牛顿运动定律成就航天梦想｜星岛教室

2024-04-25 12:13

2024年3月20日清晨4时，黑暗的天空笼罩着大地，然而，我的心情却充满了兴奋！今天是我期待已久的一天，即将亲眼目睹「鹊桥二号中继卫星」由「长征八号」火箭运载升空的壮观场景。我清早便准备好一切，逼不及待地踏上前往海南文昌航天发射场的旅程。8时30分左右，倒数开始了！我的脑海，就像电视剧《神探伽利略》情节一样，突然浮现出一组组「牛顿运动定律」的公式。

火箭升空︰作用与反作用力定律

其实，火箭升空的基本原理就是建基于牛顿的「第三运动定律」，即「作用与反作用力定律」。这个定律告诉我们，对于每一个施加于物体上的力，都会存在一个大小相等、但方向相反的反作用力。简单来说，当一个物体施加力量于另一个物体时，另一个物体亦会以相同大小、但相反方向的力量作用于第一个物体上。

例如当你坐在装有滚轮的椅子上，然后向前用力推向桌子时，你会发现你自己和椅子会向后移动。这是因为你对桌子施加了向前的力，根据「牛顿第三运动定律」，桌子会对你施加同样大小但方向相反的反作用力，将你和椅子向后推动。又例如当你用手臂划水向后推进时，你会感受到自己向前移动，这是因为你对水施加了向后的力，水也会对你施加同样大小但方向相反的反作用力，将你推向前方。

火箭发射过程中，火箭引擎通常位于火箭底部，通过燃烧燃料，推进器高速向下喷射出大量的燃料和气体。根据「牛顿第三运动定律」，这个向下的喷射力同时亦会产生一个大小相等、但方向相反的推力作用在火箭上，将火箭向上推进，这就是火箭升空的基本原理。

火箭推进︰加速度定律

在火箭升空过程中，还需要克服重力及空气阻力，当中亦涉及「牛顿第二运动定律」。「牛顿第二运动定律」，即「加速度定律」，指出物体的加速度与它所受的力的大小成正比，而和它的质量成反比，即力等于物体的质量乘以加速度（F=ma)。例如排球运动员扣球时所用的力量越大，排球的加速度也越高；同样道理，篮球运动员传球时用的力量越大，篮球的加速度也越快。因此，火箭需要产生足够的推力去达到所需的加速度，才可以克服地球引力，离开地面。

现今最常用的多节式火箭，每节火箭其实也具有自身的发动机，当第一节火箭的推进剂烧完，便会被分离。这种技术使剩馀部分的质量能够减少，根据「牛顿第二运动定律」，馀下火箭产生的推力，便能更轻易把火箭提升至最终速度与高度。

「长征八号」运载火箭升空的一刹那，推进器发出震耳欲聋的轰鸣声，令我回过神来，只见火箭猛烈地喷射出巨大的火焰和烟雾，让整个发射场面犹如一场壮观的视觉盛宴。火箭不断加速向上冲刺，突破地球的引力束缚，最终穿越云层，进入浩翰的太空领域。

太空活动︰惯性定律

太空人进入太空后，如果需要离开航天器执行任务，你会发现他们总会手顺着绳索前进，有时更会在太空衣背后扣着一条长长的安全带，样子有点像幼儿学习走路，为甚么呢？原来跟牛顿的「第一运动定律」有密切关系。根据「牛顿第一运动定律」，即「惯性定律」，指出除非受外力影响，否则物体会保持静止或一直向同一方向作匀速直线运动。因此，在没有地心吸力及空气阻力的太空，太空人一旦踏出一步或施加力量，他们便会保持相同的速度和方向一直前进。他们必须避免出现过度用力，否则将会出现无法控制的自由漂浮状态。为了保障太空人的安全，太空站或航天器外会有特定的固定点，让太空人利用这些固定点来稳定自己。太空人亦会佩戴安全绳索或腰带，并将太空衣跟固定点相连接，再根据需要，调整绳索的张力，以保持稳定或限制移动范围。所以，太空人必须经过长时间的训练，以掌握适当的力量和推动技巧，才能准确预测每个动作所产生的反作用力。

「力矩」和「转矩」

当火箭进入太空后，牛顿定律的应用变得更奇妙而精确。首先，航天器因为没有空气阻力和其他外力的影响，所以只要提供足够推力，便不再需要额外燃料，亦可以保持匀速直线持续航行，探索星球和星系。然而，航天器有时需要改变方向，调整轨道和姿态等，以执行各种任务，这就需要利用「牛顿第二及第三运动定律」的概念。

如果太空人希望航天器改变方向或加速，便需要令推进器喷射出气体产生一个作用力，当反作用力施加在航天器上，便会产生一个转矩，从而改变其方向和姿态。当然，陀螺仪辅助控制器会协助计算出所需的推进器喷射方向和持续时间，以产生所需的「力矩」（moment of force，即作用力使物体产生「转」、「扭」或「弯」，例如用力拧毛巾）和「转矩」（moment of rotation，即转动力矩），以实现预定的姿态变化。在航天器着陆或与其他航天器进行交会对接时，亦需要善用「牛顿第二及第三运动定律」去计算和使用适当的推力，令任务顺利完成。牛顿3大运动定律是航天探索的基础，也是人类探索宇宙奥秘的关键。我期待能够在太空漫游，亲身见证牛顿定律在浩瀚宇宙中的应用，以及人类科学更壮丽的篇章。