Реактивное движение

 

Введение

 

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

Но ни один учёный, ни один писатель-фантаст  за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос. Это смог осуществить русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате. Формула реактивного движения ракеты:

где,

 — конечная (после выработки всего  топлива) скорость летательного аппарата;

 — удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива);

 — начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция  аппарата + топливо);

 — конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция)

 

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.

 

Первый закон Ньютона:

Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых свободные тела движется равномерно и прямолинейно.

Второй закон Ньютона:

Если на частицу с массой т  окружающие тела действуют с силой  , то эта частица приобретает такое ускорение , что произведение ее массы на ускорение будет равно действующей силе.

Математически второй закон  Ньютона записывается в виде:

 

Третий закон Ньютона:

Силы, с которыми тела действуют  друг на друга, равны по модулям и  направлены по одной прямой в противоположные  стороны.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение реактивного  движения в природе

 

Многие из нас в своей жизни  встречались во время купания  в море с медузами. Во всяком случае, в Черном море их вполне хватает. Но мало кто задумывался, что и медузы для передвижения пользуются реактивным движением. Кроме того, именно так  передвигаются и личинки стрекоз, и некоторые виды морского планктона. И зачастую КПД морских беспозвоночных животных при использовании реактивного  движения гораздо выше, чем у техноизобретений.

Реактивное движение используется многими моллюсками – осьминогами, кальмарами, каракатицами. Например, морской  моллюск-гребешок движется вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной  из раковины при резком сжатии ее створок.

Каракатица, как и большинство  головоногих моллюсков, движется в  воде следующим способом. Она забирает воду в жаберную полость через  боковую щель и особую воронку  впереди тела, а затем энергично  выбрасывает струю воды через  воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны.

Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед.

Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. Кальмар  является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшего совершенства в  реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету (или лучше сказать –  ракета копирует кальмара, поскольку  ему принадлежит в этом деле бесспорный приоритет). При медленном перемещении  кальмар пользуется большим ромбовидным  плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань  – мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийной  полости, а затем резко выбрасывает  струю воды через узкое сопло  и с большой скоростью двигается  толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает  обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным  клапаном, и мышцы могут его  поворачивать, изменяя направление  движения. Двигатель кальмара очень  экономичен, он способен развивать  скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые исследователи  считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром  кальмара называют “живой торпедой”. Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар  поворачивает в ту или другую сторону. Поскольку такой руль по сравнению  с самим животным имеет очень  большие размеры, то достаточно его  незначительного движения, чтобы  кальмар, даже на полном ходу, легко  мог увернуться от столкновения с  препятствием. Резкий поворот руля – и пловец мчится уже в обратную сторону. Вот изогнул он конец  воронки назад и скользит теперь головой вперед. Выгнул ее вправо – и реактивный толчок отбросил его влево. Но когда нужно плыть быстро, воронка всегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед, как бежал бы рак – скороход, наделенный резвостью скакуна.

Если спешить не нужно, кальмары и каракатицы плавают, ундулируя плавниками, – миниатюрные волны пробегают по ним спереди назад, и животное грациозно скользит, изредка подталкивая себя также и струей воды, выброшенной из-под мантии. Тогда хорошо заметны отдельные толчки, которые получает моллюск в момент извержения водяных струй. Некоторые головоногие могут развивать скорость до пятидесяти пяти километров в час. Прямых измерений, кажется, никто не производил, но об этом можно судить по скорости и дальности полета летающих кальмаров. И такие, оказывается, есть таланты в родне у спрутов! Лучший пилот среди моллюсков – кальмар стенотевтис. Английские моряки называют его – флайинг-сквид («летающий кальмар»). Это небольшое животное размером с селедку. Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. К этой уловке он прибегает и спасая свою жизнь от хищников – тунцов и макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров – не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.

Реактивное движение можно встретить  и в мире растений. Например, созревшие  плоды “бешеного огурца” при  самом легком прикосновении отскакивают  от плодоножки, а из образовавшегося  отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.

Зная закон сохранения импульса можно изменять собственную скорость перемещения в открытом пространстве. Если вы находитесь в лодке и у  вас есть несколько тяжёлых камней, то бросая камни в определённую сторону вы будете двигаться в противоположном направлении. То же самое будет и в космическом пространстве, но там для этого используют реактивные двигатели.

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов  создаёт реактивную силу, благодаря  которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение реактивного  движения в технике

 

В конце первого тысячелетия  нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило  в действие ракеты - бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону 

Автором первого в мире проекта  реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец  Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881 г. за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения  смертного приговора. Кибальчич  писал: “Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении…Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною”.

Идея использования ракет для  космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским  учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировых  пространств реактивными приборами”. В этой работе содержалось важнейшее  для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формула Циолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых  космических городов на околоземной  орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Реактивный двигатель – это  двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении.

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

Принцип реактивного движения находит  широкое практическое применение в  авиации и космонавтике. В космическом  пространстве нет среды, с которой  тело могло бы взаимодействовать  и тем самым изменять направление  и модуль своей скорости, поэтому  для космических полетов могут  быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты. 

В основе движения ракеты лежит закон сохранения импульса:

 В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. 

Если в некоторый момент времени  от ракеты будет отброшено какое-либо тело, то она приобретет такой же импульс, но направленный в противоположную  сторону. В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.). Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода). Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Благодаря большой разности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве, газы из камеры сгорания мощной струей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.

Перед стартом ракеты её импульс  равен нулю. В результате взаимодействия газа в камере сгорания и всех остальных  частей ракеты вырывающиёся через сопло газ получает некоторый импульс. Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и её общий импульс должен и после запуска равен нулю. Поэтому и оболочка ракеты совсем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению.

Наиболее массивную часть ракеты, предназначенную для старта и  разгона всей ракеты, называют первой ступенью. Когда первая массивная  ступень многоступенчатой ракеты исчерпает  при разгоне все запасы топлива, она отделяется. Дальнейший разгон продолжает вторая, менее массивная  ступень, и к ранее достигнутой  при помощи первой ступени скорости она добавляет ещё некоторую  скорость, а затем отделяется. Третья ступень продолжает наращивание  скорости до необходимого значения и  доставляет полезный груз на орбиту.

Первым человеком, который совершил полёт 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, облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, первыми достигли планету Венера и доставили на её 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Реактивное движение - движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части. Реактивная сила возникает  без какого-либо взаимодействия с  внешними телами.

В настоящее время благодаря  многим учёным со всего света, изучение реактивного движения продвинуто, но насколько оно продвинуто и сколько  осталось до конца пути никто не знает. Человек уже был в космосе, но он чувствует и знает, что он не увидел и одной миллиардной доли того чего бы хотел увидеть. Значит, нам есть к чему стремиться, а если в жизни есть цель, то значит то, что она небессмысленная.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. М.: Наука, 2009.
2. Иродов И.Е. Механика. Основные законы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2009
3. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики, т.т. 1-2. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008
4. Трофимова Т.И. Краткий курс физики. М.: Высшая школа, 2009
5. Савельев И.В. "Курс общей физики. Механика. Молекулярная физика"