Статья сложная, с расчётами, не для остолопов, так и не понявших, что физика - это, прежде всего, экспериментальная наука (так, во всяком случае утверждали два академика АН СССР: Г.С. Ландсберг, ведущий автор довольно толкового "Элементарного учебника физики", который впервые увидел свет в 1948 году и переиздаётся до сих пор, а второй - А.М. Прохоров, лауреат Нобелевской премии по физике за 1964 год, с 1982 по 1998 года - директор Института общей физики АН СССР, главный редактор "Физической энциклопедии" и "Физического энциклопедического словаря")
Начало. Продолжение есть на Яндекс Дзене, скоро будет выложено и здесь.
Старт "миссии" CRS-8 с космодрома на мысе Канаверал.
Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.
e-mail: d-pi@yandex.ru
Я уже неоднократно говорил, что нынешний закон сохранения энергии и само понятие «энергия» (в те давние времена её называли «живая сила») были придуманы Готтфридом Лейбницем, на основании предположения, допущения о том, что «одна и та же энергия потребна для поднятия одного фунта на четыре фута и четырех фунтов на один фут». При этом, будучи совершенно убеждённым в принципе сохранения «живой силы», Лейбниц и допустил величайшую ошибку со времён становления физики, предложив считать за энергию не количество движения, равное произведению массы на скорость mV, а некую новую, придуманную им величину, равную произведению массы на квадрат скорости mV² (про разделить эту величину на 2 придумали уже значительно позднее). Но на самом деле это глубочайшее заблуждение. К сожалению, этого не знают, не понимают и не могут понять подавляющее большинство академиков РАН и РАО, профессорско-преподавательского состава физических кафедр вузов, ну и, разумеется, школьные учителя физики. И поэтому ставшая очевидной для меня глупость о том, что mgh и mV²/2 являются энергиями, способными совершить некую механическую работу, продолжает навязываться школьникам и студентам.
Теоретическое обоснование ошибки Лейбница, дано мной и разжёвано, не выходя за рамки школьной физики в статье: Дело об ЭНЕРГИИ Исправление ошибок физики.
Что такое энергия?
На самом деле за энергию следует считать импульс силы. Это несложно понять, если человек обучен пользоваться своим мозгом по прямому предназначению – думать самостоятельно. Некоторые граждане этому не обучены, некоторые просто не способны думать самостоятельно, а у некоторых при попытке думать самостоятельно возникает когнитивный диссонанс. Причём иногда настолько сильный, что мне «становится страшно за рассудок и нрав» (© Борис Гребенщиков):
Viktor Anisimov «Вы бы показались бы психиатру, пока еще не поздно. Путать энергию с импульсом - это уже признак деменции.»
Vadim Chernovv (сперва цитирует меня) «что количество затраченной для подъёма одного и того же тела на одну и ту же высоту энергии зависит от величины подъёмной силы»
«мать моя женщина!!!! это же чертов гений!!!!! тут реально попахивает нобелевкой или мне показалось????только я бы доказал это экспериментально по другому - насколько сильно мне необходимо напрячь мышцы что бы при разгибании руки в локте, при ударе аффтара в морду набить ему фингал размером 5 сантиметров в диаметре, и размер фингала зависит ли от силы и скорости удара при неизменном расстоянии в полете моего кулака...... Но самый СМАК моего эксперимента был бы в том, что зависел бы размер фингала от уровня идиотизма аффтара в будущих статьях...... я думаю я бы докторскую защитил на этом....»
dread9393 «Тут просто слов нет, соревноваться в словоблудии не буду, но просто замечу, что на основе расчетов современной физики ракеты в космос летают, да ладно ракеты, Вояджеры пролетели всю солнечную систему и их траектория оказалась в точности такой какой ее планировали ученные. Искать ошибки в базисах физики это мощно.»
В чём проблема всех этих «комментаторов»? В том, что их никто так и не научил самостоятельно наблюдать, самостоятельно анализировать, самостоятельно делать выводы, особенно если наблюдения и выводы расходятся с общепринятыми стереотипными представлениями. Более того, стереотипы в эти бедные головёнки были «отлиты в граните» и уже так затвердели, что даже если максимально подробно разжевать материал, они не смогут его проглотить. Эти люди просто не обучены думать. И их мозги вследствие этого либо закостенели, либо заросли мхом.
