Cosmonautics secara teratur mencapai kesuksesan yang menakjubkan. Satelit buatan Bumi terus-menerus menemukan aplikasi yang semakin beragam. Menjadi astronot di orbit dekat Bumi sudah menjadi hal yang lumrah. Ini tidak mungkin terjadi tanpa rumus utama astronotika - persamaan Tsiolkovsky.
Di zaman kita, studi tentang planet dan benda lain dari tata surya kita (Venus, Mars, Jupiter, Uranus, Bumi, dll.) dan objek jauh (asteroid, sistem lain, dan galaksi) terus berlanjut. Kesimpulan tentang karakteristik gerakan kosmik tubuh Tsiolkovsky meletakkan dasar bagi fondasi teoretis astronotika, yang mengarah pada penemuan lusinan model mesin jet listrik dan mekanisme yang sangat menarik, misalnya, layar surya.
Masalah utama eksplorasi ruang angkasa
Tiga bidang penelitian dan pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi secara jelas diidentifikasi sebagai masalah eksplorasi ruang angkasa:
- Terbang mengelilingi Bumi atau membangun satelit buatan.
- Penerbangan bulan.
- Penerbangan planet dan penerbangan ke objek tata surya.
Persamaan Tsiolkovsky untuk propulsi jet telah berkontribusi pada fakta bahwa umat manusia telah mencapai hasil yang luar biasa di setiap bidang ini. Dan juga, banyak ilmu terapan baru telah muncul: kedokteran dan biologi luar angkasa, sistem pendukung kehidupan di pesawat ruang angkasa, komunikasi ruang angkasa, dll.
Prestasi dalam astronotika
Kebanyakan orang saat ini telah mendengar tentang pencapaian besar: pendaratan pertama di bulan (AS), satelit pertama (USSR) dan sejenisnya. Selain pencapaian paling terkenal yang didengar semua orang, ada banyak lainnya. Secara khusus, Uni Soviet milik:
- stasiun orbit pertama;
- terbang pertama bulan dan foto dari sisi jauh;
- pendaratan pertama di bulan dari stasiun otomatis;
- penerbangan pertama kendaraan ke planet lain;
- pendaratan pertama di Venus dan Mars, dll.
Banyak orang bahkan tidak menyadari betapa hebatnya pencapaian USSR di bidang kosmonotika. Jika ada, mereka jauh lebih dari sekadar satelit pertama.
Tetapi Amerika Serikat telah memberikan kontribusi yang tidak kurang untuk pengembangan astronotika. Di AS diadakan:
- Semua kemajuan besar dalam penggunaan orbit Bumi (satelit dan komunikasi satelit) untuk tujuan dan aplikasi ilmiah.
- Banyak misi ke Bulan, penjelajahan Mars, Jupiter, Venus, dan Merkurius dari jarak terbang lintas.
- Seteksperimen ilmiah dan medis yang dilakukan di gravitasi nol.
Dan meskipun saat ini pencapaian negara-negara lain tidak seberapa dibandingkan dengan Uni Soviet dan Amerika Serikat, tetapi Cina, India, dan Jepang secara aktif bergabung dalam eksplorasi ruang angkasa pada periode setelah tahun 2000.
Namun, pencapaian astronotika tidak terbatas pada lapisan atas planet dan teori ilmiah yang tinggi. Dia juga memiliki pengaruh besar pada kehidupan sederhana. Sebagai hasil dari eksplorasi ruang angkasa, hal-hal seperti itu telah datang ke dalam hidup kita: petir, Velcro, Teflon, komunikasi satelit, manipulator mekanik, peralatan nirkabel, panel surya, jantung buatan, dan banyak lagi. Dan itu adalah rumus kecepatan Tsiolkovsky, yang membantu mengatasi tarikan gravitasi dan berkontribusi pada munculnya praktik ruang angkasa dalam sains, yang membantu mencapai semua ini.
