Реактивное движение

ВВЕДЕНИЕ.

 

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела.

Отдача – движение ствола или орудия в целом под давлением пороховых газов на дно орудия или оружия. Отдача производит движение его в сторону, обратную выстрелу, и давит на опору оружия — плечо стреляющего или лафет.

Явление отдачи мы наблюдаем  при включении душа.

 Если стоя на роликовых коньках бросить вперёд мяч, то человек откатывается назад. При одновременном броске двух мячей, приобретаемая скорость становится больше и дальность отката увеличивается. Результат отдачи зависит от массы и скорости отделяющегося тела или вещества. Наблюдаемое явление полностью согласуется с законом сохранения импульса. Демонстрация явления отдачи при броске мяча. Явление отдачи наблюдается при нырянии с лодки в воду или прыжке с лодки на берег, при соскакивании со скейта и т.д.

 Реактивное движение применялось еще при изготовлении первых пороховых фейерверочных и сигнальных ракет в Китаев Xвеке. В конце XVIII века индийские войска в борьбе с английскими колонизаторами использовали боевые ракеты на чёрном дымном порохе. В России пороховые ракеты были приняты на вооружение в начале XIX века.

 Во время Великой  Отечественной войны немецкие войска применяли баллистические ракеты Фау-2, обстреливая английские и бельгийские города. Советские войска с большим успехом использовали установки залпового огня «Катюша».

 

 

 

 Прародители реактивных  двигателей:

греческий математик  и механик Герон Александрийский , создатель эолипила (геронов шар);

 венгерский ученый Янош Сегнер ,который создал "сегнерово колесо";

 Первым применить  реактивное движение для полетов  в космос предложил Н. И.  Кибальчич; 

 Дальнейшая теоретическая  разработка ракетоплавания принадлежит русскому ученому Циолковскому К.Э.

Его труды вдохновили С.П.Королёва на создание летательных  аппаратов для полета человека в  космос. Благодаря его идеям впервые  в мире был осуществлен запуск искусственного спутника Земли ( 04.10.57г) и первого пилотируемого ИСЗ с летчиком - космонавтом на борту Ю.А. Гагариным ( 12 апреля 1961 г.).

Проекты первых реактивных летательных аппаратов Н.И. Кибальчича, К.Э. Циолковского.

Автором первого в  мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881г за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Н.И. 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».

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. Многие из его идей были осуществлены на практике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

 

История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя  18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и  превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро.

 Примерно тремя столетиями  позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через, изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей.

Венгерский физик Я.А. Сегнер в 1750 г. сконструировал реактивное колесо. Вода из сосуда М, куда открыт сверху доступ воздуха, вытекает по двум загнутым трубкам и вращает силою реакции весь сосуд вокруг вертикальной оси.

Ньютону же приписывают проект реактивного парового автомобиля. Котел с водой поставлен на колеса. Внизу помещается топка. Пар, вырываясь из отверстия сзади, дает реакцию, которая должна двигать повозку.

В 1831 г. в Венеции было издано сочинение «Открытие, как управлять воздушным шаром». В нем описано применение ракет, подвешенных к шару. Реакция их, по мнению автора, достаточна, чтобы достичь Луны. Поворотами труб можно менять направление движения корабля.

В 1839 г. Нюрнбергский механик Ребенштейн предлагал использовать для  изобретённого им аэроплана в качестве двигателя реактивное действие водяных паров или сжатого углекислого газа. В 1837г. появился рисунок его самолёта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО РАКЕТЫ

 

 Реактивное движение основано на принципе действия и противодействия: если одно тело воздействует на другое, то при этом на него самого будет действовать точно такая же сила, но направленная в противоположную сторону.

Рассчитаем, с какой  скоростью движется оболочка ракеты. Запишем закон сохранения импульса для замкнутой системы двух тел: газа и оболочки. Чтобы увеличить скорость движения ракеты, нужно взять массу топлива во много раз больше массы полезного груза. Чтобы ракета стала искусственным спутником Земли, ей необходимо сообщить скорость 7,9 км/с. Для достижения такой скорости масса топлива должна превышать массу полезного груза в 55 раз. Это значит, что большую часть массы ракеты на старте, составляет масса топлива.

 

У двухступенчатой ракеты в центральной части находится  вторая ступень, а вокруг неё расположены  топливные баки и реактивные двигатели  первой ступени. На старте начинают работать двигатели обеих ступеней. Когда  запасы топлива в первой ступени  заканчиваются, она отделяется. Полезный груз находится в головной части ракеты, он укрыт головным обтекателем, форма которого уменьшает сопротивление воздуха во время полета в атмосфере. После выхода в космическое пространство обтекатель тоже сбрасывается, и автоматический спутник или пилотируемый корабль начинают самостоятельный полет. Для изменения направления и величины скорости космического корабля также используются миниатюрные реактивные двигатели. Ракеты на жидком топливе используют керосин и кислород как окислитель.

Современная космическая  ракета это очень сложный и  тяжелый летательный аппарат, состоящий  из сотен тысяч и миллионов  деталей. Она состоит из рабочего тела (т. е. раскаленных газов, образующихся в результате сгорания топлива и  выбрасываемых в виде реактивной струи) и конечной "сухой" массы ракеты, остающейся после выброса из ракеты раскаленных газов (это оболочка ракеты, т. е. системы жизнеобеспечения космонавтов, аппаратура и т. д.). Для достижения космических скоростей применяют многоступенчатые ракеты. Когда реактивная газовая струя выбрасывается из ракеты, сама ракета устремляется в противоположную сторону, разгоняясь до 1-й космической скорости: 8 км/с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕАКТИВНОЕ  ДВИЖЕНИЕ В ПРИРОДЕ 

 

В природе встречается  реактивное движение? Рыбы плавают, птицы летают, звери бегают. Вроде бы все просто. Как бы не так. Охота к перемене мест у животных не каприз, а суровая необходимость. Хочешь есть – умей шевелиться. Не хочешь, чтобы тебя съели – умей улизнуть. Чтобы быстро передвигаться в пространстве, нужно развивать большие скорости.

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

Наибольший интерес  представляет реактивный двигатель кальмара. 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. Это 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. Недаром кальмара называют «живой торпедой». Таким образом, они, используют для плавания реакцию (отдачу) выбрасываемой струи.

 

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.

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.

 

Природа давно научилась  использовать простое и экономичное  реактивное движение.

 

 В быту на примере  душа на гибком шланге можно  увидеть проявление реактивного  движения. Стоит только пустить  в душ воду, как рукоятка с  распылителем на конце отклонится в противоположную вытекающим струям сторону.

Воздушный шар. Воздух в шаре создает давление на оболочку по всем направлениям. Если отверстие в шарике не завязывать, то из него начнет выходить воздух, при этом сама оболочка будет двигаться в противоположном направлении. Это следует из закона сохранения импульса: импульс шара до взаимодействия равен нулю, после взаимодействия – геометрической сумме импульсов газа и оболочки, поэтому они должны приобрести равные по модулю и противоположные по направлению импульсы, т. е. двигаться в противоположные стороны.

 На принципе реактивного  движения основана работа дождевальных установок для полива посадок в садах и огородах. Напор воды вращает головку с распылителями воды.

 Принцип реактивного  движения помогает движению пловца. Чем сильнее пловец отталкивает воду назад, тем быстрее он плывёт.

 Инженеры уже создали  двигатель, подобный двигателю  кальмара. Его называют водометом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В основе реактивного движения лежит закон сохранения импульса тела, который выполняется только для замкнутой системы тел.
2. Скорость движения реактивного устройства зависит от массы и скорости отделения от него вещества.
3. Реактивное движение распространено в природе (осьминоги, кальмары, каракатицы, медузы используют для плавания реактивное движение (отдачу), бешеный огурец), используется человеком в технике (реактивные двигатели, ракеты и ракетные установки) и быту (фейерверки, поливальные установки, игрушки и т.д.).
4. Простейшие модели реактивных двигателей и устройств можно сделать самим.
5. Проявлением реактивного движения является отдача, которую надо учитывать на практике (при стрельбе, спрыгивании с лодки, скейта и т.д.).
6. Результат отдачи зависит от массы и скорости отделяющегося тела или вещества.