كتلة العمل

الكتلة العاملة ، أو كتلة التفاعل ، هي الكتلة التي يعمل النظام ضدها لتوليد التسارع . في حالة الصاروخ الكيميائي، على سبيل المثال، كتلة التفاعل هي ناتج احتراق الوقود المندفع للخلف لتوفير قوة الدفع. يتطلب كل تسارع تبادلًا للزخم ، الذي يمكن اعتباره "وحدة الحركة". يرتبط الزخم بالكتلة والسرعة، وفقًا للمعادلة P = mv، حيث P هو الزخم، وm الكتلة، و v السرعة. يمكن تغيير سرعة الجسم بسهولة، ولكن في معظم الحالات لا تتغير كتلته، مما يجعلها ذات أهمية. يمكن تحديد الكتلة العاملة للوقود من خلال الحسابات الرياضية. ^{[ 1 ]}

في الصواريخ، يمكن حساب التغير الكلي في السرعة (باستخدام معادلة تسيولكوفسكي للصواريخ ) ^{[ 2 ] [ 3 ]} على النحو التالي:

${\displaystyle \Delta \,v=u\,\ln \left({\frac {m+M}{M}}\right)}$

أين:

• v = سرعة السفينة.
• u = سرعة العادم.
• M = كتلة السفينة، باستثناء كتلة التشغيل.
• m = الكتلة الكلية المقذوفة من السفينة (الكتلة العاملة).

يُستخدم مصطلحا "الكتلة العاملة" و"كتلة التفاعل" بشكل أساسي في مجالات الطيران والفضاء . [ ^{4 ] في} أمثلة عملية، تُوفّر الأرض عادةً الكتلة العاملة، إذ تمتلك زخمًا هائلاً مقارنةً بمعظم المركبات، بحيث يمكن تجاهل مقدار ما تكتسبه أو تفقده من زخم. مع ذلك، في حالة الطائرات ، تكون الكتلة العاملة هي الهواء، وفي حالة الصواريخ ، تكون هي وقود الصاروخ نفسه. تستخدم معظم محركات الصواريخ وقودًا خفيف الوزن ( الهيدروجين السائل ، أو الأكسجين ، أو الكيروسين ) يُسرّع إلى سرعات تفوق سرعة الصوت. أما محركات الأيونات ، فتستخدم غالبًا عناصر أثقل مثل الزينون ككتلة تفاعل، تُسرّع إلى سرعات أعلى بكثير باستخدام المجالات الكهربائية.

في كثير من الحالات، تكون الكتلة العاملة منفصلة عن الطاقة المستخدمة لتسريعها. ففي السيارة، يُزوّد ​​المحرك العجلات بالطاقة، والتي بدورها تُسرّع الأرض للخلف لتحريك السيارة للأمام. لكن هذا ليس هو الحال في معظم الصواريخ، حيث يُمثّل وقود الصاروخ الكتلة العاملة ومصدر الطاقة في آنٍ واحد. وهذا يعني أن الصواريخ تتوقف عن التسارع بمجرد نفاد وقودها، بغض النظر عن مصادر الطاقة الأخرى التي قد تمتلكها. وقد يُشكّل هذا مشكلة للأقمار الصناعية التي تحتاج إلى تغيير مواقعها باستمرار، لأنه يُقلّل من عمرها الافتراضي. وبشكل عام، ينبغي أن تكون سرعة العادم قريبة من سرعة الصاروخ لتحقيق كفاءة الطاقة المثلى .

• معادلة الصاروخ