ساز و کار و مکانیزم دسته‌ای از موشک‌ها بر اساس تغییرات جرم و تغییرات تکانه ساخته شده است. به بیان دیگر سوخت داخل محفظه‌های موشک پس از احتراق و تغییر حجم نسبتاً زیاد با خروج سریع از نازل خروجی تغییر جرمی چشم گیر در ساختار موشک به وجود می‌آورد. این تغییر تکانه و به دنبال آن تغییر جرم به گونه ایست که باعث شتاب دادن به بدنه موشک می‌شود. دسته‌ای از مسائل در بخش مکانیک و سیالات مطرح می‌شوند که در آن‌ها از مقدار نیرو اعمال شده، تغییرات سرعت و مواردی از این دسته مورد سؤال قرار می‌گیرد. در ادامه به بررسی یکی از این مسائل پرداخته می‌شود. شکل زیر نمونه ای از این راکت ها را تشان می دهد.
مسئله
به یکی از محفظه‌های موشک هیدروژنی با نرخ ثابت m’ هیدروژن تزریق می‌شود. هم چنین از سوی دیگر اکسیژن به مقدار کافی در محفظه وجود دارد؛ و هیدروژن به‌صورت کامل می‌سوزد و به‌صورت بخار آب خارج می‌شود. فشار و دمای گاز در این محفظه به ترتیب P و T است. مشخص کنید که در مجموع این محفظه چقدر نیرو باید تحمل کند؟
جواب
ابتدا لازم است که با توجه به واکنش هیدروژن و اکسیژن و تولید آب، نسبت مصرف هیدروژن و تولید بخار آب به دست بیاید؛ و سپس با توجه به مقادیر جرم مولی آب و هیدروژن، نسبت جرم مولی آب و هیدروژن محاسبه شود. با این محاسبات، مشخص می‌شود که به ازای وارد شدن هیدروژن با نرخ m’ چه مقدار بخار آب خارج می‌شود. (M بیانگر جرم بخار آب و μ نشان دهنده جرم مولی است.)
بنا بر تعریف تکانه و ارتباط آن با نیرو، مشخص است که نیرو برابر است با نیروی ناشی از فشار و نیروی ناشی از تغییر جرم. ابتدا با توجه به آنچه از روابط قبل به دست آمده نیرویی که ناشی از تغییرات تکانه است محاسبه می‌شود. فقط لازم است برای با توجه به تعریف دبی سرعت خروج جرم مشخص شود.
لازم است که برای محاسبه رابطه اخیر، با به کار بستن قانون گازها چگالی به‌صورت زیر محاسبه شود:
پس نیروی ناشی از تغییرات جرم برابر است با:
در ادامه با در نظر گفتن اثر فشار بر محفظه، به‌راحتی اندازه نیروی ناشی از فشار معلوم می‌شود:
و نهایتاً با جمع این دو نیرو، نتیجه می‌شود:
منبع: کتاب راهنمای سوالات فیزیک، جلد دوم
مطالب مرتبط، برای مطالعه بیشتر:
