Сообщение 2
Реактивное движение – это механическое явление, один из способов тела передвигаться в пространстве. Оно происходит под действием силы, которая называется реактивной тягой. Причина появления этой силы лежит в таком физическом явлении, как импульс.
Импульс – это одно из свойств, описывающий тело. Он равен произведению массы тела на его скорость
Что не менее важно (этот факт пригодится когда речь пойдет о реактивной тяге), у импульса есть вектор и он всегда направлен одинаково с вектором скорости. Иными словами, импульс направлен по направлению движения тела
Рассмотрим ситуацию, невозможную с точки зрения физики, но весьма наглядно демонстрирующую действие реактивной силы. Имеется однородный шар, брошенный под углом. В какой-то точке его траектории вектор его скорости имеет угол 45 градусов к горизонту. Неожиданно от шара отказывается ровно половина его объема и летит в ровно противоположном сохранении. Согласно закону сохранения импульса, суммарный импульс обеих частей должен быть равен изначальному. Но так как вторая половинка полетела в ровно противоположном направлении, импульс той, что сохранила прежний вектор, должен увеличиться. Если записать формулу этого события, то можно выяснить, что новая скорость будет втрое больше изначальной. Таким образом, тело и стало легче, и увеличило скорость – то есть в целом получила выигрыш в летательных характеристиках по отношению к своему изначальному состоянию.
Здесь мы подходим к определению реактивного движения. Реактивное движение – это такое движение, причиной которого является отделение части массы тела.
Попробуем представить, каким бы был опыт с располовиненным шариком в реальности. На движение “падающего” осколка влияла бы только сила притяжения Земли. В формулу следовало бы добавить cos45 чтобы компенсировать новый угол между векторами. Так как это бы уменьшило прирост скорости, очевидно, что для запусков летательных аппаратов выгоднее чтобы векторы отбрасываемой и ускоряющейся частей были противоположны.
Именно поэтому Реактивное движение используется при запуске ракет и космических аппаратов, которые при взлёте поднимаются практически вертикально. Происходит это так: продукты сгорания топлива, выбрасываемые ракетой, под действием силы тяжести летят вниз, тем самым одновременно ускоряя саму ракету и уменьшая ее вес.
9, 10 класс
Морские животные
Многие морские животные пользуются для передвижения пользуются реактивным движением, среди них медузы, морские гребешки, осьминоги, кальмары, каракатицы, сальпы, некоторые виды планктона. Все они используют реакцию выбрасываемой струи воды, отличие состоит в строении тела, а следовательно в способе забора и выброса воды.
Морской моллюск-гребешок (рис 3) движется за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок. Он применяет этот вид движения в случае опасности.
Каракатицы (рис 4) и осьминоги (рис 5) забирают воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны. Осьминоги, складывая щупальца над головой, придают своему телу обтекаемую форму и могут таким образом управлять своим движением, изменяя его направление.
Осьминоги даже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами.
Сальпа (рис 6) — морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается и вода через заднее отверстие выталкивается наружу.
Кальмары (рис 7). Мышечная ткань — мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. Двигатель кальмара очень экономичен и способен развивать скорость до 60 — 70 км/ч. Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту или другую сторону. Поскольку такой руль по сравнению с самим животным имеет очень большие размеры, то достаточно его незначительного движения, чтобы кальмар, даже на полном ходу, легко мог увернуться от столкновения с препятствием. Но когда нужно плыть быстро, воронка всегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед.
Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя (см. Приложение).
Лучший пилот среди моллюсков — кальмар стенотевтис. Моряки называют его — «летающий кальмар». Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. К этой уловке он прибегает и спасая свою жизнь от хищников — тунцов и макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров — не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.
Английский исследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длиной всего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упал на мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров.
Случается, что на корабль сверкающим каскадом обрушивается множество летающих кальмаров. Античный писатель Требиус Нигер поведал однажды печальную историю о корабле, который будто бы даже затонул под тяжестью летающих кальмаров, упавших на его палубу.
Законы Ньютона в реактивном движении
Инженеры основывают свои разработки на принципах устройства мироздания, впервые подробно описанных в работах выдающегося британского ученого Исаака Ньютона, жившего в конце 17 столетия. Законы Ньютона описывают механизмы гравитации и рассказывают нам о том, что происходит, когда предметы движутся. Они особенно четко объясняют движение тел в пространстве.
Второй закон Ньютона определяет, что сила движущегося предмета зависит от того, сколько материи он вмещает, иными словами, его массы и изменения скорости движения (ускорения). Значит, чтобы создать мощную ракету, необходимо, чтобы она постоянно выпускала большое количество высокоскоростной энергии. Третий закон Ньютона говорит о том, что на каждое действие будет равная по силе, но противоположная реакция — противодействие. Реактивные двигатели в природе и технике подчиняются этим законам. В случае с ракетой сила действия — материя, которая вылетает из выхлопной трубы. Противодействием является толчок ракеты вперед. Именно сила выбросов из нее толкает ракету. В космосе, где ракета практически не имеет веса, даже незначительный толчок от ракетных двигателей способен заставить большой корабль быстро лететь вперед.
Падающая кошка
Но самый интересный способ движения продемонстрировала обыкновенная кошка
.
Лет сто пятьдесят назад известный французский физик Марсель Депре
заявил:
Действительно, это знают все: кошки, падая; ухитряются всегда становиться на ноги.
Кошки это делают инстинктивно, а человек может сделать то же самое сознательно. Пловцы, прыгающие с вышки в воду, умеют выполнять сложную фигуру — тройное сальто, то есть трижды перевернуться в воздухе, а потом вдруг выпрямиться, приостановить вращение своего тела и уже по прямой линии нырнуть в воду.
Такие же движения, — без взаимодействия с каким-либо посторонним предметом, случается наблюдать в цирке во время выступления акробатов — воздушных гимнастов.
Падающую кошку сфотографировали киносъемочным аппаратом и потом на экране рассматривали кадр за кадром, что делает кошка, когда летит в воздухе. Оказалось, что кошка быстро вертит лапкой. Вращение лапки вызывает ответное движение- реакцию всего туловища, и оно поворачивается в сторону, противоположную движению лапки. Все происходит в строгом соответствии с законами Ньютона, и именно благодаря им кошка становится на ноги.
То же самое происходит во всех случаях, когда живое существо без всякой видимой причины изменяет свое движение в воздухе.
Физические основы принципа реактивного движения
Вначале обратимся к простейшему опыту. Надуем резиновый шарик и, не завязывая, отпустим в свободный полёт. Стремительное движение шарика будет продолжаться до тех пор, пока истекающая из него струя воздуха будет достаточно сильной.
Для объяснения результатов этого опыта нам следует обратиться к III закону Ньютона, который утверждает, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению. Следовательно, сила, с которой шарик воздействует на вырывающиеся из него струи воздуха, равна силе, с которой воздух отталкивает от себя шарик.
Перенесем эти рассуждения на ракету. Эти устройства на огромной скорости выбрасывают некоторую часть своей массы, вследствие чего сами получают ускорение в противоположном направлении.
С точки зрения физики этот процесс чётко объясняется законом сохранения импульса. Импульс — это произведение массы тела на его скорость (mv) Пока ракета в покое, её скорость и импульс равны нулю. Если из неё выбрасывается реактивная струя, то оставшаяся часть по закону сохранения импульса должна приобрести такую скорость, чтобы суммарный импульс по-прежнему был равным нулю.
Обратимся к формулам:
m гvг+ m рvр=0;
отсюда
m гvг=- m рvр,
где m гvг импульс создаваемой струей газов, m рvр импульс, полученный ракетой.
Знак минус показывает, что направление движения ракеты и реактивной струи противоположны.
Первые мировые прототипы
Разработкой, тестированием новых авиалайнеров и их производством занимались не только немецкие и советские конструкторы. Инженерами США, Италии, Японии, Великобритании также было создано немало успешных проектов, применяемых реактивное движение в технике. К числу первых разработок с различными типами двигателей можно отнести:
- Не-178 — немецкий самолет с турбореактивной силовой установкой, поднявшийся в воздух в августе 1939 года.
- GlosterE. 28/39 — летательный аппарат родом из Великобритании, с мотором турбореактивного типа, впервые поднялся в небо в 1941 году.
- Не-176 — истребитель, созданный в Германии с применением ракетного двигателя, осуществил свой первый полет в июле 1939 года.
- БИ-2 — первый советский летательный аппарат, который приводился в движение посредством ракетной силовой установки.
- CampiniN.1 — реактивный самолет, созданный в Италии, ставший первой попыткой итальянских конструкторов отойти от поршневого аналога.
- Yokosuka MXY7 Ohka («Ока») с мотором Tsu-11 — японский истребитель-бомбардировщик, так называемый одноразовый летательный аппарат с пилотом-камикадзе на борту.
Использование реактивного движения в технике послужило резким толчком для быстрого создания следующих реактивных летательных аппаратов и дальнейшего развития военного и гражданского самолетостроения.
- GlosterMeteor — воздушно-реактивный истребитель, изготовленный в Великобритании в 1943 году, сыграл существенную роль во Второй Мировой войне, а после ее завершения выполнял задачу перехватчика немецких ракет «Фау-1».
- LockheedF-80 — реактивный летательный аппарат, произведенный в США с применением мотора типа AllisonJ. Эти самолеты не раз участвовали в японско-корейской войне.
- B-45 Tornado — прототип современных американских бомбардировщиков B-52, созданный в 1947 году.
- МиГ-15 — последователь признанного реактивного истребителя МиГ-9, который активно участвовал в военном конфликте в Корее, был произведен в декабре 1947 г.
- Ту-144 — первый советский сверхзвуковой воздушно-реактивный пассажирский самолет.
Законы Ньютона
Законы Ньютона объясняют очень важное механическое явление — движение струи. Это имя дается движению тела, которое происходит, когда часть тела отделяется от него с определенной скоростью
Например, возьмите резиновый мяч ребенка, надуйте его и отпустите. Увидим, что сам мяч летит в противоположном направлении, когда воздух выходит из него в одном направлении. Это и есть движение струи.
Согласно принципу реактивного движения, некоторые представители животного мира движутся, например, кальмары и осьминоги. Периодически выбрасывая воду, они достигают скорости 60-70 км/ч. Медузы, кальмары и некоторые другие животные двигаются подобным образом.
Реактивное движение, происходящее при выбросе воды, можно увидеть на следующих примерах. Налейте воду в стеклянную воронку, подключенную к резиновому шлангу, который D — образный наконечник (см. рисунок). Мы увидим, что когда вода начинает выходить из трубы, сама труба движется и отклоняется в противоположном направлении.
Когда рабочий орган заканчивается, пустые резервуары, дополнительные части корпуса и т.д. начинают загружать ракету лишним весом, что затрудняет ее рассеивание. Поэтому для достижения космической скорости используются составные (или многоступенчатые) ракеты (см. рисунок). Первоначально в таких ракетах работает только первая ступень 1. Когда у них заканчивается топливо, они отделяются и активируется вторая ступень 2; когда топливо в них расходуется, они также отделяются и активируется третья ступень 3. Спутник или другой космический аппарат в головной части ракеты прикрывается головным обтекателем 4, обтекаемая форма которого уменьшает сопротивление во время полета ракеты в земной атмосфере.
Когда струя газа выбрасывается из ракеты на большой скорости, сама ракета гонит в обратном направлении. Почему это происходит?
Согласно третьему закону Ньютона, сила F’, с которой ракета действует на рабочий орган, равна и противоположна силе F’, с которой рабочий орган действует на корпус ракеты.
Сила F’ (которая называется лучистая сила) и рассеивает ракету.
Из этого равенства следует, что сообщаемый организму импульс соответствует произведению силы в течение всего времени ее действия. Поэтому одни и те же силы, действующие в один и тот же период времени, дают одни и те же импульсы. В этом случае регистрируемый ракетой импульс mrvr должен быть равен импульсу отработавших газов.
Его имя относится к уравнению движения тела с переменной массой. Реактивный двигатель — это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель получает скорость в обратном направлении. На каких принципах и физических законах основаны ваши действия? Все знают, что дробовик сопровождается отдачей. Если бы вес пули был равен весу дробовика, он бы летал с той же скоростью. Отдача происходит потому, что выделяющаяся масса газа создает реактивную силу, которая может вызвать движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость выхлопных газов, тем больше сила отдачи, которую чувствует плечо, тем сильнее реакция оружия, тем больше сила реакции. Это можно легко объяснить сохранением теоремы об импульсе, которая гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульса тела, образующая замкнутую систему, остается постоянной для всех движений и взаимодействий тел системы.
К. Е. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, с которой может развиваться ракета.
Здесь vmax — максимальная скорость ракеты, v0 — скорость старта, vr — скорость потока газа в сопле, m — пусковая масса топлива и M — масса пустой ракеты. Как видно из формулы, эта максимально достижимая скорость зависит, прежде всего, от скорости потока газов из сопла, которая, в свою очередь, зависит, прежде всего, от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем выше скорость. Это означает, что для ракеты должно быть выбрано топливо с самыми высокими калориями, выделяющее наибольшее количество тепла. Из формулы также следует, что эта скорость зависит от начальной и конечной массы ракеты, т.е. от того, какая доля ее массы — топливо, а какая — бесполезные (с точки зрения скорости полета) конструкции: фюзеляж, механизмы и др.
Эта формула Циолковского является основой, на которой строится весь расчет современных ракет. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к массе пустой ракеты) называется номером Циолковского.
Основной вывод из этой формулы состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета развивает более высокую скорость, чем больше поток газа, тем больше число Циолковского.
Принципы применения реактивных двигателей
Основой любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой при сгорании топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Газы вырываются из узкого сопла ракеты с большой скоростью и создают реактивную тягу. В соответствии с законом сохранения импульса, ракета приобретает скорость в противоположном направлении.
Импульс системы (ракета-продукты сгорания) остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянной скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения.
Движение ракеты — это пример движения тела с переменной массой. Для расчета ее скорости используют закон сохранения импульса.
Реактивные двигатели делятся на ракетные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.
Ракетные двигатели бывают на твердом или на жидком топливе.
В ракетных двигателях на твердом топливе топливо, содержащее и горючее, и окислитель, помешают внутрь камеры сгорания двигателя.
В жидкостно-реактивных двигателях, предназначенных для запуска космических кораблей, горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания. В качестве горючего в них можно использовать керосин, бензин, спирт, жидкий водород и др., а в качестве окислителя, необходимого для горения, — жидкий кислород, азотную кислоту, и др.
Современные трехступенчатые космические ракеты запускаются вертикально, а после прохода плотных слоев атмосферы переводятся на полет в заданном направлении. Каждая ступень ракеты имеет свой бак с горючим и бак с окислителем, а также свой реактивный двигатель. По мере сгорания топлива отработанные ступени ракеты отбрасываются.
Воздушно-реактивные двигатели в настоящее время применяют главным образом в самолетах. Основное их отличие от ракетных двигателей состоит в том, что окислителем для горения топлива служит кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.
К воздушно-реактивным двигателям относятся турбокомпрессорные двигатели как с осевым, так и с центробежным компрессором.
Воздух в таких двигателях всасывается и сжимается компрессором, приводимым в движение газовой турбиной. Газы, выходящие из камеры сгорания, создают реактивную силу тяги и вращают ротор турбины.
При очень болььших скоростях полета сжатие газов в камере сгорания можно осуществить за счет встречного набегающего воздушного потока. Необходимость в компрессоре отпадает.
Так устроены прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Поэтому при полетах в плотных слоях атосферы для более полного использования мощности реактивного двигателя на валу турбины устанавливают воздушный винт.
Следующая страница «Закон Гука»
Назад в раздел «9 класс»
Динамика — Класс!ная физика
Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона —
Второй закон Ньютона —
Третий закон Ньютона —
Свободное падение тел —
Закон всемирного тяготения —
Ускорение свободного падения на Земле и других небесных телах —
Криволинейное движение. Равномерное движение тела по окружности —
Искусственные спутники Земли (ИСЗ) —
Импульс тела. Закон сохранения импульса —
Реактивное движение в природе —
Реактивное движение в технике. Реактивные двигатели —
Закон Гука
Летающий кальмар
Некоторые головоногие способны ускоряться до 55 км/ч. Кажется, никто не осуществлял прямых измерений, однако такую цифру мы можем назвать, основываясь на дальности и скорости полета летающих кальмаров. Оказывается, существуют и такие. Кальмар стенотевтис является лучшим пилотом из всех моллюсков. Английские моряки именуют его летающим кальмаром (флайинг-сквид). Это животное, фото которого представлено выше, имеет небольшие размеры, примерно с селедку. Он так стремительно преследует рыб, что часто выскакивает из воды, проносясь стрелой над ее поверхностью. Такую уловку он использует и в случае, когда ему угрожает опасность от хищников — макрелей и тунцов. Развив максимальную реактивную тягу в воде, кальмар стартует в воздух, а затем пролетает более 50 метров над волнами. При его полета находится так высоко, что часто летающие кальмары попадают на палубы судов. Высота 4-5 метров для них — отнюдь не рекорд. Иногда летающие кальмары взлетают даже выше.
Доктор Рис, исследователь моллюсков из Великобритании, в своей научной статье описал представителя этих животных, длина тела которого составляла всего 16 см. Однако при этом он смог пролететь изрядное расстояние по воздуху, после чего приземлился на мостик яхты. А высота этого мостика составляла практически 7 метров!
Бывают случаи, когда на корабль обрушивается сразу множество летающих кальмаров. Требиус Нигер, античный писатель, однажды рассказал печальную историю о судне, которое как будто бы не смогло выдержать тяжесть этих морских животных и затонуло. Интересно, что кальмары способны взлетать даже без разгона.
Реактивное движение.
В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах.
Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели.
В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте
на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над
которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка
всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен
рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века
не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства,
с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в
космос. Это смог осуществить русский учёный Константин Эдуардович
Циолковский(1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный
преодолеть силу тяжести — это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим
горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.
Реактивный двигатель-это двигатель, преобразующий химическую
энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает
скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах
основывается его действие?
Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули
равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача
происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу,
благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в
безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем
большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная
сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая
(т.е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся
постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы, т.е.
К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать
максимальную скорость, которую может развить ракета. Вот эта формула:
Здесь vmax – максимальная скорость ракеты, v0 – начальная
скорость, vr – скорость истечения газов из сопла, m – начальная масса топлива,
а M – масса пустой ракеты. Как видно из формулы, эта максимально достижимая
скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая
в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой
струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно
подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Из
формулы следует также, что эта скорость зависит и от начальной и конечной
массой ракеты, т.е. от того, какая часть её веса приходится на горючее, и
какая — на бесполезные (с точки зрения скорости полёта) конструкции: корпус,
механизмы, и т.д.
Эта формула Циолковского является фундаментом, на котором
зиждется весь расчёт современных ракет. Отношение массы топлива к массе ракеты
в конце работы двигателя(т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом
Циолковского.
Основной вывод из этой формулы состоит в том, что в
безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость
истечения газов и чем больше число Циолковского.