Esempi di propulsione a reazione nel mondo animale. Biofisica: moto dei getti nella natura vivente

La logica della natura è la logica più accessibile e più utile per i bambini.

Konstantin Dmitrievich Ushinsky(03.03.1823–03.01.1871) - Insegnante russo, fondatore della pedagogia scientifica in Russia.

BIOFISICA: IL MOTO DEI GETTI NELLA NATURA VIVENTE

Invito i lettori delle Pagine Verdi ad approfondire mondo affascinante biofisici e conoscere i principali principi della propulsione a reazione nella fauna selvatica. Oggi in programma: bocca d'angolo della medusa- più grandi meduse Mar Nero, scaloppine , intraprendente Larva di libellula a dondolo, Sorprendente il calamaro con il suo impareggiabile motore a reazione e meravigliose illustrazioni eseguite da un biologo sovietico e artista animale Kondakov Nikolai Nikolaevich.

Numerosi animali si muovono in natura utilizzando il principio della propulsione a getto, ad esempio meduse, capesante, larve di libellula, calamari, polpi, seppie... Conosciamone meglio alcuni ;-)

Il metodo a getto di movimento delle meduse

Le meduse sono uno dei predatori più antichi e numerosi del nostro pianeta! Il corpo di una medusa è composto per il 98% da acqua ed è in gran parte composto da acqua tessuto connettivo – mesoglea funzionando come uno scheletro. La base della mesoglea è la proteina collagene. Il corpo gelatinoso e trasparente della medusa ha la forma di una campana o di un ombrello (pochi millimetri di diametro fino a 2,5 mt). La maggior parte delle meduse si muovono in modo reattivo, spingendo l'acqua fuori dalla cavità dell'ombrello.

Medusa Cornerata(Rhizostomae), ordine degli animali celenterati della classe degli scifoidi. Medusa ( fino a 65cm di diametro) privi di tentacoli marginali. I bordi della bocca sono allungati in lobi orali con numerose pieghe che crescono insieme per formare molte aperture orali secondarie. Toccare le scapole della bocca può causare ustioni dolorose causato dall’azione delle cellule urticanti. Circa 80 specie; Vivono principalmente nei mari tropicali, meno spesso nei mari temperati. In Russia - 2 tipi: Rhizostoma polmonare comune in nero e Mari d'Azov, Rhopilema asamushi trovato nel Mar del Giappone.

Fuga a getto di capesante

Capesante di crostacei, di solito sdraiati tranquillamente sul fondo, quando il loro principale nemico si avvicina a loro - un predatore deliziosamente lento, ma estremamente insidioso - stella marina- stringono bruscamente le porte del loro lavandino, spingendone con forza l'acqua fuori. Usando così principio di propulsione a getto, emergono e, continuando ad aprire e chiudere il guscio, possono nuotare per una distanza considerevole. Se per qualche motivo la capesante non ha il tempo di scappare con la sua volo in jet, Stella marina lo abbraccia, apre il guscio e lo mangia...

Pettine(Pecten), genere di invertebrati marini della classe dei molluschi bivalvi (Bivalvia). Il guscio della capesante è arrotondato con un bordo della cerniera dritto. La sua superficie è ricoperta da nervature radiali divergenti dalla sommità. Le valvole del guscio sono chiuse da un forte muscolo. Pecten maximus, Flexopecten glaber vivono nel Mar Nero; nei mari del Giappone e di Okhotsk – Mizuhopecten yessoensis ( fino a 17 cm di diametro).

Pompa a getto per larva di libellula a bilanciere

Temperamento Larve di libellula rocker, O eshny(Aeshna sp.) non è meno predatore dei suoi parenti alati. Vive per due e talvolta quattro anni nel regno sottomarino, strisciando lungo il fondo roccioso, rintracciando piccoli abitanti acquatici, includendo felicemente girini e avannotti di dimensioni abbastanza grandi nella sua dieta. Nei momenti di pericolo, la larva della libellula dondolo si alza in volo e nuota in avanti a scatti, spinta dall'opera degli straordinari pompa a getto. Prendendo l'acqua nell'intestino posteriore e poi gettandola bruscamente fuori, la larva salta in avanti, spinta dalla forza di rinculo. Usando così principio di propulsione a getto, la larva della libellula a dondolo con sussulti e sussulti sicuri si nasconde dalla minaccia che la insegue.

Impulsi reattivi dell'“autostrada” nervosa dei calamari

In tutti i casi di cui sopra (principi di propulsione a getto di meduse, capesante, larve di libellula rocker), gli urti e gli scatti sono separati l'uno dall'altro da periodi di tempo significativi, pertanto non viene raggiunta un'elevata velocità di movimento. Per aumentare la velocità del movimento, in altre parole, numero di impulsi reattivi per unità di tempo, necessario aumento della conduzione nervosa che stimolano la contrazione muscolare, manutenzione di un motore a reazione vivente. Una conduttività così elevata è possibile con un grande diametro del nervo.

È risaputo che I calamari hanno le fibre nervose più grandi del mondo animale. In media raggiungono un diametro di 1 mm - 50 volte più grande di quello della maggior parte dei mammiferi - e conducono l'eccitazione ad una velocità 25 m/sec. E un calamaro di tre metri dosidico(vive al largo delle coste del Cile) lo spessore dei nervi è straordinariamente grande - 18 mm. I nervi sono grossi come corde! I segnali cerebrali – i fattori scatenanti delle contrazioni – corrono lungo la nervosa “autostrada” del calamaro alla velocità di un’auto – 90 chilometri all'ora.

Grazie ai calamari, all'inizio del XX secolo la ricerca sulle funzioni vitali dei nervi ha fatto rapidi progressi. "E chi lo sa, scrive il naturalista britannico Frank Lane, forse ora ci sono persone che devono ai calamari il fatto di averli sistema nervosoè in buone condizioni..."

La velocità e la manovrabilità del calamaro sono spiegate anche dalla sua eccellente forme idrodinamiche corpo animale, perché calamaro e soprannominato “siluro vivente”.

Calamaro(Teuthoidea), sottordine cefalopodi ordine dei decapodi. La dimensione è solitamente di 0,25-0,5 m, ma alcune specie lo sono animali invertebrati più grandi(i calamari del genere Architeuthis raggiungono 18 milioni, compresa la lunghezza dei tentacoli).
Il corpo dei calamari è allungato, appuntito all'indietro, a forma di siluro, il che determina la loro elevata velocità di movimento, come nell'acqua ( fino a 70 chilometri all'ora) e nell'aria (i calamari possono saltare fuori dall'acqua fino ad un'altezza fino a 7 mt).

Motore a reazione Squid

Propulsione a jet , ora utilizzato nei siluri, negli aerei, nei missili e nei proiettili spaziali, è anche caratteristico di cefalopodi: polpi, seppie, calamari. Di grande interesse per tecnici e biofisici è motore a reazione di calamari. Notate con quanta semplicità, con quale minimo utilizzo di materiale, la natura ha risolto questo compito complesso e ancora insuperato;-)

In sostanza, il calamaro ha due motori fondamentalmente diversi ( riso. 1a). Quando si muove lentamente, utilizza una grande pinna a forma di diamante, che periodicamente si piega sotto forma di un'onda che scorre lungo il corpo. Il calamaro utilizza un motore a reazione per lanciarsi rapidamente.. La base di questo motore è il mantello: il tessuto muscolare. Circonda il corpo del mollusco su tutti i lati, costituendo quasi la metà del volume del suo corpo, e forma una sorta di serbatoio - cavità del mantello - la "camera di combustione" di un razzo vivente, in cui viene periodicamente aspirata l'acqua. La cavità del mantello contiene branchie e organi interni calamaro ( riso. 1b).

Con il metodo del nuoto a getto l'animale aspira l'acqua attraverso un'ampia fessura del mantello aperta nella cavità del mantello dallo strato limite. La fessura del mantello viene strettamente “fissata” con speciali “bottoni-gemelli” dopo che la “camera di combustione” di un motore vivente è stata riempita con acqua di mare. La fessura del mantello si trova vicino al centro del corpo del calamaro, dove è più spessa. La forza che provoca il movimento dell'animale viene creata lanciando un flusso d'acqua attraverso uno stretto imbuto, che si trova sulla superficie addominale del calamaro. Questo imbuto, o sifone, lo è "ugello" di un motore a reazione vivente.

L'“ugello” del motore è dotato di una valvola speciale e i muscoli possono girarlo. Modificando l'angolo di installazione dell'ugello a imbuto ( riso. 1c), il calamaro nuota ugualmente bene, sia in avanti che all'indietro (se nuota all'indietro, l'imbuto è esteso lungo il corpo, e la valvola è premuta contro la sua parete e non interferisce con il flusso d'acqua che scorre dalla cavità del mantello; quando il il calamaro ha bisogno di avanzare, l'estremità libera dell'imbuto si allunga leggermente e si piega sul piano verticale, la sua uscita collassa e la valvola assume una posizione curva). Gli shock a reazione e l'assorbimento dell'acqua nella cavità del mantello si susseguono con velocità sfuggente, e il calamaro si precipita come un razzo nel blu dell'oceano.

Squid e il suo motore a reazione - Figura 1

1a) calamari – siluro vivo; 1b) motore a reazione di calamari; 1c) la posizione dell'ugello e della sua valvola quando il calamaro si muove avanti e indietro.

L'animale impiega una frazione di secondo a prendere l'acqua e a spingerla fuori. Aspirando l'acqua nella cavità del mantello nella parte posteriore del corpo durante i periodi di movimenti lenti dovuti all'inerzia, il calamaro effettua l'aspirazione dello strato limite, impedendo così lo stallo del flusso durante un regime di flusso instabile. Aumentando le porzioni d'acqua espulse e aumentando la contrazione del mantello, il calamaro aumenta facilmente la sua velocità di movimento.

Il motore a reazione Squid è molto economico, grazie al quale può raggiungere la velocità 70 chilometri all'ora; alcuni ricercatori lo credono addirittura 150 chilometri all'ora!

Gli ingegneri hanno già creato motore simile a un motore a reazione di calamari: Questo cannone ad acqua, funzionando con un motore convenzionale a benzina o diesel. Perché motore a reazione di calamari attira ancora l'attenzione degli ingegneri ed è oggetto di attente ricerche da parte dei biofisici? Per lavorare sott'acqua è conveniente avere un dispositivo che funzioni senza accesso aria atmosferica. La ricerca creativa degli ingegneri è finalizzata alla realizzazione di un progetto motore a idrogetto, simile getto d'aria…

Basato su materiali tratti da libri meravigliosi:
“La biofisica nelle lezioni di fisica” Cecilia Bunimovna Katz,
E "Primati del mare" Igor Ivanovic Akimushkina

Kondakov Nikolay Nikolaevich (1908–1999) – Biologo sovietico, artista animale, Candidato di Scienze Biologiche. Contributo principale a Biologia i disegni che ha realizzato sono diventati vari rappresentanti fauna. Queste illustrazioni sono state incluse in molte pubblicazioni, come ad esempio Grande Enciclopedia Sovietica, Libro Rosso dell'URSS, negli atlanti degli animali e nei sussidi didattici.

Akimushkin Igor Ivanovic (01.05.1929–01.01.1993) – Biologo sovietico, scrittore e divulgatore della biologia, autore di famosi libri scientifici sulla vita animale. Vincitore del premio "Conoscenza" della All-Union Society. Membro dell'Unione degli scrittori dell'URSS. La pubblicazione più famosa di Igor Akimushkin è un libro in sei volumi "Mondo animale".

I materiali in questo articolo saranno utili per applicare non solo nelle lezioni di fisica E biologia, ma anche nelle attività extrascolastiche.
Materiale biofisicoè estremamente utile per mobilitare l'attenzione degli studenti, per trasformare formulazioni astratte in qualcosa di concreto e vicino, influenzando non solo la sfera intellettuale, ma anche emotiva.

Letteratura:
§ Katz Ts.B. Biofisica nelle lezioni di fisica

§ § Akimushkin I.I. Primati del mare
Mosca: Casa editrice Mysl, 1974
§ Tarasov L.V. Fisica in natura
Mosca: casa editrice "Prosveshchenie", 1988

>>Fisica: Propulsione a reazione

Le leggi di Newton aiutano a spiegare un fenomeno meccanico molto importante: propulsione a jet. Questo è il nome dato al movimento di un corpo che avviene quando una parte di esso si separa da esso a qualsiasi velocità.

Prendiamo, ad esempio, una palla di gomma per bambini, gonfiatela e rilasciatela. Vedremo che quando l'aria inizierà a uscire in una direzione, la palla stessa volerà nell'altra. Questo è un movimento reattivo.

Alcuni rappresentanti del mondo animale si muovono secondo il principio della propulsione a reazione, come calamari e polpi. Gettando periodicamente fuori l'acqua che assorbono, sono in grado di raggiungere velocità fino a 60-70 km/h. Meduse, seppie e alcuni altri animali si muovono in modo simile.

Esempi di propulsione a reazione si possono trovare anche nel mondo vegetale. Ad esempio, i frutti maturi di un cetriolo “pazzo”, con il tocco più leggero, rimbalzano sul gambo e dal foro formatosi nel punto del gambo staccato, un liquido amaro con semi viene espulso con forza, mentre i cetrioli stessi volano via. fuori in direzione opposta.

Il movimento reattivo che si verifica quando viene rilasciata l'acqua può essere osservato nel seguente esperimento. Versare l'acqua in un imbuto di vetro collegato ad un tubo di gomma con beccuccio a forma di L (Fig. 20). Vedremo che quando l'acqua inizierà a fuoriuscire dal tubo, il tubo stesso inizierà a muoversi e deviare nella direzione opposta alla direzione del flusso dell'acqua.

I voli si basano sul principio della propulsione a reazione missili. Moderno razzo spazialeè un aereo molto complesso composto da centinaia di migliaia e milioni di parti. La massa del razzo è enorme. Consiste nella massa del fluido di lavoro (cioè gas caldi formati a seguito della combustione del carburante ed emessi sotto forma di flusso a getto) e quello finale o, come si suol dire, "secco". " massa del razzo rimanente dopo che il fluido di lavoro è stato espulso dal razzo.

La massa “secca” di un razzo, a sua volta, è costituita dalla massa della struttura (cioè l’involucro del razzo, i suoi motori e il sistema di controllo) e dalla massa carico utile(ovvero l'attrezzatura scientifica, il corpo di un veicolo spaziale lanciato in orbita, l'equipaggio e il sistema di supporto vitale della nave).

Quando il fluido di lavoro scade, i serbatoi rilasciati, le parti in eccesso del guscio, ecc. iniziano a caricare il razzo con carichi non necessari, rendendo difficile l'accelerazione. Pertanto, per raggiungere velocità cosmiche, vengono utilizzati razzi compositi (o multistadio) (Fig. 21). Inizialmente, in tali razzi funzionano solo i primi blocchi dello stadio 1. Quando le riserve di carburante in essi si esauriscono, vengono separati e il secondo stadio 2 viene acceso; dopo che il carburante in esso contenuto è esaurito, viene anche separato e viene acceso il terzo stadio 3. Il satellite o qualsiasi altro veicolo spaziale situato nella testa del razzo è coperto da una carenatura della testa 4, la cui forma aerodinamica aiuta a ridurre. resistenza dell'aria quando il razzo vola nell'atmosfera terrestre.

Quando un flusso di gas a getto ad alta velocità viene lanciato fuori dal razzo, il razzo stesso si precipita nella direzione opposta. Perché sta succedendo?

Secondo la terza legge di Newton, la forza F con cui il razzo agisce sul fluido di lavoro è uguale in grandezza e opposta in direzione alla forza F" con cui il fluido di lavoro agisce sul corpo del razzo:
F" = F (12.1)
La Forza F" (chiamata forza reattiva) accelera il razzo.

Inserito da lettori da siti Internet

Biblioteca online con libri di testo e libri, programmi di lezioni per la fisica dell'ottavo grado, download di test di fisica, libri e libri di testo secondo la pianificazione del calendario di fisica dell'ottavo grado

Contenuto della lezione appunti di lezione metodi di accelerazione della presentazione delle lezioni con frame di supporto tecnologie interattive Pratica compiti ed esercizi autotest workshop, corsi di formazione, casi, ricerche compiti a casa domande di discussione domande retoriche degli studenti Illustrazioni audio, video clip e contenuti multimediali fotografie, immagini, grafica, tabelle, diagrammi, umorismo, aneddoti, barzellette, fumetti, parabole, detti, cruciverba, citazioni Componenti aggiuntivi abstract articoli trucchi per i curiosi presepi libri di testo dizionario base e aggiuntivo dei termini altro Miglioramento di libri di testo e lezionicorreggere gli errori nel libro di testo aggiornamento di un frammento in un libro di testo, elementi di innovazione nella lezione, sostituzione di conoscenze obsolete con nuove Solo per insegnanti lezioni perfette piano di calendario per l'anno linee guida programmi di discussione Lezioni integrate

Propulsione a reazione in natura e tecnologia

ESTRATTO DI FISICA

Propulsione a jet- movimento che si verifica quando una qualsiasi parte di esso viene separata dal corpo ad una certa velocità.

La forza reattiva avviene senza alcuna interazione con corpi esterni.

Applicazione della propulsione a reazione in natura

Molti di noi nella nostra vita hanno incontrato meduse mentre nuotavano nel mare. In ogni caso, ce ne sono abbastanza nel Mar Nero. Ma poche persone pensavano che anche le meduse usassero la propulsione a reazione per muoversi. Inoltre, è così che si muovono le larve di libellula e alcuni tipi di plancton marino. E spesso l'efficienza degli invertebrati marini quando utilizzano la propulsione a reazione è molto superiore a quella delle invenzioni tecnologiche.

La propulsione a reazione è utilizzata da molti molluschi: polpi, calamari, seppie. Ad esempio, un mollusco di capesante si muove in avanti a causa della forza reattiva di un flusso d'acqua espulso dal guscio durante una forte compressione delle sue valvole.

Polpo

Seppia

Le seppie, come la maggior parte dei cefalopodi, si muovono nell'acqua nel modo seguente. Prende l'acqua nella cavità branchiale attraverso una fessura laterale e uno speciale imbuto davanti al corpo, quindi lancia energicamente un flusso d'acqua attraverso l'imbuto. La seppia dirige il tubo dell'imbuto lateralmente o indietro e, spremendone rapidamente l'acqua, può entrare lati diversi.

La salpa è un animale marino dal corpo trasparente; quando si muove riceve l'acqua attraverso l'apertura anteriore, e l'acqua entra in un'ampia cavità, all'interno della quale le branchie sono distese diagonalmente. Non appena l'animale beve un abbondante sorso d'acqua, il buco si chiude. Quindi i muscoli longitudinali e trasversali della salpa si contraggono, tutto il corpo si contrae e l'acqua viene espulsa attraverso l'apertura posteriore. La reazione del getto in fuga spinge la salpa in avanti.

Il motore a reazione del calamaro è di grande interesse. Il calamaro è il più grande abitante invertebrato profondità oceaniche. I calamari hanno raggiunto la massima perfezione nella navigazione a reazione. Hanno persino i propri corpi forme esterne copia il razzo (o per meglio dire, il razzo copia il calamaro, poiché in questa materia ha la priorità indiscutibile). Quando si muove lentamente, il calamaro utilizza una grande pinna a forma di diamante che si piega periodicamente. Utilizza un motore a reazione per lanciarsi rapidamente. Muscolo– il mantello circonda il corpo del mollusco su tutti i lati, il volume della sua cavità è quasi la metà del volume del corpo del calamaro. L'animale aspira l'acqua all'interno della cavità del mantello, quindi lancia bruscamente un getto d'acqua attraverso uno stretto ugello e si muove all'indietro con spinte ad alta velocità. Allo stesso tempo, tutti e dieci i tentacoli del calamaro sono raccolti in un nodo sopra la sua testa e assume una forma snella. L'ugello è dotato di una valvola speciale e i muscoli possono ruotarlo, cambiando la direzione del movimento. Il motore del calamaro è molto economico, è in grado di raggiungere velocità fino a 60 - 70 km/h. (Alcuni ricercatori ritengono che raggiungano anche i 150 km/h!) Non c’è da stupirsi che il calamaro sia chiamato “siluro vivente”. Piegando i tentacoli avvolti a destra, a sinistra, in alto o in basso, il calamaro gira in una direzione o nell'altra. Poiché un volante di questo tipo è molto grande rispetto all'animale stesso, il suo leggero movimento è sufficiente affinché il calamaro, anche a tutta velocità, possa facilmente schivare una collisione con un ostacolo. Una brusca svolta del volante e il nuotatore si precipita dentro rovescio. Quindi ha piegato indietro l'estremità dell'imbuto e ora scivola a testa in giù. L'ha piegato a destra e la spinta del getto lo ha gettato a sinistra. Ma quando hai bisogno di nuotare velocemente, l'imbuto sporge sempre proprio tra i tentacoli e il calamaro si precipita per primo con la coda, proprio come correrebbe un gambero: un camminatore veloce dotato dell'agilità di un corridore.

Se non c'è bisogno di correre, calamari e seppie nuotano con pinne ondulate: onde in miniatura li attraversano da davanti a dietro e l'animale scivola con grazia, spingendosi di tanto in tanto anche con un getto d'acqua gettato da sotto il mantello. Quindi sono chiaramente visibili gli shock individuali che il mollusco riceve al momento dell'eruzione dei getti d'acqua. Alcuni cefalopodi possono raggiungere velocità fino a cinquantacinque chilometri orari. Sembra che nessuno abbia effettuato misurazioni dirette, ma questo può essere giudicato dalla velocità e dal raggio di volo dei calamari volanti. E si scopre che i polpi hanno tali talenti nella loro famiglia! Il miglior pilota tra i molluschi è il calamaro Stenoteuthis. I marinai inglesi lo chiamano calamaro volante (“calamaro volante”). Questo è un piccolo animale delle dimensioni di un'aringa. Insegue i pesci con una velocità tale che spesso salta fuori dall'acqua, sfiorandone la superficie come una freccia. Ricorre a questo trucco per salvarsi la vita dai predatori: tonno e sgombro. Avendo sviluppato la massima spinta del getto nell'acqua, il calamaro pilota decolla in aria e vola sopra le onde per più di cinquanta metri. L'apogeo del volo di un razzo vivente si trova così in alto sopra l'acqua che i calamari volanti spesso finiscono sui ponti delle navi oceaniche. Da quattro a cinque metri non è un'altezza record alla quale i calamari si alzano in cielo. A volte volano ancora più in alto.

Il ricercatore inglese di molluschi Dr. Rees descrisse in un articolo scientifico un calamaro (lungo solo 16 centimetri), che, dopo aver volato per una discreta distanza in aria, cadde sul ponte di uno yacht, che si innalzava di quasi sette metri sopra l'acqua.

Succede che molti calamari volanti cadono sulla nave in una cascata scintillante. L'antico scrittore Trebius Niger una volta raccontò una triste storia di una nave che presumibilmente affondò sotto il peso dei calamari volanti caduti sul ponte. I calamari possono decollare senza accelerazione.

Anche i polpi possono volare. Il naturalista francese Jean Verani vide come un normale polpo accelerava in un acquario e improvvisamente saltava fuori dall'acqua all'indietro. Dopo aver descritto nell'aria un arco lungo circa cinque metri, si lasciò cadere nell'acquario. Quando prendeva velocità per saltare, il polpo si muoveva non solo grazie alla spinta del getto, ma remava anche con i suoi tentacoli.
I polpi larghi nuotano, ovviamente, peggio dei calamari, ma nei momenti critici possono mostrare una classe da record per i migliori velocisti. Lo staff del California Aquarium ha provato a fotografare un polipo che attaccava un granchio. Il polpo si precipitava verso la sua preda con una velocità tale che la pellicola, anche durante le riprese alla massima velocità, conteneva sempre grasso. Ciò significa che il lancio è durato centesimi di secondo! In genere, i polpi nuotano relativamente lentamente. Joseph Seinl, che studiò le migrazioni dei polpi, calcolò: un polpo di mezzo metro nuota nel mare con velocità media circa quindici chilometri orari. Ogni getto d'acqua gettato fuori dall'imbuto lo spinge in avanti (o meglio, all'indietro, visto che il polpo nuota all'indietro) per due-due metri e mezzo.

Il movimento del getto può essere trovato anche nel mondo vegetale. Ad esempio, i frutti maturi del "cetriolo pazzo", al minimo tocco, rimbalzano sul gambo e un liquido appiccicoso con semi viene espulso con forza dal buco risultante. Il cetriolo stesso vola nella direzione opposta fino a 12 m.

Conoscendo la legge di conservazione della quantità di moto, puoi modificare la tua velocità di movimento in spazio aperto. Se sei su una barca e hai diverse pietre pesanti, lanciarle in una certa direzione ti sposterà nella direzione opposta. Lo stesso accadrà nello spazio, ma lì usano i motori a reazione per questo.

Applicazione della propulsione a reazione nella tecnologia

Per molti secoli l'umanità ha sognato il volo spaziale. Gli scrittori di fantascienza hanno proposto una varietà di mezzi per raggiungere questo obiettivo. Nel XVII secolo apparve una storia dello scrittore francese Cyrano de Bergerac su un volo sulla luna. L'eroe di questa storia raggiunse la Luna su un carro di ferro, sul quale lanciò costantemente un potente magnete. Attratto da lui, il carro salì sempre più in alto sopra la Terra fino a raggiungere la Luna. E il barone di Munchausen disse di essere salito sulla luna lungo un gambo di fagioli.

Alla fine del primo millennio d.C., la Cina inventò la propulsione a reazione, che alimentava i razzi: tubi di bambù pieni di polvere da sparo, usati anche come divertimento. Anche uno dei primi progetti automobilistici prevedeva un motore a reazione e questo progetto apparteneva a Newton

L'autore del primo progetto al mondo di un aereo a reazione destinato al volo umano fu il rivoluzionario russo N.I. Kibalchich. Fu giustiziato il 3 aprile 1881 per la sua partecipazione all'attentato all'imperatore Alessandro II. Ha sviluppato il suo progetto in carcere dopo essere stato condannato a morte. Kibalchich ha scritto: “Mentre ero in prigione, pochi giorni prima della mia morte, sto scrivendo questo progetto. Credo nella fattibilità della mia idea, e questa fede mi sostiene nella mia terribile situazione… Affronterò con calma la morte, sapendo che la mia idea non morirà con me.”

L'idea di utilizzare i razzi per i voli spaziali fu proposta all'inizio di questo secolo dallo scienziato russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Nel 1903 apparve in stampa un articolo dell'insegnante del ginnasio di Kaluga K.E. Tsiolkovsky “Esplorazione degli spazi del mondo utilizzando strumenti reattivi”. Quest'opera conteneva la più importante equazione matematica per l'astronautica, oggi conosciuta come la “formula Tsiolkovsky”, che descriveva il movimento di un corpo di massa variabile. Successivamente, ha sviluppato un progetto di motore a razzo basato su carburante liquido, ha proposto un progetto di razzo multistadio, ha espresso l'idea della possibilità di creare intere città spaziali nell'orbita terrestre bassa. Ha dimostrato che l'unico dispositivo in grado di superare la gravità è un razzo, ad es. un dispositivo con un motore a reazione che utilizza carburante e ossidante situati sul dispositivo stesso.

Motore a reazioneè un motore che converte l'energia chimica del carburante in energia cinetica getto di gas, mentre il motore acquista velocità nella direzione opposta.

L'idea di K.E. Tsiolkovsky è stata implementata dagli scienziati sovietici sotto la guida dell'accademico Sergei Pavlovich Korolev. Il primo satellite terrestre artificiale della storia fu lanciato da un razzo nell'Unione Sovietica il 4 ottobre 1957.

Il principio della propulsione a reazione è ampiamente utilizzato uso pratico nell'aviazione e nell'astronautica. Nello spazio non esiste alcun mezzo con cui un corpo possa interagire e quindi cambiare la direzione e l'entità della sua velocità, quindi per i voli spaziali possono essere utilizzati solo i jet aerei, cioè i razzi.

Dispositivo a razzo

Il moto di un razzo si basa sulla legge di conservazione della quantità di moto. Se ad un certo punto un corpo viene lanciato via dal razzo, acquisirà lo stesso impulso, ma diretto nella direzione opposta

Qualsiasi razzo, indipendentemente dal suo design, ha sempre un guscio e un carburante con un ossidante. L'involucro del razzo comprende il carico utile (in questo caso un veicolo spaziale), il vano strumenti e il motore (camera di combustione, pompe, ecc.).

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

Carburante e ossidante vengono forniti alla camera di combustione mediante pompe. Il carburante, quando bruciato, si trasforma in gas alta temperatura E alta pressione. A causa della grande differenza di pressione nella camera di combustione e nello spazio, i gas della camera di combustione fuoriescono con un potente getto attraverso la campana forma speciale, chiamato ugello. Lo scopo dell'ugello è aumentare la velocità del getto.

Prima del lancio del razzo, la sua quantità di moto è zero. Come risultato dell'interazione del gas nella camera di combustione e in tutte le altre parti del razzo, il gas che fuoriesce attraverso l'ugello riceve un impulso. Allora il razzo è un sistema chiuso e la sua quantità di moto totale deve essere zero dopo il lancio. Pertanto, l'intero guscio del razzo che si trova al suo interno riceve un impulso pari in grandezza all'impulso del gas, ma opposto nella direzione.

La parte più massiccia del razzo, destinata al lancio e all'accelerazione dell'intero razzo, è chiamata primo stadio. Quando il primo stadio massiccio di un razzo multistadio esaurisce tutte le sue riserve di carburante durante l'accelerazione, si separa. Un'ulteriore accelerazione viene continuata dal secondo stadio, meno massiccio, che aggiunge un po' più di velocità a quella precedentemente raggiunta con l'aiuto del primo stadio, e poi si separa. Il terzo stadio continua ad aumentare la velocità fino al valore richiesto e trasporta il carico utile in orbita.

La prima persona a volare spazio, era un cittadino Unione Sovietica Yuri Alekseevich Gagarin. 12 aprile 1961 Volò in giro Terra sulla nave satellite "Vostok"

I razzi sovietici furono i primi a raggiungere la Luna, a circondarla e a fotografarne il lato invisibile dalla Terra, e furono i primi a raggiungere il pianeta Venere e a trasportare strumenti scientifici sulla sua superficie. Nel 1986, due sovietici navicella spaziale Vega 1 e Vega 2 hanno esaminato da vicino la cometa di Halley, che si avvicina al Sole una volta ogni 76 anni.

Sistemi. Tecnica esercizio fisico. Risultato obiettivo movimento non dipende... Poteri sanitari natura Poteri sanitari natura fornire influenza significativa...una combinazione di forze inerziali, reattivo e contrazioni muscolari concentrate...

Propulsione a jet.

Ma nessuno scienziato, nessuno scrittore di fantascienza per molti secoli ha potuto nominare l'unico mezzo a disposizione di una persona con cui si può superare la forza di gravità e volare nello spazio. Ciò fu realizzato dallo scienziato russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935). Ha dimostrato che l'unico dispositivo in grado di superare la gravità è un razzo, ad es. un dispositivo con un motore a reazione che utilizza carburante e ossidante situati sul dispositivo stesso.

Un motore a reazione è un motore che converte l'energia chimica del carburante nell'energia cinetica di un getto di gas e il motore acquisisce velocità nella direzione opposta. Su quali principi e leggi fisiche si basa la sua azione?

Tutti sanno che un colpo di pistola è accompagnato da un rinculo. Se il peso del proiettile fosse uguale al peso della pistola, si allontanerebbero alla stessa velocità. Il rinculo avviene perché la massa di gas espulsa crea una forza reattiva, grazie alla quale il movimento può essere assicurato sia nell'aria che nello spazio senz'aria. E quanto maggiore è la massa e la velocità dei gas che fluiscono, tanto più grande forza Il rinculo viene avvertito dalla nostra spalla, più forte è la reazione dell'arma, maggiore è la forza reattiva. Ciò è facilmente spiegabile dalla legge di conservazione della quantità di moto, secondo la quale la somma geometrica (cioè vettoriale) della quantità di moto dei corpi che compongono un sistema chiuso rimane costante per qualsiasi movimento e interazione dei corpi del sistema.

K. E. Tsiolkovsky ha derivato una formula che ti consente di calcolare velocità massima, che il razzo può sviluppare.

La velocità massima raggiungibile dipende principalmente dalla velocità del flusso di gas dall'ugello, che a sua volta dipende principalmente dal tipo di combustibile e dalla temperatura del getto di gas. Maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità. Ciò significa che per un razzo è necessario selezionare il carburante più ipercalorico che fornisce numero maggiore calore. Il rapporto tra la massa del carburante e la massa del razzo alla fine del funzionamento del motore (cioè essenzialmente rispetto al peso del razzo vuoto) è chiamato numero di Tsiolkovsky.

La conclusione principale è che nello spazio senz'aria un razzo svilupperà una velocità maggiore quanto maggiore sarà la velocità del deflusso del gas numero maggiore Ciolkovskij.

Movimenti di corpi di massa variabile.
La conoscenza della legge di conservazione della quantità di moto in molti casi consente di trovare il risultato dell'interazione dei corpi quando i valori delle forze agenti sono sconosciuti.

Prendiamo come esempio l'azione di un motore a reazione. Quando il carburante brucia nella camera di combustione di un razzo, si formano gas che vengono riscaldati ad alta temperatura. Quando il motore funziona per un breve intervallo di tempo t, i gas caldi con una massa m vengono espulsi dall'ugello del razzo ad una velocità u relativa al razzo. Il razzo e i gas emessi dal suo motore interagiscono tra loro. In base alla legge di conservazione della quantità di moto, in assenza di forze esterne, la somma dei vettori della quantità di moto dei corpi interagenti rimane costante.

Prima che i motori iniziassero a funzionare, la quantità di moto del razzo e del carburante era pari a zero, quindi, anche dopo l'accensione, la somma delle variazioni nei vettori dell'impulso del razzo e dell'impulso dei gas di scarico è pari a zero:

dove m è la massa del razzo, V è la variazione della velocità del razzo, m è la massa dei gas espulsi, u è la velocità del deflusso dei gas.

Da qui otteniamo per i vettori momento:

Dividiamo entrambi i lati dell'uguaglianza per l'intervallo di tempo t durante il quale hanno funzionato i motori a razzo:

Il prodotto della massa m del razzo e della sua accelerazione a è, per definizione, uguale alla forza che causa questa accelerazione:

Pertanto, abbiamo dimostrato che la spinta reattiva Fp è uguale al prodotto della velocità u del movimento dei gas espulsi rispetto al razzo e del secondo consumo di carburante m/t.

La forza di spinta reattiva Fp agisce dal lato dei gas sul razzo ed è diretta nella direzione opposta alla direzione del deflusso dei gas.

Espressione

esiste un'equazione per la dinamica di un corpo di massa variabile per il caso in cui le forze esterne sono pari a zero. Se sul razzo agisce oltre alla forza reattiva Fp anche una forza esterna F, allora l’equazione della dinamica del moto assumerà la forma:

Questa equazione è stata ottenuta da un professore dell'Università di San Pietroburgo
I.V. Meshchersky e porta il suo nome.

La formula di Meshchersky è una generalizzazione della seconda legge di Newton per il moto dei corpi di massa variabile. L'accelerazione di un corpo di massa variabile è determinata non solo dalle forze esterne F agenti sul corpo, ma anche dalla forza reattiva Fp causata dalla variazione della massa del corpo in movimento:

Razzo. Sistema a due corpi. Alloggiamento del carburante.
L'alloggiamento è un tubo con un'estremità aperta per la fuoriuscita dei gas di scarico. Sulla coda sono posizionati ugelli (tubi) per il rilascio diretto di gas ad alta velocità.
Il carburante è un carburante complesso che, una volta bruciato, si trasforma in un gas ad alta temperatura e movimento elevato.

V di un razzo dipende da m del carburante e del razzo stesso, nonché da V delle emissioni di gas.

Questa formula non tiene conto della resistenza dell'aria e della F rispetto alla Terra.

Il rilascio dei gas, infatti, non avviene istantaneamente, ma gradualmente. Se prendiamo in considerazione tutte le condizioni, dobbiamo prendere molte volte più carburante.

Per dare alla nave la prima velocità di fuga, allora

Propulsione a reazione in natura e tecnologia

ESTRATTO DI FISICA

Propulsione a jet- movimento che si verifica quando una qualsiasi parte di esso viene separata dal corpo ad una certa velocità.

La forza reattiva avviene senza alcuna interazione con corpi esterni.

Applicazione della propulsione a reazione in natura

Polpo

Seppia

Il motore a reazione del calamaro è di grande interesse. Il calamaro è il più grande abitante invertebrato delle profondità oceaniche. I calamari hanno raggiunto la massima perfezione nella navigazione a reazione. Anche il loro corpo, con le sue forme esterne, copia il razzo (o per meglio dire, il razzo copia il calamaro, poiché in questa materia ha la priorità indiscutibile). Quando si muove lentamente, il calamaro utilizza una grande pinna a forma di diamante che si piega periodicamente. Utilizza un motore a reazione per lanciarsi rapidamente. Tessuto muscolare: il mantello circonda il corpo del mollusco su tutti i lati; il volume della sua cavità è quasi la metà del volume del corpo del calamaro. L'animale aspira l'acqua all'interno della cavità del mantello, quindi lancia bruscamente un getto d'acqua attraverso uno stretto ugello e si muove all'indietro con spinte ad alta velocità. Allo stesso tempo, tutti e dieci i tentacoli del calamaro sono raccolti in un nodo sopra la sua testa e assume una forma snella. L'ugello è dotato di una valvola speciale e i muscoli possono ruotarlo, cambiando la direzione del movimento. Il motore del calamaro è molto economico, è in grado di raggiungere velocità fino a 60 - 70 km/h. (Alcuni ricercatori ritengono che raggiungano anche i 150 km/h!) Non c’è da stupirsi che il calamaro sia chiamato “siluro vivente”. Piegando i tentacoli avvolti a destra, a sinistra, in alto o in basso, il calamaro gira in una direzione o nell'altra. Poiché un volante del genere, rispetto all'animale stesso, ha un aspetto molto grandi dimensioni, allora il suo leggero movimento è sufficiente al calamaro, anche a avanti tutta, potrebbe facilmente schivare una collisione con un ostacolo. Una brusca svolta del volante e il nuotatore si precipita nella direzione opposta. Quindi ha piegato indietro l'estremità dell'imbuto e ora scivola a testa in giù. L'ha piegato a destra e la spinta del getto lo ha gettato a sinistra. Ma quando hai bisogno di nuotare velocemente, l'imbuto sporge sempre proprio tra i tentacoli e il calamaro si precipita per primo con la coda, proprio come correrebbe un gambero: un camminatore veloce dotato dell'agilità di un corridore.

Anche i polpi possono volare. Il naturalista francese Jean Verani vide come un normale polpo accelerava in un acquario e improvvisamente saltava fuori dall'acqua all'indietro. Dopo aver descritto nell'aria un arco lungo circa cinque metri, si lasciò cadere nell'acquario. Quando prendeva velocità per saltare, il polpo si muoveva non solo grazie alla spinta del getto, ma remava anche con i suoi tentacoli.
I polpi larghi nuotano, ovviamente, peggio dei calamari, ma nei momenti critici possono mostrare una classe da record per i migliori velocisti. Lo staff del California Aquarium ha provato a fotografare un polipo che attaccava un granchio. Il polpo si precipitava verso la sua preda con una velocità tale che la pellicola, anche durante le riprese alla massima velocità, conteneva sempre grasso. Ciò significa che il lancio è durato centesimi di secondo! In genere, i polpi nuotano relativamente lentamente. Joseph Seinl, che ha studiato le migrazioni dei polpi, ha calcolato: un polpo di mezzo metro nuota nel mare a una velocità media di circa quindici chilometri all'ora. Ogni getto d'acqua gettato fuori dall'imbuto lo spinge in avanti (o meglio, all'indietro, visto che il polpo nuota all'indietro) per due-due metri e mezzo.

Conoscendo la legge di conservazione della quantità di moto, puoi modificare la tua velocità di movimento nello spazio aperto. Se sei su una barca e hai diverse pietre pesanti, lanciarle in una certa direzione ti sposterà nella direzione opposta. Lo stesso accadrà nello spazio, ma lì usano i motori a reazione per questo.

Applicazione della propulsione a reazione nella tecnologia

L'autore del primo progetto al mondo di un aereo a reazione destinato al volo umano fu il rivoluzionario russo N.I. Kibalchich. Fu giustiziato il 3 aprile 1881 per la sua partecipazione all'attentato all'imperatore Alessandro II. Ha sviluppato il suo progetto in carcere dopo essere stato condannato a morte. Kibalchich ha scritto: “Mentre ero in prigione, pochi giorni prima della mia morte, sto scrivendo questo progetto. Credo nella fattibilità della mia idea, e questa fede mi sostiene nella mia terribile situazione... Affronterò con calma la morte, sapendo che la mia idea non morirà con me.”

L'idea di utilizzare i razzi per i voli spaziali fu proposta all'inizio di questo secolo dallo scienziato russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Nel 1903 apparve in stampa un articolo dell'insegnante del ginnasio di Kaluga K.E. Tsiolkovsky “Esplorazione degli spazi del mondo utilizzando strumenti reattivi”. Quest'opera conteneva la più importante equazione matematica per l'astronautica, oggi conosciuta come la “formula Tsiolkovsky”, che descriveva il movimento di un corpo di massa variabile. Successivamente ha sviluppato uno schema motore a razzo sul combustibile liquido, propose un progetto di razzo multistadio e espresse l'idea della possibilità di creare intere città spaziali nell'orbita terrestre bassa. Ha dimostrato che l'unico dispositivo in grado di superare la gravità è un razzo, ad es. un dispositivo con un motore a reazione che utilizza carburante e ossidante situati sul dispositivo stesso.

Motore a reazioneè un motore che converte l'energia chimica del carburante nell'energia cinetica di un getto di gas, mentre il motore acquisisce velocità nella direzione opposta.

Il principio della propulsione a reazione trova ampia applicazione pratica nell'aviazione e nell'astronautica. Nello spazio non esiste alcun mezzo con cui un corpo possa interagire e quindi cambiare la direzione e l'entità della sua velocità, quindi per i voli spaziali possono essere utilizzati solo aerei a reazione, cioè razzi.

Dispositivo a razzo

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

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. A causa della grande differenza di pressione nella camera di combustione e nello spazio, i gas dalla camera di combustione fuoriescono in un potente getto attraverso un foro dalla forma speciale chiamato ugello. Lo scopo dell'ugello è aumentare la velocità del getto.

Prima del lancio del razzo, la sua quantità di moto è zero. Come risultato dell'interazione del gas nella camera di combustione e in tutte le altre parti del razzo, il gas che fuoriesce attraverso l'ugello riceve un impulso. Allora il razzo è un sistema chiuso e la sua quantità di moto totale deve essere zero dopo il lancio. Pertanto, l'intero guscio del razzo che si trova al suo interno riceve un impulso uguale in grandezza all'impulso del gas, ma opposto nella direzione.

La parte più massiccia del razzo, destinata al lancio e all'accelerazione dell'intero razzo, è chiamata primo stadio. Quando il primo passo massiccio razzo multistadio esaurisce tutte le riserve di carburante durante l'accelerazione, si separa. Un'ulteriore accelerazione viene continuata dal secondo stadio, meno massiccio, che aggiunge un po' più di velocità a quella precedentemente raggiunta con l'aiuto del primo stadio, e poi si separa. Il terzo stadio continua ad aumentare la velocità fino al valore richiesto e trasporta il carico utile in orbita.

La prima persona a volare nello spazio fu un cittadino dell'Unione Sovietica, Yuri Alekseevich Gagarin. 12 aprile 1961 Ha fatto il giro del globo sul satellite Vostok.

I razzi sovietici furono i primi a raggiungere la Luna, a circondarla e a fotografarne il lato invisibile dalla Terra, e furono i primi a raggiungere il pianeta Venere e a trasportare strumenti scientifici sulla sua superficie. Nel 1986, due navi spaziali sovietiche, Vega 1 e Vega 2, esaminarono da vicino la cometa di Halley, che si avvicina al Sole una volta ogni 76 anni.