Ракета двигается в космическом пространстве выбрасывая из сопла двигателя струю раскаленных газов

Обновлено: 01.05.2024

Как устроены ракетные двигатели (3 минуты чтения и все понятно)

Отличие от авиационных, автомобильных и других.

Их много. Но для целей этой статьи важно одно. Ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.

Нам кажется привычным – залил бензин (горючее) в бензобак и поехал. С ракетой так не получится. Автомобильные, авиационные, судовые и другие двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы Земли.

Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим , но и окислителем , как правило, кислородом.

Итак, ракетное топливо двухкомпонентное .

Само горючее , как правило это:

Почему «окислитель»? Потому что горение, это и есть химическая реакция окисления, сопровождающаяся высокой скоростью реакций и выделением теплоты и света. (Кстати, образование ржавчины, тление и многие другие процессы также являются окислением, только не столь быстрым)

Есть топливные пары без кислорода. Например, гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель). Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.

Идем дальше.

Виды движения в атмосфере

Может показаться, что с этого следовало начать статью. Может быть.

Чтобы добраться до космоса, «нужно пролететь атмосферу». Итак, есть несколько видов движения в атмосфере:

Баллистическое движение

Это движение тела в пространстве под действием внешних сил. Снаряды и пушечные ядра, боеголовки баллистических ракет и так далее – все это баллистическое движение. «Вагон-снаряд» отправленный на Луну французским писателем Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну», также.

Аэростатическое движение

Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Воздушные шары, аэростаты, дирижабли - все это летательные аппараты легче воздуха. Американская компания World View собиралась отправлять таким образом туристов в «ближний космос» (какой хороший маркетинговый термин), то есть на высоту 30 километров.

Аэродинамическое движение

Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.

И наконец, Реактивное движение

Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.

Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.

Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.

Это были принципы, теперь к устройству.

Начнем с простого

В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.

Кажется все просто? На самом деле нет!

Первая инженерная задача

Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.

Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.

Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.

Самое распространенное: охлаждать одним из компонентов топлива, как правило, это горючее. В стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой части сопла создаются полости («рубашка охлаждения»), через которые перед поступлением в форсуночную головку камеры сгорания проходит горючее. Таким образом, холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей двигателя, чтобы охладить их, а затем попадает в камеру сгорания.

Вторая инженерная задача

Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.

Но нам снова, нужно чтобы двигатель и ракета были максимально простыми и легкими (насколько это можно). Решение нашлось. Часть топлива используется для работы насосов. Оно подается в небольшую камеру «предварительного» сгорания – газогенератор. Горячий газ из нее приводит в действие турбину, она – приводит в действие топливные насосы. Турбина одна. Насосов два – на одном валу.

Что дальше?

Что делать с топливом, которое прошло через газогенератор. Его после раскручивания турбины можно сбрасывать наружу. Именно так устроен двигатель Merlin (кислородно-керосиновый), используемый SpaceX на ракетах Falcon 9. Это, так называемая открытая схема.

Схема проста, но недостаточно эффективна. В создании тяги ракетного двигателя топливо, прошедшее через газогенератор, напрямую не участвует, а место в ракете занимает.

Можно его дожигать в камере сгорания. Как, например, в РД-180 (кислородно-керосиновый), который покупают у нас американцы для установки на первую ступень ракет семейства «Атлас» начиная с Atlas III.

Это схема называется закрытой. Горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. Топливо не пропадает и полностью участвует в создании тяги. Такой двигатель гораздо сложнее. В двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасосный агрегат, а значит, больше поднять давление в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания, тем больше тяга. Высокое давление – большая эффективность двигателя.

Однако у него есть недостатки — высокая нагрузка на турбину двигателя, относительно высокие сложность и стоимость.

Зато двигатели Merlin имеющие низкое давление в камере сгорания достаточно просты в производстве и дешевы. Именно на них Илон Маск потеснил «Роскосмос» на рынке космических запусков и запустил в космос родстер Tesla .

Усложняем дальше

А еще можно все топливо пропускать через газогенератор . Такая схема называется полнопоточная закрытая. Мы делали такой двигатель в 60-х (РД-270), но в таких двигателях нужно два газогенератора и два турбонасосных агрегата, которые ведут в одну камеру сгорания и работают параллельно.

Однако в РД-270 наблюдались низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере. Возникла проблема в синхронизации совместной работы двух турбонасосных агрегатов. Они пытались пересилить друг друга и стабилизировать их без помощи быстродействующего бортового компьютера не удалось. Но такого в то время еще не было.

В феврале этого года Илон Маск объявил результаты тестирования двигателя Raptor (кислородно-метановый). Его получат ракета Super Heavy и корабль Starship. По заявлениям Маска его характеристики лучше, чем у РД-180. Высокое давление в камере сгорания обеспечено именно полнопроточной закрытой схемой.

Физика полёта ракеты

Медузы для передвижения пользуются реактивным движением. Такое движение возникает при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части. 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 технических изобретений.

Вложение	Размер
fizika_polyota_rakety.docx	35.59 КБ

Предварительный просмотр:

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №27 с углубленным изучением отдельных предметов

«Физика полёта ракеты»

ВЫПОЛНИЛ УЧЕНИК 9 А КЛАССА:

Введение
Основная часть
Исследовательская часть
Заключение

Тема проекта является актуальной, так как охватывает большой временной пласт развития человеческой мысли и ее технического воплощения. Когда я был на Черном море, во время купания часто встречался с медузами. Меня заинтересовала необычная манера их передвижения. Оказалось, что медузы для передвижения пользуются реактивным движением. Такое движение возникает при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части. 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 технических изобретений.

Цели и задачи проекта.

Цель: 1) Рассмотреть историю развития воздухоплавания

2) Расширить свои представления о космосе;

3)Оформить проделанные исследования в виде материалов для уроков физики

Задачи: Изучить законы физики действуют при взлёте ракеты;

Познакомиться с устройством ракеты;

Выполнить экспериментальное задание для демонстрации закона сохранения энергии

Основная часть

1. Давняя мечта человека

С глубокой древности люди мечтали летать, как птицы. О своих фантазиях наши предки рассказывали в сказках. Сказочные герои отправлялись в полет на ковре-самолете, в ступе и на метле. Многие герои по-своему передвигались по воздуху. Баба Яга в ступе, Маленький Мук в волшебных тапочках, Карлсон на своем моторчике. Но больше всего людям хотелось взмахнуть руками, как крыльями, и полететь над землей подобно птицам. Больше трех тысяч лет тому назад создали греки миф о Дедале и сыне его Икаре. Великий художник, изобретатель и зодчий Дедал сделал две пары крыльев из птичьих перьев, скрепленных нитками и воском. Поднялись в воздух Дедал и Икар, чтобы улететь на родину в Афины с острова Крит, где их держал в плену царь Минос.

Дедал наказывал сыну – не приближайся к солнцу, его лучи растопят воск. Но упоенный счастьем полета Икар поднимался все выше, выше… Солнце растопило воск, рухнул Икар с высоты и погиб в морских волнах. А Дедал долетел до земли и благополучно спустился. С тех пор поэтичный образ Икара стал воплощением мечты человека о полете.

Но человечество не оставляло свою мечту о полете. Уже много веков тому назад люди пробовали создать крылья, на которых можно было бы подняться ввысь. Все попытки подражать птицам были неудачны. Летать на машущих крыльях не удавалось. Так, в XVIII веке, появились воздушные шары. Недостатком воздушных шаров было то, что двигались они только в том направлении, куда дул ветер.

Люди думали над вопросом: как сделать воздушный шар управляемым? Были попытки использовать руль и весла, но все безрезультатно. Пока, наконец, не придумали двигатель. Появились дирижабли.

Но и дальше людей не оставляла мысль о крыльях. Однако воздушные шары подняли человека в воздух на полтора века раньше, чем удалось осуществить полет на крыльях. На смену воздухоплаванию приходит авиация аэроплан. Со временем аэропланы совершенствовались.

Первые опытные самолеты с турбореактивным двигателем были построены в годы Великой Отечественной войны. Винт для самолета стал ненужным. Крылья стали меньше и уже. Современный реактивный самолет способен перевезти сотни пассажиров со скоростью 969 км/ч. Полеты стали настолько привычны, что сегодня каждую минуту где-нибудь в мире заходит на посадку самолет. Сейчас существуют самолеты, которые летают быстрее скорости звука.

Прошли годы, и люди сумели покорить воздушное пространство Земли. Но они всё равно мечтали и о космическом пространстве.

Ученые придумали космический корабль для полета в космос. Прежде они решили проверить безопасность полетов на четвероногих помощниках – собаках. Выбирали собак не породистых, а дворняжек – ведь они и выносливы и неприхотливы. Космический корабль с четвероногими космонавтами – Белкой и Стрелкой облетел вокруг Земли 18 раз.

Чуть позже полетел в космос самый первый космонавт Земли - Юрий Алексеевич Гагарин.

Его первый полёт в космос был самым трудным и опасным.

В настоящее время космонавты летают на современных высокоскоростных аппаратах.

2. Кто придумал ракету?

Оказывается, что ракеты человек изобрёл очень давно. Их придумали в Китае много сотен лет тому назад. Китайцы использовали их для того, чтобы делать фейерверки. Они долго держали в секрете устройство ракет, им нравилось удивлять чужестранцев. Но некоторые из этих удивлённых чужестранцев оказались людьми очень любознательными. Вскоре во многих странах научились делать фейерверки и праздничным салютом отмечать торжественные дни.

Ещё при Петре I была создана и применялась одно фунтовая сигнальная ракета "образца 1717 года", остававшаяся на вооружении до конца XIX века. Она поднималась на высоту до одного километра. Некоторые изобретатели предлагали использовать ракету для воздухоплавания. Научившись подниматься на воздушных шарах, люди были беспомощны в воздухе.

Управляемый аппарат тяжелее воздуха — вот о чем мечтал революционер Н. Кибальчич в каземате Петропавловской крепости, осужденный на казнь за покушение на царя. За десять дней до смерти он завершил работу над своим изобретением и передал адвокату не просьбу о помиловании или жалобу, а "Проект воздухоплавательного прибора" (чертежи и математические расчеты ракеты.) Именно ракета, считал он, откроет человеку путь в небо.

3. Строение ракеты

Ракета состоит из 3 одинаковых ступеней, расположенных одна на другой. Каждая ступень ракеты состоит из двигателя и топливных баков. Первой включается и работает самая нижняя ступень. Эта ракета самая мощная, так как ее задача — поднять в воздух всю конструкцию. Когда топливо сгорает, а баки пустеют, нижняя ступень отрывается, и тут начинают работу двигатели второй ступени. В это время ракета набирает скорость и летит все быстрее. Когда горючее кончается, вторая ступень отрывается и включается в работу третья, последняя ступень, которая еще больше разгоняет корабль. Вот тут включается первая космическая скорость и корабль выходит на орбиту, а далее летит один, так как последняя ступень ракеты почти полностью сгорает при отсоединении.

Еще у ракеты есть стабилизаторы - маленькие крылья внизу. Они нужны для того, что бы ракета летела ровно и прямо. Если у ракеты не будет этих стабилизаторов, то она в полете будет болтаться из стороны в сторону.

Стабилизаторы же меняют всю картину. Когда ракета начинает отклоняться в бок, или заносить в сторону, как заносит машину на скользкой дороге, стабилизаторы подставляются под поток воздуха своей широкой частью и этим потоком их сносит назад. А у больших космических ракет стабилизаторов или нет вообще, или они очень маленькие, потому, что в таких ракетах стоит не один, а сразу много реактивных двигателей. Из них несколько больших, которые и толкают ракету вверх, а есть еще маленькие, которые нужны только для того, что бы подправлять полет ракеты.

Форма ракеты (как веретёнце) связана только с тем, что ей приходится по дороге в космос пролетать через воздух. Воздух мешает лететь быстро. Его молекулы стукаются о корпус и тормозят полёт. Для того, чтобы уменьшить воздушное сопротивление, форму ракеты и делают гладкой и обтекаемой.

4.Почему ракета взлетает?

Взлетом космической ракеты сейчас можно полюбоваться и по телевизору, и в кино. Ракета вертикально стоит на бетонном стартовом столе. По команде из пункта управления включаются двигатели, мы видим загорающееся внизу пламя, мы слышим нарастающий рев. И вот ракета в клубах дыма отрывается от Земли и сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее устремляется вверх. Через минуту она уже на такой высоте, куда не могут подняться самолеты, а еще через минуту – Космосе, в околоземном безвоздушном пространстве.

Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона, сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленую ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты – тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.

Третий закон Ньютона можно сформулировать иначе, как закон сохранения импульса. Импульсом называется произведение массы на скорость.

Если двигатели ракеты мощные, ракета очень быстро набирает скорость, достаточную для того, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту. Эта скорость называется первой космической скоростью и равна приблизительно 8 километрам в секунду. Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем – азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.

Для того чтобы понять работу реактивного двигателя мной был проведён опыт с воздушным шариком. Надуем воздушный шар и не завязывая отпустим его. Он со смешным звуком быстро начнет метаться из стороны в сторону, пока не сдуется. Шарик полетел потому, что из него выходил воздух. А это и есть реактивное движение. Есть такой закон природы: если от предмета отделяется его часть, то этот предмет начинает двигаться в противоположную сторону.

Опыт «Реактивное движение»

Для опыта понадобилось: воздушный шарик, нить, основание от канцелярской ручки.

Клапан воздушного шарика натянули на основание ручки и перевязали нитью для закрепления шарика. Через основание ручки надули шарик. Конструкцию отпустили в воду и наблюдали, что при выходе воздуха из шарика конструкция начала двигаться, при этом направление воздуха и направление движения шарика были направлены в противоположные стороны.

Вывод: В опыте на конструкцию действовали только внешние силы, следовательно, по закону сохранения импульса векторная сумма тел системы будет равна нулю.

Ракета двигается в космическом пространстве выбрасывая из сопла двигателя струю раскаленных газов

§ 15. РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ: УРАВНЕНИЕ МЕЩЕРСКОГО, РАБОТЫ ЦИОЛКОВСКОГО И ОСВОЕНИЕ КОСМОСА

Реактивным движением называют движение тела, возникающее при отделении какой-либо его части.

Движение большинства современных самолётов является реактивным, т.к. происходит в результате истечения с огромной скоростью нагретых в двигателе газов. При этом самолёт движется в сторону, противоположную скорости истечения газов. Так же движутся и ракеты, выбрасывая из сопла продукты сгорания топлива. Примером реактивного движения может служить и отдача ствола пушки при выстреле (см. §14).

Силу, действующую на тело при реактивном движении, называют реактивной силой. Рассмотрим, от чего зависит её величина для ракеты, движущейся в космическом пространстве вдалеке от других тел. В таких условиях систему «ракета с истекающими из неё газами» можно считать замкнутой и для определения реактивной силы воспользоваться законом сохранения импульса.

Пусть в момент времени t ракета имеет массу m и движется со скоростью v относительно выбранной нами инерциальной системы. Значит, импульс системы в момент t равен mv . Из сопла ракеты истекают продукты горения, и её масса уменьшается на m кг в единицу времени, поэтому в момент времени t - D t она будет равна m - m . D t , а импульс ракеты станет равным ( m - m . D t )( v + D v ). Если считать, что скорость истечения газов из ракеты относительно его сопла равна u , то импульс выброшенных из ракеты газов за промежуток времени D t составит m . D t ( u + v ). Приравнивая импульс системы в моменты t и t + D t , получаем:

Раскрывая скобки в (15.1), приводя подобные члены и пренебрегая m . D t . D v , по сравнению с остальными членами, получим следующее уравнение:

Если разделить обе части уравнения (15.2) на D t , то оно преобразуется в уравнение Мещерского:

Левая часть уравнения Мещерского представляет собой произведение массы ракеты на её ускорение, что, согласно второму закону Ньютона, равняется силе, действующей на ракету. Таким образом, из (15.3) следует, что реактивная сила равна произведению расхода топлива в единицу времени на скорость истечения газов и направлена в сторону противоположную вектору этой скорости.

Применение реактивной силы дало возможность человеку летать со скоростями, б óльшими скорости звука (330 м/с), и начать освоение космического пространства. Существуют два типа реактивных двигателей – ракетные и воздушно-реактивные. Ракетный двигатель (рис. 15а) создаёт реактивную силу, выбрасывая из сопла (1) продукты горения топлива и окислителя, нагнетаемых с помощью насосов (2) в камеру сгорания (3). В воздушно-реактивном двигателе (рис. 15б) для горения используется кислород, содержащийся в атмосфере. Эти двигатели оснащены компрессорами (4), которые засасывают и сжимают атмосферный воздух, подавая его в камеру сгорания (3). Горение топлива в форсунках (5) разогревает воздух, увеличивает его давление, и он с огромной скоростью вырывается из сопла (1), создавая реактивную силу и вращая ось, на которой находится лопасти компрессора. Воздушно-реактивными двигателями оснащены практически все современные самолёты.

Большой вклад в развитие теории реактивного движения сделал К.Э. Циолковский, доказав что с помощью реактивной тяги человек способен достичь космических скоростей (см. §12), навсегда оторвавшись от Земли. Ему же принадлежит идея создания многоступенчатых ракет, позволяющих экономить топливо на пути в космос, и космических станций.

Теория реактивного движения в космосе была практически воплощена во второй половине XX -го века, когда СССР осуществил запуск первого искусственного спутника Земли. 12 апреля 1961 года Ю.А. Гагарин совершил первый полёт в космос, а 20 июля 1969 года американские космонавты Н. Армстронг и Э. Олдрин впервые высадились на поверхности Луны. В настоящее время на околоземной орбите находится международная космическая станция, на борту которой работают специалисты из России, США и других стран мира.

Вопросы для повторения:

· Что такое реактивное движение и реактивная сила?

· От чего зависит реактивная сила?

· Какие бывают реактивные двигатели?

Рис. 15.Схематическое изображение ракетного (а) и воздушно-реактивного (б) двигателей.

Закон сохранения импульса. Система центра масс

Полученное соотношение выражает закон сохранения импульса: векторная сумма импульсов всех тел замкнутой системы в инерциальной системе отсчета не изменяется со временем.

Таким образом, импульс механической системы может изменяться под действием только внешних сил, внутренние силы не могут изменить импульс системы. При этом импульсы отдельных тел системы могут испытывать существенные изменения, однако приращение импульса одного тела равно убыли импульса оставшейся части системы. Иными словами, отдельные части системы могут лишь обмениваться импульсами.

С учетом выражения, связывающего импульс системы со скоростью ее центра масс ( ), из (3.17) следует, что при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, скорость ее центра масс сохраняется ( ). Центр масс замкнутой системы либо покоится, либо движется с постоянной скоростью относительно инерциальной системы отсчета.

Закон сохранения импульса относится к фундаментальным (универсальным) законам природы. Он справедлив не только в классической механике, базирующейся на законах Ньютона, но и в квантовой механике, описывающей процессы, происходящие в микромире. Этот закон является следствием определенного физического свойства пространства - его однородности. Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются. Иначе говоря, изменение выбора начала системы координат не должно отражаться на физических свойствах системы и законах ее движения.

В заключении отметим, что в тех случаях, когда нас интересует лишь относительное движение частиц внутри системы, а не ее движение как целого, наиболее целесообразно пользоваться системой отсчета, в которой центр масс покоится. Систему отсчета, жестко связанную с центром масс и перемещающуюся поступательно по отношению к инерциальным системам, называют системой центра масс или С-системой. Отличительной особенностью С-системы является то, что полный импульс системы частиц в ней всегда равен нулю, ибо . Любая система частиц как целое покоится в своей С-системе.

Движения тела переменной массы.

Формула Циолковского

Имеется много случаев, когда масса тела изменяется в процессе движения за счет непрерывного отделения или присоединения вещества. Типичным примером такой ситуации является реактивное движение, которое осуществляется за счет выброса из сопла ракеты раскаленных газов. Выбрасываемое вещество, в свою очередь, воздействует на ракету и увеличивает ее скорость в противоположном направлении.

Рассмотрим задачу о реактивном движении для наиболее простого случая, когда ракета движется в дальнем космосе, так что воздействием на нее Земли и других планет можно пренебречь. Ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Суммарный импульс такой системы не меняется во времени, и именно закон сохранения импульса лежит в основе решения этой задачи.

Пусть - масса ракеты в произвольный момент времени , - ее скорость относительно некоторой инерциальной системы отсчета, а - импульс в тот же момент времени (рис.3.3). По истечении времени суммарный импульс ракеты и газов, образовавшихся за это время, в соответствии с законом сохранения импульса не изменится, то есть

где - масса образовавшегося газа, - скорость истечения газов из ракеты, - скорость газа относительно выбранной системы отсчета.

Выполнив преобразования и отбросив член , как бесконечно малую высшего порядка, получим

Для нахождения максимальной скорости ракеты проинтегрируем (3.19), допуская, что начальная скорость ракеты равна нулю, ее стартовая масса равна , а конечная масса - . В результате интегрирования получим

Полученное соотношение (3.20) называется формулой Циолковского. Эта формула позволяет рассчитать запас топлива, необходимый для реализации космических полетов на ракетах. Так, при скорости истечения газов 2км/с, для достижения первой космической скорости ( ) необходимо, чтобы отношение начальной массы ракеты к ее конечной было равно 55. Это означает, что почти 98% массы ракеты приходится на топливо. Путь преодоления этой трудности был указан Циолковским. Он впервые обосновал необходимость использования многоступенчатых ракет для достижения космических скоростей.

Не представляет особых трудностей обобщение представленного рассмотрения на случай действия внешних сил. В соответствии с законом изменения импульса

Приведем данное выражение к виду

имеет размерность силы и называется реактивной силой. Она характеризует механическое действие на тело отделяющихся от него или присоединяющихся к нему частиц.

Уравнение (3.22) называется уравнением Мещерского и позволяет решать любые задачи механики, связанные с движением тел переменной массы.

Применение законов динамики

Среди многообразия различных задач на динамику выделим следующие типы:

· На систему действуют постоянные силы. В этом случае по второму закону Ньютона определяется постоянное ускорение, а затем и другие кинематические характеристики. Задачи этого типа сравнительно просты.

· Результирующая сила, действующая на тело, не постоянна и зависит от скорости. При решении таких задач требуется интегрирование дифференциального уравнения движения. Задачи второго типа много сложнее первого.

· Масса тела непрерывно изменяется из-за потери или приобретения вещества. В этом случае необходимо использовать уравнение Мещерского.

Алгоритм решения задач на динамику

1. Сделать чертеж, показав на нем силы, действующие на все тела системы.

2. Написать уравнения движения в векторном виде для каждого из тел системы в отдельности.

3. Выбрать систему координат (для каждого тела системы можно выбирать свою систему) и от векторных уравнений перейти к скалярным, заменяя вектора их проекциями.

4. Решить с учетом конкретных условий задачи систему получившихся скалярных уравнений.

Перейдем к рассмотрению конкретных примеров.

1. На горизонтальной поверхности стола лежат два одинаковых бруска массой 1 кг каждый (рис.3.4). Бруски связаны нерастяжимой нитью, такая же нить связывает первый брусок с грузом массой m =0,5 кг. Коэффициент трения первого бруска о стол , второго бруска . Найти силу натяжения нити между брусками. Массой блока пренебречь.

Покажем на рисунке силы действующие на каждое тело системы и направления их ускорений. Так как все тела связаны нерастяжимыми нитями, то модули ускорений будут равны.

Запишем II закон Ньютона в векторной форме для каждого из тел:

Выбрав оси координат, как показано на рис.3.4 и проектируя векторные выражения на координатные оси х и у, получим:

Учитывая, что , , находим

Тогда можно переписать систему уравнений

Решая систему уравнений, и учитывая, что , получим:

2. Катер массой m=2 т с двигателем мощностью N=50 кВт развивает максимальную скорость м/с. Определить время, в течение которого катер после выключения двигателя потеряет половину своей скорости. Принять, что сила сопротивления движению катера изменяется пропорционально скорости (рис.3.5).

При движении катера с включенным двигателем на него действуют сила тяги двигателя и сила сопротивления , где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров, формы тела и свойств окружающей среды (рис.3.5а). Так как скорость постоянна, то эти силы по модулю равны. Таким образом, можно записать

где, зная связь мощности двигателя и силы тяги, а также учитывая выражение для силы сопротивления, коэффициент сопротивления k можно выразить следующим образом

После выключения двигателя, катер начинает двигаться равнозамедленно под действием силы сопротивления (рис.3.5б). Уравнение движения тела в векторной форме будет иметь вид:

Спроектировав данное уравнение на направление движения, имеем

После разделения переменных получим

Проинтегрируем левую часть уравнения от до , а правую соответственно от нуля до t:

Окончательно, для t имеем

После подстановки числовых значений, получим t=17 c.

Уравнение Мещерского в данной ситуации принимает следующий вид

При установившейся скорости полета , а ,

поэтому уравнение Мещерского упрощается

Убыль массы газа за время будет равно

С учетом этого, получим

4. На горизонтальных рельсах стоит платформа с песком массой m₁=5.10 3 кг. В песок попадает снаряд массы m₂=5 кг, летевший вдоль рельсов. В момент попадания скорость снаряда =400 м/с и направлена под углом =30 0 к горизонту. Найти скорость платформы, если снаряд застревает в песке (рис.3.6).

Представим на рисунке состояние платформы до и после попадания в нее снаряда. В данной ситуации система снаряд-платформа не является замкнутой. Как видно из рисунка импульс системы не сохраняется, по меньшей мере, он изменяет свое направление. Однако, считая, что в направлении оси OX не действует сила трения, можно воспользоваться законом сохранения импульса в проекции на данную ось

Произведя подстановку числовых значений, получим

5. Модель ракеты движется при отсутствии внешних сил, выбрасывая непрерывную струю газов с постоянной относительно нее скоростью u=800м/с. Расход газа =0,4 кг/с, начальная масса ракеты m₀=1,2 кг. Какую скорость относительно Земли приобретет ракета через время t=1 с после начала движения?

Для решения этой задачи воспользуемся формулой Циолковского

Масса ракеты к моменту времени t=1c после начала движения будет равна

Подставив полученное значение массы в формулу Циолковского, получим

Расчет по этой формуле дает следующий результат

Основные положения

1. Инерциальная система отсчета – система отсчета, относительно которой тело, свободная от внешних воздействий, либо покоится, либо движется равномерно и прямолинейно.

2. Динамические характеристики тела при поступательном движении:

- масса – мера инертности тела;

- импульс тела (количество движения) – векторная величина, равная произведению массы на скорость;

- сила – векторная величина, характеризующая действие одного тела на другое;

eponim2008

Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленную ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты – тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.

Третий закон Ньютона можно сформулировать иначе, как закон сохранения импульса. Импульсом называется произведение массы на скорость. В терминах закона сохранения импульса старт ракеты можно описать так.
Первоначально импульс космической ракеты, покоящейся на стартовой площадке, был равен нулю (Большая масса ракеты, умноженная на нулевую ее скорость). Но вот включен двигатель. Топливо сгорает, образуя огромное количество газообразных продуктов сгорания. Они имеют высокую температуру и с высокой скоростью истекают из сопла ракеты в одну сторону, вниз. Это создает вектор импульса, направленный вниз, величина которого равна массе истекающего газа, умноженного на скорость этого газа. Однако, в силу закона сохранения импульса, суммарный импульс космической ракеты относительно стартовой площадки должен быть по-прежнему равен нулю. Поэтому тут же возникает вектор импульса, направленный вверх, уравновешивающий систему «ракета – отбрасываемые газы». За счет чего возникнет этот вектор? За счет того, что стоящая до тех пор неподвижно ракета начнет движение вверх. Импульс, направленный вверх, будет равен массе ракеты, умноженной на ее скорость.

Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем – азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.

Как летают ракеты? Описание, фото и видео

Силы и частицы

Выбрасывающие языки пламени ракетные двигатели выводят космический корабль на орбиту вокруг Земли. Другие ракеты выводят корабли за пределы Солнечной системы.

Во всяком случае, когда мы думаем о ракетах, то представляем себе космические полеты. Но ракеты могут летать и в вашей комнате, например во время празднования вашего дня рождения.

Реактивное движение

Обычный воздушный шарик тоже может быть ракетой. Каким образом? Надуйте шарик и зажмите его горловину, чтобы воздух не выходил наружу. Теперь отпустите шарик. Он начнет летать по комнате совершенно непредсказуемо и неуправляемо, толкаемый силой вырывающегося из него воздуха.

Реактивное движение

Сила, которая при этом создается, называется отдачей. Именно эта сила заставляет двигаться любую ракету, как в земных условиях, так и в космосе. Какие бы вещества или предметы ни вылетали из движущегося предмета, толкая его вперед, мы будем иметь образец ракетного двигателя.

Схема ракеты Союз

Ракета намного лучше приспособлена для полетов в космической пустоте, чем в земной атмосфере. Чтобы вывести в космос ракету, инженерам приходится конструировать мощные ракетные двигатели. Свои конструкции они основывают на универсальных законах мироздания, открытых великим английским ученым Исааком Ньютоном, работавшим в конце 17 века. Законы Ньютона описывают силу тяжести и то, что происходит с физическими телами, когда они движутся. Второй и третий законы помогают отчетливо понять, что представляет из себя ракета.

Интересное видео о реактивном движении

Движение ракеты и законы Ньютона

Второй закон Ньютона связывает силу движущегося предмета с его массой и ускорением (изменением скорости в единицу времени). Таким образом, для со здания мощной ракеты надо, чтобы ее двигатель выбрасывал большие массы сгоревшего топлива с большой скоростью. Третий закон Ньютона гласит, что сила действия равна силе противодействия и направлена в противоположную сторону. В случае ракеты сила действия — это раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты, сила противодействия толкает ракету вперед.

Реактивное движение

Ракеты, выводящие на орбиты космические корабли, используют как источник силы раскаленные газы. Но роль газов может играть все что угодно, то есть от выброшенных в пространство с кормы твердых тел до элементарных частиц — протонов, электронов, фотонов.

За счет чего летит ракета?

Многие думают, что ракета движется оттого, что газы, выброшенные из сопла, отталкиваются от воздуха. Но это не так. Именно сила, которая выбрасывает газ из сопла, толкает ракету в космос. Действительно ракете легче летать в открытом космосе, где нет воздуха, и ничто не ограничивает полет частиц газа, выброшенного ракетой, а чем быстрее распространяются эти частицы, тем быстрее летит ракета.

То есть, между космическим кораблем и воздухом нет трения, которое могло бы затормозить полет. Трения нет, потому что в открытом космосе нет воздуха. Кроме того, при значительном удалении от Земли корабль становится практически невесомым. Поэтому даже слабый толчок двигателя может легко сдвинуть с места очень большой по размерам корабль.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Урок 6. Реактивное движение. Космические полеты

Плазменные реактивные двигатели – двигатели, работающие на основе разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Газ в рабочей камере ионизируется (его атомы теряют электроны), превращаясь в плазму.

Активный участок полёта (активный участок траектории) — участок полёта летательного аппарата, на котором работает маршевый двигатель аппарата, как правило — ракетный.

Многоступенчатая ракета — летательный аппарат, состоящий из двух или более механически соединённых ракет, называемых ступенями, разделяющихся в полёте. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.

Движение, при котором тело изменяет свою скорость, отбрасывая свою часть, называют реактивным.

Закон сохранения импульса — векторная сумма импульсов двух тел до взаимодействия равна векторной сумме их импульсов после взаимодействия

Формула Циолковского определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической:

где:

• V — конечная скорость летательного аппарата, которая для случая маневра в космосе при орбитальных манёврах и межпланетных перелетах часто обозначается ΔV, также именуется характеристической скоростью.

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

• M₁ — начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо);

• M₂ — конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата).

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Обязательная литература:

Громов С. В., Родина Н. А.. Физика – М. : Просвещение, 2001.
Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
Уманский С.П. Космические орбиты. М., Просвещение, 1996.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Некоторые средства передвижения, созданные человеком, основаны на законах и принципах реактивного движения. Но многие средства передвижения на Земле основаны на других принципах. И только в XX веке при выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (и по настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве. Покорить космические просторы без реактивного двигателя пока не представляется возможным.

Идея использования реактивного движения в космосе была впервые выдвинута К.Э. Циолковским задолго до реального выхода человека за пределы воздушного пространства.

Причина движения тел-взаимодействие между ними. Чтобы осуществлять целенаправленные движения живые организмы и созданные человеком устройства должны взаимодействовать с какими-то другими телами, помимо гравитационного взаимодействия с Землей. Движущиеся по поверхности Земли тела, организмы и механизмы осуществляют движения, взаимодействуя с поверхностью Земли (вспомните роль силы трения при движении транспорта). Организмы и механизмы, движущиеся в воде, взаимодействуют с водой. Наконец, летающие организмы и механизмы взаимодействуют с воздухом. Если же тело оказывается за пределами земной атмосферы, то ни одно из перечисленных движений оказывается невозможным, поскольку на тело действует лишь сила тяжести.

При реактивном движении тело массы M взаимодействует с другим телом массы m, отталкивая его от себя. В результате закона сохранения импульса тело массы M приобретает дополнительный импульс в направлении, противоположном движению тела массы m. Если до столкновения скорость тел была равна нулю (можно всегда выбрать такую систему отсчета), то, как следует из закона сохранения импульса, тело массы M приобретет скорость , где υ - скорость, с которой отброшено тело массы m. Реактивный двигатель, действующий на космический корабль с некоторой силой, должен непрерывно отбрасывать вещество. Как видно из приведенной формулы реактивная сила будет тем больше, чем с большей скоростью отбрасывается вещество и чем больше вещества в единицу времени отбрасывается. Из закона сохранения импульса получим следующее выражение для реактивной силы: F=Qυ, где через Q обозначена масса вещества, которое отбрасывается двигателем в единицу времени.

Рис.1 модель ракетоносителя

Можно и самим сделать простейшую модель ракеты – для этого достаточно взять обыкновенный воздушный шарик.

Рис.2 опыт с шариком

Поставим опыт: надуйте шарик и, не завязывая его, отпустите. Воздух будет выходить из шарика, и он полетит в сторону, противоположную направлению струи воздуха. Движение шарика объясняется законом сохранения импульса. В начальный момент шарик с содержащимся в нем воздухом покоился относительно земли. Согласно закону сохранения импульса суммарный импульс шарика и вышедшего из него воздуха должен оставаться равным нулю. Поэтому выходящий из шарика воздух и шарик должны двигаться в противоположных направлениях.

Известно, что первые реактивные двигатели были пороховыми и использовались в качестве метательных военных снарядов. В результате сжигания пороха образовывались быстро расширяющиеся газы, которые выбрасывались из ракеты в определенном направлении. (В настоящее время есть похожие пиротехнические игрушки, скорее всего, вы имели с ними дело). Подобные пороховые реактивные двигатели используются в военной технике и в настоящее время. В других реактивных двигателях, которые в частности применяются на самолетах, в качестве горючего используются жидкости (в простейшем случае – керосин). Такие двигатели называются жидкостными реактивными двигателями.

Все перечисленные двигатели используют в качестве одной из компонент химической реакции воздух, находящийся в атмосфере. Принципиальное отличие космического реактивного двигателя состоит в том, что для химической реакции должно использоваться только вещество, находящееся в баках самого двигателя. Поэтому конструкция двигателя включает два бака – один с горючим веществом (например, с водородом), а другой с окислителем (например, с кислородом) для осуществления реакции окисления (горения) (см. Рис. 1).

Такие двигатели, работающие на основе химических реакций, называют химическими реактивными двигателями.

Ракеты используют для запуска искусственных спутников Земли, обслуживания орбитальных станций, межпланетных полетов. В головной части ракеты расположена кабина космонавтов. В начале полета на эту часть приходится всего несколько процентов от общей массы ракеты. Основную же массу ракеты в начале полета составляет запас топлива. В современных ракетах скорость вылетающего газа (относительно ракеты) составляет несколько километров в секунду (в несколько раз больше скорости пули). Как следует из закона сохранения импульса, для того чтобы даже при такой огромной скорости вылетающего газа ракета приобрела первую космическую скорость (около 8 км/с), необходимо, чтобы масса топлива в несколько раз превышала массу полезного груза.

Увеличение массы топлива неизбежно влечет увеличение массы топливных баков, в которых хранится топливо, и связанных с ними устройств. Эта масса оказывается ненужной в конце разгона ракеты и уменьшает массу полезного груза, выводимую в космос. Идея отбрасывать лишнюю массу топливных баков по мере сгорания топлива привела к созданию многоступенчатых ракет.

Первая и вторая ступени ракеты представляют собой емкости с топливом, камерами сгорания и соплами. Когда топливо, содержащееся в первой ступени, сгорает, она отделяется от ракеты, в результате чего масса ракеты значительно уменьшается. Затем тоже происходит со второй ступенью, после чего включаются двигатели третьей ступени, завершающие разгон ракеты до расчетной скорости.

Помимо таких мощных двигателей для маневрирования используются маломощные плазменные реактивные двигатели. В таких двигателях отбрасываемое вещество получает скорость не в результате химической реакции, а в результате разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Подобные двигатели являются более экономичными и легко управляемыми.

Достоинством реактивного двигателя является то, что, как уже говорилось, это единственный двигатель способный эффективно работать в космосе. К недостаткам реактивного двигателя следует отнести его низкую экономичность, по сравнению с другими двигателями. Качественно это можно объяснить на основе энергетических соображений. В разгоняющемся космическом корабле химическая энергия переходит в кинетическую энергию корабля («полезная энергия») и кинетическую энергию отбрасываемых двигателем газов («бесполезная энергия»). При разгоне до космических скоростей эта «бесполезная энергия» оказывается существенно больше «полезной энергии».

Количественно низкая эффективность реактивного двигателя может быть понята на основе формулы Циолковского. Из нее, в частности, следует, что, если скорость истечения газов в ракете достигает даже 4 км/с, то для вывода космического корабля на орбиту Земли (достижения первой космической скорости – около 8 км/с) необходимо иметь массу горючего, более чем в 6 раз превосходящую массу самого космического корабля.

К. Э. Циолковскому принадлежит знаменитое изречение: «Земля – колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». Мечту Циолковского о космических полетах первыми осуществили наши соотечественники под руководством Сергея Павловича Королева.

Первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР 4 октября 1957 года. Первым космонавтом Земли стал Юрий Алексеевич Гагарин. Его космический полет состоялся 12 апреля 1961 года. Со времени первых космических полетов ракеты были значительно усовершенствованы, и сегодня на околоземные орбиты с их помощью выводятся большие космические станции, на которых постоянно работают космонавты.

Ракеты выводят на орбиты сотни спутников связи, которые обеспечивают передачи тысяч телевизионных программ и миллионов телефонных разговоров, благодаря чему вся планета окутана сегодня «паутиной» надежных систем связи.

Реактивное движение подчиняется физическим законам и закономерностям.
Каждый вид реактивного двигателя обладает своими достоинствами и недостатками.
Реактивный двигатель, несмотря на его низкую эффективность, является в настоящее время единственным двигателем, позволяющим осуществить целенаправленное перемещение в космическом пространстве.
Изучение перспектив космических исследований показывает, что уже в ближайшие десятилетия станут реальными космические путешествия человека на другие планеты

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Вставьте пропущенные слова в текст: «И только в _____ веке при выходе человека в космос _____________ двигатель оказался единственно возможным (в настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве».

Правильный вариант: И только в XX веке при выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (в настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве.

Подсказка: вспомните, какой тип двигателя может вывести корабль в космическое пространство.

Задание 2. Разгадайте ребус. Ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство

Читайте также: