Über Raketenantriebe

Leserzuschrift , Sonntag, 16.11.2014, 21:43 (vor 4064 Tagen) @ Ashitaka

Um die Aussagen eines Verständigen zu verstehen, braucht es ein Mindestmaß an Verstand und Vorkenntnissen.
Die Art und Weise der Fragestellungen (besonders in der zweiten Hälfte des Textes) lässt leider vermuten, dass es dem Anrufer mindestens an Letzteren mangelt...

Wohlan, einen Versuch soll es trotzdem wert sein.

CM: >> Damit werden "mehr Zangen in die eine Richtung geworfen" und der, der wirft, erleidet einen entgegengesetzten Rueckstoss.
> Der Anrufer würde wohl antworten: Nicht ein Körper der wirft, erleidet einen Rückstoß (Kraftstoß), sondern der Körper, auf den eine gleich große Kraft wirkt.

Während des Abstoßens wirken zwei gleich große Kräfte in entgegengesetzte Richtung: die eine auf den werfenden, die andere auf den geworfenen Körper.
Mit dem Loslassen enden Kraftwirkung und Beschleunigung; beide Körper bewegen sich mit dem bis dahin erreichten Impuls voneinander fort.

> Welche Kraft wirkt auf eine Körper/ ein Teilchen, das da frei in ein Vakuum expandiert / weicht?

Die des Schwerefeldes, in dem es sich bewegt.

CM: >> Dieser "der" ist die Brennkammer, aus der die Teilchen austreten.
> Der Anrufer würde wohl antworten: Die Teilchen entweichen, ohne dass eine Oxidation (Volumenausdehnung mittels Kraft) dafür notwendig wäre.

Stimmt.
Die Oxidation (Verbrennung) erlaubt allerdings, den gleichen Schub mit viel weniger Gas zu erreichen, denn im Idealfall ist die Temperatur proportional zur mittleren kinetischen Energie der Teilchen und damit proportional zum mittleren Quadrat ihrer Geschwindigkeiten. Doppelte absolute Temperatur ergibt vierfache Geschwindigkeit und damit vierfachen Impuls.

Beispiel: eine Gasflasche in den Weiten des Weltraums würde die Temperatur der Hintergrundstrahlung annehmen, also rund 3 Kelvin. Ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch dagegen erreicht eine Flammentemperatur von rund 3300 Kelvin, d.h., die sich dabei bildenden Wassermoleküle haben eine mehr als millionenfache Geschwindigkeit im Vergleich zu einem Gas, das ohne Verbrennung entweicht.

CM: >> Frage: wird der Astronaut in eine Gegenrichtung beschleunigt, wenn er eine Zange wegwirft? Ja oder nein?
> Der Anrufer würde behaupten: Nein. (Siehe unten)

Falsch. Siehe ganz oben...

CM: >> Wenn nein - wie bewegt sich ueberhaupt irgendjemand irgendwie von etwas
fort?
> Der Anrufer würde sicher behaupten: Indem Kraftstöße aufeinander wirken.

Beim Wegwerfen der Zange wirken Kraftstöße "aufeinander".

CM: >> Wenn ja - was ist der Unterschied (ausser der relativen Groesse) zwischen Zange und Einzel-Molekuel, -Atom, -Elementarteilchen oder auch -Photon?
> Der Anrufer würde nun behaupten: Die Körperspannung ist physikalisch betrachtet etwas völlig anderes, als der Versuch einer Oxidation von Molekülen im Vakuum.

Siehe ganz oben...

Beide, Körperspannung und Oxidation, dienen in diesem Fall dazu, eine bestimmte kinetische Energie zu erzeugen.

CM: >> der Rueckstoss wird doch erst durch die mit der Verbrennung einhergehende Waermedehnung, d.h. Beschleunigung der einzelnen Gasteilchen, erzeugt!
> Der Anrufer würde nun fragen: Wie groß ist a im Vakuum, wenn F = 0 ist?