Так вот, за доказательствами того, что закон сохранения энергии, придуманный Лейбницем, неверен, долго ходить не надо. И чтобы понять, что именно следует считать за энергию, за способность совершить работу, тоже не надо слишком напрягать свою голову.
Старт CRS-8
8 апреля 2016 года со стартовой площадки SLC-40 космодрома мыса Канаверал была запущена ракета Falcon 9 FT с миссией CRS-8 SpaceX по доставке груза на МКС. Этот запуск мы сейчас и разберём в качестве очередного доказательства ошибки Лейбница, благо этот запуск был снят на видео и сопровождался телеметрией в режиме on-line. Хотя по качеству этой телеметрии у меня возникли определенные вопросы к Илону Маску.
Пересказывая мисс Вики и барышню Вики: Falcon 9 FT (Full Thrust; «полная тяга») или Falcon 9 v1.2 – это обновлённая и улучшенная версия ракеты-носителя, которая пришла на смену версии 1.1. Основные изменения: модифицировано крепление двигателей (Octaweb):
Слева - старый вариант крепления двигателей первой ступени , справа - модифицированное крепление девяти "Мерлинов - 1D".
усилены посадочные стойки и первая ступень. Топливные баки верхней ступени увеличены на 10%, за счёт чего общая длина ракеты-носителя увеличилась до 70 м. Стартовая масса выросла до 549 054 кг за счёт увеличения вместимости топливных компонентов, что было достигнуто благодаря использованию переохлаждённого окислителя.
В новой версии ракеты-носителя компоненты топлива охлаждаются до более низких температур. Жидкий кислород охлаждается с −183°C до −207°C, что позволит повысить плотность окислителя на 8–15 %. Керосин охлаждается с 21 °C до −7 °C, его плотность увеличится на 2,5 %. Повышенная плотность компонентов позволяет вместить большее количество топлива в топливные баки, что, в сумме с возросшей тягой модифицированных двигателей Merlin 1D, значительно увеличивает характеристики ракеты. Используемое горючее – керосин PR-1*, окислитель – жидкий кислород,
*RP-1 (alternately, Rocket Propellant-1 or Refined Petroleum-1) is a highly refined form of kerosene outwardly similar to jet fuel, used as rocket fuel.
RP-1 (Ракетный Пропеллант-1 или Очищенный Керосин-1) представляет собой высокоочищенный керосин, внешне похожий на реактивное топливо, используемый в качестве ракетного топлива. (Почти масло масляное, но так говорит мисс Вики)
Тяга первой ступени на уровне моря выросла до 7607 кН, в вакууме – до 8227 кН. Номинальное время работы ступени уменьшилось до 162 секунд.
На официальном сайте компании SpaceX я нашёл следующую информацию:
With the highest thrust-to-weight ratio of any booster engine – 155:1 – each Merlin 1D engine can lift a weight equivalent to about 40 average cars. Together, the first stage’s nine engines put out 1.3 million pounds of thrust at sea level, rising to 1.5 million as the first stage climbs out of Earth’s atmosphere. The nine engines burn about 540 gallons of propellant per second – enough to drain a typical home swimming pool in less than a minute.
Имея высочайшее отношение тяги к весу среди всех разгонных двигателей - 155:1 - каждый двигатель Merlin 1D может поднимать вес, эквивалентный примерно 40 средним автомобилям. Вместе девять двигателей первой ступени создают 1,3 миллиона фунтов тяги на уровне моря, увеличиваясь до 1,5 миллиона, когда первая ступень поднимается из атмосферы Земли. Девять двигателей сжигают около 540 галлонов* топлива в секунду – этого достаточно, чтобы осушить обычный домашний бассейн менее чем за минуту.
Отбросим в сторону все восторженные всхлипы американцев по поводу поднимаемых автомобилей, возможность осушить домашний бассейн менее чем за минуту и переведём все технические характеристики в более понятные нам килограммы и литры. Вообще-то 40 «средних американских машин», которые производились в США в 50-е и 60-е годы «съедали» примерно такое же количество топлива, как и один двигатель Merlin 1D. Это, конечно, шутка, но в каждой шутке есть лишь доля шутки. Тогда американцев – и производителей автомобилей, и тех, кто эти автомобили покупал, не очень заботили энергетические проблемы.
*The US gallon is legally defined as 231 cubic inches, which is exactly 3.785411784 litres. (Американский галлон по закону определен как 231 кубический дюйм, что составляет ровно 3,785411784 литра.)
