Импульс и ускорение

Тема № 22, 23. Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Демонстрации: упругое столкновение шаров на нити одинаковой массы

На доске: «Человек не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, затем завоюет себе все околосолнечное пространство» (К. Э.Циолковский)

Тема № 22, 23. Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение.

Демонстрации: упругое столкновение шаров на нити одинаковой массы

Мотивация

Движение ракет ( для изучения объектов Вселенной), пуль, орудий, каракатиц, осьминогов

1.Повторение и актуализация.

Силы в механике (упругости, трения, тяжести.) Значение этих сил. Почему спутники, обращаясь вокруг Земли, не падают на Землю, ведь они движутся под действием силы тяжести? Можно ли считать обращение спутника вокруг Земли свободным падением?

«Ведь Ньютона открытие разбило, неведенья мучительное зло.

Дорогу к новым звездам положило, и новый выход страждущим дало,

уж скоро мы природы властелины, и на Луну пошлем свои машины!»

3.Как эти машины называются? Какое движение они совершают и какому закону подчиняются, ответим, изучив новую тему

Тема: Импульс. Закон сохранения импульса, реактивное движение.

Цель: ввести новую физическую величину — импульс, довести до осознания и осмысления закон сохранения импульса, показать значение этого закона и его использование при реактивном движении

2.Первичное усвоение

Демонстрация: неподвижная тележка, на тележку бросили деревянный брусок, тележка начала двигаться.

Как описать взаимодействие тел в данном опыте? Удобно ли использовать для этого закон Ньютона? Найдём взаимосвязь между действующей на тело силой, временем действия и изменением скорости

По второму закону Ньютона F= ma; где α = υ — υ0 / t= υ / t; так как υ0=0

F t =m υ

F t = m υ — m υ0= р – р0

Р = m υ

m υ1+ m υ2 = m U1+ m U2

Изменение импульса силы равно произведению F t = m υ

Это произведение в дальнейшем мы будем называть импульсом. Это понятие ввёл Декарт. Правда, эту величину p = m υ, Декарт называл количеством движения.

Слово «Импульс» в переводе с латинского «толчок», Импульс – векторная величина.

Произведение F t в физике называют импульсом силы.

Импульс силы показывает, как изменяется импульс тела за данное время.

Второй закон Ньютона в импульсной форме обладает свойством сохранения, но только в замкнутой системе тел.

Замкнутой называется система тел, которые взаимодействуют только друг с другом и не взаимодействуют с другими телами.

Закон сохранения импульса : Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях.

m υ1+ m υ2 = m U1+ m U2

Закон сохранения импульса является следствием второго и третьего законов Ньютона.

Импульс тела равен сумме импульсов его отдельных элементов. Импульс тела может быть равен нулю даже в случае, когда оно движется (например: вращающийся вокруг неподвижной оси диск p1 + p2 = 0).

Система тел на земле или вблизи поверхности земли не может быть замкнутой, так как не на все тела действует сила тяжести, однако вдоль горизонтального направления сила тяжести не действует и сумма проекций импульсов тел на это направление остаётся const если действием сил трения можно пренебречь. Область применения закона сохранения импульса шире, если даже на тела действует внешние силы, но их сумма равна нулю, закон сохранения импульса работает.

Этот закон для незамкнутых систем можно применить тогда, когда;

Внешние силы уравновешиваются Сумма проекций сил, на какую либо ось, равна нулю. При быстрых взаимодействиях.

Большое значение закон сохранения имеет для исследования реактивного движения Впервые реактивное движение использовал древнегреческий ученый Герон. Металлический сосуд в виде птицы подвешивался над огнем, вода закипала, и пар выбрасывался назад, толкая птицу вперед

Реактивное движение — это такое движение, при котором от тела отделяется и движется с некоторой скоростью другая его часть.

Примеры реактивного движения — резиновый шар, каракатица, осьминоги, ракета.

Особенность реактивной силы – возникает без какого либо взаимодействия с внешними телами. ( происходит лишь взаимодействие между ракетой и вытекающей из нее струей вещества

Ракета – это система двух взаимодействующих тел (оболочки и газа)

заряд, научные приборы, космонавты запас топлива и различные системы управления камера сгорания, топливо сгорает и превращается в газ высокой Т и Р реактивное сопло, повышает скорость реактивной струи отделяющаяся часть ракеты — газ.

