Razzi. Propulsione a getto

Consideriamo diversi esempi che confermano la validità della legge di conservazione della quantità di moto.

Sicuramente molti di voi hanno osservato come si gonfia l'aria palloncino, se sleghi il filo che stringe il suo foro.

Questo fenomeno può essere spiegato utilizzando la legge di conservazione della quantità di moto.

Mentre il foro nella palla è chiuso, la palla con l'aria compressa al suo interno è ferma e la sua quantità di moto è zero.

Quando il buco è aperto, esce tranquillo ad alta velocità scoppia un jet aria compressa. L'aria in movimento ha una quantità di moto diretta nella direzione del suo movimento.

Secondo la legge di conservazione della quantità di moto operante in natura, la quantità di moto totale di un sistema costituito da due corpi - una palla e l'aria in essa contenuta - deve rimanere la stessa di prima del deflusso dell'aria, cioè uguale a zero. Pertanto, la palla inizia a muoversi nella direzione opposta al flusso d'aria ad una velocità tale che il suo impulso è uguale in grandezza all'impulso getto d'aria. I vettori dell'impulso della palla e dell'aria sono diretti in direzioni opposte. Di conseguenza, la quantità di moto totale dei corpi interagenti rimane uguale a zero.

Il moto di una palla è un esempio di moto di un getto. Propulsione a getto si verifica a causa del fatto che una parte di esso è separata dal corpo e si muove, a seguito della quale il corpo stesso acquisisce un impulso diretto in senso opposto.

La rotazione di un dispositivo chiamato ruota Segner si basa sul principio della propulsione reattiva (Fig. 46). L'acqua che scorre da un recipiente di forma conica attraverso un tubo curvo ad esso collegato fa ruotare il recipiente nella direzione velocità opposta acqua nei ruscelli. Di conseguenza, l'effetto reattivo è esercitato non solo da un flusso di gas, ma anche da un flusso liquido.

Riso. 46. ​​​​Dimostrazione della propulsione a reazione utilizzando una ruota Segner

La propulsione a reazione viene utilizzata anche da alcune creature viventi, come polpi, calamari, seppie e altri. cefalopodi(Fig. 47). Si muovono aspirando e poi spingendo con forza l'acqua fuori da se stessi. Esiste addirittura una specie di calamaro che, con l'aiuto dei suoi "motori a reazione", non solo può nuotare nell'acqua, ma anche su breve tempo vola via per superare rapidamente la preda o fuggire dai nemici.

Riso. 47. I cefalopodi utilizzano la propulsione a reazione per spostare: a - seppie; b - calamari; c - polpo

Sai che il principio della propulsione a reazione è ampiamente diffuso applicazione pratica nell'aviazione e nell'astronautica. IN spazio esterno non esiste alcun mezzo con cui il corpo possa interagire e quindi cambiare la direzione e l'entità della sua velocità. Pertanto per voli spaziali possono essere utilizzati solo quelli reattivi aereo, cioè i razzi.

Lancio di un veicolo di lancio con la navicella spaziale Soyuz

Consideriamo la questione della progettazione e del lancio dei cosiddetti veicoli di lancio, ovvero razzi progettati per lanciare nello spazio satelliti artificiali terrestri, veicoli spaziali, stazioni interplanetarie automatiche e altri carichi utili.

Qualsiasi razzo, indipendentemente dal suo design, ha sempre un guscio e un carburante con un ossidante. La Figura 48 mostra una sezione trasversale del razzo. Vediamo che l'involucro del razzo comprende un carico utile (in questo caso si tratta della navicella spaziale 1), un vano strumenti 2 e un motore (camera di combustione 6, pompe 5, ecc.).

Riso. 48. Schema del razzo

La massa principale del razzo è il carburante 4 con l'ossidante 3 (l'ossidante è necessario per mantenere la combustione del carburante, poiché non c'è ossigeno nello spazio).

Carburante e ossidante vengono forniti alla camera di combustione mediante pompe. Il carburante, una volta bruciato, si trasforma in gas alta temperatura E alta pressione, che si precipita verso l'esterno con un potente getto attraverso la campana forma speciale, denominato ugello 7. Lo scopo dell'ugello è quello di aumentare la velocità del getto.

Qual è lo scopo di aumentare la velocità di uscita del flusso di gas? Il fatto è che la velocità del razzo dipende da questa velocità. Ciò può essere dimostrato utilizzando la legge di conservazione della quantità di moto.

Poiché prima del lancio la quantità di moto del razzo era pari a zero, quindi, secondo la legge di conservazione, anche l'impulso totale del guscio in movimento e del gas espulso da esso dovrebbe essere pari a zero. Ne consegue che l'impulso del guscio e l'impulso del getto di gas diretto in senso opposto ad esso devono essere di uguale grandezza. Ciò significa che più velocemente il gas fuoriesce dall'ugello, maggiore sarà la velocità del guscio del razzo.

Oltre alla velocità del deflusso del gas, ci sono altri fattori da cui dipende la velocità del razzo.

Abbiamo esaminato il dispositivo e il principio di funzionamento razzo monostadio, dove per stadio si intende la parte che contiene i serbatoi del carburante e dell'ossidante ed il motore. Nella pratica del volo spaziale vengono solitamente utilizzati razzi multistadio, che sviluppano velocità molto più elevate e sono progettati per voli più lunghi rispetto ai razzi a stadio singolo.

La Figura 49 mostra lo schema di un razzo a tre stadi. Dopo che il carburante e l'ossidante del primo stadio sono stati completamente consumati, questo stadio viene automaticamente scartato e subentra il motore del secondo stadio.

Riso. 49. Schema di un razzo a tre stadi

Diminuire massa totale il razzo scartando uno stadio già non necessario consente di risparmiare carburante e ossidante e aumentare la velocità del razzo. Quindi la seconda fase viene scartata allo stesso modo.

Se ritorno astronave non è previsto l'atterraggio sulla Terra né l'atterraggio su nessun altro pianeta, il terzo stadio, come i primi due, serve per aumentare la velocità del razzo. Se la nave deve atterrare, viene utilizzato per rallentare la nave prima dell'atterraggio. In questo caso il razzo viene ruotato di 180° in modo che l'ugello sia davanti. Quindi il gas che fuoriesce dal razzo gli dà un impulso diretto contro la velocità del suo movimento, che porta ad una diminuzione della velocità e rende possibile l'atterraggio.

Konstantin Eduardovich Ciolkovskij (1857-1935)
Scienziato e inventore russo nel campo dell'aerodinamica, della dinamica dei razzi, della teoria degli aerei e dei dirigibili. Fondatore della cosmonautica teorica

L'idea di utilizzare i razzi per i voli spaziali fu avanzata all'inizio del XX secolo. Scienziato e inventore russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Tsiolkovsky sviluppò la teoria del movimento dei razzi, derivò una formula per calcolare la loro velocità e fu il primo a proporre l'uso di razzi multistadio.

Mezzo secolo dopo, l’idea di Tsiolkovsky fu sviluppata e implementata dagli scienziati sovietici sotto la guida di Sergei Pavlovich Korolev.

Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
Scienziato sovietico, progettista di sistemi missilistici e spaziali. Fondatore dell'astronautica pratica

Domande

1. Basandosi sulla legge di conservazione della quantità di moto, spiegare perché un palloncino si muove in direzione opposta al flusso di aria compressa che ne esce.
2. Fornire esempi di moto reattivo dei corpi.
3. Qual è lo scopo dei razzi? Raccontaci la struttura e il principio di funzionamento del razzo.
4. Cosa determina la velocità di un razzo?
5. Qual è il vantaggio? razzi multistadio prima di quelli a stadio singolo?
6. Come avviene l'atterraggio di una navicella spaziale?

Esercizio 21

1. Da una barca che si muove alla velocità di 2 m/s, una persona lancia un remo di massa 5 kg velocità orizzontale 8 m/s è opposto al movimento della barca. A quale velocità la barca ha iniziato a muoversi dopo il lancio, se la sua massa insieme alla persona è di 200 kg?
2. Quale velocità raggiungerà il modello del razzo se la massa del suo guscio è 300 g, la massa della polvere da sparo è 100 g e i gas fuoriescono dall'ugello a una velocità di 100 m/s? (Considerare il deflusso del gas dall'ugello istantaneo.)
3. Su quale attrezzatura e come viene eseguito l'esperimento mostrato nella Figura 50? Quale fenomeno fisico in questo caso viene dimostrato di cosa si tratta e quale legge fisica è alla base di questo fenomeno?

   Nota: il tubo di gomma veniva posizionato verticalmente finché l'acqua non cominciava a fluire attraverso di esso.

4. Esegui l'esperimento mostrato nella Figura 50. Quando il tubo di gomma devia il più possibile dalla verticale, smetti di versare acqua nell'imbuto. Mentre l'acqua rimasta nel tubo esce, osservate come cambia: a) la distanza di volo dell'acqua nel ruscello (rispetto al foro del tubo di vetro); b) posizione del tubo di gomma. Spiega entrambi i cambiamenti.

Riso. 50

Consideriamo diversi esempi che confermano la validità della legge di conservazione della quantità di moto.

Sicuramente molti di voi hanno osservato come un palloncino gonfiato con aria inizia a muoversi se sleghi il filo che ne stringe il foro.

Questo fenomeno può essere spiegato utilizzando la legge di conservazione della quantità di moto.

Mentre il foro nella palla è chiuso, la palla con l'aria compressa al suo interno è ferma e la sua quantità di moto è zero.

Quando il foro è aperto, da esso fuoriesce un flusso di aria compressa ad una velocità abbastanza elevata. L'aria in movimento ha una quantità di moto diretta nella direzione del suo movimento.

Secondo la legge di conservazione della quantità di moto operante in natura, la quantità di moto totale di un sistema costituito da due corpi - una palla e l'aria in essa contenuta - dovrebbe rimanere la stessa di prima del deflusso dell'aria, cioè uguale a zero. Pertanto, la palla inizia a muoversi nella direzione opposta al flusso d'aria a una velocità tale che la sua quantità di moto è uguale in grandezza all'impulso del flusso d'aria. I vettori dell'impulso della palla e dell'aria sono diretti in direzioni opposte. Di conseguenza, la quantità di moto totale dei corpi interagenti rimane uguale a zero.

Il moto di una palla è un esempio di moto di un getto. Il movimento reattivo si verifica a causa del fatto che una parte di esso è separata dal corpo e si muove, a seguito della quale il corpo stesso acquisisce un impulso diretto in modo opposto.

La rotazione di un dispositivo chiamato ruota Segner si basa sul principio della propulsione reattiva (Fig.). L'acqua che scorre da un recipiente di forma conica attraverso un tubo curvo ad esso collegato fa ruotare il recipiente nella direzione opposta alla velocità dell'acqua nei torrenti. Di conseguenza, l'effetto reattivo è esercitato non solo da un flusso di gas, ma anche da un flusso liquido.

Riso. Dimostrazione della propulsione a reazione utilizzando una ruota Segner

La propulsione a reazione viene utilizzata anche da alcuni esseri viventi per il loro movimento, come polpi, calamari, seppie e altri cefalopodi (Fig.). Si muovono aspirando e poi spingendo con forza l'acqua fuori da se stessi. Esiste persino una specie di calamaro che, con l'aiuto dei suoi "motori a reazione", non solo può nuotare nell'acqua, ma anche volare fuori per un breve periodo per superare rapidamente la preda o fuggire dai nemici.

Riso. I cefalopodi utilizzano la propulsione a reazione per il loro movimento: a - seppie; b - calamari; c - polpo

Sapete che il principio della propulsione a reazione ha un'ampia applicazione pratica nell'aviazione e nell'astronautica. Non esiste alcun mezzo nello spazio con il quale un corpo possa interagire e quindi cambiare la direzione e l'entità della sua velocità. Pertanto, per i voli spaziali possono essere utilizzati solo aerei a reazione, cioè razzi.

Lancio di un veicolo di lancio con la navicella spaziale Soyuz

Consideriamo la questione della progettazione e del lancio dei cosiddetti veicoli di lancio, ovvero razzi progettati per lanciare nello spazio satelliti artificiali terrestri, veicoli spaziali, stazioni interplanetarie automatiche e altri carichi utili.

Qualsiasi razzo, indipendentemente dal suo design, ha sempre un guscio e un carburante con un ossidante. La figura mostra una sezione trasversale di un razzo. Vediamo che l'involucro del razzo comprende un carico utile (in questo caso si tratta della navicella spaziale 1), un vano strumenti 2 e un motore (camera di combustione 6, pompe 5, ecc.).

Riso. Diagramma del razzo

La massa principale del razzo è il carburante 4 con l'ossidante 3 (l'ossidante è necessario per mantenere la combustione del carburante, poiché non c'è ossigeno nello spazio).

Carburante e ossidante vengono forniti alla camera di combustione mediante pompe. Il carburante, quando brucia, si trasforma in un gas ad alta temperatura e alta pressione, che fuoriesce con un potente getto attraverso una presa dalla forma speciale chiamata ugello 7. Lo scopo dell'ugello è aumentare la velocità del getto.

Qual è lo scopo di aumentare la velocità di uscita del flusso di gas? Il fatto è che la velocità del razzo dipende da questa velocità. Ciò può essere dimostrato utilizzando la legge di conservazione della quantità di moto.

Poiché prima del lancio la quantità di moto del razzo era pari a zero, quindi, secondo la legge di conservazione, anche l'impulso totale del guscio in movimento e del gas espulso da esso dovrebbe essere pari a zero. Ne consegue che l'impulso del guscio e l'impulso del getto di gas diretto in senso opposto ad esso devono essere di uguale grandezza. Ciò significa che più velocemente il gas fuoriesce dall'ugello, maggiore sarà la velocità del guscio del razzo.

Oltre alla velocità del deflusso del gas, ci sono altri fattori da cui dipende la velocità del razzo.

Abbiamo esaminato la progettazione e il principio di funzionamento di un razzo a stadio singolo, dove per stadio si intende la parte che contiene i serbatoi con carburante e ossidante e il motore. Nella pratica del volo spaziale vengono solitamente utilizzati razzi multistadio, che sviluppano velocità molto più elevate e sono progettati per voli più lunghi rispetto ai razzi a stadio singolo.

La figura mostra uno schema di un razzo a tre stadi. Dopo che il carburante e l'ossidante del primo stadio sono stati completamente consumati, questo stadio viene automaticamente scartato e subentra il motore del secondo stadio.

Riso. Schema di un razzo a tre stadi

Ridurre la massa complessiva del razzo eliminando uno stadio già non necessario consente di risparmiare carburante e ossidante e aumenta la velocità del razzo. Quindi la seconda fase viene scartata allo stesso modo.

Se non è previsto che la navicella ritorni sulla Terra o atterri su qualsiasi altro pianeta, il terzo stadio, come i primi due, viene utilizzato per aumentare la velocità del razzo. Se la nave deve atterrare, viene utilizzato per rallentare la nave prima dell'atterraggio. In questo caso il razzo viene ruotato di 180° in modo che l'ugello sia davanti. Quindi il gas che fuoriesce dal razzo gli dà un impulso diretto contro la velocità del suo movimento, che porta ad una diminuzione della velocità e rende possibile l'atterraggio.

Konstantin Eduardovich Ciolkovskij (1857-1935)
Scienziato e inventore russo nel campo dell'aerodinamica, della dinamica dei razzi, della teoria degli aerei e dei dirigibili. Fondatore della cosmonautica teorica

L'idea di utilizzare i razzi per i voli spaziali fu avanzata all'inizio del XX secolo. Scienziato e inventore russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Tsiolkovsky sviluppò la teoria del movimento dei razzi, derivò una formula per calcolare la loro velocità e fu il primo a proporre l'uso di razzi multistadio.

Mezzo secolo dopo, l’idea di Tsiolkovsky fu sviluppata e implementata dagli scienziati sovietici sotto la guida di Sergei Pavlovich Korolev.

Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
Scienziato sovietico, progettista di sistemi missilistici e spaziali. Fondatore dell'astronautica pratica

Compiti a casa.

Attività 1. Rispondi alle domande.

1. Basandosi sulla legge di conservazione della quantità di moto, spiegare perché un palloncino si muove in direzione opposta al flusso di aria compressa che ne esce.
2. Fornire esempi di moto reattivo dei corpi.
3. Qual è lo scopo dei razzi? Raccontaci la struttura e il principio di funzionamento del razzo.
4. Cosa determina la velocità di un razzo?
5. Qual è il vantaggio dei razzi multistadio rispetto a quelli monostadio?
6. Come avviene l'atterraggio di una navicella spaziale?

Compito 2. Risolvi il puzzle.

Il file "Questo è interessante!" è allegato alla lezione. Puoi scaricare il file in qualsiasi momento conveniente per te.

Fonti utilizzate: http://www.tepka.ru/fizika_9/21.html

Domande.

1. Basandosi sulla legge di conservazione della quantità di moto, spiegare perché un palloncino si muove nella direzione opposta al flusso di aria compressa che ne esce.

2. Fornisci esempi di movimento reattivo dei corpi.

In natura, un esempio è il movimento reattivo delle piante: i frutti maturi di un cetriolo pazzo; e animali: calamari, polpi, meduse, seppie, ecc. (gli animali si muovono buttando fuori l'acqua che assorbono). Nella tecnologia, l'esempio più semplice di propulsione a reazione è ruota del segnale, Di più esempi complessi sono: il movimento di razzi (spaziali, a polvere da sparo, militari), veicoli acquatici con motore a getto d'acqua (idrocicli, barche, motonavi), veicoli aerei con motore a reazione(aereo a reazione).

3. Qual è lo scopo dei razzi?

I razzi sono utilizzati in vari campi della scienza e della tecnologia: negli affari militari, in ricerca scientifica, nell'astronautica, nello sport e nell'intrattenimento.

4. Utilizzando la Figura 45, elenca le parti principali di qualsiasi razzo spaziale.

Veicolo spaziale, vano strumenti, serbatoio ossidante, serbatoio carburante, pompe, camera di combustione, ugello.

5. Descrivi il principio di funzionamento di un razzo.

In conformità con la legge di conservazione della quantità di moto, un razzo vola a causa del fatto che i gas con una certa quantità di moto vengono espulsi da esso ad alta velocità e al razzo viene dato un impulso della stessa grandezza, ma diretto nella direzione opposta . I gas vengono espulsi attraverso un ugello in cui il carburante brucia, raggiungendo temperature e pressioni elevate. L'ugello riceve carburante e ossidante, che vengono spinti lì dalle pompe.

6. Da cosa dipende la velocità di un razzo?

La velocità del razzo dipende principalmente dalla velocità del flusso di gas e dalla massa del razzo. La velocità del flusso di gas dipende dal tipo di carburante e dal tipo di ossidante. La massa del razzo dipende, ad esempio, dalla velocità che si vuole trasmettergli o dalla distanza che deve percorrere.

7. Qual è il vantaggio dei razzi multistadio rispetto a quelli monostadio?

I razzi multistadio sono in grado di raggiungere velocità più elevate e volare più lontano rispetto ai razzi a stadio singolo.

8. Come avviene l'atterraggio di un veicolo spaziale?

L'atterraggio della navicella viene effettuato in modo tale che la sua velocità diminuisca man mano che si avvicina alla superficie. Ciò si ottiene utilizzando un sistema frenante, che può essere l'uno o l'altro sistema di paracadute la frenata o la frenata possono essere eseguite utilizzando motore a razzo, mentre l'ugello è diretto verso il basso (verso la Terra, la Luna, ecc.), per cui la velocità viene ridotta.

Esercizi.

1. Da una barca che si muove ad una velocità di 2 m/s, una persona lancia un remo di massa 5 kg ad una velocità orizzontale di 8 m/s in direzione opposta al movimento della barca. A quale velocità la barca ha iniziato a muoversi dopo il lancio, se la sua massa insieme a quella della persona è di 200 kg?

2. Quale velocità raggiungerà il modello del razzo se la massa del suo guscio è 300 g, la massa della polvere da sparo al suo interno è 100 g e i gas fuoriescono dall'ugello a una velocità di 100 m/s? (Considerare istantanea la fuoriuscita del gas dall'ugello).

3. Su quale attrezzatura e come viene eseguito l'esperimento mostrato nella Figura 47? Quale fenomeno fisico viene dimostrato in questo caso, in cosa consiste e quale legge fisica è alla base di questo fenomeno?
Nota: il tubo di gomma veniva posizionato verticalmente finché l'acqua non cominciava a fluire attraverso di esso.

Un imbuto con un tubo di gomma attaccato dal basso con un ugello curvo all'estremità è stato fissato al treppiede utilizzando un supporto e sotto è stato posizionato un vassoio. Quindi hanno iniziato a versare l'acqua dal contenitore dall'alto nell'imbuto, mentre l'acqua veniva versata dal tubo nel vassoio e il tubo stesso si spostava dalla posizione verticale. Questo esperimento illustra il movimento reattivo basato sulla legge di conservazione della quantità di moto.

4. Eseguire l'esperimento mostrato nella Figura 47. Quando il tubo di gomma si discosta il più possibile dalla verticale, smettere di versare acqua nell'imbuto. Mentre l'acqua rimasta nel tubo esce, osservate come cambia: a) la distanza di volo dell'acqua nel torrente (rispetto al foro del tubo di vetro); b) posizione del tubo di gomma. Spiega entrambi i cambiamenti.

a) la portata dell'acqua nel flusso diminuirà; b) man mano che l'acqua fuoriesce, il tubo si avvicinerà alla posizione orizzontale. Questi fenomeni sono dovuti al fatto che diminuirà la pressione dell'acqua nel tubo e quindi l'impulso con cui l'acqua verrà espulsa.