Cosmonautics тогтмол гайхалтай амжилтанд хүрдэг. Дэлхийн хиймэл дагуулууд улам бүр олон төрлийн хэрэглээг байнга олж авдаг. Дэлхийн ойролцоох тойрог замд сансрын нисгэгч байх нь энгийн үзэгдэл болжээ. Сансрын нисгэгчдийн үндсэн томъёо болох Циолковскийн тэгшитгэлгүйгээр энэ нь боломжгүй байх байсан.
Бидний цаг үед манай нарны аймгийн гараг болон бусад биетүүд (Сугар, Ангараг, Бархасбадь, Тэнгэрийн ван, Дэлхий гэх мэт) болон алслагдсан биетүүдийг (астероид, бусад систем, галактик) судлах ажил үргэлжилсээр байна. Циолковскийн биений сансар огторгуйн хөдөлгөөний онцлог шинж чанаруудын талаархи дүгнэлтүүд нь сансрын нисгэгчдийн онолын үндэс суурийг тавьж, улмаар цахилгаан тийрэлтэт хөдөлгүүрийн олон арван загвар, маш сонирхолтой механизм, тухайлбал нарны далбаа зэргийг зохион бүтээхэд хүргэсэн.
Сансар судлалын үндсэн асуудлууд
Шинжлэх ухаан, технологийн судалгаа, хөгжлийн гурван чиглэлийг сансар судлалын асуудал гэж тодорхой тодорхойлсон:
- Дэлхийг тойрон нисэх эсвэл хиймэл хиймэл дагуул бүтээх.
- Сарны нислэг.
- Гаригийн нислэг ба нарны аймгийн объект руу хийсэн нислэг.
Циолковскийн тийрэлтэт онгоцны хөдөлгүүрийн тэгшитгэл нь хүн төрөлхтөн эдгээр талбар бүрт гайхалтай үр дүнд хүрэхэд хувь нэмэр оруулсан. Мөн түүнчлэн олон шинэ хэрэглээний шинжлэх ухаан гарч ирэв: сансрын анагаах ухаан ба биологи, сансрын хөлөг дээрх амьдралыг дэмжих систем, сансрын холбоо гэх мэт.
Сансар судлалын ололт амжилт
Өнөөдрийн ихэнх хүмүүс саран дээр анхны газардсан (АНУ), анхны хиймэл дагуул (ЗХУ) гэх мэт томоохон амжилтуудын талаар сонссон. Хүн бүрийн сонсдог хамгийн алдартай амжилтуудаас гадна бусад олон амжилтууд байдаг. Ялангуяа ЗХУ нь:
- анхны тойрог замын станц;
- сарны анхны нисч буй хэсэг ба алс талын гэрэл зургууд;
- автомат станцын саран дээр анхны газардах;
- бусад гариг руу тээврийн хэрэгслийн анхны нислэг;
- Сугар, Ангараг гаригт анхны газардах гэх мэт.
ЗСБНХУ-ын сансрын нисгэгчдийн ололт ямар агуу байсныг олон хүн мэддэггүй. Юутай ч тэд анхны хиймэл дагуулаас хамаагүй илүү байсан.
Гэхдээ АНУ сансар судлалын хөгжилд багагүй хувь нэмэр оруулсан. АНУ-д зохион байгуулсан:
- Дэлхийн тойрог замыг (хиймэл дагуул ба хиймэл дагуулын холбоо) шинжлэх ухааны зорилго, хэрэглээнд ашиглах бүх томоохон дэвшил.
- Сар руу олон илгээлт, Ангараг, Бархасбадь, Сугар, Буд гаригийг нисэх зайнаас судлах.
- Тогтоосон0 хүндийн хүчний нөхцөлд хийсэн шинжлэх ухаан, эмнэлгийн туршилтууд.
Одоогийн байдлаар бусад орны ололт амжилт ЗХУ, АНУ-тай харьцуулахад бүдэгхэн байгаа ч 2000 оноос хойшхи хугацаанд Хятад, Энэтхэг, Япон улс сансар судлалын ажилд идэвхтэй нэгдсэн.
