Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:43 • sest 21:13 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 13:37 • Sest 06:11 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 02:59 • Síðdegis: 15:47 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 09:39 • Síðdegis: 21:50 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hvernig geta eldflaugar farið um geiminn þar sem ekkert loft er?

Þorsteinn Vilhjálmsson og Stefán Ingi Valdimarsson

Hreyfing eldflauga er í eðli sínu allt önnur en flugvéla eða annarra farartækja. Eldflaugin breytir ferð sinni og stefnu með því að senda frá sér efni ("eldsneyti") með miklum hraða. Þetta efni verkar til baka á eldflaugina með krafti sem er gagnstæður hreyfingarstefnu þess. Hraðabreyting eða hröðun eldflaugarinnar ræðst af massa hennar, útblásturshraðanum og af því hversu ört hreyfillinn sendir eldsneytið frá sér. Af þessu leiðir að eldflaugar geta hreyfst og breytt hraða sínum hvort sem loft er í kringum þær eins og á gamlárskvöldum á Íslandi eða þar sem lofttæmi er eins og úti í geimnum.

Greinilegt er að margir gestir Vísindavefsins velta því fyrir sér hvernig eldflaugar hreyfast og stýra sér úti í geimnum. Til marks um það eru eftirfarandi spurningar sem svarað er með textanum hér á eftir:
  • Hvernig ferðast geimflaugar ef það er ekkert mótstöðuafl? Spyrjandi Jón Ásgeir, f. 1983
  • Hvernig athafna geimflaugar sig útí geimnum þar sem hvorki gætir aðdráttarafls pláneta né nokkurar mótstöðu? Garðar Hauksson
  • Af hverju er hægt að nota eldflaugamótora úti í geimnum, þar sem er lofttæmi? Þurfa þeir ekkert efni sem mótstöðu við útblásturinn? Andri Ólafsson, f. 1985
  • Hvernig getur geimflaug flogið/farið áfram í geimnum þar sem ekkert loft er? Stefán Jansson
Það er rétt hjá þessum spyrjendum að grundvöllurinn fyrir hreyfingu og stýringu eldflauga í lofttæmi er ekki dagljós; hann er annar en hjá öðrum farartækjum eins og bílum, skipum eða flugvélum. Til að skilja muninn er ekki úr vegi að rifja upp í stuttu máli hvernig þessi farartæki hreyfast hvert um sig.

Þyngdarkraftur frá jörð verkar á bílinn niður á við þar sem hann stendur á veginum. Bíllinn hreyfist samt sem áður ekki í lóðrétta stefnu vegna þess að á móti þyngdarkraftinum verka kraftar upp á við á hjólin og þeir eru samanlagt jafnstórir og þyngdin. Þegar hjólin leitast við að snúast áfram verka þau á jörðina í stefnu afturábak miðað við bílinn. En svokallað þriðja lögmál Newtons segir að átaki fylgi alltaf gagntak: Ef einn hlutur verkar á annan með tilteknum krafti verkar seinni hluturinn á þann fyrri með jafnstórum en gagnstæðum krafti. Jörðin verkar því á hjól bílsins með gagntakskrafti áfram og þess vegna fer hann af stað eða eykur hraða sinn.

Ef við skoðum nú skip á lygnu vatni þá hefur það ekki heldur lóðrétta hreyfingu vegna þess að þyngdarkraftur og uppdrifskraftur (flotkraftur) vega hvor annan upp. Skrúfa skipsins verkar hins vegar á vatnið með láréttum krafti aftur á bak, vatnið verkar í staðinn á skrúfuna áfram og skipið fer að hreyfast. Vert er að taka eftir því að vatnið fer að hreyfast við þetta, en það gerir vegurinn ekki þegar bíllinn fer af stað. Kannski mætti ætla að vatnið "léti undan" svo mjög að enginn kraftur kæmi á skipið en svo er ekki. Vatnið er í aðalatriðum kyrrstætt þegar skrúfa skipsins kemur að því, hún setur það á hreyfingu afturábak og sú hreyfing speglast í hreyfingu skipsins áfram.

Einnig er vert að gefa gaum að því að hreyfing skipsins miðast öll við vatnið. Ef vatnið er á hreyfingu bætist hraði þess við hraða skipsins miðað við vatnið. Þá getur raunar þurft að taka bæði stærð og stefnu hraðanna til greina en stærðfræðingar hafa séð okkur fyrir tækjum til þess með svokölluðum vigurreikningi. Að lokum er vert að taka eftir því hvernig við stýrum skipi með venjulegu stýri eða stýrisskrúfum, það er að segja með því að beita kröftum á vatnið þvert á stefnu skipsins, og vatnið skilar svo gagntakskröftum til baka á skipið til að breyta stefnu þess.

Lárétt hreyfing flugvélar miðað við loft er í eðli sínu hliðstæð hreyfingu skipsins. Hreyflar flugvélarinnar spyrna loftinu afturábak og það verkar því á hana með krafti áfram. Þetta gildir hvort sem um er að ræða þotu eða flugvél með venjulegum hreyfilspöðum. Lárétt hreyfing flugvélarinnar á síðan sinn þátt í að skapa uppdrifskraft sem heldur henni uppi. Það er þó ekki meginatriði hér, heldur hitt að við getum stýrt flugvélinni með ýmsum hætti, svipað og áður var lýst um skipið, en allt slíkt gerist með víxlverkun milli flugvélarinnar og loftsins í kring. Hreyfing flugvélarinnar er einnig alfarið miðuð við loftið á sama hátt og hreyfing skipsins miðast við vatnið.

Af þessu má læra ýmislegt um hreyfingu eldflauga í lofttæmi. Kringum eldflaugina er ekkert efni sem hún getur "spyrnt í" til að skapa sér hreyfingu áfram eða stýra hreyfingu sinni að öðru leyti. En menn hafa þá önnur ráð sem felast í því að eldflaugin spyrnir eða blæs frá sér efni sem okkur er tamt að kalla "eldsneyti" þó að ekki sé víst að neinn eldur komi þar við sögu. Hröðun eldflaugarinnar, það er að segja hraðabreyting hennar á tímaeiningu, er þá í réttu hlutfalli við útblásturshraða eldsneytisins og þann massa sem hún sendir frá sér á tímaeiningu, en í öfugu hlutfalli við massa eldflaugarinnar eins og hann er á hverjum tíma. Sumir munu vafalaust skilja þetta betur af jöfnu sem sýnd verður í lok svarsins.

Með því að hröðunin er í öfugu hlutfalli við massann er betra að eldflaugin sé sem léttust. Það er ástæðan fyrir því að geimflaugar eru oft í þrepum sem kallað er, það er að segja að hverjum eldsneytisgeymi er sleppt frá flauginni þegar hann er orðinn tómur.

Þegar eldflaugin spyrnir efni beint aftur úr sér eykur hún hraða sinn beint áfram. En menn geta líka látið hana spyrna efninu til hliðar þannig að hún beygi hæfilega. Einnig er hægt að festa við aðalflaugina sérstakar litlar stýriflaugar sem hafa það hlutverk eitt að stýra flauginni sem heild. Þær gegna þá svipuðu hlutverki og svokallaðar bógskrúfur á skipum. Slíkar flaugar eru raunar notaðar við ýmiss konar geimför sem við mundum þó ekki kalla eldflaugar. Þar á meðal geta geimfarar notað þær til að stýra sér þegar þeir fara til dæmis út fyrir geimfar til viðgerða eða athugana, en þá eru þær stundum kallaðar "byssur" vegna þess að þær líkjast þeim. Þegar geimfari "hleypir af" slíkri byssu í tiltekna átt hreyfist hann sjálfur í gagnstæða átt. Þetta bakslag er sama eðlis og það sem skotveiðimaður finnur þegar hann hleypir af venjulegri byssu.

Að lokum má geta þess að hreyfing eldflauganna er ekki flóknari en sú staða sem kemur upp ef við erum til dæmis í léttum vagni á láréttum fleti með litlum núningi. Við getum þá komið vagninum á hreyfingu með því að henda lóðum aftur úr honum. Því þyngri sem lóðin eru miðað við okkur og því hraðar sem við getum kastað þeim, því meiri verður hraði vagnsins.

Jafnan sem gildir um hröðun eldflaugar í einfaldri hreyfingu beint áfram er:

M dv/dt = - vút dM/dt

þar sem M er massi eldflaugarinnar á hverjum tíma, dv/dt er hröðunin, vút er hraði útblástursins miðað við flaugina og dM/dt er breytingin á massa flaugarinnar á tímaeiningu, en hún er mínustala jafnstór massanum sem spyrnt er út á tímaeiningu. Vegna þess að dM/dt er mínustala er útkoman úr hægri hlið jöfnunnar plústala.

Mynd: Air Force Link

Höfundar

Þorsteinn Vilhjálmsson

Þorsteinn Vilhjálmsson

prófessor emeritus, ritstjóri Vísindavefsins 2000-2010 og ritstjóri Evrópuvefsins 2011

Stefán Ingi Valdimarsson

sérfræðingur á Stærðfræðistofu Raunvísindastofnunar Háskóla Íslands

Útgáfudagur

28.7.2000

Spyrjandi

Stefán Jansson og fleiri

Efnisorð

Tilvísun

Þorsteinn Vilhjálmsson og Stefán Ingi Valdimarsson. „Hvernig geta eldflaugar farið um geiminn þar sem ekkert loft er?“ Vísindavefurinn, 28. júlí 2000. Sótt 18. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=698.

Þorsteinn Vilhjálmsson og Stefán Ingi Valdimarsson. (2000, 28. júlí). Hvernig geta eldflaugar farið um geiminn þar sem ekkert loft er? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=698

Þorsteinn Vilhjálmsson og Stefán Ingi Valdimarsson. „Hvernig geta eldflaugar farið um geiminn þar sem ekkert loft er?“ Vísindavefurinn. 28. júl. 2000. Vefsíða. 18. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=698>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvernig geta eldflaugar farið um geiminn þar sem ekkert loft er?
Hreyfing eldflauga er í eðli sínu allt önnur en flugvéla eða annarra farartækja. Eldflaugin breytir ferð sinni og stefnu með því að senda frá sér efni ("eldsneyti") með miklum hraða. Þetta efni verkar til baka á eldflaugina með krafti sem er gagnstæður hreyfingarstefnu þess. Hraðabreyting eða hröðun eldflaugarinnar ræðst af massa hennar, útblásturshraðanum og af því hversu ört hreyfillinn sendir eldsneytið frá sér. Af þessu leiðir að eldflaugar geta hreyfst og breytt hraða sínum hvort sem loft er í kringum þær eins og á gamlárskvöldum á Íslandi eða þar sem lofttæmi er eins og úti í geimnum.

Greinilegt er að margir gestir Vísindavefsins velta því fyrir sér hvernig eldflaugar hreyfast og stýra sér úti í geimnum. Til marks um það eru eftirfarandi spurningar sem svarað er með textanum hér á eftir:
  • Hvernig ferðast geimflaugar ef það er ekkert mótstöðuafl? Spyrjandi Jón Ásgeir, f. 1983
  • Hvernig athafna geimflaugar sig útí geimnum þar sem hvorki gætir aðdráttarafls pláneta né nokkurar mótstöðu? Garðar Hauksson
  • Af hverju er hægt að nota eldflaugamótora úti í geimnum, þar sem er lofttæmi? Þurfa þeir ekkert efni sem mótstöðu við útblásturinn? Andri Ólafsson, f. 1985
  • Hvernig getur geimflaug flogið/farið áfram í geimnum þar sem ekkert loft er? Stefán Jansson
Það er rétt hjá þessum spyrjendum að grundvöllurinn fyrir hreyfingu og stýringu eldflauga í lofttæmi er ekki dagljós; hann er annar en hjá öðrum farartækjum eins og bílum, skipum eða flugvélum. Til að skilja muninn er ekki úr vegi að rifja upp í stuttu máli hvernig þessi farartæki hreyfast hvert um sig.

Þyngdarkraftur frá jörð verkar á bílinn niður á við þar sem hann stendur á veginum. Bíllinn hreyfist samt sem áður ekki í lóðrétta stefnu vegna þess að á móti þyngdarkraftinum verka kraftar upp á við á hjólin og þeir eru samanlagt jafnstórir og þyngdin. Þegar hjólin leitast við að snúast áfram verka þau á jörðina í stefnu afturábak miðað við bílinn. En svokallað þriðja lögmál Newtons segir að átaki fylgi alltaf gagntak: Ef einn hlutur verkar á annan með tilteknum krafti verkar seinni hluturinn á þann fyrri með jafnstórum en gagnstæðum krafti. Jörðin verkar því á hjól bílsins með gagntakskrafti áfram og þess vegna fer hann af stað eða eykur hraða sinn.

Ef við skoðum nú skip á lygnu vatni þá hefur það ekki heldur lóðrétta hreyfingu vegna þess að þyngdarkraftur og uppdrifskraftur (flotkraftur) vega hvor annan upp. Skrúfa skipsins verkar hins vegar á vatnið með láréttum krafti aftur á bak, vatnið verkar í staðinn á skrúfuna áfram og skipið fer að hreyfast. Vert er að taka eftir því að vatnið fer að hreyfast við þetta, en það gerir vegurinn ekki þegar bíllinn fer af stað. Kannski mætti ætla að vatnið "léti undan" svo mjög að enginn kraftur kæmi á skipið en svo er ekki. Vatnið er í aðalatriðum kyrrstætt þegar skrúfa skipsins kemur að því, hún setur það á hreyfingu afturábak og sú hreyfing speglast í hreyfingu skipsins áfram.

Einnig er vert að gefa gaum að því að hreyfing skipsins miðast öll við vatnið. Ef vatnið er á hreyfingu bætist hraði þess við hraða skipsins miðað við vatnið. Þá getur raunar þurft að taka bæði stærð og stefnu hraðanna til greina en stærðfræðingar hafa séð okkur fyrir tækjum til þess með svokölluðum vigurreikningi. Að lokum er vert að taka eftir því hvernig við stýrum skipi með venjulegu stýri eða stýrisskrúfum, það er að segja með því að beita kröftum á vatnið þvert á stefnu skipsins, og vatnið skilar svo gagntakskröftum til baka á skipið til að breyta stefnu þess.

Lárétt hreyfing flugvélar miðað við loft er í eðli sínu hliðstæð hreyfingu skipsins. Hreyflar flugvélarinnar spyrna loftinu afturábak og það verkar því á hana með krafti áfram. Þetta gildir hvort sem um er að ræða þotu eða flugvél með venjulegum hreyfilspöðum. Lárétt hreyfing flugvélarinnar á síðan sinn þátt í að skapa uppdrifskraft sem heldur henni uppi. Það er þó ekki meginatriði hér, heldur hitt að við getum stýrt flugvélinni með ýmsum hætti, svipað og áður var lýst um skipið, en allt slíkt gerist með víxlverkun milli flugvélarinnar og loftsins í kring. Hreyfing flugvélarinnar er einnig alfarið miðuð við loftið á sama hátt og hreyfing skipsins miðast við vatnið.

Af þessu má læra ýmislegt um hreyfingu eldflauga í lofttæmi. Kringum eldflaugina er ekkert efni sem hún getur "spyrnt í" til að skapa sér hreyfingu áfram eða stýra hreyfingu sinni að öðru leyti. En menn hafa þá önnur ráð sem felast í því að eldflaugin spyrnir eða blæs frá sér efni sem okkur er tamt að kalla "eldsneyti" þó að ekki sé víst að neinn eldur komi þar við sögu. Hröðun eldflaugarinnar, það er að segja hraðabreyting hennar á tímaeiningu, er þá í réttu hlutfalli við útblásturshraða eldsneytisins og þann massa sem hún sendir frá sér á tímaeiningu, en í öfugu hlutfalli við massa eldflaugarinnar eins og hann er á hverjum tíma. Sumir munu vafalaust skilja þetta betur af jöfnu sem sýnd verður í lok svarsins.

Með því að hröðunin er í öfugu hlutfalli við massann er betra að eldflaugin sé sem léttust. Það er ástæðan fyrir því að geimflaugar eru oft í þrepum sem kallað er, það er að segja að hverjum eldsneytisgeymi er sleppt frá flauginni þegar hann er orðinn tómur.

Þegar eldflaugin spyrnir efni beint aftur úr sér eykur hún hraða sinn beint áfram. En menn geta líka látið hana spyrna efninu til hliðar þannig að hún beygi hæfilega. Einnig er hægt að festa við aðalflaugina sérstakar litlar stýriflaugar sem hafa það hlutverk eitt að stýra flauginni sem heild. Þær gegna þá svipuðu hlutverki og svokallaðar bógskrúfur á skipum. Slíkar flaugar eru raunar notaðar við ýmiss konar geimför sem við mundum þó ekki kalla eldflaugar. Þar á meðal geta geimfarar notað þær til að stýra sér þegar þeir fara til dæmis út fyrir geimfar til viðgerða eða athugana, en þá eru þær stundum kallaðar "byssur" vegna þess að þær líkjast þeim. Þegar geimfari "hleypir af" slíkri byssu í tiltekna átt hreyfist hann sjálfur í gagnstæða átt. Þetta bakslag er sama eðlis og það sem skotveiðimaður finnur þegar hann hleypir af venjulegri byssu.

Að lokum má geta þess að hreyfing eldflauganna er ekki flóknari en sú staða sem kemur upp ef við erum til dæmis í léttum vagni á láréttum fleti með litlum núningi. Við getum þá komið vagninum á hreyfingu með því að henda lóðum aftur úr honum. Því þyngri sem lóðin eru miðað við okkur og því hraðar sem við getum kastað þeim, því meiri verður hraði vagnsins.

Jafnan sem gildir um hröðun eldflaugar í einfaldri hreyfingu beint áfram er:

M dv/dt = - vút dM/dt

þar sem M er massi eldflaugarinnar á hverjum tíma, dv/dt er hröðunin, vút er hraði útblástursins miðað við flaugina og dM/dt er breytingin á massa flaugarinnar á tímaeiningu, en hún er mínustala jafnstór massanum sem spyrnt er út á tímaeiningu. Vegna þess að dM/dt er mínustala er útkoman úr hægri hlið jöfnunnar plústala.

Mynd: Air Force Link...