Реактивний рух. Фізичні основи ракетної техніки. Досягнення космонавтики

 
 

Цікавий і важливий випадок практичного використання закону збереження імпульсу - це реактивний рух. Так називають рух тіла, який виникає п ід час відділення від тіла з певною швидкістю деякої його частини.

Реактивний рух здійснюють, наприклад, ракети. Будь-яка ракета - це система двох тіл. Вона складається з оболонки і пального, що в ній знаходиться. Оболонка має форму труби, один кінець якої закрито, а другий відкрито і забезпечено трубчастою насадкою з отвором особливої форми -реактивним соплом.

Пальне під час запуску ракети спалюється та перетворюється на газ високого тиску і високої температури. Завдяки високому тиску цей газ з великою швидкістю виривається із сопла ракети. Оболонка ракети рухається при цьому в протилежний бік (мал. 290).



 

Перед стартом ракети її загальний імпульс (оболонки і пального) в системі координат, пов’язаній із Землею, дорівнює нулю, ракета не рухається відносно Землі. У результаті взаємодії газу й оболонки, яка викидає газ, вона набуває певного імпульсу. Вважатимемо, що сила тяжіння практично не впливає на рух, тому оболонку й пальне можна розглядати як замкнуту систему та їх загальний імпульс повинен і після запуску залишитися рівним нулю. Оболонка, у свою чергу, завдяки взаємодії з газом набуває імпульсу, що дорівнює за модулем імпульсу газу, але протилежного за напрямком. Ось чому в рух приходить не тільки газ, але й оболонка ракети. У ній можуть бути розміщені наукові прилади для досліджень, засоби зв’язку. У ракеті може розміщу-

ватися космічний корабель, у якому перебувають космонавти або астронавти.

Закон збереження імпульсу дає змогу визначити швидкість руху ракети (оболонки).

Припустимо спочатку, що весь газ, що утворюється під час згоряння пального, викидається з ракети одразу, а не витікає поступово.

Позначимо всю масу газу, на який перетворюється пальне в ракеті, через тг, а швидкість газу - через иг. Масу і швидкість руху оболонки позначимо через тоб і v^. Згідно із законом збереження імпульсу сума імпульсів оболонки і газу після запуску повинна бути такою самою, якою була до запуску ракети, тобто повинна дорівнювати нулю. Отже,

(координатну вісь Оу вибрано в напрямку руху оболонки). Звідси визначимо швидкість руху оболонки:


З формули видно: що більша швидкість витікання газу і що більше відношення маси палива до маси оболонки, то швидкість руху оболонки ракети більша. Тому достатньо велику швидкість оболонка отримає в тому випадку, якщо маса палива набагато більша від маси оболонки. Наприклад, щоб швидкість руху оболонки була за абсолютним значенням у 4 рази більша від швидкості витікання газу, потрібно, щоб маса палива була у стільки само разів більша за масу оболонки, тобто оболонка повинна складати одну п’яту від усієї маси ракети на старті. Адже «корисна» частина ракети - це сама оболонка.

Зі створення ракет розпочалося активне освоєння космосу. Український авіаконстуктор Сергій Павлович Корольов і його колеги створили раке-ту-носій «Восток», і 12 квітня 1962 р. людина вийшла в космічний простір. Це був Юрій Гагарін.

Україна входить до складу космічних держав світу завдяки високому рівню науково-технічного і виробничого потенціалу, здійсненню власних космічних проектів, участі в міжнародній космічній діяльності.

У березні 1999 р. відбувся перший пуск української ракети-носія «Зеніт-SSL» за міжнародною програмою «Морський старт». Україна разом із США, Росією і Норвегією стала учасницею грандіозного проекту запусків з плавучого космодрому у Світовому океані.

У грудні 2004 р. було виведено в космос чергові супутники дистанційного зондування Землі серії «Січ», «Січ-1М» і перший український малогабаритний космічний апарат «МС-1-ТК».

За 15 років роботи Національного космічного агентства України (зараз Державне космічне агентство України) і підприємств української космічної галузі забезпечено більше як 100 пусків ракет-но-сіїв і виведено в космос понад 180 космічних апаратів.

У жовтні 2016 р. з о. Уоллопс (штат Вірджинія, США) відбувся успішний запуск модернізованої ракети-носія середнього класу Antares-230 із транспортним космічним кораблем Cygnus. Головним розробником ракети-носія є американська компанія Orbital АТК, а основну конструкцію її першого ступеня створили українські держпідприємства космічної галузі КБ «Південне» ім. М.К. Янгеля та ВО «Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова» (м. Дніпро) в кооперації з підприємствами «Хар-трон-АРКОС» (м. Харків), «Хартрон-ЮКОМ» (м. Запоріжжя), «ЧЕЗАРА», «РАПІД» (м. Чернігів) та ін.

Українські спеціалісти займалися модернізацією першого ступеня ракети-носія Antares, адаптуючи цей ступінь до нового, більш ефективного двигуна.

Вантажний корабель Cygnus доставив на Міжнародну космічну станцію понад 2 т вантажу (зразки для проведення наукових експериментів, наукові інструменти і продовольство), а також обладнання для виводу в космічний простір мініатюрних супутників. Астронавтка NASA Кейт Рубінс зробила знімки стикування корабля з Міжнародною космічною станцією, які були опубліковані на офіційній сторінці астронавтів агентства в Twitter (мал. 291).

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Ракета, як відомо, може отримати прискорення в космічному просторі, де навколо неї немає ніяких тіл. Крім того, для її прискорення потрібна сила, а сила - це дія одного тіла на інше. Чому прискорюється ракета?

2. Від чого залежить швидкість руху ракети?

3. Назвіть основні досягнення України в галузі космонавтики.

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Снаряд розірвався у верхній точці траєкторії на два осколки однакової маси. Швидкість руху снаряда безпосередньо перед вибухом була и, а швидкість руху одного з осколків одразу після вибуху = 2v і напрямлена вертикально вгору. Обчисліть значення і напрямок швидкості й2 другого осколка в момент вибуху.

Розв’язання

Оскільки під час вибуху снаряда виникають великі внутрішні сили і час їх дії дуже малий, то зовнішньою силою тяжіння можна знехтувати і вважати систему на час вибуху замкнутою. За законом збереження імпульсу:

Перепишемо це рівняння у проекціях на координатні осі:

Враховуючи, що за умовою задачі

отримаємо:

Тоді

Другий осколок полетить зі швидкістю v2 ~ 2,8и униз під кутом а = 45° до горизонту.

2. Хлопчик масою 50 кг рухається від носа до корми човна масою 150 кг зі швидкістю 0,6 м/с відносно човна. З якими швидкостями рухаються при цьому човен і хлопчик відносно води? Опором води знехтувати.

Розв’язання

Оскільки рівнодійна сил тяжіння та архімедової сили, що діють на човен, дорівнює нулю, система тіл «човен-хлопчик» є замкнутою. Силою опору води, що виникає під час руху човна, знехтуємо, оскільки при малих швидкостях ця сила мала. Застосуємо для цієї системи тіл закон збереження імпульсу відносно системи відліку, пов’язаної з нерухомою водою. Імпульс системи до початку руху хлопчика дорівнює нулю.

За додатний напрямок осі Ох виберемо напрямок руху човна. Відносно води проекція імпульсу човна на вісь Ох дорівнює m2v2, а імпульсу хлопчика -m1v1, де і v2 - відповідно швидкості руху хлопчика і човна відносно води. Із закону додавання швидкостей випливає, що v1 = и -v2.

Запишемо тепер закон збереження імпульсу:

Звідси швидкості човна і хлопчика відносно води дорівнюють:

Відповідь: швидкість руху човна дорівнює 0,15 м/с, а швидкість руху хлопчика 0,45 м/с.

Рівень А

257. Визначте імпульс тіла масою 5 кг, що рухається зі швидкістю 2 м/с.

258. У цистерні поливальної автомашини масою 4 т знаходиться 2 мводи. Визначте імпульс машини, коли вона рухається зі швидкістю: а) 18 км/год до місця поливу; б) 54 км/год, витративши всю воду.

259. Залізничний вагон масою 30 000 кг, що рухається зі швидкістю 1,5 м/с, зчіплюється з нерухомим вагоном, маса якого дорівнює 20 000 кг. Яка швидкість руху вагонів після зчеплення? Вагони знаходяться на прямолінійній ділянці шляху.

260. П ід час формування залізничного складу три зчеплених між собою вагони, що рухаються зі швидкостями 0,4 м/с, стикаються з нерухомим вагоном, після чого всі вагони продовжують рухатися в той самий бік з однаковою швидкістю. Визначте цю швидкість, якщо маси всіх вагонів однакові.

261. Людина масою 70 кг, яка біжить зі швидкістю 7 м/с, наздоганяє візок масою 30 кг, що рухається зі швидкістю 2 м/с, і стрибає на нього. З якою швидкістю почне рухатися візок після цього?

262. Куля масою 10 г пробила стіну, і в результаті швидкість її зменшилася від 800 м/с до 300 м/с. Визначте, на скільки зменшився імпульс кулі.

263. Людина масою 50 кг біжить зі швидкістю 10 м/с за візком, який рухається зі швидкістю 5 км/год, і стрибає на нього. Якою буде швидкість візка після цього, якщо його маса 80 кг?

264. Снаряд масою m1, що летів зі швидкістю v1 паралельно до рейок, потрапляє в нерухому платформу з піском масою m2 і застрягає в піску. З якою швидкістю почне рухатися платформа?

