当火箭发射时,如何证明牛顿第三定律?

时间:2020-06-25 08:50:02   作者:
牛顿爵士的第三运动状态定律:

当一个物体对第二物体施力时,第二物体同时对第一个物体施力,力的大小相等,方向相反。

火箭靠气体的高速推进而工作。在上图中,我们可以看到四个阶段。

在(a)中,火箭只是坐在发射台上或者漂浮在太空中。发动机没有点火。我已经画出了使用自燃燃料的特殊火箭。这意味着能量的爆炸是由两种相互高度反应的化学物质接触而引起的。一种叫做氧化剂,另一种叫做燃料。

当火箭发射时,如何证明牛顿第三定律?

当它们接触时,放热反应产生大量的热量,混合的液体爆炸成气体(b)。

高温气体向各个方向迅速膨胀,在燃烧室(c)表面施加巨大压力。

气体在燃烧室一侧产生的力与在燃烧室另一侧产生的力相抵消。最终的结果将是火箭没有任何运动——除了在燃烧室的一侧(底部)有一个洞。朝这个方向飞的气体要么逃到大气中,要么逃到太空中(这取决于火箭当时所处的位置)。这样燃烧室顶部的力就不会受到阻碍,所以燃烧室(被火箭包围)就会响应这个力(d)向上移动。

从底部的孔中逸出的气体是作用,而反作用是火箭向相反的方向移动。

还有另一种方式来看待这个场景。这种方法来自于观察牛顿如何在他的第二运动定律中定义力。我们都知道,第二定律告诉我们,ΣF = ma—也就是说,在一个对象的力量的总和等于物体的质量乘以加速度。但牛顿并不是这么简单地写出来的。他用动量来表示。

当火箭发射时,如何证明牛顿第三定律?

合力等于动量随时间的变化动量等于质量乘以速度。速度随时间的变化量就是加速度。

所以,如果我们从动量的角度重读牛顿第三运动定律,我们会得出动量守恒的结论。这意味着对于一个物体的集合,当考虑与其他系统隔离时,总动量必须保持不变。

火箭是一个系统。推进剂(燃料和氧化剂)是这个系统的一部分。这意味着如果推进剂的动量因为高速从火箭背面抛出去而改变,那么火箭体的动量也必须改变并且相等或相反,以保持总动量守恒。

当火箭发射时,如何证明牛顿第三定律?

从这个方程中,我们可以看到,要让火箭加速,我们只需要让推进剂的质量加速远离火箭。我们可以看到,由于发射的推进剂的质量比火箭的质量小得多,我们需要把它加速到一个非常高的速度,以给火箭体带来一个小的加速度。
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