Falls "F = 0" wäre, wäre natürlich "a = 0".
Der Witz ist allerdings, dass während eines Kraftstoßes die Kraft eben alles andere als Null ist.

> Wie sehr lenkt die Vorstellung der Gewalt einer Explosion inmitten unserer Atmosphäre (Stoffmenge/Volumen) von der Nachvollziehbarkeit der 0 im Vakuum ab?

Wie sehr lenkt die Vorstellung eines fliegenden Teppichs von der Nachvollziehbarkeit eines Raketenantriebes ab?

Oder anders gefragt: was soll diese Frage?

CM: >> Was anderes sind die Steuerduesen der Satelliten, da wird tatsaechlich Gas abgelassen. Dieses expandiert, daher der Rueckstoss. Warum expandiert es?

Weil einzelne Teilchen immer in Bewegung sind.

> Der Anrufer würde einwerfen: Die zufällige Bewegung der einzelnen Atome ist einer ständig polarisierenden Wechselwirkung zwischen den Teilchen/Elektronen zu verdanken, d.h. keine vektoriell einseitige Kraftwirkung.

Stimmt - innerhalb eines geschlossenen Raumes (und bei konstantem Schwerefeld).

Dummerweise ist die Düse auf einer Seite offen...

CM: >> Faellt deren Wand weg (Oeffnen der Duese), fliegen sie hinaus. Dabei wird der Duesenauslass um denselben Kraftbetrag in die Gegenrichtung beschleunigt.
> Der Anrufer klingelt: Wie müssen wir uns dieses "fliegen sie hinaus" physikalisch vorstellen?

Sie verlassen die Düse auf Nimmerwiedersehen.

Wenn man das System als Ganzes betrachtet, dann entspricht der auf die Rakete übertragene Impuls (Rückstoß) vom Betrag her dem Impuls des entweichenden Gases.
Damit lässt sich der Raketenantrieb hinreichend beschreiben. Um zu verstehen, wie er tatsächlich funktioniert, müssen wir die "schwarze Kiste" öffnen und einen Blick auf die Details werfen.

Stellen wir uns der Einfachheit halber einen allseitig geschlossenen Würfel vor, der innen mit einem Gas gleichmäßig gefüllt ist und außen von Vakuum umgeben. Die Gasmoleküle bewegen sich mit einer bestimmten kinetischen Energie, alle Stöße untereinander und gegen die Wände des Behälters seien elastisch, d.h., ohne Energieverlust.
Sobald nun ein Teilchen gegen eine Wand des Behälter stößt, findet eine Impulsübertragung statt vom Teilchen auf den Behälter. Beispielsweise "verschieben" alle auf die linke Wand treffenden Teilchen den Behälter nach links.
Da allerdings bereits in einem sehr kurzen Zeitabschnitt eine immense und im Durchschnitt gleiche Teilchenmenge gegen alle sechs Wände prasselt, heben sich die auf den Behälter übertragenen Impulse im Mittel auf, d.h., der Behälter verbleibt an Ort und Stelle.

Nun entfernen wir die rechte Seitenwand. Alle Gasmoleküle, die nach rechts fliegen, entweichen ins Vakuum, während die nach links fliegenden Teilchen weiterhin auf die linke Wand treffen und ihren Impuls auf den Behälter übertragen. Der auf die Wände wirkende Gesamtimpuls ist nun nicht mehr Null; der Behälter beginnt, sich nach links zu bewegen!

Um das ganz klar herauszustellen: der resultierende Impuls des Behälters entspricht vom Betrag her dem Gesamtimpuls aller entweichenden Gasmoleküle, denn diese "fehlen", um den Behälter auf seinem Platz zu halten.

Jetzt muss man nur noch für einen stetigen Nachschub an möglichst hochenergetischen Teilchen sorgen und die Düse so gestalten, dass alle entweichenden Teilchen weitgehend "gebündelt" in die gleiche Richtung fliegen, - und der Raketenantrieb ist fertig.