На что толкает ракетный двигатель в космосе?

Третий закон Ньютона довольно близок к истине.

Все явления, которые вы цитируете, проистекают из принципа сохранения импульса в изолированной системе, который сам по себе в конечном счете является результатом (согласно теореме Нётер) того факта, что физическое описание этой изолированной системы не изменится, если мы сдвинем пространственное начало нашего со- система координат.

Итак, если вы находитесь в глубоком космосе и бросаете что-то массой$m$в одном направлении со скоростью$v$, его импульс равен$m\,v$в этом направлении. Начальный суммарный импульс системы (вы + брошенная вещь) равен нулю. Это означает, что конечный полный импульс системы должен быть равен нулю. Следовательно, ваш собственный импульс должен быть$m\,v$в сторону, противоположную брошенной вещи. Если ваша масса$M$, то ваша скорость$m\,v/M$в сторону, противоположную брошенной вещи.

Обратите внимание, что даже если вы не можете сместить свой центр масс, ничего не бросив (и в любом случае, центр масс всей системы, т . е . вы + брошенный предмет, остается на месте), вы можете вращаться и менять свою ориентацию, не нарушая сохранение углового момента за счет циклического изменения формы; это тот же метод, который использует кошка, чтобы перевернуться при падении. См. мой ответ здесь на вопрос "Есть ли способ для космонавта вращаться?" а также мою статью "О кошках и их самый удивительный восстанавливающий рефлекс"

Общая теория относительности не описывает ракеты (ну, почти так, см. мое предостережение ниже) так, как вы могли бы подумать. Общая теория относительности описывает локально свободно падающие системы отсчета и их так называемое перетаскивание Ли системой геодезических, определяемых решениями уравнений поля Эйнштейна. Проще говоря: общая теория относительности говорит вам, какие виды движений соответствуют первому закону Ньютона; он говорит вам о движениях в пространстве-времени, которым будет подвергаться что-то «изолированное» (не испытывающее силы): все, что отличается от этого, требует силыускорить что-то относительно этих свободно падающих кадров. Химия описывает горение топлива, а третий закон Ньютона — производство силы от выброса этого топлива, позволяющей вашей ракете отклониться от свободного падения, заданного общей теорией относительности.

Точнее, по мере того, как ракета выбрасывает свое топливо, распределение массы-энергии и потоки количества движения (распределения давления) в системе меняются, и это, строго говоря, нужно было бы учитывать в уравнениях поля Эйнштейна (это было бы изменить термин «источник», так называемый тензор энергии-импульса). Таким образом, действие ракеты в фантастической степени изменит пространство-время вокруг нее. Но это маленькая техническая особенность. Суть в том, что химическая энергия позволяет вам подбрасывать топливо и создавать силу, позволяющую вам отклоняться от локально свободно падающей (инерциальной) системы отсчета.

Я немного смущен, почему вы спрашиваете о GR в самом конце вашего вопроса. Если ваш вопрос заключается просто в том, как ракета может ускоряться в космосе, не имея ничего, что могло бы ее «оттолкнуть», то мы вполне можем решить ваш вопрос с помощью классической механики.

Третий закон Ньютона иногда имеет свои ограничения, но для этого вопроса он отлично подойдет. Третий закон Ньютона гласит, что для любой силы, действующей на объект$A$на объект$B$, то объект$B$оказывает обратное воздействие на объект$A$одинаковой величины, но в противоположном направлении. В этом примере ракета ускоряется, поэтому какой-то объект$A$должно прилагать силу к ракете. В свою очередь, ракета должна оказывать обратное воздействие на этот загадочный объект.$A$.

Оказывается, этот объект$A$это газы, выходящие из ракеты. Когда газы выходят из сопла ракеты, они взаимодействуют с самой ракетой. Газы воздействуют на ракету вперед, а ракета отталкивает газы назад из-за третьего закона Ньютона. Хотя это может показаться странным, это все, что вам нужно для ускорения вашей ракеты. Вашей ракете не нужна земля, атмосфера или другой космический аппарат, чтобы «оттолкнуться»; взаимодействие между газами и ракетой, происходящее внутри ракеты, достаточно для ускорения ракеты.

Если вы мне не верите, сядьте на стул или самокат на поверхность с низким коэффициентом трения, в состоянии покоя. Держите тяжелый предмет, например шар для боулинга или набивной мяч, на коленях. Со всей силы бросайте мяч от себя. Если коэффициент трения между вашим стулом и полом достаточно низок, вы испытаете ускорение в направлении, противоположном мячу. В соответствии с третьим законом Ньютона мяч действует на вас с обратной силой, и если трение достаточно низкое, в этом направлении действует результирующая сила, создающая ускорение.

В качестве бонуса обратите внимание, что в обоих этих примерах импульс сохраняется. так что повода для паники нет.

Модель, с которой я столкнулся в детстве, когда космическая гонка была в самом разгаре, до сих пор остается самым простым объяснением, которое я нашел:

Представьте себе надутый воздушный шар с закрытой горловиной. Он никуда не денется, потому что давление во всех направлениях одинаковое. (Это то, что также поддерживает его раздувание.)

Теперь откройте горловину. Воздушный шар летает не из-за того, что воздух выходит через горлышко, а из-за того, что в этой точке больше нет давления назад на воздушный шар, поэтому давление на противоположной стороне неуравновешено, и есть результирующая сила, толкающая шар. баллон вперед.

Ракетный двигатель — это, по сути, жесткий воздушный шар с открытой горловиной, который постоянно надувается. Высокое давление внутри, сопло, предназначенное для максимально быстрого выпуска воздуха, сводя к минимуму давление в обратном направлении, неуравновешенное давление вперед... "Увеличение!"

(Да, я знаю, что это чрезмерное упрощение. Но это объяснение настолько простое, что третьеклассник, каким я был в то время, мог посмотреть на него и сказать: «Конечно, это очевидно!» К сожалению, мой учитель в третьеклассник исправлял ее неправильное объяснение, но это отдельная история.)

Позднее добавление: именно поэтому проект «Орион» — совершенный низкотехнологичный ядерный ракетный двигатель — должен был сработать. Постройте огромный щит, прикрепите к нему свой корабль с помощью амортизаторов и взорвите атомную бомбу на дальней стороне. Часть ударной волны бомбы, попадающая в пластину, толкает аппарат вперед. Тот факт, что остальная часть ударной волны полностью не сдерживается, является расточительным, но не мешает этому работать. Вы могли бы сделать то же самое с меньшими взрывчатыми веществами, но тогда неэффективность становится серьезной проблемой — вот почему у ракетного двигателя есть реакционная камера и сопло, чтобы захватывать гораздо больше этой энергии и использовать ее в качестве тяги.

(Вычисление того, насколько неэффективным был бы «Орион», какую тягу он в любом случае производил бы, и как построить щит и амортизаторы, которые могли бы справиться с этим, остается в качестве упражнения для читателя. Или вы можете посмотреть отчет команда, которая первой исследовала его. Шутка ли.)

Если я не ошибаюсь, это в принципе тот же принцип, по которому космонавт бросает что-то в пустое пространство и при этом движется в обратном направлении.

Это не упирание во что-то, а выброс энергии и мощности за счет сжигания топлива по закону инерции... Я могу ошибаться, поэтому я бы хотел, чтобы кто-то более знающий перепроверил, пожалуйста :)

Нет необходимости называть общую теорию относительности. Вы можете понять это, используя только законы классической механики.

Если вы на скейтборде и бросаете груз перед собой, вы будете двигаться назад. Пока масса не падает на пол, центр масс {вас+массы} остается тем же, как бы вы ни двигались.

Ракетный двигатель выбрасывает газ из сгорания. Движение основано на том же свойстве. Вы действительно не должны воображать, что именно сопротивление внешней атмосферы, «сопротивляющейся» выбрасываемому газу, создает движущую силу.

Самый простой способ понять это интуитивно — рассмотреть ракету, в которой выхлопные газы выходят в двух противоположных направлениях. Итак, есть сопло с одной стороны, а также с противоположной стороны. В этом случае ракета никуда не денется. В результате химических реакций образуются газы при высокой температуре и давлении, которые затем ускоряются и улетучиваются в обоих направлениях. Если мы сейчас закроем одно сопло, ракета будет двигаться в обратном направлении. Газы, которые вырвались бы, если бы это сопло было открыто, теперь ударятся о границу и воздействуют на ракету там. Третий закон подразумевает, что ракета должна оказывать на газ противоположную силу. Следовательно, на выхлопные газы действует результирующая сила в направлении открытого сопла, в то время как ракета толкается в противоположном направлении.

Мне интересно, как ракеты могли вонзиться в пустое пространство и двигаться в обратном направлении.

Проще говоря, ракетный двигатель упирается в закрытый конец сопла. Как только газ выходит из сопла, он больше не взаимодействует с ракетой - ему не нужно «ударять» что-либо еще.

Лучший общий пример часто показывают на уроках физики HS. Студент в кресле с низким коэффициентом трения держит углекислотный огнетушитель и направляет его в безопасном направлении. Когда они нажимают на спусковой крючок и выпускают газ CO2, очень быстро движущийся из сопла огнетушителя, этот быстро движущийся газ, выходящий из системы (студент стул и газовый баллон), заставляет систему двигаться в другом направлении, прямо противоположном потоку газа.

Некоторые ракетные двигатели фактически используют заряженные ионы и электрические силы для ускорения этих заряженных ионов от корабля в направлении, противоположном тому, в котором система корабля должна ускоряться. Вес ионов очень мал, но скорость, с которой они испускаются, может приближаться к скорости света, поэтому эти двигатели очень эффективны и могут работать в течение длительного периода времени по сравнению с традиционными «ракетными» двигателями.

Реактивные двигатели работают точно так же, как ракетные двигатели. Атмосфера обеспечивает кислород для реакции, которая приводит к быстрому расширению топливно-воздушной смеси. Но двигателю не нужен воздух, чтобы «толкать». Ракетные двигатели поставляют свой собственный окислитель, а не используют кислород, содержащийся в воздухе.