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太空接近於真空,飛行器的反作用力從哪來?讓你不敢想!

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地球上有空氣,我們可以利用飛機和空氣的反作用力,來產生推力,比如直升機、雙翼飛機,還有各種飛鳥和昆蟲。但是利用空氣的反作用力來產生推力,其能力是非常有限的,再高的速度,就得使用噴氣式發動機才能達到,在大氣層內,飛機自帶燃料,助燃物(一般是氧氣)取自空氣。

太空飛行器的反作用力都來自於其內部的燃料,考燃料燃燒的噴氣動力推進。具體過程為燃料燃燒產生大量氣體,氣體沿著一個方向噴射出去。這時候你就可以採用衝量定理了,設單位時間內噴出的氣體質量為m,速度為v,則Ft=mv,F為力,t為單位時間,這樣就可以求出氣體受到的推力為F=mv/t。然後根據牛頓第三定律,作用力與反作用力大小相等方向相反,得出飛行器受到的推力為-F。飛行器獲得的速度直接用動量守恆定律,MV+mv=0,求出飛行器獲得的速度為V=-mv/M,其中M為飛行器的質量。

火箭設計中應用動量守恆定律,當一個火箭的負載和使用的燃料確定之後,就要使用動量守恆定律去設計它多高,多胖,這才是動量守恆定律應用的地方,動量守恆是普適的,就是任何時候都適用,但牛頓第三定律則不是,例如現在各國大力研發的離子發動機,其加速的離子就是用電磁場控制的,這裡牛頓第三定律就不適用了,但離子發動機的火箭設計還是要應用動量守恆定律。

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