Реактивное движение в природе и технике

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.

image

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).

image

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.

Из равенства (10.1) следует, что сообщаемый телу импульс равен произведению силы на время ее действия. Поэтому одинаковые силы, действующие в течение одного и того же времени, сообщают телам равные импульсы. В данном случае импульс mрvр, приобретаемый ракетой, должен пульсу mгазvгаз выброшенных газов:

mрvр = mгазvгаз

Отсюда следует, что скорость ракеты

Проанализируем полученное выражение. Мы видим, что скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и чем больше отношение массы рабочего тела (т. е. массы топлива) к конечной («сухой») массе ракеты.

Формула (12.2) является приближенной. В ней не учитывается, что по мере сгорания топлива масса летящей ракеты становится все меньше и меньше. Точная формула для скорости ракеты впервые была получена в 1897 г. К. Э. Циолковским и потому носит его имя.

Формула Циолковского позволяет рассчитать запасы топлива, необходимые для сообщения ракете заданной скорости. В таблице 3 приведены отношения начальной массы ракеты m0 к ее конечной массе m, соответствующие разным скоростям ракеты при скорости газовой струи (относительно ракеты) v = 4 км/с.

Например, для сообщения ракете скорости, превышающей скорость истечения газов в 4 раза (vр=16 км/с), необходимо, чтобы начальная масса ракеты (вместе с топливом) превосходила конечную («сухую») массу ракеты в 55 раз (m/m = 55). Это означает, что львиную долю от всей массы ракеты на старте должна составлять именно масса топлива. Полезная же нагрузка по сравнению с ней должна иметь очень малую массу.

Важный вклад в развитие теории реактивного движения внес современник К. Э. Циолковского русский ученый И. В. Мещерский (1859—1935). Его именем названо уравнение движения тела с переменной массой.

1. Что такое реактивное движение? Приведите примеры. 2. В опыте, изображенном на рисунке 22, при вытекании воды через изогнутые трубки ведерко вращается в направлении, указанном стрелкой. Объясните явление. 3. От чего зависит скорость, приобретаемая ракетой после сгорания топлива?

  • Доклады и сообщения
  • Разное
  • Реактивное движение

Изучение физических законов для человека необходимо с точки зрения их практического использования. Закон сохранения импульса: для системы, состоящей из любого числа тел, суммарный импульс остается постоянным при отсутствии внешних сил. Этот закон является одним из фундаментальных и не имеет исключений. Реактивное движение – пример проявления этого закона в действии. Очень часто мы можем наблюдать это движение в нашей повседневной жизни.

Примеры. Если надеть на водопроводный кран резиновую трубку, то при вытекании воды трубка уйдет в сторону, противоположную струе. Реактивная сила водяного потока заставит развернуться свернутый для полива шланг. Эта же сила вращает ствол дождевального аппарата. Чтобы это произошло, конструкция ствола предусматривает специальный изгиб в горизонтальном направлении.

Реакция струи имеет место всегда, когда струя жидкости или газа встречает препятствие и тогда она меняет направление. Турбины как раз и используют такую идею для получения вращательного движения. Главной деталью любой турбины является колесо с лопатками, которые насажены на обод под углом. Пар, ударяясь о лопатки, отражается от них и изменяет направление движения. Реакция струи, в свою очередь, будет вращать колесо турбины.

Движение ракеты есть суть реакция струи, но при этом весь запас отбрасываемых газов ракета несет с собой. В древнем Китае изобрели пороховую ракету. В ней оболочка заполняется медленно горящим порохом, выделяющим раскаленный газ. Он вылетает вниз с большой скоростью из дырки в оболочке, а ракета взмывает вверх.

Что такое реактивный двигатель? Это ракета, двигающая какое-либо транспортное средство. Баллистическая ракета состоит из двигателей большой мощности, которые работают при разгоне, и запаса топлива. Такая ракета будет иметь также полезную нагрузку. Если для военных целей – это боеголовка, для мирных – космический корабль. Тяга реактивного двигателя – это сила реакции вытекающего после сгорания топлива газа.

При полете ракеты на околоземное пространство ее ускорение будет тем больше, тем меньше масса оставшегося агрегата. А масса уменьшается по мере расходования запаса топлива. И по второму закону Ньютона приращение скорости будет тем больше, чем меньше масса содержимого корпуса ракеты.

Еще один фактор влияет на скорость движения ракеты – изменение скорости течения частиц газа до огромных значений. А это зависит от вида топлива, формы отверстия, называемого соплом, для отвода сгоревшего вещества топлива.

Таким образом, реактивное движение тела – это то, которое возникает при отделении с какой-либо скоростью некоторой его части.

Вариант №2

Реактивное движение – это способ применения закона сохранения импульса на практике. Реактивным называется вид движения тела с отделением от него части, летящей с определенной скоростью. Такой вид движения наблюдается не только в обыденной жизни, технике, но и в природе.

В быту реактивное движение можно наблюдать, если надуть воздушный шарик, а затем отпустить его. При этом воздух из шарика будет выходить в одну сторону, а шарик полетит в другую. Движение шарика прекратится, когда большая часть воздуха выйдет из него.

В технике самыми яркими примерами реактивного движения являются: ракета, сегнерово колесо. Впервые описание ракеты, как транспортного средства для космических полетов, было сделано Константином Эдуардовичем Циолковским – русским ученым в начале XX века. Но его идеи смог воплотить в жизнь советский конструктор Сергей Павлович Королев только в середине XX века. Во время полета ракеты отделяющейся частью является струя газов, образующаяся при сгорании топлива. Струя газов так же, как и в случае с шариком, устремляется в сторону, противоположную движению ракеты.  Ракеты, применяемые для организации красочных фейерверков, сигнальные ракеты тоже работают по принципу реактивного движения.

Рассмотрим еще один вид реактивного движения – сегнерово колесо. Сегнеровым колесо названо по фамилии венгерского ученого-физика Иоганна Сегнера, который и изобрел его в 1750 году. В качестве отделяющейся части здесь выступает вода, которая выливается из изогнутой на конце трубки  с большой скоростью и заставляет вращаться колесо. Данный метод до сих пор применяется в центробежном фильтре для очистки масла в автомобилях.

В природе реактивное движение используют такие животные, как: кальмар, сальпа, каракатица. Через отверстия у себя в теле они вбирают воду, а затем выбрасывают ее наружу и двигаются в сторону, противоположную вылету струи воды.

Растения также используют реактивное движение для распространения своих семян. Примером такого распространения являются плоды бешеного огурца. Даже небольшое прикосновение к созревшим плодам заставляет их отлетать от плодоножки и раскрываться. При этом семечко, расположенное в специальной клейкой жидкости, отлетает в сторону, противоположную коробочке.

10 класс, 9 класс кратко

Реактивное движение

Популярные темы сообщений

  • Князь Рюрик

    История князя Рюрика – интересное и познавательное явление. Начнем с того, что, как считают многие историки, он был выходцем из рода скандинавских викингов.

  • Балалайка инструмент

    Одним из известных музыкальных инструментов, который является символом широкой талантливой души русского человека, является балалайка. Для представителей России этот предмет не представляет ничего необычного. Однако иностранцы с недопониманием

  • Воздухоплавания

    Человек по своей природе является первооткрывателем. Его всегда манило то, что далёко, чуждо, и даже то, что неестественно, например плавание по поверхности воды и погружения на глубины. Одним из таких человеческих влечений всегда была высота.

Для большинства людей понятие «реактивного движения» связано с последними научно-техническими достижениями в физике. Появляются прообразы самолетов или кораблей на сверхзвуковых скоростях, которые помогают развить соответствующие двигатели. Однако явление встречалось намного раньше, поскольку оно появилось задолго до первых людей. Всевозможные морские обитатели в виде осьминогов и каракатиц миллионы лет живут по аналогичному принципу, какой используют реактивные двигатели.

Историческая справка

Различные механизмы на основе рассматриваемого физического явления начали возникать давно. Стоит выделить некоторые моменты:

С древних времен среди ученых наблюдалось реактивное движение в природе и технике. Наиболее ранними считаются записи древнегреческого математика и механика Герона, который при этом не смог пойти дальше теоретических изысканий.Что касается истории того, как появились примеры реактивного движения на практике, то здесь первенство держат представители Китая. Еще в XII веке они решили заимствовать у каракатиц и осьминогов принцип такого движения для первых ракет. Их применяли как для развлечений, так и боевого оружия. Позднее оно перешло к арабам и европейцам.Естественно, что первые ракеты условно реактивного вида были сравнительно простыми по конструкции и несколько столетий пребывали в стагнации.

Тогда казалось, что работы по развитию теории и практики движения замерли. Но в XIX веке случился настоящий прорыв, который связывают с общим развитием физики как науки в практическом и теоретическом плане.

Явление в новейшем времени

Лавры открывателя реактивного движения в природе и технике иногда присваивают талантливому изобретателю и революционеру Николаю Кибальчичу. Собственный проект двигателя и летательного аппарата, предшествующего появлению самолета, он смог основать, когда отбывал тюремное заключение. В итоге Кибальчич был казнен за революционные действия, а проект осел на полках царских охранных органов.

Работы Кибальчича, какие могли использоваться в указанном направлении, открыты и дополнены с помощью трудов великого ученого Константина Циолковского.

В период с 1903 по 1914 год он опубликовал значительную часть работ с доказательствами реальной возможности применения реактивного передвижения для постройки космических устройств по исследованию межзвездных пространств.

Также Циолковским сформулирован принцип создания ракет. В настоящее время ряд идей Циолковского применяется для решения задач в плане ракетостроения.

Природные примеры движения

Наглядно формулы реактивного движения на практике можно увидеть в природе. Наиболее ярко в этом плане выделяют некоторых морских обитателей:

  • Многие во время купания в море встречали медуз. Но мало кто знает, что их движение зависит от реактивной тяги. За счет того, что их строение включает прозрачный купол, они могут вылавливать воду. Этот процесс можно назвать реактивным передвижением.
  • Схожую механику имеет каракатица, благодаря особой воронке впереди. С ее помощью вода набирается в полость жабер, после чего все быстро выбрасывается из воронки взад или вбок, исходя из необходимого направления движения.
  • Наиболее интересным случаем является кальмар, нередко сравниваемый с живой торпедой. Ракета полностью воспроизводит тело кальмара. Для стремительного броска он применяет природный реактивный двигатель. Окруженный мантией и специальной мышечной тканью, полость внутри всасывает всю воду. Затем струя резко вылетает через узковатое сопло. Притом все десять щупалец складываются так, чтобы была приобретена обтекаемая форма. Столь совершенная реактивная навигация помогает достичь особо высокой скорости до 70 километров в час.

В природе также встречаются обладатели естественных реактивных двигателей. Одним из таких является бешеный огурец. При созревании плодов даже при легком касании он стреляет клейковиной с семенами.

Закон и уравнение

Важно разобрать суть такого движения и дать ему грамотное определение, так как от этого зависит дальнейшее рассмотрение физических явлений в науке.

Есть достаточно простой способ, с помощью которого можно наглядно продемонстрировать это явление. Обычный шарик надувают воздухом и сразу выпускают. Действие будет развиваться стремительно до момента, когда полностью уйдет запас воздуха. Объяснение кроется в третьем законе Ньютона. Согласно ему, два тела взаимодействуют между собой с равными по значению и противоположными по направлению силами.

Сила, действующая на выходящие потоки воздуха, и сила отталкивания шарика равняются между собой. Аналогично действует ракета, выбрасывая на высокой скорости часть собственной массы. Притом наблюдается сильное ускорение в другом направлении.

С помощью физики можно объяснить реактивное движение законом о сохранении импульса (произведение массы тела и скорости). Ракета в покое имеет импульс и скорость в нулевых значениях. При выбросе реактивной струи оставшаяся часть по закону сохранения импульса приобретает ту скорость, когда суммарный импульс равняется нулю.

В целом такое движение возможно описывать следующим уравнением: m s v s +m р v р =0 m s v s =-m р v s, где m s v s — импульс воссоздаваемой струей газов, m р v р — импульс, создающийся ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила движения струи лежат в разных плоскостях.

Техническая область

Для новейшей техники указанное движение играет значительную роль, поскольку реактивные двигатели способны привести в движение различные конструкции, от самолетов до кораблей. Хотя непосредственно конструкция двигателя может значительно отличаться по сравнению с конкурентами, в каждом должен лежать один из элементов:

запас топлива, предназначение которого — в обеспечении поднятия аппарата;камера для сжигания топлива, позволяющая отделить нужную часть ракеты;сопло, задача которого — ускорить реактивную струю и продолжать движение вверх.

По схеме космический аппарат должен был напоминать реактивный снаряд. Но впереди должна была быть кабина для приборов и людей, а в остальной части — запас топлива и двигатель. Для придания необходимой скорости было важно подобрать правильное топливо. Слишком опасно и ненадежно было применение взрывчатых веществ по типу пороха.

Циолковским было рекомендовано задействовать спирт, бензин или водород. Они горят в чистом кислороде или ином окислителе. Это приняли все, поскольку лучшего варианта на тот момент не было. Первая ракета весом в 16 килограммов испытана в 1929 году в Германии. Опытный образец улетел в воздух и скрылся из вида до того, как можно было бы отследить траекторию: поиски были безуспешны. Нужно было думать над доработкой модели.

Вторая попытка сопровождалась небольшой хитростью. К ракете привязали веревку длиной в 4 километра. Взвившись, ракета вытянула половину веревки и улетела в неизвестном направлении. Поиски также оказались безрезультатны. Первая успешная попытка запуска ракеты на жидком топливе осуществилась 17 августа 1933 года. После запуска ракета она пролетела положенные километры и успешно села. В действии подтвердились законы Ньютона. В дальнейшем успешное применение летательных объектов продолжилось.

Рассматриваемое движение успешно применяется в ракетостроении и физике в целом. Даже природа показывает, насколько обширно его применение.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТВ 

Здравствуйте гость!

В 

Логин

:

Пароль

:

В 

Запомнить

В 

В 

Забыли пароль? Регистрация

В 

Поиск учебного материала на сайте
Предмет:
Название:

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение оригинальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения оригинальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, РУКОНТЕКСТ, etxt.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии так, что на внешний вид, файл с повышенной оригинальностью не отличается от исходного.

Ответы Поясните сущность явления вязкого трения. Какова природа сил внутреннего трения жидкости?

Информация:

Тип работы: Ответы. Предмет: Физика. Добавлен: 14.12.2017. Год: 2017. Страниц: 4. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):

Все вы много раз слышали о реактивном двигателе или реактивных самолетах.

image

Реактивное движение — это движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него.

В частности, реактивная тяга — это сила, возникающая в результате истечения газов из сопла летательного аппарата с определенной скоростью.

Элементарный пример реактивного движения видел каждый: если надуть воздушный шарик и, не завязав его, отпустить, шарик полетит, и будет летать до тех пор, пока из него не выйдет весь воздух.

Реактивные двигатели, в первую очередь, необходимы для освоения космического пространства. Ведь, находясь в открытом космосе, корабль не имеет возможности оттолкнуться от какой-либо опоры, поскольку ее, попросту, нет. Единственной силой, которая могла бы сообщить кораблю ускорение, является реактивная тяга.

Несмотря на то, что в пределах земной атмосферы нет необходимости применять реактивные двигатели, большинство современных самолетов летают именно на реактивной тяге. Это обусловлено тем, что реактивная тяга предоставляет достаточно высокие скорости, по сравнению с теми, которые достижимы винтовыми самолетами.

Реактивные двигатели делятся на два основных типа: ракетные и воздушно-реактивные.

image

Для работы ракетного двигателя необходимо топливо и окислитель, который способствует горению. В двигателях на твердом топливе (в качестве которого часто используется порох), горючее и окислитель находятся непосредственно в двигателе. В реактивных двигателях на жидком топливе, таком как бензин, например, топливо и окислитель хранятся в отдельных баках, и с помощью насосов подаются в камеру сгорания.

image

Температура в камере сгорания составляет порядка 3 000 оС, в результате чего, давление возрастает до 50 атм. В камере сгорания при сгорании топлива образуются газы, которые из-за высокой температуры создают высокое давление на стенки камеры. В результате этого, газы вырываются из сопла ракеты, тем самым двигая ее вперед.

Выполняется закон сохранения импульса: суммарный импульс системы должен оставаться равным нулю. Определенная масса газов вырывается из сопла в одну сторону, поэтому, ракета должна начать двигаться в другую сторону. Для увеличения эффекта применяют сужение сопла, чтобы увеличить скорость истечения газов. Ведь при этом, через меньшее поперечное сечение должно будет пройти то же количество газов за определенное время. Следовательно, скорость истечения газов должна увеличиться.

Заметим, что даже при постоянной скорости истечения газов, скорость ракеты будет увеличиваться, поскольку будет уменьшаться ее масса в результате сгорания топлива. Исходя из этого, мы можем вывести формулу, по которой рассчитывается реактивная тяга:

image

Обратите внимание, что перед скоростью истечения газов стоит знак «минус», поскольку, эта скорость направлена в противоположную сторону, чем скорость движения ракеты.

Эта же формула выводится из закона сохранения импульса для системы ракета — продукты сгорания:

image

В правой части мы видим отношение изменения массы к промежутку времени — эта величина называется массовым расходом топлива.

Воздушно-реактивные двигатели немногим отличаются от ракетных. Основное их отличие в том, что в качестве окислителя используется кислород, содержащийся в воздухе, который попадает внутрь двигателя.

Пример решения задачи.

Задача. Реактивный самолет набирает скорость от 800 км/ч до 2000 км/ч. За это время самолет потерял 1 т топлива. Масса самолета без топлива равна 16 т. Какова скорость истечения газов?

Нам ничего не сказано о других силах, поэтому, внешними силами можно пренебречь.

image

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий