火箭的飞行原理

时间:2024-06-26 06:08:04

很多研究物理的人,可能也不能正确地解释火箭的飞行原理。他们一般会认为:火箭之所以能高速飞行,是因为燃料燃烧产生了大量气体,推开了旁边的空气。人们在很早以前就已经发明了火箭。当时,人们基本也是这样认为的。但这种解释正确吗?不妨假设一下,把火箭放到一个真空的环境里,没有了空气的阻力,火箭能够飞得更快!那上面对火箭飞行原因的解释就站不住脚了,这说明火箭能够飞行另有原因。

曾在1881年参与刺杀亚历山大二世的一名刺客,在笔记里记录过这样一个实验:

做一个一端封闭一端开放的圆筒,用强效的火药将开口的一端塞紧。圆管的中间是空的,像一个中空的管道。当点燃火药时,火药从内表面开始燃烧,经过一段时间,燃烧扩散到外表面。随着气体的燃烧,产生了不同方向的压力。气体向两侧的压力可以相互抵制平衡。因为圆筒一端开放一端封闭,这个方向的压力自然无法平衡。于是,朝向封闭方向的压力实现了圆筒的飞行。

发射炮弹时也是同样的情形:炮弹向前飞,炮身却是向后坐的。手枪等武器在发射时,也会产生后坐力。假如大炮悬在空中没有任何支撑,那么炮身在发射炮弹之后,肯定是向后运动的,而炮身向后运行的速度与炮弹的前行速度之比,等于炮弹和炮身的重量之比。凡尔纳 创作的科幻小说《北冰洋的幻想》中的主人公就曾幻想利用大炮超级强大的后坐力把地轴扶正。

火箭就像一枚大炮,只是它射出的不是炮弹,而是火药气体。中国有一种焰火就是根据这个物理原理制作的。在焰火中的轮子上面装上一根火药管,点燃火药,气体就会从一个方向冲出来,火药管就会带着轮子向着气体相反的方向冲出去。有一种叫西格纳尔轮的物理仪器,和焰火的运作原理是一样的。

人类在发明蒸汽机以前,曾经利用这一原理设计过一种机械船。在机械船的船尾装有一个强力压水泵,通过把船里的水压出去,从而将船推动起来。在一些中学物理实验课上,也进行过类似的实验,只不过将机械船换成了一个铁罐之类的东西。人类虽然有过这种机械船的设计,但并没有真正制造出这样的船。尽管如此,它仍然给 富尔顿 提供了灵感,让富尔顿从中得到启发,最终促成了轮船的发明。

火箭的飞行原理

图 希罗的蒸汽机(涡轮机)工作示意图。

公元前2世纪,希罗也是利用这个原理,制造了最早的蒸汽机。如 图 :把球安装在一个水平轴上。蒸汽通过管道abc从汽锅D进入这个球体。随后,蒸汽从球体上的两个管子中冲出,推动管子向两个相反的方向运动,从而带动球体转动。

只可惜,希罗的蒸汽机只是被作为玩具看待,没有被很好地开发利用。因为希罗是一个奴隶。(在当时,奴隶的劳动是不会被人重视的,人们瞧不上希罗的发明,就更不可能将它用在机器上。但制作原理是正确的。我们现在制造的反动式涡轮机,就是以希罗的蒸汽机为原型。)

作用与反作用定律是由伟大的物理学家牛顿提出的。如图所示,牛顿根据这个原理,设计了人类最早的一辆蒸汽汽车。在蒸汽汽车的车轮上装有一个汽锅,蒸汽从汽锅中向一个方向喷出,带动着车轮向着相反的方向运动,车子就开起来了。

火箭的飞行原理

图 牛顿发明的蒸汽汽车。

大家如果有兴趣,可以按照图的方法做一艘蒸汽小船。这艘船和牛顿的蒸汽汽车的制作原理是相同的。这艘蒸汽小船是这样制作的:用空蛋壳当汽锅。在汽锅下面放一个顶针,在顶针里放一块蘸满酒精的棉花,点燃棉花,汽锅里就会产生蒸汽。蒸汽向同一个方向冲出,小船就有了“后坐力”,从而向相反的方向前进。这个小玩具可以做得很精致,相信心灵手巧的你一定可以完成。

火箭的飞行原理

图 用纸片和蛋壳做成的蒸汽小船。