Рівень Б

265. Металева кулька масою 20 г, що падає зі швидкістю 5 м/с, ударяється пружно об сталеву плиту і відскакує від неї у протилежному напрямку з такою самою за модулем швидкістю. Визначте зміну імпульсу кульки та середню силу, що спричинила ця зміна, якщо зіткнення тривало 0,1 с.

266. Шофер вимкнув двигун автомобіля при швидкості 72 км/год. Через 3,4 с автомобіль зупинився. Сила тертя коліс по асфальту дорівнює 5880 Н. Визначте імпульс автомобіля в момент вимкнення двигуна. Яка маса автомобіля?

267. Автомобіль масою 2 т рухається зі швидкістю 36 км/год. Який час потрібний для повної зупинки автомобіля, після вимкнення двигуна, якщо сила тертя коліс об дорогу дорівнює 5880 Н?

268. Зенітний снаряд, випущений у вертикальному напрямку, досягнувши максимальної висоти, вибухнув. При цьому утворилися три уламки. Два уламки розлетілися під прямим кутом один до одного, причому швидкість першого уламка масою 9 кг дорівнює 60 м/с, а швидкість другого масою 18 кг дорівнює 40 м/с. Третій уламок відлетів зі швидкістю 200 м/с. Визначте графічно напрямок польоту третього уламка. Яка його маса?

269. З якою швидкістю буде рухатися хокейна шайба масою 160 г, щоб її імпульс дорівнював імпульсові кулі масою 8 г, яка летить зі швидкістю 600 м/с?

270. Граната масою 3 кг, що летить горизонтально зі швидкістю 15 м/с, розірвалася на дві частини. Швидкість осколка масою 2 кг збільшилася в напрямку руху до 25 м/с. Визначте швидкість меншого осколка.

271. Ракета масою 4 • 103 кг летить зі швидкістю 0,5 км/с. Від неї відокремлюється головна частина масою 103 кг і летить зі швидкістю 800 м/с. З якою швидкістю продовжуватиме політ частина ракети, що залишилася?

272. Криголам масою 5000 т рухався з вимкненими двигунами зі швидкістю 10 м/с. Після зіткнення з нерухомою крижиною судно стало рухатися разом з нею зі швидкістю 2 м/с. Обчисліть масу крижини. Опір води не враховувати.

273. Із човна масою 200 кг, що рухається зі швидкістю 1 м/с, у горизонтальному напрямку стрибає дівчинка масою 50 кг зі швидкістю 3 м/с. Яка швидкість човна після стрибка дівчинки, якщо вона стрибає з носа човна по ходу руху?


Лабораторна робота № 7

Вивчення закону збереження механічної енергії

Мета роботи: порівняти дві величини - зменшення потенціальної енергії тіла, прикріпленого до пружини, під час його падіння і збільшення потенціальної енергії розтягнутої пружини.

Прилади і матеріали: динамометр, жорсткість пружини якого дорівнює 40 Н/м; лінійка з міліметровими поділками; вантаж масою 0,100 ± 0,002 кг; фіксатор; штатив з муфтою і лапкою.

Для роботи використовується установка, зображена на малюнку 292. Це закріплений на штативі динамометр з фіксатором. Пружина динамометра закінчується дротяним стержнем з гачком. Фіксатор у збільшеному масштабі зображено окремо і позначено цифрою 1. Це легка коркова пластинка (розмірами 5х7х1,5 мм), прорізана ножем до її центра. Пластинку насаджують на дротяний стержень динамометра. Фіксатор повинен переміщуватися вздовж стержня з невеликим тертям, однак тертя має бути достатнім, щоб фіксатор сам по собі не падав униз. У цьому треба переконатися перед початком роботи. Для цього фіксатор установлюють біля нижнього краю шкали на обмежувальній скобі. Потім пружину розтягують і відпускають. Фіксатор разом з дротяним стержнем повинен піднятися вгору, відмічаючи цим максимальне видовження пружини, яке дорівнює відстані від упора до фіксатора.

Якщо підняти вантаж, який висить на гачку динамометра, так, щоб пружина була не розтягнена, то потенціальна енергія вантажу відносно, наприклад, поверхні стола дорівнює mgH. Під час падіння вантажу (опускання на відстань х = h) потенціальна енергія вантажу зменшиться на E1 = mgh, а енергія пружини під час її деформації збільшиться на E2 = kx2 : 2.

X і д роботи

1. Вантаж міцно закріпіть на гачку динамометра.

2. Підніміть вантаж рукою, розвантажуючи пружину, і встановіть фіксатор унизу біля скоби.

3. Опустіть вантаж. Падаючи, вантаж розтягне пружину. Зніміть ван

таж і за положенням фіксатора виміряйте лінійкою максимальне видовження xmax пружини. xmax1 = м.

7. Порівняйте відношення Е : Е з одиницею, зробіть висновок про похибку, з якою було перевірено закон збереження енергії.

8. Зробіть висновки.

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.