Nasze rakiety prawie kosmiczneLatanie to odwieczne marzenie człowieka. I nie łatwo ją spełnić. Nasze aspiracje rosną w miarę jedzenia. Wyżej, wyżej i jeszcze wyżej. Takie marzenie udziela się wszystkim. Nam też. Stąd tym razem zaczęliśmy od pomysłów na latanie. Bo na JM2012 zaprezentowaliśmy nasze modele rakiet na paliwo stałe. Warto więc sięgnąć nieco dalej w problem. Początek października to pięćdziesiątka ESO. Z tej okazji przygotowali niezłą „wyżerkę” intelektualną i na stronie organizacji mamy okazję poznać całą historie od powstania pomysłu do dnia dzisiejszego. Aby kompletne danie podać na stół w nasz program wchodzą galaktyki – gwiezdne miasta. Temat morze, ale może nie będzie tak źle i da się to jakoś ogarnąć.
Nasze kosmiczne wehikuły wróciły do Sali 061 włącznie z kosmodromem. Wymagały pewnych przeglądów, bo widzowie się nieco na nich wyżyli, chyba za swoje życiowe problemy. Ucierpiała szczególnie Pirania ale trochę kleju, taśmy naprawcze i jeszcze nie raz powinny wzbić się w powietrze. Pytanie tylko dlaczego to lata?
I to właśnie na nie szukaliśmy odpowiedzi. Nasuwała się na sam początek III zasada Newtona. Jest to niestety tylko opis jakościowy i determinuje jak powstaje odrzut który napędza rakietę. Ilościowo daje nam wiedzę o tym zasada zachowania pędu. Pamiętając, że pęd to iloczyn masy i prędkości ciała otrzymujemy wielkość wektorową.
Dzięki temu można elegancko opisać lot rakiety, a dokładnie działanie silnika rakietowego w oparciu o kilka prostych wzorów dając się ogarnąć już na poziomie mechaniki. Pamiętajmy bowiem, że kosmosie mamy do czynienia z klasycznym układem izolowanym – rakieta w pustej przestrzeni w makroskali.
Rozwijając odpowiednie wzory – tu nie mamy na to miejsca – uzyskamy również zależność zmiany pędu od czasu.
Reasumując dwie wielkości fizyczne opisujące ruch ciała materialnego (pęd masy i popęd siły) pozwalają na pozwalają na wyprowadzenie zasady zachowania pędu, co stanowi o podstawie działania silnika rakietowego.
Dzięki takiemu ujęciu jesteśmy w stanie wyjaśnić dlaczego czas działania silnika ma takie znaczenie, oraz skąd się bierze taka wydajność silników jonowych jaka jest prezentowana w projektach najnowszej generacji.
Warto też zwrócić uwagę, że przy starcie rakiety z ziemi potrzeba szybko osiągnąć dużą prędkość by rakieta nie spadła powrotem na ziemię. Cząstki spalin mają małą masę, by wywołać odpowiednią zmianę pędu rakiety spaliny muszą mieć dużą prędkość. Ale w przypadku silnika jonowego odrzut jest raczej minimalny. Energia wyrzucająca gaz z silnika pochodzi z zewnętrznego źródła (najczęściej z baterii słonecznych). Najpierw atomy ksenonu pozbawiane są ładunku ujemnego – zostają przekształcone w jony dodatnie. Następnie są rozpędzane pod wpływem pola elektrycznego lub magnetycznego osiągając prędkość nawet do 36 km/s. Duża prędkość wyrzucanego czynnika daje dużą siłę ciągu przypadającą na jednostkę masy wyrzucanej substancji. Jednak ze względu na małą moc układu zasilającego masa wyrzucanego czynnika nie jest duża, zmniejszając przez to siłę ciągu rakiety. Statek wyposażony w taki silnik porusza się z małym przyspieszeniem. Ta piękna idea pokazuje jak istotna jest wiedza fizyczna by można było skutecznie rozwiązywać problemy kosmiczne.
W silnikach rakietowych ważnym parametrem jest ciąg (oznaczany P) który jest siłą jaka powstaje w czasie pracy silnika w wyniku spalania paliwa. Siła ta musi być większa od ciężaru rakiety – łącznie z paliwem. Impuls całkowity I
c, popęd, jest właściwością która wskazuje jak szybko może dojść do określonej zmiany pędu.