Гэсэн хэдий ч сансрын нисгэгчдийн ололт нь зөвхөн гаригийн дээд давхарга, шинжлэх ухааны өндөр онолоор хязгаарлагдахгүй. Тэрээр энгийн амьдралд маш их нөлөө үзүүлсэн. Сансрын хайгуулын үр дүнд аянга цахилгаан, Velcro, Teflon, хиймэл дагуулын холбоо, механик манипулятор, утасгүй хэрэгсэл, нарны хавтан, хиймэл зүрх гэх мэт зүйлс бидний амьдралд орж ирсэн. Циолковскийн хурдны томьёо нь таталцлын таталцлыг даван туулж, шинжлэх ухаанд сансрын практикийг бий болгоход тусалсан нь энэ бүхэнд тусалсан юм.
"Космодинамик" гэсэн нэр томъёо
Циолковскийн тэгшитгэл нь космодинамикийн үндэс болсон. Гэсэн хэдий ч энэ нэр томъёог илүү нарийвчлан ойлгох хэрэгтэй. Ялангуяа утгын хувьд үүнтэй ойр ойлголтуудын хувьд: сансрын нисгэгч, селестиел механик, одон орон судлал гэх мэт … Космонавтикийг грек хэлнээс "Орчлонд сэлэх" гэж орчуулдаг. Ердийн тохиолдолд энэ нэр томъёо нь сансар огторгуй, огторгуйн биетүүдийг судлах боломжийг олгодог бүх техникийн боломж, шинжлэх ухааны ололт амжилтын массыг хэлдэг.
Сансрын нислэг бол хүн төрөлхтний олон зууны турш мөрөөдөж ирсэн зүйл юм. Циолковскийн пуужингийн хурдны томъёоны ачаар эдгээр мөрөөдөл нь онолоос шинжлэх ухаан хүртэл бодит болж хувирав. Энэхүү агуу эрдэмтний бүтээлүүдээс бид сансрын нисгэгчдийн онол гурван дээр тогтдогийг мэддэгбагана:
- Сансрын хөлгийн хөдөлгөөнийг дүрсэлсэн онол.
- Цахилгаан пуужингийн хөдөлгүүр ба тэдгээрийн үйлдвэрлэл.
- Одон орон судлалын мэдлэг ба орчлон ертөнцийн хайгуул.
Өмнө дурьдсанчлан сансрын эрин үед сансрын хөлгийн удирдлагын систем, сансар дахь харилцаа холбоо, мэдээлэл дамжуулах систем, сансрын навигаци, сансрын анагаах ухаан гэх мэт олон шинжлэх ухаан, техникийн салбарууд гарч ирсэн. Сансрын нисгэгчдийн үндэс суурь тавигдах үед ийм радио ч байгаагүй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Цахилгаан соронзон долгионыг судлах, тэдгээрийн тусламжтайгаар хол зайд мэдээлэл дамжуулах ажил дөнгөж эхэлж байв. Тиймээс онолыг үндэслэгч нар гэрлийн дохиог буюу Дэлхий рүү туссан нарны цацрагийг өгөгдөл дамжуулах арга гэж нухацтай авч үзсэн. Өнөөдөр сансар огторгуйг холбогдох бүх шинжлэх ухаангүйгээр төсөөлөхийн аргагүй юм. Тэр алс холын үед олон эрдэмтдийн төсөөлөл үнэхээр гайхалтай байсан. Тэд харилцааны аргуудаас гадна олон шатлалт пуужингийн Циолковскийн томъёо зэрэг сэдвүүдийг хөндсөн.
Бүх төрөл зүйлээс аль нэг хичээлийг гол нь гэж онцолж болох уу? Энэ бол сансрын биетүүдийн хөдөлгөөний онол юм. Тэр бол гол холбоос болж үйлчилдэг бөгөөд үүнгүйгээр сансрын нисгэгч боломжгүй юм. Энэхүү шинжлэх ухааны салбарыг космодинамик гэж нэрлэдэг. Хэдийгээр энэ нь олон ижил нэртэй байдаг: селестиел эсвэл сансрын баллистик, сансрын нислэгийн механик, хэрэглээний селестиел механик, хиймэл селестиел биетүүдийн хөдөлгөөний шинжлэх ухаан багэх мэт. Тэд бүгдээрээ нэг судалгааны чиглэлтэй холбоотой. Албан ёсоор бол космодинамик нь селестиел механикт орж, түүний аргуудыг ашигладаг боловч маш чухал ялгаа байдаг. Тэнгэрийн механик нь зөвхөн тойрог замыг судалдаг бөгөөд түүнд ямар ч сонголт байхгүй, харин космодинамик нь зарим селестиел биетүүдэд сансрын хөлгөөр хүрэх оновчтой замыг тодорхойлох зорилготой юм. Мөн тийрэлтэт хөдөлгүүрт зориулсан Циолковскийн тэгшитгэл нь хөлөг онгоцууд нислэгийн замд хэрхэн нөлөөлж болохыг тодорхойлох боломжийг олгодог.