Istilah "kosmodinamika"
Persamaan Tsiolkovsky membentuk dasar kosmodinamika. Namun, istilah ini harus dipahami secara lebih rinci. Terutama dalam hal konsep-konsep yang dekat dengannya dalam arti: astronotika, mekanika angkasa, astronomi, dll. Kosmonotika diterjemahkan dari bahasa Yunani sebagai "berenang di alam semesta." Dalam kasus biasa, istilah ini mengacu pada massa semua kemampuan teknis dan pencapaian ilmiah yang memungkinkan studi ruang dan benda langit.
Penerbangan luar angkasa adalah impian umat manusia selama berabad-abad. Dan mimpi-mimpi ini berubah menjadi kenyataan, dari teori ke sains, dan semua berkat formula Tsiolkovsky untuk kecepatan roket. Dari karya-karya ilmuwan besar ini, kita tahu bahwa teori astronotika berdiri di atas tigapilar:
- Teori yang menjelaskan pergerakan pesawat luar angkasa.
- Mesin roket elektro dan produksinya.
- Pengetahuan astronomi dan eksplorasi Alam Semesta.
Seperti yang disebutkan sebelumnya, banyak disiplin ilmu dan teknis lainnya muncul di era ruang angkasa, seperti: sistem kontrol pesawat ruang angkasa, sistem komunikasi dan transmisi data di ruang angkasa, navigasi ruang angkasa, kedokteran ruang angkasa, dan banyak lagi. Perlu dicatat bahwa pada saat kelahiran fondasi astronotika, bahkan tidak ada radio seperti itu. Studi tentang gelombang elektromagnetik dan transmisi informasi jarak jauh dengan bantuan mereka baru saja dimulai. Oleh karena itu, para pendiri teori secara serius menganggap sinyal cahaya - sinar matahari yang dipantulkan ke Bumi - sebagai cara mentransmisikan data. Hari ini tidak mungkin membayangkan kosmonotika tanpa semua ilmu terapan yang terkait. Di masa yang jauh itu, imajinasi sejumlah ilmuwan benar-benar menakjubkan. Selain metode komunikasi, mereka juga membahas topik seperti rumus Tsiolkovsky untuk roket multi-tahap.
Apakah mungkin untuk memilih disiplin apa pun sebagai disiplin utama di antara semua varietas? Ini adalah teori gerak benda-benda kosmik. Dialah yang berfungsi sebagai penghubung utama, yang tanpanya astronotika tidak mungkin. Bidang ilmu ini disebut kosmodinamika. Meskipun memiliki banyak nama yang identik: balistik angkasa atau luar angkasa, mekanika penerbangan luar angkasa, mekanika angkasa terapan, ilmu pergerakan benda-benda angkasa buatan dandll. Semuanya mengacu pada bidang studi yang sama. Secara formal, kosmodinamika masuk ke dalam mekanika langit dan menggunakan metodenya, tetapi ada perbedaan yang sangat penting. Mekanika langit hanya mempelajari orbit; ia tidak punya pilihan, tetapi kosmodinamika dirancang untuk menentukan lintasan optimal untuk mencapai benda langit tertentu dengan pesawat ruang angkasa. Dan persamaan Tsiolkovsky untuk propulsi jet memungkinkan kapal untuk menentukan dengan tepat bagaimana mereka dapat mempengaruhi jalur penerbangan.
Kosmodinamika sebagai ilmu
Sejak K. E. Tsiolkovsky menyimpulkan rumus tersebut, ilmu tentang gerak benda-benda angkasa telah terbentuk secara kokoh sebagai kosmodinamika. Hal ini memungkinkan pesawat ruang angkasa untuk menggunakan metode untuk menemukan transisi optimal antara orbit yang berbeda, yang disebut manuver orbital, dan merupakan dasar dari teori pergerakan di ruang angkasa, seperti aerodinamika adalah dasar dari penerbangan atmosfer. Namun, itu bukan satu-satunya ilmu yang berurusan dengan masalah ini. Selain itu, ada juga dinamika roket. Kedua ilmu ini menjadi dasar yang kokoh bagi teknologi ruang angkasa modern, dan keduanya termasuk dalam bagian mekanika langit.
Kosmodinamika terdiri dari dua bagian utama:
- Teori pergerakan pusat inersia (massa) suatu benda di ruang angkasa, atau teori lintasan.
- Teori gerak benda kosmik relatif terhadap pusat inersianya, atau teori rotasi.
Untuk mengetahui apa persamaan Tsiolkovsky, Anda harus memiliki pemahaman yang baik tentang mekanika, yaitu hukum Newton.
Hukum I Newton
Setiap benda bergerak secara seragam dan lurus atau diam sampai gaya eksternal diterapkan padanya memaksanya untuk mengubah keadaan ini. Dengan kata lain, vektor kecepatan gerak tersebut tetap konstan. Perilaku benda ini juga disebut gerak inersia.
Kasus lain di mana setiap perubahan dalam vektor kecepatan terjadi berarti bahwa benda tersebut memiliki percepatan. Contoh menarik dalam hal ini adalah pergerakan titik material dalam lingkaran atau satelit apa pun di orbit. Dalam hal ini, ada gerak beraturan, tetapi tidak bujursangkar, karena vektor kecepatan selalu berubah arah, yang berarti percepatannya tidak sama dengan nol. Perubahan kecepatan ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus v2 / r, di mana v adalah kecepatan konstan dan r adalah jari-jari orbit. Percepatan dalam contoh ini akan diarahkan ke pusat lingkaran di sembarang titik lintasan benda.
Berdasarkan definisi hukum, hanya gaya yang dapat menyebabkan perubahan arah suatu titik material. Dalam perannya (untuk kasus dengan satelit) adalah gravitasi planet. Daya tarik planet dan bintang, seperti yang bisa Anda tebak dengan mudah, sangat penting dalam kosmodinamika secara umum dan ketika menggunakan persamaan Tsiolkovsky pada khususnya.
Hukum kedua Newton
Percepatan berbanding lurus dengan gaya dan berbanding terbalik dengan massa tubuh. Atau dalam bentuk matematika: a=F / m, atau lebih umum - F=ma, di mana m adalah faktor proporsionalitas, yang mewakili ukuranuntuk inersia tubuh.
Karena setiap roket direpresentasikan sebagai pergerakan benda dengan massa yang bervariasi, persamaan Tsiolkovsky akan berubah setiap satuan waktu. Dalam contoh satelit di atas yang bergerak mengitari planet, mengetahui massanya m, Anda dapat dengan mudah mengetahui gaya di mana ia berputar di orbit, yaitu: F=mv2/r. Jelas, gaya ini akan diarahkan ke pusat planet.
Pertanyaan muncul: mengapa satelit tidak jatuh di planet ini? Itu tidak jatuh, karena lintasannya tidak berpotongan dengan permukaan planet, karena alam tidak memaksanya untuk bergerak sepanjang aksi gaya, karena hanya vektor percepatan yang diarahkan padanya, dan bukan kecepatan.
Perlu diperhatikan juga bahwa dalam kondisi di mana gaya yang bekerja pada benda dan massanya diketahui, percepatan benda dapat diketahui. Dan menurutnya, metode matematika menentukan jalur di mana tubuh ini bergerak. Di sini kita sampai pada dua masalah utama yang dihadapi kosmodinamika:
- Mengungkapkan kekuatan yang dapat digunakan untuk memanipulasi pergerakan pesawat luar angkasa.
- Tentukan pergerakan kapal ini jika gaya yang bekerja padanya diketahui.
Masalah kedua adalah pertanyaan klasik untuk mekanika langit, sedangkan yang pertama menunjukkan peran luar biasa dari kosmodinamika. Oleh karena itu, dalam bidang fisika ini, selain rumus Tsiolkovsky untuk propulsi jet, sangat penting untuk memahami mekanika Newton.
Hukum Ketiga Newton
Penyebab gaya yang bekerja pada suatu benda selalu merupakan benda lain. Tapi benarjuga sebaliknya. Inilah inti dari hukum ketiga Newton, yang menyatakan bahwa untuk setiap aksi ada aksi yang sama besar, tetapi berlawanan arah, yang disebut reaksi. Dengan kata lain, jika benda A bekerja dengan gaya F pada benda B, maka benda B bekerja pada benda A dengan gaya -F.
Dalam contoh dengan satelit dan planet, hukum ketiga Newton membawa kita pada pemahaman bahwa dengan gaya apa planet menarik satelit, satelit yang sama menarik planet. Gaya tarik ini bertanggung jawab untuk memberikan percepatan ke satelit. Tetapi juga memberikan percepatan pada planet, tetapi massanya sangat besar sehingga perubahan kecepatan ini dapat diabaikan.
Rumus Tsiolkovsky untuk propulsi jet sepenuhnya didasarkan pada pemahaman hukum terakhir Newton. Bagaimanapun, justru karena massa gas yang dikeluarkan, tubuh utama roket memperoleh percepatan, yang memungkinkannya bergerak ke arah yang benar.
Sedikit tentang sistem referensi
Saat mempertimbangkan fenomena fisik apa pun, sulit untuk tidak menyentuh topik seperti itu sebagai kerangka acuan. Pergerakan pesawat ruang angkasa, seperti benda lain di luar angkasa, dapat diatur dalam koordinat yang berbeda. Tidak ada sistem referensi yang salah, hanya ada yang lebih nyaman dan kurang. Misalnya, pergerakan benda-benda di tata surya paling baik dijelaskan dalam kerangka acuan heliosentris, yaitu dalam koordinat yang terkait dengan Matahari, juga disebut kerangka Copernicus. Namun, pergerakan Bulan dalam sistem ini kurang nyaman untuk dipertimbangkan, sehingga dipelajari dalam koordinat geosentris - hitungannya relatif terhadapBumi, ini disebut sistem Ptolemeus. Tetapi jika pertanyaannya adalah apakah asteroid yang terbang di dekatnya akan menabrak Bulan, akan lebih mudah menggunakan koordinat heliosentris lagi. Penting untuk dapat menggunakan semua sistem koordinat dan dapat melihat masalah dari sudut pandang yang berbeda.
Gerakan roket
Cara utama dan satu-satunya untuk melakukan perjalanan di luar angkasa adalah roket. Untuk pertama kalinya prinsip ini diungkapkan, menurut situs web Habr, dengan rumus Tsiolkovsky pada tahun 1903. Sejak itu, para insinyur astronot telah menemukan lusinan jenis mesin roket menggunakan berbagai jenis energi, tetapi semuanya disatukan oleh satu prinsip operasi: mengeluarkan sebagian massa dari cadangan fluida kerja untuk mendapatkan percepatan. Gaya yang dihasilkan sebagai hasil dari proses ini disebut gaya traksi. Berikut adalah beberapa kesimpulan yang akan memungkinkan kita untuk sampai pada persamaan Tsiolkovsky dan turunan dari bentuk utamanya.
Jelas, gaya traksi akan meningkat tergantung pada volume massa yang dikeluarkan dari roket per satuan waktu dan kecepatan yang berhasil dilaporkan massa ini. Dengan demikian, diperoleh hubungan F=wq, di mana F adalah gaya traksi, w adalah kecepatan massa yang dilempar (m/s) dan q adalah massa yang dikonsumsi per satuan waktu (kg/s). Perlu dicatat secara terpisah pentingnya sistem referensi yang terkait secara khusus dengan roket itu sendiri. Jika tidak, tidak mungkin untuk mengkarakterisasi gaya dorong mesin roket jika semuanya diukur relatif terhadap Bumi atau benda lain.
Penelitian dan eksperimen telah menunjukkan bahwa rasio F=wq tetap berlaku hanya untuk kasus di mana massa yang dikeluarkan adalah cairan atau padatan. Tapi roket menggunakan semburan gas panas. Oleh karena itu, sejumlah koreksi harus dimasukkan ke dalam rasio, dan kemudian kita mendapatkan suku tambahan dari rasio S(pr - pa), yang ditambahkan ke wq asli. Di sini pr adalah tekanan yang diberikan oleh gas pada pintu keluar nosel; pa adalah tekanan atmosfer dan S adalah area nozzle. Dengan demikian, rumus halus akan terlihat seperti ini:
F=wq + Spr - Spa.
Di mana Anda dapat melihat bahwa saat roket naik, tekanan atmosfer akan berkurang, dan gaya dorong akan meningkat. Namun, fisikawan menyukai formula yang mudah digunakan. Oleh karena itu, rumus yang mirip dengan bentuk aslinya sering digunakan F=weq, di mana we adalah kecepatan aliran massa efektif. Ini ditentukan secara eksperimental selama pengujian sistem propulsi dan secara numerik sama dengan ekspresi w + (Spr - Spa) / q.
Mari kita pertimbangkan konsep yang identik dengan we - impuls dorong spesifik. Spesifik artinya berkaitan dengan sesuatu. Dalam hal ini, itu adalah gravitasi Bumi. Untuk melakukannya, dalam rumus di atas, ruas kanan dikalikan dan dibagi dengan g (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg atau F=I ud qg
Nilai ini diukur Isp dalam Ns/kg atau apa punsama m/s. Dengan kata lain, impuls dorong spesifik diukur dalam satuan kecepatan.
rumus Tsiolkovsky
Seperti yang dapat Anda tebak dengan mudah, selain gaya dorong mesin, banyak gaya lain yang bekerja pada roket: daya tarik Bumi, gravitasi benda lain di tata surya, hambatan atmosfer, tekanan ringan, dll. Masing-masing gaya ini memberikan percepatannya sendiri pada roket, dan total dari aksi mempengaruhi percepatan akhir. Oleh karena itu, lebih mudah untuk memperkenalkan konsep percepatan jet atau ar=Ft / M, di mana M adalah massa roket dalam periode waktu. Akselerasi jet adalah akselerasi yang digunakan roket untuk bergerak tanpa adanya gaya eksternal yang bekerja padanya. Jelas, ketika massa dihabiskan, percepatannya akan meningkat. Oleh karena itu, ada karakteristik lain yang mudah - percepatan jet awal ar0=FtM0, di mana M 0 adalah massa roket saat mulai bergerak.
Masuk akal untuk menanyakan kecepatan apa yang mampu dikembangkan roket di ruang kosong seperti itu setelah menghabiskan sejumlah massa benda kerja. Biarkan massa roket berubah dari m0 menjadi m1. Maka kecepatan roket setelah konsumsi massa seragam sampai dengan nilai m1 kg akan ditentukan dengan rumus:
V=wln(m0 / m1)
Ini tidak lain adalah rumus untuk gerak benda dengan massa variabel atau persamaan Tsiolkovsky. Ini mencirikan sumber energi roket. Dan kecepatan yang diperoleh dengan rumus ini disebut ideal. Bisa ditulisrumus ini dalam versi lain yang identik:
V=Iudln(m0 / m1)
Perlu dicatat penggunaan Rumus Tsiolkovsky untuk menghitung bahan bakar. Lebih tepatnya, massa kendaraan peluncur, yang akan dibutuhkan untuk membawa bobot tertentu ke orbit Bumi.
Pada akhirnya harus dikatakan tentang ilmuwan hebat seperti Meshchersky. Bersama dengan Tsiolkovsky mereka adalah nenek moyang astronotika. Meshchersky memberikan kontribusi besar pada penciptaan teori gerak benda-benda dengan massa variabel. Secara khusus, rumus Meshchersky dan Tsiolkovsky adalah sebagai berikut:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, di mana v adalah kecepatan titik material, u adalah kecepatan massa yang dilempar relatif terhadap roket. Relasi ini juga disebut persamaan diferensial Meshchersky, kemudian rumus Tsiolkovsky diperoleh darinya sebagai solusi khusus untuk titik material.
