Raķetes. Reaktīvā piedziņa

Apskatīsim vairākus piemērus, kas apstiprina impulsa saglabāšanas likuma spēkā esamību.

Noteikti daudzi no jums ir novērojuši, kā tiek piepūsts gaiss balons, ja attaisīsiet diegu, kas pievelk tā caurumu.

Šo parādību var izskaidrot, izmantojot impulsa nezūdamības likumu.

Kamēr bumbiņas caurums ir aizvērts, bumba ar saspiestu gaisu tajā atrodas miera stāvoklī, un tās impulss ir nulle.

Kad caurums ir atvērts, tas iznāk ar diezgan liels ātrums izsprāgst strūkla saspiests gaiss. Kustīgam gaisam ir zināms impulss, kas vērsts tā kustības virzienā.

Saskaņā ar dabā darbojošos impulsa nezūdamības likumu sistēmas, kas sastāv no diviem ķermeņiem - bumbiņas un tajā esošā gaisa, kopējam impulsam jāpaliek tādam pašam, kāds tas bija pirms gaisa aizplūšanas, t.i., vienādam ar nulli. Tāpēc bumba sāk kustēties virzienā, kas ir pretējs gaisa straumei ar tādu ātrumu, ka tās impulss pēc lieluma ir vienāds ar impulsu gaisa strūklu. Bumbas un gaisa impulsu vektori ir vērsti pretējos virzienos. Rezultātā mijiedarbojošo ķermeņu kopējais impulss paliek vienāds ar nulli.

Bumbiņas kustība ir strūklas kustības piemērs. Reaktīvā piedziņa rodas sakarā ar to, ka kāda tā daļa ir atdalīta no ķermeņa un kustas, kā rezultātā pats ķermenis iegūst pretēji virzītu impulsu.

Ierīces, ko sauc par Segnera riteni, rotācijas pamatā ir reaktīvās piedziņas princips (46. att.). Ūdens, kas plūst no konusveida trauka caur tai savienotu izliektu cauruli, griež trauku virzienā pretējs ātrumsūdens straumēs. Līdz ar to reaktīvo efektu rada ne tikai gāzes plūsma, bet arī šķidruma plūsma.

Rīsi. 46. ​​Reaktīvās piedziņas demonstrēšana, izmantojot Segnera riteni

Reaktīvo piedziņu savai kustībai izmanto arī dažas dzīvas radības, piemēram, astoņkāji, kalmāri, sēpijas un citi. galvkāji(47. att.). Viņi pārvietojas, iesūcot un pēc tam ar spēku izspiežot ūdeni no sevis. Ir pat kalmāru suga, kas ar savu "reaktīvo dzinēju" var ne tikai peldēt ūdenī, bet arī īss laiks izlido no tā, lai ātri apsteigtu laupījumu vai aizbēgtu no ienaidniekiem.

Rīsi. 47. Galvkāji izmanto reaktīvo dzinējspēku, lai pārvietotu: a - sēpiju; b - kalmārs; c - astoņkājis

Jūs zināt, ka reaktīvās piedziņas princips ir plaši izplatīts praktisks pielietojums aviācijā un astronautikā. IN kosmoss nav vides, ar kuru ķermenis varētu mijiedarboties un tādējādi mainīt sava ātruma virzienu un lielumu. Tāpēc priekš lidojumi kosmosā var izmantot tikai reaktīvos lidmašīna, t.i., raķetes.

Nesējraķetes palaišana ar kosmosa kuģi Sojuz

Apskatīsim jautājumu par tā saukto nesējraķešu, t.i., raķešu, kas paredzētas mākslīgo Zemes pavadoņu, kosmosa kuģu, automātisko starpplanētu staciju un citu lietderīgo kravu palaišanai kosmosā, konstrukciju un palaišanu.

Jebkurai raķetei, neatkarīgi no tās konstrukcijas, vienmēr ir apvalks un degviela ar oksidētāju. 48. attēlā parādīts raķetes šķērsgriezums. Mēs redzam, ka raķetes apvalks ietver lietderīgo kravu (šajā gadījumā tas ir kosmosa kuģis 1), instrumentu nodalījumu 2 un dzinēju (sadegšanas kamera 6, sūkņi 5 utt.).

