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很多人会问这样一个问题:
火箭在大气中依靠空气,也就是作用力与反作用力,来获得推力,把火箭推向太空。那么,太空中没有空气,没有反作用力了,又是什么原理呢?
提出这样一个问题的人,他们只是关注到了“太空中没有空气”这样一个事实,但却忽略了“火箭还是那个火箭”这样一个事实。
有人觉得:火箭在大气中的飞行原理是牛顿第三定律,而在太空中飞行则是动量守恒原理。
同样一枚火箭,在大气中飞行与在真空中飞行,只是空间发生了变化,难道飞行原理就变了?
显然,这样的解释是不合逻辑的。那么,如何理解呢?
其实,道理很简单。“牛顿第三定律”与“动量守恒原理”是一个道理,而且,“动量守恒原理”就是由“牛顿第三定律”推导出来的。在现代物理学中,动量守恒定律、能量守恒定律与角动量守恒定律相比牛顿定律更为普遍适用,它们既应用于光,也应用于物质;既应用于经典物理学,也应用于非经典物理学。
一句话:“牛顿第三定律”与“动量守恒原理”是从不同角度来解释火箭的飞行原理!
具体来讲,“牛顿第三定律”(动力学)认为,两个物体之间的作用力和反作用力,总是同时在同一条直线上,大小相等,方向相反。火箭喷出气体之后,无论在有空气的空间内还是没有空气的空间内,都会发生膨胀(化学过程加上物理过程),这就是说,火箭(化学反应空间)本身给了这个气体一个作用力,所以,火箭得到了一个反作用力。
“动量守恒原理”(动量学)认为,火箭与喷出的气体,是一个整体,这个整体的动量是守恒的。当气体膨胀时产生压力,这个压力使得火箭和气体同时获得了一个方向相反的冲量,冲量就是动量的变化量(即力的作用改变了动量),而总的动量就是火箭的动量加上气体的动量。气体动量往后,火箭动量则往前,实现动量平衡。
最后,有几个概念问题:
1,有人把火箭的反作用力和划船相比,桨向后划给水一个力,水再给桨一个反作用力,桨再把力传给船。这个比喻使人产生误解,误认为火箭在空气中如同船在水中,没有空气,火箭得不到反作用力。
2,发明火箭就是为了在真空中运行的。原理如下:想象我们的简易火箭竖直向上漂浮在真空中,静止不动。这简易火箭最下面固定着一个平板,燃料和氧化剂管出口就在平板下方,喷出燃料燃烧产生大量气体。气体向前后左右上下六个方向自由膨胀,其中向上膨胀的部分气体作用在平板上,就能推动真空中的火箭上升。但这样向其他五个方向膨胀的气体都浪费了,真实的火箭发动机把这个平板向下弯成一个梨型的容器,将燃料和氧化剂出口包在内部,并仔细设计形状,使气体作用在容器内壁向上的力最大。实际上,火箭发动机在真空中的效率是最高的,在空气中,由于空气阻碍气体喷出,会使发动机效率降低。
3,火箭有没有反作用力跟空气无关,空气的存在,只是增加了阻力和浮力;而在太空,反作用力会比在地球上的反作用力更加轻松,因为在地球中存在着介质阻力和摩擦力。
4,飞机在空气介质中前进,而太空船则是在真空中飞行。牛顿第三运动定律在太空船的飞行中同样起作用。如果太空船要转弯,它必须向预定前进方向的反方向喷射火箭推进器(喷出的物质是灼热的气体)。太空船共有三个旋转轴:俯仰、滚转和偏航。如果飞行员希望向右转,火箭推进器会向左喷射,通常滚转和偏航推进器也要同时喷射。这种机动推进器分布在太空船体的各个不同位置,可使太空船在三个旋转轴上运动。因此,太空船在转弯时就像是突然在一个方向(或多个方向同时)发生翻转,而不是发生平滑的横向倾斜。