rakettiperiaate

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Tästähän on täällä jo keskusteltu mutta nyt toivoisin saavani oikein nasakat perustelut. Aiemmissa keskusteluissa en ole havainnut seuraavaan kysymykseen nasakkaa ja perustavaa laatua olevaa perustelua.

Kysymykselle pohjustusta: ajatellaan kaasupullo, jonka sisällä on painetta. Pulloon tehdään reikä ja pullo lähtee rakettiperiaatteen mukaan etenemään niin maan päällä kuin avaruudessakin. Purkautuvan kaasun liikemäärä on yhtäsuuri kuin pullon saama liikemäärä. Tietenkin lasku on hivenen vaativa, kun eteenpäin menevän pullon massa koko ajan pienenee mutta periaate on tärkein.

Mutta miksi ilmakehä ei vaikuta ollenkaan pullon eli raketin saamaan liikemäärään? Edelleen tuntuu vaikealta käsittää esim. seuraava: pullo on ilmassa annetaan kaasun purkautua ilmaan tai veteen ja pullo menee samalla vauhdilla eteenpäin. Tuntuisi, että veteen purkautuessa pitäisi kuitenkin saada jotenkin suurempi liikemäärä. Miten asia pitäisi ajatella, että tuntuisi järkevältä tuo oikea tapahtuma?

Laitan vielä omaa ajatelmaa: Tähän voisi jotenkin päästä käsiksi vuorovaikutuksella. Pullo ja paineen alainen kaasu vuorovaikuttavat toisiinsa -> voima, joka on molempiin osapuoliin yhtäsuuri mutta vastakkaissuuntainen. Voima kertaa vaikutusaika on yhtäsuuri kuin kappaleen/olion saama impulssi eli liikemäärän muutos ja tämä on molemmille yhtäsuuri mutta vastakkaissuuntainen. Lopputulema on, että liikemäärä säilyy ja raketin sekä kaasun saamat liikemäärät on samat. Väliaine ei vaikuta siksi, että se ei vaikuta vuorovaikutuksen voimakkuuteen pullon ja kaasun välillä??? Vai miten tämä viimeinen asia pitäisi ruotia?

Tarkasti ottaen ympäröivä paine vaikuttaisi tällaiseen pullorakettiin vissiin merkittävästikin eli jos paine olisi yhtäsuuri kuin pullossa niin eihän kaasu purkautuisi ulos ja näin ollen ei liikettä? Mutta jos kaasuklöntti ammuttaisiin sitten jollakin räjähteellä ulos niin miksi ulkopuolella oleva väliaine ei vaikuta?

Ompa helppo vastata nasakasti, kun kysyä jääritellään puoli päivää

Sivut

Kommentit (29)

Vierailija

Käsittääkseni ilmakehässä kaasun ulospurkausnopeus jää pienenemmäksi ilmanpaineesta aiheutuvan vastapaineen vaikutuksesta ja tämän vuoksi impulssi on pienempi ilmakehässä kuin avaruudessa, "tyhjössä"

David
Seuraa 
Viestejä8875
Liittynyt25.8.2005

Olisiko tässä vähän nasakampi vastaus. Kuvittele se raketti lähtemään putkesta, joka on vähän isompi kuin se raketin halkaisija. Nyt raketti tietysti lähtee alunperin sillä omalla virtauksellaan nousemaan siellä putkessa.

Nythän kuitenkin siellä putkessa myös paine nousee, joka lykkää sitä rakettia eteenpäin. Toisaalta, kun paine nousee niin se virtaus hidastuu paine-eron pienentymisen seurauksena.

Toisaalta se pinta-alakin on suurempi johon se paine putkessa vaikuttaa.

Summa summarum ... energiaa ei synny tyhjästä, mutta ei myöskään katoa minnekkään. Toisaalta tehoa voi saada enemmän tai vähemmän samallakin energiamäärällä. Tässä tapauksessa arviointi on vähän vaikeata koska virtauksen nopeus vaikuttaa suoraan verrannollisesti, ja ulkoinen pinta-ala * paineen kasvu neliöllisesti, mutta mahdollinen kitkakin pitäisi huomioida.

Eli saatat olla oikeassa, mutta takuuseen en mene.

