我一直搞不懂,没有反作用力的真空环境中是如何利用喷气式发动机来推动飞船或者宇航员的?

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首先厘清一个概念,“喷气式发动机”一般指用于大气层的航空发动机,



但题目中明显指的是用于太空的发动机,用于太空的发动机通常称为“火箭发动机”。

两者的结构和工作原理是不同的,不过两者都是借助反作用力,都向外喷气。为了顺应题目,因此在本文中,我们用“喷气发动机”这一名词粗略地指代火箭发动机,有时也指航空发动机。

反作用力的实质和产生条件,反作用力的产生与是否真空无关。

的确,反作用力必须产生于两个以上的物体之间,一个物体是产生不了反作用力的(当然也不会产生作用力,作用力和反作用力总是成对出现)。如果不借助外物外力,一个物体内部的力再大,也不会使物体相对外部运动。除非有物质脱离物体,这些物质就会成为另一个独立的物体,可以对原来物体施加反作用力。

真空中确实没有实物粒子可供借力,但处于真空中的物体可以自己不断向外抛射物质,这些被拋射的物质就会对物体施加反作用力。真空就是空间,本身并不提供反作用力,提供反用力的是这些处于真空中的物质,而不是真空本身,这些物质才是最重要的。

喷气发动机就是利用向外喷射燃烧后的尾气物质提供的反作用力,来推动飞船前进。

当然,处于地球大气层的喷气式客机,除了借助向外喷射的尾气产生的反作用力,还借助大气层中空气的反作用力。

我们不妨把地球的大气层看作是存在着气体分子的“真空”,或者看作是真空中存在着气体分子等物质。不论是喷气式发动机向外喷射的尾气物质,还是空气分子,它们都可以看作是放置在真空中的物质。因此处于没有空气的太空中的飞船与处于大气层的喷气飞机一样,照样能利用反作用力,只不过太空中不能依靠空气,只能依靠火箭发动机喷射的尾气物质。这些物质当然都是火箭飞船自己携带的燃料产生的。



喷气发动机(火箭发动机)之所以携带能够高效燃烧且释放高能的燃料,是因为必须通过燃烧才能最终产生向外喷射尾气的动力。在拋射尾气的同时,获得了尾气提供的反作用动力,最终推动飞船和宇航员在没有空气的太空中遨游。


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首先告诉你,反作用力只是一个模拟解释,并不能说明渐行渐远的本质。


之所以反作用力被人接受,因为大多数是发生在地球的空气层内,,所以就形成了一个貌似正确的假象:空气参与也产生反作用力,同样也引起该问题提出者等朋友的质疑:太空中没有空气,反作用力又为什么也能存在。

其实反作用力的本质是存两个物体之间的渺观物质的多少造成的。


比如火箭发射,大量的燃料燃烧释放出来的渺观物质在火箭周围形成了越来越多的渺观物质,当渺观物质积累到地球和火箭的相互作用被破坏,火箭就腾空而起,可见,并不是空气提供的反作用力。

在太空中,只要在物体的后面能存在渺观物质间隔层,那么这个物体与后面的大质量物体的相互作用就被破坏了,因此这个物体也就勇往直前了。

如果人类还纠结于反作用力不放,那么就永远掌握不了遨游宇宙的本领,因为反作用力只是高耗低能机械力,并不能解决相互作用的本质性问题。


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在牛顿第三运动定律中指出的作用力与反作用力,相信大家都是非常熟悉的了。在日常生活中,作用力与反作用力可以说是无处不在,比如说我们平常走路的时候,实际上就是我们的脚给了地面施加了作用力,然后利用地面提供的反作用力前进。

类似的例子还有很多,这里就不再一一列举了,时至今日,人类对反作用力的利用早已不是局限于地面上的行动了。其中最令人骄傲的就是,我们制造出了可以进入外太空的宇宙飞船,完成了自古以来人类就一直期待的飞天梦想。

我们都知道,宇宙飞船的动力来自于自身的火箭发动机,而且火箭发动机的推力也是来自于反作用力。于是一个让人困惑的问题就出现了,在地球的大气层里,火箭发动机向后喷气,空气就会给宇宙飞船提供反作用力,但是太空里没有空气,不能提供反作用力,宇宙飞船又是怎么前进的?

没有反作用力的真空环境中是如何利用喷气式发动机来推动飞船或者宇航员的?

关于这个问题,我们可以用一个简单的实验来加以说明,下面有请这次实验的主角——小明出场。

现在小明穿上了溜冰鞋,并且站在光滑的滑冰场内,同时他的手中还有一个篮球。小明的实验目标是让自己移动一段距离,条件是只能利用手中的篮球传递给自己的力,而且篮球不能与其他物体接触。为了达到这个目的,小明是这样做的。

刚开始的时候,不管小明怎么挥舞这个篮球,他都无法移动,但后来小明忽然想通了,只见他将手中的篮球用力地向正前方扔了出去,不出意外的话,这时你就会观察到,在篮球被小明扔出去的同时,小明也在向后退行。

好的,现在实验做完了(小明同学你已经成功了,可以退下了),现在我们来分析一下这个实验结果告诉了我们什么原理。

牛顿告诉我们,只有两个独立的物体之间,才会产生作用力与反作用力,因此,当小明挥舞手中篮球的时候,实质上他和这个篮球可以看成是一个物体,那么小明当然无法从中获得反作用力了。而当小明扔出篮球的时候,小明和篮球就变成了两个独立的物体,根据牛顿第三运动定律,在这个时候,蓝球就会给小明一个反作用力,从而导致了小明向后退行。

同样的道理,因为太空里没有空气,不能提供反作用力,所以当宇宙飞船在太空中飞行时,宇宙飞船前进动力的来源就是,火箭发动机向后喷出的物质所提供的反作用力。为了方便理解,我们可以将宇宙飞船比做上述实验中的小明同学,而将宇宙飞船向后喷出的物质,比做小明手中的篮球,这样我们就可以很清楚地了解到,在太空中宇宙飞船是怎么前进的了。

我们利用这种方式进行推进的发动机,称之为工质发动机,它必须利用可以实现热能和机械能互相转化的工作物质才可以得到推力。我们可以看到,这种发动机需要携带大量的推进工质,这无疑是人类探索外太空的一个巨大的障碍。

所以科学家们都对无工质发动机相当感兴趣,对此,英国工程师罗杰.索耶(Roger.Shawyer)曾经提出了一种无工质发动机的模型,即电磁驱动装置(EmDrive),据称该装置可以利用大量的电磁波,在一个封闭的容器里产生动力。

电磁驱动装置因严重违反了牛顿第三定律而饱受质疑,然而奇怪的是,在实验过程中研究人员发现,这种装置的原型机似乎真的可以提供极其微小的动力。可以想象的是,如果该装置可以在宇宙飞船上得到有效应用,那么必定是人类航天史的一个重大突破。


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魅力科学君


“我一直搞不懂,没有反作用力的真空环境中是如何利用喷气式发动机来推动飞船或者宇航员的?”,由力的性质可知,力是物体之间的相互作用,不能离开物体而单独存在,在太空中,宇宙飞船之所以可以实现加减速的与转向,就是因为它依然会受到反作用力的影响。

我们可以通过力学三大定律来分析太空中宇宙飞船的受力情况

牛顿第一定律表明,力是改变物体运动状态的原因。如果宇宙飞船的飞行速度或者飞行方向发生了变化,表明宇宙飞船必然受到了力的影响,这个力的来源我们可以通过牛顿第二定律与第三定律来分析。

牛顿第二定律表明,力是产生加速度的原因。宇宙飞船无论加速、减速或者转向,都产生了速度的变化,而力就是速度变化的原因。牛顿第三定律表明,力是相互的,且作用力与反作用力大小相等方向相反,在同一条直线上。如果宇宙飞船具有向前的推力,那么其必然会产生一个向后的力,因为力无法离开物体单独存在,所以这个向后的推力必然会作用在某些物体上,我们都知道宇宙飞船加速的动力来自于喷气发动机,但是喷气发动机在没有任何附着点的太空,如何去推动宇宙飞船呢?

