1.167. Ракеты и санки

Предположим, что у изначально неподвижной ракеты в космосе включились двигатели. Может ли она развить скорость, большую, чем та, с которой вылетает топливо? Зависит ли конечная скорость от того, сжигалось топливо быстро или медленно? Почему ракеты, запущенные с Земли, делаются многоступенчатыми? (Идея эта зародилась в Китае примерно в 1000 году нашей эры.) Есть ли оптимальное количество ступеней? Может ли ракета с одной ступенью иметь такие параметры, чтобы вывести на околоземную орбиту спутник или доставить человека на Луну? Насколько осуществима идея, описанная в романе Жюля Верна «Путешествие на Луну», когда корабль с людьми запускался, как ядро, из большой пушки, вкопанной в землю?

Вы оказались в маленьких санях, а вокруг вас ледяное и очень скользкое пространство, которое вам нужно пересечь. На кромке льда у берега разбросаны камни, и вы решаете погрузить в сани несколько, чтобы, кидая их в направлении берега, заставить сани двигаться в противоположном направлении. Но сани могут вместить только некую определенную общую массу камней. Чтобы они смогли двигаться с максимальной скоростью, лучше загрузить сани большим количеством маленьких камней или небольшим количеством больших? То есть большую или маленькую порцию массы камней вы должны кидать при каждом броске? Для простоты примем, что камни — и большие, и маленькие — бросаются с одинаковой скоростью относительно саней.

ОТВЕТ • Ракета может лететь быстрее, чем из нее вылетает топливо, при условии, что отношение ее исходной массы к конечной будет равно 2,72 (то есть равно числу е). Скорость, с которой топливо сжигается, не влияет на конечную скорость ракеты. Ракета с одной ступенью не может вывести груз с Земли на орбиту и тем более доставить его на Луну, поскольку при разумных технических ограничениях (скорость истечения продуктов сгорания топлива и доли топлива в общей массе) она не сможет развить даже первой космической скорости, необходимой для выхода на орбиту. Поэтому ракету делают с несколькими ступенями. Когда первая ступень израсходовала свое топливо, она сбрасывается, поскольку ее массу тащить дальше бессмысленно, и запускается двигатель следующей ступени. Из-за дороговизны каждой следующей ступени существует их оптимальное количество — четыре или пять.

Люди в космическом корабле, запущенном из пушки, погибнут: они просто не вынесут перегрузки из-за огромного ускорения, которое будет необходимо кораблю, чтобы преодолеть земное тяготение.

Конечная скорость саней будет больше, если выбрасывать маленькое количество больших камней, а не большое количество маленьких. Во втором случае при бросании каждого камня половинной массы скорость саней увеличивается, однако сумма этих двух увеличений оказывается меньшей, чем при бросании одного большого камня.