Wogegen stößt ein Raketentriebwerk im Weltraum an?

Newtons drittes Gesetz kommt dem ziemlich nahe.

Alle von Ihnen zitierten Phänomene stammen aus dem Prinzip der Impulserhaltung in einem isolierten System, das selbst letztendlich (durch Noethers Theorem) ein Ergebnis der Tatsache ist, dass die physikalische Beschreibung dieses isolierten Systems unverändert bleibt, wenn wir den räumlichen Ursprung unserer Ko- Ordinatensystem.

Also, wenn Sie im Weltraum sind und etwas mit Masse werfen$m$in einer Richtung mit einer Geschwindigkeit$v$, sein Impuls ist$m\,v$in diese Richtung. Der anfängliche Gesamtimpuls des Systems (Sie + das geworfene Ding) ist null. Das bedeutet also, dass der endgültige Gesamtimpuls für das System Null sein muss. Daher muss Ihr eigener Schwung sein$m\,v$in die entgegengesetzte Richtung zum geworfenen Ding. Wenn Ihre Masse ist$M$, dann ist deine Geschwindigkeit$m\,v/M$in die entgegengesetzte Richtung zum geworfenen Ding.

Beachten Sie, dass Sie, obwohl Sie Ihren Schwerpunkt nicht verschieben können, ohne etwas zu werfen (und auf jeden Fall bleibt der Schwerpunkt des gesamten Systems, dh Sie + das geworfene Ding, an Ort und Stelle), Ihre Ausrichtung drehen und verschieben können, ohne zu verletzen Erhaltung des Drehimpulses durch zyklisches Verschieben Ihrer Form; Dies ist die gleiche Methode, die eine Katze verwendet, um sich beim Fallen umzudrehen. Sehen Sie hier meine Antwort auf die Frage "Gibt es eine Möglichkeit für einen Astronauten, sich zu drehen?" und auch mein Artikel "Von Katzen und ihrem wunderbarsten Aufrichtungsreflex"

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt Raketen nicht so, wie Sie vielleicht denken. Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die lokal frei fallenden Rahmen und ihr sogenanntes Lie-Dragging durch das System der Geodäten, das durch die Lösungen der Einstein-Feldgleichungen definiert ist. In weniger Fachsprache: Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt Ihnen, welche Arten von Bewegungen mit Newtons erstem Gesetz übereinstimmen; es teilt Ihnen die Bewegungen innerhalb der Raumzeit mit, die etwas "Isoliertes" (das keine Kraft erfährt) durchlaufen wird: Alles andere erfordert eine Kraftum etwas relativ zu diesen frei fallenden Rahmen zu beschleunigen. Die Chemie beschreibt das Verbrennen von Treibstoff und Newtons drittes Gesetz die Erzeugung von Kraft durch das Werfen dieses Treibstoffs, damit Ihre Rakete von der durch die Allgemeine Relativitätstheorie vorgegebenen freien Fallbewegung abweichen kann.

Um genau zu sein, wenn die Rakete ihren Treibstoff auswirft, ändern sich die Masse-Energie-Verteilung und die Impulsflüsse (Druckverteilungen) des Systems, und dies müsste streng genommen in den Einstein-Feldgleichungen berücksichtigt werden (dies würde den "Quellen"-Term verändern, den sogenannten Spannungs-Energie-Tensor). Somit würde die Aktion der Rakete die Raumzeit um sie herum in einem fantastisch geringen Ausmaß verändern. Aber das ist eine winzige Technik. Die Hauptaufgabe besteht einfach darin, dass chemische Energie es Ihnen ermöglicht, Kraftstoff zu werfen und eine Kraft zu erzeugen, mit der Sie von einem lokal frei fallenden (Trägheits-) Rahmen abweichen können.

Ich bin ein wenig verwirrt, warum Sie ganz am Ende Ihrer Frage nach GR fragen. Wenn Ihre Frage einfach ist, wie eine Rakete im Weltraum beschleunigen kann, ohne dass etwas "abgestoßen" werden muss, können wir Ihre Frage mit klassischer Mechanik ziemlich gut lösen.

Newtons drittes Gesetz hat manchmal seine Grenzen, aber für diese Frage wird es gut funktionieren. Newtons drittes Gesetz besagt, dass für jede Kraft, die durch ein Objekt ausgeübt wird$A$auf Objekt$B$, dann widersprechen$B$übt eine Kraft zurück auf das Objekt aus$A$gleich stark, aber in entgegengesetzter Richtung. In diesem Beispiel beschleunigt die Rakete, also irgendein Objekt$A$muss eine Kraft nach vorne auf die Rakete ausüben. Die Rakete wiederum muss eine Reaktionskraft auf dieses mysteriöse Objekt ausüben$A$.

Es stellt sich heraus, dass Objekt$A$sind die Gase, die der Rakete entweichen. Wenn die Gase aus der Düse der Rakete austreten, interagieren sie mit der Rakete selbst. Die Gase üben eine Kraft nach vorne auf die Rakete aus, und die Rakete drückt die Gase aufgrund des dritten Newtonschen Gesetzes zurück. Obwohl es seltsam erscheinen mag, ist dies alles, was Sie brauchen , um Ihre Rakete zu beschleunigen. Ihre Rakete braucht keinen Boden, keine Atmosphäre oder ein anderes Raumfahrzeug, um "abzustoßen"; die innerhalb der Rakete stattfindende Wechselwirkung zwischen den Gasen und der Rakete reicht aus, um die Rakete zu beschleunigen.

Wenn Sie mir nicht glauben, setzen Sie sich in Ruhe auf einen Stuhl oder einen Roller auf einer Oberfläche mit geringer Reibung. Halten Sie einen schweren Gegenstand wie eine Bowlingkugel oder einen Medizinball auf Ihrem Schoß. Wirf den Ball so fest du kannst von dir weg. Wenn der Reibungskoeffizient zwischen Ihrem Stuhl und dem Boden niedrig genug ist, werden Sie eine Beschleunigung in eine dem Ball entgegengesetzte Richtung erfahren. Aufgrund des dritten Newtonschen Gesetzes übt der Ball eine Kraft auf Sie aus, und wenn die Reibung gering genug ist, gibt es eine Nettokraft in diese Richtung, die eine Beschleunigung erzeugt.

Als Bonus beachten Sie bitte, dass in beiden Beispielen das Momentum erhalten bleibt. also kein grund zur panik.

Ein Modell, dem ich als Kind begegnet bin, als das Weltraumrennen in vollem Gange war, ist immer noch die einfachste Erklärung, die ich gefunden habe:

Denken Sie an einen aufgeblasenen Ballon mit geschlossenem Hals. Es geht nirgendwo hin, weil der Druck in alle Richtungen gleich ist. (Was es auch aufgeblasen hält.)

Öffnen Sie nun den Hals. Was den Ballon herumfliegen lässt, ist eigentlich nicht die Luft, die durch den Hals entweicht – es ist die Tatsache, dass an diesem Punkt kein Druck mehr nach hinten gegen den Ballon wirkt, so dass der Druck auf der gegenüberliegenden Seite unausgeglichen ist und es eine Nettokraft gibt, die den Ballon drückt Ballon nach vorne.

Ein Raketentriebwerk ist im Wesentlichen ein starrer Ballon mit offenem Hals, der sich kontinuierlich selbst aufbläst. Hochdruck im Inneren, eine Düse, die so konstruiert ist, dass sie so schnell wie möglich entleert wird, um den Druck in der Rückwärtsrichtung zu minimieren, unausgeglichener Druck nach vorne ... "Zoom!"

(Ja, ich weiß, das ist zu stark vereinfacht. Aber es ist eine Erklärung, die so einfach ist, dass ein Drittklässler, der ich damals war, darauf schauen und sagen könnte: "Klar, das ist doch klar!" Leider mein Lehrer an der Es dauerte nicht lange, bis ihre falsche Erklärung von einem Drittklässler korrigiert wurde, aber das ist eine andere Geschichte.)

Späte Ergänzung: Das ist auch der Grund, warum Projekt Orion – das ultimative Low-Tech-Atomraketentriebwerk – funktioniert hätte. Bauen Sie einen riesigen Schild, befestigen Sie Ihr Fahrzeug mit Stoßdämpfern daran und zünden Sie auf der anderen Seite eine Atombombe. Der Teil der Schockwelle der Bombe, der auf die Platte trifft, treibt das Fahrzeug vorwärts. Die Tatsache, dass der Rest der Stoßwelle völlig ungedämmt ist, ist verschwenderisch, hindert dies jedoch nicht daran, zu funktionieren. Sie könnten dasselbe mit kleineren Sprengstoffen machen, aber dann wird die Ineffizienz zu einem ernsthaften Problem – weshalb ein Raketentriebwerk eine Reaktionskammer und eine Düse hat, um viel mehr dieser Energie einzufangen und als Schub zu nutzen.

(Die Berechnung, wie ineffizient Orion gewesen wäre, wie viel Schub er sowieso erzeugt hätte und wie man einen Schild und Stoßdämpfer baut, die damit umgehen können, bleibt dem Leser als Übung überlassen. Oder Sie können den Bericht von nachschlagen das Team, das es zuerst untersucht hat. Kein Witz.)

Wenn ich mich nicht irre, ist es im Grunde das gleiche Prinzip, bei dem ein Astronaut etwas in den leeren Raum werfen und sich damit in die entgegengesetzte Richtung bewegen würde.

Es stößt nicht gegen etwas, sondern wirft Energie und Kraft durch Verbrennen von Kraftstoff gemäß dem Trägheitsgesetz ... Ich könnte mich irren, also möchte ich, dass jemand, der sich besser auskennt, es noch einmal überprüft, bitte :)

Keine Notwendigkeit, die allgemeine Relativitätstheorie zu nennen. Sie können es verstehen, indem Sie nur die Gesetze der klassischen Mechanik verwenden.

Wenn Sie auf einem Skateboard sitzen und eine Masse vor sich werfen, bewegen Sie sich rückwärts. Solange die Masse nicht auf dem Boden auftrifft, ist der Schwerpunkt von {du+die Masse} gleich, egal wie du dich bewegt hast.

Das Raketentriebwerk stößt Gas aus der Verbrennung aus. Die Bewegung basiert auf der gleichen Eigenschaft. Sie sollten sich wirklich nicht vorstellen, dass es der Widerstand der äußeren Atmosphäre ist, die dem ausgestoßenen Gas "widersteht", der die Bewegungskraft erzeugt.

Der einfachste Weg, dies intuitiv zu erreichen, besteht darin, sich eine Rakete vorzustellen, bei der die Abgase in zwei entgegengesetzte Richtungen entweichen. Es gibt also eine Düse auf einer Seite und auch auf der gegenüberliegenden Seite. In diesem Fall wird die Rakete nirgendwo hingehen. Die chemischen Reaktionen erzeugen bei hoher Temperatur und hohem Druck Gase, die sich dann beschleunigen und in beide Richtungen entweichen. Wenn wir jetzt eine Düse schließen, bewegt sich die Rakete in die entgegengesetzte Richtung. Die Gase, die ausgetreten wären, wenn diese Düse offen gewesen wäre, werden nun gegen die Begrenzung stoßen und dort eine Kraft auf die Rakete ausüben. Das dritte Gesetz impliziert, dass die Rakete dort eine entgegengesetzte Kraft auf das Gas ausüben muss. Es gibt daher eine Nettokraft auf die Abgase in Richtung der offenen Düse, während die Rakete in die entgegengesetzte Richtung geschoben wird.

Ich frage mich, wie die Raketen in den leeren Raum stoßen und sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen können.

Vereinfacht ausgedrückt drückt der Raketenmotor gegen das geschlossene Ende der Düse. Sobald das Gas die Düse verlässt, hat es keine Wechselwirkung mehr mit der Rakete – es muss nichts anderes „auftreffen“.

Das beste gemeinsame Beispiel wird oft im HS-Physikunterricht gezeigt. Ein Schüler in einem reibungsarmen Stuhl hält einen CO2-Feuerlöscher und richtet ihn in eine sichere Richtung. Wenn sie den Abzug betätigen und CO2-Gas freisetzen, das sich sehr schnell aus der Düse des Feuerlöschers bewegt, bewirkt dieses sich schnell bewegende Gas, das das System verlässt (Lehrstuhlstudent und Gasflasche), dass sich das System in die andere Richtung direkt gegen den Gasstrom bewegt.

Einige Raketentriebwerke verwenden tatsächlich geladene Ionen und elektrische Kräfte, um diese geladenen Ionen vom Schiff weg in die entgegengesetzte Richtung zu beschleunigen, in die das Schiffssystem beschleunigen muss. Das Gewicht der Ionen ist sehr gering, aber die Geschwindigkeit, mit der sie emittiert werden, kann sich der Lichtgeschwindigkeit annähern, sodass diese Triebwerke sehr effizient sind und im Vergleich zu herkömmlichen „Raketen“-Triebwerken über lange Zeiträume laufen können.

Strahltriebwerke funktionieren genau wie Raketentriebwerke. Die Atmosphäre liefert Sauerstoff für die Reaktion, die die schnelle Expansion des Brennstoff/Luft-Gemisches erzeugt. Aber der Motor braucht keine Luft, um dagegen zu "drücken". Raketentriebwerke liefern ihr eigenes Oxidationsmittel, anstatt den Sauerstoffgehalt der Luft zu verwenden.