Raja-tapauksen kautta hahmottaen kyllä niin, että jos ilmaan nousu pelkän virtauksen avulla ei onnistu, niin laitetaan raketti alapäästään suljettuun putkeen jolloin paine sen joka tapauksessa saa liikkeelle. Tämän jälkeen rakettti voisi nousta jo liikemääränsä turvin myös sillä virtauksen aiheuttamalla voimalla. Jos se virtauksen tuottama voima on esim. tasan sama kuin painovoima ko. pisteessä. Tällöinhän siihen ei vaikuta mikään voima ( resultantti nolla ), joten se jatkaa omaamallaan nopeudella etenemistään (jatkavuuden laki).

Asiaan liittyen:
Jossain kysyinkin, että miten tällaisessa tilanteessa voiman tekemä työ poikkeaa pelkästä painovoimaa vastaan tehdystä työstä. Eihän liikemäärä tee työtä, kuitenkin alus etenee kenttää vastaan ja siirtymä kenttää vastaan katsotaan työksi. Onko siinä oikeastaan mitään eroa tehdäänkö työtä ajan vai paikan suhteen ?

Vierailija
tk
Käsittääkseni ilmakehässä kaasun ulospurkausnopeus jää pienenemmäksi ilmanpaineesta aiheutuvan vastapaineen vaikutuksesta ja tämän vuoksi impulssi on pienempi ilmakehässä kuin avaruudessa, "tyhjössä"

Ok. Eli raketti pääsee liikkumaan avaruudessa kaikista pienimmällä palamisjätteen syytämisellä peräänsä. Tämä käsitys oli itsellänikin.

Mutta edelleen tuo mekanismi. Jotenkin haluaisin selkeän ajatusketjun. En nyt taida saada mitenkään kysymystä kakisteltua niin, että siitä saisi kukaan kiinni.

En epäile rakettiperiaatteen toimivuutta mutta miten sen itselleen perustelee.

Kiitän nimimerkkiä "tietää" hänen kommentistaan juuri tällaisia kaipailinkin Olen kokeillutkin vesirakettia. Pumpulla letkun kautta vain ilmaa vesipulloon ja pian lentää vesi ja pullo eri suuntiin. Mutta eipä tuosta silti saanut väliaineen vastusta selville, varsinkaan sillä tavalla, että voisi varmuudella sanoa. Sitä en saanut testattua, että miten vaikuttaisi jos vesi purkautuu pullosta esim. veteen ja pullo kiitäisi veden pinnalla. Jotain tällaista pitäisi yrittää, jos väliaineen merkitystä yrittää selvittää. Tai sitten voisi mennä tyhjiöön ja siellä pumpata ilmaa pulloon jne.

Nimimerkin "muohi" ajatuksesta en ihan saanut kiinni. Huomioitava väliaineen vastus? Ymmärrän, että väliaine vastustaa mutta jos päästän esimerkiksi pulloraketista päästetään paineet pihalle ilmaan tai veteen mutta pullo on ilmassa niin mitenkä?

Laitetaan kysymys hieman uuteen uskoon. Vene liikkuu turbiinilla siten, että se ottaa vettä laitteistoon ja puhaltaa sen perästään paineella pihalle. Eikö vene liiku eteenpäin rakettiperiaatteella? No jos sama määrä syydetään vettä taakse päin siten, että vesi purkautuu veteen tai vesi purkautuu ilmaan, niin eikö venee pitäisi saada eteenpäin samanlainen liikemäärä? Tällaisen haluaisin testata. Mutta en ole käytännössä mahiksia.

Sitten voi pohtia vielä kummassa tapauksessa liikkuminen veisi enemmän energiaa. Voisi kuvitella, että veteen purettaessa ei tarvitse koneen nostaa vettä vetovoimakenttää vastaan ja näin säästetään energiaa.

David
Seuraa 
Viestejä8875
Liittynyt25.8.2005

No yritin vastata, mutta vähän kiertotietä. Yksinkertainen resepti sitten.

Väliaineen vastus aiheuttaa lievän paineen sinne peräpäähän, siinä on vain se ongelma, että se pääsee leviämään ympäristöön aika tehokkaasti, joten sen merkitys on sen prosessin kannalta mimimaalinen. Väliaineesta on tässä mielessä enemmän haittaa (väliaineen vastus) kuin hyötyä (paineen muodostus).

Toisaalta, jos käytetään tuota puolittain suljettua järjestelmää, jossa paine ei pääse karkaamaan pois ko. tilasta, niin silloin se paine pääsee täysimääräisenä kohdistumaan siihen kiihdytettävään objektiin, tällöin vain virtaus hidastuu kun paine-ero pienenee. Toivottavasti nyt ymmärsit, mitä ajoin takaa.

Vierailija

Rakettimoottorit eivät perustu paineelle, vaan aineen inertialle.

Mitä suurempi massavirta, sitä suurempi kiihtyvyys. Mitä kevyempiä molekyylejä syöstään ulos, sitä suuremman nopeuden ne saavat ja sitä suuremman nopeuden myös raketti voi saavuttaa.

Väliaineen aiheuttaman vastapaineen vaikutus on, kuten mainittu, että massavirta pienenee, koska materiaalia ei pääse tulemaan ulos yhtä paljon.

Vierailija
David
No yritin vastata, mutta vähän kiertotietä. Yksinkertainen resepti sitten.

Väliaineen vastus aiheuttaa lievän paineen sinne peräpäähän, siinä on vain se ongelma, että se pääsee leviämään ympäristöön aika tehokkaasti, joten sen merkitys on sen prosessin kannalta mimimaalinen. Väliaineesta on tässä mielessä enemmän haittaa (väliaineen vastus) kuin hyötyä (paineen muodostus).

Toisaalta, jos käytetään tuota puolittain suljettua järjestelmää, jossa paine ei pääse karkaamaan pois ko. tilasta, niin silloin se paine pääsee täysimääräisenä kohdistumaan siihen kiihdytettävään objektiin, tällöin vain virtaus hidastuu kun paine-ero pienenee. Toivottavasti nyt ymmärsit, mitä ajoin takaa.

Ok, helppo nyökytellä perässä, että kuulostaa järkevältä. Mutta mielestäni nyt teet David liian vaikeaksi tämän homman, kun otat mukaan tuon puoliksi suljetun systeemin.

Entäpä selitys tuolle vene-esimerkille kansantajuiseen tyyliin?

Vierailija

Katselin tässä rapakon takaa uutta Mythbusters jaksoa, jossa testattiin miten vene käyttäytyy kun siihen lastataan kyytiin kaksi suurta paineilmasäiliötä.

Testissä pullot avattiin rakettimoottoreiksi siten, että ensin ne purkautuivat vapaaseen ilmaan ja sen jälkeen suuttimet siirrettiin veden alle.

Selvä voittaja kiihtyvyyden ja huippunopeuden kannalta oli silloin kun pullot purkautuivat suoraan ilmaan.

David
Seuraa 
Viestejä8875
Liittynyt25.8.2005
ocu

Ok, helppo nyökytellä perässä, että kuulostaa järkevältä. Mutta mielestäni nyt teet David liian vaikeaksi tämän homman, kun otat mukaan tuon puoliksi suljetun systeemin.



Ehkäpä, tulipahan samalla kehiteltyä raketille uuden tyyppinen lähtöalusta, joka antaa paremman tehon lähtökiihdytyksessä

ocu

Entäpä selitys tuolle vene-esimerkille kansantajuiseen tyyliin?

Niin, sehän nyt ei varsinaisesti toimi rakettiperiaatteella, siinä vain siirretään turpiinipyörillä vettä järjestelmän läpi, jolloin veneen liikemäärä lähestyy sen läpi virtaavan veden liikemäärää vastusten ja hyötysuhteen puitteissa.

Veden vastus siis kohdistuu siihen turpiiniin ja sitä kautta veneeseen. Sen veden lepotilahan ei ole veneessä vaan järvessä. Joten kyse ei ole ihan samasta asiasta kuin raketissa. Raketissa se ajoaine on alunperin levossa suhteessa alukseen, kun veneen kohdalla "ajoaineen" nopeus veneen suhteen kasvaa veneen nopeuden kasvaessa.

Turpiini alkaa siis teoreettisesti otaen "potkimaan tyhjää" siinä vaiheessa kun veden nopeus aluksen suhteen olisi sama kuin turpiinin max. työntönopeus. Sitä ennen tietysti tapahtuu veden vastuksen ansioista monia muita ongelmia, joten teoreettista nopeutta ei saavuteta.

