火箭为什么不会倒?

褚昭彬褚昭彬最佳答案最佳答案

因为火焰不是靠推地面来获得升空的推力。

这个问题的本质就是问为什么封闭系统能破除静止状态而获得速度,比如类似汽车在冰面获得速度之类的问题,答案的关键都是“相互作用的两个物体”不能是“同一个参照系内的”。

回答这类问题一定要注意不同部分的参照系和运动方向,只有这样思考才是物理上的正确思考方式。

对于火箭而言,火焰和火箭是两个不同的物体,它们的运动状态和参照系可以不同。

下面开始详细解释,需要利用到动量守恒和相互作用力,考虑到发问者的物理水平不算太高,因此这里以较为形象化的方式来解释这个问题,而不是用公式。对于物理水平较高的人,这个过程可以用下面方程来解释:

质量变化系统的运动方程(简称变质量系统运动方程),又称火箭方程。它以动量定理为基础,表达式为 Mdv=M-gdt+vdM。式中M、v 分别为瞬时质量和瞬时速度,M 为入(吸)质量速率(若M< 0则为排(喷)射质量速率),g 为重力加速度。此方程适用于喷气式发动机或燃气发生器推动的运载工具,即从自身所携带的推进(工作)质量中,以相对于运动载体速度v(通常称为喷气速度或喷射速度)喷出(或吸进)一部分质量,从而使自身发生运动的情况,地球在加速过程中对流体的反作用力不足以改变其运动状态,火箭获得高速,而流体速度减小,由于流体分散,我们难以观察到,且不计地球引力。

下面的解释中,以火箭的本体/头部为分析目标,火箭的头部向下喷火,喷出来的火的速度(相对于火箭)为v。

如果在一个密闭的箱子中(可以理解为刚性的盒子,且不与盒内气体发生热交换)中有一个活塞,活塞与右壁的距离为x,且与箱子内壁不接触,活塞向右壁移动时压缩右侧的气体使得压强升高。

按照上面描述的过程,箱子内部右侧的压强增大,左侧的压强较小。因此气压(相互作用力)会推动活塞往左移动,即获得向左的速度。

由于箱子与箱子内部的气压反作用力,可以知道箱子获得向右的速度。实际上这个过程可以等效为箱子获得了向右的速度v,而它里面的气体获得了向左的速度v,因此这两个速度叠加在箱子里面的气压才会有一个与箱子不同的速度,而这个速度的源动力是前面描述的箱子的速度。即这个速度实际上源于气体与箱子的相互作用力。因此,这个箱子实际上是在进行加速度运动,在不同的时间点与空间点会获得不同的速度。

对于封闭系统加速度的获得就是这个原理。即,一个系统获得了向某方向的速度,系统内部的质点相对于系统获得一个反方向的速度,这种运动状态下,系统内部质点与系统作用力不同(类似气压与箱子壁的相互作用力),这个相互作用力就可以获得封闭系统的加速度(比如气压推动箱子往一个反方向运动)。

具体到火箭的问题,火箭获得向上的加速度,实际上火箭相当于上文中封闭的箱子。即火箭获得了向上的加速度,喷出的火焰相对于火箭获得向下的速度v,因此在运动的火箭的底部火的速度相对于地球为一个较小的速度。而这种速度差实际上是相互作用力的结果。我们以火箭的速度V来描述问题,这种情况下火焰相对于火箭的速度为v,速度相对火箭为恒定。在火箭的底部,燃烧的气体在向下撞击火箭底部的时候会得到反弹作用力,这个反弹力推动了火箭向上运动。而气体在向下运动的过程中不断给下层的气体让位,这部分气体向下运动的过程中同样受到来自地球大气层的向上反弹力,这个力推动气体继续向下运动,并且给下层的气体提供推动作用。如果以火箭的速度V来描述,这种运动与地面直列放置弹簧的运动类似,由于弹簧对各部分弹簧的相互作用力的差别,导致了弹簧的各部分速度不同,越是底部速度越大,越靠近底部,其速度在同时间内的增量越大。而这里速度差的本质来源还是力的差别。

由于重力加速度对火焰的作用使得向下运动的火焰速度随时间不断减小,这部分速度变化的来源是相互作用力。而实际过程中,火焰与地球大气层的相互作用是碰撞和热辐射两种过程的综合表现,因此有部分能量通过热辐射到大气层中,这部分能量使得大气层的压强升高,因此火焰撞击大气层的压强小于弹跳的能量,因此

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