Raketter. Jet fremdrift

Lad os overveje flere eksempler, der bekræfter gyldigheden af ​​loven om bevarelse af momentum.

Sikkert mange af jer har observeret, hvordan en luft pustes op ballon, hvis du løsner tråden, der strammer dets hul.

Dette fænomen kan forklares ved hjælp af loven om bevarelse af momentum.

Mens hullet i bolden er lukket, er bolden med den komprimerede luft indeni i hvile, og dens momentum er nul.

Når hullet er åbent, kommer det helt ud høj hastighed et jetfly bryder ud trykluft. Luft i bevægelse har en vis momentum rettet i retning af dens bevægelse.

Ifølge loven om bevarelse af momentum, der opererer i naturen, skal det samlede momentum af et system bestående af to legemer - en bold og luften i den - forblive det samme, som det var før udstrømningen af ​​luft, dvs. lig med nul. Derfor begynder bolden at bevæge sig i den modsatte retning af luftstrømmen med en sådan hastighed, at dens impuls er lig med impulsen. luftstråle. Boldens og luftens impulsvektorer er rettet i modsatte retninger. Som et resultat forbliver det samlede momentum af de interagerende legemer lig med nul.

En bolds bevægelse er et eksempel på jet-bevægelse. Jet fremdrift opstår på grund af det faktum, at en del af det er adskilt fra kroppen og bevæger sig, som et resultat af, at kroppen selv får en modsat rettet impuls.

Rotationen af ​​en anordning kaldet et Segner-hjul er baseret på princippet om reaktiv fremdrift (fig. 46). Vand, der strømmer fra en konisk formet beholder gennem et buet rør forbundet til det, roterer beholderen i retningen modsat hastighed vand i vandløb. Følgelig udøves den reaktive virkning ikke kun af en gasstrøm, men også af en væskestrøm.

Ris. 46. ​​Demonstration af jetfremdrift ved hjælp af et Segner-hjul

Jetfremdrift bruges også af nogle levende væsener til deres bevægelser, såsom blæksprutter, blæksprutter, blæksprutter og andre. blæksprutter(Fig. 47). De bevæger sig ved at suge ind og derefter kraftigt skubbe vand ud af sig selv. Der er endda en art af blæksprutter, der ved hjælp af sine "jetmotorer" ikke kun kan svømme i vand, men også på kort tid flyve ud af det for hurtigt at overhale bytte eller flygte fra fjender.

Ris. 47. Blæksprutter bruger jetfremdrift til at bevæge sig: a - blæksprutte; b - blæksprutte; c - blæksprutte

Du ved, at princippet om jetfremdrift er vidt udbredt praktisk anvendelse inden for luftfart og astronautik. I det ydre rum der er intet medium, som kroppen kunne interagere med og derved ændre retningen og størrelsen af ​​sin hastighed. Derfor for rumflyvninger kun reaktive kan bruges fly, altså raketter.

Opsendelse af en løfteraket med Soyuz-rumfartøjet

Lad os overveje spørgsmålet om design og opsendelse af såkaldte løfteraketter, det vil sige raketter designet til at opsende kunstige jordsatellitter, rumfartøjer, automatiske interplanetariske stationer og andre nyttelaster i rummet.

Enhver raket, uanset dens design, har altid en skal og brændstof med et oxidationsmiddel. Figur 48 viser et tværsnit af raketten. Vi ser, at raketskallen inkluderer en nyttelast (i dette tilfælde er det rumfartøj 1), et instrumentrum 2 og en motor (forbrændingskammer 6, pumper 5 osv.).

Ris. 48. Raketdiagram

Rakettens hovedmasse er brændstof 4 med oxidationsmiddel 3 (oxidationsmidlet er nødvendigt for at opretholde brændstofforbrændingen, da der ikke er ilt i rummet).

Brændstof og oxidationsmiddel tilføres forbrændingskammeret ved hjælp af pumper. Brændstof, når det forbrændes, bliver til gas høj temperatur Og højt tryk, som suser udad i en kraftig stråle gennem klokken speciel form, kaldet dyse 7. Formålet med dysen er at øge strålens hastighed.

Hvad er formålet med at øge udgangshastigheden af ​​gasstrømmen? Faktum er, at rakettens hastighed afhænger af denne hastighed. Dette kan vises ved hjælp af loven om bevarelse af momentum.

Da rakettens momentum før lanceringen var lig med nul, skulle den samlede impuls af den bevægelige skal og gassen, der udstødes fra den, ifølge loven om bevarelse også være lig nul. Det følger heraf, at skallens impuls og impulsen fra gasstrålen rettet modsat den skal være lige store. Det betyder, at jo hurtigere gassen slipper ud af dysen, jo større hastighed vil raketgranaten være.

Ud over hastigheden af ​​gasudstrømning er der andre faktorer, som rakettens hastighed afhænger af.

Vi så på enheden og funktionsprincippet enkelttrins raket, hvor scenen betyder den del, der indeholder brændstof- og oxidationstanken og motoren. I rumflyvningspraksis bruges normalt flertrinsraketter, som udvikler meget højere hastigheder og er designet til længere flyvninger end enkelttrinsraketter.

Figur 49 viser et diagram af en tre-trins raket. Efter at brændstoffet og oxidationsmidlet i det første trin er helt opbrugt, kasseres dette trin automatisk, og det andet trins motor tager over.

Ris. 49. Diagram af en tre-trins raket

Formindske total masse raket ved at kassere en allerede unødvendig fase giver dig mulighed for at spare brændstof og oxidationsmiddel og øge rakettens hastighed. Derefter kasseres anden fase på samme måde.

Hvis retur rumskib er ikke planlagt til at lande på Jorden eller lande på nogen anden planet, bruges den tredje fase, ligesom de to første, til at øge rakettens hastighed. Hvis skibet skal lande, så bruges det til at bremse skibet inden landing. I dette tilfælde drejes raketten 180°, så dysen er foran. Så giver gassen, der slipper ud fra raketten, den en impuls rettet mod hastigheden af ​​dens bevægelse, hvilket fører til et fald i hastigheden og gør det muligt at lande.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935)
Russisk videnskabsmand og opfinder inden for aerodynamik, raketdynamik, fly- og luftskibsteori. Grundlægger af teoretisk kosmonautik

Ideen om at bruge raketter til rumflyvninger blev fremsat i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Den russiske videnskabsmand og opfinder Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Tsiolkovsky udviklede teorien om raketbevægelse, udledte en formel til beregning af deres hastighed og var den første til at foreslå brugen af ​​flertrinsraketter.

Et halvt århundrede senere blev Tsiolkovskys idé udviklet og implementeret af sovjetiske videnskabsmænd under ledelse af Sergei Pavlovich Korolev.

Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
Sovjetisk videnskabsmand, designer af raket- og rumsystemer. Grundlægger af praktisk astronautik

Spørgsmål

1. Forklar, ud fra loven om bevarelse af momentum, hvorfor en ballon bevæger sig modsat strømmen af ​​trykluft, der forlader den.
2. Giv eksempler på kroppens reaktive bevægelse.
3. Hvad er formålet med raketter? Fortæl os om strukturen og princippet om rakettens drift.
4. Hvad bestemmer hastigheden på en raket?
5. Hvad er fordelen flertrins raketter før en-trins dem?
6. Hvordan landes et rumfartøj?

Øvelse 21

1. Fra en båd, der bevæger sig med en hastighed på 2 m/s, kaster en person en åre med en masse på 5 kg vandret hastighed 8 m/s er modsat bådens bevægelse. Med hvilken hastighed begyndte båden at bevæge sig efter kastet, hvis dens masse sammen med personen er 200 kg?
2. Hvilken hastighed vil raketmodellen få, hvis massen af ​​dens granat er 300 g, massen af ​​krudt i den er 100 g, og gasser slipper ud af dysen med en hastighed på 100 m/s? (Betragt gasudstrømningen fra dysen for at være øjeblikkelig.)
3. På hvilket udstyr og hvordan udføres forsøget vist i figur 50? Hvilke fysiske fænomen i dette tilfælde demonstreres det, hvad det er, og hvilken fysisk lov ligger til grund for dette fænomen?

   Note: gummirøret blev placeret lodret, indtil vandet begyndte at strømme igennem det.

4. Udfør forsøget vist i figur 50. Når gummirøret afviger fra lodret så meget som muligt, skal du stoppe med at hælde vand i tragten. Mens det resterende vand i røret strømmer ud, skal du observere, hvordan det ændrer sig: a) flyveafstanden for vandet i åen (i forhold til hullet i glasrøret); b) placering af gummirøret. Forklar begge ændringer.

Ris. 50

Lad os overveje flere eksempler, der bekræfter gyldigheden af ​​loven om bevarelse af momentum.

Mange af jer har sikkert observeret, hvordan en ballon, der er pustet op med luft, begynder at bevæge sig, hvis I løsner tråden, der strammer dens hul.

Dette fænomen kan forklares ved hjælp af loven om bevarelse af momentum.

Mens hullet i bolden er lukket, er bolden med den komprimerede luft indeni i hvile, og dens momentum er nul.

Når hullet er åbent, slipper en strøm af trykluft ud af det med ret høj hastighed. Luft i bevægelse har en vis momentum rettet i retning af dens bevægelse.

Ifølge loven om bevarelse af momentum, der opererer i naturen, skal det samlede momentum af et system bestående af to legemer - en bold og luften i den - forblive det samme, som det var før udstrømningen af ​​luft, dvs. lig med nul. Derfor begynder bolden at bevæge sig i retning modsat luftstrømmen med en sådan hastighed, at dens momentum er lig med luftstrømmens impuls. Boldens og luftens impulsvektorer er rettet i modsatte retninger. Som et resultat forbliver det samlede momentum af de interagerende legemer lig med nul.

En bolds bevægelse er et eksempel på jet-bevægelse. Reaktiv bevægelse opstår på grund af det faktum, at en del af den er adskilt fra kroppen og bevæger sig, som et resultat af, at kroppen selv får en modsat rettet impuls.

Rotationen af ​​en enhed kaldet et Segner-hjul er baseret på princippet om reaktiv fremdrift (fig.). Vand, der strømmer ud af et kegleformet kar gennem et buet rør forbundet til det, roterer karret i modsat retning af vandets hastighed i vandløbene. Følgelig udøves den reaktive virkning ikke kun af en gasstrøm, men også af en væskestrøm.

Ris. Demonstration af jetfremdrift ved hjælp af et Segner-hjul

Jetfremdrift bruges også af nogle levende væsner til deres bevægelser, såsom blæksprutter, blæksprutter, blæksprutter og andre blæksprutter (fig.). De bevæger sig ved at suge ind og derefter kraftigt skubbe vand ud af sig selv. Der er endda en art af blæksprutter, der ved hjælp af sine "jetmotorer" ikke kun kan svømme i vandet, men også flyve ud af det i kort tid for hurtigt at overhale byttet eller flygte fra fjender.

Ris. Blæksprutter bruger jetfremdrift til deres bevægelser: a - blæksprutte; b - blæksprutte; c - blæksprutte

Du ved, at princippet om jetfremdrift har bred praktisk anvendelse inden for luftfart og astronautik. Der er intet medium i det ydre rum, som et legeme kan interagere med og derved ændre retningen og størrelsen af ​​dets hastighed med. Derfor kan kun jetfly, altså raketter, bruges til rumflyvninger.

Opsendelse af en løfteraket med Soyuz-rumfartøjet

Lad os overveje spørgsmålet om design og opsendelse af såkaldte løfteraketter, det vil sige raketter designet til at opsende kunstige jordsatellitter, rumfartøjer, automatiske interplanetariske stationer og andre nyttelaster i rummet.

Enhver raket, uanset dens design, har altid en skal og brændstof med et oxidationsmiddel. Figuren viser et tværsnit af en raket. Vi ser, at raketskallen inkluderer en nyttelast (i dette tilfælde er det rumfartøj 1), et instrumentrum 2 og en motor (forbrændingskammer 6, pumper 5 osv.).

Ris. Raketdiagram

Rakettens hovedmasse er brændstof 4 med oxidationsmiddel 3 (oxidationsmidlet er nødvendigt for at opretholde brændstofforbrændingen, da der ikke er ilt i rummet).

Brændstof og oxidationsmiddel tilføres forbrændingskammeret ved hjælp af pumper. Brændstoffet bliver, når det forbrændes, til en gas med høj temperatur og højt tryk, som strømmer ud i en kraftig stråle gennem en specielt formet klokke kaldet dyse 7. Formålet med dysen er at øge strålens hastighed.

Hvad er formålet med at øge udgangshastigheden af ​​gasstrømmen? Faktum er, at rakettens hastighed afhænger af denne hastighed. Dette kan vises ved hjælp af loven om bevarelse af momentum.

Da rakettens momentum før lanceringen var lig med nul, skulle den samlede impuls af den bevægelige skal og gassen, der udstødes fra den, ifølge loven om bevarelse også være lig nul. Det følger heraf, at skallens impuls og impulsen fra gasstrålen rettet modsat den skal være lige store. Det betyder, at jo hurtigere gassen slipper ud af dysen, jo større hastighed vil raketgranaten være.

Ud over hastigheden af ​​gasudstrømning er der andre faktorer, som rakettens hastighed afhænger af.

Vi undersøgte designet og princippet for driften af ​​en enkelt-trins raket, hvor et trin betyder den del, der indeholder tanke med brændstof og oxidationsmiddel og motoren. I rumflyvningspraksis bruges normalt flertrinsraketter, som udvikler meget højere hastigheder og er designet til længere flyvninger end enkelttrinsraketter.

Figuren viser et diagram af en tre-trins raket. Efter at brændstoffet og oxidationsmidlet i det første trin er helt opbrugt, kasseres dette trin automatisk, og det andet trins motor tager over.

Ris. Diagram af en tre-trins raket

At reducere rakettens samlede masse ved at kassere et allerede unødvendigt trin sparer brændstof og oxidationsmiddel og øger rakettens hastighed. Derefter kasseres anden fase på samme måde.

Hvis rumfartøjet ikke er planlagt til at vende tilbage til Jorden eller lande på nogen anden planet, så bruges den tredje fase, ligesom de to første, til at øge rakettens hastighed. Hvis skibet skal lande, så bruges det til at bremse skibet inden landing. I dette tilfælde drejes raketten 180°, så dysen er foran. Så giver gassen, der slipper ud fra raketten, den en impuls rettet mod hastigheden af ​​dens bevægelse, hvilket fører til et fald i hastigheden og gør det muligt at lande.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935)
Russisk videnskabsmand og opfinder inden for aerodynamik, raketdynamik, fly- og luftskibsteori. Grundlægger af teoretisk kosmonautik

Ideen om at bruge raketter til rumflyvninger blev fremsat i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Den russiske videnskabsmand og opfinder Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Tsiolkovsky udviklede teorien om raketbevægelse, udledte en formel til beregning af deres hastighed og var den første til at foreslå brugen af ​​flertrinsraketter.

Et halvt århundrede senere blev Tsiolkovskys idé udviklet og implementeret af sovjetiske videnskabsmænd under ledelse af Sergei Pavlovich Korolev.

Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
Sovjetisk videnskabsmand, designer af raket- og rumsystemer. Grundlægger af praktisk astronautik

Lektier.

Opgave 1. Besvar spørgsmålene.

1. Forklar, ud fra loven om bevarelse af momentum, hvorfor en ballon bevæger sig modsat strømmen af ​​trykluft, der forlader den.
2. Giv eksempler på kroppens reaktive bevægelse.
3. Hvad er formålet med raketter? Fortæl os om strukturen og princippet om rakettens drift.
4. Hvad bestemmer hastigheden på en raket?
5. Hvad er fordelen ved flertrinsraketter i forhold til enkelttrins raketter?
6. Hvordan landes et rumfartøj?

Opgave 2. Løs gåden.

Filen "Dette er interessant!" er vedhæftet lektionen. Du kan downloade filen til enhver tid, der passer dig.

Anvendte kilder: http://www.tepka.ru/fizika_9/21.html

Spørgsmål.

1. Forklar, ud fra loven om bevarelse af momentum, hvorfor en ballon bevæger sig i den modsatte retning af strømmen af ​​trykluft, der kommer ud af den.

2. Giv eksempler på kroppes reaktive bevægelse.

I naturen er et eksempel den reaktive bevægelse af planter: de modnede frugter af en skør agurk; og dyr: blæksprutter, blæksprutter, vandmænd, blæksprutter osv. (dyr bevæger sig ved at smide det vand ud, de optager). Inden for teknologi er det enkleste eksempel på jetfremdrift segner hjul, mere komplekse eksempler er: bevægelse af raketter (rum, krudt, militær), vandfartøjer med jetmotor (hydrocykler, både, motorskibe), luftfartøjer med luft jetmotor(jetfly).

3. Hvad er formålet med raketter?

Raketter bruges inden for forskellige områder af videnskab og teknologi: i militære anliggender, i videnskabelig forskning, i astronautik, i sport og underholdning.

4. Brug figur 45 til at liste hoveddelene af enhver rumraket.

Rumfartøj, instrumentrum, oxidationstank, brændstoftank, pumper, forbrændingskammer, dyse.

5. Beskriv en rakets funktionsprincip.

I overensstemmelse med loven om bevarelse af momentum flyver en raket på grund af det faktum, at gasser med et vist momentum skubbes ud af den med høj hastighed, og raketten får en impuls af samme størrelse, men rettet i den modsatte retning . Gasser udstødes gennem en dyse, hvori brændstoffet brænder og når høje temperaturer og tryk. Dysen modtager brændstof og oxidationsmiddel, som tvinges dertil af pumper.

6. Hvad afhænger en rakets hastighed af?

Rakettens hastighed afhænger primært af gasstrømmens hastighed og rakettens masse. Hastigheden af ​​gasstrømmen afhænger af typen af ​​brændstof og typen af ​​oxidationsmiddel. Rakettens masse afhænger for eksempel af, hvilken hastighed de vil give den, eller af hvor langt den skal flyve.

7. Hvad er fordelen ved flertrinsraketter i forhold til enkelttrins raketter?

Flertrinsraketter er i stand til at nå højere hastigheder og flyve længere end enkelttrinsraketter.

8. Hvordan landes et rumfartøj?

Landingen af ​​rumfartøjet udføres på en sådan måde, at dets hastighed falder, når det nærmer sig overfladen. Dette opnås ved at bruge et bremsesystem, som kan være enten faldskærmssystem bremsning eller bremsning kan udføres vha raketmotor, mens dysen er rettet nedad (mod Jorden, Månen osv.), hvorved hastigheden reduceres.

Øvelser.

1. Fra en båd, der bevæger sig med en hastighed på 2 m/s, kaster en person en åre med en masse på 5 kg med en vandret hastighed på 8 m/s modsat bådens bevægelse. Med hvilken hastighed begyndte båden at bevæge sig efter kastet, hvis dens masse sammen med personens masse er 200 kg?

2. Hvilken hastighed vil raketmodellen få, hvis massen af ​​dens granat er 300 g, massen af ​​krudt i den er 100 g, og gasser slipper ud af dysen med en hastighed på 100 m/s? (Betragt gasudstrømningen fra dysen for at være øjeblikkelig).

3. På hvilket udstyr og hvordan udføres forsøget vist i figur 47? Hvilket fysisk fænomen bliver påvist i dette tilfælde, hvad består det af, og hvilken fysisk lov ligger til grund for dette fænomen?
Note: gummirøret blev placeret lodret, indtil vandet begyndte at strømme igennem det.

Ved hjælp af en holder blev en tragt fastgjort til stativet med et gummirør fastgjort til det nedefra med en buet dyse for enden, og en bakke blev placeret under. Derefter begyndte de at hælde vand fra beholderen ovenfra ind i tragten, mens vandet hældte fra røret ind i bakken, og selve røret skiftede fra en lodret position. Dette eksperiment illustrerer reaktiv bevægelse baseret på loven om bevarelse af momentum.

4. Udfør forsøget vist i figur 47. Når gummirøret afviger fra lodret så meget som muligt, skal du stoppe med at hælde vand i tragten. Mens det resterende vand i røret strømmer ud, skal du observere, hvordan det ændrer sig: a) flyveafstanden for vandet i åen (i forhold til hullet i glasrøret); b) placering af gummirøret. Forklar begge ændringer.

a) flyverækkevidden for vand i åen vil falde; b) når vandet strømmer ud, vil røret nærme sig en vandret position. Disse fænomener skyldes, at vandtrykket i røret vil falde, og dermed den impuls, som vandet udstødes med.