Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Успехи в освоении космического пространства

Закон сохранения импульса является следствием второго и третьего законов Ньютона. Он справедлив для тел, составляющих замкнутую систему, т.е. взаимодействующих только друг с другом.
Для простоты будем считать, что система состоит всего из двух тел. Это могут быть две звезды, два бильярдных шара или два других тела.
Силы, которые возникают в результате взаимодействия тела, принадлежащего системе, с телом, не принадлежащим ей, называются внешними силами. В качестве примера рассмотрим систему, которая включает в себя два бильярдных шара. Сила взаимодействия шаров с краем стола при ударе о него, сила трения шара о поверхность стола – все это внешние силы. Пусть на тела системы действуют внешние силы F1 и F2.

Силы, возникающие в результате взаимодействия тел, принадлежащих системе, называются внутренними силами. Обозначим через F1,2 силу, с которой второй шар действует на первый и через F2,1 силу, с которой первый шар действует на второй. 
По третьему закону Ньютона эти силы равны по модулю и противоположны по направлению. Отсюда следует, что сумма внутренних сил всегда равна нулю.
Вследствие действия сил на тела системы их импульсы изменяются. Если взаимодействие рассматривается за малый промежуток времени, то для тел системы можно записать второй закон Ньютона в виде: изменение импульса тела равно произведению суммы действующих на него сил и интервала времени, в течение которого произошло это изменение. Тогда изменение импульса первого шара равно произведению суммы внешних сил и силы действия второго шара на первый на промежуток времени. А изменение импульса второго шара равно произведению суммы внешних сил и силы действия первого шара на второй на тот же промежуток времени. 
Сложив эти равенства, получим, что сумма изменений импульсов двух шаров равна произведению суммы внешних сил, действующих на систему шаров на время действия.
В левой части равенства стоит сумма изменений импульсов всех тел системы, т. е. изменение импульса самой системы. Импульсом системы называют геометрическую сумму импульсов всех тел системы.
Т. е. для нашего случая можно записать, что изменение импульса системы шаров равно геометрической сумме всех внешних сил, действующих на шары системы.
Мы доказали весьма важное положение: импульс системы тел могут изменить только внешние силы, причем изменение импульса системы  совпадает по направлению с суммарной внешней силой. Внутренние силы изменяют импульсы отдельных тел системы, но изменить суммарный импульс системы они не могут.
Полученное уравнение справедливо для любого интервала времени, если сумма внешних сил остается постоянной.
Из этого уравнения вытекает закон сохранения импульса. Если сумма внешних сил равна нулю, то импульс системы тел сохраняется.
В этом случае тела могут только обмениваться импульсами, суммарное же значение импульса не изменяется.
Полученный результат справедлив для системы, содержащей произвольное число тел.
Большое значение закон сохранения импульса имеет для исследования реактивного движения. Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него, например, при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело.

Наблюдать реактивное движение можно очень просто, для этого достаточно надуть обыкновенный воздушный шарик и отпустить его не завязывая, шарик сразу же полетит. Движение будет кратковременным, ведь реактивная сила будет действовать только до тех пор, пока из шарика полностью не выйдет весь воздух. 
В природе реактивное движение достаточно распространено. К примеру, многие животные передвигаются в воде, используя реактивное движение: каракатицы, осьминоги, медузы. Главная особенность реактивной силы в том, что она возникает в результате взаимодействия частей системы без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
Уже многие годы человечество стремится проникнуть вглубь космического пространства и в этом главными помощниками являются реактивные двигатели. Они также широко применимы в метеорологических и военных ракетах различного радиуса действия. Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями.
В космическом пространстве использовать какие-либо другие двигатели, кроме реактивных, невозможно, так  как там  нет опоры: ни твердой, ни жидкой, ни газообразной, отталкиваясь от которой, космический корабль мог бы получать ускорение. Применение же реактивных двигателей в самолетах и ракетах, не выходящих за пределы атмосферы, связано с тем, что именно реактивные двигатели способны обеспечить необходимую скорость полета.
Реактивные двигатели делятся на два основных класса: ракетные и воздушно-реактивные.
В ракетных двигателях горючее и необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно внутри двигателя или в его топливных баках. На рисунке показана схема ракетного двигателя на твердом топливе.

Порох или какое-либо другое топливо, содержащее и горючее, и окислитель, помещают внутрь камеры сгорания двигателя. При сгорании топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Газы вырываются из сопла ракеты с большой скоростью, в результате чего, в соответствии с законом сохранения импульса, ракета приобретает скорость в противоположном направлении. Импульс системы ракета, продукты сгорания, остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянной скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения.
Сужение камеры сгорания (сопла) приводит к увеличению скорости истечения продуктов сгорания, так как через меньшее поперечное сечение в единицу времени должен пройти газ той же массы, что и через большее поперечное сечение. Движение ракеты - это пример движения тела с переменной массой. Для расчета ее скорости используют не второй закон Ньютона, а закон сохранения импульса.
Применяются также ракетные двигатели, работающие на жидком топливе. В жидкостно-реактивных двигателях в качестве горючего можно использовать керосин, бензин, спирт, анилин, жидкий водород, а в качестве окислителя, необходимого для горения, - жидкий кислород, азотную кислоту, жидкий фтор, перекись водорода. Горючее и окислитель хранятся раздельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания, где температура повышается до 3000 градусов Цельсия, а давление - до пятидесяти атмосфер. В остальном двигатель работает так же, как и двигатель на твердом топливе.
Жидкостно-реактивные  двигатели используются для запуска космических кораблей.
Воздушно-реактивные двигатели в настоящее время применяют главным образом в самолетах. Основное их отличие от ракетных двигателей состоит в том, что окислителем для горения топлива служит кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.
Основатель теории реактивного двигателя русский и советский учёный и изобретатель, школьный учитель Константин Эдуардович Циолковский. Научное доказательство возможности полетов в межпланетном пространстве были впервые высказаны и разработаны им в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
Циолковскому принадлежит также идея применения многоступенчатых ракет. Отдельные ступени, из которых составлена ракета, имеют собственный двигатель и запас топлива. По мере сгорания топлива очередная ступень отделяется от ракеты. Поэтому в дальнейшем на ускорение корпуса этой ступени и ее двигателя топливо не расходуется.
Циолковский высказал идею о сооружении большой станции-спутника на орбите вокруг Земли, с которой будут стартовать ракеты к другим планетам Солнечной системы.
В нашей стране 4 октября 1957 г. состоялся запуск первого искусственного спутника Земли. Дата запуска считается началом космической эры человечества. 
Также впервые в нашей стране 12 апреля 1961 г. был осуществлен полет космического корабля с космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным на борту.
Этот и другие полеты были совершены на ракетах, сконструированных отечественными учеными и инженерами под руководством Сергея Павловича Королева.

Большой вклад в исследование космического пространства внесли также американские ученые, инженеры и астронавты. Два американских астронавта из экипажа космического корабля «Аполлон-11» - Нил Армстронг и Эдвин Олдрин - 20 июля 1969 г. впервые совершили посадку на Луну. На космическом теле Солнечной системы человеком были сделаны первые шаги.
С выходом человека в космос открылись возможности исследования природных явлений и ресурсов Земли. Возникло космическое природоведение. Снимки с орбиты позволяют исследовать наиболее интересные участки земной поверхности.
Из космоса лучше различаются крупные геологические структуры: плиты, глубинные разломы земной коры - места наиболее вероятного залегания полезных ископаемых. 
Сейчас на орбитальных комплексах разработаны технологии получения материалов, которые нельзя изготовить на Земле, а можно только в состоянии длительной невесомости в космосе.
Орбитальные аппараты в настоящее время используются не только для научных исследований космического пространства, но и для биологических, медицинских исследований, получения новых материалов.