Rakettiprobleema

m36-intj

Järjestelmässä, jossa massa muuttuu ajan mukana, voidaan johtaa seuraava liikeyhtälö:

ma = vrel*dm/dt Fext
Fext oletetaan tässä olevan gravitaatiovoima, eli F = -GMm/x^2. Ja vrel on negatiivinen liikesuuntaan nähden raketissa, miinusmerkki eteen.

dm/dt = -k, eli massa per aikayksikkö, joka häviää järjestelmästä, jolloin integroimalla saadaan m = m0 -kt.

Saadaan siis ma = vrel*k - GMm/x^2, eli siis differentiaaliyhtälönä:
x''(t) = vrel*k/(m0-kt) - GM/x^2.

Tätä ei voida ratkaista suljetussa muodossa vaan täytyy ratkaista numeerisesti.

Tämä siis ottaa huomioon raketin muuttuvan massan ja gravitaation, joka vähenee korkeuden mukaan. Vaikka ilmanvastuksen ja maapallon pyörivän liikkeen (päiväntasaajalla noin 465 m/s) jättää huomiotta, pitäisi kaavan melko tarkkaan päteä oikealle raketille.

Koetin laskea saanko laukaistua tällä raketteja, jotka pystyvät irtaantumaan maapallon vetovoimasta, mutta ei ole onnistunut, tulevat aina takaisin räjähtäen maanpinnalle. Ei ole väliä onko yksivaiheinen vai monivaiheinen raketti. Pääsevät ehkä realistisilla parametrien arvoilla muutaman tuhannen kilometrien korkeuteen. Parametrin k arvo on noin 0.5-15 tonnia/s, ja vrel noin = 2 -5 km/s raketeille.

Esim. Saturn V-raketille on annettu työntövoima noin 34000 kN, 3000 tonnin massa, ja ensimmäisen vaiheen moottori päällä 160 sekuntia, bensaa paloi noin 2100 tonnin edestä, ja vrel noin 2,6 km/s, eli palamiskaasujen nopeus suhteessa rakettiin, ja k siis noin 13 tonnia/s. Laskelmani antoivat raketin nopeudeksi vain noin puolet siitä mitä sen pitäisi olla wikipedian artikkelin mukaan 1 vaiheen lopussa, saavutettu korkeus oli enemmän oikein.

7

100

Äänestä

    Vastaukset

    Anonyymi (Kirjaudu / Rekisteröidy)
    5000
    • Von braunin veli

      Itse törmännyt vastaavaan.

      Netistä löytyy näppäriä excell taulukoita joiden avulla probleemaa voi tutkia. Tossa sun kaavassa painon väheneminen menee väärin.

      • m36-intj

        Itse laskin wolframin alphalla, tässä esimerkki, Saturn-V raketin ensimmäisen vaiheen parametrit, yksiköt ovat muodossa kilometri - tonni - sekunti.

        http://m.wolframalpha.com/input/?i=Runge-Kutta method, x''(t) = 13*2.6/(3000 - 13*t) - 0.0098* (6400/(6400 x))^2, {x'(0) = 0, x(0) = 0}, from 0 to 160, h = 0.1&x=0&y=1

        Nopeus pitää arvioida taulukon avulla, eli siinä saa vain välivaiheina kuljetun matkan ja ajan, mikä jää kylläkin loppupään keskiarvoksi, mutta pitäisi olla tarpeeksi oikein.

        Painon vähentyminen on laskettu oikein, dm/dt = -k, antaa integroituna m = m0 - kt, ja tuossa siis m0 on alkupaino, se vähenee lineaarisesti ajan mukana, mutta ei saa tietenkään mennä kokonaan nollaksi tai alle.

        Ottamalla yhtälöstä pois ensimmäinen termi, voidaan katsoa että pakonopeus menee oikein, laukaisee jotakin nopeudella 11 km/s maanpinnasta, ja katsoo ettei tule alas, eli x'(0)=11, ja x(0) =0.

    • ei fyysikko

      Kun tunnetaan vakiovoima, muuttuva massa ja muuttuva 'vastus' ja näillä tiedoilla yritetään laskea loppunopeutta ja matkaa tietyn ajan kuluttua, ei lähtöyhtälössä voi olla valmiina loppunopeutta, se määräytyy alkuehdoista.
      Laskuun on näköjään taas sekoitettu valmiiksi laskettu vakiovoimalla ja muuttuvalla massalla, vastuksettoman liikkeen loppunopeuden ja ajan keskinäinen riippuvuus. (F=vm' ma)
      Tässäkään tapauksessa ei voida soveltaa em. yhtälöä, koska se on johdettu suoraan alkuperäisestä F=ma, kun taas tässä tapauksessa lähtöyhtälö on F-mg = ma

      Kiihtyvyyden kaava pitänee olla :

      x''(t) = F / m(t) -g(x)

      • 17+10

        Mikä "loppunopeus"? vrel on palamiskaasujen nopeus, aloittajan viestin mukaan.