通过分析喷气发动机工作过程来了解推力的来源

我们可以简单分析喷气发动机的工作过程来了解推力的产生原因,宇宙飞船的燃料通过管路输送到喷气发动机的燃烧室中,在这里燃料会发生猛烈的燃烧爆炸,从而产生大量的高温高压气体,这些高温高压气体从发动机的尾喷口高速喷出。在这个过程中,燃料由相对于宇宙飞船的静止状态转变为高速的运动状态,由牛顿第二定律可知,这种速度的变化必然有力的参与,这个力的效果就是使燃料自身由相对于发动机静止变成高速向后喷射,由牛顿第三定律可知,使燃料高速向后喷射的力施加在发动机上会使发动机获得前的力,而发动机连接在宇宙飞船船体上,因此最终的表现形式就是,宇宙飞船发动机喷射的高温高压气体会使宇宙飞船获得与气体喷射方向相反的力,这就是宇宙飞船通过喷气发动机产生推力的过程。

那么这个推力的源头在哪?我们知道在喷气发动机的燃烧室中,燃料由液态静止状态变成高温高压的气体状态经历了燃烧爆炸的过程,所以宇宙飞船的推力力其实源自于燃料的化学能。由动量守恒定律可知,虽然喷气发动机喷射的物质质量很小,但是其喷射速度非常高,可达每秒上千公里,由动量守恒定律可知其依然可以为宇宙飞船提供巨大的推力。

(下图,火箭发动机结构简图)

结语

通过力的性质可知,力是物体间的相互作用,且不可离开物体而单独存在,这就表明反作用力的存在与否和宇宙飞船是否处于真空环境无关,通过分析喷气发动机的工作过程可知,宇宙飞船的推力来自于燃料加速后“抛”的反作用力。


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漫步的小豆子


反作用力跟是不是真空环境没有一点的关系,题主对反作用力的基本概念还是认识不够。下面,作为从事力学科研14年,从教力学课程7年的小青椒,就从反作用力基本概念开始,分析喷气式发动机的推力来源,解答本问题。

1、反作用力

牛顿力学中,作用力与反作用力是牛顿三大定律之一,他们大小相等、方向相反,并且共线。但是,很多人对反作用力的了解也就止步于此了。如何寻找作用力与反作用力,有时候很多人找不到,从而就带来了题主这样的困惑。

作用力与反作用力是一对孪生兄弟,他们总是成对出现。有其一,必有其二。那么究竟如何寻找,或者说如何判断作用力与反作用力呢?

作用力与反作用力,是存在与两个互相作用的物体上,一个物体施加给另一个物体的力是作用力,反之另一个物体也会有相应的力施加给一个物体(反作用力)。


从上面这段话中,我们可以发现,作用力和反作用力不是作用在同一物体上的,而是分别是一个物体对另一个物体之力。受力对象是分开的。举个简单的例子,平静的河面上,有两条小船。船上一人,用桨把另一条小船推开了。那么被推开的小船收到桨的推力,反过来桨也受到了该小船的推力。这两个力就是作用力和反作用力。

2、喷气发动机的反作用力

先来看下喷气发动机的结构,当然,下图的发动机需要空气。空气从进气道进入,被压气机压缩,经过燃烧室燃烧,推动叶轮作功,最后从喷口喷出。推力来自于喷口,而不是推动叶轮作功。

尾气从喷口出来,推挤着外部的空气。反过来,外部的空气也在推动着尾气,进而把力传递到发动机结构上,这个就是利用发动机推力的反作用力。

3、火箭发动机的反作用力

对于外太空的真空环境,这种依靠进气道的喷气式发动机显然是不合适的。所以,进入太空的发动机,都是自带大量燃料的,像火箭发动机。如同普通喷气发动机一样,反作用力来自空气的反推力,火箭发动机的反推力来自刚排出的火箭尾气。如下图。

同等条件下,显然普通的喷气式发动机获得的推力更大,因为有空气的存在。所以,火箭发射的时候,刚开始是比较省燃料的,进入天空后,想要获得同样的速度,燃料消耗就多了。当然这是不考虑空气阻力的同等条件。实际上,空气阻力太大了,相当一部分燃都用来客服空气阻力了。


4、总结

想要稍微地深入分析,基本的力学概念是一定要清晰的。火箭发动机的推力(反作用力)来自于被喷出口的燃料尾气。

PS:之前的涡喷配图错了,已修正。谢谢大家指正。


力学Nerd王小胖


题主大概是把飞船想象成人在水中游泳了,必须用手把介质(水)往后推,人才能借助反作用力向前运动。但这个比喻实际是不恰当的,如果非要用人在水中运动来比喻的话,事实应该是人在水中向后喷射出某种气体,由于气体向后运动,人从而在气体的反作用力下向前运动。

牛顿第三运动定律说,当两个物体相互作用时,彼此施加于对方的力,大小相等,方向相反。作用力与反作用力必然会成双成对地出现,比如你打我一拳,你的拳头作用在我的胸口,在你的拳头接触到隐藏在我胸前衣服里的钢板的一瞬间,你的拳头给了钢板一个作用力,钢板也必然给你的拳头一个咎由自取快慰人心的反作用力。这个作用力和周围的空气无关,如果我们都在水里,这个作用力也和水无关,推而广之,如果我们都在太空里,这个作用力当然也和我们之外的任何东西都没有关系。所以太空中有没有空气,是不是真空,都不重要,都不妨碍你打我胸口一拳,唯一妨碍这一拳的,是没有空气给你呼吸,我看你丫怎么打出这一拳。

所以请你记住,作用力与反作用力,只与彼此作用的两个物体有关,其它任何第三者都是不受欢迎的。飞船在太空里飞行,作用力与反作用力也只与飞船和发动机喷出的气体有关,和其它任何物质无关,如果周围有其它物质存在,反而会产生阻力,阻碍飞船的飞行。这就像你在太空无重力的真空环境里,喷射出某种气体,虽然力量微不足道,但也有可能会推动你缓慢移动;而在地球的水里,你喷射出某种气体,由于水的巨大阻力,你就完全没可能有任何运动了。

真空并不会导致没有反作用力,能导致没反作用力的,是没有作用力,因为这两个家伙是形影不离,矛盾的两个方面,缺一不可。


徐德文5分钟科学频道


喷气式火箭在太空中飞行务必携带氧化剂否则太空没有氧气助燃火箭发动机是无法点燃工作,在太空中尽管没有空气作为火箭发动机反推力的受力部份,但在没有空气阻力的太空中火箭发动机喷气发动机向后喷射的燃气依然会产生向前的动力,这就是牛顿第三物理定律中的“力是物体间的相互作用”。


栖雁林


首先“真空中没有空气,也就意味着火箭发动机没有反作用力”这是错误的说法!


火箭的反作用力不是因为空气的存在才有的,换句话说就是火箭不是靠向后推动空气获得动力的。

火箭的原理遵循动量守恒定律,即MV=mv,大写的M,V代表火箭的质量与速度,小写的m,v为燃料的质量与速度,所以火箭速度为V=mv/M。

也就是系统在内力作用下,当一部分向某一方向的动量发生变化时,剩余部分沿相反方向的动量发生同样大小变化的现象.

按照牛顿力学的第三定律,当两个相互作用的物体,其作用力与反作用力总是同时存在,而且力是大小相等,方向相反的。

比如人用手推墙,手臂作用在墙上,你的手臂给了墙壁一个作用力,必然墙壁也会给你的手臂一个作用力。这个作用力和周围的空气无关,作用力与反作用力,只与彼此作用的两个物体有关,所以太空中有没有空气,是不是真空,都不重要。真空并不会导致没有反作用力,反作用力只与作用力有关。


事实上,飞船或者火箭在太空中飞行,作用力与反作用力也只与飞船或火箭发动机喷出的气体有关,和其余的任何物质都是没有关系的。


当飞船和火箭飞行时,依靠自身携带的燃料燃烧会产生爆炸气体,毫无疑问的是这些产生的气体肯定是有质量的,当气体以极快的速度向后喷出,这样就会给飞船一个强大的推力,会加速飞船或火箭的速度。


星球上的科学


目前已知的任何地方都存在作用力和反作用力。

这位同学,如果你是一个仅仅小学毕业的人士,情有可原,甚至很欢迎你能够提出质疑,如果是初中学历以上的人士,则你所学的物理,早就还给老师了。

航空发动机和火箭发动机最本质的区别是:一个是靠划桨前进,一个是靠扔东西前进。

与之对应的生物学概念就是:鱼类靠摇动尾巴推开水获得前进的动力,而乌贼套跑则是喷射出体内的墨汁+海水,获得反向速度(注意,是体内的液体,包括墨汁和吸入的少量海水);生活中的道理就是一个用划动船桨,让船前进,另一个是我们站在小船上,向后扔铅球,船照样前进。其实还有一个更为直观的例子:充足气体的橡胶气球,手指捏住充气口,一旦撒手,气球就会“咻”地一声,沿着奇怪的轨迹窜出去。这就是火箭的原理。



划桨的时候,离不开水;扔东西的时候可不一定要水的存在,我们站在冰面上,向后扔东西,也会前进。


航空发动的原理就是划桨,早期我们看到的螺旋桨飞机就是这样子的,不管是星型转缸发动机还是转轴发动机,本质是吸进空气燃烧做功,搅拌周围的空气,产生推动力前进。


在喷气机时代,不管是高涵道比的客机发动机还是低涵道比的军用喷气发动机,都需要靠前面的涡轮风扇吸入大量的空气,一部分用于燃烧,另一部分加热喷出去,从而获得动力,记住,是因为燃烧需要空气中的氧气加入,因此航空发动机离不开大气层。


火箭发动机就不一样了,它的原理是扔东西,扔得越快、越多,加速度越大。现在的火箭发动机是调用自身储存的氧化剂和还原剂,在燃烧室爆燃,由于只有一个出口,因此高温高压气体作用在燃烧室内壁的压力就转化成了动力。这就是作用力和反作用力原理,是物理界的基础理论。我们看到火箭的超大个头,其实大部分是用来装载液氧(氧化剂)+液氢(还原剂)的,固体火箭发动机则更狠,将含有硝基的氧化剂和铝粉这样的还原剂直接调和到一起,形成固体,装在火药桶,中间留有管道,只要点燃,如同爆炸一般,直接推动火箭上升,远离类似“二踢脚”,没法子,太空中没有空气让我们借助慢慢烧。

记住重点,这要考试的:作用力和反作用力只和力的施加者和受力者有关,与其它事物无关,因此,是否存在空气与反作用力没啥子关系。


在太空,宇航员的每个动作都需要小心,向前用力扔一个扳手,可以把自己向后推,甚至吐口痰液能够做到(只要你敢打开面罩)。实际上,宇航员在太空的姿态调整就是靠喷射压缩空气获得动力的,这就是为啥子目前的太空服背后都有一个扁平的大盒子的原因。


当然,宇航员猛推自己的飞船,也能获得动力,远离飞船,如果没有安全绳,他就会逐渐飘远,自己成为一颗卫星。


再也不要说太空没有反作用力这样的奇葩语言哦!



诸葛小村姑


飞船上的喷气发动机燃烧的并不是空气中的氧气,喷出来的气体是自身带的燃料燃烧时产生的,燃烧用的燃料在飞船上自己带着。

作用力与反作用力是对受力物体来说的,不论是发射火箭还是飞船,它们的飞行与空气没有任何关系。

飞船和火箭飞行时,依靠自身携带的燃料燃烧发生爆炸气体,这些气体是有质量的,当气体以每极快的速度向后喷出,会给飞船一个强大的推力,给飞船一个加苦速度。

实际上飞的船在空气中飞行时,还要克服空气的阻力,而在太空中没有了空气的阻力,喷气发动机会使飞船飞得会更快。


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