Cosmonautics rregullisht arrin sukses mahnitës. Satelitët artificialë të Tokës po gjejnë vazhdimisht aplikime gjithnjë e më të ndryshme. Të qenit astronaut në orbitën afër Tokës është bërë e zakonshme. Kjo do të ishte e pamundur pa formulën kryesore të astronautikës - ekuacionin Tsiolkovsky.
Në kohën tonë, studimi i planeteve dhe trupave të tjerë të sistemit tonë diellor (Venus, Marsi, Jupiteri, Urani, Toka, etj.) dhe i objekteve të largëta (asteroide, sisteme të tjera dhe galaktika) vazhdon. Përfundimet në lidhje me karakteristikat e lëvizjes kozmike të trupave të Tsiolkovsky hodhën themelet për themelet teorike të astronautikës, gjë që çoi në shpikjen e dhjetëra modeleve të motorëve elektrikë jet dhe mekanizmave jashtëzakonisht interesantë, për shembull, një vela diellore.
Problemet kryesore të eksplorimit të hapësirës
Tri fusha të kërkimit dhe zhvillimit në shkencë dhe teknologji janë identifikuar qartë si probleme të eksplorimit të hapësirës:
- Fluturim rreth Tokës ose ndërtim satelitësh artificial.
- Fluturime në hënë.
- Fluturime planetare dhe fluturime drejt objekteve të sistemit diellor.
Ekuacioni i Tsiolkovsky për shtytjen e avionëve ka kontribuar në faktin se njerëzimi ka arritur rezultate të mahnitshme në secilën prej këtyre fushave. Dhe gjithashtu, janë shfaqur shumë shkenca të reja të aplikuara: mjekësia dhe biologjia hapësinore, sistemet e mbështetjes së jetës në një anije kozmike, komunikimet në hapësirë, etj.
Arritjet në astronautikë
Shumica e njerëzve sot kanë dëgjuar për arritje të mëdha: uljen e parë në Hënë (SHBA), satelitin e parë (BRSS) dhe të ngjashme. Përveç arritjeve më të famshme për të cilat dëgjojnë të gjithë, ka edhe shumë të tjera. Në veçanti, BRSS i përket:
- stacioni i parë orbital;
- fluturimi i parë i hënës dhe fotot e anës së largët;
- ulja e parë në hënë e një stacioni të automatizuar;
- fluturimet e para të automjeteve në planetë të tjerë;
- ulja e parë në Venus dhe Mars, etj.
Shumë njerëz as nuk e kuptojnë se sa të mëdha ishin arritjet e BRSS në fushën e kozmonautikës. Sido që të jetë, ata ishin dukshëm më shumë se sa sateliti i parë.
Por Shtetet e Bashkuara kanë dhënë jo më pak kontribut në zhvillimin e astronautikës. Në SHBA u mbajt:
- Të gjitha përparimet kryesore në përdorimin e orbitës së Tokës (satelitët dhe komunikimet satelitore) për qëllime dhe aplikime shkencore.
- Shumë misione në Hënë, eksplorim i Marsit, Jupiterit, Venusit dhe Mërkurit nga distancat fluturuese.
- Seteksperimente shkencore dhe mjekësore të kryera në gravitetin zero.
Dhe megjithëse për momentin arritjet e vendeve të tjera zbehen në krahasim me BRSS dhe SHBA, por Kina, India dhe Japonia iu bashkuan në mënyrë aktive eksplorimit të hapësirës në periudhën pas vitit 2000.
Megjithatë, arritjet e astronautikës nuk kufizohen në shtresat e sipërme të planetit dhe teoritë e larta shkencore. Ajo kishte një ndikim të madh edhe në jetën e thjeshtë. Si rezultat i eksplorimit të hapësirës, gjëra të tilla kanë ardhur në jetën tonë: rrufe, Velcro, Teflon, komunikime satelitore, manipulues mekanikë, mjete pa tela, panele diellore, një zemër artificiale dhe shumë më tepër. Dhe ishte formula e shpejtësisë së Tsiolkovsky, e cila ndihmoi në kapërcimin e tërheqjes gravitacionale dhe kontribuoi në shfaqjen e praktikës hapësinore në shkencë, ajo që ndihmoi në arritjen e gjithë kësaj.
Termi "kozmodinamikë"
Ekuacioni i Tsiolkovsky formoi bazën e kozmodinamikës. Sidoqoftë, ky term duhet kuptuar më në detaje. Sidomos në çështjen e koncepteve afër saj në kuptim: astronautika, mekanika qiellore, astronomia, etj. Kozmonautika përkthehet nga greqishtja si "noti në univers". Në rastin e zakonshëm, ky term i referohet masës së të gjitha aftësive teknike dhe arritjeve shkencore që lejojnë studimin e hapësirës dhe trupave qiellorë.
Fluturimet në hapësirë janë ato që njerëzimi ka ëndërruar me shekuj. Dhe këto ëndrra u kthyen në realitet, nga teoria në shkencë, dhe të gjitha falë formulës Tsiolkovsky për shpejtësinë e raketës. Nga veprat e këtij shkencëtari të madh, ne e dimë se teoria e astronautikës qëndron në treshtyllat:
- Teori që përshkruan lëvizjen e anijes kozmike.
- Motorët elektro-raketë dhe prodhimi i tyre.
- Njohuri astronomike dhe eksplorimi i Universit.
Siç u përmend më parë, shumë disiplina të tjera shkencore dhe teknike u shfaqën në epokën e hapësirës, si: sistemet e kontrollit të anijeve kozmike, sistemet e komunikimit dhe transmetimit të të dhënave në hapësirë, navigimi në hapësirë, mjekësia hapësinore dhe shumë më tepër. Vlen të përmendet se në kohën e lindjes së themeleve të astronautikës, nuk ekzistonte as një radio si e tillë. Studimi i valëve elektromagnetike dhe transmetimi i informacionit në distanca të gjata me ndihmën e tyre sapo kishte filluar. Prandaj, themeluesit e teorisë i konsideruan seriozisht sinjalet e dritës - rrezet e diellit të reflektuara drejt Tokës - si një mënyrë për transmetimin e të dhënave. Sot është e pamundur të imagjinohet kozmonautika pa të gjitha shkencat e aplikuara përkatëse. Në ato kohë të largëta, imagjinata e një numri shkencëtarësh ishte vërtet mahnitëse. Përveç metodave të komunikimit, ata prekën edhe tema të tilla si formula Tsiolkovsky për një raketë me shumë faza.
A është e mundur të veçosh ndonjë disiplinë si kryesoren midis gjithë varieteteve? Është teoria e lëvizjes së trupave kozmikë. Është ajo që shërben si lidhja kryesore, pa të cilën astronautika është e pamundur. Kjo fushë e shkencës quhet kozmodinamikë. Megjithëse ka shumë emra identikë: balistikë qiellore ose hapësinore, mekanikë fluturimi në hapësirë, mekanikë qiellore të aplikuar, shkenca e lëvizjes së trupave qiellorë artificialë dheetj. Të gjithë i referohen të njëjtës fushë studimi. Formalisht, kozmodinamika hyn në mekanikën qiellore dhe përdor metodat e saj, por ka një ndryshim jashtëzakonisht të rëndësishëm. Mekanika qiellore studion vetëm orbitat; ajo nuk ka zgjidhje, por kozmodinamika është krijuar për të përcaktuar trajektoret optimale për arritjen e trupave të caktuar qiellorë me anije kozmike. Dhe ekuacioni Tsiolkovsky për shtytjen e avionëve i lejon anijet të përcaktojnë saktësisht se si mund të ndikojnë në rrugën e fluturimit.
Kozmodinamika si shkencë
Që kur K. E. Tsiolkovsky nxori formulën, shkenca e lëvizjes së trupave qiellorë ka marrë fort formë si kozmodinamikë. Ai lejon anijen kozmike të përdorin metoda për të gjetur kalimin optimal midis orbitave të ndryshme, që quhet manovrim orbital dhe është baza e teorisë së lëvizjes në hapësirë, ashtu si aerodinamika është baza e fluturimit atmosferik. Megjithatë, ajo nuk është e vetmja shkencë që merret me këtë çështje. Përveç tij, ekziston edhe dinamika e raketave. Të dyja këto shkenca formojnë një bazë solide për teknologjinë moderne hapësinore dhe të dyja përfshihen në seksionin e mekanikës qiellore.
Kozmodinamika përbëhet nga dy seksione kryesore:
- Teoria e lëvizjes së qendrës së inercisë (masës) të një objekti në hapësirë, ose teoria e trajektoreve.
- Teoria e lëvizjes së një trupi kozmik në lidhje me qendrën e tij të inercisë, ose teoria e rrotullimit.
Për të kuptuar se çfarë është ekuacioni i Tsiolkovsky, duhet të keni një kuptim të mirë të mekanikës, domethënë ligjet e Njutonit.
Ligji i parë i Njutonit
Çdo trup lëviz në mënyrë të njëtrajtshme dhe drejtvizore ose është në qetësi derisa forcat e jashtme të aplikuara ndaj tij e detyrojnë atë të ndryshojë këtë gjendje. Me fjalë të tjera, vektori i shpejtësisë së një lëvizjeje të tillë mbetet konstant. Kjo sjellje e trupave quhet edhe lëvizje inerciale.
Çdo rast tjetër në të cilin ndodh ndonjë ndryshim në vektorin e shpejtësisë do të thotë që trupi ka nxitim. Një shembull interesant në këtë rast është lëvizja e një pike materiale në një rreth ose ndonjë sateliti në orbitë. Në këtë rast, ka lëvizje uniforme, por jo drejtvizore, sepse vektori i shpejtësisë ndryshon vazhdimisht drejtim, që do të thotë se nxitimi nuk është i barabartë me zero. Ky ndryshim në shpejtësi mund të llogaritet duke përdorur formulën v2 /r, ku v është shpejtësia konstante dhe r është rrezja e orbitës. Nxitimi në këtë shembull do të drejtohet në qendër të rrethit në çdo pikë të trajektores së trupit.
Bazuar në përkufizimin e ligjit, vetëm forca mund të shkaktojë ndryshim në drejtimin e një pike materiale. Në rolin e tij (për rastin me një satelit) është graviteti i planetit. Tërheqja e planetëve dhe yjeve, siç mund ta merrni me mend, ka një rëndësi të madhe në kozmodinamikë në përgjithësi dhe kur përdoret ekuacioni Tsiolkovsky në veçanti.
Ligji i dytë i Njutonit
Nxitimi është drejtpërdrejt proporcional me forcën dhe në përpjesëtim të zhdrejtë me masën trupore. Ose në formën matematikore: a=F / m, ose më shpesh - F=ma, ku m është faktori i proporcionalitetit, i cili përfaqëson masënpër inercinë e trupit.
Meqenëse çdo raketë përfaqësohet si lëvizja e një trupi me një masë të ndryshueshme, ekuacioni Tsiolkovsky do të ndryshojë çdo njësi të kohës. Në shembullin e mësipërm të një sateliti që lëviz rreth planetit, duke ditur masën e tij m, mund të zbuloni lehtësisht forcën nën të cilën ai rrotullohet në orbitë, përkatësisht: F=mv2/r. Natyrisht, kjo forcë do të drejtohet drejt qendrës së planetit.
Lind pyetja: pse sateliti nuk bie në planet? Ai nuk bie, pasi trajektorja e tij nuk kryqëzohet me sipërfaqen e planetit, sepse natyra nuk e detyron atë të lëvizë përgjatë veprimit të forcës, sepse vetëm vektori i nxitimit është i bashkëdrejtuar tek ai dhe jo shpejtësia.
Duhet të theksohet gjithashtu se në kushtet kur dihet forca që vepron në trup dhe masa e tij, është e mundur të zbulohet nxitimi i trupit. Dhe sipas saj, metodat matematikore përcaktojnë rrugën përgjatë së cilës lëviz ky trup. Këtu kemi ardhur te dy problemet kryesore me të cilat merret kozmodinamika:
- Zbulimi i forcave që mund të përdoren për të manipuluar lëvizjen e një anije kozmike.
- Përcaktoni lëvizjen e kësaj anije nëse dihen forcat që veprojnë në të.
Problemi i dytë është një pyetje klasike për mekanikën qiellore, ndërsa i pari tregon rolin e jashtëzakonshëm të kozmodinamikës. Prandaj, në këtë fushë të fizikës, përveç formulës Tsiolkovsky për lëvizjen e avionëve, është jashtëzakonisht e rëndësishme të kuptohet mekanika e Njutonit.
Ligji i Tretë i Njutonit
Shkaku i një force që vepron mbi një trup është gjithmonë një trup tjetër. Por e vërtetëedhe e kundërta. Ky është thelbi i ligjit të tretë të Njutonit, i cili thotë se për çdo veprim ka një veprim të barabartë në madhësi, por të kundërt në drejtim, i quajtur reaksion. Me fjalë të tjera, nëse trupi A vepron me forcën F në trupin B, atëherë trupi B vepron në trupin A me forcë -F.
Në shembullin me një satelit dhe një planet, ligji i tretë i Njutonit na çon në të kuptuarit se me çfarë force planeti tërheq satelitin, i njëjti satelit tërheq planetin. Kjo forcë tërheqëse është përgjegjëse për dhënien e përshpejtimit në satelit. Por planetit i jep edhe përshpejtim, por masa e tij është aq e madhe sa që ky ndryshim në shpejtësi është i papërfillshëm për të.
Formula e Tsiolkovsky për shtytjen e avionëve bazohet plotësisht në kuptimin e ligjit të fundit të Njutonit. Në fund të fundit, është pikërisht për shkak të masës së hedhur të gazrave që trupi kryesor i raketës fiton nxitim, gjë që e lejon atë të lëvizë në drejtimin e duhur.
Pak për sistemet e referencës
Kur shqyrton ndonjë fenomen fizik, është e vështirë të mos prekësh një temë të tillë si kornizë referimi. Lëvizja e një anije kozmike, si çdo trup tjetër në hapësirë, mund të fiksohet në koordinata të ndryshme. Nuk ka sisteme të gabuara referimi, ka vetëm më të përshtatshëm dhe më pak. Për shembull, lëvizja e trupave në sistemin diellor përshkruhet më së miri në një kornizë referimi heliocentrike, domethënë në koordinatat e lidhura me Diellin, i quajtur gjithashtu korniza e Kopernikut. Sidoqoftë, lëvizja e Hënës në këtë sistem është më pak e përshtatshme për t'u marrë parasysh, kështu që studiohet në koordinatat gjeocentrike - numërimi është në lidhje meToka, ky quhet sistemi Ptolemaik. Por nëse pyetja është nëse një asteroid që fluturon afër do të godasë Hënën, do të jetë më i përshtatshëm për të përdorur përsëri koordinatat heliocentrike. Është e rëndësishme të jesh në gjendje të përdorësh të gjitha sistemet e koordinatave dhe të jesh në gjendje ta shikosh problemin nga këndvështrime të ndryshme.
Lëvizja e raketës
Mënyra kryesore dhe e vetme për të udhëtuar në hapësirën e jashtme është një raketë. Për herë të parë ky parim u shpreh, sipas faqes së internetit Habr, nga formula Tsiolkovsky në 1903. Që atëherë, inxhinierët astronautikë kanë shpikur dhjetëra lloje të motorëve të raketave duke përdorur një shumëllojshmëri të gjerë të llojeve të energjisë, por të gjithë ata janë të bashkuar nga një parim operimi: nxjerrja e një pjese të masës nga rezervat e lëngut të punës për të marrë përshpejtimin. Forca që krijohet si rezultat i këtij procesi quhet forca tërheqëse. Këtu janë disa përfundime që do të na lejojnë të arrijmë te ekuacioni Tsiolkovsky dhe derivimi i formës kryesore të tij.
Natyrisht, forca tërheqëse do të rritet në varësi të vëllimit të masës së hedhur nga raketa për njësi të kohës dhe shpejtësisë që kjo masë arrin të raportojë. Kështu, fitohet relacioni F=wq, ku F është forca tërheqëse, w është shpejtësia e masës së hedhur (m/s) dhe q është masa e konsumuar për njësi të kohës (kg/s). Vlen të përmendet veçmas rëndësia e sistemit të referencës që lidhet posaçërisht me vetë raketën. Përndryshe, është e pamundur të karakterizohet forca e shtytjes së një motori rakete nëse gjithçka matet në lidhje me Tokën ose trupat e tjerë.
Kërkimet dhe eksperimentet kanë treguar se raporti F=wq mbetet i vlefshëm vetëm për rastet kur masa e nxjerrë është e lëngshme ose e ngurtë. Por raketat përdorin një rrymë gazi të nxehtë. Prandaj, një numër korrigjimesh duhet të futen në raport, dhe më pas marrim një term shtesë të raportit S(pr - pa), i cili i shtohet origjinalit wq. Këtu pr është presioni i ushtruar nga gazi në daljen e hundës; pa është presioni atmosferik dhe S është zona e grykës. Kështu, formula e rafinuar do të dukej kështu:
F=wq + Spr - Spa.
Ku mund të shihni se ndërsa raketa ngjitet, presioni atmosferik do të bëhet më i vogël dhe forca e shtytjes do të rritet. Megjithatë, fizikantët i duan formulat e përshtatshme. Prandaj, një formulë e ngjashme me formën e saj origjinale përdoret shpesh F=weq, ku we është shpejtësia efektive e daljes së masës. Përcaktohet eksperimentalisht gjatë testimit të sistemit shtytës dhe numerikisht është i barabartë me shprehjen w + (Spr - Spa) / q.
Le të shqyrtojmë një koncept që është identik me we - impuls specifik i shtytjes. Do të thotë specifike që i përket diçkaje. Në këtë rast, është për gravitetin e Tokës. Për ta bërë këtë, në formulën e mësipërme, ana e djathtë shumëzohet dhe pjesëtohet me g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg ose F=I ud qg
Kjo vlerë matet Isp në Ns/kg ose çfarëdo tjetëre njëjta m/s. Me fjalë të tjera, impulsi specifik i shtytjes matet në njësi shpejtësie.
Formula e Tsiolkovsky
Siç mund ta merrni me mend lehtësisht, përveç shtytjes së motorit, në raketë veprojnë edhe shumë forca të tjera: tërheqja e Tokës, graviteti i objekteve të tjera në sistemin diellor, rezistenca atmosferike, presioni i lehtë, etj. Secila prej këtyre forcave i jep raketës nxitimin e vet, dhe totali i veprimit ndikon në nxitimin përfundimtar. Prandaj, është e përshtatshme të prezantohet koncepti i përshpejtimit të avionit ose ar=Ft / M, ku M është masa e raketës në njëfarë periudhë kohore. Përshpejtimi i avionit është nxitimi me të cilin raketa do të lëvizte në mungesë të forcave të jashtme që veprojnë mbi të. Natyrisht, ndërsa masa harxhohet, nxitimi do të rritet. Prandaj, ekziston një karakteristikë tjetër e përshtatshme - përshpejtimi fillestar i avionit ar0=FtM0, ku M 0 është masa e raketës në fillim të lëvizjes.
Do të ishte logjike të pyesim se çfarë shpejtësie është e aftë të zhvillojë një raketë në një hapësirë kaq të zbrazët pasi të ketë konsumuar një sasi të masës së trupit të punës. Lëreni masën e raketës të ndryshojë nga m0 në m1. Pastaj shpejtësia e raketës pas konsumit uniform të masës deri në vlerën m1 kg do të përcaktohet me formulën:
V=wln(m0 / m1)
Kjo nuk është gjë tjetër veçse formula për lëvizjen e trupave me masë të ndryshueshme ose ekuacioni i Tsiolkovsky. Karakterizon burimin energjetik të raketës. Dhe shpejtësia e marrë nga kjo formulë quhet ideale. Mund të shkruhetkjo formulë në një version tjetër identik:
V=Iudln(m0 / m1)
Vlen të përmendet përdorimi i Formulës Tsiolkovsky për llogaritjen e karburantit. Më saktësisht, masa e mjetit lëshues, i cili do të kërkohet të sjellë një peshë të caktuar në orbitën e Tokës.
Në fund duhet thënë për një shkencëtar kaq të madh si Meshchersky. Së bashku me Tsiolkovsky ata janë paraardhësit e astronautikës. Meshchersky dha një kontribut të madh në krijimin e teorisë së lëvizjes së objekteve me masë të ndryshueshme. Në veçanti, formula e Meshchersky dhe Tsiolkovsky është si më poshtë:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, ku v është shpejtësia e pikës materiale, u është shpejtësia e masës së hedhur në raport me raketën. Ky relacion quhet edhe ekuacioni diferencial i Meshcherskit, më pas nga ai merret formula e Tsiolkovsky si një zgjidhje e veçantë për një pikë materiale.
