Реактивное движение. Физические основы ракетной техники

 
 

Благодаря чему могут двигаться люди, автомобили, животные? Почему летают планеры, птицы, бабочки? Почему плавают рыбы, катера, подводные лодки? Ответ прост: все перечисленные тела от чего-то отталкиваются: человек, животное, автомобиль — от поверхности Земли; планеры, птицы, бабочки — от воздуха; рыбы и катера — от воды. А как объяснить движение космического летательного аппарата, ведь он не может от чего-то оттолкнуться? Но космические корабли летают в открытом космосе, выполняют маневры, возвращаются на Землю. От чего же они отталкиваются? Выясним.

Узнаём о реактивном движении

Проведем простой опыт. Надуем воздушный шарик и, не стягивая его отверстие нитью, отпустим. Шарик придет в движение и будет двигаться до тех пор, пока из отверстия вырывается воздух. В данном случае мы имеем дело с реактивным движением(рис. 37.1).

Реактивное движение — это движение, возникающее в результате отделения от тела его части с некоторой относительно этого тела скоростью.

Основа реактивного движения — закон сохранения импульса.

Вернемся к опыту с шариком. Если отверстие шарика закрыто, он находится в покое и импульс системы «шарик — воздух» равен нулю.

Если отверстие открыть, то воздух начнет вырываться наружу с довольно большой скоростью, то есть приобретет некоторый импульс: p = mвдв. Сам шарик тоже приобретет импульс: ^ш = mшvш, направленный в сторону, противоположную направлению импульса воздуха.

Представим, что система «шарик — воздух» замкнута. Тогда в соответствии с законом сохранения импульса общий импульс системы «шарик — воздух» остается неизменным и равен нулю: mвив + mшvш = 0. Значит, скорость движения шарика

Знак «-» означает, что

шарик движется в направлении, противоположном движению воздуха.

Рис. 37.1. Движение шарика под действием воздуха, вырывающегося из отверстия, — реактивное движение



 

Прообразом современных реактивных двигателей можно считать «шар Ге-рона», или «эолипил». Это устройство было создано в I в. выдающимся древнегреческим математиком и механиком Ге-рономиз Александрии. Пар, выходящий из закрепленных на шаре согнутых трубочек (сопел), заставляет шар вращаться.

Рис. 37.2. Старт ракеты «Зенит» (сделана в Украине)

Рассмотрим еще один пример — отдачу автомата, делающего n выстрелов в секунду. Обозначим массу одной пули тп, а ее скорость в момент вылета из дула — v. Общий импульс, который приобретает пуля за секунду (скорость изменения импульса), составит n ■ muv . Сила F, действующая на пулю, равна скорости изменения импульса пуль:

Согласно третьему закону Ньютона такая же по модулю сила, но направленная противоположно, действует и на автомат. Аналогично возникает движущая реактивная сила в ракете, когда из ее сопла выбрасывается газ.

Рис. 37.3. Трехступенчатая ракета-носитель «Восток»

Изучаем реактивное движение ракеты

Ракета — летательный аппарат, который перемещается в пространстве благодаря реактивной тяге, возникающей в результате отбрасывания ракетой части собственной массы.


Отделяемая часть ракеты — струя горячего газа, образующегося при сгорании топлива. Когда струя газа с огромной скоростью вырывается из сопла ракеты, оболочка ракеты получает мощный импульс, направленный в сторону, противоположную скорости движения струи (рис. 37.2).

Двигатель ракеты — это тепловой двигатель. Что в этом двигателе служит нагревателем? рабочим телом? холодильником?

Представим невероятную ситуацию: в момент старта все топливо ракеты сгорает мгновенно. До старта ракета находится в покое, поэтому закон сохранения импульса после сгорания топлива выглядел бы так:

Если предположить, что масса топлива в 4 раза больше массы оболочки (тгаза = 4тоб),

а скорость струи газа vra3a = 2 км/с (приблизительно с такой скоростью из сопла ракеты вырывается раскаленный газ), получим скорость движения оболочки ракеты: v я = 4v = 8 км/с*.

Итак, если бы топливо ракеты сгорало мгновенно, а движению ракеты ничего не препятствовало, то скорость, набранная ракетой, была бы достаточной для того, чтобы вывести ракету на орбиту Земли. Однако в реальности топливо сгорает постепенно, а на движение ракеты заметно влияет сопротивление воздуха. Расчеты показывают, что для достижения необходимой скорости масса топлива должна в 200 раз превышать массу оболочки, а это нереально реализовать технически.

