نقض قانون اول نیوتن در حرکت فضاپیماها در خلأ

[mithridates2000]

مسأله:

یک موشک رو در حالت سکون در فضا و در شرایط خلأ کامل در نظر بگیرید در حالی که فرض می‌کنیم هیچ نیرویی از اطراف بر موشک وارد نمیشه، به عبارتی برآیند نیروهای وارد بر موشک صفره. با این شرایط دو وضعیت متفاوت رو به صورت زیر در نظر می‌گیریم(تصویر مربوطه رو در این آدرس https://hostr.co/0IULrpiPuUdo ببینید لطفا):

وضعیت اول - در سمت چپ تصویر موشک مورد نظر رو داریم در حالیکه یک گلوله فلزی به وزن m2 در درون موشک قرار داره. بعد از پرتاب شدن گلوله فلزی از درون موشک به بیرون با سرعت فرضی v2، موشک با جرم فرضی m1 با سرعت v1 شروع به حرکت می‌کنه. با در نظر گرفتن قانون اول نیوتن از اونجایی که برآیند نیروهای وارد بر سیستم صفره و سیستم هم در ابتدا در حالت سکون قرار داشته، پس مرکز جرم سیستم (شامل موشک و گلوله فلزی) همچنان در سکون خواهد بود، گرچه گلوله فلزی و موشک در جهات مخالف حرکت خواهند کرد. قانون اول نیوتن در اینجا به رابطه زیر منجر خواهد شد:
m1 * v1 = m2 * v2
و بنابراین با در دست داشتن m2، m1 و v2 ، سرعت موشک یعنی v1 قابل محاسبه است.

وضعیت دوم - در سمت راست تصویر همون موشک رو داریم اما این بار به جای گلوله فلزی، یک مخزن گاز مایع در درون موشک قرار داره. جرم گاز مایع درون مخزن رو m2 و وزن موشک به همراه مخزن (خالی) رو m1 در نظر میگیرم. پس از باز کردن دریچه خروجی مخزن، گاز از درون موشک به بیرون و در خلأ جریان پیدا میکنه و اینطور انتظار داریم که موشک در جهت مخالف جریان گاز به حرکت در بیاد، درست مشابه مکانیسم حرکت پیشرونده‌ای که در فضاپیماها سراغ داریم. صبر می‌کنیم تا گاز به طور کامل خارج بشه و مخزن خالی بشه؛ در پایان انتظار داریم که موشک به سرعت فرضی v1 رسیده باشه. این بار هم با استفاده از قانون اول نیوتن میتونیم سرعت متوسط کل جرم گاز خارج شده از موشک (v2) رو به روش مشابه وضعیت قبل با استفاده از فرمول مذکور محاسبه کنیم. امّا، تصور چنین سرعتی به صورت منطقی برای کل جرم گاز خارج شده از موشک غیرممکنه! ملکولهای گاز در کل خلأ پراکنده شده‌اند و در جهت‌های مختلف در فضا در حرکت هستند؛ ملکولهای گاز به صورت یک مجموعه با سرعت مشخص آنطور که یک گلوله فلزی در فضا حرکت می‌کند حرکت نخواهند کرد. به عبارت دیگه ما نمیتونیم یک جرم از گاز رو در خلأ پرتاب کنیم و به این روش در جرم دیگری در جهت مخالف حرکت ایجاد کنیم.

نتیجه:
حرکت فضاپیماهای جت در خلأ غیرممکن است!

سؤال:
چه اشکالی بر استدلال فوق وارد است؟

[You-See]

کی می گه مولکول های گاز به صورت کاتوره ای منتشر می شن؟ مگر به چیزی خوردن؟
مولکول های گاز دقیقا در همان جهتی که شتاب گرفتند ادامه مسیر می دن، مگر این که به مولکول دیگه ای بخورن، ضمنا اصل کار در لحظه جدا شدن اتفاق می افته و این که اون مولکول بعدش چی می شه دیگه به موشک ربطی نداره، انگار در فاز اول اون توپ بره تا بخوره زمین. خب به موشک چه مربوط؟!!

[mithridates2000]

کی می گه مولکول های گاز به صورت کاتوره ای منتشر می شن؟ مگر به چیزی خوردن؟
مولکول های گاز دقیقا در همان جهتی که شتاب گرفتند ادامه مسیر می دن، مگر این که به مولکول دیگه ای بخورن، ضمنا اصل کار در لحظه جدا شدن اتفاق می افته و این که اون مولکول بعدش چی می شه دیگه به موشک ربطی نداره، انگار در فاز اول اون توپ بره تا بخوره زمین. خب به موشک چه مربوط؟!!

سلام
فرض کنید موشک یک ساعت با سرعت v1 حرکت کنه، آیا در این یک ساعت شما اصلا اثری از توده گاز مربوطه در فضا می‌تونید تصور کنید؟ توده گاز مورد نظر به کلی محو خواهد شد. گازی که انسجام درونی نداره و مولکول‌هاش هیچ جاذبه‌ای نسبت به هم ندارن ( بدون حضور فشار خارجی مثل فشار جو) قابل پرت کردن نیست، در حالی که ماده جامد به دلیل انسجام درونی قابل پرت کردنه.
از طرفی در فاز اول به قول شما در صورت برخورد گلوله فلزی مثلا با زمین یا هر شیء دیگه‌ای به سیستم (موشک + گلوله فلزی) نیروی خارجی وارد میشه و سیستم از حالت بسته خارج میشه بنابرین قانون نیوتن نقض نمیشه. اینجا صحبت از سیستم بسته موشک و گازه به صورتی که به طور فرضی هیچ نیروی خارجی به سیستم وارد نشه، در این حالت شما باید بتونید جرم گاز رو با سرعت v2 برای مدت طولانی و بلکه برای مدت نامحدود در فضا تصور کنید که تصور چنین چیزی غیر ممکنه چراکه بعد از مدت زمان نه چندان طولانی شما اصلا توده گازی نخواهید داشت که بخواید براش سرعتی قایل باشید، پس قانون اول نیوتن نقض میشه.

[You-See]

ربطی به انسجام نداره.
گاز حاوی مولکول و به همین دلیل دارای جرمه و همین بسه.
کمی بیشتر در مورد سیستم های بسته و باز فکر کنید متوجه می شید.
چرا جرم گاز رو نمی تونید برای مدت زیادی بصورت توده تصور کنید؟
مهم اینه که تمام جرم برآیند حرکتی بر خلاف جهت موشک داره. حتی اگر جرم گاز پس از جداشدن از موشک به طرز اسرارآمیزی از بین بره باز به موشک ربطی نداره چون اطلاعاتی بین این دو ردوبدل نمی شه.
لحظه جداشدن گاز رو از موشک لحظه رد و بدل شدن اطلاعات بدونید.
برای درک بهتر می تونید در یوتیوب کانال های متنوعی پیدا کنید که به زبان خیلی ساده این رو توضیح می ده.
موفق باشید.

[mithridates2000]

بله
میشه توده گاز رو در حالیکه در همه جهت گسترش پیدا میکنه در حال حرکت تصور کرد به صورتی که مرکز جرم توده گاز با سرعت v2 حرکت میکنه.
ممنون از پاسخ شما