Номер 3, страница 80 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 2. Динамика. Параграф 17. Развитие ракетной техники. Темы докладов - номер 3, страница 80.

Условие.

3. Фотонный двигатель: реальность или фантастика?

Решение.

Вопрос о фотонном двигателе находится на стыке реальности и научной фантастики. Принцип его работы абсолютно реален и обоснован законами физики, однако создание мощного и эффективного двигателя для практического использования сталкивается с колоссальными технологическими трудностями, которые на сегодняшний день относят его скорее к области фантастики.

Решение

1. Физический принцип (Реальность)

Фотонный двигатель — это гипотетический тип реактивного двигателя, который создает тягу за счет испускания потока фотонов (квантов света). Согласно закону сохранения импульса, при выбрасывании частиц в одном направлении, тело (космический корабль) получает импульс в противоположном направлении. Несмотря на то, что фотоны не имеют массы покоя, они обладают импульсом. Импульс одного фотона $\text{p}$ связан с его энергией $\text{E}$ соотношением:

$p = \frac{E}{c}$

где $\text{c}$ — скорость света. Сила тяги $\text{F}$ определяется как изменение импульса за единицу времени. Если двигатель излучает свет мощностью $\text{P}$ (то есть с суммарной энергией $\text{P}$ в секунду), то создаваемая им сила тяги будет равна:

$F = \frac{P}{c}$

Этот эффект, известный как световое давление, — реальное физическое явление. Оно было предсказано Максвеллом и экспериментально подтверждено Петром Лебедевым в 1900 году. Наиболее известным практическим применением этого принципа являются солнечные паруса. Аппараты вроде японского IKAROS и американского LightSail 2 используют давление солнечного света для изменения своей орбиты. Это доказывает, что сам принцип создания тяги с помощью фотонов работает.

2. Технологические проблемы (Фантастика)

Основная проблема заключается в крайне низкой эффективности такого двигателя с точки зрения соотношения «затраченная мощность — полученная тяга». Знаменатель в формуле тяги — скорость света $\text{c}$ — является очень большой величиной ($\approx 3 \cdot 10^8$ м/с). Рассчитаем тягу для примера:

Даже если создать невероятно мощный бортовой источник энергии, например, термоядерный реактор мощностью 1 гигаватт ($P = 10^9$ Вт), что сопоставимо с мощностью крупной земной электростанции, то сила тяги составит:

$F = \frac{10^9 \text{ Вт}}{3 \cdot 10^8 \text{ м/с}} \approx 3.33 \text{ Н}$

Такая сила тяги сравнима с весом среднего яблока на Земле. Этой силы совершенно недостаточно, чтобы быстро разогнать массивный космический корабль, который к тому же должен нести на себе этот гигаваттный реактор, систему его охлаждения и сам излучатель (мощный лазер). Масса такой энергоустановки по современным технологиям будет исчисляться сотнями, если не тысячами тонн.

Таким образом, главными препятствиями являются:

• Источник энергии: Для получения значимой тяги требуется источник энергии невообразимой мощности и компактности, которого у человечества пока нет.
• Низкая тяга: Даже при наличии такого источника тяга будет очень малой, что означает крайне медленный разгон. Фотонный двигатель подходит для длительных межзвездных полетов, где можно разгоняться годами, но не для быстрых маневров.
• Теплоотвод: Любой источник энергии и излучатель будут иметь КПД меньше 100%. Огромное количество энергии будет превращаться в тепло, которое в вакууме можно сбросить только с помощью излучения. Это потребует гигантских и тяжелых радиаторов.

Вывод

Фотонный двигатель — это физически реальное устройство, но его практическая реализация в виде мощной силовой установки для космических кораблей остается делом далекого будущего и на данный момент относится к научной фантастике. Технологии, необходимые для его создания (в первую очередь, компактные и сверхмощные источники энергии), пока не существуют.

Ответ: Фотонный двигатель является реальностью с точки зрения физического принципа его работы, что подтверждается существованием солнечных парусов. Однако создание самодостаточного корабля с мощным фотонным двигателем для быстрых межпланетных или межзвездных перелетов на сегодняшний день является научной фантастикой из-за отсутствия достаточно мощных и легких источников энергии.