Таким образом все 9 двигателей первой ступени потребляют в секунду 2044,12 литра, т.е. примерно 2,1 тонны ракетного пропелланта LOX/PR-1, по которому мисс Вики даёт следующую справку
Oxidizer-to-fuel ratio: 2.56
Density (g/mL): 0.81 – 1.02
То есть соотношение (по всей, вероятности, массовое?) окислителя (LOX, Liquid oxygen, жидкий кислород) к очищенному керосину равно 2,56, при плотности получаемого ракетного пропелланта всего 0,81 – 1,02 грамма/миллилитр. Тут нечему удивляться, так как плотность керосина – величина, очень сильно зависящая от его температуры, а плотность жидкого кислорода – 1,14 г/см³.
Если мы примем даже максимальную плотность ракетного пропелланта, то получим, что за 162 секунды работы первой ступени будет израсходовано всего 2,1 тонны × 162 секунды = 324 тонны горючего и окислителя. Маловато будет? Проверяем.
Первая ступень Falcon 9 FT имеет следующие характеристики:
Mass (without propellant), сухая масса – 22,200 kg (48,900 lb),
Mass (with propellant) – стартовая масса, первая ступень заполнена пропеллантом – 433,100 kg (954,800 lb),
Engines, двигатели: 9 × Merlin 1D,
Liquid oxygen tank capacity, вместимость ёмкости для жидкого кислорода – 287,400 kg (633,600 lb),
Kerosene tank capacity, вместимость ёмкости для керосина – 123,500 kg (272,300 lb).
Таким образом стартовая масса первой ступени составляет 22,2 + 287,4 + 123,5 = 433,1 тонн.
Если стартовая масса первой ступени Falcon 9 FT равна 22,2 тонн, а стартовая масса – 433,1 тонн, а горючего и кислорода двигатели «сожрут» всего 324 тонны, то получается какой-то уж слишком «большой хвостик»: 431,7 – 22,2 – 324 = 86,9 тонн. Вначале я думал, что американцы где-то всунули в расчёты свои «короткие тонны», а не метрические – и отсюда возникли разночтения… 1 «короткая» тонна, short ton, если кто не в курсе, равна 907,2 кг. Нет, я специально разыскал страничку, где все массы указаны в килограммах…
Может, у модифицированных Мерлинов существенно повысился расход пропелланта? Или Илон Макс дал распоряжение всё считать в английских галлонах? Английский галлон = 4,5461 литра.
Тогда потребление энергии (т.е. топлива) первой ступенью будет равно 540 галлонов × 4,5461 литра = 2454,9 литров, примерно 2,5 тонны в секунды.
2,5 тонны в секунду × 162 секунды = 405 тонн, уже совсем близко к нужному результату. Короче, я так и не понял, в чем проблема, но в дальнейшем будем считать, что все двигатели первой ступени потребляют 2,5 тонны энергии, т.е. топлива в секунду.
Еще раз, читаем внимательно, и откладываем это в своих головах: полезная работа по доставке груза на МКС, прежде всего, выполняется двигателями первой ступени, которые создают подъёмную силу, равную у поверхности Земли 7607 кН, потребляя, «съедая» для создания этой силы ежесекундно 2,5 тонн пропеланта (энергии), то есть вся работа выполняется исключительно импульсом силы Ft, силой тяги, равной 7607 кН, создаваемым девятью двигателями Merlin 1D в течение 162 секунд – и никак иначе. Остолопы, конечно, могут попробовать воткнуть в эти расчёты mgh и ????????²/2.
А теперь – смотрим сам запуск на youtube:
Я вырезал из этого "большого видео" короткий фрагмент, телеметрия с которого и использовалась при расчётах:
При запуске ракеты постоянно изменяются несколько факторов, причем изменяются они в своём большинстве нелинейно – и чем больше высота, тем больше нелинейность. Поэтому я предлагаю рассмотреть подъём ракеты только до высоты 3 км. С набором высоты уменьшается плотность и давление атмосферного воздуха (нелинейно), с 760 мм ртутного столба до 525,7 мм ртутного столба на высоте 3 км. То есть давление уменьшается примерно на 30%. Соответственно, по грубым прикидкам, тяга первой ступени возрастёт до 7793 кН. Уменьшается масса ракеты за счёт израсходованного топлива, пока примем, что масса ракеты уменьшается на 2,5 тонны в секунду, первые 3 км ракета преодолевает примерно за 30 секунд, т.о. ракета становится легче на 75 тонн – это примерно 13% от стартовой массы всей ракеты.
Однако, в то же время, скорость ракеты возрастает с 0 до 600 км/час, 165 метров в секунду, соответственно, существенно увеличивается сила сопротивления воздуха. И это, скорее всего, компенсирует прибавку за счёт облегчения ракеты и увеличения тяги двигателей.
Ускорение свободного падения с уровня моря до высоты 3 км уменьшается незначительно, меньше чем на десятую долю процента, поэтому этот фактор можно не принимать в расчёт
А теперь внимательно отследим телеметрию. Подгонять я цифры не буду, так как подгонять результаты, полученные в ходе эксперимента – это значит превратить физику из экспериментальной науки в плод досужих размышлизмов, но выскажусь по качеству телеметрии.
Запись на видео сделана, как я понимаю, в формате NTSC, так как это – США. Это означает темп съёмки 30 кадров в секунду – так и есть. Прежде всего удивило, что секунды на телеметрии не соответствуют видеозаписи – они то опаздывают с появлением на 0,1…0,2 секунды, то вновь нагоняют видео. Поэтому я ориентировался по времени исключительно на сам видеоряд – на тайминг от начала сюжета и на порядковый номер кадра в эту секунду, что позволило определять время с точностью до 0,033 секунды. Я определял время перехода каждые 100 метров подъёма ракеты и фиксировал скорость ракеты в это время. Результаты сведены в таблицу:
Скорее всего, ракетчики из США использовали для мониторинга высоты подъёма и скорости какой-нибудь исключительно поганый и заторможенный GPS-датчик. Известно, что обычный (не военный) GPS-сигнал не отличается хорошей точностью при измерении высот и вертикальных скоростей – видимо, поэтому и вылезли такие корявые результаты. Кроме того, соотнося телеметрию и видео, я заметил, что ракета добралась до высот в 0,2 и 0,3 км раньше, чем это указано в телеметрии – сама ракета 70 м высотой, так что высоту подъёма ракеты в самые первые секунды вполне можно прикинуть и чисто визуально.
Тем не менее, результаты опыта – это результаты опыта. В последнем столбце (выделены красным цветом) показано время, за которое ракета поднимется на очередные 100 метров. То есть, согласно, нынешней физики, приобретёт дополнительную потенциальную энергию имени Лейбница в кол-ве mgh. При этом всегда можно посчитать и кол-во приобретенной кинетической энергии имени Лейбница, с учётом уменьшения массы ракеты и увеличения её скорости. И сравнить получившиеся цифры с реальным расходом реальной энергии (т.е. ракетного пропелланта)
Так вот, время подъёма ракеты на очередные 100 метров высоты показывает, какое кол-во реальной энергии затрачивается (по 2,5 тонны в секунду). Тенденция, основной тренд в последнем столбце – это тренд явного уменьшения, причем примерно с 2-х секунд до 0,6…0,7 секунд, то есть в три, три с половиной раза. Т.о. и топлива затрачивается на очередные 100 метров подъёма в три раза меньше. КПД двигателей увеличивается не слишком значительно, примерно на 2,5% (7793 кН / 7607 кН). Конечно, масса ракеты уменьшается довольно существенно, на 13%, но это не даёт объяснения тому, что фактический расход топлива на подъём ракеты на очередные 100 метров высоты в конце таблицы в три раза меньше, чем фактический расход в начале. Правильный ответ на этот вопрос - дело в том, что ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ имени ГОТТФРИДА ЛЕЙБНИЦА - ВЕЛИЧАЙШАЯ ОШИБКА ФИЗИКИ.
Мы живём в XXI веке, это век, когда, судя по всему, человек наконец-то ступит на ближайшее к Земле космическое тело – на Луну. А мы до сих пор пытаемся пристегнуть к реальной физике ошибочные представления учёных XVII века, и при этом вдалбливаем эти представления школьникам и студентам?
Может, пора образумиться? Пора задуматься? Просить задуматься и образумиться академических дедушек глубоко пенсионного возраста из отделения физических наук РАН – бесполезно и бесперспективно. Почему? Ответ на этот вопрос (насчёт РАН) - в статье К.Э. Циолковского «Двигатели прогресса».
Оценил 1 человек
1 кармы