какие силы действуют в космосе

Какие силы действуют в космосе

1. Закон инерции. Относительность движения и покоя

Закон инерции гласит. Если на звездолет не действуют никакие силы, то звездолет движется равномерно и прямолинейно. Поскольку в реальном космосе на звездолет всегда действуют силы, то состояние равномерного и прямолинейного движения реализуется только условно, когда действием этих сил можно пренебречь. Именно так, равномерно и прямолинейно движется звездолет вдали от звезд в чистом пространстве.

Последнее не надо путаться состоянием относительного покоя звездолета в системе двух тел, когда внешние силы уравновешены (состояние покоя в точке Лагранжа).

В космонавтике часто под состоянием относительного «покоя» понимается состояние, когда звездолет находиться на стационарной орбите вокруг некого небесного тела и движется только под действие силы притяжения. В этом случае звездолет совершает движение по окружности с постоянной скоростью, оставаясь на заданном расстоянии от центрального тела.

2. Законы равномерного движения или движение с постоянной скоростью

Путь s пройденный звездолетом за время t при движении с постоянной скоростью равен:

Выражение (1) может быть определением скорости движения звездолета

3. Движение звездолета под действием силы

Если пренебречь другими силами, то в свободном пространстве на звездолет может действовать только сила тяги его двигателей. В реальном пространстве на звездолет действуют силы притяжения небесных тел, которые возникают из-за гравитационного искривления пространства, и сила сопротивления межзвездной среды.

Если на звездолет действует сила, звездолет движется ускоренно (замедленно), а траектория движения может быть прямой или кривой линией в зависимости от направления действия силы относительно вектора скорости звездолета.

4. Прямолинейное равноускоренное движение без начальной скорости

Если на звездолете включены двигатели и за равные интервалы времени пройденные пути увеличиваются, то звездолет движется ускоренно. Скорость движения постоянно увеличивается. Ускорением называется величина, которая показывает насколько изменилась скорость за единицу времени:

Аналогично ускорению звездолет может замедляться, это означает движение с отрицательным ускорением.

Путь пройденный при равноускоренном движении с того момента, когда начало действовать ускорение:

Скорость при движении из положения покоя

Если исключить время, то путь и скорость при движении с постоянным ускорением связаны следующим соотношением:

5. Прямолинейное равноускоренное движение с начальной скоростью

Если звездолет уже имел начальную скорость V₀, то в приведенных формулах её надо или прибавить или вычесть. Без учета знака формулы выглядят так:

6. Основной закон динамики
Если не звездолет действует сила, то звездолет движется ускоренно (замедленно) или по кривой траектории при этом звездолет испытывает ускорение равное силе деленной на массу тела (второй закон Исаака Ньютона, конец XVII начало XVIII века).

В космосе на звездолет могут действовать три силы. Сила притяжения других небесных тел, если ракета находится рядом с таким небесным телом или телами и сила тяги реактивных двигателей и сила сопротивления среды. В первом приближении притяжением от удаленных небесных тел и другими силами, таким как сопротивление межзвездной среды, мы пренебрегаем.

Сила притяжения между небесными телами описывается формулой Ньютона:

В дальнем космосе под действием силы тяги реактивных двигателей звездолет движется прямолинейно и ускоренно. Все тела внутри звездолета, в том числе и человек, испытывают силу тяжести, которая равна ускорению, умноженному на массу тела: Р = а·m.

Сила тяги F_т реактивных двигателей равна произведению скорости истечения реактивной струи v_р умноженной на секундный расход массы топлива q:

Формально ускорение, которое получит звездолет, определяется по формуле (7), где справа стоит сила тяги, но масса не является постоянной величиной. Так как при реактивном движении ракета непрерывно выбрасывает реактивную струю. Поэтому для определения скорости, которую получит ракета, применяется формула Циолковского, где учитывается уменьшение массы тела ракеты:

Из формулы Циолковского видно, что конечная скорость будет тем больше чем больше скорость истечения реактивной струи v_p и чем больше из общей массы корабля будет израсходовано топлива.

Однако формула Циолковского в таком виде применима только для относительно невысоких скоростей. Для субсветовых скоростей необходима обобщенная формула Циолковского, которая учитывает релятивистские эффекты.

Тогда обобщенная формула Циолковского:

Движение звездолета на планетарной скорости описывается формулой (11) при разгоне до субсветовых скоростей надо пользоваться формулой (12). Критерий v_k/c = β 2 /R, (13)

Одновременно на звездолет, движущееся по окружности, действует ускорение

9. Орбитальное движение тела

В случае орбитального движения тела сила F определяется законом тяготения Ньютона (8). Приравнивая (8) и (13) и сокращая массу тела и лишний радиус, получим:

Вторая космическая скорость или скорость убегания определяется из выражения :

Из формул (8) (13) и (14) можно установить связь между периодом орбитального вращения и радиусом орбиты

Отсюда видно, что период обращения планеты или корабля однозначно определяется только радиусом орбиты и массой центрального тела.

10. Релятивистские эффекты

Эффекты, связанные с высокими скоростями движения тел, начинают проявляться, когда скорость тела приближается к скорости света.

В формуле учитывающей релятивистские эффекты входит отношение скорости тела v к скорости света, как и ранее, обозначим β = v/c.

1. Замедление времени. Часы в звездолете идут медленнее, чем часы оставленные на Земле.

2. Масса звездолета увеличивается.

3. Длина звездолета по наблюдениям со стороны уменьшается.

Формула для замедления времени звездолета, движущегося с ускорением несколько сложна, так как использует гиперболические функции, поэтому приведу только формулы для звездолета движущегося с постоянной скоростью.

Корабль движется относительно Земли и интервал времени по корабельным часам Δt_к окажется больше чем интервал времени Δt_з на Земле они связаны соотношением:

Больший интервал времени в звездолете как раз и означает замедлении хода часов, как будто маятник на корабле качается медленнее. В итоге на Земле пройдет свое время, а астронавты отметят меньший интервал своего времени. Отсюда следует известный парадокс близнецов.

В заключении еще три формулы, учитывающие релятивистские эффекты.

Для удобства в формулах используются внесистемные единицы измерения.

Длительность полета на участке разгона измеренное по часам земного наблюдателя:

И время измеренное по часам корабля

Источник

На них держится Вселенная: как работают четыре главные силы природы

Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Недавно физики нашли возможные признаки пятой фундаментальной силы природы, о которой мы писали ранее. Пришло время разобраться, как работают основные.

Читайте «Хайтек» в

Фундамент Вселенной

Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальными взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными.

Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса ).

Сила тяжести — гравитационное взаимодействие

Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.

Слабая сила и распад частиц

Электромагнитная сила

Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать.

Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной.

Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу. При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.

Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов.

Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных ) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.

Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации

Подобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10 −15 метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона).

Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.

Великое объединение и теория всего

Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.

Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.

Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.

Поле Хиггса обеспечивает спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума, названо по имени разработчика его теории, британского физика Питера Хиггса. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон).

W- и Z-бозоны — фундаментальные частицы, переносчики слабого взаимодействия. Их открытие считается одним из главнейших успехов Стандартной модели физики элементарных частиц. W-частица названа по первой букве названия взаимодействия — слабое взаимодействие

Углерод-14 — радиоактивный нуклид химического элемента углерода с атомным номером 6 и массовым числом 14.

Изотопы азота — разновидности атомов химического элемента азота, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Природный азот состоит из двух стабильных изотопов ¹⁴N и ¹⁵N с атомными концентрациями 0,99636 и 0,00364 соответственно.

Нейтральная частица — элементарная частица, не имеющая электрического заряда. К нейтральным частицам, относятся, например, фотон, нейтрон, нейтрино. Нейтральные частицы могут иметь, однако, магнитный момент и электрические моменты высшей мультипольности, например, квадрупольный момент.

Сила нормальной реакции — сила, действующая на тело со стороны опоры и направленная перпендикулярно к поверхности соприкосновения. Распределена по площади зоны соприкосновения. Подлежит учёту при анализе динамики движения тела. Фигурирует в законе Амонтона — Кулона.

Источник

Заблуждение: причина невесомости на орбите — отсутствие гравитации

Согласно закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу, и сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратна пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть выражение «отсутствие гравитации» вообще не имеет смысла. На высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли — там, где летают пилотируемые корабли и космические станции — сила притяжения Земли очень велика и практически не отличается от силы гравитации вблизи поверхности.

Если бы существовала техническая возможность сбросить некий предмет с башни высотой километров 300, он бы начал падать вертикально и с ускорением свободного падения, точно так же, как он падал бы с высоты небоскреба или с высоты человеческого роста. Таким образом, во время орбитальных полетов сила земного притяжения не отсутствует и не ослабевает в значимых масштабах, а компенсируется. Точно так же, как для водных судов и аэростатов, сила притяжения земли компенсируется архимедовой силой, а для крылатых летательных аппаратов — подъемной силой крыла.

Да, но вот самолет-то летит и не падает, а пассажиру внутри салона не летают как космонавты на МКС. При обычном полете пассажир прекрасно ощущает свой вес, и от падения на землю его удерживает не непосредственно подъемная сила, а сила реакции опоры. Лишь во время аварийного или искусственно вызванного резкого снижения человек вдруг чувствует, что перестает давить на опору. Возникает невесомость. Почему? А потому что если потеря высоты происходит с ускорением, близким к ускорению свободного падения, то опора больше не мешает пассажиру падать — она и сама падает.

Понятно, что когда самолет прекратит резкое снижение, или, к несчастью, упадет на землю, тут-то и станет ясно, что гравитация никуда не девалась. Ибо в земных и околоземных условиях эффект невесомости возможен только во время падения. Собственно продолжительным падением и является орбитальный полет. Космическому кораблю, двигающемуся по орбите с первой космической скоростью, мешает упасть на Землю сила инерции. Взаимодействие гравитации и инерции имеет название «центробежной силы», хотя в реальности такой силы не существует, это в некотором роде фикция. Аппарат стремится двигаться по прямой (по касательной к околоземной орбите), но земная гравитация постоянно «закручивает» траекторию движения. Здесь эквивалентом ускорения свободного падения является так называемое центростремительное ускорение, в результате которого меняется не значение скорости, а ее вектор. И поэтому скорость корабля остается неизменной, а направление движение постоянно меняется. Поскольку и корабль, и космонавт движутся с одной и той же скоростью и с тем же самым центростремительным ускорением, космический аппарат не может выступать в качестве опоры, на которую давит вес человека. Вес — это возникающая в поле сил тяжести сила воздействия тела на опору препятствующую падению, А корабль, как и резко снижающийся самолет, падать не мешает.

Источник

Какие силы действуют в космосе

Какие силы действуют на летящий космический аппарат?

Становление и развитие космической техники началось по существу совсем недавно, каких-нибудь полтора десятка лет тому назад. Могучим движущим толчком этого развития послужил запуск 4 октября 1957 г. первого в истории человечества искусственного спутника Земли.

Конечно, когда проектировался полет первого и всех последующих спутников, а также межпланетных космических аппаратов, то специалисты космической баллистики, конструкторы ракеты должны были прежде всего оценить физическую и механическую стороны вопроса полета аппарата. Такая оценка включала качественный и количественный анализ всех действующих сил, определяющих движение ракеты от момента старта до свободного полета в околоземном или межпланетном пространстве.

Образное выражение Козьмы Пруткова «Зри в корень» полностью подтверждает то обстоятельство, что знакомство с движением космических аппаратов целесообразно начать с изучения действующих на них сил. Определение состава сил, их природы, характеристик и величин, а также анализ их влияния на движение космического аппарата является одной из важных частей космической баллистики.

Итак, предположим, что космический аппарат помещен в некоторую произвольную точку межпланетного пространства, и для этого фиксированного положения перечислим совокупность всех действующих на него сил. Из дальнейшего станет также ясным, что величины и направления действия различных по своей природе сил могут зависеть не только от положения летящего аппарата в пространстве, но и от величины его скорости полета и направления движения. Поэтому, поместив аппарат в некоторую точку пространства, мы будем одновременно полагать, что он имеет определенную скорость в известном направлении.

Действие этих сил не остается постоянным ни во времени, ни в пространстве. Иначе говоря, если бы космический аппарат оставался в одной и той же точке пространства и мы бы каким-то образом сумели измерить величины действующих на него сил притяжения, то увидели бы, что эти силы беспрерывно изменяются. Мало того, если тот же самый аппарат перенести в другую точку пространства, то действие этих сил также изменилось бы. Такого рода беспрерывное изменение сил притяжения объясняется непрекращающимся движением всех тел, создающих гравитационное поле и одновременно находящихся в нем. Это обстоятельство, кстати говоря, существенным образом усложняет «спокойную» жизнь астрономов и баллистиков. Но конкретнее об этом будет сказано несколько позже. Важно подчеркнуть, что гравитационные силы в подавляющем числе случаев в основном предопределяют движение космического аппарата.

По мере приближения к поверхности планеты плотность атмосферы возрастает, а это в свою очередь приводит к резкому увеличению тормозящего действия атмосферы. При космических скоростях полета, начиная с некоторых высот, аэродинамические силы могут во много раз превысить гравитационные силы и полет космического аппарата становится в дальнейшем невозможным (он упадет на планету или превратится в обыкновенный самолет). Именно по этой причине ранее было сказано, что гравитационные силы не всегда определяют возможности полета космического аппарата.

Однако не так страшен черт, как его малюют. Из всей совокупности действующих сил, в частности электромагнитных, баллистики научились выбирать главные, наибольшие, а все остальные ввиду их малости по сравнению с выбранными отсеивать. В действительности, например, оказалось, что из всех действующих сил электромагнитного происхождения главенствующей является сила давления солнечного света (разумеется, ‘При полетах в пределах Солнечной системы). Конечно, сама по себе величина светового давления является ничтожной, измеряемой малыми долями грамма. Но не следует забывать, что летящий космический аппарат находится в пустоте и поэтому малая сила при длительном непрерывном воздействии может привести к ощутимым смещениям его в пространстве.

Таким образом, на летящий космический аппарат действуют три следующие основные группы сил, в ‘общем случае учитываемых при расчете траекторий его движения:

— давление солнечного света.

Это силы естественного происхождения и поэтому их возникновение не связано с желанием и волей человека. Человек может как-то использовать их в собственных интересах. Но это уже другая сторона вопроса, относящаяся к проблемам проектирования и управления полетом.

Существует, однако, еще одна группа сил, действие которых целиком и полностью подчинено человеку. Эти силы образуются с помощью специальных ракетных двигателей, установленных на космических аппаратах. По желанию человека тяга ракетных двигателей может быть направлена в любую точку пространства и скорость полета изменена на заданную величину.

Силы естественного происхождения определяют траекторию пассивного движения космического аппарата или, как иной раз говорят, полет по инерции. Основной особенностью космических путешествий является то, что большая часть их во времени и пространстве производится с неработающими двигателями. Будучи один раз выведен на орбиту, спутник может с громадной скоростью пролететь многие миллионы километров, не истратив при этом ни капли горючего. В этом смысле космические путешествия являются самыми дешевыми.

Давайте теперь войдем в этот «темный лес» и попробуем разобраться, кем он «населен» и как в нем ориентироваться.

Источник