Подобные явления можно часто наблюдать в жизни. Достаточно, например, взять воздушный шарик и разрезать нитку, затягивающую отверстие, через которое шарик надули. Воздух или газ, наполняющий шарик, будет выходить через отверстие, а сам шарик станет, вероятнее всего, беспорядочно метаться по комнате. Приглядевшись, вы увидите, что как бы ни двигался шарик, он всегда летит в сторону, противоположную открытому отверстию.
В качестве топлива для простейшей ракеты совсем не обязательно пользоваться таким опасным веществом, как порох. Для получения тяги нужен не сам порох, а те газы, которые образуются в результате его горения. Именно они создают давление. В случае с шариком роль таких газов выполнял сжатый воздух. Для построения ракеты или, точнее, ракетного движителя необходимы, по крайней мере, три компонента. Во-первых, сосуд, закрытый со всех сторон, кроме одной. Во-вторых, вещество, наполняющее этот сосуд. Такое вещество называют рабочим телом ракетного движителя, и это совсем не обязательно газ — можно налить в бутылку какой-нибудь горючей жидкости. Наконец, в-третьих, нужен источник энергии, который создавал бы давление в рабочем веществе и заставлял бы его вырываться через отверстие в сосуде и давить на противоположную сторону сосуда, создавая силу тяги.
Принцип ракетного движителя известен человечеству уже более 2 тыс. лет. Еще во II веке до нашей эры Герон Александрийский изобрел свою паровую машину — эолипил. Под котлом с водой раскладывали костер. Обраезующийся пар поступал в полый шар, укрепленный на горизонтальной оси. Из шара пар вырывался через две изогнутые трубки. Под давлением, как мы теперь говорим, реактивной силы шар вращался в направлении, противоположном движению выходящего пара.
Неуравновешенные силы давления толкают дно бутылки, создавая силу тяги. Прекрасный случай убедиться, насколько зыбким является понятие силы. Во-первых, с самого начала исходят из того, что газ, находящийся в замкнутом сосуде, оказывает на все его стенки одинаковое давление. Собственно говоря, почему? Это утверждение (так называемый закон Паскаля) является обобщением огромного числа опытов, и только. Но если все же это не так?
Давайте рассуждать дальше. Если мы готовы принять на веру, что в бутылке, заткнутой пробкой, давление всюду одинаковое, то кто сказал, что давление на донышко должно оставаться неизменным после того, как выдернута пробка? Это совсем не очевидно. Неубедительность приведенного описания принципа действия ракеты служит поводом для всевозможных сомнений, в том числе и для изобретения безопорных движителей. До чего же все станет просто и ясно, если с самого начала четко представить себе, что на самом деле ракета никуда не движется.
Неподвижная ракета
Сочетание слов «неподвижная ракета» напоминает сочетание «холодный огонь» или «безмолвный водопад». Все же надо разобраться. Для этого отправимся подальше в открытый космос, прихватив с собой ракету. Открытый космос нужен для того, чтобы не было рядом никаких других тел или полей, могущих, как говорят, нарушить чистоту эксперимента.
Ракета в нашем опыте-просто бутылка, наполненная веществом, способным гореть без участия окружающего воздуха. Кроме ракеты, нужны спички. Предоставим ракете свободно и неподвижно висеть в пространстве, т. е сообщим ей состояние покоя. А затем подожжем порох.
Из горлышка ударила струя ослепительного пламени. А что происходит с ракетой? Движется она или нет? Весь вопрос в том, что понимать под словами «ракета» и «движется». Если под словом «ракета» понимать систему, состоящую из бутылки и наполняющего ее топлива, а под словом «движется» — движение центра масс, ответ совершенно очевиден: нет, не движется. Рассуждая с позиций первого закона Ньютона, можно сказать так. До того как подожгли порох, центр масс системы находился в состоянии покоя. Он будет сохранять это состояние и после того, как порох подожгли. Не было никакой другой силы взаимодействия, которая могла бы вывести центр масс из состояния покоя.
С позиций закона сохранения количества движения все то же самое будет звучать так. Сумма количеств движения системы бутылка — порох была равна нулю. Она и останется равной нулю после поджигания пороха, поскольку опять-таки отсутствует другое тело или другая система тел, которая могла бы приобрести какое-то количество движения и тем самым дать возможность системе бутылка — порох приобрести такое же, но противоположно направленное количество движения.
Итак, центр масс ракеты остался неподвижным. Попытаемся определить словом «движение» перемещение отдельных частей системы относительно центра масс. Такое перемещение действительно совершается. Не станем пока говорить о законах, которым оно подчиняется, а понаблюдаем, что происходит.
Бутылка движется в одном направлении, а струя выброшенных из ее горлышка газов — продуктов сгорания пороха — в противоположном. Законы, которым подчиняются эти движения, выводятся достаточно легко. Бутылка состоит из множества частиц, обладающих массой, — молекул, а выражаясь более наглядно, дробинок. Струю газа также можно представить себе состоящей из подобных частиц. Какому основному закону должно подчиняться движение всей системы? Бутылка может двигаться лишь таким образом, при котором сумма количеств движения составляющих ее частиц окажется равной сумме количеств движения частиц, составляющих газовую струю, но направленных в противоположную сторону. Чем легче частица, тем в общем случае больше ее скорость. А полная сумма количеств движения частиц остается постоянной.
Очевидное свойство ракеты, точнее системы, состоящей из бутылки и выхлопных газов, — это свойство изменять свои размеры, как бы растягиваться в пространстве. Если все сказанное раньше относительно центра масс справедливо для любого тела, состоящего из частиц, — твердого, жидкого или газообразного, то можно смело уподобить ракету палке, которая под воздействием внутренних сил увеличивает свою длину. Поместив такую палку в открытый космос на место ракеты, вы не увидите ничего нового. Палка начала удлиняться: ее центр масс остается на месте, а концы отодвигаются от него в разные стороны.