      • m36-intj

        En kyllä viisastunut selityksestäsi, ei lähtöyhtälössä ole valmiina loppunopeutta. Otin kaavan johdon tästä:
        http://en.wikipedia.org/wiki/Variable-mass_system

        Jos vaikka Tsiolkovskyn rakettiyhtälöön v = vrel* ln(Mi/Mf), sijoittaa aikariippuuvuuden Mf = Mi - kt, ja derivoidaan ajan suhteen, saadaan kiihtyvyys, joka on a = vrel*k/(Mi-kt), mikä on sama termi joka yhtälössäni esiintyy.

      • ei fyysikko
        m36-intj kirjoitti:

        En kyllä viisastunut selityksestäsi, ei lähtöyhtälössä ole valmiina loppunopeutta. Otin kaavan johdon tästä:
        http://en.wikipedia.org/wiki/Variable-mass_system

        Jos vaikka Tsiolkovskyn rakettiyhtälöön v = vrel* ln(Mi/Mf), sijoittaa aikariippuuvuuden Mf = Mi - kt, ja derivoidaan ajan suhteen, saadaan kiihtyvyys, joka on a = vrel*k/(Mi-kt), mikä on sama termi joka yhtälössäni esiintyy.

        Linkkisi ensimmäisessä kaavassa on kiteytetty koko asia.

        Kaavassa Fext on pystysuoraan nousevalle raketille m*g, ja
        Vrel*dm/dt on raketin työntövoima ja näiden summa on m*dv/dt.

        Laskussasi tunnetaan raketin työntövoima ja polttoaineen kulutus, joten suihkun virtausnopeus on tarpeeton tieto ja kaava on

        Frak -mg = ma

        Koska raketin työntövoima oletetaan vakioksi, se tarkoittaa että massa pienenee lineaarisesti ajan suhteen ja lisäksi vetovoiman kiihtyvyys muuttuu etäisyyden neliöön, niin niillä täydennettynä paketti on valmis ratkaistavaksi.

      • 3+17

        Kyllähän tuo yhtälö F=vm' ma pitää yleisesti paikkansa, ei tarvitse olla edes vakiovoima. Tuo termi vm' pitää vain tulkita oikein. Kun systeemistä poistuu tai siihen tulee massaa nopeudella m', v on nopeusero ja mv' on liikemäärä aikayksikössä joka systeemistä poistuu tai siihen tuodaan. Jos vaikkapa systeemistä irtoaa osamassa joka jatkaa liikettä senhetkisellä nopeudellaan, ei sillä ole vaikutusta systeemin liikemäärään jäljellä olevaan ja tuon termin arvo on 0.

    Ketjusta on poistettu 0 sääntöjenvastaista viestiä.

    Takaisin ylös

    Luetuimmat keskustelut

    1. Jens Ihlen (ex Kukka) poika todistaa oikeudessa

      10:49 "Välit ovat olemattomat" Minkälainen isäsi ja sinun välinen suhde on tällä hetkellä? "Minulla ei ole minkäännäkö
      Maailman menoa
      259
      9688

    2. K-kaupassa on mukava käydä, kun ei tarvitse katsella köyhiä

      vasemmistolaisia, joista monet myös varastavat. Mielellään maksaa vähän enemmän tuotteista K-kaupassa, jotka ovat paljon
      Maailman menoa
      176
      5452

    3. Suomeen ei kuulu ihmiset jotka ei halua kätellä toisia ihmisiä, koska tämä on vääräuskoinen

      Nainen joka ei halunnut kätellä Stubbia on selvästi ääripään muslimi, eli sitä sakkia josta niitä ongelmia koituu. Ulos
      Maailman menoa
      155
      5065

    4. PS:n Purra teki -JÄTTI-VELAT

      * * PS:n Purra teki -JÄTTI-VELAT - ! ja jätti MaksuHuolet -Kansan Maksettavaksi -! *
      Maailman menoa
      65
      4747

    5. Ootko sä nainen suuttunut

      jostain? Harmi jos tullut väärinkäsityksiä.
      Ikävä
      188
      2250

    6. Nainen, sanotaan että totuus tekee kipeää

      Ehkä mutta se voi olla myös se kaikkein kamalin asia kohdata. Kuplassa on turvallista, kun tietää vähemmän on helpompi.
      Ikävä
      11
      2165

    7. Valtio lopettaa pienituloisten perheiden kylpylälomien tukemisen

      Pienituloiset suomalaiset ovat voineet vuosikymmenten ajan hakea tuettuja lomia terveydellisin, sosiaalisin ja taloudell
      Maailman menoa
      300
      1789

    8. Minkälainen auto

      Kaivatullasi on? Väri/Merkki? :)
      Ikävä
      88
      1498

    9. Menen nyt koisimaan

      Ja en ehkä palaa tänne. Asia on nyt loppuunkäsitelty ja totuus tuli ilmi
      Ikävä
      15
      1195

    10. Kuinka rakastunut olet

      Ja kehen?
      Ikävä
      41
      1093
    Aihe
    TietosuojaselosteKäyttöehdotEvästeasetuksetSäännöt