Ньютона считают автором одного из самых ранних проектов парового автомобиля: автомобиль должен был приводиться в движение вырывающимся из котла паром. Сам котёл стоял на колёсах (рис. 267). Каков принцип движения этого автомобиля?

рис. 267

Принцип движения данного автомобиля основывается на третьем законе Ньютона, который гласит: "Сила действия равна силе противодействия, но противоположна ей по направлению". Этот закон является фундаментальным для понимания движения реактивных объектов, таких как ракеты, двигатели внутреннего сгорания или, как в данном случае, паровые автомобили.

Для разбора принципа движения автомобиля рассмотрим физические процессы, происходящие в системе:

1. Процесс нагрева и образование пара
   Внутри котла, изображённого на рисунке, находится вода. Когда вода нагревается, она начинает испаряться, превращаясь в пар. Пар обладает большой энергией из−за высокой температуры и давления. Это давление создаётся за счёт нагрева воды и ограниченного пространства внутри котла. Чем сильнее нагрев, тем больше пара образуется, а следовательно, выше давление внутри котла.

2. Выход пара через сопло
   Через специальное отверстие или сопло пар выходит наружу. При этом поток пара создаёт направленную реакцию, поскольку молекулы пара, вырываясь из отверстия, устремляются в одну сторону (например, вправо на рисунке). Поток пара придаёт импульс молекулам в направлении выхода.

3. Реактивное движение автомобиля
   Согласно третьему закону Ньютона, если пар действует на окружающую среду, вырываясь наружу, то окружающая среда оказывает равное по величине, но противоположное по направлению воздействие на сам котёл (а значит, и на автомобиль). Это сила противодействия направлена в противоположную сторону от выхода пара (влево на рисунке), что и приводит к движению автомобиля вперёд.

4. Импульс и закон сохранения импульса
   Для более глубокого понимания можно применить закон сохранения импульса. Система "котёл + пар" изначально находится в состоянии покоя, то есть общий импульс системы равен нулю. Когда пар вырывается из сопла и движется в одну сторону, он приобретает определённый импульс. Чтобы сохранить общий импульс системы равным нулю, котёл должен двигаться в противоположную сторону с таким импульсом, чтобы компенсировать импульс двигающегося пара.

5. Сопротивление движению
   Следует отметить, что на автомобиль также действуют силы сопротивления: трение колёс о поверхность дороги и сопротивление воздуха. Для успешного движения автомобиля давление и скорость выхода пара должны быть достаточными, чтобы преодолеть силы сопротивления.

6. Практическая реализация
   Хотя идея Ньютона была революционной, практическая реализация такого парового автомобиля ограничивалась технологическими возможностями того времени. Управлять направлением движения и поддерживать стабильное давление пара было крайне сложно. Однако этот принцип реактивного движения впоследствии стал основой для разработки паровых двигателей и ракет.

Таким образом, основным принципом движения этого автомобиля является реактивное движение, вызванное вырыванием пара из котла, что, в свою очередь, основано на третьем законе Ньютона и законе сохранения импульса.