Космодинамик нь шинжлэх ухаан
К. Е. Циолковский томьёог гаргаснаас хойш селестиел биетүүдийн хөдөлгөөний шинжлэх ухаан нь космодинамик болон бат бөх хэлбэрт орсон. Энэ нь сансрын хөлөгт янз бүрийн тойрог замуудын хоорондох оновчтой шилжилтийг олох аргуудыг ашиглах боломжийг олгодог бөгөөд үүнийг тойрог замын маневр гэж нэрлэдэг бөгөөд аэродинамик нь агаар мандлын нислэгийн үндэс болдог шиг сансар огторгуй дахь хөдөлгөөний онолын үндэс болдог. Гэсэн хэдий ч энэ нь энэ асуудлыг авч үздэг цорын ганц шинжлэх ухаан биш юм. Үүнээс гадна пуужингийн динамик бас бий. Эдгээр шинжлэх ухаан хоёулаа орчин үеийн сансрын технологийн бат бөх суурийг бүрдүүлдэг бөгөөд хоёулаа селестиел механикийн хэсэгт багтдаг.
Космодинамик нь хоёр үндсэн хэсгээс бүрдэнэ:
- Сансар дахь биетийн инерцийн төвийн (массын) хөдөлгөөний онол буюу траекторийн онол.
- Сансар огторгуйн биеийн инерцийн төвтэй харьцуулахад хөдөлгөөний онол буюу эргэлтийн онол.
Циолковскийн тэгшитгэл гэж юу болохыг олж мэдэхийн тулд механик, өөрөөр хэлбэл Ньютоны хуулиудын талаар сайн ойлголттой байх хэрэгтэй.
Ньютоны анхны хууль
Ямар ч бие жигд, шулуунаар хөдөлдөг эсвэл гадны хүч түүнийг энэ байдлыг өөрчлөх хүртэл тайван байдалд байна. Өөрөөр хэлбэл, ийм хөдөлгөөний хурдны вектор тогтмол хэвээр байна. Биеийн энэ үйлдлийг инерцийн хөдөлгөөн гэж бас нэрлэдэг.
Хурдны векторын өөрчлөлт гарсан тохиолдолд бие нь хурдатгалтай байна гэсэн үг. Энэ тохиолдолд сонирхолтой жишээ бол тойрог дахь материаллаг цэг эсвэл тойрог замд байгаа аливаа хиймэл дагуулын хөдөлгөөн юм. Энэ тохиолдолд жигд хөдөлгөөн байдаг, гэхдээ шулуун биш, учир нь хурдны вектор чиглэлээ байнга өөрчилдөг бөгөөд энэ нь хурдатгал нь тэгтэй тэнцүү биш гэсэн үг юм. Хурдны энэхүү өөрчлөлтийг v2 / r томьёог ашиглан тооцоолж болно, энд v нь тогтмол хурд, r нь тойрог замын радиус юм. Энэ жишээн дээрх хурдатгал нь биеийн траекторийн аль ч цэг дээр тойргийн төв рүү чиглэнэ.
Хуулийн тодорхойлолтод үндэслэн зөвхөн хүч нь материаллаг цэгийн чиглэлийг өөрчлөхөд хүргэдэг. Түүний үүрэг бол (хиймэл дагуулын хувьд) гаригийн таталцал юм. Гараг, оддын таталцал нь ерөнхийдөө сансар огторгуйн шинжлэх ухаанд, ялангуяа Циолковскийн тэгшитгэлийг ашиглахад чухал ач холбогдолтой юм.
