Физика для гуманитариев-2

Привет! Это продолжение серии постов про инерцию, массу и гравитацию для гуманитариев.

Вообще, вся эта серия постов началась с того, что я в очередной раз прочёл дикую сентенцию на ФБ. Мол, невесомость возникает «в космосе», а ещё страшнее — «в вакууме» как бы сама собой. То есть, человек на полном серьезе заявлял, что если взлететь высоко над Землей, то попадёшь «в космос», где нет воздуха, а потому нет и гравитации. И сразу же наступит невесомость.

Я не смог разобраться, каким конкретно образом в его голове связаны гравитация, высота над Землей и вакуум с невесомостью, потому что кровь потекла у меня из глаз так обильно, что я не смог дочитать.

Собственно, поняв из прошлого поста, что такое инерция и как она связана с массой (напомню, что совершенно напрямую и абсолютно повсеместно), пришло время нам подобраться к весу и гравитации. Ну, а попутно разобраться с вакуумом, что уж. Хоть вакуум тут вовсе и не при чём.

Итак, друзья, никакого особого космоса нет. Прямо сейчас мы с вами находимся в космосе, чисто технически, все мы — космонавты. Наша планета летит в космосе, этот космос абсолютно одинаковый абсолютно везде. А то, что мы находимся не в пустоте, а на дне атмосферного океана, и в сотне километров над нашей головой начинается относительная пустота и вакуум — это вообще ни на что не влияет и не меняет.

Быстренько про вакуум.

Любой газ состоит из молекул. Молекулы — очень хитрые ребята, она летают туда-сюда и соударяются. За счёт соударений меж собой и со стенками сосуда, в который они засунуты, молекулы обмениваются энергией через импульсы. Средний импульс собственного движения молекул газа (да и жидкости, и твёрдого тела тоже) мы называем температурой. Так как масса молекул неизменна, а импульс — это масса умножить на скорость, то температура тела зависит строго от скорости движения его молекул.

Средний импульс по времени, который молекулы передают стенкам сосуда — это давление. Тут импульсы распределяются по площади, а потому струя воды из крана просто течёт по руке, а струя воды из узеньких дырочек душа ощутимо шкрябает кожу. Давление в трубе одинаковое, почему же так? Правильно, площадь тонкой струйки из душа меньше, тем толстой из крана, поэтому и давит на кожу струйка пропорционально сильнее (плюс, тут ещё и неразрывность потока по Бернулли, но не забивайте голову).

От чего же тогда зависит давление? Верно, от количества молекул в кубометре делить на площадь (в случае воды — получается высота столба воды, объём делить на площадь — равно высота), от массы этих молекул и от их скорости, то бишь температуры. Этому воздушный шарик на морозе сжимается, а на солнышке расширяется, а у кипящей кастрюли прыгает крышка. А на фишке, что давление жидкости пропорционально только высоте столба так вообще построена куча девайсов и систем, например, водопровод у вас дома. Вообще на разных трюках с давлением построена почти вся наша углеводородная промышленность.

С соударениями молекул между собой, их частотой и импульсами связаны так же упругость и вязкость. Достаточно просто понять, почему (погуглите). Кстати, почему давление газа от температуры зависит, а давление жидкости — нет? Вот подумайте сами, и поймёте, чем жидкость принципиально отличается от газа. И почему жидкости — лучшие охладители.

Так, а вакуум что такое? Технический вакуум возникает тогда, когда средний пробег молекулы в газе равен или превышает размеры сосуда, куда этот газ помещён. Ну то есть, молекулы чаще бьются о стенки сосуда, а не друг о друга. В этом случае в газе исчезают упругость и вязкость. Не то, чтоб совсем исчезают, но просто уже не рассчитываются по общим формулам газодинамики.

Дело в том, что газодинамика, как и термодинамика, как и прочие отрасли физики со словом «динамика» в названии на самом деле оперируют усреднёнными величинами, фактически — статистическими. То есть, они не рассматривают отдельные частицы и их энергии, а лишь их усреднённые статистические показатели.

Лучший пример тут — температура. В стакане воды у вас на столе есть молекулы с энергиями, соответствующими миллионам градусов. Ну, вот так они соударились с другими молекулами в стакане, что вот так страшно разогнались. Но средняя скорость движения и энергия молекул воды в вашем стакане соответствует, например, 22 градусам Цельсия. А на отдельных немногочисленных маргиналов — плевать, их мало, картины не делают, важны лишь глубинные молекулы.

Низкий вакуум начинается когда количество молекул в кубическом сантиметре становится меньше 10 квадриллионов штук. Это десять миллионов миллиардов — огромная цифра! Но вот, молекулы такие маленькие, что даже при таком огромном количестве в маленьком кубике с гранью в 1см они уже соударяются друг с другом реже, чем со стенками кубика. Удивительно, правда?

На высоте в 100км над Землей в кубическом сантиметре молекул ещё меньше — всего порядка 10 миллиардов штук. В дальнем космосе, вдали от звёзд, молекул в кубическом сантиметре пространства может быть вообще пара десятков штук, или иногда совсем ни одной (пока в наш сантиметр что-то не прилетело из соседнего сантиметра). Вот это уже прям настоящая трушная пустота, называемая абсолютным физическим вакуумом. И что самое интересное, эта абсолютная пустота всё равно не пустая, но об этом в другой раз.

Итак, влияет ли вакуум хоть как-то на массу тела, находящегося в вакууме? Нет! А как, собственно? Да никак не может повлиять!

Может быть, тела в вакууме как-то изменяют свою инерцию (инертность)? Да нет, с чего бы вдруг?

Вакуум — это отсутствие внешнего давления на тело, и не более того. Просто давить нечему.

Тут есть пара фишек. Например, жидкость не может существовать в вакууме. Абсолютно любая жидкость в вакууме без внешнего давления тут же закипит и превратится в газ, даже если это ртуть, например. Но на твёрдые тела отсутствие давления не влияет в целом никак. Кроме того, что они перестают остывать через конвекцию, но продолжают остывать излучением.

Когда ты дуешь на чай, он остывает. Когда ты едешь на байке — тебе холодно. Почему? Поток молекул воздуха ударяется об тебя (или о чай) и ворует импульс твоих молекул. Но не всех, а тех, что на поверхности. Если двигаться быстрее, так, чтоб соударений молекул воздуха было больше и больше, в какой-то момент они перестанут воровать импульс молекул твоей поверхности, а наоборот — начнут его увеличивать (плюс, ещё и за счёт электростатических сил, ведь молекулы воздуха пытаются прилипнуть к твоей поверхности, чем раскачивают твои молекулы). Тогда ты будешь уже не остывать, а нагреваться, как нагреваются сверхзвуковые самолёты, хотя вроде бы вокруг них воздух -50С. Конкорд во время полёта, например, грелся до >+200С, что было офигенной проблемой, ведь отводить это тепло было некуда.

Так что же, чашка чая в вакууме не остынет? Ну, плотно закрытая чашка чая, чтоб не выкипела сразу же?

Обязательно остынет, потому что температура передаётся не только конвекцией молекул окружающей среды, но ещё и электромагнитным излучением, а излучают все тела, теплее абсолютного нуля (то бишь -273.15С, и таких холодных тел вообще не бывает, скажу по секрету).

Посмотри на небо. Видишь — Солнце? Чувствуешь тепло? Воооот. А между вами 150 миллионов километров вакуума. Нормально работает перенос тепла излучением, правда? И хорошо, что так. Но вообще, проблема нагрева и охлаждения для космических аппаратов как раз одна из ключевых. Потому что в вакууме нечем эффективно охлаждаться, кроме излучения. Поэтому космические аппараты упаковывают в термозащиту, часто она выглядит, как золотистая или серебристая фольга. Но не обязательно, бывает и просто белая. Но никто в здравом уме не делает чёрных долговременных космических аппаратов (ракетопланы у НАСА бывало делали).

Можно ли создать вакуум на Земле? Запросто. Насосами или химическими реакциями, которые связывают газы в какие-нибудь твёрдые соли, например, как это раньше делали с лампочками.

Исчезнет ли тяжесть внутри бочки, где мы создали вакуум? Ни в коем случае нет. Давление воздуха исчезнет, внешнее давление атмосферы теперь нашу вакуумную бочку даже может раздавить, но никакая невесомость в ней не наступит!

Запомните это на веки вечные и не позорьтесь: вакуум и невесомость не имеют ничего общего.

Так а что же такое невесомость? Это — в следующем посте.

Кстати, вооруженные знаниями из двух постов, ответьте мне: где лучше будет работать реактивный ракетный двигатель — в воздухе или в вакууме? И почему?

(дальше пока не крутите, там ответ)

Ответ:

Иногда может возникнуть обманчивое впечатление, что в воздухе ракетный двигатель работает лучше. Ведь он выплевывает из себя горячий газ под большим давлением и от воздуха толкается, да?

А вот и нет! Реактивный двигатель толкается от самого выплевываемого газа, а не от окружающей среды. Как мы помним из поста про инерцию, он толкается от самого пространства-времени за счёт инерции. Помните пример с ружьем? Разве стрелку важно, попала ли куда-то пуля вообще или просто улетела вникуда? Да нет, он получает импульс от выстрела все равно.

С реактивными двигателями то же самое, кроме случаев создания экранного эффекта (плюньте на них в данном случае).

Двигатель создаёт внутри себя давление газа при высокой температуре, то есть, нагнетает огромную кучу очень быстро разогнанных молекул. И чем меньше наружное давление среды за пределами сопла двигателя, тем быстрее и эффективнее он эти молекулы выплюнет, а потому быстрее полетит.

Поэтому, хорошо бы там, снаружи, был вакуум как раз, как высоко над Землей. Но если и давление в 1 атмосферу — это хуже, но тоже пойдёт. Хуже дело обстоит в плотных атмосферах, типа венерианской. Ну, или под водой, откуда тоже стартуют ракеты (баллистические, подводных лодок, например).

Вернёмся снова к ружью: на большой глубине пуля вообще не вылетит из ствола из-за огромного давления воды снаружи. Напомню: что каждые 10 метров глубины добавляют примерно 1 атмосферу давления. В стволе ружья при взрыве порохового заряда давление не превышает 700 атмосфер, на дне Марианской впадины 1100 атмосфер. То есть, там ружьё бесполезно. Но даже на куда более мелких глубинах пуля на выходе из ствола будет иметь очень скромную скорость и энергию.

Ровно то же самое ждёт и реактивные двигатели в плотной атмосфере. От внешнего давления у них снижается тяга, ведь она пропорциональна разнице давлений внутри и снаружи двигателя, и в какой-то момент они не уже не могут поднять сами себя, а далее и вообще работать.

Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin, который ставится на Falcon-9, «всего» 98 атмосфер. Это много, но есть двигатели с рабочим давлением и в 2.5 разв больше (известный всем, наверное, РД-180, например). То есть, 98 атмосфер в камере сгорания продавливают 1 атмосферу снаружи, соотношение 1:98. Представим себе, что снаружи теперь давление 2 атмосферы. Внутри двигателя на старте тоже 2 атмосферы тогда. И пусть он может создать в камере сгорания теперь 97+2 = 99 атмосфер всего*. Ого! Соотношение у нас уже 2:99, то есть — соотношение почти вдвое хуже.

Однако, на поверхности той же Венеры у нас 90 атмосфер. Очевидно, что Merlin там даже вряд ли заведётся вообще, тем более уж не поднимет даже сам себя.

Поэтому где лучше всего летать на ракетах? Верно, в вакууме.

Вот так мы кратко поговорили о вакууме, что заняли всё тело поста. Поэтому гравитация и невесомость переносятся в следующий!

*на самом деле, тут не совсем линейная зависимость, и двигатель не может просто в лоб прям прибавлять свои 98 атмосфер к имеющемуся уже давлению. Он будет прибавлять всё меньше и меньше на кккойто процент.