Wie erzeugen Reaktionstriebwerke eine Kraft gegen die Rakete?

Ich bin ziemlich neu in der Physik, also verzeihen Sie mir bitte, wenn mir das grundlegende Verständnis fehlt.

Ich frage mich, wie Raketentriebwerke eigentlich funktionieren. Ich kenne die Antwort von "actio est respondio", aber ich denke, dass dies eine sehr abstrakte und unklare Erklärung ist, weil sie nicht berührt, was tatsächlich vor sich geht. Hier ist mein Problem:

Soweit ich weiß, erzeugt der Motor eine Explosion, die Gaspartikel in eine Richtung (z. B. nach unten) schleudert und somit eine umgekehrte Kraft erzeugt, die die Rakete in die andere Richtung (z. B. nach oben) drückt. Was ich nicht verstehe ist: Wie interagieren die austretenden Teilchen mit der Rakete? Sie berühren die Rakete nicht unbedingt, zumindest nicht so, dass sie aufsteigen würde. Wie können sie also möglicherweise eine Wirkung haben? Soweit ich weiß, kann eine Kraft entweder durch wirken

  • Kontakt
  • ein Feld

Ich schätze, die Gaspartikel erzeugen kein Kraftfeld, also muss es irgendwann einen "sinnvollen" Kontakt geben.

Ich verstehe, dass die Kraft der austretenden Gaspartikel mathematisch der Kraft entspricht, mit der die Rakete beschleunigt wird, aber ich kann schwer verstehen, wie Partikel, die sich bereits auf dem Weg aus der Rakete befinden, die Ursache für die Beschleunigung sind .

Meine Erklärung wäre, dass die Rakete aus dem gleichen Grund fliegt, aus dem alles in der Nähe einer Explosion "fliegt": Die Sprengstoffe treffen andere Objekte und ziehen sie mit sich (Impulserhaltung). Die gleiche Kraft wirkt in einer Rakete auf alle Wände des Triebwerks, und da die Partikel "unten" entweichen können, erhält die Rakete nur "oben" (links und rechts heben sich gegenseitig auf). Aber ich stoße auch mit dieser Erklärung auf Probleme, denn sagen wir, wir machen den Ausgang des Motors wirklich lang, sagen wir ein paar hundert Meter (Gedankenexperiment) und schließen ihn dann. Das bedeutet jetzt, dass der Effekt zunächst derselbe wäre, die Rakete steigt auf, aber sobald die Explosion das andere Ende des Triebwerks trifft, wird die Rakete wieder zurück 'geschleppt'. kommt mir seltsam vor.

Bitte helfen Sie mir, dieses Problem zu lösen. Danke!

Ein guter Ausgangspunkt wären die Bewegungsgesetze von Google Newton.
Ich kenne sie alle, ich habe sogar das dritte Gesetz paraphrasiert
Man könnte also Ihre Frage so umschreiben: "Wie erzeugt eine Aktionskraft eine Reaktionskraft?"
Art von, aber diese Art von Engine hebt speziell meine Augenbrauen, weil ich den Breadcrumbs nicht folgen kann, wie die Reaktion erzeugt wird.
Bedenken Sie auch, was mit Ihrem langen Austrittsrohr passiert, wenn Sie es am hinteren Ende nicht schließen, sondern ein wenig biegen, damit der Auspuff ein wenig zur Seite entweicht.
@PM2Ring das ist eine gute Frage. Ich denke, die Partikel würden etwas auf das gebogene Rohr treffen und so eine Kraft in diese Richtung erzeugen. Also würde die Raketennase in die andere Richtung kippen? (zB wenn die Biegung nach links ist, kippt die Nase nach rechts)
Betreff: "Der Motor erzeugt eine Explosion." Die meisten Menschen würden sich eine Explosion als ein Ereignis vorstellen , bei dem etwas plötzlich zerfällt und seine Teile in verschiedene Richtungen davonfliegen. Genauer könnte man sagen, dass die destillierte Essenz eines Raketentriebwerks eine Düse ist , aus der eine Hochdruckflüssigkeit entweichen kann. Die Art dieser Flüssigkeit und der Mechanismus oder Prozess, der sie unter Druck setzt, sind für die Diskussion nebensächlich.

Antworten (3)

"Die gleiche Kraft wirkt in einer Rakete auf alle Wände des Triebwerks, und da die Partikel "nach unten" entweichen können, bekommt die Rakete nur "oben" Schwung."

Das ist es: Die Gasmoleküle kollidieren mit den Wänden der Brennkammer, aber es gibt ein Loch in einer Wand, also ist die Kraft auf diese Wand geringer!

Die Nettokraft auf die Rakete ist gleich und entgegengesetzt zum Impuls pro Zeiteinheit der austretenden Moleküle, da diese nicht auf die Wand mit dem Loch darin treffen!

„Nehmen wir an, wir machen den Ausgang des Triebwerks sehr lang, sagen wir ein paar hundert Meter (Gedankenexperiment), und schließen es dann. Das bedeutet jetzt, dass der Effekt zunächst der gleiche wäre, die Rakete geht hoch.“

Ja.

"Aber sobald die Explosion das andere Ende des Triebwerks trifft, wird die Rakete wieder zurück 'geschleppt'."

Nein, aber es wird aufhören zu beschleunigen.

Danke! also war nur mein gedanke mit dem "langen motor" falsch. Ich werde die Frage ein wenig abändern
Michio Kaku sagte einmal in einer Discovery-Channel-Show (Science Channel), dass Raketen im Weltraum nicht so gut funktionieren wie in der Atmosphäre, weil der Auspuff keine Luftpartikel hat, gegen die sie im Weltraum drücken können.
In diesem Fall weiß Kaku nicht, wovon er spricht.
Ich habe darüber nachgedacht, die Frage zu ändern, aber ich werde sie hier stellen: Mein Problem ist also, dass die Erklärung von "actio est respondio" den Anschein erweckt, als ob die "herauskommenden" Partikel die Kraft gegen die Rakete erzeugen, obwohl es tatsächlich so ist die, die nach oben gehen. Was auch immer aus dem Motor kommt, ist schon 'Abfall' und hat keine Wirkung mehr auf die Rakete, oder? Ich bin ein bisschen frustriert / verwirrt, warum hier alle das dritte Gesetz verwenden, wenn es nur wie ein mathematisches Modell erscheint

Hier ist eine andere Möglichkeit, sich dieses Problem vorzustellen, die helfen könnte:

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen mit einer Kanone auf dem Schoß auf einem Skateboard. Dies ist eine spezielle Kanone, die nur aus einem kurzen Rohr besteht, das an einem Ende geschlossen ist. In der Röhre befindet sich eine Bowlingkugel, die gegen eine zusammengedrückte Feder, die zwischen der Kugel und dem geschlossenen Ende sitzt, fest in Position gehalten wird. ein Auslösemechanismus hält das System in seinem "gespannten" Zustand.

Sie richten die Kanone horizontal von sich weg, stellen Ihre Füße auf das Skateboard und drücken den Abzug.

Die Feder beginnt sich heftig auszudehnen und drückt die Bowlingkugel mit großer Geschwindigkeit nach hinten aus dem Rohr. Aber es drückt auch gleich stark auf das geschlossene Ende des Rohrs, das zurückprallt und Sie direkt in die Brust tritt und Sie dadurch in die entgegengesetzte Richtung der abfliegenden Bowlingkugel abstößt.

Ich denke, mein Problem mit Newtons drittem Gesetz ist, dass es so aussieht, als würde die fliegende Kanonenkugel aktiv etwas mit mir machen. aber die Feder hätte auch von einer stabilen Oberfläche (einer seltsamen Betonwand, die in die Röhre reicht) abgestoßen werden können, ohne dass eine Kanonenkugel aus der Röhre geflogen wäre. Das dritte Gesetz mag ein guter Weg sein, um die Kräfte zu berechnen, aber es ist schrecklich, die tatsächliche physikalische Ursache zu erklären (imo). oder vielleicht ist es nur meine schlechte Angewohnheit zu denken
@Philipp Die Schlüsselidee ist die Erhaltung des Impulses. Unabhängig davon, in welche Richtung der Auspuff geht, kann sich der Massenmittelpunkt der Rakete + des Auspuffs nicht bewegen.
Ja, Impulserhaltung ist viel sinnvoller. Warum nicht einfach sagen, dass die Rakete hochgeht, weil Partikel die Rakete an der Oberseite des Triebwerks treffen? dies wird durch Alltagserfahrung gestützt (A schlägt B, B bewegt sich). Ich verstehe die Notwendigkeit für diesen Umweg des dritten Newtonschen Gesetzes nicht. Zu sagen, dass die austretenden Teilchen irgendwie eine Aufwärtskraft erzeugen, ist ontologisch falsch (imo). Ihre Kraft könnte mathematisch mit der Aufwärtskraft übereinstimmen, aber das ist alles. Vielleicht erspare ich mir das für eine neue Frage, da ich meine Probleme mit Newtons Gesetzen und dem Kraftkonzept im Allgemeinen habe.

Wie interagieren die austretenden Teilchen mit der Rakete? Sie berühren die Rakete nicht unbedingt, zumindest nicht so, dass sie aufsteigen würde. Wie können sie also möglicherweise eine Wirkung haben?

Betrachten Sie die folgende einfache Situation.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Zunächst die Masse M bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der linksseitig verschlossene Hohlzylinder.
Die Masse M explodiert in zwei gleichgroße Fragmente, von denen sich eines schnell nach links und das andere nach rechts bewegt v .
Die Masse, die sich nach rechts bewegt, interagiert nicht mit dem Rohr und trägt Impuls mit sich M 2 v ich ^ und es entweicht aus dem Rohr.

Die Masse, die sich nach links bewegt, trägt Impuls mit sich M 2 v ( − ich ^ ) = − M 2 v ich ^ , trifft das Ende der Röhre und prallt mit Geschwindigkeit zurück v jetzt mit Schwung M 2 v ich ^ .
Also ist die Impulsänderung dieser Masse M 2 v ich ^ − ( − M 2 v ich ^ ) = M v ich ^ .

Die Impulsänderung der sich nach links bewegenden Masse ist gleich minus der Impulsänderung des Zylinders, − M v ich ^ , dh dem Zylinder wird ein Impuls nach links gegeben, wodurch sich die Zylindergeschwindigkeit nach links erhöht.

Was in einem Raketentriebwerk passiert, ist viel komplexer als das, und hier ist ein Diagramm von der Wikipedia-Seite Raketentriebwerk , das die Kräfte zeigt, die auf die Raketenbrennkammer links und eine (de Laval-) Düse rechts wirken, zu denen beide beitragen der Vorwärtsantrieb einer Rakete.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Aber ich stoße auch mit dieser Erklärung auf Probleme, denn sagen wir, wir machen den Ausgang des Motors wirklich lang, sagen wir ein paar hundert Meter (Gedankenexperiment) und schließen ihn dann. Das bedeutet jetzt, dass der Effekt zunächst derselbe wäre, die Rakete steigt auf, aber sobald die Explosion das andere Ende des Triebwerks trifft, wird die Rakete wieder zurück 'geschleppt'. kommt mir seltsam vor.

Betrachten Sie den an beiden Enden geschlossenen Zylinder und die "Explosion", die nahe der linken Wand auftritt.
Die nach links bewegte Masse überträgt Impuls auf den Zylinder, der sich nun schneller nach links bewegt.
Dann prallt die Masse, die sich ursprünglich nach rechts bewegte, vom rechten Ende des Zylinders ab und reduziert ihre Geschwindigkeit auf die ursprüngliche Geschwindigkeit.

Dann trifft die Masse, die sich ursprünglich nach links bewegte und sich jetzt nach rechts bewegt, auf das rechte Ende des Zylinders und der Zylinder bewegt sich nun nach rechts.

usw

Danke schön! Noch etwas: Können Sie erklären, warum ein kleineres Fluchtloch (Choke) die Rakete schneller beschleunigt? Nehmen wir an, in Ihrer Abbildung bewegen sich drei Partikel in jede Richtung. Auf der linken Seite trafen alle drei die Rakete und gaben ihr ihren Schwung. Auf der rechten Seite entkommt jedoch nur einer (kleines Loch), und die anderen beiden treffen die Rakete ebenfalls und geben ihr Schwung auf die andere Seite. die Rakete bekommt also nur den Gesamtimpuls von 1 Teilchen statt 3, würde sich also schneller bewegen, wenn das Loch größer wäre und alle drei Teilchen nach rechts entweichen könnten. wo liege ich falsch?
Ich begann meine Antwort mit dem Satz „Stellen Sie sich folgende einfache Situation vor“. Ein echter Raketenmotor ist kein einfaches System. Das Hauptziel besteht darin, dass sich die ausgestoßenen Gase so schnell wie möglich in eine der Raketenbewegung entgegengesetzte Richtung bewegen. Dazu beschleunigt die Engstelle zwischen Brennraum und Düse die Gase – gleiche Masse pro Sekunde strömt durch einen kleinen Querschnitt – und dann tut die adiabatische Expansion im Düsenbereich ihr Übriges. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeit des Gases in der Brennkammer geringer ist als in der Kehle.
aber wie wird die kraft der sich nun schneller bewegenden teilchen auf die rakete übertragen? Das ist der Kern meiner Ausgangsfrage. Da muss doch Kontakt sein, oder?
Das Gas in der Brennkammer steht unter hohem Druck und die Kraft auf der abgedichteten Seite ist größer als die Kraft auf der Halsseite. Die auf den Rachen wirkende Kraft beschleunigt die Gase durch den Rachen. Über Stöße „kommunizieren“ die Gasmoleküle miteinander.
Punktgenaue Antwort, danke! Ich habe das Gefühl, dass Newtons drittes Gesetz die Menge der Kraft gegen die Rakete beschreibt , aber nicht die Ursache der Kraft. Das hat mich jetzt schon eine ganze Weile verwirrt. Idk, vielleicht lerne ich, wenn ich eins werde, besser damit umzugehen und es intuitiver zu nutzen.
Wie erzeugen Reaktionstriebwerke eine Kraft gegen die Rakete?
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