Ньютоны хоёр дахь хууль
Хурдатгал нь хүчтэй шууд пропорциональ, биеийн масстай урвуу пропорциональ байна. Эсвэл математик хэлбэрээр: a=F / m, эсвэл илүү түгээмэл - F=ma, энд m нь хэмжигдэхүүнийг илэрхийлдэг пропорциональ хүчин зүйл юм.биеийн инерцийн хувьд.
Ямар ч пуужин хувьсах масстай биеийн хөдөлгөөнөөр илэрхийлэгддэг тул Циолковскийн тэгшитгэл цаг хугацааны нэгж бүрт өөрчлөгдөнө. Хиймэл дагуул гаригийг тойрон хөдөлж буй дээрх жишээн дээр түүний масс m-ийг мэдэж байгаа тул та тойрог замд ямар хүчийг эргэдэг болохыг хялбархан олж мэдэх боломжтой, тухайлбал: F=mv2/r. Энэ хүч гарагийн төв рүү чиглэх нь ойлгомжтой.
Асуулт гарч ирнэ: яагаад хиймэл дагуул манай гариг дээр унахгүй байна вэ? Энэ нь унадаггүй, учир нь түүний замнал нь гаригийн гадаргуутай огтлолцдоггүй, учир нь байгаль түүнийг хүчний үйл ажиллагааны дагуу хөдөлгөдөггүй, учир нь зөвхөн хурдатгалын вектор түүн рүү чиглүүлдэг болохоос хурд биш юм.
Биед үйлчлэх хүч ба түүний массыг мэддэг нөхцөлд биеийн хурдатгалыг олж мэдэх боломжтой гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Үүний дагуу математик аргууд нь энэ биеийг хөдөлгөж буй замыг тодорхойлдог. Энд бид космодинамикийн шийдвэрлэх хоёр үндсэн асуудалд хүрлээ:
- Сансарын хөлгийн хөдөлгөөнийг удирдахад ашиглаж болох илчлэх хүч.
- Энэ хөлөг дээр ажиллаж буй хүчнүүд мэдэгдэж байгаа бол түүний хөдөлгөөнийг тодорхойлно уу.
Хоёр дахь асуудал нь селестиел механикийн сонгодог асуулт бол эхнийх нь космодинамикийн онцгой үүргийг харуулдаг. Тиймээс физикийн энэ салбарт тийрэлтэт хөдөлгүүрийн Циолковскийн томъёоноос гадна Ньютоны механикийг ойлгох нь туйлын чухал юм.
Ньютоны 3-р хууль
Биед үйлчлэх хүчний шалтгаан нь үргэлж өөр бие байдаг. Гэхдээ үнэнбас эсрэгээрээ. Энэ бол Ньютоны гуравдахь хуулийн мөн чанар бөгөөд үйлдэл болгонд хэмжээ нь тэнцүү, харин эсрэг чиглэлтэй үйлдлийг урвал гэж нэрлэдэг. Өөрөөр хэлбэл, А бие В биед F хүчээр үйлчилдэг бол В бие нь А биед -F хүчээр үйлчилнэ.
Хиймэл дагуул ба гаригийн жишээн дээр Ньютоны 3-р хууль нь тухайн гариг хиймэл дагуулыг ямар хүчээр татдаг бол тэрхүү хиймэл дагуул нь гарагийг татдаг гэсэн ойлголтод хүргэдэг. Энэхүү татах хүч нь хиймэл дагуул руу хурдатгал өгөх үүрэгтэй. Гэхдээ энэ нь мөн гаригт хурдатгал өгдөг ч масс нь маш их тул хурдны өөрчлөлт нь түүний хувьд маш бага юм.
Циолковскийн тийрэлтэт хөдөлгүүрийн томьёо нь Ньютоны сүүлчийн хуулийн ойлголт дээр бүрэн суурилдаг. Эцсийн эцэст, хөөргөсөн хийн массын ачаар пуужингийн үндсэн хэсэг нь зөв чиглэлд шилжих боломжийг олгодог хурдатгалтай болдог.
Лавлах системийн талаар бага зэрэг
Ямар нэгэн физик үзэгдлийг авч үзэхдээ лавлагааны хүрээ гэх мэт сэдвийг хөндөхгүй байх нь хэцүү байдаг. Сансрын хөлгийн хөдөлгөөнийг сансар огторгуй дахь бусад биетүүдийн нэгэн адил өөр өөр координатаар тогтоож болно. Буруу лавлагааны систем байхгүй, зөвхөн илүү тохиромжтой, бага байдаг. Жишээлбэл, нарны аймаг дахь биетүүдийн хөдөлгөөнийг гелиоцентрик жишиг хүрээгээр, өөрөөр хэлбэл Нартай холбоотой координатуудыг Коперникийн хүрээ гэж нэрлэдэг. Гэсэн хэдий ч, энэ систем дэх сарны хөдөлгөөнийг авч үзэх нь тийм ч тохиромжтой биш тул үүнийг геоцентрик координатаар судалдаг - тоо нь харьцангуй юм. Дэлхий, үүнийг Птолемейн систем гэж нэрлэдэг. Харин ойролцоо нисч буй астероид сарыг мөргөх үү гэсэн асуулт байвал гелиоцентрик координатыг дахин ашиглах нь илүү тохиромжтой байх болно. Бүх координатын системийг ашиглаж, асуудлыг өөр өнцгөөс харж чаддаг байх нь чухал.
Пуужингийн хөдөлгөөн
Сансарт аялах гол бөгөөд цорын ганц арга бол пуужин юм. Энэ зарчмыг анх удаа 1903 онд Циолковскийн томъёогоор илэрхийлсэн гэж Хабр сайтад бичжээ. Түүнээс хойш сансрын нисгэгчдийн инженерүүд олон төрлийн эрчим хүчийг ашиглан олон арван төрлийн пуужингийн хөдөлгүүр зохион бүтээсэн боловч тэдгээр нь бүгд үйл ажиллагааны нэг зарчимд нэгдсэн: ажлын шингэний нөөцөөс массын нэг хэсгийг гаргаж, хурдатгал авах. Энэ үйл явцын үр дүнд бий болсон хүчийг зүтгүүрийн хүч гэж нэрлэдэг. Циолковскийн тэгшитгэл болон түүний үндсэн хэлбэрийн гарал үүсэлтэй болох зарим дүгнэлтийг эндээс үзнэ үү.
Нэгж хугацаанд пуужингаас хөөргөсөн массын хэмжээ болон энэ массын мэдээлэх хурдаас хамаарч зүтгүүрийн хүч нэмэгдэх нь ойлгомжтой. Ийнхүү F=wq харьцаа үүснэ, F нь зүтгүүрийн хүч, w нь шидсэн массын хурд (м/с), q нь нэгж хугацаанд зарцуулсан масс (кг/с) юм. Пуужинтай тусгайлан холбоотой лавлагааны системийн ач холбогдлыг тусад нь тэмдэглэх нь зүйтэй. Өөрөөр хэлбэл, бүх зүйлийг дэлхий эсвэл бусад биетэй харьцуулж хэмжсэн бол пуужингийн хөдөлгүүрийн түлхэлтийн хүчийг тодорхойлох боломжгүй юм.
Судалгаа ба туршилтын үр дүнд F=wq харьцаа нь зөвхөн ялгарсан масс нь шингэн эсвэл хатуу биет байх тохиолдолд хүчинтэй хэвээр байгааг харуулсан. Гэхдээ пуужингууд нь халуун хийн урсгалыг ашигладаг. Тиймээс харьцаанд хэд хэдэн залруулга оруулах ёстой бөгөөд дараа нь бид Sхарьцааны нэмэлт нэр томъёог авна (pr - pa), анхны wq дээр нэмэгддэг. Энд pr нь цорго гарахад хийнээс үзүүлэх даралт; pa нь атмосферийн даралт, S нь хушууны талбай юм. Тиймээс, боловсронгуй томъёо дараах байдлаар харагдах болно:
F=wq + Spr - Spa.
