Как реактивные двигатели создают силу против ракеты?

Я довольно новичок в физике, поэтому, пожалуйста, простите меня, если мне не хватает базовых знаний.

Мне интересно, как на самом деле работают ракетные двигатели. Я знаю ответ «action est reactio», но мне кажется, что это очень абстрактное и неясное объяснение, потому что оно не касается того, что на самом деле происходит. Вот моя проблема:

Насколько я понимаю, двигатель производит взрыв, который выбрасывает частицы газа в одном направлении (скажем, вниз) и, таким образом, создает обратную силу, толкающую ракету в другом направлении (скажем, вверх). Чего я не понимаю, так это того, как уходящие частицы взаимодействуют с ракетой? Они не обязательно касаются ракеты, по крайней мере, не так, чтобы она взлетела, так как же они могут иметь эффект? Насколько мне известно, сила может либо действовать через

  • контакт
  • поле

Теперь я предполагаю, что частицы газа не создают какое-то силовое поле, поэтому в какой-то момент должен произойти «значимый» контакт.

Я понимаю, что математически сила вылета частиц газа равна силе, с которой ракета ускоряется, но мне трудно понять, как частицы, которые уже выходят из ракеты, являются причиной ускорения .

Мое объяснение состоит в том, что ракета летит по той же причине, что и все, что «летает» вблизи взрыва: взрывчатка поражает другие объекты и увлекает их за собой (сохранение импульса). Одна и та же сила действует в ракете на все стенки двигателя, и, поскольку частицы могут вылететь «вниз», единственный импульс, который получает ракета, - это «вверх» (левый и правый нейтрализуют друг друга). Но у меня также возникают проблемы с этим объяснением, потому что, скажем, мы делаем выход двигателя очень длинным, скажем, в несколько сотен метров (мысленный эксперимент), а затем закрываем его. теперь это означает, что сначала эффект будет таким же, ракета взлетит вверх, но как только взрыв ударит по другому концу двигателя, ракету снова «утащит» обратно. мне кажется странным.

пожалуйста, помогите мне решить эту проблему. Спасибо!

Хорошим местом для начала были бы законы движения Google Ньютона.
Я их всех знаю, я даже перефразировал третий закон
Таким образом, можно было бы перефразировать ваш вопрос так: «Как сила действия создает силу противодействия?»
своего рода, но этот тип движка вызывает у меня удивление, потому что я не могу понять, как генерируется реакция.
Также подумайте, что произойдет с вашей длинной выходной трубой, если вы не закроете ее на дальнем конце, а вместо этого немного согните, чтобы выхлоп выходил немного в сторону.
@ PM2Ring, это хороший вопрос. Я думаю, что частицы несколько ударятся об изогнутую трубку, создав таким образом силу в этом направлении. чтобы нос ракеты наклонился в другую сторону? (например, если наклонен влево, нос наклоняется вправо)
Re, «двигатель производит взрыв». Большинство людей думают о взрыве как о событии , при котором что-то внезапно распадается, и его части разлетаются в разные стороны. Точнее было бы сказать, что дистиллированная сущность ракетного двигателя — это сопло, из которого выпускается жидкость под высоким давлением. Природа этой жидкости и механизм или процесс, создающий на нее давление, не являются предметом обсуждения.

Ответы (3)

«Одна и та же сила действует в ракете на все стенки двигателя, и, поскольку частицы могут улететь «вниз», единственный импульс, который получает ракета, — это «вверх»».

Вот именно: молекулы газа сталкиваются со стенками камеры сгорания, но в одной стенке есть дырка, поэтому сила на той стенке меньше!

Суммарная сила, действующая на ракету, равна и противоположна импульсу вылетающих молекул в единицу времени, поскольку они не ударяются о стену с дырой в ней!

"скажем, мы делаем выход двигателя очень длинным, скажем, несколько сотен метров (мысленный эксперимент), а затем закрываем его. Теперь это означает, что сначала эффект будет таким же, ракета взлетит",

Да.

«но как только взрыв ударит по другому концу двигателя, ракету снова «оттащит» обратно».

Нет, но он перестанет ускоряться.

Спасибо! так что только мое мышление с "длинным двигателем" было неправильным. немного изменю вопрос
Мичио Каку однажды сказал в шоу на канале Discovery (канал Science), что ракеты не работают так хорошо в космосе, как в атмосфере, потому что в выхлопных газах нет частиц воздуха, с которыми можно было бы столкнуться в космосе.
в этом случае каку не знает, о чем говорит.
Я думал об изменении вопроса, но задам его здесь: так что моя проблема в том, что объяснение «action est reactio» создает впечатление, что «исходящие» частицы создают силу против ракеты, когда на самом деле это те, что идут вверх. все, что выходит из двигателя, уже является «отходами» и больше не влияет на ракету, не так ли? Я немного расстроен / сбит с толку, почему все используют здесь третий закон, когда он просто кажется математической моделью.

Вот еще один способ подумать об этой проблеме, который может помочь:

Представьте, что вы сидите на скейтборде с пушкой на коленях. Это особая пушка, состоящая только из короткой трубы, закрытой с одного конца. Внутри трубки находится шар для боулинга, который плотно удерживается сжатой пружиной, находящейся между шаром и закрытым концом. спусковой механизм удерживает систему во «взведенном» состоянии.

вы направляете пушку горизонтально от себя, ставите ноги на скейтборд и нажимаете на курок.

Пружина начинает сильно расширяться, выталкивая шар для боулинга назад из трубки с огромной скоростью. Но он так же сильно давит на закрытый конец трубы, который отскакивает и бьет вас прямо в грудь, тем самым отталкивая вас в направлении, противоположном летящему шару для боулинга.

Я предполагаю, что моя проблема с третьим законом Ньютона заключается в том, что кажется, будто летящий канонический шар активно «что-то делает» со мной. но пружина могла бы оттолкнуться и от устойчивой поверхности (странная бетонная стена, уходящая в трубу), без вылета пушечного ядра из трубы. Третий закон может быть хорошим способом расчета сил, но он ужасен при объяснении фактической физической причины (imo). или, может быть, это просто моя дурная привычка думать
@Philipp Ключевая идея - сохранение импульса. В каком бы направлении ни шел выхлоп, центр масс ракеты + выхлоп не может двигаться.
Да, сохранение импульса имеет гораздо больше смысла. почему бы просто не сказать, что ракета взлетает, потому что частицы ударяются о верхнюю часть двигателя? это подтверждается повседневным опытом (A ударяет B, B движется). Я не понимаю необходимости этого обхода третьего закона Ньютона. Утверждение, что уходящие частицы каким-то образом создают восходящую силу, онтологически неверно (imo). их сила может математически равняться восходящей силе, но не более того. Может быть, я пощажу это для нового вопроса, так как у меня есть проблемы с законами Ньютона и концепцией силы в целом.

Как улетающие частицы взаимодействуют с ракетой? Они не обязательно касаются ракеты, по крайней мере, не так, чтобы она взлетела, так как же они могут иметь эффект?

Рассмотрим следующую простую ситуацию.

введите описание изображения здесь

Изначально масса м движется с той же скоростью, что и полый цилиндр, запаянный с левой стороны.
Масса м взрывается на два осколка одинаковой массы, один из которых движется влево, а другой вправо со скоростью в .
Масса, движущаяся вправо, не взаимодействует с трубкой и несет с собой импульс м 2 в я ^ и вылетает из трубы.

Масса, движущаяся влево, несет с собой импульс м 2 в ( − я ^ ) "=" − м 2 в я ^ , попадает в конец трубы и быстро отскакивает в теперь имеет импульс м 2 в я ^ .
Таким образом, изменение импульса этой массы равно м 2 в я ^ − ( − м 2 в я ^ ) "=" м в я ^ .

Изменение импульса массы, двигавшейся влево, равно минус изменению импульса цилиндра, − м в я ^ , т.е. цилиндр получает импульс влево, тем самым увеличивая скорость вращения цилиндров влево.

То, что происходит в ракетном двигателе, намного сложнее, чем это, и вот диаграмма со страницы Википедии Ракетный двигатель , показывающая силы, действующие на камеру сгорания ракеты слева и сопло (де Лаваля) справа, которые способствуют поступательное движение ракеты.

введите описание изображения здесь

Но у меня также возникают проблемы с этим объяснением, потому что, скажем, мы делаем выход двигателя очень длинным, скажем, в несколько сотен метров (мысленный эксперимент), а затем закрываем его. теперь это означает, что сначала эффект будет таким же, ракета взлетит вверх, но как только взрыв ударит по другому концу двигателя, ракету снова «утащит» обратно. мне кажется странным.

Рассмотрим цилиндр, закрытый с обоих концов, и «взрыв», происходящий вблизи левой стенки.
Масса, движущаяся влево, передает импульс цилиндру, который теперь движется влево быстрее.
Затем масса, которая первоначально двигалась вправо, отскакивает от правого конца цилиндра и снижает свою скорость до первоначальной.

Затем масса, которая сначала двигалась влево, а теперь движется вправо, попадает в правый конец цилиндра, и теперь цилиндр движется вправо.

и т. д.

Спасибо! И еще: можете ли вы объяснить, почему меньшее спасательное целое (дроссель) будет быстрее разгонять ракету? скажем, на вашей иллюстрации есть три частицы, движущиеся в каждом направлении. с левой стороны все три попали в ракету, придав ей импульс. однако с правой стороны только один убежит (маленькая дыра), а два других также поразят ракету, придав ей импульс на другую сторону. поэтому ракета получает общий импульс только 1 частицы вместо 3, поэтому она двигалась бы быстрее, если бы дыра была больше, и все три частицы могли бы уйти вправо. где я не прав?
Я начал свой ответ с предложения «Рассмотрите следующую простую ситуацию». Настоящий ракетный двигатель — это не простая система. Основная цель состоит в том, чтобы выбрасываемые газы двигались как можно быстрее в направлении, противоположном направлению движения ракеты. С этой целью горловина между камерой сгорания и соплом ускоряет газы - та же масса в секунду, протекающая через небольшое поперечное сечение - а затем адиабатическое расширение в области сопла делает все остальное. Обратите внимание, что скорость газа в камере сгорания меньше, чем в горловине.
но как сила теперь более быстро движущихся частиц передается ракете? это суть моего исходного вопроса. должен быть какой-то контакт, нет?
Газ в камере сгорания находится под высоким давлением, а сила на закрытой стороне больше, чем сила на стороне горловины. Сила, действующая на горло, ускоряет газы через горло. Молекулы газа «общаются» друг с другом посредством столкновений.
ответ в точку, спасибо! Я чувствую, что третий закон Ньютона описывает количество силы , действующей на ракету, но не причину силы. Это смутило меня уже довольно давно. ИДК, может быть, когда я пойду, я научусь справляться с этим лучше и использовать его более интуитивно.
Как реактивные двигатели создают силу против ракеты?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v