Доклад: Реактивное движение в природе и технике. Реактивное движение

Явление отдачи, реактивное движение, формула Мещерского, Циолковского.

Явление отдачи наблюдается, когда тело под действием внутренних сил распадается на две части, разлетающиеся друг от друга.
Простой пример: из ствола орудия пороховые газы выбрасывают снаряд. Снаряд летит в одну сторону, а орудие, если оно не закреплено, откатывается назад − оно испытало отдачу. До выстрела орудия мы имели «тело», состоящее из самого орудия и снаряда внутри ствола. Произошел «распад» исходного тела − под действием внутренних сил оно «распалось» на две части (орудие и снаряд), движущиеся самостоятельно.
Вообразим следующую картину. Стоящий на скользком льду человек бросает в некотором направлении камень. Испытав отдачу, человек начнет скользить по льду в противоположном направлении.
«Тело» человек + камень под действием мышечного усилия человека «распалось» на две части − на человека и камень. Отметим, что человек с камнем был поставлен на скользкий лед для того, чтобы существенно уменьшить силу трения и иметь дело с ситуацией, когда сумма внешних сил близка к нулю и работают лишь внутренние силы − человек действует на камень, бросая его, а камень действует в соответствии с третьим законом Ньютона на человека. В результате и наблюдается явление отдачи.
Это явление можно объяснить с помощью закона сохранения импульса. Отвлекаясь от какой-либо жизненной ситуации, рассмотрим два тела с массами m 1 и m 2 , покоящиеся относительно некоторой инерциальной системы отсчета (пусть это будет Земля). Будем полагать, что действием на тело со стороны внешних сил можно пренебречь. Предположим, что в результате действия внутренних сил система распалась − тело массой m 1 приобрело скорость v 1 , а тело массой m 2 − скорость v 2 . До распада импульс системы равнялся нулю (p = 0 ); после распада его можно представить в виде

Из закона сохранения импульса следует, что

Отсюда получаем:

Как и следовало ожидать, векторы v 1 и v 2 направлены противоположно. Если, например, v 1 − скорость, с какой человек на льду бросил в горизонтальном направлении камень массой m 1 , то v 2 − скорость человека массой m 2 , какую он приобрел вследствие отдачи. Так как m 1 << m 2 , то из (1) следует, что

Теперь предположим, что связка тел с массами M и m движется равномерно и прямолинейно со скоростью относительно неподвижной (инерциальной) системы отсчета. В результате действия внутренних сил (природа их в данном случае не имеет значения) связка распадается; тело с массой m приобретает скорость u относительно тела с массой M , так что его скорость относительно неподвижной системы отсчета оказывается равной

Скорость тела с массой M в этой системе отсчета представим как

Рассматривая систему тел как замкнутую, воспользуемся законом сохранения импульса, согласно которому

После раскрытия скобок и сокращений одинаковых слагаемых получаем соотношение

Из (2) видно, что направления векторов v 1 и u противоположны.
Интересен частный случай, когда вектор направлен навстречу вектору v . В данном случае тело массой M будет после распада связки продолжать двигаться в направлении вектора v , при этом модуль его скорости увеличится вследствие отдачи и будет равен v + um/M .
От явления отдачи перейдем к рассмотрению реактивного движения на примере движения ракеты. В самых общих чертах это движение объясняется достаточно просто. При сгорании топлива из сопла ракеты вырываются с весьма большой скоростью газы. Вследствие отдачи ракета движется в направлении, противоположном направлению истечения газов из сопла.
Обозначим через v скорость ракеты относительно Земли в некоторый момент времени t . Скорость ракеты в момент t + Δt обозначим через v + Δv . Изменение скорости ракеты произошло в результате того, что из нее была выброшена масса газа ΔM со скоростью u по отношению к ракете. Скорость u называют скоростью истечения. По завершении промежутка времени Δt масса ракеты вместе с топливом уменьшилась на ΔM . Промежуток Δt полагаем достаточно малым, чтобы можно было считать, что масса ракеты с топливом постоянна на данном промежутке и в конце его меняется скачком в результате мгновенного выброса массы газа ΔM (впоследствии мы перейдем к пределу при Δt → 0 и тем самым заменим импульсивный выброс газов их непрерывным истечением из сопла ракеты). Если масса ракеты с топливом в момент t равна M , то в момент t + Δt она будет равна M − ΔM .
Итак, в момент времени t есть ракета с топливом, имеющая массу M и скорость относительно Земли. В момент t + Δt есть, во-первых , ракета с топливом, имеющая массу M − ΔM и скорость v + Δv относительно Земли, и, во-вторых , порция газа, имеющая массу ΔM и скорость v + u относительно Земли. Пренебрегая взаимодействием ракеты с внешними телами, воспользуемся законом сохранения импульса и запишем:

Раскрывая скобки, получаем

Произведения Mv , а также ΔMv сокращаются. Произведением ΔMΔv можно пренебречь, так как здесь перемножаются две малых величины; как принято говорить, такое произведение представляет собой величину второго порядка малости. В результате соотношение (4) преобразуется к виду (сравните с (3)):

Разделим обе части этого равенства на Δt ; получим

Учтем, что

и затем перейдем в обеих частях равенства (5) к пределу при Δt → 0 .

Предел

есть мгновенное ускорение ракеты.
Величину ΔM/dt назовем средним за промежуток времени Δt расходом топлива. Величина

мгновенный расход топлива для момента времени t . С учетом сделанных замечаний (6) примет вид

Ускорение a(t) вызывается силой

которую называют реактивной силой. Она пропорциональна расходу топлива и скорости истечения газа и направлена противоположно скорости истечения.
Если на летящую ракету действует, кроме реактивной силы F p (t) , некоторая внешняя сила F(t) , то соотношение (7) следует
заменить соотношением:

Это соотношение представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тела переменной массы. Оно получило название формулы Мещерского (по имени российского ученого Ивана Всеволодовича Мещерского, исследовавшего механику тел переменной массы).

Вывод формулы (формула Циолковского), связывающей массу и скорость ракеты .
Примем, что топливо сгорает отдельными порциями массой ΔM = M/N , где М − масса ракеты перед выбросом из нее порции ΔM , а N − достаточно большое число. После сгорания первой порции масса ракеты станет равной

После сгорания второй порции масса вновь уменьшится на (1/N)–ю часть, но уже от массы M 1 , и станет равной

Рассуждая таким же образом далее, находим массу ракеты после сгорания n-й порции

Рассмотрим теперь как меняется при этом скорость ракеты. При скорости истечения продуктов горения, равной u , масса ΔM уносит импульс Δp = uΔM . В соответствии с законом сохранения импульса такой же по величине, но противоположно направленный импульс получит ракета, в результате чего ее скорость увеличится на

Таким образом, если вначале ракета покоилась, то после сгорания первой порции массой ΔM 1 = M 0 /N , имевшей импульс Δp 1 = M 0 u/N , скорость ракеты станет равной

После сгорания второй порции топлива массой ΔM 2 = M 1 /N , унесшей импульс Δp 2 /(M 1 − M 1 /N) и составит

Продолжая рассуждения далее, получим скорость ракеты после сгорания n-й порции:

Тогда масса ракеты, достигшей скорости v

индекс n здесь и далее опущен, поскольку надобности в нем больше нет.
На самом деле топливо в ракете сгорает не отдельными порциями, а непрерывно. Для перехода к формуле, более правильно описывающей реальный случай, нужно считать N чрезвычайно большим числом. В таком случае единицей показателе степени последнего выражения можно пренебречь, после чего оно приобретет вид

или при неограниченном возрастании N

Эта формула была выведена К.Э. Циолковским и носит его имя. Из нее хорошо видно, что ракета может достичь большой скорости, но при этом оставшаяся масса окажется много меньше первоначальной.

Задача 1
Из ракеты массой M , движущейся со скоростью v , выбрасывается порция топлива m со скоростью u относительно ракеты. Какой станет скорость ракеты? Какую скорость будет иметь ракета после выброса 2-х , 3-х , k порций?

Решение

Воспользуемся законом сохранения импульса. Удобнее написать его в системе отсчета, движущейся с первоначальной скоростью ракеты v (так как скорость выброса топлива u задана относительно ракеты). В проекции на направление движения ракеты получим

откуда скорость ракеты

В неподвижной системе отсчета скорость ракеты после выброса первой порции топлива равна по модулю

Выброс второй порции топлива будем рассматривать в системе, движущейся со скоростью v 1 . Из закона сохранения импульса имеем

а в неподвижной системе

После k выбросов скорость ракеты будет равна

Для сравнения найдем также скорость ракеты v k / при одноразовом выбросе топлива массой k m с той же скоростью u относительно ракеты.
Для этого воспользуемся законом сохранения импульса, только запишем его сразу относительно неподвижной системы отсчета:

откуда

Легко видеть, что v k / > v k . Такой результат связан с предположением, что скорость выброса топлива из ракеты в неподвижной системе отсчета постоянна и равна v − u . В действительности по мере ускорения ракеты скорость выброса топлива уменьшается (постоянная скорость выброса относительно ракеты). Поэтому первая формула для v k более точно описывает реальную ситуацию.

Задача 2
Ракета перед стартом имеет массу m 0 = 120 кг . На какой высоте окажется ракета через t = 15 с после начала работы ее двигателей? Считайте расход топлива μ = 4 кг/с и скорость истечения газов относительно ракеты u = 1000 м/с постоянными. 1) Считайте поле тяготения Земли однородное, 2) Считайте поле тяготения Земли неоднородное.

Решение

1) Ось z направлена вертикально вверх
Запишем уравнение Мещерского в однородном поле тяготения Земли в виде

где m = m 0 − μt , а v 0 − скорость ракеты в момент времени t . Разделяя переменные, получаем уравнение

Решение данного уравнения, удовлетворяющего начальному условию v 0 = 0 при t = 0 , имеет вид

Разделяя еще раз переменные и учитывая, что начальное условие z 0 = 0 при t = 0 , находим

Подставляя численные значения, получаем, что через 15 с после старта ракета будет на высоте около 3500 м, имея при этом скорость 540 м/с .

2) Учтем то обстоятельство, что неоднородность гравитационного поля Земли на рассматриваемых высотах мала. Поэтому для расчета движения в данном случае удобно применить метод последовательных приближений.
Пусть R − радиус Земли. Силу тяготения представим в виде

где M − масса Земли, λ = z/R << 1 .
При движении ракеты в неоднородном поле при заданном законе изменения ее массы скорость движения ракеты можно представить в виде суммы: v = v 0 + v / , где v / << v 0 . Аналогично записываем z = z 0 + z / , где z / << z 0 . Подставляя эти выражения для v , z и F в уравнение Мещерского, находим

В полученном уравнении оставляем только члены первого порядка малости, отбрасывая последнее слагаемое в правой части (не малые слагаемые дают в сумме нуль). Приходим к уравнению

где z 0 определено формулой (2). Теперь легко разделить переменные и найти

Реактивное движение в природе и в технике - весьма распространенное явление. В природе оно возникает, когда одна часть тела отделяется с определенной скоростью от некоторой другой части. При этом реактивная сила появляется без взаимодействия данного организма с внешними телами.

Для того чтобы понять, о чем идет речь, лучше всего обратиться к примерам. в природе и технике многочисленны. Сначала мы поговорим о том, как его используют животные, а затем о том, как оно применяется в технике.

Медузы, личинки стрекоз, планктон и моллюски

Многие, купаясь в море, встречали медуз. В Черном море их, во всяком случае, хватает. Однако не все задумывались, что передвигаются медузы как раз с помощью реактивного движения. К этому же способу прибегают и личинки стрекоз, а также некоторые представители морского планктона. КПД беспозвоночных морских животных, которые используют его, зачастую намного выше, чем у технических изобретений.

Многие моллюски передвигаются интересующим нас способом. В качестве примера можно привести каракатиц, кальмаров, осьминогов. В частности, морской моллюск-гребешок способен двигаться вперед, используя реактивную струю воды, которая выбрасывается из раковины, когда ее створки резко сжимаются.

И это лишь несколько примеров из жизни животного мира, которые можно привести, раскрывая тему: "Реактивное движение в быту, природе и технике".

Как передвигается каракатица

Весьма интересна в этом отношении и каракатица. Подобно множеству головоногих моллюсков, она передвигается в воде, используя следующий механизм. Через особую воронку, находящуюся впереди тела, а также через боковую щель каракатица забирает воду в свою жаберную полость. Затем она ее энергично выбрасывает через воронку. Трубку воронки каракатица направляет назад или вбок. Движение при этом может осуществляться в разные стороны.

Способ, который использует сальпа

Любопытен и способ, который использует сальпа. Так называется морское животное, имеющее прозрачное тело. Сальпа при движении втягивает воду, используя для этого переднее отверстие. Вода оказывается в широкой полости, а внутри нее по диагонали расположены жабры. Отверстие закрывается тогда, когда сальпа делает большой глоток воды. Ее поперечные и продольные мускулы сокращаются, сжимается все тело животного. Сквозь заднее отверстие вода выталкивается наружу. Животное двигается вперед благодаря реакции вытекающей струи.

Кальмары - "живые торпеды"

Самый большой интерес представляет, пожалуй, реактивный двигатель, который есть у кальмара. Это животное считается наиболее крупным представителем беспозвоночных, обитающим на больших океанских глубинах. В реактивной навигации кальмары достигли настоящего совершенства. Даже тело этих животных напоминает ракету своими внешними формами. Вернее сказать, это ракета копирует кальмара, так как именно ему принадлежит бесспорное первенство в этом деле. Если нужно передвигаться медленно, животное использует для этого большой ромбовидный плавник, который время от времени изгибается. Если же необходим быстрый бросок, на помощь приходит реактивный двигатель.

Со всех сторон тело моллюска окружает мантия - мышечная ткань. Практически половина всего объема тела животного приходится на объем ее полости. Кальмар использует мантийную полость для движения, засасывая воду внутрь нее. Затем он резко выбрасывает набранную струю воды сквозь узкое сопло. В результате этого он двигается толчками назад с большой скоростью. При этом кальмар складывает все свои 10 щупалец в узел над головой для того, чтобы приобрести обтекаемую форму. В составе сопла есть особый клапан, и мышцы животного могут поворачивать его. Тем самым направление движения меняется.

Впечатляющая скорость движения кальмара

Нужно сказать, что двигатель кальмара весьма экономичен. Скорость, которую он способен развивать, может достигать 60-70 км/ч. Некоторые исследователи даже полагают, что она может доходить до 150 км/ч. Как вы видите, кальмар не зря зовется "живой торпедой". Он может поворачивать в нужную сторону, изгибая вниз, вверх, влево или вправо щупальца, сложенные пучком.

Как кальмар управляет движением

Так как по сравнению с размерами самого животного руль очень велик, для того чтобы кальмар мог легко избежать столкновения с препятствием, даже двигаясь с максимальной скоростью, достаточно лишь незначительного движения руля. Если его резко повернуть, животное тут же помчится в обратную сторону. Кальмар изгибает назад конец воронки и в результате этого может скользить уже головой вперед. Если он выгнет ее вправо, он будет отброшен влево реактивным толчком. Однако когда плыть необходимо быстро, воронка всегда находится прямо между щупальцами. Животное в этом случае мчится хвостом вперед, подобно бегу рака-скорохода, если бы он обладал резвостью скакуна.

В случае когда спешить не требуется, каракатицы и кальмары плавают, ундулируя при этом плавниками. Спереди назад пробегают по ним миниатюрные волны. Кальмары и каракатицы грациозно скользят. Они лишь время от времени подталкивают себя струей воды, которая выбрасывается из-под их мантии. Отдельные толчки, которые моллюск получает при извержении струй воды, в такие моменты хорошо заметны.

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.

Летающие осьминоги

Способностью летать обладают также осьминоги. Жан Верани, французский натуралист, наблюдал, как один из них разогнался в своем аквариуме, а затем внезапно выскочил из воды. Животное описало в воздухе дугу примерно в 5 метров, а затем плюхнулось в аквариум. Осьминог, набирая необходимую для прыжка скорость, двигался не только благодаря реактивной тяге. Он также греб своими щупальцами. Осьминоги мешковаты, поэтому они плавают хуже кальмаров, однако в критические минуты и эти животные способны дать фору лучшим спринтерам. Работники Калифорнийского аквариума хотели сделать фото осьминога, который атакует краба. Однако спрут, бросаясь на свою добычу, развивал такую скорость, что фотографии даже при использовании специального режима оказывались смазанными. Это означает, что бросок длился считанные доли секунды!

Однако осьминоги обычно плавают довольно медленно. Ученый Джозеф Сайнл, который исследовал миграции спрутов, выяснил, что осьминог, размер которого составляет 0,5 м, плывет со средней скоростью примерно 15 км/ч. Каждая струя воды, которую он выбрасывает из воронки, продвигает его вперед (точнее сказать, назад, поскольку он плывет задом наперед) где-то на 2-2,5 м.

"Бешеный огурец"

Реактивное движение в природе и в технике можно рассматривать и используя для его иллюстрации примеры из мира растений. Один из самых известных - созревшие плоды так называемого Они отскакивают от плодоножки при малейшем прикосновении. Затем из образовавшегося в результате этого отверстия с большой силой выбрасывается специальная клейкая жидкость, в которой находятся семена. Сам огурец отлетает в противоположную сторону на расстояние до 12 м.

Закон сохранения импульса

Обязательно следует рассказать и о нем, рассматривая реактивное движение в природе и в технике. Знание закона сохранения импульса позволяет нам изменять, в частности, нашу собственную скорость перемещения, если мы находимся в открытом пространстве. К примеру, вы сидите в лодке и у вас с собой есть несколько камней. Если вы будете бросать их в определенную сторону, движение лодки будет осуществляться в противоположном направлении. В космическом пространстве также действует этот закон. Однако там с этой целью применяют

Какие еще можно отметить примеры реактивного движения в природе и технике? Очень хорошо иллюстрируется на примере ружья.

Как известно, выстрел из него всегда сопровождается отдачей. Допустим, вес пули был бы равен весу ружья. В этом случае они бы разлетелись в стороны с одной и той же скоростью. Отдача бывает потому, что создается реактивная сила, так как имеется отбрасываемая масса. Благодаря этой силе обеспечивается движение как в безвоздушном пространстве, так и в воздухе. Чем больше скорость и масса истекающих газов, тем сила отдачи, которую ощущает наше плечо, больше. Соответственно, реактивная сила тем выше, чем сильнее реакция ружья.

Мечты о полетах в космос

Реактивное движение в природе и в технике вот уже долгие годы является источником новых идей для ученых. Много столетий человечество грезило о полетах в космос. Применение реактивного движения в природе и технике, нужно полагать, отнюдь не исчерпало себя.

А началось все с мечты. Писатели-фантасты несколько веков назад предлагали нам различные средства, как достигнуть этой желанной цели. В 17 веке Сирано де Бержерак, французский писатель, создал рассказ о полете на Луну. Его герой добрался до спутника Земли, используя железную повозку. Над этой конструкцией он постоянно подбрасывал сильный магнит. Повозка, притягиваясь к нему, поднималась над Землей все выше и выше. В конце концов, она достигла Луны. Другой известный персонаж, барон Мюнхгаузен, залез на Луну по стеблю боба.

Конечно, в это время еще было мало известно о том, как применение реактивного движения в природе и технике способно облегчить жизнь. Но полет фантазии, безусловно, открывал новые горизонты.

На пути к выдающемуся открытию

В Китае в конце 1 тысячелетия н. э. изобрели реактивное движение, приводящее в действие ракеты. Последние были просто бамбуковыми трубками, которые были начинены порохом. Эти ракеты запускались ради забавы. Реактивный двигатель использовался в одном из первых проектов автомобилей. Эта идея принадлежала Ньютону.

О том, как реактивное движение в природе и в технике возникает, задумывался и Н.И. Кибальчич. Это русский революционер, автор первого проекта реактивного летательного аппарата, который предназначен для полета на нем человека. Революционер, к сожалению, был казнен 3 апреля 1881 года. Кибальчича обвинили в том, что он участвовал в покушении на Александра II. Уже в тюрьме, в ожидании исполнения смертного приговора, он продолжал изучать такое интересное явление, как реактивное движение в природе и в технике, возникающее при отделении части объекта. В результате этих изысканий он разработал свой проект. Кибальчич писал, что эта идея поддерживает его в его положении. Он готов спокойно встретить свою смерть, зная, что столь важное открытие не погибнет вместе с ним.

Реализация идеи полета в космос

Проявление реактивного движения в природе и технике продолжил изучать К. Э. Циолковский (фото его представлено выше). Еще в начале 20 века этот великий русский ученый предложил идею использования ракет в целях космических полетов. Его статья, посвященная этому вопросу, появилась в 1903 году. В ней было представлено математическое уравнение, ставшее важнейшим для космонавтики. Оно известно в наше время как "формула Циолковского". Это уравнение описывало движение тела, имеющего переменную массу. В своих дальнейших трудах он представил схему ракетного двигателя, работающего на жидком топливе. Циолковский, изучая использование реактивного движения в природе и технике, разработал многоступенчатую конструкцию ракеты. Ему также принадлежит идея о возможности создания на околоземной орбите целых космических городов. Вот к каким открытиям пришел ученый, изучая реактивное движение в природе и технике. Ракеты, как показал Циолковский, - это единственные аппараты, которые могут преодолеть Ракету он определил как механизм, имеющий реактивный двигатель, который использует находящееся на нем горючее и окислитель. Этот аппарат трансформирует химическую энергию топлива, которая становится кинетической энергией газовой струи. Сама ракета при этом начинает двигаться в обратном направлении.

Наконец, ученые, изучив реактивное движение тел в природе и технике, перешли к практике. Предстояла масштабная задача реализации давней мечты человечества. И группа советских ученых, возглавляемая академиком С. П. Королевым, справилась с ней. Она осуществила идею Циолковского. Первый искусственный спутник нашей планеты был запущен в СССР 4 октября 1957 г. Естественно, при этом использовалась ракета.

Ю. А. Гагарин (на фото выше) был человеком, которому выпала честь первым осуществить полет в космическом пространстве. Это важное для мира событие произошло 12 апреля 1961 года. Гагарин на корабле-спутнике "Восток" облетел весь земной шар. СССР был первым государством, ракеты которого достигли Луны, облетели вокруг нее и сфотографировали сторону, невидимую с Земли. Кроме того, и на Венере впервые побывали именно русские. Они доставили на поверхность этой планеты научные приборы. Американский астронавт Нил Армстронг - первый человек, побывавший на поверхности Луны. Он высадился на нее 20 июля 1969 года. В 1986 году "Вега-1" и "Вега-2" (корабли, принадлежащие СССР) исследовали с близкого расстояния комету Галлея, которая приближается к Солнцу всего лишь раз в 76 лет. Изучение космоса продолжается…

Как вы видите, очень важной и полезной наукой является физика. Реактивное движение в природе и технике - это лишь один из интересных вопросов, которые рассматриваются в ней. А достижения этой науки весьма и весьма значительны.

Как в наши дни используется реактивное движение в природе и в технике

В физике в последние несколько столетий были сделаны особенно важные октрытия. В то время как природа остается практически неизменной, техника развивается стремительными темпами. В наше время принцип реактивного движения широко применяется не только различными животными и растениями, но также в космонавтике и в авиации. В космическом пространстве отсутствует среда, которую тело могло бы использовать для взаимодействия, чтобы изменить модуль и направление своей скорости. Именно поэтому для полетов в безвоздушном пространстве можно использовать лишь ракеты.

Сегодня активно используется реактивное движение в быту, природе и технике. Оно уже не является загадкой, как раньше. Однако человечество не должно останавливаться на достигнутом. Впереди новые горизонты. Хочется верить, что реактивное движение в природе и технике, кратко охарактеризованное в статье, вдохновит кого-то на новые открытия.

Большое значение закон сохранения импульса имеет при рассмотрении реактивного движения.
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила , толкающая тело.
Особенность реактивной силы заключается в том, что она возникает в результате взаимодействия между собой частей самой системы без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
В то время, как сила, сообщающая ускорение, например, пешеходу, кораблю или самолету, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.

Так движение тела можно получить в результате вытекания струи жидкости или газа.

В природе реактивное движение присуще в основном живым организмам, обитающим в водной среде.

В технике реактивное движение используется на речном транспорте (водометные двигатели), в автомобилестроении (гоночные автомобили), в военном деле, в авиации и космонавтике.
Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями, т.к. они способны обеспечить необходимую скорость полета.
В космическом пространстве использовать другие двигатели, кроме реактивных, невозможно, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой можно было бы бы получать ускорение.

История развития реактивной техники

Создателем русской боевой ракеты был ученый-артиллерист К.И. Константинов. При весе в 80 кг далььность полета ракеты Константинова достигала 4 км.

Идея применения реактивного движения в летательном аппарате, проект реактивного воздухоплавательного прибора, в 1881 году была выдвинута Н.И. Кибальчичем.

В 1903 году знаменитый ученый-физик К.Э. Циолковский доказал возможность полета в межпланетном пространстве и разработал проект первого ракетоплана с жидкостно-реактивным двигателем.

К.Э. Циолковский спроектировал космический ракетный поезд, составленный из ряда ракет, работающих поочередно и отпадающих по мере израсходования горючего.

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.

>>Физика: Реактивное движение

Законы Ньютона позволяют объяснить очень важное механическое явление -реактивное движение. Так называют движение тела, возникающее при отделении от него с какой-либо скоростью некоторой его части.

Возьмем, например, детский резиновый шарик, надуем его и отпустим. Мы увидим, что, когда воздух начнет выходить из него в одну сторону, сам шарик полетит в другую. Это и есть реактивное движение.

По принципу реактивного движения передвигаются некоторые представители животного мира, например кальмары и осьминоги. Периодически выбрасывая вбираемую в себя воду, они способны развивать скорость до 60-70 км/ч. Аналогичным образом перемещаются медузы, каракатицы и некоторые другие животные.

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Например, созревшие плоды "бешеного" огурца при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки и из отверстия, образовавшегося на месте отделившейся ножки, с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами, сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении.

Реактивное движение, возникающее при выбросе воды, можно наблюдать на следующем опыте. Нальем воду в стеклянную воронку, соединенную с резиновой трубкой, имеющей Г-образный наконечник (рис. 20). Мы увидим, что, когда вода начнет выливаться из трубки, сама трубка придет в движение и отклонится в сторону, противоположную направлению вытекания воды.

На принципе реактивного движения основаны полеты ракет . Современная космическая ракета представляет собой очень сложный летательный аппарат, состоящий из сотен тысяч и миллионов деталей. Масса ракеты огромна Она складывается из массы рабочего тела (т. е. раскаленных газов, образующихся в результате сгорания топлива и выбрасываемых в виде реактивной струи) и конечной или, как говорят, "сухой" массы ракеты, остающейся после выброса из ракеты рабочего тела.

"Сухая" масса ракеты, в свою очередь, состоит из массы конструкции (т. е. оболочки ракеты, ее двигателей и системы управления) и массы полезной нагрузки (т. е. научной аппаратуры, корпуса выводимого на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения корабля).

По мере истечения рабочего тела освободившиеся баки, лишние части оболочки и т. д. начинают обременять ракету ненужным грузом, затрудняя ее разгон. Поэтому для достижения космических скоростей применяют составные (или многоступенчатые) ракеты (рис. 21). Сначала в таких ракетах работают лишь блоки первой ступени 1. Когда запасы топлива в них кончаются, они отделяются и включается вторая ступень 2; после исчерпания в ней топлива она также отделяется и включается третья ступень 3. Находящийся в головной части ракеты спутник или какой-либо другой космический аппарат укрыт головным обтекателем 4, обтекаемая форма которого способствует уменьшению сопротивления воздуха при полете ракеты в атмосфере Земли.

Когда реактивная газовая струя с большой скоростью выбрасывается из ракеты, сама ракета устремляется в противоположную сторону. Почему это происходит?

Согласно третьему закону Ньютона, сила F, с которой ракета действует на рабочее тело, равна по величине и противоположна по направлению силе F", с которой рабочее тело действует на корпус ракеты:
F" = F (12.1)
Сила F" (которую называют реактивной силой) и разгоняет ракету.

Отослано читателями из интернет-сайтов

Онлайн библиотека с учебниками и книгами, планы-конспекты уроков по физике 8 класса, скачать тесты физика, книги и учебники согласно каленадарного планирования физики 8 класса

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.

История реактивного движения

С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.

Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.

Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.

Кто открыл реактивное движение?

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Примеры реактивного движения в природе

Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.

Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).

Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.

Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами

Закон реактивного движения

Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.

Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.

То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.

Закон сохранения импульса и реактивное движение

Физика поясняет процесс реактивного движения . Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.

Формула реактивного движения

В целом реактивное движение можно описать следующей формулой:
m s v s +m р v р =0
m s v s =-m р v р

где m s v s импульс создаваемой струей газов, m р v р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

Реактивное движение в технике – принцип работы реактивного двигателя

В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть

запас топлива,
камера, для сгорания топлива,
сопло, задача которого ускорять реактивную струю.

Так выглядит реактивный двигатель.

Реактивное движение, видео

И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.