Создателем космонавтики как науки считается Герман Оберт, впервые доказавший физическую возможность человеческого организма выносить возникающие при запуске ракеты перегрузки, а также состояние невесомости.
10 мая 1897 г К. Э. Циолковский в рукописи «Ракета» исследует ряд задач реактивного движения, где определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил; конечная зависимость получила название «формула Циолковского» (статья опубликована в журнале «Научное обозрение» в 1903 г.).
1903 г. К. Э. Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами» — первую в мире, посвященную теоретическому обоснованию возможности осуществления межпланетных полетов с реактивного летательного аппарата — «ракеты». В 1911—1912 опубликована вторая часть этой работы, в 1914 — дополнение. К. Э. Циолковский и независимо от него Ф. А. Цандер пришли к выводам, что космические полеты возможны и на известных уже тогда источниках энергии и указали практические схемы их реализаций (форму ракеты, принципы охлаждения двигателя, использование жидких газов в качестве топливной пары и др.).
Высокая скорость истечения продуктов сгорания топлива (часто большая, чем М10), позволяет использовать ракеты в областях, где требуются сверхбольшие скорости движения, например, для вывода космических аппаратов на орбиту Земли (см. Первая космическая скорость). Максимальная скорость, которая может быть достигнута при ракеты, рассчитывается по |формуле Циолковского, описывающей приращение скорости, как произведение скорости истечения на натуральный логарифм отношения начальной и конечной массы аппарата.
Ракета пока является единственным транспортным средством вывести космический аппарат в космос. Альтернативные поднимать космические аппараты на орбиту, такие как «космический лифт», электромагнитные и обычные пушки, пока что находятся на стадии проектирования.
В космосе наиболее ярко проявляется основная особенность ракеты — отсутствие потребности в окружающей среде или внешних силах для своего перемещения. Эта особенность, однако, требует того, чтобы все компоненты, необходимые для создания реактивной силы, находились на борту самой ракеты. Так для ракет, использующих в качестве топлива такие плотные компоненты, как жидкий кислород и керосин, отношение веса топлива к весу конструкции достигает 20/1. Для ракет, работающих на кислороде и водороде, это соотношение меньше — около 10/1. Массовые характеристики ракеты очень сильно зависят от типа используемого ракетного двигателя и закладываемых пределов надёжности конструкции.
Скорость, требуемая для выведения на орбиту космических аппаратов, часто недостижима даже при ракеты. Паразитный вес топлива, конструкции, двигателей и системы управления настолько велик, что не даёт разогнать ракету до нужной скорости за приемлемое время. Задача решается за счёт использования составных многоступенчатых ракет, позволяющих отбросить излишний вес в процессе полёта.
За счёт уменьшения общего веса конструкции и выгорания топлива ускорение составной ракеты с течением времени увеличивается. Оно может немного снижаться лишь в момент сбрасывания отработавших ступеней и начала работы двигателей следующей ступени. Подобные многоступенчатые ракеты, предназначенные для запуска космических аппаратов, называют ракеты-носители[7].
Используемые для нужд космонавтики ракеты называются ракетами-носителями, так как они несут на себе полезную нагрузку. Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты. Старт ракеты-носителя происходит с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли.
Природа давления твердого тела на опору и давления внутри жидкости разная.
Твердое тело, обладая кристаллической решеткой, сохраняет свою форму, при отсутствии внешних воздействий. Поэтому давление твердого тела на поверхность прямо пропорционально зависит от силы (тяжести) и обратно пропорционально от площади, на которую эта сила распределена.
Жидкость не обладает кристаллической решеткой и не имеет своей формы, за исключением состояния невесомости, когда силы поверхностного натяжения формируют из жидкости шар. Во всех остальных случаях в поле силы (тяжести) жидкость принимает форму предоставленного ей объема, как правило, состоящего из более твердого материала. Давление в жидкости, в отличие от твердого тела, распространяется одинаково во все стороны, и его величина зависит только от плотности жидкости, величины действующего на жидкость ускорения (в поле силы тяжести у поверхности Земли g = 9,81 м/с²), и высоты столба жидкости над точкой измерения.
Такое поведение жидкости объясняется хаотическим движением ее молекул, суммарное действие которых по всем направлениям на одной глубине будет одинаковым.
Рассмотрим известный опыт Паскаля, в котором он вставил трубку в закрытую и наполненную бочку. Длина трубки была около 4 метров и, залив в трубку всего одну кружку воды, Паскаль добился того, что бочка треснула, не выдержав избыточного давления внутри бочки всего в Δр = 0,4 атм. Явление получило название "гидростатического парадокса", когда давление, производимое столбом жидкости намного больше веса этой жидкости.
Для иллюстрации величины давления жидкости в опыте Паскаля примем диаметр бочки за 1 метр. Тогда с заполненной водой трубкой, высотой 4 метра, на дно и прилегающие ко дну бочки стенки будет действовать сила:
ΔF = Δp · πd²/4 ≈ 30 кН,
что соответствует весу твердого тела с массой, порядка 3000 кг.
Разумеется, такое давление обычная бочка не могла выдержать..))
Это явление послужило основой для изобретения гидравлического пресса, в котором с малой силы, приложенной к малому поршню, можно создать силу, намного превышающую исходную, на большом поршне, что активно используется в технике.
Сформулированный на основе опытов Паскаля основной закон гидростатики (закон Паскаля) выражает собой изотропность (независимость от направления) внутренних напряжений, возникающих в жидкостях и газах.
Другими словами, - молекулы в верхних слоях жидкости передают энергию своего хаотического движения нижним слоям.
Что же происходит с той же водой при ее замерзании? - Молекулы воды связываются друг с другом в кристаллическую решетку и образуют твердое тело. Молекулы не перестают двигаться совсем (лед обладает свойством текучести), но не сталкиваются друг с другом, а колеблются около положения равновесия и, в целом, кусок льда ведет себя так же, как любое твердое тело.