03.03 既然力的作用是相互的,宇宙飛船為什麼能在接近真空的宇宙中飛行?

用戶61530616691


前段時間有讀者問我,宇宙是真空的沒有空氣,那宇宙飛船是怎麼前進的呢?我結合這個問題一起回答下。

我們都知道在地球上飛機能夠飛行依靠的是機翼上下的壓強差來抬升飛機的,飛機飛的越快,流速就越大,壓強差就越大,飛機就可以飛的更高,這一切都是以空氣存在為前提的。100多年前火箭還沒被髮明的時候,有很多人就反駁說火箭不可能在太空飛行,因為太空中不存在空氣。但其實進入太空以後,火箭和宇宙飛船都是依靠反衝力來改變自身運動狀態的,反衝力來源於火箭或宇宙飛船本身,並且它不需要依靠空氣。動量守恆告訴我們,當宇宙飛船需要在太空加速的時候,發動機就會噴射高速氣流,從飛船自身分離出一部分物質,這些物質會產生一個反方向的推力,這個推力就叫做反衝力。手槍子彈發射產生的反衝力就是我們常說的後坐力;充滿氣的氣球鬆手後,氣球會亂飛也是反衝力的原理;空氣彈簧中,當氣體被壓縮,會產生反衝力來起到緩衝防震的作用等等。

另外還有一點,很多人在大腦中不自覺的認為宇宙飛船在太空中前進是要依靠持續的噴射才能前進,但宇宙是一個近乎於完全真空的環境,每立方米只有4個質子大小的微粒存在,所以在這個空間內,宇宙飛船隻要有速度就可以依靠慣性勻速前進,幾乎不存在阻力。力不是維持物體運動狀態的原因,力是改變物體運動狀態的原因,當飛船需要加速的時候才需要發動機噴射氣流提供反衝力。


科學薛定諤的貓


這是一個屬於牛頓力學範圍內的問題,反映出一種經典的思維謬誤:認為力是維持運動的原因,物體不受力就不會運動。錯了!實際情況是:力是改變運動狀態的原因,物體不受力就會保持靜止,或者保持勻速直線運動。

必須說明一下,這種錯誤的思維,在古人看來是常識。即使在現在,在許多沒有學過牛頓力學或者沒學好牛頓力學的人看來,似乎也是理所當然的。

原因很明顯:日常生活中,一切東西似乎都有靜止的趨勢,你想讓它運動起來,就必須自己出力去推動它,而一旦你停止用力,這個東西就會很快停止下來。典型的例子是手推車,你不推它肯定不會動,你必須努力去推它,才會前進,而你一旦放手,手推車很快又會停下。

人們對“力”的認識,最初就來自自己的肌肉緊張的感覺,這就叫做“竭盡全力”。因此,墨子說過:“力,形之所以奮也。”這看起來非常符合常識,對嗎?

這種思維唯一的問題只是在於,沒有考慮鬆手以後物體為什麼會停下來。實際上,手推車或者諸如此類的東西都受到地面、空氣等等的摩擦力,你之所以要推它,是為了跟這些摩擦力作鬥爭。而你放手以後,手推車不再受到推力,只受到摩擦力的作用,所以會速度越來越低,最後停止。

假如你把摩擦力減小一些,例如平整道路,或者在道路上灑油,你就會發現鬆手後物體可以滑出更長的距離。假如你把摩擦力減到很小,例如像初中物理實驗那樣用氣墊滑塊,你就會發現物體可以滑出很遠很遠。那麼,假如你把摩擦力減到0呢?

氣墊滑塊

合理的推論就是,摩擦力為0的時候,物體根本不會減速,它會維持現有的速度,無限地滑行下去。這就是牛頓第一定律。

力不是維持運動的原因,而是改變運動狀態的原因,你現在明白了吧?


科技袁人袁嵐峰


首先從發射說起:宇宙飛船通過大型火箭助推,獲得最初的逃逸速度,如第一宇宙速度、第二宇宙速度等,這個過程是通過火箭燃料燃燒、反向噴射氣體獲得加速度的,在地面還有地效、大氣層中還有摩擦力的額外助推效果(當然大氣層也有阻力)。

在外太空近乎真空的環境,阻力幾乎可以忽略不計的情況下,宇宙飛船在大多數時間是憑藉初速度進行慣性飛行。

在外太空真空環境下的增減速、調整航向:由於收到發射技術、火箭載荷的限制,宇宙飛船所攜帶的燃料有限,一般通過精心計算航路,利用“順路”繞行天體、獲得“引力彈弓”的方式,來對宇宙飛船進行增減速和調整航向,當然,這個是以花費大量的時間作為代價。如前蘇聯的某個行星探測器,就是通過多次繞行其他行星,完成“剎車”後才正常抵達的,否則就是直接撞毀或者飛掠了。現階段宇宙飛船自帶的燃料,一般用作航向、飛行姿態的微調或者緊急情況下使用,原理仍舊是通過高速噴射物質獲得反向的加速度。隨著技術進步,一定會出現新的更高效率的主動推進方式,如利用光壓的太陽帆、等離子發動機等。

至於空間跳躍、曲率飛行等,不懂哈!


