что такое реактивное движение
Реактивное движение в природе и технике
Содержание:
У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, осьминоги, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.
История
С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.
Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.
Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.
Открытие
Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.
Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.
Примеры в природе
Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.
Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).
Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.
Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.
Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами
Закон реактивного движения
Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.
Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.
То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.
Закон сохранения импульса
Физика поясняет процесс реактивного движения законом сохранения импульса. Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.
Формула
где msvs импульс создаваемой струей газов, mрvр импульс, полученный ракетой.
Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.
Применение в технике – принцип работы реактивного двигателя
В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть
Так выглядит реактивный двигатель.
Видео
И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.
Для большинства людей термин «реактивное движение» представляется в виде современного прогресса в науке и технике, особенно в области физики. Реактивное движение в технике ассоциируется у многих с космическими кораблями, спутниками и реактивной авиатехникой. Оказывается, явление реактивного движения существовало намного раньше, чем сам человек, и независимо от него. Люди лишь сумели понять, воспользоваться и развить то, что подчинено законам природы и мироздания.
Что такое реактивное движение?
На английском языке слово «реактивный» звучит как «jet». Под ним подразумевается движение тела, которое образуется в процессе отделения от него части с определенной скоростью. Проявляется сила, которая двигает тело в обратную сторону от направления движения, отделяя от него часть. Каждый раз, когда материя вырывается из предмета, а предмет при этом движется в обратном направлении, наблюдается реактивное движение. Для того чтобы поднимать предметы в воздух, инженеры должны спроектировать мощную реактивную установку. Выпуская струи пламени, двигатели ракеты поднимают ее на орбиту Земли. Иногда ракеты запускают спутники и космические зонды.
Что касается авиалайнеров и военных самолетов, то принцип их работы чем-то напоминает взлет ракеты: физическое тело реагирует на выбрасываемую мощную струю газа, в результате чего оно движется в противоположную сторону. Это и есть основной принцип работы реактивных самолетов.
Законы Ньютона в реактивном движении
Инженеры основывают свои разработки на принципах устройства мироздания, впервые подробно описанных в работах выдающегося британского ученого Исаака Ньютона, жившего в конце 17 столетия. Законы Ньютона описывают механизмы гравитации и рассказывают нам о том, что происходит, когда предметы движутся. Они особенно четко объясняют движение тел в пространстве.
Второй закон Ньютона определяет, что сила движущегося предмета зависит от того, сколько материи он вмещает, иными словами, его массы и изменения скорости движения (ускорения). Значит, чтобы создать мощную ракету, необходимо, чтобы она постоянно выпускала большое количество высокоскоростной энергии. Третий закон Ньютона говорит о том, что на каждое действие будет равная по силе, но противоположная реакция – противодействие. Реактивные двигатели в природе и технике подчиняются этим законам. В случае с ракетой сила действия – материя, которая вылетает из выхлопной трубы. Противодействием является толчок ракеты вперед. Именно сила выбросов из нее толкает ракету. В космосе, где ракета практически не имеет веса, даже незначительный толчок от ракетных двигателей способен заставить большой корабль быстро лететь вперед.
Техника, использующая реактивное движение
Физика реактивного движения состоит в том, что ускорение или торможение тела происходит без влияния окружающих тел. Процесс происходит вследствие отделения части системы.
Примеры реактивного движения в технике – это:
Тела создают закрытую систему, если они взаимодействуют лишь друг с другом. Такое взаимодействие может привести к изменению механического состояния тел, образующих систему.
В чем заключается действие закона сохранения импульса?
Впервые этот закон был оглашен французским философом и физиком Р. Декартом. При взаимодействии двух или больше тел образовывается между ними замкнутая система. Любое тело при движении обладает своим импульсом. Это масса тела, умноженная на его скорость. Общий импульс системы равен векторной сумме импульсов тел, находящихся в ней. Импульс любого из тел внутри системы меняется вследствие их взаимного влияния. Общий импульс тел, находящихся в замкнутой системе, остается неизменным при различных перемещениях и взаимодействиях тел. В этом состоит закон сохранения импульса.
Закон сохранения импульса имеет широкое практическое применение. Он позволяет объяснить реактивное движение, благодаря которому достигаются наивысшие скорости.
Реактивное движение в физике
Самым ярким образцом закона сохранения импульса служит реактивное движение, осуществляемое ракетой. Важнейшей частью двигателя выступает камера сгорания. В одной из ее стенок находится реактивное сопло, приспособленное для выпуска газа, возникающего при сжигании топлива. Под действием высокой температуры и давления газ на огромной скорости выходит из сопла двигателя. Перед стартом ракеты ее импульс относительно Земли равняется нулю. В момент запуска ракета также получает импульс, который равняется импульсу газа, но противоположный по направлению.
Пример физики реактивного движения можно увидеть везде. Во время празднования дня рождения воздушный шарик вполне может стать ракетой. Каким образом? Надуйте воздушный шар, зажимая открытое отверстие, чтобы воздух не выходил из него. Теперь отпустите его. Воздушный шар с огромной скоростью будет гонять по комнате, подгоняемый воздухом, вылетающим из него.
История реактивного движения
История реактивных двигателей началась еще за 120 лет до н.э., когда Герон Александрийский сконструировал первый реактивный двигатель – эолипил. В металлический шар наливают воду, которая нагревается огнем. Пар, который вырывается из этого шара, вращает ее. Это устройство показывает реактивное движение. Двигатель Герона жрецы успешно применяли для открывания и закрывания дверей храма. Модификация эолипила – Сегнерово колесо, которое эффективно используется в наше время для полива сельскохозяйственных угодий. В 16-м столетии Джовани Бранка представил миру первую паровую турбину, которая работала на принципе реактивного движения. Исаак Ньютон предложил один из первых проектов парового автомобиля.
Первые попытки построения реактивного самолета начались еще в 1910 году. За основу были взяты ракетные исследования прошлых веков, где подробно повествовалось об использовании пороховых ускорителей, способных существенно сократить длину форсажа и разбега. Главным конструктором стал румынский инженер Анри Коанда, построивший летательный аппарат, работающий на основе поршневого двигателя. Первооткрывателем реактивного движения в технике по праву можно назвать инженера из Англии – Фрэнка Уитла, который предложил первые идеи по созданию реактивного двигателя и получил на них свой патент в конце XIX века.
Первые реактивные двигатели
Самолет обладал такими особенностями:
Благодаря всем этим показателям и конструктивным особенностям первый реактивный летательный аппарат «Мессершмитт-262» был грозным средством борьбы против других самолетов.
Прототипы современных авиалайнеров
В послевоенное время российскими конструкторами были созданы реактивные самолеты, ставшие в дальнейшем прототипами современных авиалайнеров.
После окончания войны и капитуляции фашистской Германии Советскому Союзу в качестве трофеев достались немецкие самолеты с реактивными двигателями JUMO-004 и BMW-003.
Первые мировые прототипы
Разработкой, тестированием новых авиалайнеров и их производством занимались не только немецкие и советские конструкторы. Инженерами США, Италии, Японии, Великобритании также было создано немало успешных проектов, применяемых реактивное движение в технике. К числу первых разработок с различными типами двигателей можно отнести:
Использование реактивного движения в технике послужило резким толчком для быстрого создания следующих реактивных летательных аппаратов и дальнейшего развития военного и гражданского самолетостроения.
Современные реактивные аппараты
Но среди этого многообразия имеются несколько конструкций реактивных самолетов-рекордсменов:
Авиационные исследования не стоят на месте, потому как реактивные самолеты – это основа стремительно развивающейся современной авиации. Сейчас проектируется несколько западных и российских пилотируемых, пассажирских, беспилотных авиалайнеров с реактивными двигателями, выпуск которых запланирован на ближайшие несколько лет.
Реактивный принцип движения изначально был подсказан самой природой. Его действием пользуются личинки некоторых видов стрекоз, медузы, многие моллюски – морские гребешки, каракатицы, осьминоги, кальмары. Они применяют своеобразный «принцип отталкивания». Каракатицы втягивают воду и выбрасывают ее так стремительно, что сами при этом делают рывок вперед. Кальмары, используя этот способ, могут достигать скорости до 70 километров в час. Именно поэтому такой способ передвижения позволил назвать кальмаров «биологическими ракетами». Инженеры уже изобрели двигатель, работающий по принципу движений кальмара. Одним из примеров применения реактивного движения в природе и технике является водомет.
Это устройство, которое обеспечивает движение с помощью силы воды, выбрасываемой под сильным напором. В устройство вода закачивается в камеру, а затем выпускается из нее через сопло, а судно движется в обратном выбросу струи направлении. Вода затягивается с помощью двигателя, работающего на дизеле или бензине.
Примеры реактивного движения предлагает нам и мир растений. Среди них попадаются виды, которые используют такое движение для распространения семян, например, бешеный огурец. Только внешне это растение подобно привычным для нас огурцам. А характеристику «бешеный» оно получило из-за странного способа размножения. Дозревая, плоды отскакивают от плодоножек. В итоге открывается отверстие, через которое огурец стреляет веществом, содержащим подходящие для прорастания семена, применяя реактивность. А сам огурец при этом отскакивает до двенадцати метров в сторону, обратную выстрелу.
Проявление в природе и технике реактивного движения подвластно одним и тем же законам мироздания. Человечество все больше использует эти законы для достижения своих целей не только в атмосфере Земли, но и на просторах космоса, и реактивное движение является этому ярким примером.
Физика. 10 класс
Конспект урока
Урок 12. Реактивное движение
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) практическое применение закона сохранения импульса;
2) реактивное движение, реактивная сила;
3) использование реактивного движения в природе и технике;
4) этапы исторического развития освоения космоса;
Реактивное движение – это движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него.
Реактивная сила – сила, возникающая при реактивном движении.
Особенность реактивной силы – возникновение без взаимодействия с внешними телами.
Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 126 – 127;
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2014. – С.47-48.
Открытые электронные ресурсы:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Движение тела, которое возникает при отделении с определённой скоростью какой-либо его части, называется реактивным.
Реактивное движение издревле существует в природе. Его для своего перемещения используют некоторые живые существа: кальмары, осьминоги, каракатицы, медузы и т.д. Они всасывают, а затем с силой выталкивают из себя воду, за счёт этого они движутся. Реактивное движение встречается и в быту. Примеры: движение резинового шланга, когда мы включаем воду, салюты и т.д.
Сила, с которой ракета действует на газы, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой газы отталкивают от себя ракету:
При реактивном движении возникает сила, которая называется реактивной. Сила 
— это реактивная сила.
Особенностью реактивной силы является то, что она возникает без взаимодействия с внешними телами.
Согласно закону сохранения импульса: импульс вырывающихся газов равен импульсу ракеты.
Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты.
Закон сохранения импульса для реактивного движения:
откуда скорость ракеты:
Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты. Эта формула справедлива для случая мгновенного сгорания топлива. На самом деле топливо сгорает постепенно, т.к. мгновенное сгорание приводит к взрыву.
Точная формула для скорости ракеты была получена в 1897 году К.Э. Циолковским.
Первую конструкцию ракеты для космических полётов предложил Константин Эдуардович Циолковский – русский учёный, основоположник теоретической космонавтики. Он обосновал использование ракет для полётов в космос, сделал вывод о необходимости использования многоступенчатых ракет.
Идеи Циолковского воплотил в жизнь советский учёный, инженер-конструктор С.П. Королёв. 4 октября 1957 года считается началом космической эры. В этот день конструкторский коллектив под руководством Королёва осуществил запуск первого искусственного спутника Земли.
12 апреля 1961 г. впервые в мире на орбиту Земли был выведен космический корабль, в котором находился лётчик-космонавт СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Он открыл дорогу в космос. В космосе нельзя использовать другие двигатели, кроме реактивных, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Реактивные двигатели применяют для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, чтобы максимально увеличить скорость полёта.
Примеры и разбор решения заданий
1. Чему равна реактивная сила тяги двигателя, выбрасывающего каждую секунду 15 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3 км/с относительно ракеты?
Дано: m = 15 кг, v = 3 км/с = 3000 м/с, ∆t = 1 с. Найти F.
2. Из пороховой ракеты, летящей со скоростью 16 м/с, вылетают продукты сгорания массой 24 г со скоростью 600 м/с. Вычислите массу ракеты.
Дано: v₁ = 16 м / с, m₂ = 24 г = 0,024 кг, v₂ = 600 м/с. Найти m₁.
Запишем закон сохранения импульса для реактивного движения: m₁v₁ = m₂v₂, выразим массу ракеты: m₁ = m₂v₂ / v₁.
Делаем расчёт: m₁ = (0,024 кг·600 м/с) / 16 м / с = 0,9 кг. Ответ: m₁ = 0,9 кг.
Реактивное движение
Урок 20. Физика 9 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Реактивное движение»
Давайте рассмотрим несколько примеров, которые подтверждают справедливость закона сохранения импульса.
Давайте разбираться. Сила тяжести, действующая на платформу с орудием, компенсирована силой нормальной реакции рельсов. Трением качения можно пренебречь. Значит, результирующая внешних сил равна нулю. Поэтому к системе (платформа с орудием и снаряд) можно применить закон сохранения импульса.
Явление «отдачи» можно показать на простом опыте. Прикрепим к игрушечному автомобилю надутый воздушный шарик и проколем его иглой. Из отверстия в шарике начинает вырываться струя воздуха, и автомобиль приходит в движение. Мы знаем, что как правило для набора скорости тело отталкивается от окружающих тел: дорожного покрытия, водной или воздушной среды и тому подобного. В нашем же опыте автомобиль вместе с шариком «отталкивался» от воздуха, запасённого внутри системы.
Движение автомобиля с шариком является примером реактивного движения. Так называют движение, которое возникает, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть.
Реактивное движение — это наиболее яркое проявление практического применения закона сохранения импульса. В живой природе оно наблюдается у осьминогов, кальмаров, каракатиц и медуз. Все они используют для плавания отдачу выбрасываемой струи воды.
Выдающуюся роль реактивные технологии приобрели во второй половине 20 века. Они находят широкое практическое применение в авиации и космонавтике. Типичным примером реактивного движения может служить движение ракет. Так как в космосе нет среды, от которой можно «отталкиваться», единственная возможность достичь космических скоростей и управлять движением космических аппаратов — это использование реактивных двигателей.
Чаще всего ракета имеет трубчатый корпус, закрытый с одного конца. В нём, как правило, располагается полезный груз (например, космический корабль). И приборный отсек. Большую часть ракеты занимают баки с топливом и окислителем. По трубопроводу топливо подаётся в камеру сгорания, где оно сгорает и превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Через реактивное сопло, расположенное снизу ракеты, газ вырывается наружу и образует реактивную струю.
Систему «ракета-газ» можно считать замкнутой, так как сила притяжения к Земле намного меньше внутренних сил, возникающих при сгорании топлива. Значит к данной системе применим закон сохранения импульса. Когда ракета на стартовой площадке неподвижна, то её суммарный импульс равен нулю: неподвижно топливо и неподвижен корпус. Для простоты расчётов будем считать, что топливо сгорает мгновенно и горячие газы под большим давлением выбрасываются через сопло́ наружу. При этом корпус ракеты станет двигаться в сторону, противоположную движению газов.
Из полученной формулы видно, что скорость ракеты можно увеличить двумя путями: увеличив скорость вытекающих газов из сопла́ ракеты и увеличив массу сгораемого топлива. Но второй путь приведёт к уменьшению доли полезной массы — массы корпуса, а также перевозимого груза.
Отсюда понятна выгода использования многоступенчатых ракет. По мере выгорания топлива в ступенях их отделяют. Уменьшение массы ракеты облегчает её дальнейший разгон. При этом последняя ступень может использоваться как для увеличения скорости ракеты, так и для её торможения. Так при возвращении корабля на Землю ракету разворачивают на сто восемьдесят градусов, чтобы сопло́ оказалось впереди. Тогда вырывающийся газ сообщает ракете импульс, направленный против скорости её движения, что приводит к уменьшению скорости и даёт возможность осуществить посадку.
Ракеты известны давно. Впервые о них упоминается в китайских хрониках тысяча сто пятидесятого года, где описывались запуски фейерверков.
Естественно, что такое интересное явление, как движение ракет, изучалось многими учёными. Так, в 1650 году в Амстердаме вышла книга «Великое искусство артиллерии» генерал-лейтенанта польской армии Казимира Семеновича. В ней была глава, посвящённая описанию движения ракет и их конструкций. Эта книга практически одновременно была переведена на основные европейские языки того времени.
Большой вклад в теорию движения ракет внесли русские учёные. Так идея использования многоступенчатых ракет для запуска на орбиту искусственных спутников была предложена в начале двадцатого века русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. Им была получена формула, сейчас носящая его имя, позволяющая оценить запас топлива, который должен быть в ракете, чтобы она стала искусственным спутником Земли.
Идея Циолковского была осуществлена советскими учёными под руководством Сергея Павловича Королева. Мы уже говорили о том, что первый в истории искусственный спутник Земли был запущен с помощью ракеты в Советском Союзе 4 октября 1957 года. А первым человеком, который совершил космический полет, был гражданин СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Двенадцатого апреля тысяча девятьсот шестьдесят первого года он облетел земной шар за 108 минут на корабле-спутнике «Восток».
Советские ракеты первыми достигли Луны, первыми облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, и первыми достигли планеты Венера.
В 1969 году американский астронавт Нил Армстронг впервые в истории человечества ступил на поверхность другого небесного тела — Луны. Американские астронавты совершили несколько полётов на Луну с выходом на её поверхность и длительным (до трёх земных суток) сроком пребывании на ней.
Были созданы и запушены на околоземную орбиту станции-спутники, идея использования которых также принадлежит Циолковскому Константину Эдуардовичу.