Пуужин авирах тусам атмосферийн даралт багасч, түлхэх хүч нэмэгдэхийг эндээс харж болно. Гэсэн хэдий ч физикчид тохиромжтой томъёонд дуртай байдаг. Тиймээс анхны хэлбэртэй төстэй томъёог ихэвчлэн ашигладаг F=weq, энд we нь массын гадагшлах урсгалын үр дүнтэй хурд юм. Энэ нь хөдөлгүүрийн системийг турших явцад туршилтаар тодорхойлогддог бөгөөд w + (Spr - Spa) / q. илэрхийлэлтэй тоон хувьд тэнцүү байна.
we - тусгай түлхэлтийн импульстэй ижил ойлголтыг авч үзье. Тодорхой гэдэг нь ямар нэгэн зүйлд хамаарах гэсэн үг. Энэ тохиолдолд энэ нь дэлхийн таталцлын хүчинд хамаарна. Үүнийг хийхийн тулд дээрх томъёонд баруун талыг үржүүлж, g-ээр хуваана (9.81 м/с2):
F=weq=(we / g)qg эсвэл F=I ud qg
Энэ утгыг Isp Ns/кг эсвэл ямар нэгэн байдлаар хэмждэгижил м/с. Өөрөөр хэлбэл, тодорхой түлхэлтийн импульсийг хурдны нэгжээр хэмждэг.
Циолковскийн томьёо
Хөдөлгүүрийн хүчнээс гадна пуужинд дэлхийн таталцал, нарны аймгийн бусад объектуудын таталцал, агаар мандлын эсэргүүцэл, гэрлийн даралт гэх мэт Эдгээр хүч тус бүр пуужинд өөрийн хурдатгалыг өгдөг бөгөөд үйл ажиллагааны нийлбэр нь эцсийн хурдатгалд нөлөөлдөг. Иймд тийрэлтэт тийрэлтэт хурдатгал буюу ar=Ft / M гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлэх нь тохиромжтой бөгөөд энд М нь пуужингийн тодорхой хэмжээний масс юм. хугацаа. Тийрэлтэт онгоцны хурдатгал гэдэг нь пуужинд нөлөөлж буй гадны хүчин байхгүй үед пуужин хөдөлж болох хурдатгал юм. Мэдээжийн хэрэг, массыг зарцуулах тусам хурдатгал нэмэгдэх болно. Тиймээс өөр нэг тохиромжтой шинж чанар байдаг - анхны тийрэлтэт хурдатгал ar0=FtM0, хаана M 0 нь хөдөлгөөн эхлэх үеийн пуужингийн масс юм.
Пуужин ажлын биеийн массын тодорхой хэмжээгээр дууссаны дараа ийм хоосон орон зайд ямар хурдтай хөгжих чадвартайг асуух нь логиктой байх болно. Пуужингийн массыг m0-аас m1 болгон өөрчил. Дараа нь m1 кг хүртэлх массыг жигд хэрэглэсний дараа пуужингийн хурдыг дараах томъёогоор тодорхойлно.
V=wln(m0 / m1)
Энэ бол хувьсах масстай биеийн хөдөлгөөний томьёо эсвэл Циолковскийн тэгшитгэлээс өөр зүйл биш юм. Энэ нь пуужингийн эрчим хүчний нөөцийг тодорхойлдог. Мөн энэ томъёогоор олж авсан хурдыг хамгийн тохиромжтой гэж нэрлэдэг. Бичиж болноЭнэ томьёог өөр ижил хувилбарт:
V=Iudln(m0 / m1)
Шатахууны тооцоонд Циолковскийн томъёог ашигласан гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Илүү нарийн яривал дэлхийн тойрог замд тодорхой жин авчрахад шаардагдах пуужингийн масс.
Төгсгөлд нь Мещерский шиг агуу эрдэмтний тухай хэлэх хэрэгтэй. Циолковскийтэй хамт тэд сансрын нисгэгчдийн өвөг дээдэс юм. Мещерский хувьсах масстай объектуудын хөдөлгөөний онолыг бий болгоход асар их хувь нэмэр оруулсан. Ялангуяа Мещерский, Циолковскийн томъёо дараах байдалтай байна:
m(dv / dt) + u(дм / dt)=0, энд v нь материаллаг цэгийн хурд, u нь пуужинтай харьцуулахад шидсэн массын хурд юм. Энэ хамаарлыг Мещерскийн дифференциал тэгшитгэл гэж нэрлэдэг бөгөөд үүнээс Циолковскийн томъёог материаллаг цэгийн тодорхой шийдэл болгон гаргаж авдаг.