Еще в начале XX в. было доказано, что одноступенчатая ракета не сможет покинуть Землю. Это могут сделать только многоступенчатые ракеты — в них ступени с опустевшими топливными резервуарами отбрасываются в полете (и затем сгорают в атмосфере из-за трения о воздух); при этом масса ракеты уменьшается, соответственно увеличивается скорость ее движения. Заметим, что все ракеты-носители космических аппаратов, как самые первые, так и современные, — многоступенчатые.

На рис. 37.3 представлена трехступенчатая ракета-носитель «Восток». Она состоит из четырех боковых блоков (I ступень), расположенных вокруг центрального блока (II ступень). Космический аппарат устанавливается на III ступени, под головным обтекателем, защищающим аппарат во время полета в плотных слоях атмосферы. Каждый блок оснащен собственными реактивными двигателями.

12 апреля 1961 г. ракета-носитель «Восток» вывела на орбиту космический корабль «Восток», на борту которого находился первый в мире космонавт Ю. А. Гагарин (рис. 37.4). Этот полет был осуществлен по инициативе и под руководством выдающегося конструктора Сергея Павловича Королева (1907-1966), уроженца г. Житомира.


Контрольные вопросы

1. Дайте определение реактивного движения. 2. Опишите опыты по наблюдению реактивного движения. 3. Запишите закон сохранения импульса для движения ракеты, предположив, что все ее топливо сгорает мгновенно в момент старта. 4. Почему для запуска космических кораблей с поверхности Земли используют многоступенчатые ракеты? 5. Назовите имя первого в истории человечества космонавта и имя конструктора, под руководством которого был осуществлен первый полет человека в космос.

1. «Сегнерово колесо» (рис. 1) — устройство, изобретенное венгерским ученым и механиком Яношем Андро-шем Сегнером (1704-1777), — сейчас применяется для полива газонов. Рассмотрите рис. 1 и объясните, как работает это устройство. Можно ли считать «сегнерово колесо» реактивным двигателем? Поясните свой ответ.

2. Скорость стрельбы скорострельного пулемета, который вы, возможно, видели в фильме «Матрица», достигает 10 000 выстрелов в минуту; он выпускает пули массой 10 г со скоростью 600 м/с. Какова сила отдачи такого оружия? Действительно ли можно стрелять, держа его в руках?

3. От ракеты, двигавшейся со скоростью 2,4 км/с, отделилась первая ступень, масса которой составляла четверть массы ракеты. С какой скоростью начала двигаться ракета, если скорость движения первой ступени после отделения равна 900 м/с относительно ракеты.

4. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте об украинских космонавтах.

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, как движется кальмар; какие существа используют реактивное движение; где еще можно наблюдать реактивное движение в природе.

Экспериментальное задание

Из пластиковой бутылки и трубочек для коктейля изготовьте «сегнерово колесо» (рис. 2) и проверьте, как работает это устройство.

Физика и техника в Украине

Сергей Павлович Королев (1907-1966) — академик, всемирно известный украинский советский ученый в области ракетостроения и космонавтики, конструктор первых искусственных спутников Земли и космических кораблей.

Под руководством С. П. Королева была разработана и создана серия уникальных ракет-носителей, обеспечивших настоящий прорыв в исследовании космоса: запуск первого в истории искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.); первый в истории космический полет космонавта Юрия Алексеевича Гагарина на корабле «Восток» (12 апреля 1961 г.); вывод на орбиту первого многоместного корабля серии «Восход» с экипажем на борту (12 октября 1964 г.); первый выход в открытый космос космонавта А. А. Леонова (18 марта 1965 г.). С. П. Королев воспитал плеяду своих многочисленных последователей — ученых, конструкторов, инженеров.

Интересно, что первый космонавт из Украины П. Р. Попович, ракету с которым в 1962 г. вывел на орбиту С. П. Королев, запел из космоса для главного конструктора его любимую песню «Дивлюсь я на небо...».

В Житомире, на родине конструктора, открыт Музей космонавтики им. С. П. Королева, на центральной площади города ему установлен памятник.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.