Kozmonot düzenli olarak çarpıcı başarılara imza atıyor. Dünyanın yapay uyduları sürekli olarak daha çeşitli uygulamalar buluyor. Dünya'ya yakın yörüngede bir astronot olmak sıradan hale geldi. Bu, astronotiğin ana formülü - Tsiolkovsky denklemi - olmasaydı imkansız olurdu.
Zamanımızda hem gezegenler hem de güneş sistemimizin diğer cisimleri (Venüs, Mars, Jüpiter, Uranüs, Dünya vb.) ve uzaktaki nesneler (asteroitler, diğer sistemler ve galaksiler) üzerine çalışmalar devam etmektedir. Tsiolkovsky'nin vücutlarının kozmik hareketinin özellikleri hakkındaki sonuçlar, düzinelerce elektrikli jet motoru modelinin ve örneğin bir güneş yelkeni gibi son derece ilginç mekanizmaların icat edilmesine yol açan astronotiğin teorik temellerinin temelini attı.
Uzay keşfinin temel sorunları
Bilim ve teknolojideki üç araştırma ve geliştirme alanı, uzay araştırmalarının sorunları olarak açıkça tanımlanmıştır:
- Dünyanın etrafında uçmak veya yapay uydular inşa etmek.
- Ay uçuşları.
- Gezegensel uçuşlar ve güneş sisteminin nesnelerine uçuşlar.
Tsiolkovsky'nin jet tahrik denklemi, insanlığın bu alanların her birinde inanılmaz sonuçlar elde etmesine katkıda bulundu. Ayrıca, birçok yeni uygulamalı bilim ortaya çıktı: uzay tıbbı ve biyolojisi, bir uzay aracındaki yaşam destek sistemleri, uzay iletişimi, vb.
Uzay biliminde başarılar
Bugün çoğu insan büyük başarıları duymuştur: Ay'a ilk iniş (ABD), ilk uydu (SSCB) ve benzerleri. Herkesin duyduğu en ünlü başarılara ek olarak, başkaları da var. Özellikle, SSCB'ye aittir:
- ilk yörünge istasyonu;
- ayın ilk geçişi ve uzak tarafın fotoğrafları;
- otomatik bir istasyonun aya ilk inişi;
- araçların diğer gezegenlere ilk uçuşları;
- Venüs ve Mars'a ilk iniş, vb.
Birçok insan SSCB'nin kozmonotik alanındaki başarılarının ne kadar büyük olduğunun farkında bile değil. Hatta ilk uydudan çok daha fazlasıydılar.
Ancak Amerika Birleşik Devletleri astronotiğin gelişimine daha az katkıda bulunmadı. ABD'de düzenlenen:
- Bilimsel amaçlar ve uygulamalar için Dünya yörüngesinin (uydular ve uydu iletişimi) kullanımındaki tüm büyük gelişmeler.
- Ay'a birçok görev, uçuş mesafelerinden Mars, Jüpiter, Venüs ve Merkür'ün keşfi.
- Ayarlasıfır yerçekiminde yürütülen bilimsel ve tıbbi deneyler.
Ve şu anda diğer ülkelerin başarıları SSCB ve ABD'ye kıyasla sönük olsa da, Çin, Hindistan ve Japonya 2000'den sonraki dönemde uzay araştırmalarına aktif olarak katıldı.
Ancak, astronotiğin başarıları gezegenin üst katmanları ve yüksek bilimsel teorilerle sınırlı değildir. Ayrıca basit yaşam üzerinde büyük bir etkisi oldu. Uzay araştırmaları sonucunda hayatımıza şöyle şeyler girdi: yıldırım, Velcro, Teflon, uydu iletişimi, mekanik manipülatörler, kablosuz araçlar, güneş panelleri, yapay bir kalp ve çok daha fazlası. Ve tüm bunları başarmaya yardımcı olan, yerçekimi çekiciliğinin üstesinden gelmeye ve bilimde uzay pratiğinin ortaya çıkmasına katkıda bulunan Tsiolkovsky'nin hız formülüydü.
"Kozmodinamik" terimi
Tsiolkovsky'nin denklemi kozmodinamiğin temelini oluşturdu. Ancak, bu terim daha ayrıntılı olarak anlaşılmalıdır. Özellikle anlam bakımından ona yakın kavramlar konusunda: astronot, gök mekaniği, astronomi vb. Kozmonot, Yunanca'dan "Evrende yüzmek" olarak çevrilir. Olağan durumda, bu terim, uzay ve gök cisimlerinin incelenmesine izin veren tüm teknik yeteneklerin ve bilimsel başarıların kütlesini ifade eder.
Uzay uçuşları, insanlığın yüzyıllardır hayalini kurduğu şeydir. Ve bu rüyalar teoriden bilime ve Tsiolkovsky'nin roket hızı formülü sayesinde gerçeğe dönüştü. Bu büyük bilim adamının çalışmalarından, uzay bilimi teorisinin üç temel üzerinde durduğunu biliyoruz.sütunlar:
- Uzay aracının hareketini açıklayan teori.
- Elektro-roket motorları ve üretimleri.
- Astronomik bilgi ve Evrenin keşfi.
Daha önce belirtildiği gibi, uzay çağında birçok başka bilimsel ve teknik disiplin ortaya çıktı, örneğin: uzay aracı kontrol sistemleri, uzayda iletişim ve veri iletim sistemleri, uzay navigasyonu, uzay tıbbı ve çok daha fazlası. Astronotiğin temellerinin atıldığı sırada böyle bir radyonun bile olmadığını belirtmekte fayda var. Elektromanyetik dalgaların incelenmesi ve onların yardımıyla uzun mesafelerde bilgi iletimi daha yeni başlıyordu. Bu nedenle, teorinin kurucuları, ışık sinyallerini - Dünya'ya yansıyan güneş ışınları - veri iletmenin bir yolu olarak ciddi şekilde düşündüler. Bugün, ilgili tüm uygulamalı bilimler olmadan kozmonotiği hayal etmek imkansızdır. O uzak zamanlarda, bazı bilim adamlarının hayal gücü gerçekten şaşırtıcıydı. İletişim yöntemlerinin yanı sıra çok aşamalı roket için Tsiolkovsky formülü gibi konulara da değindiler.
Bütün çeşitler arasında herhangi bir disiplini ana disiplin olarak seçmek mümkün müdür? Kozmik cisimlerin hareket teorisidir. Ana bağlantı olarak hizmet eden, onsuz astronotiğin imkansız olduğu kişidir. Bu bilim alanına kozmodinamik denir. Pek çok özdeş isme sahip olmasına rağmen: göksel veya uzay balistik, uzay uçuş mekaniği, uygulamalı gök mekaniği, yapay gök cisimlerinin hareketi bilimi vevb. Hepsi aynı çalışma alanına atıfta bulunur. Biçimsel olarak, kozmodinamik gök mekaniğine girer ve yöntemlerini kullanır, ancak son derece önemli bir fark vardır. Gök mekaniği yalnızca yörüngeleri inceler; başka seçeneği yoktur, ancak kozmodinamik, uzay aracıyla belirli gök cisimlerine ulaşmak için en uygun yörüngeleri belirlemek üzere tasarlanmıştır. Ve jet tahriki için Tsiolkovsky denklemi, gemilerin uçuş yolunu tam olarak nasıl etkileyebileceklerini belirlemelerine olanak tanır.
Bir bilim olarak kozmodinamik
K. E. Tsiolkovsky formülü çıkardığından beri, gök cisimlerinin hareketi bilimi kozmodinamik olarak kesin bir şekilde şekillendi. Tıpkı aerodinamiğin atmosferik uçuşun temeli olması gibi, uzay aracının yörünge manevrası olarak adlandırılan ve uzaydaki hareket teorisinin temeli olan farklı yörüngeler arasında en uygun geçişi bulmak için yöntemler kullanmasına izin verir. Ancak, bu konuyla ilgilenen tek bilim değildir. Bunun yanında roket dinamiği de var. Bu bilimlerin her ikisi de modern uzay teknolojisi için sağlam bir temel oluşturur ve her ikisi de gök mekaniği bölümünde yer alır.
Kozmodinamik iki ana bölümden oluşur:
- Bir cismin uzayda eylemsizlik merkezinin (kütle) hareketi teorisi veya yörünge teorisi.
- Kozmik bir cismin eylemsizlik merkezine göre hareketinin teorisi veya dönme teorisi.
Tsiolkovsky denkleminin ne olduğunu anlamak için, mekaniği, yani Newton yasalarını iyi anlamanız gerekir.
Newton'un birinci yasası
Herhangi bir cisim düzgün ve doğrusal hareket eder veya kendisine uygulanan dış kuvvetler bu durumu değiştirmeye zorlayana kadar hareketsiz kalır. Başka bir deyişle, böyle bir hareketin hız vektörü sabit kalır. Cisimlerin bu davranışına eylemsizlik hareketi de denir.
Hız vektöründe herhangi bir değişikliğin meydana geldiği diğer herhangi bir durum, cismin ivmeye sahip olduğu anlamına gelir. Bu durumda ilginç bir örnek, bir daire içindeki maddesel bir noktanın veya yörüngedeki herhangi bir uydunun hareketidir. Bu durumda, düzgün hareket vardır, ancak doğrusal değildir, çünkü hız vektörü sürekli yön değiştirir, bu da ivmenin sıfıra eşit olmadığı anlamına gelir. Hızdaki bu değişiklik v2 / r formülü kullanılarak hesaplanabilir, burada v sabit hızdır ve r yörüngenin yarıçapıdır. Bu örnekteki ivme, vücudun yörüngesinin herhangi bir noktasında dairenin merkezine yönlendirilecektir.
Yasanın tanımına göre, sadece kuvvet maddi bir noktanın yönünde bir değişikliğe neden olabilir. Rolünde (uydu durumunda) gezegenin yerçekimi vardır. Kolayca tahmin edebileceğiniz gibi gezegenlerin ve yıldızların çekiciliği, genel olarak kozmodinamikte ve özel olarak Tsiolkovsky denklemini kullanırken büyük önem taşır.
Newton'un ikinci yasası
Hızlanma kuvvetle doğru orantılı ve vücut kütlesi ile ters orantılıdır. Veya matematiksel biçimde: a=F / m veya daha yaygın olarak - F=ma, burada m ölçüyü temsil eden orantılılık faktörüdürvücut ataleti için.
Herhangi bir roket, değişken kütleli bir cismin hareketi olarak temsil edildiğinden, Tsiolkovsky denklemi her birim zamanda değişecektir. Gezegenin etrafında dönen bir uydunun yukarıdaki örneğinde, kütlesi m olarak biliniyorsa, yörüngede döndüğü kuvveti kolayca bulabilirsiniz, yani: F=mv2/r. Açıkçası, bu kuvvet gezegenin merkezine doğru yönlendirilecek.
Soru ortaya çıkıyor: uydu neden gezegenin üzerine düşmüyor? Yörüngesi gezegenin yüzeyiyle kesişmediği için düşmez, çünkü doğa onu kuvvetin hareketi boyunca hareket etmeye zorlamaz, çünkü hız değil sadece ivme vektörü ona doğru yönlendirilir.
Ayrıca cisme etki eden kuvvetin ve kütlesinin bilindiği durumlarda cismin ivmesini de bulmak mümkündür. Ve ona göre, bu cismin hareket ettiği yolu matematiksel yöntemler belirler. Burada kozmodinamiğin ele aldığı iki ana soruna geliyoruz:
- Bir uzay gemisinin hareketini manipüle etmek için kullanılabilecek kuvvetleri açığa çıkarır.
- Üzerine etkiyen kuvvetler biliniyorsa bu geminin hareketini belirleyin.
İkinci problem gök mekaniği için klasik bir soru iken, birincisi kozmodinamiğin istisnai rolünü gösterir. Bu nedenle, fiziğin bu alanında, jet tahriki için Tsiolkovsky formülüne ek olarak, Newton mekaniğini anlamak son derece önemlidir.
Newton'un Üçüncü Yasası
Bir cisme etki eden bir kuvvetin nedeni her zaman başka bir cisimdir. Ama gerçekayrıca tam tersi. Bu, Newton'un üçüncü yasasının özüdür; bu yasa, her eylem için, büyüklük olarak eşit, ancak zıt yönde tepki olarak adlandırılan bir eylem olduğunu belirtir. Başka bir deyişle, A gövdesi B gövdesine F kuvvetiyle etki ediyorsa, B gövdesi A gövdesine -F kuvvetiyle etki eder.
Bir uydu ve bir gezegen örneğinde, Newton'un üçüncü yasası bizi gezegenin hangi kuvvetle uyduyu çektiğini, aynı uydunun da gezegeni çektiğini anlamamıza götürür. Bu çekici kuvvet, uyduya ivme kazandırmaktan sorumludur. Ama aynı zamanda gezegene ivme kazandırıyor ama kütlesi o kadar büyük ki hızdaki bu değişim onun için ihmal edilebilir.
Tsiolkovsky'nin jet tahrik formülü tamamen Newton'un son yasasının anlaşılmasına dayanmaktadır. Ne de olsa, roketin ana gövdesinin ivme kazanması, tam olarak fırlatılan gaz kütlesi nedeniyledir ve bu da onun doğru yönde hareket etmesine izin verir.
Referans sistemleri hakkında biraz
Herhangi bir fiziksel olayı ele alırken, referans çerçevesi gibi bir konuya değinmemek zordur. Bir uzay aracının hareketi, uzaydaki diğer herhangi bir cisim gibi, farklı koordinatlarda sabitlenebilir. Yanlış referans sistemleri yoktur, sadece daha uygun ve daha azı vardır. Örneğin, güneş sistemindeki cisimlerin hareketi en iyi güneş merkezli bir referans çerçevesinde, yani Kopernik çerçevesi olarak da adlandırılan Güneş ile ilişkili koordinatlarda tanımlanır. Bununla birlikte, Ay'ın bu sistemdeki hareketinin dikkate alınması daha az uygundur, bu nedenle jeosentrik koordinatlarda incelenir - sayım görelidir. Dünya, buna Ptolemaik sistem denir. Ancak soru, yakınlarda uçan bir asteroidin Ay'a çarpıp çarpmayacağıysa, tekrar güneş merkezli koordinatları kullanmak daha uygun olacaktır. Tüm koordinat sistemlerini kullanabilmek ve probleme farklı açılardan bakabilmek önemlidir.
Roket hareketi
Uzayda seyahat etmenin ana ve tek yolu bir rokettir. Habr web sitesine göre, bu ilke ilk kez 1903'te Tsiolkovsky formülüyle ifade edildi. O zamandan beri, uzay mühendisleri çok çeşitli enerji kullanan düzinelerce roket motoru icat ettiler, ancak hepsi tek bir çalışma prensibi ile birleştirildi: ivme elde etmek için kütlenin bir kısmını çalışma sıvısının rezervlerinden çıkarmak. Bu işlem sonucunda oluşan kuvvete çekiş kuvveti denir. İşte Tsiolkovsky denklemine ve ana formunun türetilmesine gelmemize izin verecek bazı sonuçlar.
Açıkçası, roketten birim zamanda fırlatılan kütlenin hacmine ve bu kütlenin rapor etmeyi başardığı hıza bağlı olarak çekiş kuvveti artacaktır. Böylece F=wq bağıntısı elde edilir, burada F çekme kuvveti, w fırlatılan kütlenin hızı (m/s) ve q birim zamanda tüketilen kütledir (kg/s). Özellikle roketin kendisiyle ilişkilendirilen referans sisteminin önemini ayrıca belirtmekte fayda var. Aksi takdirde, her şey Dünya'ya veya diğer cisimlere göre ölçülürse, bir roket motorunun itme kuvvetini karakterize etmek imkansızdır.
Araştırma ve deneyler, F=wq oranının yalnızca fırlatılan kütlenin sıvı veya katı olduğu durumlarda geçerli olduğunu göstermiştir. Ancak roketler bir jet sıcak gaz kullanır. Bu nedenle, orana bir dizi düzeltme eklenmelidir ve sonra Soranının ek bir terimini elde ederiz (pr - pa), orijinal wq'ya eklenir. Burada pr gazın meme çıkışında uyguladığı basınçtır; pa atmosferik basınçtır ve S nozül alanıdır. Böylece, rafine formül şöyle görünür:
F=wq + Spr - Spa.
Roket tırmandıkça atmosfer basıncının azalacağını ve itme kuvvetinin artacağını görebileceğiniz yer. Ancak fizikçiler uygun formülleri severler. Bu nedenle, orijinal formuna benzer bir formül sıklıkla F=weq kullanılır, burada we etkin kütle çıkış hızıdır. Tahrik sisteminin testi sırasında deneysel olarak belirlenir ve sayısal olarak w + (Spr - Spa) / q. ifadesine eşittir.
Haydi we - özgül itme itkisi ile özdeş bir kavram düşünelim. Spesifik, bir şeyle ilgili anlamına gelir. Bu durumda, Dünya'nın yerçekimi içindir. Bunu yapmak için yukarıdaki formülde sağ taraf g ile çarpılır ve bölünür (9.81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg veya F=I ud qg
Bu değer, Isp Ns/kg veya herhangi bir şekilde ölçülüraynı m/s. Başka bir deyişle, belirli itme darbesi hız birimlerinde ölçülür.
Tsiolkovsky'nin formülü
Kolayca tahmin edebileceğiniz gibi, motorun itme kuvvetine ek olarak, roket üzerinde başka birçok kuvvet de etki eder: Dünya'nın çekiciliği, güneş sistemindeki diğer nesnelerin yerçekimi, atmosferik direnç, hafif basınç, vb. Bu kuvvetlerin her biri rokete kendi ivmesini verir ve hareketin toplamı nihai ivmeyi etkiler. Bu nedenle, jet ivmesi veya ar=Ft / M kavramını tanıtmak uygundur; burada M, belirli bir durumdaki roketin kütlesidir. zaman aralığı. Jet ivmesi, üzerine etki eden dış kuvvetlerin yokluğunda roketin hareket edeceği ivmedir. Açıkçası, kütle harcandıkça ivme artacaktır. Bu nedenle, başka bir uygun özellik daha vardır - ilk jet ivmesi ar0=FtM0, burada M 0 roketin hareketin başlangıcındaki kütlesidir.
Çalışan vücudun kütlesinin bir miktarını kullandıktan sonra, bir roketin böyle boş bir alanda hangi hızda gelişebileceğini sormak mantıklı olacaktır. Roketin kütlesi m0 iken m1 olarak değişsin. Daha sonra, m1 kg değerine kadar kütlenin düzgün tüketiminden sonra roketin hızı şu formülle belirlenecektir:
V=wln(m0 / m1)
Bu, kütleleri değişken olan cisimlerin hareket formülü veya Tsiolkovsky denkleminden başka bir şey değildir. Roketin enerji kaynağını karakterize eder. Ve bu formülle elde edilen hıza ideal denir. yazılabilirbu formül başka bir özdeş versiyonda:
V=Iudln(m0 / m1)
Yakıt hesaplamak için Tsiolkovsky Formülünün kullanımına dikkat etmekte fayda var. Daha doğrusu, Dünya'nın yörüngesine belirli bir ağırlık getirmek için gerekli olacak fırlatma aracının kütlesi.
Sonunda Meshchersky gibi büyük bir bilim adamı hakkında söylenmeli. Tsiolkovsky ile birlikte astronotiğin atalarıdır. Meshchersky, değişken kütleli nesnelerin hareket teorisinin yaratılmasına büyük katkı yaptı. Özellikle Meshchersky ve Tsiolkovsky'nin formülü şu şekildedir:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, burada v maddesel noktanın hızıdır, u fırlatılan kütlenin rokete göre hızıdır. Bu bağıntıya Meshchersky diferansiyel denklemi de denir, bundan sonra bir madde noktası için özel bir çözüm olarak ondan Tsiolkovsky formülü elde edilir.