大少901


這個問題就是高中物理力與反作用力。太空中近似真空,這對於宇宙飛船來說是一件好事,因為可以不需要克服空氣阻力。但這並不是說宇宙飛船就可以僅僅依靠之前的慣性就可以飛離太陽系。

我們知道有第一宇宙速度,第二宇宙速度,第三宇宙速度。當宇宙飛船超過第一宇宙速度後,就可以飛離地球,之後火箭發動機繼續工作,加速超越第二宇宙速度,自由翱翔。

為什麼是火箭發動機呢?在地球上飛可以使用螺旋槳或者噴氣式發動機,因為它們依靠推動周圍氣體或者吸入空氣加熱推出來做工。但到了太空,沒有可能吸入氣體,就只有靠自身攜帶的燃料和助燃劑燃燒,噴出氣體做功,從而加速。

當然,也可以使用核反應堆加熱物質汽化,噴出,這就成了核動力火箭發動機了。但總歸一點,必須向後釋放物質,從而產生向前的推力。


東城小丑


因為動量守恆

動量守恆的意思是若一個系統不受外力或所受外力之和為零,這個系統的總動量保持不變。

解釋一下,我們在分析問題的時候如何理解和選擇這個“一個系統”呢?我們看到後面有描述——不受外力或受外力之和為零,也就是說,如果把一系列複雜物體作為一個整體a進行受力分析時,a不受外力或外力之和為零。

舉個栗子:檯球,兩個檯球在空曠處發生碰撞時,運動狀態都會改變,這時如果將該兩個檯球視作整體a,大家跟寶寶一起來受力分析

a豎直方向受重力-支持力/水平方向不受力(因為a的重心並沒有位置,所以a不受摩擦力,但是任何一個檯球都受到了摩擦力)

此時若將兩個檯球放在一起,中間放一個彈簧(不黏在球上),兩個球會被彈開,而a依然受外力和為零

實驗繼續升級,把球換成氧氣罐,打開閥門,氧氣罐就開始飛舞了,但是a依然受外力之和為零。

火箭跟上述三個全是同理,只不過當a立起來,重力做功的時候,就不能動量守恆了,這時用到的是適用性更廣的公式,也就是力在空間上的積累導致系統動量變化。

此時的a受到重力在運動方向上的拖拽,因此動量一直在外洩

那麼是不是寶寶把自己說暈了,圓不上了呢?並不會

我們知道火箭要升空,不僅推力要大於重力還要遠遠大於重力,這樣才能快速飛昇達到7.9公里每秒的速度,因此在火箭升空過程中由於重力導致的動量外洩就忽略不計了,因此還是使用動量守恆進行分析。

m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'+gs

G表重力


盧森侃大山


不太懂你提的問題!在宇宙裡是零阻力飛行,宇宙裡的物質不是相對的,是限量思維論,在宇宙裡原始的動力是氣力推動,我想宇宙飛船不只是一種動力系統的,最基本是三種,氣液固態,氣壓蓄力,液態蒸發,固體超壓縮,說到這,我要說真空和海洋差不多,你把真空放在地球和你把海洋放在宇宙都逃不出質變,物質逆差是真確的,只是沒有引力的狀態下作用力越大效果可能越小,比如宇宙風暴,帶走電磁的粉塵席捲銀河系,速度很快,它的作用力是誰呢?它的作用力是磁爆,激光是一種動力參考,如果真空的物質被放大了或者激光的密度增加了這個會是一個發展方向。


豆豆jun桑


我覺得題主的思路是這樣的,在水上,船可以通過螺旋槳划水而讓船向前移動,飛機則可以通過利用空氣讓飛機起飛和前行,那麼宇宙真空中既沒有水也沒有空氣,飛船是靠什麼向前移動的呢?

其實物體向前移動可以通過與周圍介質的發生反作用力外,也可以通過內部自造的反作用力。而火箭中燃料的噴發便是其中一種,它是通過燃燒裡面的燃料對後產生的一種反作用力而保持自己向前移動的,因此並不需要藉助周圍的介質。



除了利用燃料,我們也可以利用機械能來產生反作用力,比如弓箭,彈弓等等。但在這太空中利用機械能顯然不現實,它需要不停的向後拋物體。還不如搞個太陽能推進器來得實在。


洪一下


飛船和火箭的發動機產生推力與是否真空無關,這是由動量守恆定理決定的,以一定速度向後噴出氣體,那麼噴出的氣體獲得向後的動量,由於要保證系統的總動量守恆,飛船就獲得了向前的動量,動量守恆在生活中很容易感受到,比如靜止在水面上的小船,當你從船頭走向船尾時,船會向著相反方向移動


用戶6283520366


接近真空不等於絕對真空,飛船發動機噴出的氣流就會產生反作用力推進飛船,既使是絕對真空,飛船發動機噴出氣流時根據動量守恆也會產生反作用力推進飛船。宇宙飛船飛行時儘可能利用自然天體的引力作用作動力,即甩轉作用,這樣經濟速度快。詳情可參閱<星系中的星球轉動問題,甩轉假說>。


青山綠水250400698


這個問題可以這樣來理解:對於宇宙飛船來說,它並非孤立的體系,而與其它相互有主要作用力的物體譬如地球、太陽等構成了一個近似的封閉體系。在這個封閉體系中,動量守恆,因此宇宙飛船獲得了飛行的動量的同時,除宇宙飛船之外的其它天體必失去這一部分動量。這就充分體現了力的相互作用。這就是說,飛船受力,體系內的其他物體必受到相反的作用力。宇宙飛船的正轉必引起其他天體的反轉(這種影響極其微弱以至於完全可以忽略不計!),反之亦然。


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