Идея использования ракет была предложена К. Э. Циолковским (основоположник современной космонавтики), а осуществлена советскими учеными под руководством С. П.Королева (ученый и конструктор ракетно-космических систем)

Реактивные двигатели применяют, в военных ракетах, метереологических и в скоростных самолётах.

Первый ИСЗ был запущен 4 октября 1957года, первым человеком, облетевшим земной шар на корабле спутнике Восток за 98 минут был Юрий Гагарин. Циолковскому принадлежит идея использования многоступенчатых ракет, отдельные спутники снабжаются собственными двигателями и запасами топлива, по мере сгорания каждая ступень отделяется от ракет.

Идея Циолковского о сооружении большой станции спутника на орбите вокруг Земли, с которой будут стартовать ракеты к другим планетам солнечной системы, ещё не осуществлена.

20 июля 1969 года два американских астронавта из корабля «Аполлон 11» Н. Армстронг и Э. Олдрин впервые совершили посадку на Луну.

С выходом человека в космос открылись возможности исследования других планет, Земли в полном объёме, сейчас на орбитальных комплексах разработаны технологии получения материалов, которые нельзя изготовить на Земле, а можно только в состоянии невесомости в космосе – сверхчистые монокристаллы, их стоимость = затратам на запуск космических аппаратов.

Немного экологии

Были обнародованы сенсационные данные, которые проливают свет на истинную причину затопления нашей орбитальной станции «Мир». По официальной версии, как вы помните, она была затоплена в 2001 году потому что выработала свой ресурс. Однако, сегодня выясняется, что решение о ликвидации первого космического дома было принято в связи с тем, что на ней был обнаружен космический вирус неизвестного происхождения, который мог нести угрозу человечеству. Оказывается, в течении нескольких лет наши медики фиксировали появление на станции странных неизвестных науке вирусов, которым были нестрашны ни космический холод, ни космическая радиация. Более того, у одного из космонавтов даже была диагностирована неизвестная науке и неподдающаяся лечению болезнь.

Бортинженер орбитальной станции “МИР” Александр Серебров должен был подготовить снаряжение для выхода в открытый космос. Когда Серебров открыл один из скафандров на него, в буквальном смысле, хлынула волна зеленой пыли. На Земле пыль оседает, а в космосе, в условиях невесомости, она просто неуловима. Внутри скафандра образовалось несколько слоев плесени – все это команде пришлось вычищать подручными средствами. Плесень и пыль собрали и отправили в пылесборник. Через несколько дней заметили – вода на станции имеет неприятный привкус. Еще через неделю в отсеках появился резкий запах. Герой Советского Союза, Александр Серебров: “Мы попросили поменять колонку. Нам не разрешили. Тогда мы обратили внимание, что у нас каждые полчаса останавливается насос откачки конденсата. Гудит сирена, что-то там останавливается и перестает качать.”Тогда космонавты разобрали колонку и определили, что нужно заменить насос, но это не помогло. А вскоре, Серебров заметил, что весь фильтр колонки забит крошками ядовито-желтого цвета. Неизвестного происхождения гранулы снова стряхнули в пылесборник – решили разобраться на Земле. Экипаж вот-вот должен был вернуться домой, но полет продлили на 2 месяца. Космонавтам ничего не оставалось, как самим исправить неполадки. Тогда Серебров решил разобрать колонку. Герой Советского Союза, Александр Серебров: “Я открыл, смотрю там тоже кусочки какие-то по торцам. Я туда засунул проволоку и вытаскиваю оттуда полутораметрового червяка. Он был гибкий, желтый, с темно-коричневыми пятнами. Как змея такая.” Космонавты испытали сильнейший шок от увиденного. Как это существо смогло оказаться в герметичной системе орбитального водопровода? Команда сообщила о происшедшем в центр управления полетами. Экспедицию срочно стали готовить к возвращению на Землю, но времени у космонавтов было не много. Одна микробактерия, в условиях космоса, мутировала так, что смогла переродиться в целого слизня. Под воздействием космической радиации вирусы стали медленно разрушать станцию “МИР”. Один за другим из строя выходили важнейшие приборы, в частности вышел из строя противопожарный датчик. Космонавты перестали контролировать ситуацию, на “МИРЕ” в любой момент мог случиться пожар. Без противопожарного датчика и сигнализатора дыма, такая ситуация могла привести к катастрофе. Свою опасную находку Александр Серебров отправил на грузовом космическом корабле на Землю. Экипажу оставалось провести в космосе еще несколько дней. Уже на станции Серебров почувствовал недомогание: постоянно кружилась голова, тошнило, несколько дней космонавт пролежал с температурой. После экстренной ситуации на станции “МИР”, в институте медико-биологических проблем была создана целая программа по изучению поведения микроорганизмов в космосе. Для экспериментов было разработано специальное оборудование. Материалом стали споры бацилл и микроскопических грибов, наиболее устойчивых к воздействию внешних факторов. Их помещали на металлические конструкции, из которых изготовлена внешняя оболочка космического корабля. Этот образец оставляли в чашке Петри, которая герметично заваривалась. На крышке находился мембранный фильтр, он позволял проходить внутрь чашке воздуху, но удерживал микроорганизмы внутри. Микроорганизмы провели в космосе 18 месяцев – так впервые было доказано, что бактерии могут не просто выживать в экстремальных условиях, но и под воздействием сильнейшей радиации трансформироваться в более сильные организмы. После возвращения Александра Сереброва на Землю, симптомы странного заболевания стали усиливаться. Сильнейшие боли в области живота, тошнота и постоянная слабость не давали нормально жить. За помощью Александр Серебров обратился в институт эпидемиологии и микробиологии, но поставить точный диагноз врачи не смогли. Герой Советского Союза, Александр Серебров: “Они говорят: Ну у Вас дрожжевая бактерия в кишечнике, но у нас на Земле аналогов нет – это мутант, поэтому мы не знаем как ее лечить.” Александр Серебров понимает, что скорее всего, он никогда уже не поправится. Космонавту остается надеяться только на то, что у вируса не проявятся новые симптомы. Станцию “МИР”, всю поросшую космическими грибами, в 2001 году затопили в Тихом океане. Ученые уверяли – станция прошла термообработку через атмосферу, в такой печке ни одни микробы не выживут. Но, признавали – до конца свойства мутировавшей в невесомости плесени не известны. Станцию затопили но, что если космические бактерии выжили? Что сейчас происходит на глубине, где покоятся остатки “МИРА” – неизвестно. Существует ли угроза того, что из водных глубин на землю придет неизвестный вирус?

3.Осознание и осмысление

1.В лежащей на столе брусок попадает пуля, можно ли применить закон сохранения импульса, ведь на пулю и брусок действуют внешние силы, сила тяжести, сила реакции опоры, сила трения

2.Как будет двигаться ракета, если сумма всех сил действующих на ракету = 0 (равномерно),а если на нее действует постоянная сила?(равноускоренно)

3..Метеорит сгорает в атмосфере, не достигая поверхности Земли, что происходит при этом с его импульсом (импульс метеорита передаётся молекулами воздуха – земному шару)

4.Внутренние силы не могут переместить центр тяжести системы. Почему же летит ракета, ведь её движут внутренние силы (тяжелая ракета удаляется от места пуска сравнительно медленно, а газы очень быстро удаляясь в противоположную в сторону улетают далеко, так что центр тяжести системы ракета — газы остается неподвижным, так будет в вакууме, а при движении ракеты в воздухе приходится учитывать движение воздуха и взаимодействие его с Землёй).

5.Сможет ли ракета двигаться в пустоте (нет).

6.Чем отличается реактивный двигатель от ракетного (ракетный может работать там где нет воздуха, он функционирует на твердом топливе).

7.Самая мощная ракета? («Энергия»,четыре двигателя позволяют доставлять на околоземную орбиту груз, равный весу 24 легковых автомобилей. «Энергия» предназначена для запуска кораблей многоразового пользования и даже возможно космического корабля на Марс ).

8.Задачи будущего (создать аппараты, скорость которых будет 10000 км/с, больше υ1 υ2 υ3 скоростей). Существует проекты по созданию фотонных, гравитационных двигателей которые позволят разгонять корабли до скорости света.

9.Как движутся каракатицы, кальмары, осьминоги, где в технике используется такой принцип движения?

10.Как движется воздушный шар, выпущенный из рук, не завязанный предварительно?

11.Почему при выстреле ружье надо плотно прижимать к плечу?

12.Почему при ударе возникают большие силы?(за маленькое время происходит большое изменение импульса)

13.Изменяется ли импульс свободно падающего тела?

14.Почему ракеты делают многоступенчатыми?

15.Как ракета может уменьшить свою скорость в открытом космосе?

Ответы на вопросы (Задачник Генденштейна и Рымкевича)

Д/З Параграф 41 — 44 прочитать.

Закон сохранения импульса. Реактивное движение

Тема: Закон сохранения импульса. Реактивное движение

Цель урока: формирование знаний об импульсе тела, умений применять их к анализу явления взаимодействия тел в простейших случаях, формулировка закона сохранения импульса

Актуализация опорных знаний

  1. Что такое импульс тела? Чему равен модуль импульса тела? Как направлен вектор импульса тела?

  2. Можно ли сказать, что тело обладает импульсом потому, что на него действует сила?

  3. Что такое импульс силы? Чему равен модуль импульса силы? Как направлен вектор импульса силы

  4. Может ли импульс тела равняться нулю?

  5. Сила, приложенная к телу, изменяет его импульс. Чему равно изменение импульса?

  6. Что можно сказать об импульсе тела, если сумма сил, приложенных к нему, равна нулю?

Новый материал

Импульс обладает интересным и важным свойством, которое есть лишь у немногих физических величин. Это свойство сохранения.

В чем оно состоит?

Свойство сохраняться ‒ это свойство оставаться неизменным. Именно таково свойство импульса тел. Относится оно к случаю, когда два или более тел взаимодействуют друг с другом, но на них не действуют внешние силы. Такая группа тел, или, как говорят, система тел, называется замкнутой: замкнутая система тел — это совокупность тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействующих с другими телами.

Поясним понятие замкнутой системы и свойство сохранения импульса простыми опытами.

Поставим на горизонтальные рельсы две тележки одинаковой массы. К торцу одной из них прикреплен шарик из пластилина, и к каждой из них на торцах прикреплены пружинные буфера. Пусть сначала тележки обращены друг к другу торцами, лишенными пружин. Сообщим обеим тележкам одинаковые по модулю скорости навстречу одна другой. Тележки встретятся, пластилин скрепит их и они остановятся. Результаты опыта легко понять. Две сталкивающиеся тележки ‒ это система двух взаимодействующих тел. Ее можно считать замкнутой системой, потому что действия на них других тел — Земли и опоры скомпенсированы. До встречи импульсы обеих тележек по модулю равны друг другу, а по направлению противоположны. Следовательно, сумма импульсов обеих тележек равна нулю. Во время столкновения тележки взаимодействуют, т. е. действуют друг на друга с некоторыми силами, равными по модулю и противоположными по направлению (третий закон Ньютона). Поэтому импульс каждой из тележек изменился. Но сумма импульсов осталась такой же, т. е. равной нулю ‒ ведь тележки остановились.

Повернем тележки так, чтобы они были обращены друг к другу пружинными буферами. Повторив опыт, мы убедимся в том, что после столкновения тележки разъедутся в противоположные стороны с одинаковыми по модулю, но противоположными по направлению скоростями. Значит, при взаимодействии импульсы опять изменились, но сумма импульсов по-прежнему осталась равной нулю, как говорят, она сохранилась.

Массы и скорости тел могут быть и различными. Не следует думать, что полный импульс системы тел сохраняется только тогда, когда он равен нулю. Пусть массы тележек не одинаковы: масса левой тележки равна , правой ‒ . Пусть и скорости, сообщенные тележкам, различны ‒ у левой и у правой тележки. Значит, до столкновения импульс левой тележки был , правой ‒ . При столкновении на левую тележку подействовала некоторая сила , на правую ‒ равная ей по модулю, но противоположная по направлению сила, т. е. . Время действия сил одинаковое. В результате действия сил скорости обеих тележек изменились. Пусть скорость левой тележки стала равной , правой — . Изменились, конечно, и импульсы тележек.