Rīsi. 48. Raķešu diagramma

Raķetes galvenā masa ir degviela 4 ar oksidētāju 3 (oksidētājs ir nepieciešams, lai uzturētu degvielas sadegšanu, jo kosmosā nav skābekļa).

Degviela un oksidētājs tiek piegādātas sadegšanas kamerā, izmantojot sūkņus. Degviela, sadedzinot, pārvēršas gāzē augsta temperatūra Un augsts spiediens, kas spēcīgā strūklā izplūst cauri zvaniņam īpaša forma, ko sauc par sprauslu 7. Sprauslas mērķis ir palielināt strūklas ātrumu.

Kāds ir gāzes plūsmas izejas ātruma palielināšanas mērķis? Fakts ir tāds, ka raķetes ātrums ir atkarīgs no šī ātruma. To var parādīt, izmantojot impulsa saglabāšanas likumu.

Tā kā pirms palaišanas raķetes impulss bija vienāds ar nulli, tad saskaņā ar saglabāšanas likumu kustīgās čaulas un no tā izmestās gāzes kopējam impulsam arī jābūt vienādam ar nulli. No tā izriet, ka apvalka impulsam un tam pretī vērstās gāzes strūklas impulsam jābūt vienādam. Tas nozīmē, ka jo ātrāk gāze izplūst no sprauslas, jo lielāks būs raķetes apvalka ātrums.

Papildus gāzes aizplūšanas ātrumam ir arī citi faktori, no kuriem atkarīgs raķetes ātrums.

Apskatījām ierīci un darbības principu vienpakāpes raķete, kur posms nozīmē daļu, kurā atrodas degvielas un oksidētāja tvertnes un dzinējs. Kosmosa lidojumu praksē parasti tiek izmantotas daudzpakāpju raķetes, kas attīsta daudz lielāku ātrumu un ir paredzētas ilgākiem lidojumiem nekā vienpakāpes.

49. attēlā parādīta trīspakāpju raķetes diagramma. Pēc tam, kad pirmā posma degviela un oksidētājs ir pilnībā iztērētas, šis posms tiek automātiski izmests un pārņem otrās pakāpes dzinējs.

Rīsi. 49.Trīspakāpju raķetes diagramma

Samazināt kopējā masa raķete, izmetot jau tā nevajadzīgo posmu, ļauj ietaupīt degvielu un oksidētāju un palielināt raķetes ātrumu. Tad otrā pakāpe tiek izmesta tādā pašā veidā.

Ja atgriešanās kosmosa kuģis nav plānots nolaisties uz Zemes vai nolaisties uz kādas citas planētas, trešā pakāpe, tāpat kā pirmās divas, tiek izmantota, lai palielinātu raķetes ātrumu. Ja kuģim ir jānolaižas, tad to izmanto, lai palēninātu kuģi pirms nolaišanās. Šajā gadījumā raķete tiek pagriezta par 180°, lai sprausla būtu priekšā. Tad no raķetes izplūstošā gāze dod tai pret tās kustības ātrumu vērstu impulsu, kas noved pie ātruma samazināšanās un ļauj nosēsties.

Konstantīns Eduardovičs Ciolkovskis (1857-1935)
Krievu zinātnieks un izgudrotājs aerodinamikas, raķešu dinamikas, lidmašīnu un dirižabļu teorijas jomā. Teorētiskās kosmonautikas pamatlicējs

Ideja par raķešu izmantošanu kosmosa lidojumiem tika izvirzīta 20. gadsimta sākumā. Krievu zinātnieks un izgudrotājs Konstantīns Eduardovičs Ciolkovskis. Ciolkovskis izstrādāja raķešu kustības teoriju, atvasināja formulu to ātruma aprēķināšanai un bija pirmais, kurš ierosināja izmantot daudzpakāpju raķetes.

Pusgadsimtu vēlāk Ciolkovska ideju izstrādāja un īstenoja padomju zinātnieki Sergeja Pavloviča Koroļeva vadībā.

Sergejs Pavlovičs Koroļovs (1907-1966)
Padomju zinātnieks, raķešu un kosmosa sistēmu projektētājs. Praktiskās astronautikas pamatlicējs

Jautājumi

1. Pamatojoties uz impulsa saglabāšanas likumu, paskaidrojiet, kāpēc balons pārvietojas pretēji saspiestā gaisa straumei, kas to atstāj.
2. Sniedziet ķermeņu reaktīvās kustības piemērus.
3. Kāds ir raķešu mērķis? Pastāstiet par raķetes uzbūvi un darbības principu.
4. Kas nosaka raķetes ātrumu?
5. Kāda ir priekšrocība daudzpakāpju raķetes pirms vienpakāpes?
6. Kā notiek kosmosa kuģa nolaišanās?

21. vingrinājums

1. No laivas, kas pārvietojas ar ātrumu 2 m/s, cilvēks izmet airi ar masu 5 kg ar horizontālais ātrums 8 m/s ir pretējs laivas kustībai. Ar kādu ātrumu laiva sāka kustēties pēc metiena, ja tās masa kopā ar cilvēku ir 200 kg?
2. Kādu ātrumu iegūs raķetes modelis, ja tā čaulas masa ir 300 g, šaujampulvera masa tajā ir 100 g un gāzes izplūst no sprauslas ar ātrumu 100 m/s? (Uzskatiet, ka gāzes izplūde no sprauslas ir tūlītēja.)
3. Uz kāda aprīkojuma un kā tiek veikts 50. attēlā parādītais eksperiments? Kuras fiziska parādībašajā gadījumā tiek parādīts, kas tas ir un kādi fizikālie likumi ir šīs parādības pamatā?

   Piezīme: gumijas caurule tika novietota vertikāli, līdz caur to sāka plūst ūdens.

4. Veiciet eksperimentu, kas parādīts 50. attēlā. Kad gumijas caurule pēc iespējas vairāk novirzās no vertikāles, pārtrauciet ūdens ieliešanu piltuvē. Kamēr caurulē palikušais ūdens izplūst, novērojiet, kā tas mainās: a) ūdens lidojuma attālums straumē (attiecībā pret caurumu stikla caurulē); b) gumijas caurules novietojums. Paskaidrojiet abas izmaiņas.

Rīsi. 50

Apskatīsim vairākus piemērus, kas apstiprina impulsa saglabāšanas likuma spēkā esamību.

Noteikti daudzi no jums ir novērojuši, kā ar gaisu piepūsts balons sāk kustēties, ja attaisa diegu, kas pievelk tā caurumu.

Šo parādību var izskaidrot, izmantojot impulsa nezūdamības likumu.

Kamēr bumbiņas caurums ir aizvērts, bumba ar saspiestu gaisu tajā atrodas miera stāvoklī, un tās impulss ir nulle.

Kad caurums ir atvērts, no tā diezgan lielā ātrumā izplūst saspiesta gaisa plūsma. Kustīgam gaisam ir zināms impulss, kas vērsts tā kustības virzienā.

Saskaņā ar dabā strādājošo impulsa nezūdamības likumu sistēmas, kas sastāv no diviem ķermeņiem - bumbiņas un tajā esošā gaisa, kopējam impulsam jāpaliek tādam pašam, kāds tas bija pirms gaisa aizplūšanas, t.i., vienāds ar nulli. Tāpēc bumba sāk kustēties virzienā, kas ir pretējs gaisa straumei ar tādu ātrumu, ka tās impulss pēc lieluma ir vienāds ar gaisa plūsmas impulsu. Bumbas un gaisa impulsu vektori ir vērsti pretējos virzienos. Rezultātā mijiedarbojošo ķermeņu kopējais impulss paliek vienāds ar nulli.

Bumbiņas kustība ir strūklas kustības piemērs. Reaktīvā kustība notiek tāpēc, ka kāda tā daļa ir atdalīta no ķermeņa un kustas, kā rezultātā pats ķermenis iegūst pretēji virzītu impulsu.

Ierīces, ko sauc par Segnera riteni, rotācijas pamatā ir reaktīvās piedziņas princips (att.). Ūdens, kas plūst no konusveida trauka pa tam pievienotu izliektu cauruli, griež trauku virzienā, kas ir pretējs ūdens ātrumam straumēs. Līdz ar to reaktīvo efektu rada ne tikai gāzes plūsma, bet arī šķidruma plūsma.

Rīsi. Reaktīvās piedziņas demonstrēšana, izmantojot Segnera riteni

Reakcijas piedziņu savai kustībai izmanto arī dažas dzīvas radības, piemēram, astoņkāji, kalmāri, sēpijas un citi galvkāji (att.). Viņi pārvietojas, iesūcot un pēc tam ar spēku izspiežot ūdeni no sevis. Ir pat kalmāru suga, kas ar savu “reaktīvo dzinēju” palīdzību var ne tikai peldēt ūdenī, bet arī uz īsu brīdi izlidot no tā, lai ātri apsteigtu laupījumu vai aizbēgtu no ienaidniekiem.

Rīsi. Galvkāji savai kustībai izmanto reaktīvo dzinējspēku: a - sēpijas; b - kalmārs; c - astoņkājis

Jūs zināt, ka reaktīvās piedziņas principam ir plašs praktisks pielietojums aviācijā un astronautikā. Kosmosā nav vides, ar kuru ķermenis varētu mijiedarboties un tādējādi mainīt sava ātruma virzienu un lielumu. Tāpēc lidojumiem kosmosā var izmantot tikai reaktīvās lidmašīnas, t.i., raķetes.

Nesējraķetes palaišana ar kosmosa kuģi Sojuz

Apskatīsim jautājumu par tā saukto nesējraķešu, t.i., raķešu, kas paredzētas mākslīgo Zemes pavadoņu, kosmosa kuģu, automātisko starpplanētu staciju un citu lietderīgo kravu palaišanai kosmosā, konstrukciju un palaišanu.

Jebkurai raķetei, neatkarīgi no tās konstrukcijas, vienmēr ir apvalks un degviela ar oksidētāju. Attēlā parādīts raķetes šķērsgriezums. Mēs redzam, ka raķetes apvalks ietver lietderīgo kravu (šajā gadījumā tas ir kosmosa kuģis 1), instrumentu nodalījumu 2 un dzinēju (sadegšanas kamera 6, sūkņi 5 utt.).

Rīsi. Raķešu diagramma

Raķetes galvenā masa ir degviela 4 ar oksidētāju 3 (oksidētājs ir nepieciešams, lai uzturētu degvielas sadegšanu, jo kosmosā nav skābekļa).

Degviela un oksidētājs tiek piegādātas sadegšanas kamerā, izmantojot sūkņus. Degviela, sadegot, pārvēršas augstas temperatūras un augsta spiediena gāzē, kas spēcīgā strūklā izplūst caur īpašas formas ligzdu, ko sauc par sprauslu 7. Sprauslas mērķis ir palielināt strūklas ātrumu.

Kāds ir gāzes plūsmas izejas ātruma palielināšanas mērķis? Fakts ir tāds, ka raķetes ātrums ir atkarīgs no šī ātruma. To var parādīt, izmantojot impulsa saglabāšanas likumu.

Tā kā pirms palaišanas raķetes impulss bija vienāds ar nulli, tad saskaņā ar saglabāšanas likumu kustīgās čaulas un no tā izmestās gāzes kopējam impulsam arī jābūt vienādam ar nulli. No tā izriet, ka apvalka impulsam un tam pretī vērstās gāzes strūklas impulsam jābūt vienādam. Tas nozīmē, ka jo ātrāk gāze izplūst no sprauslas, jo lielāks būs raķetes apvalka ātrums.

Papildus gāzes aizplūšanas ātrumam ir arī citi faktori, no kuriem atkarīgs raķetes ātrums.

Mēs pārbaudījām vienpakāpes raķetes konstrukciju un darbības principu, kur stadija ir daļa, kurā ir tvertnes ar degvielu un oksidētāju un dzinējs. Kosmosa lidojumu praksē parasti tiek izmantotas daudzpakāpju raķetes, kas attīsta daudz lielāku ātrumu un ir paredzētas ilgākiem lidojumiem nekā vienpakāpes.

Attēlā parādīta trīspakāpju raķetes diagramma. Pēc tam, kad pirmā posma degviela un oksidētājs ir pilnībā iztērētas, šis posms tiek automātiski izmests un pārņem otrās pakāpes dzinējs.

Rīsi. Trīspakāpju raķetes diagramma

Raķetes kopējās masas samazināšana, izmetot jau tā nevajadzīgo pakāpi, ietaupa degvielu un oksidētāju un palielina raķetes ātrumu. Tad otrā pakāpe tiek izmesta tādā pašā veidā.

Ja kosmosa kuģis nav paredzēts atgriezties uz Zemes vai nolaisties uz kādas citas planētas, tad trešā pakāpe, tāpat kā pirmās divas, tiek izmantota, lai palielinātu raķetes ātrumu. Ja kuģim jānolaižas, tad to izmanto, lai palēninātu kuģi pirms nolaišanās. Šajā gadījumā raķete tiek pagriezta par 180°, lai sprausla būtu priekšā. Tad no raķetes izplūstošā gāze dod tai pret tās kustības ātrumu vērstu impulsu, kas noved pie ātruma samazināšanās un ļauj nosēsties.

Konstantīns Eduardovičs Ciolkovskis (1857-1935)
Krievu zinātnieks un izgudrotājs aerodinamikas, raķešu dinamikas, lidmašīnu un dirižabļu teorijas jomā. Teorētiskās kosmonautikas pamatlicējs

Ideja par raķešu izmantošanu kosmosa lidojumiem tika izvirzīta 20. gadsimta sākumā. Krievu zinātnieks un izgudrotājs Konstantīns Eduardovičs Ciolkovskis. Ciolkovskis izstrādāja raķešu kustības teoriju, atvasināja formulu to ātruma aprēķināšanai un bija pirmais, kurš ierosināja izmantot daudzpakāpju raķetes.

Pusgadsimtu vēlāk Ciolkovska ideju izstrādāja un īstenoja padomju zinātnieki Sergeja Pavloviča Koroļeva vadībā.

Sergejs Pavlovičs Koroļovs (1907-1966)
Padomju zinātnieks, raķešu un kosmosa sistēmu projektētājs. Praktiskās astronautikas pamatlicējs

Mājas darbs.

Uzdevums 1. Atbildi uz jautājumiem.

1. Pamatojoties uz impulsa saglabāšanas likumu, paskaidrojiet, kāpēc balons pārvietojas pretēji saspiestā gaisa straumei, kas to atstāj.
2. Sniedziet ķermeņu reaktīvās kustības piemērus.
3. Kāds ir raķešu mērķis? Pastāstiet par raķetes uzbūvi un darbības principu.
4. Kas nosaka raķetes ātrumu?
5. Kādas ir daudzpakāpju raķešu priekšrocības salīdzinājumā ar vienpakāpju raķetēm?
6. Kā notiek kosmosa kuģa nolaišanās?

Uzdevums 2. Atrisiniet mīklu.

Nodarbībai pievienots fails “Tas ir interesanti!”. Jūs varat lejupielādēt failu jebkurā jums ērtā laikā.

Izmantotie avoti: http://www.tepka.ru/fizika_9/21.html

Jautājumi.

1. Pamatojoties uz impulsa nezūdamības likumu, paskaidrojiet, kāpēc balons kustas pretējā virzienā no tā izplūstošajai saspiestā gaisa plūsmai.

2. Sniedziet ķermeņu reaktīvās kustības piemērus.

Dabā piemērs ir augu reaktīvā kustība: trakā gurķa nogatavojušies augļi; un dzīvnieki: kalmāri, astoņkāji, medūzas, sēpijas u.c. (dzīvnieki pārvietojas, izmetot uzsūkto ūdeni). Tehnoloģijā vienkāršākais reaktīvās piedziņas piemērs ir segnera ritenis, vairāk sarežģīti piemēri ir: raķešu kustība (kosmoss, šaujampulveris, militārais), ūdens transportlīdzekļi ar ūdens strūklas dzinēju (hidrocikli, laivas, motorkuģi), gaisa transportlīdzekļi ar gaisa- reaktīvo dzinēju(reaktīvā lidmašīna).

3. Kāds ir raķešu mērķis?

Raķetes tiek izmantotas dažādās zinātnes un tehnikas jomās: militārajās lietās, in zinātniskie pētījumi, astronautikā, sportā un izklaidē.

4. Izmantojot 45. attēlu, uzskaitiet jebkuras kosmosa raķetes galvenās daļas.

Kosmosa kuģis, instrumentu nodalījums, oksidētāja tvertne, degvielas tvertne, sūkņi, sadegšanas kamera, sprausla.

5. Raksturojiet raķetes darbības principu.

Saskaņā ar impulsa nezūdamības likumu raķete lido tāpēc, ka no tās lielā ātrumā tiek izspiestas gāzes ar noteiktu impulsu, un raķetei tiek dots tāda paša lieluma impulss, bet tas ir vērsts pretējā virzienā. . Gāzes tiek izvadītas caur sprauslu, kurā deg degviela, sasniedzot augstu temperatūru un spiedienu. Sprausla saņem degvielu un oksidētāju, ko tur piespiež sūkņi.

6. No kā ir atkarīgs raķetes ātrums?

Raķetes ātrums galvenokārt ir atkarīgs no gāzes plūsmas ātruma un raķetes masas. Gāzes plūsmas ātrums ir atkarīgs no degvielas veida un oksidētāja veida. Raķetes masa ir atkarīga, piemēram, no tā, kādu ātrumu viņi vēlas tai piešķirt vai cik tālu tai vajadzētu lidot.

7. Kādas ir daudzpakāpju raķešu priekšrocības salīdzinājumā ar vienpakāpju raķetēm?

Daudzpakāpju raķetes spēj sasniegt lielāku ātrumu un lidot tālāk nekā vienpakāpes raķetes.

8. Kā notiek kosmosa kuģa nolaišanās?

Kosmosa kuģa nosēšanās tiek veikta tā, lai, tuvojoties virsmai, tā ātrums samazinās. To panāk, izmantojot bremžu sistēmu, kas var būt vai nu izpletņu sistēma bremzēšanu vai bremzēšanu var veikt, izmantojot raķešu dzinējs, savukārt sprausla ir vērsta uz leju (pret Zemi, Mēnesi utt.), kā rezultātā tiek samazināts ātrums.

Vingrinājumi.

1. No laivas, kas pārvietojas ar ātrumu 2 m/s, cilvēks met airi ar masu 5 kg ar horizontālu ātrumu 8 m/s pretēji laivas kustībai. Ar kādu ātrumu laiva sāka kustēties pēc metiena, ja tās masa kopā ar cilvēka masu ir 200 kg?

2. Kādu ātrumu iegūs raķetes modelis, ja tā čaulas masa ir 300 g, šaujampulvera masa tajā ir 100 g un gāzes izplūst no sprauslas ar ātrumu 100 m/s? (Uzskatiet, ka gāzes izplūde no sprauslas ir tūlītēja).

3. Uz kāda aprīkojuma un kā tiek veikts 47. attēlā redzamais eksperiments? Kāda fiziska parādība šajā gadījumā tiek demonstrēta, no kā tā sastāv un kādi fizikālie likumi ir šīs parādības pamatā?
Piezīme: gumijas caurule tika novietota vertikāli, līdz caur to sāka plūst ūdens.

Statīvam, izmantojot turētāju, tika piestiprināta piltuve, kurai no apakšas piestiprināta gumijas caurule ar izliektu uzgali galā, bet zemāk novietota paplāte. Tad viņi sāka liet ūdeni no tvertnes no augšas piltuvē, savukārt ūdens no caurules ielej paplātē, un pati caurule pārvietojās no vertikālā stāvokļa. Šis eksperiments ilustrē reaktīvo kustību, pamatojoties uz impulsa saglabāšanas likumu.

4. Veiciet eksperimentu, kas parādīts 47. attēlā. Kad gumijas caurule pēc iespējas vairāk novirzās no vertikāles, pārtrauciet ūdens ieliešanu piltuvē. Kamēr caurulē palikušais ūdens izplūst, novērojiet, kā tas mainās: a) ūdens lidojuma attālums straumē (attiecībā pret caurumu stikla caurulē); b) gumijas caurules novietojums. Paskaidrojiet abas izmaiņas.

a) samazināsies ūdens lidojuma diapazons straumē; b) kad ūdens izplūst, caurule tuvosies horizontālam stāvoklim. Šīs parādības ir saistītas ar to, ka samazināsies ūdens spiediens caurulē un līdz ar to arī impulss, ar kuru ūdens tiek izvadīts.