Реактивное движение закон. Реактивное движение в технике. Реактивные двигатели. Физические основы принципа реактивного движения

Законы Ньютона позволяют объяснить очень важное механическое явление - реактивное движение . Так называют движение тела, возникающее при отделении от него с какой-либо скоростью некоторой его части.

Возьмем, например, детский резиновый шарик, надуем его и отпустим. Мы увидим, что, когда воздух начнет выходить из него в одну сторону, сам шарик полетит в другую. Это и есть реактивное движение.

По принципу реактивного движения передвигаются некоторые представители животного мира, например кальмары и осьминоги. Периодически выбрасывая вбираемую в себя воду, они способны развивать скорость до 60-70 км/ч. Аналогичным образом перемещаются медузы, каракатицы и некоторые другие животные.

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Например, созревшие плоды «бешеного» огурца при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки и из отверстия, образовавшегося на месте отделившейся ножки, с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении.

Реактивное движение, возникающее при выбросе воды, можно наблюдать на следующем опыте. Нальем воду в стеклянную воронку, соединенную с резиновой трубкой, имеющей Г-образный наконечник (рис. 20). Мы увидим, что, когда вода начнет выливаться из трубки, сама трубка придет в движение и отклонится в сторону, противоположную направлению вытекания воды.

На принципе реактивного движения основаны полеты ракет . Современная космическая ракета представляет собой очень сложный летательный аппарат, состоящий из сотен тысяч и миллионов деталей. Масса ракеты огромна. Она складывается из массы рабочего тела (т. е. раскаленных газов, образующихся в результате сгорания топлива и выбрасываемых в виде реактивной струи) и конечной или, как говорят, «сухой» массы ракеты, остающейся после выброса из ракеты рабочего тела.

«Сухая» масса ракеты, в свою очередь, состоит из массы конструкции (т. е. оболочки ракеты, ее двигателей и системы управления) и массы полезной нагрузки (т.е. научной аппаратуры, корпуса выводимого на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения корабля).

По мере истечения рабочего тела освободившиеся баки, лишние части оболочки и т. д. начинают обременять ракету ненужным грузом, затрудняя ее разгон. Поэтому для достижения космических скоростей применяют составные (или многоступенчатые) ракеты (рис. 21). Сначала в таких ракетах работают лишь блоки первой ступени 1. Когда запасы топлива в них кончаются, они отделяются и включается вторая ступень 2; после исчерпания в ней топлива она также отделяется и включается третья ступень 3. Находящийся в головной части ракеты спутник или какой-либо другой космический аппарат укрыт головным обтекателем 4, обтекаемая форма которого способствует уменьшению сопротивления воздуха при полете ракеты в атмосфере Земли.

Когда реактивная газовая струя с большой скоростью выбрасывается из ракеты, сама ракета устремляется в противоположную сторону. Почему это происходит?

Согласно третьему закону Ньютона, сила F, с которой ракета действует на рабочее тело, равна по величине и противоположна по направлению силе F", с которой рабочее тело действует на корпус ракеты:

Сила F" (которую называют реактивной силой) и разгоняет ракету.

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

m р v р = m газ v газ

Отсюда следует, что скорость ракеты

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

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

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

Например, для сообщения ракете скорости, превышающей скорость истечения газов в 4 раза (v р =16 км/с), необходимо, чтобы начальная масса ракеты (вместе с топливом) превосходила конечную («сухую») массу ракеты в 55 раз (m 0 /m = 55). Это означает, что львиную долю от всей массы ракеты на старте должна составлять именно масса топлива. Полезная же нагрузка по сравнению с ней должна иметь очень малую массу.

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

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

Сегодня реактивное движение у большинства людей в первую очередь, конечно же, ассоциируется с новейшими научными и техническими разработками. Из учебников по физике нам известно, что под «реактивным» подразумевают движение, которое возникает в результате отделения от предмета (тела) любой его части. Человек хотел подняться в небо к звёздам, стремился летать, но осуществить свою мечту смог только с появлением реактивных самолетов и ступенчатых космических кораблей, способных перемещаться на огромные расстояния, разгоняясь до сверхзвуковых скоростей, благодаря установленным на них современным реактивным двигателям. Конструктора и инженеры разрабатывали возможность использования реактивного движения в двигателях. Фантасты тоже не оставались в стороне, предлагая самые невероятные идеи и способы достижения этой цели. Удивительно, но этот принцип перемещения широко распространен в живой природе. Достаточно осмотреться вокруг, можно заметить обитателей морей и суши, среди которых есть и растения, в основе движения которых лежит реактивный принцип.

История

Еще в античные времена ученые с интересом изучали и анализировали явления, связанные с реактивным движением в природе. Одним из первых, кто теоретически обосновал и описал его суть, был Герон, механик и теоретик Древней Греции, который изобрел первый паровой двигатель, названый в честь него. Китайцы смогли найти реактивному методу практическое применение. Они первыми, взяв за основу способ передвижения каракатиц и осьминогов, еще в XIII веке изобрели ракеты. Они применялись в фейерверках, производя большое впечатление, а также, как сигнальные ракеты, возможно были и боевые ракеты, которые использовались как реактивная артилерия. Со временем эта технология пришла и в Европу.

Первооткрывателем нового времени стал Н. Кибальчич, придумав схему прототипа летательного аппарата с реактивным двигателем. Он был выдающимся изобретателем и убежденным революционером, за что сидел в тюрьме. Именно находясь в заключении, он вошел в историю, создав свой проект. После его казни за активную революционную деятельность и выступления против монархии, его изобретение было забыто на архивных полках. Спустя некоторое время К.Циолковский смог усовершенствовать идеи Кибальчича, доказывая возможность исследовать космическое пространство посредством реактивного перемещения космических кораблей.

Позже, в ходе Великой Отечественной войны, появились знаменитые Катюши, системы полевой реактивной артиллерии. Так ласковым именем народ неофициально именовал мощные установки, которые применяли силы СССР. Достоверно неизвестно, в связи с чем, оружие получило это название. Причиной этому стала то ли популярность песни Блантера, то ли буква «К» на корпусе миномёта. Со временем фронтовики стали давать прозвища и другому оружию, создав, таким образом, новую традицию. Немцы же эту боевую ракетную установку называли «сталинским органом» за внешний вид, который напоминал музыкальный инструмент и пронзительный звук, который исходил от стартующих ракет.

Растительный мир

Представителями фауны также используются законы реактивного движения. Большую часть растений, обладающих такими свойствами составляют однолетники и малолетники: колючеплодник, чесночница черешчатая, сердечник недотрога, пикульник двунадрезный, мёрингия трёхжилковая.

Колючеплодник, иначе бешеный огурец, относят к семейству тыквенных. Это растение достигает больших размеров, имеет толстый корень с шершавым стеблем и крупными листьями. Произрастает на территории Средней Азии, Средиземноморья, на Кавказе, довольно распространен на юге России и Украины. Внутри плода в период созревания семян преобразуется в слизь, которая под действием температур начинает бродить и выделять газ. Ближе к созреванию давление внутри плода может достигнуть 8 атмосфер. Тогда при легком прикосновении плод отрывается от основания и семена с жидкостью со скоростью 10 м/с вылетают из плода. Благодаря способности стрелять на 12 м. в длину, растение назвали «дамский пистолет».

Сердечник недотрога — однолетний широко распространённый вид. Встречается, как правило, в тенистых лесах, по берегам вдоль рек. Попав в северо-восточную часть Северной Америки и в Южную Африку, благополучно прижился. Сердечник-недотрога размножается семенами. Семена у сердечника-недотроги мелкие, массой не более 5 мг, которые отбрасываются на расстояние в 90 см. Благодаря такому способу распространения семян, растение и получило свое название.

Животный мир

Реактивное движение — интересные факты, касающиеся животного мира. У головоногих моллюсков реактивное перемещение происходит посредством воды, выдыхаемой через сифон, который обычно сужается к небольшому отверстию для получения максимальной скорости выдоха. Вода через жабры проходит до выдоха, выполняя двойную цель дыхания и перемещения. Морские зайцы, иначе брюхоногие моллюски, используют аналогичные средства движения, но без сложного неврологического аппарата головоногих, они перемещаются более неуклюже.

Некоторые рыбы-рыцари также развили реактивное перемещение, пропуская воду через жабры, чтобы дополнить плавниковое движение.

У личинок стрекоз реактивная сила достигается путем вытеснения воды из специализированной полости в организме. Морские гребешки и кардиды, сифонофоры, туники (такие, как сальпы) и некоторые медузы, также используют реактивную тягу.

Большую часть времени морские гребешки спокойно лежат на дне, но в случае появления опасности, быстро смыкают створки своей раковины, так они выталкивают воду. Этот механизм поведения тоже говорит об использовании принципа реактивного перемещения. Благодаря ему, гребешки могут всплывать и перемещаться на большое расстояние, применяя технику открытия-закрытия раковины.

Кальмар также применяет этот метод, вбирает в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая через воронку движется скоростью не менее 70 км./ч. Собирая щупальцы в один узел, тело кальмара образует обтекаемую форму. Взяв за основу такой двигатель кальмара, инженерами был сконструирован водомет. Вода в нем засасывается в камеру, а после выбрасывается через сопло. Таким образом, судно направляется в обратную сторону от выбрасываемой струи.

Если сравнить с кальмарами, наиболее эффективными двигателями пользуются сальпы, тратя на порядок меньше энергии, чем кальмары. Двигаясь сальпа запускает воду в отверстие спереди, а затем поступает в широкую полость, где натянуты жабры. После глотка отверстие закрывается, а с помощью сокращающихся продольных и поперечных мускул, которые сжимают тело, происходит выброс воды через отверстие сзади.

Самым необычным из всех механизмов передвижения может похвастаться обыкновенная кошка. Марсель Депре высказал предположение, что тело способно двигаться и изменять свое положение даже с помощью одних только внутренних сил (ни от чего не отталкиваясь и ни на что не опираясь), из чего можно было сделать вывод, что законы Ньютона могут быть ошибочны. Доказательством его предположению могла послужить кошка, которая сорвалась с высоты. Во время падения вниз головой, она все равно приземлится на все лапы, это стало уже своего рода аксиомой. Детально сфотографировав перемещение кошки, смогли по кадрам рассмотреть, все, что она проделывала в воздухе. Увидели ее движение лапой, которое вызвало ответную реакцию туловища, поворачиваясь в другую сторону относительно движения лапки. Действуя по законам Ньютона, кошка удачно приземлилась.

У животных все происходит на уровне инстинкта, человек в свою очередь делает сознательно. Профессиональные пловцы, прыгнув с вышки успевают трижды обернуться в воздухе, и сумев приостановить вращение, выпрямляются строго вертикально и ныряют в воду. Этот же принцип действует в отношении воздушных цирковых гимнастов.

Сколько бы человек не пытался превзойти природу, совершенствуя созданные ею изобретения, все равно мы пока не достигли того технологического совершенства, когда бы самолеты могли повторить действия стрекозы: зависать в воздухе, мгновенно подаваться назад или двигаться в сторону. Причем все это происходит на большой скорости. Возможно, пройдет еще немного времени и самолеты, благодаря поправкам на особенности аэродинамики и реактивные возможности стрекоз, смогут совершать крутые развороты и станут менее восприимчивы к внешним условиям. Подсмотрев у природы, человек еще многое может усовершенствовать на благо технического прогресса.

Среди великих технических и научных достижений XX столетия одно из первых мест, несомненно, принадлежит ракетам и теории реактивного движения . Годы второй мировой войны (1941-1945) привели к необычайно быстрому совершенствованию конструкций реактивных аппаратов. На полях сражений вновь появились пороховые ракеты, но уже на более калорийном бездымном тротилпироксилиновом порохе («катюши»). Были созданы самолеты с воздушно-реактивными двигателями, беспилотные самолеты с пульсирующими воздушно-реактивными двигателями («ФАУ-1») и баллистические ракеты с дальностью полета до 300 км («ФАУ-2»).

Ракетная-техника становится сейчас очень важной и быстрорастущей отраслью промышленности. Развитие теории полета реактивных аппаратов - одна из насущных проблем современного научно-технического развития.

К. Э. Циолковский много сделал для познания основ теории движения ракет . Он был первым в истории науки, кто формулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет, исходя из законов теоретической механики. Как мы указывали, принцип сообщения движения, при помощи сил реакции отбрасываемых частиц был осознан Циолковским еще в 1883 году, однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к концу XIX столетия.

В одной из своих работ Циолковский писал: «Долго на ракету я смотрел, как и все: с точки зрения увеселений и маленьких применений. Не помню хорошо, как мне пришло в голову сделать вычисления, относящиеся к ракете. Мне кажется, первые семена мысли были заронены известным фантазером Жюлем Верном; он пробудил работу моего мозга в известном направлении. Явились желания, за желаниями возникла деятельность ума. ...Старый листок с окончательными формулами, относящимися к реактивному прибору, помечен датою 25 августа 1898 года».

«...Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более, чем кто-нибудь, я понимаю бездну, разделяющую идею от ее осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислял, но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчету - фантазия».

В 1903 году в журнале «Научное обозрение» появилась первая статья Константина Эдуардовича по ракетной технике, которая называлась «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде на основании простейших законов теоретической механики (закона сохранения количества движения и закона независимого действия сил) была дана теория полета ракеты и обоснована возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений (Создание общей теории движения тел, масса которых изменяется в процессе движения, принадлежит профессору И. В. Мещерскому (1859-1935)).

Идея применения ракеты для решения научных проблем, использование реактивных двигателей для создания движения грандиозных межпланетных кораблей целиком принадлежат Циолковскому. Он родоначальник современных жидкостных ракет дальнего действия, один из создателей новой главы теоретической механики.

Классическая механика, изучающая законы движения и равновесия материальных тел, базируется на трех законах движения , отчетливо и строго сформулированных английским ученым еще в 1687 году. Эти законы применялись многими исследователями для изучения движения тел, масса которых не изменялась во время движения. Были рассмотрены очень важные случаи движения и создалась большая наука - механика тел постоянной массы. Аксиомы механики тел постоянной массы, или законы движения Ньютона, явились обобщением всего предыдущего развития механики. В настоящее время основные законы механического движения излагаются во всех учебниках физики для средней школы. Мы дадим здесь краткое изложение законов движения Ньютона, так как последующий шаг в науке, позволивший изучать движение ракет, был дальнейшим развитием методов классической механики.