Номер 2, страница 115, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

2. Могут ли двигаться ракеты в безвоздушном пространстве? Как влияет на движение ракет воздушная среда?

Могут ли двигаться ракеты в безвоздушном пространстве?

Да, ракеты могут двигаться в безвоздушном пространстве (вакууме), и более того, это для них основная и наиболее эффективная среда для передвижения. Принцип движения ракеты основан не на отталкивании от окружающей среды (например, воздуха), а на законе сохранения импульса и третьем законе Ньютона.

Движение происходит следующим образом:

1. В двигателе ракеты сгорает топливо, образуя раскаленные газы под высоким давлением.

2. Эти газы с огромной скоростью выбрасываются из сопла ракеты в одном направлении. Это «действие».

3. Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие есть равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Выбрасываемые газы толкают ракету в противоположную сторону. Это «противодействие» или реактивная сила, которая и заставляет ракету двигаться.

Математически, если ракета массой $\text{M}$ выбрасывает газы массой $\text{m}$ со скоростью $\vec{v}_g$, то сама ракета приобретает скорость $\vec{v}_r$ в противоположном направлении, чтобы суммарный импульс системы остался неизменным. В упрощенном виде для системы, изначально покоившейся, это можно записать как:

$M \cdot \vec{v}_r + m \cdot \vec{v}_g = 0$

$M \cdot \vec{v}_r = -m \cdot \vec{v}_g$

Из этого следует, что ракете не нужна внешняя опора или среда для разгона. Она отталкивается от собственной выбрасываемой массы. Отсутствие сопротивления воздуха в вакууме делает полет даже более эффективным.

Ответ: Да, ракеты могут двигаться в безвоздушном пространстве, так как их движение основано на принципе реактивного движения, который не требует наличия внешней среды для отталкивания.

Как влияет на движение ракет воздушная среда?

Воздушная среда (атмосфера) оказывает на движение ракеты как отрицательное, так и, в некоторых аспектах, положительное влияние.

Отрицательное влияние:

1. Сопротивление воздуха: Это главный негативный фактор. При движении через плотные слои атмосферы на высоких скоростях возникает значительная сила сопротивления, которая тормозит ракету. Для преодоления этой силы требуется дополнительный расход топлива, что снижает полезную нагрузку, которую ракета может вывести на орбиту. Для уменьшения сопротивления ракетам придают обтекаемую аэродинамическую форму.

2. Снижение эффективности двигателя: Эффективность ракетного двигателя зависит от внешнего атмосферного давления. Тяга $\text{F}$ описывается формулой: $F = \dot{m} v_e + (p_e - p_a) A_e$, где $\dot{m}$ — массовый расход топлива, $v_e$ — скорость истечения газов, $A_e$ — площадь среза сопла, $p_e$ — давление на срезе сопла, а $p_a$ — давление окружающей среды. В атмосфере $p_a > 0$, что уменьшает второй член формулы (реактивную силу давления). В вакууме $p_a = 0$, и тяга двигателя становится максимальной. Поэтому двигатели верхних ступеней ракет, работающие в вакууме, имеют большие сопла для максимального расширения газов и получения большей тяги.

Положительное влияние:

1. Аэродинамическое управление и стабилизация: Во время полета в атмосфере можно использовать аэродинамические поверхности (стабилизаторы, рули), чтобы управлять полетом ракеты и поддерживать ее устойчивость. В безвоздушном пространстве эти элементы бесполезны, и для маневрирования используются вспомогательные реактивные двигатели.

2. Использование кислорода (для некоторых типов двигателей): Хотя большинство ракет несут окислитель на борту, существуют концепции воздушно-реактивных двигателей, которые на начальном этапе полета могут использовать атмосферный кислород в качестве окислителя, что позволяет значительно сэкономить на массе.

Ответ: Воздушная среда в основном мешает движению ракеты, создавая сопротивление и снижая эффективность двигателя. Однако она также позволяет использовать аэродинамические рули для управления на начальном этапе полета.