【科學科普】太空裡沒有空氣來提供反作用力,太空船又是怎麼前進的?

薛定諤的貓 2021/04/06 檢舉 我要評論
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

在牛頓第三運動定律中指出的作用力與反作用力,相信大家都是非常熟悉的了。在日常生活中,作用力與反作用力可以說是無處不在,比如說我們平常走路的時候,實際上就是我們的腳給了地面施加了作用力,然後利用地面提供的反作用力前進。

類似的例子還有很多,這裡就不再一一列舉了,時至今日,人類對反作用力的利用早已不是局限於地面上的行動了。其中最令人驕傲的就是,我們製造出了可以進入外太空的太空船,完成了自古以來人類就一直期待的飛天夢想。

我們都知道,太空船的動力來自於自身的火箭發動機,而且火箭發動機的推力也是來自於反作用力。於是一個讓人困惑的問題就出現了,在地球的大氣層裡,火箭發動機向後噴氣,空氣就會給太空船提供反作用力,但是太空裡沒有空氣來提供反作用力,太空船又是怎麼前進的?

關於這個問題,我們可以用一個簡單的實驗來加以說明,下面有請這次實驗的主角——小明出場。

現在小明穿上了溜冰鞋,並且站在光滑的滑冰場內,同時他的手中還有一個籃球。小明的實驗目標是讓自己移動一段距離,條件是只能利用手中的籃球傳遞給自己的力,而且籃球不能與其他物體接觸。為了達到這個目的,小明是這樣做的。

剛開始的時候,不管小明怎麼揮舞這個籃球,他都無法移動,但後來小明忽然想通了,只見他將手中的籃球用力地向正前方扔了出去,不出意外的話,這時你就會觀察到,在籃球被小明扔出去的同時,小明也在向後退行。

好的,現在實驗做完了(小明同學你已經成功了,可以退下了),現在我們來分析一下這個實驗結果告訴了我們什麼原理。

牛頓告訴我們,只有兩個獨立的物體之間,才會產生作用力與反作用力,因此,當小明揮舞手中籃球的時候,實質上他和這個籃球可以看成是一個物體,那麼小明當然無法從中獲得反作用力了。而當小明扔出籃球的時候,小明和籃球就變成了兩個獨立的物體,根據牛頓第三運動定律,在這個時候,籃球就會給小明一個反作用力,從而導致了小明向後退行。

同樣的道理,因為太空裡沒有空氣,不能提供反作用力,所以當太空船在太空中飛行時,太空船前進動力的來源就是,火箭發動機向後噴出的物質所提供的反作用力。為了方便理解,我們可以將太空船比做上述實驗中的小明同學,而將太空船向後噴出的物質,比做小明手中的籃球,這樣我們就可以很清楚地瞭解到,在太空中太空船是怎麼前進的了。

我們利用這種方式進行推進的發動機,稱之為工質發動機,它必須利用可以實現熱能和機械能互相轉化的工作物質才可以得到推力。我們可以看到,這種發動機需要攜帶大量的推進工質,這無疑是人類探索外太空的一個巨大的障礙。

所以科學家們都對無工質發動機相當感興趣,對此,英國工程師羅傑.索耶(Roger.Shawyer)曾經提出了一種無工質發動機的模型,即電磁驅動裝置(EmDrive),據稱該裝置可以利用大量的電磁波,在一個封閉的容器裡產生動力。

電磁驅動裝置因嚴重違反了牛頓第三定律而飽受質疑,然而奇怪的是,在實驗過程中研究人員發現,這種裝置的原型機似乎真的可以提供極其微小的動力。可以想像的是,如果該裝置可以在太空船上得到有效應用,那麼必定是人類航太史的一個重大突破,人類距離實現星際文明的目標就又近了一步。

 

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