Nasze silniki mają impulsy niewielkie. Najsilniejszy zastosowany w czasie pokazów ma 5Ns. Silnik wytwarzający mniejszy ciąg musi działać dłużej by osiągnąć ten sam impuls całkowity. Oczywiście wiele zależy od samego paliwa dla którego określa się impuls właściwy I
w.
P – ciąg
t – czas pracy silnika
Q – ciężar paliwa
Tym razem naszprycowaliśmy się nieco wzorami i zasadami fizycznymi ale taka wiedza jest potrzebna by polecieć w kosmos. Nawet w przypadku modeli rakietowych trzeba się zderzyć z tymi zagadnieniami. Dzięki temu można takie zagadnienia skutecznie zrealizować. I choć przez wiele lat znaliśmy teorie lotu rakiety (ojcem teorii rakiet jest słynny
Konstantin Ciołkowski) to brak technologii nie pozwalał na realizację tego marzenia. Osiągnięto to wielkim wysiłkiem, a przyczyniła się do tego – niestety – II wojna światowa.
efekt przesunięcia linii widmowych zależnie od kierunku ruchu źródłaCzy mniej skomplikowana jest druga część zajęć związana z galaktykami? Chyba nie. Ale ma w sobie niezwykle wiele ciekawych odkryć i wydarzeń, o których możemy powiedzieć, że były przełomowe. Wiele set lat minęło nim mgiełki widziane nawet nieuzbrojonym okiem udało się umiejscowić w odpowiedniej odległości. Ze skalą Wszechświata borykali się astronomowie przez wiele lat i borykają się do dzisiaj, choć zagadnienia z tym, związane są bardziej pod kontrolą niż przed laty.
Nim galaktyki okazały się miastami pełnymi gwiazd snuto na ich temat różne domysły. Ale gdy
Edwin Hubble wykazał jakie od nich dzielą nas odległości wydało się jasne, że oto otwiera się przed nami zupełnie nowy obszar wiedzy.
Henrietta Leavitt dostarczyła mu narzędzi w postaci Cefeid i zależności okres pulsacji – jasność absolutna, co pozwoliło mu mierzyć odległości do widzianych galaktyk. Kiedy to zestawił z odkrytym przesunięciem ku czerwieni ich widma zdał sobie sprawę że Wszechświat nie jest statyczny. Ale co tak naprawdę się rozszerza? Przestrzeń. Galaktyki poruszają się z określonymi prędkościami radialnymi, ale sama przestrzeń rozszerza się również. Stąd im dalej jest obiekt, galaktyka, tym szybciej się od nas oddala. Doświadczenie z balonem jest tu całkiem dobrym przybliżeniem pod warunkiem, że potrafimy wyobrazić sobie przestrzeń na płaszczyźnie powierzchni balonika.
Na koniec kilka wieści z Astrobazy. Projekt jest w końcowej fazie przygotowań. Kiedy już ruszą przetargi będziemy tylko czekać na realizację. Nasza niecierpliwość jest nie do zniesienia, bo chciałoby się już badać i badać. A ty przychodzi czekać i czekać. Niech przyjdzie wiosna to wszystko ruszy z miejsca. Ciepło o powrót przyrody do życia ma magiczną moc.
Jako zadanie domowe wszyscy maja poznać
historię ESO przedstawianą w ośmiu odcinakach dostępnych na stronie ESO. Tekst przetłumaczył
Pan Krzysztof Czart. Historia ta to ciąg niezwykłych wydarzeń. Dzisiaj możemy być z tego dumni, że znalazła się garstka ludzi, która podjęła się tak niezwykłego wyzwania. Doceniamy to bardziej, gdy sami zmierzamy się z nasza budową a czujemy ogromną satysfakcję z tego że podjęliśmy się tego gdy spoglądamy w kosmos ku odległym światom – może takim jak nasz, a może i zupełnie odmiennym. Warte to jest każdego wydanego centa (grosza).
Przeczytaj więcej: 
Czy mniej skomplikowana jest druga część zajęć związana z galaktykami? Chyba nie. Ale ma w sobie niezwykle wiele ciekawych odkryć i wydarzeń, o których możemy powiedzieć, że były przełomowe. Wiele set lat minęło nim mgiełki widziane nawet nieuzbrojonym okiem udało się umiejscowić w odpowiedniej odległości. Ze skalą Wszechświata borykali się astronomowie przez wiele lat i borykają się do dzisiaj, choć zagadnienia z tym, związane są bardziej pod kontrolą niż przed laty.
