依靠向後噴氣能夠推動物體前進,宇宙近乎真空,為何也能這樣做?

2020-10-17 科學信仰


火箭在點火升空的時候會向下噴射高速氣流,從而產生向上的推力,讓火箭可以具備極高的初始速度,從而擺脫地球引力的束縛,前往廣袤無垠的宇宙。

簡單一點來講,促使火箭高速運動的就是向下噴射氣流所產生的反作用力,而這在地球上是極為常見的。比如背在身上,能夠向下噴射氣流使人升空的飛行背包,又比如我們在進行實彈射擊的時候,步槍所產生的後坐力,都是相同的原理,而這個原理說白了就是反作用力。那麼反作用力到底是什麼呢?這裡有一個有趣的問題可以幫助我們來了解反作用力,那就是太空飛行器。當太空飛行器擺脫了地球引力進入到廣袤無垠的宇宙空間之後,環境就發生了翻天覆地的變化,因為宇宙是一個幾近真空的環境,宇宙的平均密度大概為每立方米1X10∧-28千克,基本上可以說宇宙中什麼也沒有。


既然宇宙中什麼也沒有,為什麼反作用力還能夠起作用呢?太空飛行器是靠推動什麼向前前進的呢?

其實這是一個很基礎的問題,只不過日常的現象讓我們產生了一些誤會,忘記了物理老師曾經告訴我們的知識。事實上反作用力並不是單獨存在的,它總是和作用力成對出現,或者我們也可以這樣說,沒有作用力,就沒有反作用力。

當然我們也可以把這句話反過來,那就是:只要有了作用力,那麼就一定有與之相對的反作用力。反作用力與作用力不僅僅只是成對出現,它們還擁有了相等的大小以及在一條直線上相反的方向。弄懂了作用力與反作用力之後,我們也就明白了,反作用的產生與是否處於真空環境並沒有任何關係,它的產生至於作用力相關。


太空飛行器所使用的發動機被稱之為「火箭發動機」,它與一般的噴氣發動機有著相似的原理,但也有著本質的區別。

火箭發動機的燃燒不需要依靠氧氣,因氧化劑的存在,它可以在封閉環境中進行燃燒,而燃燒所產生的尾氣物質流會高速向後排出。尾氣物質向後排出,也就是火箭發動機向後施加了一個作用力,也就同時產生了一個與之方向相反、力量相同的反作用力,而這股反作用力就推動太空飛行器向前運動。

反作用力的產生本身就與空間是否真空並無關係。當然了,在真空環境下運行的火箭發動機與在地球上使用的噴氣發動機在所受的力方面還是有著一些區別的。在地球上,由於有著空氣的存在,所以發動機噴出的氣流會對空氣產生一個推動作用,所以空氣也會產生一個推動飛行器前進的反作用力。


但這並不等於說在地球上利用反作用力前進更加輕鬆,因為有空氣的存在,也就代表了有阻力的存在,所以如果沒有持續的反作用力推動的話,物體的運動很快就會停止下來,而在宇宙中就不同了。

宇宙是近乎於真空的,所以理論上只要在宇宙中放一個屁,就可以一直前進,直到宇宙的邊緣。其實,類似的思想實驗也可以放到地球上來做。現在讓我們來回想一下,我們可以以筆直的姿態在地球上推動一個重物嗎?是絕對無法做到的。因為如果我們筆直的站立,在我們用力推重物的時候,就會產生一個與之大小相等的反作用力,而這個反作用力我使得我們向後傾倒,於是乎我們為了推動重物,必須要將身體向前傾斜,目的是利用身體的支撐來抵消反作用力。


當然了,只是向前傾斜身體是不夠的,真正使得我們不動,而物體移動的是我們的腳與地面的摩擦力。

如果我們處於一個絕對光滑的平面之上,是無論如何也無法向前推動物體的,因為作用力與反作用力總是處於同一條直線上,方向相反並且力量相同,我們用越大的力量去推動物體,物體施加給我們的反作用力也就會越大,於是我們就會向後移動。

處於真空的宇宙環境之中,就好比處在一個光滑的平面之上,所以必須為太空飛行器安裝姿態控制發動機,這些姿態控制發動機位於太空飛行器的各個位置之上,通過噴射高速氣流來幫助太空飛行器做出方向上的調整,而在真空環境中高速運行的太空飛行器若是想停止運動也必須要利用相同的方法,就是向正在運動的方向噴射氣流,藉助反作用力進行減速。

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