Cosmonautics aconsegueix regularment un èxit impressionant. Els satèl·lits artificials de la Terra troben constantment aplicacions cada cop més diverses. Ser un astronauta en òrbita propera a la Terra s'ha convertit en un lloc habitual. Això hauria estat impossible sense la fórmula principal de l'astronàutica: l'equació de Tsiolkovsky.
En el nostre temps, l'estudi tant dels planetes com d' altres cossos del nostre sistema solar (Venus, Mart, Júpiter, Urà, Terra, etc.) i objectes llunyans (asteroides, altres sistemes i galàxies) continua. Les conclusions sobre les característiques del moviment còsmic dels cossos de Tsiolkovsky van establir les bases dels fonaments teòrics de l'astronàutica, que van portar a la invenció de desenes de models de motors elèctrics a reacció i mecanismes extremadament interessants, per exemple, una vela solar..
Principals problemes de l'exploració espacial
Tres àrees de recerca i desenvolupament en ciència i tecnologia s'identifiquen clarament com a problemes d'exploració espacial:
- Volar per la Terra o construir satèl·lits artificials.
- Vols a la Lluna.
- Vols planetaris i vols als objectes del sistema solar.
L'equació de Tsiolkovsky per a la propulsió a reacció ha contribuït al fet que la humanitat hagi aconseguit resultats sorprenents en cadascuna d'aquestes àrees. A més, han aparegut moltes ciències aplicades noves: medicina i biologia espacials, sistemes de suport vital en una nau espacial, comunicacions espacials, etc.
Assolis en astronàutica
La majoria de la gent avui ha sentit parlar d'èxits importants: el primer aterratge a la Lluna (EUA), el primer satèl·lit (URSS) i similars. A més dels èxits més famosos dels quals tothom sent parlar, n'hi ha molts d' altres. En particular, l'URSS pertany a:
- primera estació orbital;
- primer sobrevol de la lluna i fotos del costat més llunyà;
- primer aterratge a la lluna d'una estació automatitzada;
- primers vols de vehicles a altres planetes;
- primer aterratge a Venus i Mart, etc.
Molta gent ni tan sols s'adona del gran que van ser els èxits de l'URSS en el camp de la cosmonàutica. En tot cas, eren molt més que el primer satèl·lit.
Però els Estats Units no han fet menys contribució al desenvolupament de l'astronàutica. Als EUA va celebrar:
- Tots els grans avenços en l'ús de l'òrbita terrestre (satèl·lits i comunicacions per satèl·lit) amb finalitats i aplicacions científiques.
- Moltes missions a la Lluna, exploració de Mart, Júpiter, Venus i Mercuri des de distàncies de sobrevol.
- Conjuntexperiments científics i mèdics realitzats en gravetat zero.
I encara que de moment els assoliments d' altres països palidecen en comparació amb l'URSS i els EUA, però la Xina, l'Índia i el Japó es van unir activament a l'exploració de l'espai en el període posterior al 2000.
No obstant això, els èxits de l'astronàutica no es limiten a les capes superiors del planeta i a les altes teories científiques. També va tenir una gran influència en la vida senzilla. Com a resultat de l'exploració espacial, aquestes coses han arribat a les nostres vides: llamps, velcro, tefló, comunicacions per satèl·lit, manipuladors mecànics, eines sense fil, plaques solars, un cor artificial i molt més. I va ser la fórmula de velocitat de Tsiolkovsky, que va ajudar a superar l'atracció gravitatòria i va contribuir a l'aparició de la pràctica espacial a la ciència, la que va ajudar a aconseguir tot això.
El terme "cosmodinàmica"
L'equació de Tsiolkovsky va formar la base de la cosmodinàmica. Tanmateix, aquest terme s'ha d'entendre amb més detall. Sobretot en matèria de conceptes propers en el seu significat: astronàutica, mecànica celeste, astronomia, etc. Cosmonàutica es tradueix del grec com "nedar a l'Univers". En el cas habitual, aquest terme fa referència a la massa de totes les capacitats tècniques i èxits científics que permeten l'estudi de l'espai i dels cossos celestes.
Els vols espacials són el que la humanitat ha somiat durant segles. I aquests somnis es van convertir en realitat, de la teoria a la ciència, i tot gràcies a la fórmula de Tsiolkovsky per a la velocitat dels coets. Pels treballs d'aquest gran científic, sabem que la teoria de l'astronàutica es basa en trespilars:
- Teoria que descriu el moviment de les naus espacials.
- Motors de coets elèctrics i la seva producció.
- Coneixement astronòmic i exploració de l'Univers.
Com s'ha assenyalat anteriorment, moltes altres disciplines científiques i tècniques van aparèixer a l'era espacial, com ara: sistemes de control de naus espacials, sistemes de comunicació i transmissió de dades a l'espai, navegació espacial, medicina espacial i molt més. Val la pena assenyalar que en el moment del naixement dels fonaments de l'astronàutica, ni tan sols hi havia una ràdio com a tal. L'estudi de les ones electromagnètiques i la transmissió d'informació a llargues distàncies amb la seva ajuda tot just començava. Per tant, els fundadors de la teoria van considerar seriosament els senyals lluminosos -els raigs solars reflectits cap a la Terra- com una manera de transmetre dades. Avui dia és impossible imaginar la cosmonàutica sense totes les ciències aplicades relacionades. En aquells temps llunyans, la imaginació d'una sèrie de científics era realment sorprenent. A més dels mètodes de comunicació, també van tocar temes com la fórmula de Tsiolkovsky per a un coet de diverses etapes.
És possible destacar qualsevol disciplina com a principal entre tota la varietat? És la teoria del moviment dels cossos còsmics. És ella qui serveix d'enllaç principal, sense la qual l'astronàutica és impossible. Aquesta àrea de la ciència s'anomena cosmodinàmica. Encara que té molts noms idèntics: balística celeste o espacial, mecànica de vol espacial, mecànica celeste aplicada, ciència del moviment dels cossos celestes artificials ietc. Tots fan referència al mateix àmbit d'estudi. Formalment, la cosmodinàmica entra en la mecànica celeste i utilitza els seus mètodes, però hi ha una diferència extremadament important. La mecànica celeste només estudia les òrbites; no té cap opció, però la cosmodinàmica està dissenyada per determinar les trajectòries òptimes per arribar a determinats cossos celestes amb naus espacials. I l'equació de Tsiolkovsky per a la propulsió a reacció permet als vaixells determinar exactament com poden influir en la trajectòria de vol.
La cosmodinàmica com a ciència
Des que K. E. Tsiolkovsky va deduir la fórmula, la ciència del moviment dels cossos celestes ha pres forma fermament com a cosmodinàmica. Permet que les naus espacials utilitzin mètodes per trobar la transició òptima entre diferents òrbites, que s'anomena maniobra orbital, i és la base de la teoria del moviment a l'espai, de la mateixa manera que l'aerodinàmica és la base del vol atmosfèric. Tanmateix, no és l'única ciència que tracta aquest tema. A més, també hi ha la dinàmica de coets. Ambdues ciències formen una base sòlida per a la tecnologia espacial moderna i totes dues s'inclouen a la secció de mecànica celeste.
La cosmodinàmica consta de dues seccions principals:
- La teoria del moviment del centre d'inèrcia (massa) d'un objecte a l'espai, o la teoria de les trajectòries.
- La teoria del moviment d'un cos còsmic en relació al seu centre d'inèrcia, o la teoria de la rotació.
Per esbrinar què és l'equació de Tsiolkovsky, cal tenir una bona comprensió de la mecànica, és a dir, les lleis de Newton.
La primera llei de Newton
Qualsevol cos es mou uniformement i rectilini o està en repòs fins que les forces externes que s'hi apliquen l'obliguen a canviar aquest estat. En altres paraules, el vector velocitat d'aquest moviment es manté constant. Aquest comportament dels cossos també s'anomena moviment inercial.
Qualsevol altre cas en què es produeixi qualsevol canvi en el vector velocitat significa que el cos té acceleració. Un exemple interessant en aquest cas és el moviment d'un punt material en un cercle o qualsevol satèl·lit en òrbita. En aquest cas, hi ha moviment uniforme, però no rectilini, perquè el vector velocitat canvia constantment de direcció, la qual cosa significa que l'acceleració no és igual a zero. Aquest canvi de velocitat es pot calcular mitjançant la fórmula v2 / r, on v és la velocitat constant i r és el radi de l'òrbita. L'acceleració d'aquest exemple es dirigirà al centre del cercle en qualsevol punt de la trajectòria del cos.
Segons la definició de la llei, només la força pot provocar un canvi en la direcció d'un punt material. En el seu paper (en el cas d'un satèl·lit) hi ha la gravetat del planeta. L'atracció de planetes i estrelles, com podeu endevinar fàcilment, és de gran importància en la cosmodinàmica en general i quan s'utilitza l'equació de Tsiolkovsky en particular.
Segona llei de Newton
L'acceleració és directament proporcional a la força i inversament proporcional a la massa corporal. O en forma matemàtica: a=F / m, o més comunament - F=ma, on m és el factor de proporcionalitat, que representa la mesuraper a la inèrcia corporal.
Com que qualsevol coet es representa com el moviment d'un cos amb una massa variable, l'equació de Tsiolkovsky canviarà cada unitat de temps. En l'exemple anterior d'un satèl·lit que es mou al voltant del planeta, coneixent la seva massa m, podeu esbrinar fàcilment la força sota la qual gira en òrbita, és a dir: F=mv2/r. Òbviament, aquesta força es dirigirà cap al centre del planeta.
Sorgeix la pregunta: per què el satèl·lit no cau al planeta? No cau, ja que la seva trajectòria no es creua amb la superfície del planeta, perquè la natura no l'obliga a moure's per l'acció de la força, perquè només hi està codirigit el vector acceleració, i no la velocitat.
També cal tenir en compte que en condicions on es conegui la força que actua sobre el cos i la seva massa, és possible esbrinar l'acceleració del cos. I segons ell, els mètodes matemàtics determinen el camí pel qual es mou aquest cos. Aquí arribem a dos problemes principals que tracta la cosmodinàmica:
- Revelar forces que es poden utilitzar per manipular el moviment d'una nau espacial.
- Determineu el moviment d'aquesta nau si es coneixen les forces que hi actuen.
El segon problema és una qüestió clàssica per a la mecànica celeste, mentre que el primer mostra el paper excepcional de la cosmodinàmica. Per tant, en aquesta àrea de la física, a més de la fórmula de Tsiolkovsky per a la propulsió a raig, és extremadament important entendre la mecànica newtoniana.
Tercera llei de Newton
La causa d'una força que actua sobre un cos és sempre un altre cos. Però certtambé el contrari. Aquesta és l'essència de la tercera llei de Newton, que estableix que per a cada acció hi ha una acció d'igual magnitud, però de direcció oposada, anomenada reacció. En altres paraules, si el cos A actua amb la força F sobre el cos B, aleshores el cos B actua sobre el cos A amb la força -F.
En l'exemple amb un satèl·lit i un planeta, la tercera llei de Newton ens porta a entendre que amb quina força el planeta atrau el satèl·lit, el mateix satèl·lit atrau el planeta. Aquesta força atractiva és la responsable d'impartir acceleració al satèl·lit. Però també dóna acceleració al planeta, però la seva massa és tan gran que aquest canvi de velocitat és insignificant per a ell.
La fórmula de Tsiolkovsky per a la propulsió a reacció es basa completament en la comprensió de l'última llei de Newton. Al cap i a la fi, és precisament a causa de la massa de gasos expulsats que el cos principal del coet adquireix acceleració, que li permet moure's en la direcció correcta.
Una mica sobre els sistemes de referència
Quan es consideren qualsevol fenomen físic, és difícil no tocar un tema com un marc de referència. El moviment d'una nau espacial, com qualsevol altre cos a l'espai, es pot fixar en diferents coordenades. No hi ha sistemes de referència equivocats, només n'hi ha més còmodes i menys. Per exemple, el moviment dels cossos al sistema solar es descriu millor en un marc de referència heliocèntric, és a dir, en coordenades associades al Sol, també anomenat marc copèrnic. Tanmateix, el moviment de la Lluna en aquest sistema és menys convenient de tenir en compte, per la qual cosa s'estudia en coordenades geocèntriques: el recompte és relatiu aLa Terra, això s'anomena sistema ptolemaic. Però si la pregunta és si un asteroide que vola a prop arribarà a la Lluna, serà més convenient tornar a utilitzar les coordenades heliocèntriques. És important poder utilitzar tots els sistemes de coordenades i poder mirar el problema des de diferents punts de vista.
Moviment de coets
La principal i única manera de viatjar a l'espai exterior és un coet. Per primera vegada aquest principi es va expressar, segons el lloc web Habr, per la fórmula de Tsiolkovsky el 1903. Des d'aleshores, els enginyers astronàutics han inventat desenes de tipus de motors de coets utilitzant una gran varietat de tipus d'energia, però tots estan units per un principi de funcionament: expulsar part de la massa de les reserves del fluid de treball per obtenir l'acceleració. La força que es genera com a resultat d'aquest procés s'anomena força de tracció. Aquí hi ha algunes conclusions que ens permetran arribar a l'equació de Tsiolkovsky i a la derivació de la seva forma principal.
Òbviament, la força de tracció augmentarà en funció del volum de massa expulsat del coet per unitat de temps i de la velocitat que aquesta massa aconsegueixi reportar. Així, s'obté la relació F=wq, on F és la força de tracció, w és la velocitat de la massa llançada (m/s) i q és la massa consumida per unitat de temps (kg/s). Val la pena destacar per separat la importància del sistema de referència associat específicament al propi coet. En cas contrari, és impossible caracteritzar la força d'empenta d'un motor de coet si tot es mesura en relació amb la Terra o altres cossos.
La investigació i els experiments han demostrat que la proporció F=wq segueix sent vàlida només per als casos en què la massa expulsada és un líquid o un sòlid. Però els coets utilitzen un raig de gas calent. Per tant, s'han d'introduir una sèrie de correccions a la relació, i després obtenim un terme addicional de la relació S(pr - pa), que s'afegeix a l'original wq. Aquí pr és la pressió que exerceix el gas a la sortida del broquet; pa és la pressió atmosfèrica i S és l'àrea del broquet. Per tant, la fórmula refinada seria així:
F=wq + Spr - Spa.
On podeu veure que a mesura que el coet puja, la pressió atmosfèrica es reduirà i la força d'empenta augmentarà. Tanmateix, als físics els encanten les fórmules convenients. Per tant, sovint s'utilitza una fórmula similar a la seva forma original F=weq, on we és la velocitat efectiva de sortida de la massa. Es determina experimentalment durant les proves del sistema de propulsió i és numèricament igual a l'expressió w + (Spr - Spa) / q.
Considerem un concepte que és idèntic a we: impuls d'empenta específic. Concret significa referit a alguna cosa. En aquest cas, és a la gravetat de la Terra. Per fer-ho, a la fórmula anterior, el costat dret es multiplica i es divideix per g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg o F=I ud qg
Aquest valor es mesura Isp en Ns/kg o el que siguimateix m/s. En altres paraules, l'impuls d'empenta específic es mesura en unitats de velocitat.
fórmula de Tsiolkovsky
Com podeu endevinar fàcilment, a més de l'empenta del motor, hi actuen moltes altres forces sobre el coet: l'atracció de la Terra, la gravetat d' altres objectes del sistema solar, la resistència atmosfèrica, la pressió lleugera, etc. Cadascuna d'aquestes forces dóna la seva pròpia acceleració al coet, i el total de l'acció afecta l'acceleració final. Per tant, és convenient introduir el concepte d'acceleració del raig o ar=Ft / M, on M és la massa del coet en un determinat període de temps. L'acceleració del raig és l'acceleració amb què el coet es mouria en absència de forces externes que actuïn sobre ell. Òbviament, a mesura que es gasta la massa, l'acceleració augmentarà. Per tant, hi ha una altra característica convenient: l'acceleració inicial del raig ar0=FtM0, on M 0 és la massa del coet a l'inici del moviment.
Seria lògic preguntar-se quina velocitat és capaç de desenvolupar un coet en un espai tan buit després d'haver consumit una part de la massa del cos de treball. Deixeu que la massa del coet canviï de m0 a m1. Aleshores, la velocitat del coet després del consum uniforme de massa fins al valor m1 kg estarà determinada per la fórmula:
V=wln(m0 / m1)
Això no és més que la fórmula del moviment dels cossos amb massa variable o l'equació de Tsiolkovsky. Caracteritza el recurs energètic del coet. I la velocitat obtinguda per aquesta fórmula s'anomena ideal. Es pot escriureaquesta fórmula en una altra versió idèntica:
V=Iudln(m0 / m1)
Val la pena destacar l'ús de la fórmula Tsiolkovsky per calcular el combustible. Més precisament, la massa del vehicle de llançament, que serà necessari per portar un pes determinat a l'òrbita terrestre.
Al final s'ha de dir d'un científic tan gran com Meshchersky. Juntament amb Tsiolkovsky són els avantpassats de l'astronàutica. Meshchersky va fer una gran contribució a la creació de la teoria del moviment d'objectes de massa variable. En particular, la fórmula de Meshchersky i Tsiolkovsky és la següent:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, on v és la velocitat del punt material, u és la velocitat de la massa llançada en relació amb el coet. Aquesta relació també s'anomena equació diferencial de Meshchersky, després s'obté la fórmula de Tsiolkovsky com a solució particular per a un punt material.
