Три закона движения сэра Исаака Ньютона, которые во многом составляют основу классической физики, произвели революцию в науке, когда он опубликовал их в 1686 году. Первый закон гласит, что каждый объект остается в покое или в движении, если на него не действует сила. Второй закон показывает, почему сила является продуктом массы тела и его ускорения. Третий закон, знакомый каждому, кто хоть раз попадал в столкновение, объясняет, почему работают ракеты.
Третий закон Ньютона
Выражаясь современным языком, Третий закон Ньютона гласит, что каждое действие имеет равную и противоположную реакцию. Например, когда вы выходите из лодки, сила, которую ваша ступня прикладывает к полу, толкает вас вперед и в то же время оказывает равное усилие на лодку в противоположном направлении. Поскольку сила трения между лодкой и водой не так велика, как сила трения между ботинком и полом, лодка ускоряется от причала. Если вы забудете учитывать эту реакцию в своих движениях и времени, вы можете оказаться в воде.
Ракетная тяга
Сила, которая приводит в движение ракету, обеспечивается сгоранием ракетного топлива. Когда топливо соединяется с кислородом, оно производит газы, которые направляются через выхлопные сопла в задней части фюзеляжа, и каждая выходящая молекула ускоряется от ракеты. Третий закон Ньютона требует, чтобы это ускорение сопровождалось соответствующим ускорением ракеты в противоположном направлении. Совместное ускорение всех молекул окисленного топлива, когда они выходят из сопел ракеты, создает тягу, которая ускоряет и приводит в движение ракету.
Применение второго закона Ньютона
Если бы только одна молекула выхлопного газа вышла из хвоста, ракета не сдвинулась бы с места, потому что силы, прилагаемой молекулой, недостаточно для преодоления инерции ракеты. Чтобы заставить ракету двигаться, должно быть много молекул, и они должны иметь достаточное ускорение, определяемое скоростью сгорания и конструкцией двигателей. Ученые-ракетологи используют Второй закон Ньютона для расчета тяги, необходимой для разгона ракеты и ее запуска. он находится на запланированной траектории, которая может включать или не включать уход от гравитации Земли и выход в космос.
Как думать как ученый-ракетчик
Думать, как ученый-ракетчик, нужно выяснить, как преодолеть силы, препятствующие движению ракеты, в первую очередь гравитацию и аэродинамическое сопротивление, с наиболее эффективным использованием топлива. Среди важных факторов - вес ракеты, включая ее полезную нагрузку, который уменьшается по мере того, как ракета использует топливо. Расчеты усложняются тем, что сила сопротивления увеличивается с увеличением скорости ракеты и в то же время уменьшается по мере того, как атмосфера становится тоньше. Чтобы рассчитать силу, приводящую в движение ракету, вам необходимо учесть, среди прочего, характеристики горения топлива и размер каждого отверстия сопла.