Ракета и мощность.

[Mirmik]

Друзья. Я потерял энергию.

Пусть есть висящая в воздухе ракета аля Илон Маск. Сначала ракета висит неподвижно. Реактивная сила равна силе тяги. Затем даёт кратковременный импульс, приобретая некоторую вертикальную скорость, переходя в режим подъёма с постоянной скоростью. Реактивная сила по прежнему равна силе тяги. По идее, учитывая, что ракета начала приобретать потенциальную энергию, создание одной и той же реактивной силы требует большей мощности в режиме взлёта, чем в режиме висения, то-есть увеличения интенсивности протекания химических процессов. Вопрос. Как это работает?

[Red_Herring]

Mirmik в сообщении #1570763 писал(а):

Друзья. Я потерял энергию.

Пусть есть висящая в воздухе ракета аля Илон Маск. Сначала ракета висит неподвижно. Реактивная сила равна силе тяги. Затем даёт кратковременный импульс, приобретая некоторую вертикальную скорость, переходя в режим подъёма с постоянной скоростью. Реактивная сила по прежнему равна силе тяги. По идее, учитывая, что ракета начала приобретать потенциальную энергию, создание одной и той же реактивной силы требует большей мощности в режиме взлёта, чем в режиме висения, то-есть увеличения интенсивности протекания химических процессов. Вопрос. Как это работает?

Никак не работает, потому что никто так не запускает. Однако многие ракетные двигатели имеют регулируюмую тягу, которая регулруется интенсивностью подачи топлива и окислителя. Более того, поскольку масса ракеты уменьшается, то ускорение увеличивается, если тяга постоянна. Кроме того, в зависимости от скорости ракеты и плотности атмосферы ракета испытывает сопротивление воздуха, сила сопротивления называется динамической нагрузкой. Сначала она маленькая (скорость мала), затем растет, достигает максимума (max-Q) а потом падает из-за разреженности атмосферы. И, например, Фалконы около этого момента уменьшают подачу топлива и тягу, чтобы суммарная нагрузка была поменьше. Ну и наконец, тяга даже нерегулируемого двигателя непостоянна, она зависит от плотности атмосферы и длины сопла. Поэтому даже одинаковые двигатели на второй ступени имеют гораздо большее сопла, чем на первой поскольку их оптимизируют для разных условий

[Mirmik]

Это всё очень интересно, но к сожалению не имеет отношения к сути моего вопроса.
Замечание про потерю массы уместно. Давайте заменем реактивный двигатель на ОЧЕНЬ мощный ионный, чтобы потеря массы была пренебрежима. Это концептуальная задача модельная для обсуждения вопроса перемещения в потенциальном поле, она не связана с работой реальных аппаратов.

[мат-ламер]

Mirmik
Вы ещё учтите, что энергия горения топлива расходуется не только на перемещение ракеты, но и на кинетическую энергию выхлопных газов.

[Mirmik]

мат-ламер в сообщении #1570771 писал(а):

Mirmik
Вы ещё учтите, что энергия горения топлива расходуется не только на перемещение ракеты, но и на кинетическую энергию выхлопных газов.

Думаю, если на планете нет атмосферы, эффектами связанными с этим можно пренебречь.

-- 21.11.2022, 23:41 --

мат-ламер в сообщении #1570771 писал(а):

Mirmik
Вы ещё учтите, что энергия горения топлива расходуется не только на перемещение ракеты, но и на кинетическую энергию выхлопных газов.

А хотя... Наверно, действительно надо это учитывать. А то закон сохранения механической энергии будет не полон вследствие незамкнутости системы.

[lel0lel]

Сила тяжести начинает совершать отрицательную работу при подъёме, чтобы её компенсировать придётся увеличить мощность реактивного двигателя. Не получится оставить тем же и расход топлива и скорость газов относительно ракеты.

Представьте себя на плоту с большой корзиной яблок. Чтобы удержаться примерно на месте, нужно их кидать с некоторой скоростью с определенной частотой. Чтобы плыть против течения, бросать нужно либо чаше, либо быстрее.

[amon]

Mirmik в сообщении #1570763 писал(а):

По идее, учитывая, что ракета начала приобретать потенциальную энергию,

А нет в этой задаче никакой потенциальной энергии. К ракете приложены две силы, одна из которых потенциальна, а другая (сила тяги двигателя) - нет. Поэтому вспоминать надо старика Ньютона. Поскольку сумма сил - ноль, то с равным успехом ракета может как покоится, так и двигаться равномерно и прямолинейно, что она и проделает после толчка. Режим работы двигателя менять не надо. Это все верно для идеальных условий: плотность рабочего тела - ноль, скорость вылета - бесконечность, поток импульса - константа. Для реальной ракеты надо много чего учитывать, но принцип тот же - если сумма сил ноль, то ситуации покоя или равномерного прямолинейного движения неотличимы.

lel0lel в сообщении #1570777 писал(а):

Чтобы плыть против течения, бросать нужно либо чаше, либо быстрее.

Это другой случай, тут сила сопротивления зависит от скорости.

[lel0lel]

amon в сообщении #1570801 писал(а):

Режим работы двигателя менять не надо

Мощность при равномерном движении есть произведение силы тяги на скорость.

[wrest]

Mirmik в сообщении #1570763 писал(а):

Друзья. Я потерял энергию.

Ну у вас по условиям сила тяжести в точности уравновешена силой тяги. Так что после толчка ракета будет двигаться равномерно-прямолинейно туда, куда толкнёте.
Представьте например, что два одинаковых груза перекинуты на невесомой нити через идеальный блок. Когда вы толкнете первый груз вверх, он будет двигаться равномерно-прямолинейно вверх, набирая потенциальную энергию... Зато второй груз будет её терять.
Или тело с нулевой плавучестью в идеальной жидкости без трения, взякости, спротивления и т.п. Суммарный поток импульса от жидкости к телу (сила архимеда) как раз уравновешивает силу тяжести. Толкнув тело куда-нибудь, опять же получится, что оно станет двигаться равномерно-прямолинейно, набирая потенциальную энергию если двигается вверх. За счет жидкости которая будет опускаться и энергию терять.
Воздушный шар или дирижабль вот взлетают практически бесплатно с точки зрения энергии.
Реактивное движение, конечно, это немного другое, в целом (система ракета-струя-земля не замкнутая), но с точки зрения ракеты нет разницы как именно создается сила, компенсирующая силу тяжести. Главное, что она есть (ессно считаем условия идеальными, типа потерей массы, неоднородностью силы тяжести и сопротивлением воздуха пренебрегаем).

[lel0lel]

lel0lel в сообщении #1570807 писал(а):

amon в сообщении #1570801 писал(а):

Режим работы двигателя менять не надо

Мощность при равномерном движении есть произведение силы тяги на скорость.

Подумал, amon прав

[wrest]

Mirmik в сообщении #1570763 писал(а):

создание одной и той же реактивной силы требует большей мощности в режиме взлёта, чем в режиме висения,

Мощность дело такое... Вот сидите вы на стуле ровно. Никуда не падаете. Стул на вас давит снизу вверх силой равной вашему весу. Мощность стула (и того чем вы сидите на нём) - ноль.

[EUgeneUS]

wrest
И продолжим аналогию.
Теперь сидим на стуле ровно в лифте.
Лифт начал движение вверх. Стул дал "пинка под зад", а дальше в лифте все пришло к тому же состоянию, как было.
А с точки зрения вахтера вне лифта, стул в двужещемся лифте совершает работу над пятой точкой, сидящей на нём.

[wrest]

EUgeneUS
Ну да, а ещё меня (в школе) волновал вопрос, почему про автомобили говорят что у них есть такая-то мощность двигателя (лошадиных сил), про самолетные поршневые двигатели тоже говорят о мощности двигателей, а вот про реактивные - никогда не упоминают мощности двигателей, только тяги. Полагаю, ТС в заголовке этой темы «Ракета и мощность.» попал именно в эту ловушку.

[warlock66613]

Mirmik в сообщении #1570763 писал(а):

Как это работает?

На разгон газов при движении тратится меньше энергии, сэкономленная энергия идёт на противодействие работе силе тяжести.

[Евгений Машеров]

Чем выше скорость ракеты, тем выше К.П.Д. (измеряемый, как отношение приращения энергии ракеты к энергии сгораемого топлива). Это продолжается до тех пор, пока скорость ракеты не сравняется со скоростью газов. После этого с ростом скорости К.П.Д. будет снижаться.