Запишем для каждой тележки второй закон ньютона.

В левой части равенства стоит сумма импульсов обеих тележек до столкновения, в правой ‒ сумма импульсов тех же тележек после взаимодействия. Импульс каждой тележки изменился, сумма же осталась неизменной.

Закон сохранения импульса. Если взаимодействуют не два, как в наших примерах, а много тел, то и в этих случаях сумма импульсов замкнутой системы взаимодействующих тел не изменяется (сохраняется). В этом и состоит закон сохранения импульса.

Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.

С системами тел, которые можно считать замкнутыми, мы постоянно встречаемся, в природе и технике. Такими системами являются ружье и пуля в его стволе, пушка и снаряд, оболочка ракеты и топливо в ней, Солнце и планеты, Земля и ее спутник. И всякий раз, когда под действием сил взаимодействия изменяется импульс одного из тел системы, непременно изменяются и импульсы других тел, но всегда так, что общий импульс всех тел остается неизменным.

Если система тел не замкнута. Незамкнутая система тел ‒ это система тел, взаимодействующих между собой, на которую, кроме того, действуют и какие-то внешние, «посторонние» системе тела, внешние изменяется. А изменение импульса равно импульсу той силы, которая приложена к системе. Стоящего на льду конькобежца может заставить сдвинуться с места (изменить импульс!) толчок его товарища. Но если конькобежец будет тянуть одной своей рукой другую, то это не изменит его импульс.

Реактивное движение. Интересный и важный пример проявления и практического применения закона сохранения импульса ‒ это реактивное движение. Так называют движение, которое возникает, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть. Типичным примером реактивного движения может служить движение ракет.

Ракета ‒ система двух взаимодействующих тел. На рисунке схематически представлено устройство ракеты.

В головной части 1 ракеты помещается полезный груз. Это может быть заряд, научные приборы или космонавты. В части 2 ракеты находятся запас топлива и различные системы управления. Топливо подается в камеру сгорания 3, где оно сгорает и превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Через насадку 4, называемую реактивным соплом, газ вырывается наружу и образует реактивную струю. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи. Газ в камере сгорания и все остальное, что составляет ракету,‒ это система двух взаимодействующих тел. Газ ‒ это и есть отделяющаяся часть тела ‒ ракеты.

Перед стартом ракеты ее импульс относительно Земли равен нулю. В результате взаимодействия газа в камере сгорания и всех остальных частей ракеты вырывающийся через сопло газ получает некоторый импульс. Будем пока считать, что сила притяжения к Земле отсутствует. Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и общий ее импульс должен и после запуска оставаться равным нулю. Поэтому и оболочка ракеты со всем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению.

Скорость ракеты. Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты. Предположим сначала, что весь газ, образующийся при сгорании топлива, выбрасывается из ракеты сразу, а не постепенно, как это происходит в действительности. Обозначим массу газа через , а скорость газа через . Массу и скорость оболочки обо­значим соответственно и .

Направим координатную ось вдоль направления движения оболочки, тогда проекции скоростей газа и оболочки по модулю будут равны модулям векторов и , но знаки их противоположны.

Так как сумма импульсов оболочки и газа должна быть равна нулю, то нулю должна быть равна и сумма их проекций:

или

Отсюда находим скорость оболочки:

Из формулы видно, что скорость оболочки тем больше, чем больше скорость выбрасываемого газа и чем больше отношение массы газа к массе оболочки. Если, например, требуется, чтобы скорость оболочки была в 4 раза больше скорости газовой струи, нужно, чтобы масса топлива была в 4 раза больше массы оболочки. Оболочка должна составлять лишь одну пятую массы ракеты на старте. А ведь «полезная» часть ракеты как раз оболочка!

Мы считали, что весь газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле он вытекает постепенно, хотя и довольно быстро. Это значит, что после выброса какой-то части газа оболочке приходится «возить» с собой еще не вылетевшую часть топлива. Кроме того, мы не учли, что на ракету действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Все это приводит к тому, что отношение массы топлива к массе оболочки много больше, чем мы получили. Более точный расчет показывает, что при скорости газа 2000 м/с для достижения скорости, равной первой космической, масса топлива должна быть в 55 раз боль­ше массы оболочки. Для межпланетных полетов (с возвращением на Землю) масса топлива должна быть в тысячи раз больше массы оболочки.

В отличие от других транспортных средств ракета может двигаться, не взаимодействуя ни с какими другими телами, кроме продуктов сгорания содержащегося в ней самой топлива. Именно поэтому ракеты используются для запуска искусственных спутников Земли и космических кораблей и для их передвижения в космическом пространстве. Там им не на что опираться и не от чего отталкиваться, как это делают земные средства транспорта.

При необходимости ракету можно тормозить. Именно так поступают космонавты, когда, заканчивая космический полет, они тормозят, чтобы вернуться на Землю. Понятно, что для этого газ из сопла должен вылетать в ту же сторону, куда движется ракета.

Идея использования ракет для космических полетов была предложена еще в начале нашего столетия русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским. Приведенное нами значение отношения масс топлива и оболочки было получено по формуле, известной как формула Циолковского.

Идея К. Э. Циолковского была осуществлена советскими учеными под руководством академика Сергея Павловича Королева. Первый в истории искусственный спутник Земли с помощью ракеты был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г.

Первым человеком, который на ИСЗ совершил полет в космическом пространстве, был гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 г. он облетел земной шар на корабле-спутнике «Восток».

Советские ракеты первыми достигли Луны, первыми облетели Луну и сфотографировали ее невидимую с Земли сторону, первыми достигли планеты Венера и доставили на ее поверхность научные приборы. В 1986 г. два советских космических корабля «Вега-1» и «Вега-2» с близкого расстояния исследовали комету Галлея, приближающуюся к Солнцу один раз в 76 лет. Ракеты впервые в истории человечества доставили человека на поверхность небесного тела: в 1969—1972 гг. американские астронавты совершили шесть полетов на Луну с выходом на ее поверхность и длительным (до трех суток) пребыванием на ней. Ими, а также советскими автоматическими кораблями на Землю доставлены образцы лунного грунта.

Закрепление изученного

  • Что такое замкнутая система тел?

  • В чем состоит закон сохранения импульса?

  • Парусная лодка попала в штиль и остановилась. Можно ли заставить ее двигаться, надувая паруса с помощью насоса, установленного на ее борту? А если насос установлен на другой лодке?

  • Могут ли осколки взорвавшейся гранаты лететь в одном направлении, если до взрыва граната покоилась? А если двигалась?

  • Существуют суда с водометным двигателем, выбрасывающим из корабля водяную струю. При этом корабль движется в сторону, противоположную направлению движения струи. Является ли движение корабля реактивным движением?

  • При выстреле из ружья стрелок ощущает удар приклада (отдача). Можно ли движение приклада считать реактивным?

  • Ракета может получить ускорение в космическом пространстве, где вокруг нее нет никаких тел. Между тем для ускорения нужна сила, а сила ‒ это действие одного тела на другое. Почему ускоряется ракета?

  • От чего зависит скорость ракеты?

  • Как осуществляется торможение космического корабля

Домашнее задание

Реактивное движение в природе и технике

  • История реактивного движения
  • Кто открыл реактивное движение?
  • Примеры реактивного движения в природе
  • Закон реактивного движения
  • Закон сохранения импульса и реактивное движение
  • Формула реактивного движения
  • Реактивное движение в технике – принцип работы реактивного двигателя
  • Реактивное движение, видео
  • 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, осьминоги, 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 законом сохранения импульса. 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:
    msvs+mрvр=0
    msvs=-mрvр

    где msvs импульс создаваемой струей газов, mрvр 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.

    >Реактивное движение. Значение работ К.Э. Циолковского

    Что такое реактивное движение

    Тема урока тесно связана с законом сохранения импульса и называется «Реактивное движение». Сегодня мы обсудим, что это за движение и как оно определяет движение ракет и самолетов.

    Явление отдачи

    На практике часто приходится сталкиваться с ситуацией, когда тело под действием внутренних сил распадается на части. Если внутренние силы достаточно велики по сравнению с внешними силами, то можно применять закон сохранения импульса и описывать движение этих тел. Эта ситуация имеет название «явление отдачи». Примером такого явления является выстрел снарядом из пушки (рис. 1).

    Рис. 1. Выстрел снарядом из пушки

    Пушка выстреливает снарядом. Снаряд движется в направлении оси . По закону сохранения импульса пушка начнет двигаться в противоположную сторону. Для простоты будем считать, что все скорости направлены вдоль одной прямой параллельно оси .

    Запишем закон сохранения импульса. До выстрела система покоилась, значит, импульс был равен нулю. После выстрела импульс системы состоит из двух частей: импульс снаряда и импульс пушки. Получаем:

    Перепишем полученное выражение в проекциях на ось . При этом скорость снаряда будет со знаком «+», а скорость пушки (скорость отдачи) со знаком «-«.

    Выразим скорость, с которой откатится пушка:

    Подставим следующие значения: .

    В реальности данная скорость может быть меньше за счет того, что масса пушки будет больше. Или же за счет специального оборудования (противооткатные опоры, гидропневматический амортизатор), которое предотвращает откат назад. В современных автоматах и пулеметах за счет энергии отдачи происходит перезаряд орудия и выброс гильзы.

    Явление отдачи – это причина любого движения на Земле. Рассмотрим движение автомобиля. Он катится по земле, и между автомобилем и землей возникает сила трения. Эта сила является внутренней для системы «автомобиль – Земля». Фактически автомобиль отталкивается от Земли и приобретает скорость в одну сторону, а Земля приобретает скорость в противоположную сторону. Конечно, Земля имеет намного большую массу, чем автомобиль, и она не движется в том направлении, в котором она должна была бы двигаться, если бы имела малую массу.

    Явление отдачи сопровождает многие процессы в микромире. Например, процесс деления ядра урана при попадании в него медленного нейтрона (рис. 2). До деления ядро и нейтрон можно считать неподвижным, а после деления два осколка разлетаются с большой скоростью в разные стороны. Здесь тоже применим закон сохранения импульса.

    Рис. 2. Процесс деления ядра урана

    Наиболее привычным примером явления отдачи является реактивное движение (движение космических ракет).

    На сегодняшний день реактивное движение широко распространено не только среди ракет и самолетов, многие животные тоже используют реактивное движение. Например, такие морские животные, как осьминоги или каракатицы, используют как раз реактивное движение. Они набирают воду, потом ее под давлением из себя выдавливают, и это приводит к тому, что они быстро перемещаются под водой (рис. 3).

    Рис. 3. Реактивное движение осьминога и каракатицы

    Определение. Реактивным движением называют движение, которое происходит в результате отделения от тела какой-либо его части или, наоборот, если к телу присоединяется какая-либо часть.

    Уравнение движения ракеты

    Как связано реактивное движение с импульсом? Если мы рассматриваем тело, в котором находится определенное количество газов (именно за счет газов чаще всего и осуществляется реактивное движение в технике), и если эта масса газов отделяется от тела с большой скоростью, то импульс газов будет численно равен импульсу самого тела (рис. 4):

    В проекциях на ось :

    Рис. 4. Реактивное движение ракеты

    Соответственно, скорость ракеты можно определить для данного мгновения времени следующим образом: .

    Недостатки уравнения

    Важно понимать, как скорость газов влияет на увеличение скорости оболочки, т. е., чем больше скорость вырывающихся газов, тем больше скорость самой оболочки. Заметим, что эта формула записана для мгновенного сгорания газов, а в ракетах не происходит такого: топливо сгорает постепенно.

    Как движется ракета?

    Ракета движется благодаря выбрасыванию горючего в сторону, противоположную движению ракеты.

    Рассмотрим движение ракеты (рис. 5).

    Рис. 5. Движение ракеты

    Пусть в начальный момент скорость ракеты равна , а масса ракеты вместе с газами и окислителем равна . Газы вытекают со скоростью относительно ракеты. Через некоторое время скорость ракеты станет , а масса ракеты . Масса вытекшего газа за время равна разности масс и . Скорость газов относительно Земли равна разности скорости и . В начальный момент времени суммарный импульс равен . После промежутка времени импульс равен сумме импульса ракеты и импульса вытекающих газов. Запишем закон сохранения импульса:

    Если спроектировать закон сохранения импульса на ось и провести преобразования, можно получить закон, который описывает движение ракеты:

    Знак минуса говорит о том, что ракета и газы движутся в разных направлениях. Разделим обе части этого уравнения на промежуток времени, в течение которого ракета разгонялась до скорости . Слева у нас получится сила тяги:

    Слева у нас получится массовый расход , умноженный на скорость газов. В итоге получаем выражение для реактивной силы тяги:

    Реактивная сила тяги зависит от двух параметров: от скорости, которой выбрасываются газы, и от массового расхода.

    Постепенно масса ракеты уменьшается за счет сгорания топлива, и газы, вырывающиеся из ракеты, соответственно увеличивают скорость уже тела с уменьшающейся массой (рис. 6). В данном случае нужно говорить о законе сохранения импульса с переменной массой.

    Рис. 6. Уменьшение массы ракеты

    Реактивное движение бывает двух видов. Реактивное движение само по себе характерно для ракет в космосе. Ракеты летают во всех средах, в том числе в вакууме, и движение ракет обеспечивается наличием топлива и окислителя для него внутри самой ракеты.

    Воздушно-реактивное движение – второй вид реактивного движения, характерный для реактивных самолетов. В этом случае никакой окислитель не нужен, потому что самолет летит в воздушном пространстве и, двигаясь с большой скоростью, прокачивает через себя большое количество воздуха (кислорода), который и окисляет топливо, дает большую температуру сгорания. Образуются газы, которые заставляют двигаться самолет вперед (рис. 7).

    Рис. 7. Движение самолета

    Ракетный двигатель содержит все компоненты рабочего тела на борту и способен работать в любой среде.

    Воздушно-реактивный двигатель использует энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы.

    Чтобы перемещаться дальше в пространстве, необходимо постоянно увеличивать массу горючего. Так, например, чтобы создать такую ракету, которая преодолела бы силу притяжения Солнца, потребуется масса топлива в 55 раз больше, чем масса самой ракеты.

    Расчет запаса топлива для ракеты

    Сколько необходимо взять топлива на ракету, чтобы она стала искусственным спутником Земли?

    Представим, что масса ракеты . Ускорение, которое будет у ракеты во время подъема на орбиту, равно . Посчитаем силу тяги:

    У современных ракет скорость выброса газов равна .

    Найдем массовый расход:

    Если учесть, что первая космическая скорость , то при заданном ускорении этой скорости можно достигнуть за время .

    Тогда нам понадобится горючего:

    Обратите внимание, что масса топлива в 2 раза больше массы ракеты. Наши расчеты не совсем точны. Ведь в начальный момент масса ракеты не 10 тонн, а 30 тонн, с учетом массы топлива.

    Устройство ракеты

    Если говорить об устройстве ракеты, важно понимать, что все ракеты строятся по одному и тому же принципу. Во-первых, это головная часть. Приборный отсек. Вторая часть – бак с топливом и окислитель. При смешивании этих двух частей происходит возгорание, сгорание топлива. Далее идут насосы и сопло (рис. 8). Форма сопла – того места, откуда вырываются газы, – имеет значение. Оказывается, изменение формы позволяет изменять скорость движения.

    Рис. 8. Устройство ракеты

    Список литературы

    1. А так ли хорошо знакомо вам реактивное движение? // Квант. – 2007. – № 5. – С. 32-33.
    2. Николаев В. Космический полет – это так просто!?.. // Квант. – 1990. – № 4. – С. 52-56.
    3. Саенко П.Г. Физика: Учеб. для 9 кл. сред. шк. – М.: Просвещение, 1990. – С. 98-106.
    4. Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И.
    5. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. – М.: Дрофа, 2002. – C. 284-307.

    Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

    1. Интернет-портал «tsiolkovsky.tass.ru» (Источник)
    2. Интернет-портал «prosopromat.ru» (Источник)
    3. Интернет-портал «poznavayka.org» (Источник)

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *