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但这还是不完全正确。如果火箭真的是一团一团地抛出物质,上式就是对的,但它不是——它是连续地抛出物质。在一开始,火箭的质量是10,在放出一个单位质量的末尾,它的质量仅为9——所以平均起来,它大致上是9.5。在第一个单位质量抛出的时间内,我们说质量m =9.5是反抗Δm =1的有效平均惯性质量,所以火箭得到一个等于 的反冲Δv :
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把这些有一半的数值放进去是有好处的,因为你们只需较少步骤就得到高的精度。当然它仍然不是精确的。如果我们想做得更仔细一些,可以用一团较小的物质,像 ,并作更多的分解。但是我们这里做得粗糙一些,用Δm =1,再继续做下去。
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现在火箭的质量只有9,从火箭后部抛出另一个单位质量,我们求得下一个Δv 为…1/9吗?不!…1/8?不!它应该是Δv =1/8.5,因为质量从9到8一直是连续变化的,所以它平均大约是8.5。对于下一个单位质量,我们得Δv =1/7.5。从而我们发现答案是1/9.5、1/8.5、1/7.5、1/6.5。嗒、嗒、嗒…——直到末尾。最后一步,从2个单位质量降到1个单位,平均质量为1.5,最后剩下一个单位质量。
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最后,我们计算所有这些比率,(只要一会儿,这些数值都是简单的数,不难把它们计算出来。)只要把它们都加起来就得到答案2.268。它表示火箭获得的最后速度比燃料的排出速度u 快2.268倍。那就是这个问题的答案——仅此而已!
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现在你们或许会讲,“我不喜欢这里的精度——这结果有点草率。下面的讲法就非常好,‘在第一步中,质量从10变到9,所以它大约是9.5。’但在最后一步,它从2变到1,而你把整个过程取平均值1.5。把最后一步分得更细,每一次抛出半个质量单位,因此得到稍微好一点的精度。这样做不是更好吗”?(这是计算方法上的技术问题。)
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让我们看看,第一次半个单位的质量抛出去的时候,火箭质量从2降到1.5,平均为1.75,所以我们对公式 取 乘以半个单位。然后我对第二个半个单位用同样的方法,质量从1.5降到1,平均值为1.25:
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所以你们能够在最后一步做一些改进——你们也可以用同样的方法改进其余全部系数,如果你们不怕麻烦——Δv 用0.686代替0.667,这意味着我们前面的答案稍为低了点。你们算出好一些的结果,v ≈2.287u 。最后所得的数字实际上也不可靠,但我们的估算是很接近了,精确的答案是离2.3不远。
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现在我必须告诉你们,由于积分 是一个如此简单的函数,它在许多问题中出现,所以人们已经把它制成了一个表,并给它取了个名字:称为自然对数,ln(x )。如果你们恰巧在一个自然对数表中看到ln(10),你们会发现它实际上是2.302585:
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你可以用我们使用的相同技巧获得许多精确的数字,这种技巧提供你们用更精细得多的间隔像 等来代替1——而这正是已经做过的事情。
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不管怎样,我们很快就做得非常好了,无须知道什么,也不需要查表。所以我反复强调,在紧急情况下,你们总能够用算术的方法做计算。
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3-5 化学火箭
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现在,火箭推进的问题是很有趣的。首先,你们会注意到,火箭最终达到的速率正比于排出气体的速率u 。因此所有的努力都用在尽可能快地排出气体。如果你们使过氧化氢和这种及那种燃料燃烧,或者使氧和氢或某些东西燃烧,那么你们就得到每克燃料产生的一定量的化学能。要是你们能正确地设计喷嘴和各种部件,那么你们就能获得化学能转变成喷出速度的高百分比,自然,你们不可能获得高于百分之百的比例。所以对给定的燃料,和对给定质量比的最理想的设计,存在着能达到的速率的上限。这也是因为从给定的化学反应可能获得的u 值有一个上限。
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考虑两个反应a 和b ,在这两个反应中每个原子释放出的能量相同,但原子的质量不同,分别为ma 和mb 。如果ua 和ub 是喷出速度,我们就有:
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因此在较轻原子的反应中,原子具有较高的速度,因为ma <mb ,(3.20)式表示ua >ub 。这也说明为什么大多数火箭所用燃料都是轻物质,工程师们都希望使氦和氢进行燃烧,不幸,那种混合物不能燃烧,所以他们权且把氢和氧之类凑合着用。
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