Почему космический корабль не может разгоняться вечно? Поскольку в пространстве нет трения

Два момента, которые могут помочь

1. Подумайте, что требуется для того, чтобы ускориться. Вы должны выбросить что-то за борт. ¹ Как бы ни работал ваш двигатель, у вас рано или поздно закончится топливо, и в этот момент вы перестанете разгоняться.

   Есть исключение из заявления о «заканчивании топлива» и возможная лазейка. Исключением является фотонный привод: просто направьте лазер в сторону от того места, куда вы хотите попасть, и подождите. Но для этого требуется много энергии, если вы не хотите ждать тепловой смерти Вселенной, и рано или поздно ваша силовая установка выйдет из строя, что бы она ни работала.

   Возможная лазейка — прямоточный воздушно- реактивный двигатель Бюссара : теоретическая система, которая зачерпывает газообразный водород в космосе, чтобы использовать его в качестве топлива. Даже если они возможны, большинство предположений об их работе приводят к максимальной скорости, определяемой балансом сопротивления ползуна и создаваемой тяги.

2. На самом деле нет нулевого трения.

   Вы знаете, что газообразный водород, который, как я сказал, будет использовать прямоточный воздушно-реактивный двигатель Bussard? Это вызывает небольшое сопротивление, и для скоростей, значительно отличающихся от локальной системы покоя реликтового излучения, возникает сопротивление фотонов из-за остаточного свечения Большого взрыва (но, как и в случае с фотонами, оно очень мало, если только вы не получите действительно очень быстро).

¹ Для целей этого утверждения я включаю фотоны в набор «чего-то».

Пока у вас есть полезная энергия в вашем корабле, вы можете использовать ее для неограниченного ускорения вашего топлива в противоположном направлении, в котором вы хотите ускорить; так работают ракеты. Топливо — это в основном то, что уносит линейный импульс в одном направлении, чтобы корабль мог набирать импульс в противоположном направлении.

Действительно, как вы понимаете, в космосе нет трения... ну, есть чуть-чуть, потому что космос не на 100% пуст, в нем есть следы пыли, водорода и радиации. Но эта пыль не вызовет значительного сопротивления, если только вы не будете двигаться очень быстро относительно пыли (скажем, со скоростью, составляющей значительную часть скорости света).

Проблема в том, что, поскольку космос настолько пуст, на самом деле нет практического способа получить энергию для движения, если только вы не носите ее с собой в качестве топлива. Было несколько предложений, которые пытаются обойти это серьезное ограничение, например прямоточный воздушно-реактивный двигатель Бюссара и лазерный световой парус, предложенный Робертом Форвардом: первый пытается использовать водород, доступный в космосе, в качестве топлива, в то время как другой улавливает очень мощный лазер в сверхлегком парусе и ускоряется за счет импульса, сообщаемого светом

Если корабль несет топливо, значит, энергию, затрачиваемую на разгон, нужно использовать не только на разгон полезной нагрузки, но и на разгон массы топлива, которую вы везете с собой! Это приводит к так называемому ракетному уравнению , которое связывает энергию плотности вашего топлива, соотношение между массой топлива и полезной нагрузки и конечную скорость, которую вы можете достичь.

Результирующий анализ уравнения ракеты показывает, что для таких видов топлива, как химическое сжигание водорода с кислородом (это наиболее эффективное химическое топливо, которое у нас есть), мы действительно ограничены около 300 секунд (это единица, называемая ISP , которая измеряет, насколько эффективна ваша энергия) . топливо для производства кинетической энергии)

Если вы рассмотрите другие виды топлива, такие как реакции ядерного деления или ядерный синтез, вы можете получить более интересную эффективность. Например, проект « Дедал» , разработанный в семидесятых годах, предполагал, что межзвездный космический корабль достигнет 5 световых лет за 80-летнее путешествие, используя термоядерные гранулы в качестве топлива.

Помимо этого, Юджин Сэнгер изучал использование реакций антиматерии и материи для приведения в движение космического корабля. Такое топливо теоретически было бы наиболее эффективным физически возможным топливом в нашей Вселенной, поскольку в результате реакции вся масса-энергия частиц преобразуется в излучение (согласно формуле$E=m c^2$), это не считается практичным в обозримом будущем, потому что создание топлива из антиматерии неэффективно и дорого, но, что более важно, потому что крайне нетривиально безопасно хранить топливо внутри физического контейнера таким образом, чтобы может использоваться для приведения в движение ракетного корабля.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Даже если космический корабль будет ускоряться вечно, его скорость по отношению к другим объектам никогда не превысит скорость света.$c$. Доказательство приведено ниже.

Рассмотрим следующую задачу:

Космический корабль стартует вовремя$t=0$от Земли и движется с постоянным ускорением$w$в кадре покоя . Найдите расстояние от космического корабля до Земли в земной системе отсчета.

Это хорошо известная проблема из специальной теории относительности. Ответ следующий:

$x=\frac{c^2}{w}(\sqrt{1+\frac{w^2t^2}{c^2}}-1)$. Здесь$x$это расстояние от Земли.

График ниже иллюстрирует зависимость расстояния от времени (синяя линия):

Если$wt<<c$получаем классические формулы:$v=wt$а также$x=\frac{wt^2}{2}$.

если$wt→∞$скорость космического корабля стремится к$c$.

Вы также можете увидеть красную линию на графике. Это должно продемонстрировать, что по прошествии времени$t=\frac{c}{w}$даже лазерный луч, посланный с Земли, не смог бы догнать космический корабль.

Хотя это хорошие ответы на вопрос, почему искусственные корабли вряд ли когда-либо будут работать в качестве платформ для вечного или даже долгосрочного ускорения, я не думаю, что OP был нацелен на технологический сбой, почему этого так трудно достичь, так что вот мой мнение: в принципе, при подходящих допущениях можно разгоняться вечно. Возьмите совершенно пустое пространство, идеальный двигатель, отключите CMB, и вы готовы к нескончаемому ускорению. Но... я думаю, проблема в том, что люди смотрят на релятивистские проблемы снизу вверх. Второй закон Ньютона выполняется при любой скорости. Если вы сделаете два дополнительных предположения, а именно, что скорость достаточно мала и что вы имеете дело с постоянными массами, только тогдавы получаете известное соотношение между силой и ускорением F = ma. Но в ситуации, которую я думаю, вы имеете в виду, это не так - управляя таким космическим кораблем, вы можете иметь постоянную силу, толкающую корабль с постоянным набором импульса , который выражается в постоянно ускоряющемся движении, уменьшающемся в зависимости от скорости корабля. приближается к скорости света, но не достигает ее за конечное время. Таким образом, вы можете нажимать на педаль газа так сильно, как только можете выдержать давление на водительское сиденье. Но так как на больших скоростях связь между силой и ускорением рвется, то можно получить свое нескончаемое ускорение, но во все меньших количествах.

Для ускорения объекта в любой точке Вселенной требуется внешняя сила. Однако тело, получившее начальное ускорение, продолжает двигаться с постоянной скоростью после прекращения действия силы в пространстве, если только оно не натолкнется на небесное тело или не войдет в гравитационное поле. поле. например, земля притягивает или ускоряет объект своей гравитационной СИЛОЙ.