火箭为什么强?
作为宇宙的行舟火箭,从出现起已经走过了70年的历程,70年的峥嵘岁月中,虽然人类的航天器不断进步,火箭却始终是人类最重要的航外工具(气球也是航天器,但只能在同温层活动),为什么火箭能长期称霸航天界呢?
首先说,与我们日常生活的经验相反,把物体抬高不需要消耗能量。假设有个无限长的斜面,把一个物体放在斜面上,无论斜面有多长,物体的重力始终做功,从生活中我们能够很自然的得到一个结论,把物体抬高需要一直做工。但事实上,理想状态下把物抬高无需做工。(这里用的斜面与我们日常生活中实际使用的斜面原理是不一样的,因为实际的斜面有摩擦,抬高物体需要对物体施加一个恒定的力,使其与摩擦力相对,这样物体才能在斜面上上升,在这个过程中是有能量消耗的。)
在重力场或者其它保守力场中,场力做功的大小与初末位置有关,与路径无关。(如果在重力场中,场力做功只与初末位置的高度差有关);而且在保守力场中沿闭合路径运动一周时,做的总功为零。(从A点沿斜面移到B点,重力做功,再从B点沿斜面回到A点,重力又做功,但这两次所做功大小相等正负相反,总和为0)
所以,在重力场中,把物体从A点移到B点和从C点移到D点,只要h1=h2,场力做功的大小就相等,(A移动B和C移动D为不同的运动路径)。从D点到C 点的高度差与A到B点的高度差大小相等,正负相反而功的大小相等。如果一个物体从D点移动到C点,场力做功,且做功能使物获得动能,反过来,如果有等于这个动能的能量使这个物体从C点运动到D点(运动方向和原来的方向相反),重力所做的功就和原来相等,但正负号相反。也就是说从D(C在D的上方)点到C点重力增加物体的动能,但从C点到D点重力减少物体的动能,所以从C点到D(D在大气层外,不受空气阻力)点,如果C点的初速等于从D点到C点下落时获得的速度,就足以使物体从C点运动到D点。从这个角度说,把物体运到空间某个地方所耗的能量和从那个地方让物体落到地面时重力对它做的功相等。
也就是说,如果把一个10kg的物体从地面发送到100km高度处,使物体达到100km高的第一宇宙速度(7.9km/s)后,只要关闭火箭发动机,物体就将在100km的高空永远运动下去。
由于在运动过程中,大气阻力不断做功,实际中要达到地球的低轨道,初速度略大于7.9km/s。如果考虑地球的自转速度,则只需再补充向东的分速度。实际中,由于东方的发射速度是顺着地球自转的方向,所以能利用地球自转的部分动能,所以实际消耗的能量要小的多。