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.
Что еще сказать? Если один из концов палки по каким-то причинам оказался тяжелее, он отодвинется на меньшее расстояние, а более легкий конец — на большее расстояние. Сама же палка, понимаемая как единое целое, будет оставаться неподвижной. Зафиксируем некоторый момент времени. К этому моменту легкий конец палки отодвинулся от центра масс несколько дальше, чем тяжелый конец. Но с начала опыта до момента наблюдения прошло определенное количество времени. За этот период легкий конец прошел большее расстояние, а тяжелый — меньшее. Значит, при «ракетном», реактивном, движении легкое тело или более легкие частицы движутся с большей скоростью.