Sillä ei pitäisi olla juurikaan käytännön merkitystä mihin se vesi sen turpiinin jälkeen sitten johdetaan.

Tietysti, jos sillä turpiinilla kehitetään paine johonkin kammioon, josta se suuttimien kautta tykitetään ulos niin saavutettaisiinko sillä jotain etua. Jos se vesi imetäisiinkin etenemissuuntaan poikittaisessa tasossa, niin saattaa olla että veden vastus imuaukkojen kohdalla jäisi pienemmäksi ja saavutettaisin sitä kautta parempi hyötysuhde.

Voi, voi vaikeaksi menee..., kysykää helpompia.

EDIT: Niin tuohon skenaarioon vielä sen verran, että tällöin se painesuihkun virtausnopeus pitäisi saada mahdollisimman suureksi, eli ilmaan se suihku tällöin tulee suunata aktiovaikutuksen maksimoimiseksi.
Alkaa vaan tilettää ...

Vierailija

Tästä on kyllä ennenkin ollut juttua, mutta lyhyet kommentit.

Sillä on olennainen merkitys, mihin suihku veneessä/laivassa johdetaan. Eiköhön näitä ole Eestiinkin menevissä nopeissa laivoissa, ainakin Göteborg-Fredrikshavn -reitillä. Suihku johdetaan nimenomaan pinnalle, ei veden alle. Katsokaa, jos satutte käymään.

Rakettia voi ajatella helpommin niin, että siinä on sekä etu- että takaseinä, takaseinässä on aukko. Etuseinässä kaasu on (periaatteessa) liikkumatonta, takaseinän kohdalla taas voimakkaassa kiihtyvässä liikkeessä, koska se syöksyy suuttimen aukkoon. Bernouillin mukaan tällöin takaseinään kohdistuu pienmpi paine. Työntövoima siis muodostruu etu- ja takaseinän välisestä paine-erosta eikä työnnöstä ulkoista ainetta vasten. Mitä helpommin kaasu pääsee ulos, sitä suurempi on kaasun kiihtyvyys ja paine-ero.

Kosh
Seuraa 
Viestejä21228
Liittynyt16.3.2005

Selityksiä on nyt tullut monelta eri kantilta, tuskin mikään toista oikeampia. Itse haluauisin lisätä vielä yhden hauskan tarkastelunäkökohdan.

Ajattele raketin kohtaamaa ilmanvastusta ja poistokaasun kohtaamaa ilmanvastusta. Ne molemmat riippuvat väliaineelle tyypillisetsä vastuskertoimesta. VOidana yksinkertaistaa molemmat ilmanvastukset samanlaiseksi voimakomponentiksi periaatetasolla mutkatta. Nyt ne voidaan periaatteessa korvata jolalkin muulla voimalla, kutne vaikkapa jättiläisen etusormi-peukalo-otteella, joka on kohdistettu raketin keulaan ja poistokaasuejn purkautumisaukon kohdalle. Kuta vahvempi jättiläinen, sen suurempi on oltava raketin työntövoima eli siis se voima-vastavoima -pari joka pyrkii rakettia palokaasuistaan loitontamaan. Jos jättiläinen ottaisi vain toisen sormen käyttöön, laittaen sen raketin taakse "lähtöalustaksi" josta ponnistaa, se toisikin lisäapua ehkä vähän raketille eri efektien muodossa. Mutta kun väliaine on kyseessä, se toinen sormi raketin etupuolellakin on aina vääjäämättä läsnä.

Se oli kivaa niin kauan kuin sitä kesti.

Vierailija
Kosh
Selityksiä on nyt tullut monelta eri kantilta, tuskin mikään toista oikeampia. Itse haluauisin lisätä vielä yhden hauskan tarkastelunäkökohdan.

Ajattele raketin kohtaamaa ilmanvastusta ja poistokaasun kohtaamaa ilmanvastusta. Ne molemmat riippuvat väliaineelle tyypillisetsä vastuskertoimesta. VOidana yksinkertaistaa molemmat ilmanvastukset samanlaiseksi voimakomponentiksi periaatetasolla mutkatta. Nyt ne voidaan periaatteessa korvata jolalkin muulla voimalla, kutne vaikkapa jättiläisen etusormi-peukalo-otteella, joka on kohdistettu raketin keulaan ja poistokaasuejn purkautumisaukon kohdalle. Kuta vahvempi jättiläinen, sen suurempi on oltava raketin työntövoima eli siis se voima-vastavoima -pari joka pyrkii rakettia palokaasuistaan loitontamaan. Jos jättiläinen ottaisi vain toisen sormen käyttöön, laittaen sen raketin taakse "lähtöalustaksi" josta ponnistaa, se toisikin lisäapua ehkä vähän raketille eri efektien muodossa. Mutta kun väliaine on kyseessä, se toinen sormi raketin etupuolellakin on aina vääjäämättä läsnä.

No niin. Otetaampa nyt sitten kuitenkin sellainen putkilo ja pistetään meidän raketti siihen sisälle (David ja Kosh johdattelivat nyt tähän ) Putki on äärettömän pitkä ja sisällä on vaikka ilmaa. Toinen puoli eli se minne raketti sinkoutuu on tyhjä. Mitenkäs silloin? Ilmanpaine saa raketin jo lentämään yksistään kun toinen puoli on tyhjiö, eikö. Entäs kun käynnistetään "moottori" ja suihkutetaan ainetta raketin perästä, niin onko raketin saama liike määrä seuraava: paineen synnyttämä voima muuttaa raketin liikemäärää määrän F*vaikutusaika ja liikemäärän säilymisen mukaan perästä työnnetyn aineen liikemäärä on yhtäsuuri kuin raketin toiseen suuntaan saama liikemäärä ja mitään muita vaikutuksia ei tuolla takana olevalla ilmalla ole? (Menipä aika levottomaksi )

Vielä vene-esimerkistä. Veneessä on vettä tankissa ja suihkutetaan sitä pois (eli nyt on oikea rakettiperiaate). Onko sama suihkutetaanko se ilmaan tai veteen? Olenko nyt oikeassa kun sanon, että se pitää suihkuttaa ilmaan? Silloin tietyllä voimalla saadaan suihkutettavan veden nopeus muuttumaan enemmän (ei niin suurta väliaineen vastusta) ja siten myös suihkutettavan veden liikemäärä on suurempi. Tästä seuraa vääjäämättä se, että veneenkin saama liikemäärä on suurempi. Jos ajatus on oikea, niin tämän tajuan selkeästi. Tajuntani on varsin rajallinen

Vierailija

No katselin tässä juuri sen mythbustersin jakson uusiksi ja siinä testasivat tuota vedeteen vs. ilmaan konseptia.

Kun säiliöt suihkuttivat "ajoaineen" ilmaan, vene eteni 120 jalkaa 5 solmun nopeudella ja kun putkien päät upotettiin veden alle, päästiin vain noin puolet matkasta.

Rakettina veneessä oli kaksi kappaletta miehen kokoista ilmatankkia, jotka oli pumpattu paineeseen.

Vierailija
Kosh

Ajattele raketin kohtaamaa ilmanvastusta ja poistokaasun kohtaamaa ilmanvastusta. Ne molemmat riippuvat väliaineelle tyypillisetsä vastuskertoimesta. VOidana yksinkertaistaa molemmat ilmanvastukset samanlaiseksi voimakomponentiksi periaatetasolla mutkatta. Nyt ne voidaan periaatteessa korvata jolalkin muulla voimalla, kutne vaikkapa jättiläisen etusormi-peukalo-otteella, joka on kohdistettu raketin keulaan ja poistokaasuejn purkautumisaukon kohdalle. Kuta vahvempi jättiläinen, sen suurempi on oltava raketin työntövoima eli siis se voima-vastavoima -pari joka pyrkii rakettia palokaasuistaan loitontamaan. Jos jättiläinen ottaisi vain toisen sormen käyttöön, laittaen sen raketin taakse "lähtöalustaksi" josta ponnistaa, se toisikin lisäapua ehkä vähän raketille eri efektien muodossa. Mutta kun väliaine on kyseessä, se toinen sormi raketin etupuolellakin on aina vääjäämättä läsnä.

"Lähtöalustasta" raketti ei ponnista ja siitä olisi vain haittaa. Rakettien lähtöalustoissa on kuoppa alla, että kaasut pääsisivät mahdollisimman helposti ulos.

PS. Edellisessä kommentissani en ottanut raketin suuttimen muotoa huomioon, mutta perusasia on sama.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat