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        為什么火箭會飛

        時間:2023-12-18 理論教育 版權反饋
        【摘要】:可見火箭運動的真正原因,完全是另一回事。氣體燃燒過程中會產(chǎn)生各方面的壓力。你可以想象一下手槍和各種火器在發(fā)射時候的“后坐力”!牛頓提出作用和反作用定律,最早的蒸汽汽車的設計也是他提出來的,也是根據(jù)同一個原理:蒸汽從鍋爐里面出來,向一個方向沖出去,而鍋爐本身在后坐力的作用下被反作用力推著,使車輪慢慢前進(圖8)。盛滿小金屬帽的酒精作為燃料,從“鍋爐”孔里冒出來的蒸汽,迫使輪船向相反的方向航行。


        甚至在研究過物理學的人中,有時也會聽見對火箭飛行完全錯誤的解釋:火箭會飛,是因為利用在它里面的火藥燃燒所生的氣體來推開空氣。古時候的人對火箭的想法是這樣的(火箭很久以前就發(fā)明了),但是,如果讓火箭在真空中飛,它不但不比在空氣里飛得壞,甚至會飛得更好??梢娀鸺\動的真正原因,完全是另一回事。作為三·一刺客之一的基巴里奇非常明白,他還在自己的臨終字條中敘述了有關發(fā)明飛行機器的事情。為了解釋作戰(zhàn)用的火箭設備,他寫道:

        鐵質(zhì)汽缸,一端封閉作為基底,另一端開放,用壓制的火藥塞滿整個汽缸,留有沿著軸作為管道的真空地方?;鹚幍娜紵龔倪@個管道的內(nèi)表面開始,并且在確定的一段時間內(nèi),擴展到壓制火藥的外表面。氣體燃燒過程中會產(chǎn)生各方面的壓力。橫向的氣體壓力彼此平衡,對著火藥鐵制外殼底部的壓力,沒有與相對的壓力互相平衡(因為氣體可以往這個方向自由輸出),就把火箭向前推去。

        這里發(fā)生的情形,同開炮的時候完全一樣:炮彈向前飛去,而炮身自己卻向后坐。你可以想象一下手槍和各種火器在發(fā)射時候的“后坐力”!如果把大炮懸在空中,不給它任何支點,在射擊以后它就會向后運動,它的速度同炮彈向前運動的速度的比,等于炮彈的重量同大炮重量的比。儒勒·凡爾納的幻想小說《底朝天》里的主人公,甚至會想到用大炮的后坐力完成一件雄心勃勃的大事業(yè)——“把地軸扶正”。

        火箭其實也是大炮,只是它射出的不是炮彈,而是火藥的氣體。所謂的“中國輪”的旋轉(zhuǎn)也是這個道理,大概你們在放煙花的時候就可以觀賞到它:裝在輪子上面的一根火藥管燃燒時,氣體向一個方向沖出,火藥管本身(輪子與它連在一起)向相反的方向運動。從本質(zhì)上講,這也只是一種眾所周知的物理儀器——“西格納爾”輪的變相而已。

        有趣的是,在發(fā)明輪船以前,曾經(jīng)有過一種機械船的設計,最開始也是根據(jù)這個原理設計出來的:船尾部的強大打氣筒,能夠把船里儲藏的水壓向船外,因此船就會向前駛?cè)?,就像中學物理實驗室用來證明上述這條原理的浮在水面上的白鐵罐一樣。這個設計(由列姆齊提出來的)沒有拿來實用過,但是它對輪船的發(fā)明起了很大的作用,因為它向富爾敦暗示了發(fā)明輪船的可能性。

        圖7 最古老的蒸汽發(fā)動機(渦輪機),公元前2世紀由希羅創(chuàng)造。

        我們也知道,最早的蒸汽機,是公元前2世紀的亞歷山大城的希羅發(fā)明制造的,也是根據(jù)同樣的原理:從鍋爐β里面出來的蒸汽(圖7)沿著εεη管道進入到一個安裝在水平軸上的球里,然后從兩個曲柄管中沖出,蒸汽就把這些管子向相反的方向推動并且球開始旋轉(zhuǎn)。可惜的是,希羅式汽輪機在古代只是一種有趣的玩具,因為勞動力價格低廉,誰也不想使用機器。但是原理本身卻沒有被技術家拋棄:現(xiàn)今我們用它來制造反動式渦輪機。

        牛頓提出作用和反作用定律,最早的蒸汽汽車的設計也是他提出來的,也是根據(jù)同一個原理:蒸汽從鍋爐里面出來,向一個方向沖出去,而鍋爐本身在后坐力的作用下被反作用力推著,使車輪慢慢前進(圖8)。

        圖8 蒸汽汽車也被列入了牛頓的發(fā)明。

        1928年的噴氣式汽車實驗,很多人都記得當時在報紙和雜志上面寫道,它是牛頓汽車的現(xiàn)代變形。

        愛好者可以照著圖9做一只紙質(zhì)的小船,跟牛頓的汽車非常相似:用一個空的蛋殼做汽鍋,金屬帽里放一塊浸泡過酒精的棉花,把它點燃后,蛋殼里的水就慢慢變成了蒸汽;這時候,一股蒸汽就要向一面沖出,它使整個小船向相反的方向前進。不過,要制作這種有教育意義的玩具,必須有一雙非常靈巧的手。

        圖9 用紙和蛋殼做的玩具輪船。盛滿小金屬帽的酒精作為燃料,從“鍋爐”孔里冒出來的蒸汽(從蛋殼里面吹出的氣體),迫使輪船向相反的方向航行。


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