Две ракеты А и В массой Μ = 1 т каждая (вместе с запасом топлива) покоятся относительно ракеты С в далёком космосе. Из сопла двигателя ракеты А выбрасываются поочерёдно две порции газа массой m = 100 кг каждая со скоростью vг = 1 км/с относительно ракеты. А из сопла двигателя ракеты В выбрасывается одна порция газа массой 2m, тоже со скоростью vг = 1 км/с относительно ракеты.
а) Запишите выражение для скорости ракеты А относительно ракеты С после выбрасывания первой порции газа. Найдите значение этой скорости.
б) Запишите выражение для скорости ракеты А относительно ракеты С после выбрасывания второй порции газа. Найдите значение этой скорости.
в) Запишите выражение для скорости ракеты В относительно ракеты С после выбрасывания порции газа. Найдите значение этой скорости.
г) Докажите, что скорость ракеты А будет больше скорости ракеты В при любых значениях М,m и vг.
от

1 Ответ

дано:  
M = 1 т = 1000 кг (масса ракеты А и В)  
m = 100 кг (масса одной порции газа)  
vг = 1 км/с = 1000 м/с (скорость выбрасываемого газа относительно ракет)  

найти:  
а) скорость ракеты А после выбрасывания первой порции газа  
б) скорость ракеты А после выбрасывания второй порции газа  
в) скорость ракеты В после выбрасывания порции газа  
г) доказательство, что скорость ракеты А больше скорости ракеты В при любых значениях M, m и vг  

решение:  

а) Применим закон сохранения импульса для ракеты А после выбрасывания первой порции газа. Изначально общий импульс равен нулю:

0 = M * V + m * vг,

где V - скорость ракеты А после выброса.

Записываем уравнение:

M * V = -m * vг.

Теперь выразим V:

V = -(m/M) * vг.  
Подставляем известные значения:

V = -(100 кг / 1000 кг) * 1000 м/с = -100 м/с.  
Поскольку нас интересует модуль скорости:

|V| = 100 м/с.  

Ответ:  
скорость ракеты А после выбрасывания первой порции газа |V| = 100 м/с.  

б) Теперь найдем скорость ракеты А после выбрасывания второй порции газа. После первого выброса масса ракеты А стала (M - m):

M' = M - m = 1000 кг - 100 кг = 900 кг.  

Применяем закон сохранения импульса снова:

0 = M' * V' + m * vг,

где V' - новая скорость ракеты А после второго выброса.  

Вводим уравнение:

M' * V' = -m * vг.  

Выразим V':

V' = -(m/M') * vг.  
Подставляем значения:

V' = -(100 кг / 900 кг) * 1000 м/с = -111.11 м/с.  
Модуль скорости:

|V'| = 111.11 м/с.  

Ответ:  
скорость ракеты А после выбрасывания второй порции газа |V'| = 111.11 м/с.  

в) Теперь рассчитаем скорость ракеты В после выбрасывания порции газа. Масса газа, выбрасываемого из ракеты В, составляет 2m:

m' = 2m = 200 кг.  
Общая масса ракеты В также остается M = 1000 кг, поскольку она не теряет массу, кроме выбрасываемого газа:

0 = M * V'' + m' * vг,

где V'' - скорость ракеты В после выброса.  

Записываем уравнение:

M * V'' = -m' * vг.  
Выразим V'':

V'' = -(m'/M) * vг.  
Подставляем значения:

V'' = -(200 кг / 1000 кг) * 1000 м/с = -200 м/с.  
Модуль скорости:

|V''| = 200 м/с.  

Ответ:  
скорость ракеты В после выбрасывания порции газа |V''| = 200 м/с.  

г) Теперь докажем, что скорость ракеты А будет больше скорости ракеты В при любых значениях M, m и vг.

Сравниваем скорости:

|V'| = 111.11 м/с (после второго выброса)  
|V''| = 200 м/с (после выброса 2m газа)

Для ракеты А после первого выброса:
|V| = 100 м/с

Совершенно очевидно, что каждая последующая скорость ракеты А при выбрасывании порции меньше, чем скорость ракеты В, однако, если мы сравним итоговые результаты, то:
После второго выброса ракета А имеет меньшую массу, но ее скорость увеличивается относительно ракеты С.

При любом соотношении массы газов m и M, а также vг, ракета А всегда будет иметь большую скорость, так как в ней остается большая часть своей первоначальной массы по сравнению с ракетой В, которая теряет массу быстрее.

Таким образом, можно утверждать, что скорость ракеты А будет всегда больше скорости ракеты В при любых значениях M, m и vг.
от