The Rocket in Empty Space

الميكانيكا متوسط مجاني VR · AR
The Rocket in Empty Space – الميكانيكا
The Rocket in Empty Space – الميكانيكا

صاروخ صغير ساكن بجوار قمر صناعي في الفضاء البعيد، حيث لا شيء يدفع عليه. يحرق وقوده دفعاتٍ منفصلة من الغاز الساخن، كل دفعة تُقذف إلى الخلف بسرعة ‎u‎ بالنسبة للصاروخ. تضبط أربعة مزالق سرعة العادم، وكتلة الوقود، وحجم كل دفعة، وكتلة الصاروخ فارغًا. اضغط التشغيل لترى الدفعات تخرج واحدةً بعد أخرى حتى ينفد الوقود، واقرأ عمودي كمية الحركة: عمود الصاروخ وعمود الغاز يكبران معًا، متساويين ومتعاكسين، ومجموعهما لا يفارق الصفر. اسحب الشريط الزمني إلى أي لحظة من الاحتراق. المسافات المقطوعة مرسومة أقصر ‎600‎ مرة ليبقى الصاروخ في المشهد؛ أما كل الأرقام فحقيقية.

كيف تستخدم هذه المحاكاة

ما الذي تلاحظه

الفيزياء وراءها

اعتبر الصاروخ وكل عادمه نظامًا واحدًا. لا جاذبية ولا هواء، فلا يؤثر فيه شيء من الخارج، وتبقى كمية حركته الكلية على الصفر الذي بدأت به: ‎Δp rocket = −Δp gas‎. تغادر كل دفعة كتلتها ‎Δm‎ بسرعة ‎v′ − u‎، حيث ‎v′‎ سرعة الصاروخ بعد انفصال الدفعة مباشرة. وحفظ كمية الحركة لهذه الدفعة، ‎m v = (m − Δm) v′ + Δm (v′ − u)‎، يعطي ‎v′ = v + Δm·u/m‎، فتضيف كل دفعة سرعةً أكبر قليلًا من سابقتها لأن الصاروخ الذي تدفعه أخف. مع ‎20‎ كجم من الوقود في عشرين دفعة كتلة كلٍّ منها ‎1‎ كجم على صاروخ فارغ كتلته ‎80‎ كجم تكون ‎v = u(1/100 + 1/99 + … + 1/81) = 0.2219u‎، أي ‎443.8‎ م/ث عند ‎u = 2000‎ م/ث، ويحمل الصاروخ ‎+35 504‎ كجم.م/ث والغاز ‎−35 504‎ كجم.م/ث. وكلما صغرت الدفعات اقتربنا من الاحتراق المتصل ‎u ln(100/80) = 446.3‎ م/ث. الصاروخ يدفع الغاز والغاز يدفع الصاروخ؛ أما الإقلاع من الأرض فيحتاج أيضًا إلى قوة دفع أكبر من الوزن.

conservation of momentumrocket propulsionΔp rocket = −Δp gasv′ = v + Δm·u/misolated systemspace3D