宇宙中基本没有阻力,火箭发动机不停工作,速度是不是会越来越快?

肥皂我只用雕牌


是的,速度会越来越接近光速,不过也有两个前提:燃料无限多、推力无上限


简单说说这两个前提:

①燃料无限多

我们都知道,外太空几乎没有气体阻力,因此在不考虑大天体的引力条件下,火箭的飞行显得格外简单。

只要保证屁股后面持续喷火即可,动量守恒告诉我们,只要有物质向后喷出,那么火箭主体就能朝相反方向加速运动。因此在这个层面上,只需要火箭携带的燃料无限多,那么就能一直加速下去。


②推力无上限

在低速状态下,牛顿动力学可以描述火箭的飞行状态,但是到高速状态下,相对论效应不可忽略。

最明显的就是火箭随着速度的上升,自身的质量开始增加,这时候主体的速度增加幅度会下降,也就是加速变得越发困难,此时唯一的解决办法就是增大推力,如果越发逼近光速,那么推力就要无穷限的增大,虽然最终还是不能达到光速。

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赛先生科普


宇宙中基本没有阻力,火箭发动机不停工作,速度是不是会越来越快?

理论上在火箭发动机不断工作下,达到无限接近光速是可能的,但实际却是一个不可操作的问题,因为在飞船越来越接近光速时会有一个质增效应,即速度在约接近光速是,质量趋向于无限大,然而无限大的载荷下,没有任何一具发动机可以再让速度增加:

质量与速度的关系,在低速时不明显,几乎可以忽略不计

M为接近光速时的物质质量,m为实际质量,当V接近光速时,分母的值会趋向于0,因此无论m为多少值,得到的M结果都是趋向于

当然我们地球上没有任何一种发动机能让一个无限大质量的速度再增加哪怕是1MM!

当然不考虑实际情况仅仅从理论上来看,趋向无限接近光速这个论述很严谨,是没有问题的,因此我们假设提问是成立!


星辰大海路上的种花家


根据牛顿第二运动定律:

如果物体受到的合外力不为零,它将获得与合外力方向相同的加速度。加速大小与合外力的大小成正比,合外力越大,加速度就越大。因此,受到合外力不为零的物体将会不断加速运动。

宇宙几乎是真空的状态,只要火箭发动机不断工作,合外力不为零,火箭就能不断加速。然而,火箭不能无限加速,也无法到达光速,只能接近光速,因为上述的表达式只能在低速的时候使用。

事实上,加速度的大小还与物体的质量成反比,而物体的质量又与速度大小成正比。在物体高速运动时,质量变化所带来的效应不可忽略。牛顿第二运动定律更为准确的表达式如下:

物体的质量是个变量,它随着运动速度的增加而不断增大。当物体的运动速度达到很高时,就需要考虑这种变化。根据爱因斯坦的狭义相对论,物体的运动质量计算公式如下:

如果物体的速度为1马赫,即340 m/s,其运动质量相比静止时增加了0.00000000006%,几乎可以忽略不计。然而,当物体的速度为0.9c时,其运动质量相比静止时增加了2.23倍,质量变化已经非常显著。

从物体的运动质量公式可以看出,当速度趋近光速时,公式中的分母趋近于零,所以运动质量趋近于无穷大。如果在此基础上,火箭想要继续加速,就需要无限大的推力,从而火箭就需要携带无限多的燃料。只有在火箭拥有无限燃料时才能一直加速到无限趋于光速,显然,这是不现实的。因此,火箭不会无限接近光速,更不会达到光速。


火星一号


答:这个是肯定的!在没有阻力和天体引力的情况下,只要你的推进器不断工作,那么你的速度就能一直增加,甚至可以无限接近光速!


以上“速度一直增加”和“光速为极限”并不矛盾,因为这是收敛的无限趋近问题。

其中用到的原理:动量守恒、质能守恒、狭义相对论!

对于火箭来说,只要有燃料充分,速度就能一直增加,但是最终速度是多少,取决于你携带燃料的质量和推进器的喷气速度,这里最终速度的极限不一定是光速,只有当“燃料质量/火箭整体质量”趋近于“1”时,最终速度的极限才是光速!



对于火箭和燃料组成的系统来说,只要推进器不断把燃料从火箭后方喷出,火箭就能一直处于“加速”状态,速度也会越来越快,这是动量守恒的推论。


但同时,整个系统也受到质能守恒和狭义相对论效应的限制,这会导致两个结果:

(1)飞船的最终速度,取决于“火箭携带燃料质量”和“推进器的喷出速度”;

(2)受狭义相对论质增效应影响,在“燃料质量/火箭整体质量”趋近于“1”时,最终速度的极限为光速,其他情况的极限都小于光速;



需要说明的是,在燃料质量为有限值时,推进器的喷出速度会影响火箭的最终速度,但并不是“相等关系”。


比如:推进器的喷出速度为20km/s,但火箭的最终速度,是可以超过20km/s,甚至远远超过都行,因为最终速度还取决于质量;喷出速度是相对于火箭的,火箭达到20km/s后,并不会影响火箭的继续加速。




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艾伯史密斯


可以说是的。首先定义一下「速度越来越快」这个概念。即:

火箭发动机在太空中工作,产生推力的基本原理,是利用「动量守恒」原理,在向后喷出物质的同时,从而产生相反方向的推动力。然而问题中提到的「火箭发动机不停工作」,是有问题的。至少在当前的技术下,「火箭发动机不停工作」这句话意味着火箭要能携带无穷的物质,这显然是不可能的。不过,如果考虑质量渐进增加的问题,还是可以讨论一番的。所谓质量渐进增加,是指如果假设火箭质量为(燃料质量 + 结构质量),一开始假设其质量有限,然后计算最终速度在质量逼近无穷大时的表现。注意这里的结构质量也与燃料质量有关,可以近似的认为,结构质量的数值^3 = 燃料质量的数值。

可以列方程,有:

这个方程没有考虑到相对论效应,但总体趋势是基本没有问题的。如果这个方程得到速度趋向于无穷大,那么实际的速度就会无穷逼近光速。

解得:

其中,m是结构质量,M0是燃料质量,dm是单位时间里,喷射的燃料,F是推力。之后将m用上文提到的关系替换,将t改为M/dm,计算M0-->∞时的结果,得道的结果恰恰也是无穷大。

为了更加形象的描述,这里绘图说明:

整体来说,最终速度与携带燃料的质量是成对数增长的,也就是说,速度越大,所需要的质量就会成指数级别的增长。注意上面的计算是不可以用所谓直觉来代替的,因为燃料增长的同时,质量也在增长,使得加速更难。这时,若不进行计算,那是无法得到答案的。


章彦博


说实话宝宝能问出这个问题证明宝宝是有水准的,但是“思而不学则die”,有时候很多基本的东西被忽视会导致人类在很多天马行空的思想出现很多低级错误。

首先请宝宝在脑海里挖掘一下中学物理老师的音容笑貌,然后顺便缅怀一下英国中世纪的一个神棍——牛顿。

牛顿这货除了拜上帝和有事没事借着位高权重迫害迫害莱布尼兹这些平民科学家之外,剩余的时间都奉献了物理学和数学。事实上牛顿对数学的研究更深(不然也和莱布尼兹打不起来)。但他在物理学上的影响太特么大了,以至于多数人都忘了这货还是个数学家。人们一谈到牛顿绝对第一个想起万有引力,还有让中学生内牛满面的牛顿三大定律。

说到三大定律,简单表达就是1.惯性定律。2.F=ma。3.作用力=反作用力。其实这三句话并没用把牛顿的意思表达全,但已经很能说明一些问题了。

就牛顿第一第二定律来看,加速度是由力产生的。照理说只要有力一直对物体做功,那这个物体就一直加速。可是力是怎么产生的?上过中学的都知道力是一个物体对另一个物体的作用,说白了就是一个东西推另一个东西。我们用大白话把牛顿的意思表达一遍,如何让一个东西加速?唯一的答案是找另一个东西推着它。

接下来说火箭的推动。火箭的推动是靠发动机向后喷出气体,由牛三定律这些气体产生反作用力推动火箭前进。对吗?好像没毛病。但是牛一牛二牛三不要分开看。火箭要加速就得让喷出的气体反推火箭(牛一)喷出的气体反推动火箭的前提是火箭得对气体有力的作用,也就说火箭得推着喷出的气体(牛三)。火箭推动喷出气体的力等于喷出气体推动火箭的力。问题是……气体特么的推起来根本不费力。

当然仅仅靠火箭喷出气体的力量推动火箭前进是可以计算的。请宝宝们翻开高中物理书,找到“动量守恒”这一章。在真空(无阻力)环境下。火箭(质量M)要从静止达到速度V,就要把质量为m的气体以v的速度一!次!性!推出去。其中MV(模)=mv(模)。也就是说你要让一个100000t的火箭从静止达到光速,你就要把100000t气体一瞬间以光速喷出去……你特么在逗我。

先不说“光速”达不到(你给老子找一个反应以光速进行)“一瞬间”达不到(你以为二踢脚啊!),光着100000t燃料(必须是能往外喷的燃料)你给我从哪找?如果达不到“光速”和“一瞬间”的话,你又要准备成几何倍数的燃料。我估计以现在生产氢气的速度,咱们全球齐努力大干10000年都不够。所以说靠喷气式发动机达到光速,技术上不可行,理论上也不可行。地球人不行,外星人也不行。咱们现有的太空飞行器都是靠惯性,以一个比光速慢的多的速度匀速运动。事实上助推器这玩意儿在气压较大的地方用处明显的多(有空气阻力的存在,喷气产生的推力更大),真空环境下也就调节个轨道吧。

当然咱们抛开现有技术不谈,在理论上有没有可以让太空飞船达到光速?其实理论上有的。下面请理工科的宝宝们翻开《大学简明物理》找到一个叫“卡文迪许”的帅哥(那个谁!谁她妈叫你翻海贼王了!)。这个帅哥通过实验证明了光的粒子性。也就是让人吐血的“波粒二象性”被这个帅哥证明了。既然光有粒子性,也就是说光有“碰撞体积”,也就是说光有冲量,也就是说光可以作为推动火箭的“东西”了。最最重要的是,宇宙中光无处不在。所以我们搞了一个叫“太阳帆”的东西(请百度)。把太阳光作为推力源,不停的推动飞行器前进。可是因为现有技术的限制,还远远达不到光速。


跳梁zk


本来想用能量学解释,但是突然发现如果发动机永不停歇,能量源源不断产生却违背能量守恒定律,所以没法回答

如果小编想问理想化的问题,那就不要放在宇宙这种现实当中,大可问在真空中没有阻力,发动机不停工作,速度会不会越来越快,答案是,会的。

但如果放在宇宙中,就要考虑星体间的势能影响,在速度逐渐增大的过程当中,火箭会逐渐脱离中心星体群,热能转化为动能和势能,动能定位速度为横轴,势能定位位置为纵轴,你所拥有的热能,就可以表现为宇宙中的一个坐标点


Tymon3


这个根本就是不可能的!

首先,要想发动机一直工作那就需要很多的燃料。以现在的技术送这么多燃料上太空是非常费钱不划算的!除非你不考虑钱的问题!

第二,就是相对论的问题!一个物体速度越快,它的质量就越重!因为在地球上人类制造的飞行器速度太慢了!所以,相对论的效应看不出来!但是,无限接近于光速,那就非常明显了!到时候物体重道你无法推动的地步了!

所以,你说的把飞行器在太空中推到无限接近于光速,是不可能的!虫洞是一个比较科幻的,也有可能实现的一种超光速的技术!

举个例子:一张纸上两个点之间最短距离是一条直线!但在三维平面上这不是最短距离!把这张纸对折,让两个点重合,再在这个重合的点上用一支笔打个洞,那么从一个点就可以穿到另一个点上!那么现实当中这个捷径就是虫洞,以人类现有的技术是不可能实现的!而且,虫洞存不存在也无法证实!要是不懂,可以去看看《星际穿越》。


我是忧郁的小王子


速度肯定是越来越快,若根据艾因斯坦的相对论,只能无限接近,比如今天加速了1,明天加速了0.1,后天加速了0.01,N天后加速了0.00……(N个0)1,一直加速,但却永远只能越来越接近光速;但是谁又能保证不会在某一个节点,就象当时发现超导现象一样,出乎意料的突然一下子规矩全变了,本来是随着温度降低电阻越来越低,让人意想不到的是到了某某温度一下了变零电阻了。当初人们在突破意速时不也把音速比做不可逾越吗?还取名“音障”,后来不也突破了吗?然后2M,3M……,谁又能保证这个不是“光障”,一不小心逾越了,2C,3C,……也不成问题,伟人也是人,不明白人为什么总是不停的在给自己画上一个又一个的框框,还规定不许越过。有朝一日,又会出现个什么论,越个光速算个什么问题,爱因斯坦说的准确的说估计的也不是全对的,走着看才是正理,真理等着我们去发现,不全是靠推理。


怡鑫五金mg


首先,火箭在地球上是依靠燃料燃烧产生的助推力提供动力,其后在太空中目前的技术主要靠向相反方向抛射物质达到改变速度的目的,要想不停工作,必须有足够的物质!所以请问怎么不停工作?

忽略上一个问题不说,宇宙中确实可以认为没有阻力,没有空气阻力,但是引力却是无所不在的,也许你能找到一个引力相对平衡的一个点,也许这只是相对于某个系统内的平衡,在更大范围内却不一定能够使引力平衡。再退一步,就算某个小范围内引力平衡,可以视为没有阻力,但是一旦给了一个加速度,必然离开这个区域,然后,就又开始受到来自四面八方的引力的影响。也许是和加速方向相同,也许相反,但是,这种力是客观存在的,也许一不小心撞到某个天体的捕获范围,你又没有足够的逃逸速度,就直接GG!

最后,不要再问那么多没有意义的问题了,今天问宇宙没有这个会怎样,明天问地球没有那个会怎样,哪里来的那么多可以关心的事啊,还问的都是些简单理论或者生活经验都能解决的问题,如果真的感兴趣,不懂就去自学啊,这里的又不一定都是大神,我就是一个凑热闹的!


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