Реактивний рух. Фізичні основи ракетної техніки »mozok.click

Завдяки чому можуть рухатися люди, автомобілі, тварини? Чому літають планери, птахи, метелики? Чому плавають риби, катери, підводні човни? Відповідь проста: всі перераховані тіла від чогось відштовхуються: людина, тварина, автомобіль - від поверхні Землі; планери, птахи, метелики - від повітря; риби та катери - від води. А як пояснити рух космічного літального апарату, адже він не може від чогось відштовхнутися? Але космічні кораблі літають у відкритому космосі, виконують маневри, повертаються на Землю. Від чого ж вони відштовхуються? З'ясуємо.

Дізнаємося про реактивному русі

Проведемо простий досвід. Надуємо повітряну кульку і, не стягуючи його отвір ниткою, відпустимо. Кулька почне рухатися і буде рухатися до тих пір, поки з отвору виривається повітря. В даному випадку ми маємо справу з реактивним рухом (рис. 37.1).

Реактивний рух - це рух, що виникає в результаті відділення від тіла його частини з деякою щодо цього тіла швидкістю.

Основа реактивного руху - закон збереження імпульсу.

Повернемося до досвіду з кулькою. Якщо отвір кульки закрито, він знаходиться в спокої і імпульс системи «кулька - повітря» дорівнює нулю.

Якщо отвір відкрити, то повітря почне вириватися назовні з досить великою швидкістю, тобто придбає певний імпульс: p = mвдв. Сам кулька теж придбає імпульс: ^ ш = mшvш, спрямований в бік, протилежний напрямку імпульсу повітря.

Уявімо, що система «кулька - повітря» замкнута. Тоді відповідно до закону збереження імпульсу загальний імпульс системи «кулька - повітря» залишається незмінним і дорівнює нулю: mвів + mшvш = 0. Значить, швидкість руху кульки

Знак «-» означає, що

кулька рухається в напрямку, протилежному руху повітря.

Мал. 37.1. Рух кульки під дією повітря, що виривається з отвору, - реактивний рух

Прообразом сучасних реактивних двигунів можна вважати «куля Ге-рона», або «еоліпіл». Це пристрій було створено в I в. видатним давньогрецьким математиком і механіком Ге-рономіз Олександрії. Пара, що виходить із закріплених на кулі зігнутих трубочок (сопел), змушує куля обертатися.

Мал. 37.2. Старт ракети «Зеніт» (зроблена в Україні)

Розглянемо ще один приклад - віддачу автомата, що робить n пострілів в секунду. Позначимо масу однієї кулі тощо, а її швидкість в момент вильоту з дула - v. Загальний імпульс, який набуває куля за секунду (швидкість зміни імпульсу), складе n ■ muv. Сила F, що діє на кулю, дорівнює швидкості зміни імпульсу куль:

Згідно з третім законом Ньютона така ж по модулю сила, але спрямована протилежно, діє і на автомат. Аналогічно виникає рушійна реактивна сила в ракеті, коли з її сопла викидається газ.

Мал. 37.3. Триступенева ракета-носій «Восток»

Вивчаємо реактивне рух ракети

Ракета - літальний апарат, який переміщається в просторі завдяки реактивній тязі, що виникає в результаті відкидання ракетою частини власної маси.

Відокремлена частина ракети - струмінь гарячого газу, що утворюється при згоранні палива. Коли струмінь газу з величезною швидкістю виривається з сопла ракети, оболонка ракети отримує потужний імпульс, спрямований у бік, протилежний швидкості руху струменя (рис. 37.2).

Двигун ракети - це тепловий двигун. Що в цьому двигуні служить нагрівачем? робочим тілом? холодильником?

Уявімо неймовірну ситуацію: в момент старту все паливо ракети згоряє миттєво. До старту ракета знаходиться в спокої, тому закон збереження імпульсу після згоряння палива виглядав би так:

Якщо припустити, що маса палива в 4 рази більша за масу оболонки (тгаза = 4тоб),

а швидкість струменя газу vra3a = 2 км / с (приблизно з такою швидкістю з сопла ракети виривається розпечений газ), отримаємо швидкість руху оболонки ракети: v я = 4v = 8 км / с *.

Отже, якби паливо ракети згорали миттєво, а руху ракети нічого не перешкоджало, то швидкість, набрана ракетою, була б достатньою для того, щоб вивести ракету на орбіту Землі. Однак в реальності паливо згорає поступово, а на рух ракети помітно впливає опір повітря. Розрахунки показують, що для досягнення необхідної швидкості маса палива повинна в 200 разів перевищувати масу оболонки, а це нереально реалізувати технічно.

Ще на початку XX ст. було доведено, що одноступенева ракета не зможе покинути Землю. Це можуть зробити тільки багатоступінчасті ракети - в них ступені з спустілими паливними резервуарами відкидаються в польоті (і потім згоряють в атмосфері через тертя об повітря); при цьому маса ракети зменшується, відповідно збільшується швидкість її руху. Зауважимо, що всі ракети-носії космічних апаратів, як найперші, так і сучасні, - багатоступінчасті.

На рис. 37.3 представлена ​​триступенева ракета-носій «Восток». Вона складається з чотирьох бічних блоків (I ступінь), розташованих навколо центрального блоку (II ступінь). Космічний апарат встановлюється на III ступені, під головним обтічником, що захищає апарат під час польоту в щільних шарах атмосфери. Кожен блок оснащений власними реактивними двигунами.

12 квітня 1961 р ракета-носій «Восток» вивела на орбіту космічний корабель «Восток», на борту якого перебував перший в світі космонавт Ю. А. Гагарін (рис. 37.4). Цей політ був здійснений з ініціативи та під керівництвом видатного конструктора Сергія Павловича Корольова (1907-1966), уродженця м.Житомира.

Контрольні питання

1. Дайте визначення реактивного руху. 2. Опишіть досліди по спостереженню реактивного руху. 3. Запишіть закон збереження імпульсу для руху ракети, припустивши, що всі її паливо згорає миттєво в момент старту. 4. Чому для запуску космічних кораблів з поверхні Землі використовують багатоступінчасті ракети? 5. Назвіть ім'я першого в історії людства космонавта і ім'я конструктора, під керівництвом якого був здійснений перший політ людини в космос.

1. «сегнерова колесо» (рис. 1) - пристрій, винайдене угорським вченим і механіком Яношем Андро-шем Сегнерово (1704-1777), - зараз застосовується для поливу газонів. Розгляньте рис. 1 і поясніть, як працює цей пристрій. Чи можна вважати «сегнерова колесо» реактивним двигуном? Поясніть свою відповідь.

2. Швидкість стрільби швидкострільного кулемета, який ви, можливо, бачили у фільмі «Матриця», досягає 10 000 пострілів в хвилину; він випускає кулі масою 10 г зі швидкістю 600 м / с. Яка сила віддачі такої зброї? Чи справді можна стріляти, тримаючи його в руках?

3. Від ракети, що рухалася зі швидкістю 2,4 км / с, відокремилася перша сходинка, маса якої становила чверть маси ракети. З якою швидкістю почала рухатися ракета, якщо швидкість руху першого ступеня після відділення дорівнює 900 м / с щодо ракети.

4. Скористайтеся додатковими джерелами інформації і дізнайтеся про українських космонавтів.

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації і дізнайтеся, як рухається кальмар; які істоти використовують реактивний рух; де ще можна спостерігати реактивний рух в природі.

експериментальне завдання

З пластикової пляшки і трубочок для коктейлю виготовте «сегнерова колесо» (рис. 2) і перевірте, як працює цей пристрій.

Фізика і техніка в Україні

Сергій Павлович Корольов (1907-1966) - академік, всесвітньо відомий український радянський вчений в галузі ракетобудування та космонавтики, конструктор перших штучних супутників Землі і космічних кораблів.

Під керівництвом С. П. Корольова була розроблена і створена серія унікальних ракет-носіїв, що забезпечили справжній прорив в дослідженні космосу: запуск першого в історії штучного супутника Землі (4 жовтня 1957 року); перший в історії космічний політ космонавта Юрія Олексійовича Гагаріна на кораблі «Восток» (12 квітня 1961 г.); висновок на орбіту першого багатомісного корабля серії «Восход» з екіпажем на борту (12 жовтня 1964 г.); перший вихід у відкритий космос космонавта А. А. Леонова (18 березеня 1965 г.). С. П. Корольов виховав плеяду своїх численних послідовників - вчених, конструкторів, інженерів.

Цікаво, що перший космонавт з України П. Р. Попович, ракету з яким в 1962 р вивів на орбіту С. П. Корольов, заспівав з космосу для головного конструктора його улюблену пісню «Дивлюсь я на небо ...».

У Житомирі, на батьківщині конструктора, відкритий Музей космонавтики ім. С. П. Корольова, на центральній площі міста йому встановлено пам'ятник.

Це матеріал підручника Фізика 9 клас Бар'яхтар, Довгий