過力)將經歷:與此不同的任何事物都需要 force 來加速相對於這些自由下落的幀的速度。化學描述了燃料的燃燒,牛頓第三定律描述了投擲這種燃料產生的力量,從而使您的火箭偏離了相對論給出的自由落體運動。
準確地說,是因為火箭投擲了燃料因此,系統的質量能分佈和動量通量(壓力分佈)正在改變,從嚴格意義上講,愛因斯坦場方程必須考慮到這一點(這將改變“源”項,因此-稱為應力能張量)。因此,火箭的動作將在很小的程度上改變其周圍的時空。但這是一個很小的技術性。主要表現只是化學能使您能夠拋擲燃料並產生使您偏離局部自由落體(慣性)框架的力。
我有點困惑為什麼您在問題的最後問起GR。如果您的問題只是火箭如何在沒有任何“推動”的情況下在太空中加速,那麼我們可以用經典力學很好地解決您的問題。
牛頓第三定律有時會受到限制,但是對於這個問題,它可以正常工作。牛頓第三定律指出,對於對象$ A $施加到對象$ B $上的任何力,對象$ B $都會向對象$ A $施加相等大小的力,但方向相反。在此示例中,火箭加速,因此某些物體$ A $必須在火箭上施加向前的力。反過來,火箭必須向這個神秘物體$ A $施加反作用力。
事實證明,物體$ A $是逃避火箭的氣體。隨著氣體逸出火箭噴嘴,它們與火箭本身相互作用。氣體在火箭上施加力,由於牛頓第三定律,火箭將氣體推回。儘管可能看起來很奇怪,但這是加速火箭所需要的全部。您的火箭不需要地面,大氣層或其他太空飛行器即可“發射”;氣體和火箭內部發生的火箭之間的相互作用足以使火箭加速。
如果您不相信我,請坐在低摩擦表面的椅子或踏板車上休息。將保齡球或藥丸等重物放在膝蓋上。盡力而為,將球扔向自己。如果椅子和地板之間的摩擦係數足夠低,您將在與球相反的方向上經歷加速度。由於牛頓第三定律,球向您施加了反作用力,如果摩擦力足夠小,則在該方向上會有一個淨力產生加速度。
此外,請注意這兩個例子都將保持動量。所以在那裡沒有引起恐慌的地方。
如果我沒記錯的話,那基本上是相同的原理,即宇航員將物體扔進空白空間,然後朝相反的方向移動。
它不是在衝撞東西而是扔通過根據慣性定律燃燒燃料來獲得能量和動力...我可能是錯的,所以我想請一個知識淵博的人仔細檢查一下,請:)
我在太空競賽如火如荼時遇到的一個小模型,仍然是我找到的最簡單的解釋:
想想一個充氣的氣球,它的脖子是閉合的。它不會隨處可見,因為各個方向的壓力相等。 (這也是使它膨脹的原因。)
現在打開脖子。使氣球飛來飛去的原因實際上並不是空氣從頸部逸出-這是事實,此時不再有向後壓在氣球上的壓力,所以對側的壓力不平衡,並且有淨力推動
火箭引擎本質上是一個帶有開放式頸部的剛性氣球,該頸部會不斷自我膨脹。內部高壓,噴嘴設計得盡可能快地排出,以最大程度地減小反向壓力,向前壓力不平衡...“放大!”
(是的,我知道這過於簡單了。但這是解釋非常簡單,以至於我當時的三年級學生可以看一下,然後說:“當然,這很明顯!”不幸的是,當時我的老師並沒有很好地糾正她的錯誤解釋,三年級,但這是一個獨立的故事。)
最新添加的內容: 這也是為什麼Orion項目-最終的低技術核武器火箭發動機-會工作的。建造一個巨大的護盾,用減震器將其安裝在其上,並在遠處引爆原子彈。炸彈的衝擊波撞擊板的部分將推動飛船前進。其餘衝擊波完全不包含在內的事實是浪費的,但不能阻止此工作。您可以使用較小的炸藥來做同樣的事情,但是效率低下成為一個嚴重的問題-這就是為什麼火箭發動機具有反應室和噴嘴,以捕獲更多的能量並將其用作推力。
(計算Orion的效率如何,反正會產生多少推力,以及如何構建可以處理此問題的屏蔽層和減震器,這是讀者的練習。或者您可以向上看首先進行檢查的團隊的報告。不要開玩笑。)
無需稱呼廣義相對論。您可以僅使用經典的力學定律來理解它。
如果您在滑板上並在您面前擺放重物,則您將向後移動。只要質量沒有撞擊地板,{you + the mass}的質量中心就相同,但是您確實移動了。
火箭發動機從燃燒中噴射出天然氣。運動基於完全相同的屬性。您真的不應該想像是外部大氣“抵制”了噴射出的天然氣產生的阻力。
直觀地做到這一點的最簡單方法是考慮一枚火箭,其廢氣沿兩個相反的方向逸出。因此,在一側和相對側都有一個噴嘴。在這種情況下,火箭將無處可去。化學反應在高溫高壓下產生氣體,然後它們在兩個方向上加速並逸出。如果現在關閉一個噴嘴,火箭將朝相反方向移動。如果該噴嘴打開,原本會逸出的氣體現在會撞到邊界上,並對那裡的火箭施加力。第三定律暗示火箭必須向那裡的氣體施加相反的力。因此,在火箭朝相反方向推動的同時,廢氣在打開噴嘴的方向上產生了淨力。
我想知道火箭如何在空曠的空間中向相反方向移動。
在非常簡單的術語中,火箭發動機推向噴嘴的封閉端。一旦氣體離開噴嘴,它就不再與火箭發生任何相互作用-不再需要“擊中”其他任何東西。
最好的常見示例通常在HS物理課程中顯示。一名坐在低摩擦椅子上的學生拿著二氧化碳滅火器,並將其指向安全的方向。當他們拉動扳機並釋放從滅火器噴嘴中飛速移動的CO2氣體時,迅速移動的氣體離開系統(椅子生和氣瓶)會導致系統沿與氣流相反的另一方向移動。
某些火箭發動機實際上使用帶電離子和電力,以使這些帶電離子從船上朝著系統加速的相反方向加速離開船外。離子的重量很輕,但是它們的發射速度可以接近光速,因此與傳統的“火箭”發動機相比,這些發動機非常高效並且可以長時間運行。
噴氣發動機的運行與火箭發動機完全相同。氣氛為反應提供了氧氣,使燃料/空氣混合物迅速膨脹。但是發動機不需要空氣來“推動”。火箭發動機提供自己的氧化劑,而不使用空氣中的氧氣。