太空里沒有空氣來提供反作用力,宇宙飛船前進的動力從何而來?

牛頓第三運動定律告訴我們,力的作用是相互的,如果一個物體給另一個物體施加了一個力,那麼受力的物體也會給施力的物體施加一個反作用力,這兩個力同時產生又同時消失,其大小相等、方向相反,并且總是作用在同一條直線上。

在日常生活中,作用力和反作用力可謂是隨處可見,比如說當我們在行走時,其實就是我們通過腳給地面施加了作用力,然后利用地面提供的反作用力來前進,又比如說當我們在水上劃船時,其實就是我們通過船槳給水施加了作用力,然后利用水提供的反作用力前進。

按照這樣的思路,我們會自然而然地認為,當飛機在天空中飛行的時候,應該就是飛機給空氣施加了作用力,然后再利用空氣提供的反作用力前進,于是我們就有了一個問題:太空里沒有空氣來提供反作用力,宇宙飛船是怎樣被推進的?前進的動力從何而來呢?

首先要講的是,有些飛機確實是需要借助空氣的反作用力來前進的,比如說使用螺旋槳的飛機,但有些飛機卻不需要借助空氣的反作用力,比如說噴氣式飛機前進的動力,就是來自它們的噴氣發動機噴出氣體時所產生的反沖力,而這種力的產生原理其實是動量守恒定律。

所謂動量守恒定律,是指在一個系統在不受外力作用或者所受外力的矢量之和為零的情況下,其總動量始終保持不變。

根據動量守恒定律可以得出,在一個靜止的系統因為內力而分裂成了兩部分的情況下,如果其中的一部分向某個方向運動,那麼另一部分就會因為動量守恒而具備一個與其等大但方向相反的動量,由于動量的方向與速度相同,因此這一部分就必然會向相反的方向運動(注:內力可理解為系統內部的相互作用)。

為了說明這一點,我們不妨來做一個思想實驗,假設你拿起一個籃球,然后穿著溜冰鞋站在光滑的冰面上靜止不動,此時你和籃球可以認為是一個系統,并且在這個系統中,你的動量和籃球的動量矢量之和(即總動量)為零。

在此之后,如果你用力將手上的籃球向前方扔出,那麼在籃球與你即將分離的瞬間,籃球的動量(p1)就等于它的質量(m1)與它在此時的速度(v1)的乘積,即「p1 = m1 x v1」,與此同時,你的動量(p2)就等于你的質量(m2)與你在此時的速度(v2)的乘積,即「p2 = m2 x v2」。

在籃球與你即將分離的瞬間,你和籃球仍然是一個系統,所以你的動量和籃球的動量的矢量之和仍然為零(動量守恒),即「p1 = -p2」,也就是說,此時你的速度(v2)就等于「-(m1 x v1)/m2」。

需要注意的是,這里的負號表示的是「v2」和「v1」的矢量方向相反,而這也就意味著,當你將籃球向前方扔出去之后,你就會向相反的方向,也就是向后退行,扔出去的籃球速度越快,你退行的速度也就越快。

這種「系統通過分離出一部分,并使另一部分向相反方向運動」的現象,就被稱為反沖運動,在此過程中產生的反沖作用就被稱為反沖力。

宇宙飛船通常都是采用火箭發動機來作為推進系統,實際上,火箭發動機也是一種噴氣發動機,所以其基本原理就是向后噴出物質,并以噴出物質產生的反沖力為動力在太空中前進。

除了火箭發動機之外,宇宙飛船還可以采用電推進系統在太空里前進,比如說離子推進器,其工作原理就是先將工質電離成帶電粒子,然后再通過強電場產生的洛倫茲力將帶電粒子以極高的速度噴出,從而獲得反沖力。

可以看到,火箭發動機和電推進系統的基本原理其實都差不多,不同的只不過是它們噴出的物質不一樣,所以我們只需要將上述思想實驗中的「你」換成宇宙飛船,再將「籃球」換成是宇宙飛船的發動機噴出的物質,就可以清楚地知道宇宙飛船前進的動力從何而來了。

值得一提的是,宇宙飛船還可以使用「太陽帆」來作為推進系統,「太陽帆」可以被認為是一種「無工質發動機」,其基本原理就是利用太陽光的「光壓」來作為動力。

總而言之,不管是火箭發動機還是電推進系統,又或者是「太陽帆」,其動力都不是空氣提供的反作用力,所以宇宙飛船能夠在沒有空氣的太空里前進,也就不足為奇了。

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