Cosmonautics regularmente alcança um sucesso impressionante. Os satélites artificiais da Terra estão constantemente encontrando aplicações cada vez mais diversas. Ser um astronauta em órbita próxima à Terra tornou-se comum. Isso teria sido impossível sem a fórmula principal da astronáutica - a equação de Tsiolkovsky.
Em nosso tempo, o estudo de planetas e outros corpos do nosso sistema solar (Vênus, Marte, Júpiter, Urano, Terra, etc.) e objetos distantes (asteróides, outros sistemas e galáxias) continua. As conclusões sobre as características do movimento cósmico dos corpos de Tsiolkovsky lançaram as bases para os fundamentos teóricos da astronáutica, que levaram à invenção de dezenas de modelos de motores a jato elétricos e mecanismos extremamente interessantes, por exemplo, uma vela solar.
Principais problemas da exploração espacial
Três áreas de pesquisa e desenvolvimento em ciência e tecnologia são claramente identificadas como problemas de exploração espacial:
- Voar ao redor da Terra ou construir satélites artificiais.
- Voos da Lua.
- Vôos planetários e vôos para os objetos do sistema solar.
A equação de Tsiolkovsky para a propulsão a jato contribuiu para que a humanidade tenha alcançado resultados surpreendentes em cada uma dessas áreas. E também surgiram muitas novas ciências aplicadas: medicina e biologia espaciais, sistemas de suporte à vida em uma espaçonave, comunicações espaciais, etc.
Conquistas em astronáutica
A maioria das pessoas hoje já ouviu falar de grandes conquistas: o primeiro pouso na lua (EUA), o primeiro satélite (URSS) e similares. Além das conquistas mais famosas de que todos ouvem falar, existem muitas outras. Em particular, a URSS pertence a:
- primeira estação orbital;
- primeiro sobrevoo da lua e fotos do outro lado;
- primeiro pouso na lua de uma estação automatizada;
- primeiros voos de veículos para outros planetas;
- primeiro pouso em Vênus e Marte, etc.
Muitas pessoas nem percebem quão grandes foram as conquistas da URSS no campo da cosmonáutica. Se alguma coisa, eles foram significativamente mais do que apenas o primeiro satélite.
Mas os Estados Unidos não contribuíram menos para o desenvolvimento da astronáutica. Nos EUA realizou:
- Todos os principais avanços no uso da órbita terrestre (satélites e comunicações via satélite) para fins e aplicações científicas.
- Muitas missões à Lua, exploração de Marte, Júpiter, Vênus e Mercúrio a distâncias de sobrevoo.
- Setexperimentos científicos e médicos conduzidos em gravidade zero.
E embora no momento as conquistas de outros países empalidecem em comparação com a URSS e os EUA, mas China, Índia e Japão aderiram ativamente à exploração do espaço no período após 2000.
No entanto, as conquistas da astronáutica não se limitam às camadas superiores do planeta e às altas teorias científicas. Ela também teve uma grande influência na vida simples. Como resultado da exploração espacial, essas coisas entraram em nossas vidas: raios, velcro, teflon, comunicações por satélite, manipuladores mecânicos, ferramentas sem fio, painéis solares, coração artificial e muito mais. E foi a fórmula da velocidade de Tsiolkovsky, que ajudou a superar a atração gravitacional e contribuiu para o surgimento da prática espacial na ciência, que ajudou a alcançar tudo isso.
O termo "cosmodinâmica"
A equação de Tsiolkovsky formou a base da cosmodinâmica. No entanto, este termo deve ser entendido com mais detalhes. Especialmente na questão de conceitos próximos a ela em significado: astronáutica, mecânica celeste, astronomia, etc. A cosmonáutica é traduzida do grego como "nadar no Universo". No caso usual, este termo refere-se à massa de todas as capacidades técnicas e realizações científicas que permitem o estudo do espaço e dos corpos celestes.
Os voos espaciais são o que a humanidade sonha há séculos. E esses sonhos se tornaram realidade, da teoria à ciência, e tudo graças à fórmula de Tsiolkovsky para a velocidade do foguete. Pelas obras deste grande cientista, sabemos que a teoria da astronáutica se baseia em trêspilares:
- Teoria que descreve o movimento da nave espacial.
- Motores eletro-foguete e sua produção.
- Conhecimento astronômico e exploração do Universo.
Como observado anteriormente, muitas outras disciplinas científicas e técnicas surgiram na era espacial, tais como: sistemas de controle de naves espaciais, sistemas de comunicação e transmissão de dados no espaço, navegação espacial, medicina espacial e muito mais. Vale a pena notar que na época do nascimento dos fundamentos da astronáutica, não havia sequer um rádio como tal. O estudo das ondas eletromagnéticas e a transmissão de informações a longas distâncias com sua ajuda estava apenas começando. Portanto, os fundadores da teoria consideraram seriamente os sinais de luz - os raios do sol refletidos em direção à Terra - como uma forma de transmissão de dados. Hoje é impossível imaginar a cosmonáutica sem todas as ciências aplicadas relacionadas. Naqueles tempos distantes, a imaginação de vários cientistas era realmente incrível. Além dos métodos de comunicação, eles também abordaram tópicos como a fórmula de Tsiolkovsky para um foguete de vários estágios.
É possível destacar alguma disciplina como a principal entre todas as variedades? É a teoria do movimento dos corpos cósmicos. É ela quem serve como elo principal, sem o qual a astronáutica é impossível. Essa área da ciência é chamada de cosmodinâmica. Embora tenha muitos nomes idênticos: balística celeste ou espacial, mecânica de voo espacial, mecânica celeste aplicada, ciência do movimento de corpos celestes artificiais eetc. Todos eles se referem ao mesmo campo de estudo. Formalmente, a cosmodinâmica entra na mecânica celeste e usa seus métodos, mas há uma diferença extremamente importante. A mecânica celeste estuda apenas órbitas; não tem escolha, mas a cosmodinâmica é projetada para determinar as trajetórias ideais para alcançar certos corpos celestes por meio de naves espaciais. E a equação de Tsiolkovsky para propulsão a jato permite que os navios determinem exatamente como eles podem influenciar a trajetória de voo.
Cosmodinâmica como ciência
Desde que K. E. Tsiolkovsky deduziu a fórmula, a ciência do movimento dos corpos celestes tomou forma firme como cosmodinâmica. Ele permite que a espaçonave use métodos para encontrar a transição ideal entre diferentes órbitas, o que é chamado de manobra orbital, e é a base da teoria do movimento no espaço, assim como a aerodinâmica é a base do voo atmosférico. No entanto, não é a única ciência a lidar com esta questão. Além disso, há também a dinâmica de foguetes. Ambas as ciências formam uma base sólida para a tecnologia espacial moderna, e ambas estão incluídas na seção de mecânica celeste.
Cosmodinâmica consiste em duas seções principais:
- A teoria do movimento do centro de inércia (massa) de um objeto no espaço, ou a teoria das trajetórias.
- A teoria do movimento de um corpo cósmico em relação ao seu centro de inércia, ou a teoria da rotação.
Para descobrir o que é a equação de Tsiolkovsky, você precisa ter um bom entendimento de mecânica, ou seja, as leis de Newton.
Primeira lei de Newton
Qualquer corpo se move de forma uniforme e retilínea ou está em repouso até que forças externas aplicadas a ele o forcem a mudar esse estado. Em outras palavras, o vetor velocidade de tal movimento permanece constante. Esse comportamento dos corpos também é chamado de movimento inercial.
Qualquer outro caso em que ocorra qualquer mudança no vetor velocidade significa que o corpo tem aceleração. Um exemplo interessante neste caso é o movimento de um ponto material em um círculo ou qualquer satélite em órbita. Nesse caso, há movimento uniforme, mas não retilíneo, pois o vetor velocidade muda constantemente de direção, o que significa que a aceleração não é igual a zero. Essa mudança na velocidade pode ser calculada usando a fórmula v2 / r, onde v é a velocidade constante e r é o raio da órbita. A aceleração neste exemplo será direcionada para o centro do círculo em qualquer ponto da trajetória do corpo.
Com base na definição da lei, somente a força pode causar uma mudança na direção de um ponto material. Em seu papel (no caso de um satélite) está a gravidade do planeta. A atração de planetas e estrelas, como você pode facilmente adivinhar, é de grande importância na cosmodinâmica em geral e ao usar a equação de Tsiolkovsky em particular.
Segunda lei de Newton
A aceleração é diretamente proporcional à força e inversamente proporcional à massa corporal. Ou na forma matemática: a=F / m, ou mais comumente - F=ma, onde m é o fator de proporcionalidade, que representa a medidapara a inércia do corpo.
Como qualquer foguete é representado como o movimento de um corpo de massa variável, a equação de Tsiolkovsky mudará a cada unidade de tempo. No exemplo acima de um satélite se movendo ao redor do planeta, conhecendo sua massa m, você pode facilmente descobrir a força sob a qual ele gira em órbita, a saber: F=mv2/r. Obviamente, essa força será direcionada para o centro do planeta.
Surge a pergunta: por que o satélite não cai no planeta? Ele não cai, pois sua trajetória não cruza com a superfície do planeta, porque a natureza não o força a se mover ao longo da ação da força, pois apenas o vetor aceleração é co-direcionado a ele, e não a velocidade.
Deve-se notar também que em condições em que a força que atua sobre o corpo e sua massa são conhecidas, é possível descobrir a aceleração do corpo. E de acordo com ele, os métodos matemáticos determinam o caminho ao longo do qual esse corpo se move. Aqui chegamos a dois problemas principais que a cosmodinâmica trata:
- Forças reveladoras que podem ser usadas para manipular o movimento de uma nave espacial.
- Determine o movimento deste navio se as forças que atuam sobre ele são conhecidas.
O segundo problema é uma questão clássica da mecânica celeste, enquanto o primeiro mostra o papel excepcional da cosmodinâmica. Portanto, nesta área da física, além da fórmula de Tsiolkovsky para propulsão a jato, é extremamente importante entender a mecânica newtoniana.
Terceira Lei de Newton
A causa de uma força agindo sobre um corpo é sempre outro corpo. Mas é verdadetambém o contrário. Esta é a essência da terceira lei de Newton, que afirma que para cada ação há uma ação igual em magnitude, mas oposta em direção, chamada reação. Em outras palavras, se o corpo A age com força F sobre o corpo B, então o corpo B age sobre o corpo A com força -F.
No exemplo com um satélite e um planeta, a terceira lei de Newton nos leva a entender que com que força o planeta atrai o satélite, o mesmo satélite atrai o planeta. Essa força atrativa é responsável por transmitir aceleração ao satélite. Mas também dá aceleração ao planeta, mas sua massa é tão grande que essa mudança de velocidade é desprezível para ele.
A fórmula de Tsiolkovsky para a propulsão a jato é completamente baseada na compreensão da última lei de Newton. Afinal, é justamente devido à massa de gases ejetada que o corpo principal do foguete adquire aceleração, o que permite que ele se mova na direção certa.
Um pouco sobre sistemas de referência
Ao considerar qualquer fenômeno físico, é difícil não tocar em tal tópico como um quadro de referência. O movimento de uma espaçonave, como qualquer outro corpo no espaço, pode ser fixado em diferentes coordenadas. Não existem sistemas de referência errados, existem apenas mais convenientes e menos. Por exemplo, o movimento dos corpos no sistema solar é melhor descrito em um referencial heliocêntrico, ou seja, em coordenadas associadas ao Sol, também chamado de referencial copernicano. No entanto, o movimento da Lua neste sistema é menos conveniente de considerar, por isso é estudado em coordenadas geocêntricas - a contagem é relativa aTerra, isso é chamado de sistema ptolomaico. Mas se a questão for se um asteroide voando nas proximidades atingirá a Lua, será mais conveniente usar novamente as coordenadas heliocêntricas. É importante ser capaz de usar todos os sistemas de coordenadas e ser capaz de olhar para o problema de diferentes pontos de vista.
Movimento do foguete
A principal e única maneira de viajar no espaço sideral é um foguete. Pela primeira vez esse princípio foi expresso, segundo o site Habr, pela fórmula de Tsiolkovsky em 1903. Desde então, engenheiros astronáuticos inventaram dezenas de tipos de motores de foguetes usando uma grande variedade de tipos de energia, mas todos estão unidos por um princípio de funcionamento: ejetar parte da massa das reservas do fluido de trabalho para obter aceleração. A força que é gerada como resultado desse processo é chamada de força de tração. Aqui estão algumas conclusões que nos permitirão chegar à equação de Tsiolkovsky e à derivação de sua forma principal.
Obviamente, a força de tração aumentará dependendo do volume de massa ejetado do foguete por unidade de tempo e da velocidade que essa massa conseguir relatar. Assim, obtém-se a relação F=wq, onde F é a força de tração, w é a velocidade da massa lançada (m/s) e q é a massa consumida por unidade de tempo (kg/s). Vale a pena notar separadamente a importância do sistema de referência associado especificamente ao próprio foguete. Caso contrário, é impossível caracterizar a força de empuxo de um motor de foguete se tudo for medido em relação à Terra ou a outros corpos.
Pesquisas e experimentos mostraram que a razão F=wq permanece válida apenas para os casos em que a massa ejetada é um líquido ou um sólido. Mas os foguetes usam um jato de gás quente. Portanto, algumas correções devem ser introduzidas na razão, e então obtemos um termo adicional da razão S(pr - pa), que é adicionado ao original wq. Aqui pr é a pressão exercida pelo gás na saída do bocal; pa é a pressão atmosférica e S é a área do bocal. Assim, a fórmula refinada ficaria assim:
F=wq + Spr - Spa.
Onde você pode ver que à medida que o foguete sobe, a pressão atmosférica diminui e a força de empuxo aumenta. No entanto, os físicos adoram fórmulas convenientes. Portanto, uma fórmula semelhante à sua forma original é frequentemente usada F=weq, onde we é a velocidade de saída de massa efetiva. É determinado experimentalmente durante o teste do sistema de propulsão e é numericamente igual à expressão w + (Spr - Spa) / q.
Vamos considerar um conceito idêntico a we - impulso de empuxo específico. Específico significa relativo a algo. Neste caso, é a gravidade da Terra. Para fazer isso, na fórmula acima, o lado direito é multiplicado e dividido por g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg ou F=I ud qg
Este valor é medido Isp em Ns/kg ou qualquer outromesmo m/s. Em outras palavras, o impulso de empuxo específico é medido em unidades de velocidade.
Fórmula de Tsiolkovsky
Como você pode adivinhar facilmente, além do empuxo do motor, muitas outras forças atuam no foguete: a atração da Terra, a gravidade de outros objetos no sistema solar, resistência atmosférica, pressão da luz, etc. Cada uma dessas forças dá sua própria aceleração ao foguete, e o total da ação afeta a aceleração final. Portanto, é conveniente introduzir o conceito de aceleração do jato ou ar=Ft / M, onde M é a massa do foguete em um determinado período de tempo. A aceleração do jato é a aceleração com que o foguete se moveria na ausência de forças externas agindo sobre ele. Obviamente, à medida que a massa é gasta, a aceleração aumentará. Portanto, existe outra característica conveniente - a aceleração inicial do jato ar0=FtM0, onde M 0 é a massa do foguete no início do movimento.
Seria lógico perguntar que velocidade um foguete é capaz de desenvolver em um espaço tão vazio depois de ter usado uma certa quantidade de massa do corpo de trabalho. Deixe a massa do foguete mudar de m0 para m1. Então a velocidade do foguete após o consumo uniforme de massa até o valor m1 kg será determinada pela fórmula:
V=wln(m0 / m1)
Isso nada mais é do que a fórmula para o movimento de corpos com massa variável ou a equação de Tsiolkovsky. Caracteriza o recurso energético do foguete. E a velocidade obtida por esta fórmula é chamada de ideal. Pode ser escritoesta fórmula em outra versão idêntica:
V=Iudln(m0 / m1)
Vale ress altar o uso da Fórmula de Tsiolkovsky para o cálculo do combustível. Mais precisamente, a massa do veículo lançador, que será necessária para trazer um certo peso para a órbita da Terra.
No final, deve ser dito sobre um grande cientista como Meshchersky. Juntamente com Tsiolkovsky, eles são os antepassados da astronáutica. Meshchersky fez uma enorme contribuição para a criação da teoria do movimento de objetos de massa variável. Em particular, a fórmula de Meshchersky e Tsiolkovsky é a seguinte:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, onde v é a velocidade do ponto material, u é a velocidade da massa lançada em relação ao foguete. Essa relação também é chamada de equação diferencial de Meshchersky, então a fórmula de Tsiolkovsky é obtida a partir dela como uma solução particular para um ponto material.
