Raketter. Jet fremdrift

La oss vurdere flere eksempler som bekrefter gyldigheten av loven om bevaring av momentum.

Sikkert mange av dere har observert hvordan en luft blåses opp ballong, hvis du løsner tråden som strammer hullet.

Dette fenomenet kan forklares ved å bruke loven om bevaring av momentum.

Mens hullet i ballen er lukket, er ballen med trykkluften i ro, og dens momentum er null.

Når hullet er åpent, kommer det ut med ganske høy hastighet et jetfly bryter ut trykkluft. Luft i bevegelse har et momentum rettet i retning av bevegelsen.

I henhold til loven om bevaring av momentum som opererer i naturen, må den totale farten til et system som består av to legemer - en ball og luften i den - forbli den samme som den var før utstrømmingen av luft, dvs. lik null. Derfor begynner ballen å bevege seg i retning motsatt av luftstrømmen med en slik hastighet at impulsen er lik impulsen. luftstråle. Impulsvektorene til ballen og luften er rettet i motsatte retninger. Som et resultat forblir det totale momentumet til de samvirkende legemer lik null.

Bevegelsen til en ball er et eksempel på jet-bevegelse. Jet fremdrift oppstår på grunn av det faktum at en del av den er skilt fra kroppen og beveger seg, som et resultat av at kroppen selv får en motsatt rettet impuls.

Rotasjonen av en enhet kalt et Segner-hjul er basert på prinsippet om reaktiv fremdrift (fig. 46). Vann som strømmer fra et konisk formet kar gjennom et buet rør koblet til det, roterer fartøyet i retningen motsatt hastighet vann i bekker. Følgelig utøves den reaktive effekten ikke bare av en gasstrøm, men også av en væskestrøm.

Ris. 46. ​​Demonstrasjon av jetfremdrift ved hjelp av et Segner-hjul

Jetfremdrift brukes også av noen levende skapninger, som blekksprut, blekksprut, blekksprut og andre. blekksprut(Fig. 47). De beveger seg ved å suge inn og deretter presse vann ut av seg selv. Det er til og med en blekksprutart som ved hjelp av sine "jetmotorer" ikke bare kan svømme i vann, men også på en kort tid fly ut av den for raskt å overta byttedyr eller rømme fra fiender.

Ris. 47. Blekkspruter bruker jetfremdrift for å bevege seg: a - blekksprut; b - blekksprut; c - blekksprut

Du vet at prinsippet om jetfremdrift er vidt utbredt praktisk bruk innen luftfart og astronautikk. I verdensrommet det er ikke noe medium som kroppen kan samhandle med og dermed endre retningen og størrelsen på hastigheten. Derfor for romflyvninger bare reaktive kan brukes fly, dvs. raketter.

Oppskyting av en bærerakett med romfartøyet Soyuz

La oss vurdere spørsmålet om design og lansering av såkalte bæreraketter, det vil si raketter designet for å skyte opp kunstige jordsatellitter, romfartøyer, automatiske interplanetære stasjoner og andre nyttelaster i verdensrommet.

Enhver rakett, uansett design, har alltid et skall og drivstoff med et oksidasjonsmiddel. Figur 48 viser et tverrsnitt av raketten. Vi ser at rakettskallet inkluderer en nyttelast (i dette tilfellet er det romfartøy 1), et instrumentrom 2 og en motor (forbrenningskammer 6, pumper 5, etc.).

Ris. 48. Rakettdiagram

Rakettens hovedmasse er drivstoff 4 med oksidasjonsmiddel 3 (oksidasjonsmiddelet er nødvendig for å opprettholde drivstoffforbrenning, siden det ikke er oksygen i rommet).

Drivstoff og oksidasjonsmiddel tilføres forbrenningskammeret ved hjelp av pumper. Drivstoff, når det brennes, blir til gass høy temperatur Og høytrykk, som suser utover i en kraftig stråle gjennom klokken spesiell form, kalt dyse 7. Hensikten med dysen er å øke hastigheten på strålen.

Hva er hensikten med å øke utgangshastigheten til gasstrømmen? Faktum er at hastigheten på raketten avhenger av denne hastigheten. Dette kan vises ved å bruke loven om bevaring av momentum.

Siden rakettens momentum før lanseringen var lik null, bør den totale impulsen til det bevegelige skallet og gassen som kastes ut fra det, i henhold til bevaringsloven, også være lik null. Det følger at impulsen til skallet og impulsen til gassstrålen rettet mot den må være like store. Dette betyr at jo raskere gassen slipper ut av dysen, jo større hastighet vil rakettskallet være.

I tillegg til hastigheten på gassutstrømningen, er det andre faktorer som hastigheten til raketten avhenger av.

Vi så på enheten og operasjonsprinsippet entrinns rakett, hvor scenen betyr delen som inneholder drivstoff- og oksidasjonsmiddeltankene og motoren. I romflyvningspraksis brukes vanligvis flertrinnsraketter, som utvikler mye høyere hastigheter og er designet for lengre flyvninger enn entrinnsraketter.

Figur 49 viser et diagram av en tre-trinns rakett. Etter at drivstoffet og oksidasjonsmidlet i det første trinnet er helt oppbrukt, blir dette trinnet automatisk forkastet og andre trinns motor tar over.

Ris. 49. Diagram av en tre-trinns rakett

Avta total masse rakett ved å kaste et allerede unødvendig trinn lar deg spare drivstoff og oksidasjonsmiddel og øke hastigheten på raketten. Deretter forkastes det andre trinnet på samme måte.

Hvis retur romskip er ikke planlagt å lande på jorden eller lande på noen annen planet, så brukes det tredje trinnet, som de to første, til å øke hastigheten på raketten. Hvis skipet må lande, brukes det til å bremse skipet før landing. I dette tilfellet dreies raketten 180° slik at dysen er foran. Da gir gassen som slipper ut fra raketten en impuls rettet mot hastigheten på dens bevegelse, noe som fører til en nedgang i hastighet og gjør det mulig å lande.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857–1935)
Russisk vitenskapsmann og oppfinner innen aerodynamikk, rakettdynamikk, fly- og luftskipteori. Grunnlegger av teoretisk kosmonautikk

Ideen om å bruke raketter til romfart ble fremmet på begynnelsen av 1900-tallet. Den russiske vitenskapsmannen og oppfinneren Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Tsiolkovsky utviklet teorien om rakettbevegelse, utledet en formel for å beregne hastigheten deres, og var den første som foreslo bruk av flertrinnsraketter.

Et halvt århundre senere ble Tsiolkovskys idé utviklet og implementert av sovjetiske forskere under ledelse av Sergei Pavlovich Korolev.

Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
Sovjetisk vitenskapsmann, designer av rakett- og romsystemer. Grunnlegger av praktisk astronautikk

Spørsmål

1. Basert på loven om bevaring av momentum, forklar hvorfor en ballong beveger seg motsatt av strømmen av trykkluft som forlater den.
2. Gi eksempler på kroppens reaktive bevegelse.
3. Hva er hensikten med raketter? Fortell oss om strukturen og operasjonsprinsippet til raketten.
4. Hva bestemmer hastigheten til en rakett?
5. Hva er fordelen flertrinns raketter før entrinns?
6. Hvordan landes et romfartøy?

Øvelse 21

1. Fra en båt som beveger seg med en hastighet på 2 m/s, kaster en person en åre på 5 kg med horisontal hastighet 8 m/s er motsatt av båtens bevegelse. Med hvilken hastighet begynte båten å bevege seg etter kastet, hvis massen sammen med personen er 200 kg?
2. Hvilken hastighet vil rakettmodellen få hvis massen til skallet er 300 g, massen av krutt i den er 100 g, og gasser slipper ut av dysen med en hastighet på 100 m/s? (Betrakt gassutstrømningen fra dysen som øyeblikkelig.)
3. På hvilket utstyr og hvordan utføres forsøket vist i figur 50? Hvilken fysiske fenomen i dette tilfellet demonstreres det hva det er og hvilken fysisk lov som ligger til grunn for dette fenomenet?

   Merk: gummirøret ble plassert vertikalt til vann begynte å strømme gjennom det.

4. Utfør eksperimentet vist i figur 50. Når gummirøret avviker fra vertikalen så mye som mulig, slutt å helle vann inn i trakten. Mens det gjenværende vannet i røret renner ut, observer hvordan det endrer seg: a) flyavstanden til vannet i bekken (i forhold til hullet i glassrøret); b) plassering av gummirøret. Forklar begge endringene.

Ris. 50

La oss vurdere flere eksempler som bekrefter gyldigheten av loven om bevaring av momentum.

Mange av dere har sikkert observert hvordan en ballong blåst opp med luft begynner å bevege seg hvis dere løsner tråden som strammer hullet.

Dette fenomenet kan forklares ved å bruke loven om bevaring av momentum.

Mens hullet i ballen er lukket, er ballen med trykkluften i ro, og dens momentum er null.

Når hullet er åpent, slipper en strøm av trykkluft ut av det i ganske høy hastighet. Luft i bevegelse har et momentum rettet i retning av bevegelsen.

I henhold til loven om bevaring av momentum som opererer i naturen, skal den totale farten til et system som består av to legemer - en ball og luften i den - forbli den samme som den var før utstrømmen av luft, dvs. lik null. Derfor begynner ballen å bevege seg i motsatt retning av luftstrømmen med en slik hastighet at dens momentum er lik luftstrømmens impuls. Impulsvektorene til ballen og luften er rettet i motsatte retninger. Som et resultat forblir det totale momentumet til de samvirkende legemer lik null.

Bevegelsen til en ball er et eksempel på jet-bevegelse. Reaktiv bevegelse oppstår på grunn av det faktum at en del av den er skilt fra kroppen og beveger seg, som et resultat av at kroppen selv får en motsatt rettet impuls.

Rotasjonen av en enhet kalt et Segner-hjul er basert på prinsippet om reaktiv fremdrift (fig.). Vann som strømmer ut av et konisk formet kar gjennom et buet rør koblet til det, roterer fartøyet i motsatt retning av hastigheten til vannet i bekkene. Følgelig utøves den reaktive effekten ikke bare av en gasstrøm, men også av en væskestrøm.

Ris. Demonstrasjon av jetfremdrift ved hjelp av et Segner-hjul

Jet motion brukes også av noen levende skapninger for deres bevegelse, for eksempel blekksprut, blekksprut, blekksprut og andre blekksprut (fig.). De beveger seg ved å suge inn og deretter presse vann ut av seg selv. Det er til og med en blekksprutart som ved hjelp av "jetmotorene" ikke bare kan svømme i vannet, men også fly ut av det i en kort stund for raskt å overta byttedyr eller rømme fra fiender.

Ris. Blekkspruter bruker jetfremdrift for sin bevegelse: a - blekksprut; b - blekksprut; c - blekksprut

Du vet at prinsippet om jetfremdrift har bred praktisk anvendelse innen luftfart og astronautikk. Det er ikke noe medium i det ytre rom som et legeme kan samhandle med og dermed endre retningen og størrelsen på hastigheten. Derfor er det kun jetfly, det vil si raketter, som kan brukes til romflyvninger.

Oppskyting av en bærerakett med romfartøyet Soyuz

La oss vurdere spørsmålet om design og lansering av såkalte bæreraketter, det vil si raketter designet for å skyte opp kunstige jordsatellitter, romfartøyer, automatiske interplanetære stasjoner og andre nyttelaster i verdensrommet.

Enhver rakett, uansett design, har alltid et skall og drivstoff med et oksidasjonsmiddel. Figuren viser et tverrsnitt av en rakett. Vi ser at rakettskallet inkluderer en nyttelast (i dette tilfellet er det romfartøy 1), et instrumentrom 2 og en motor (forbrenningskammer 6, pumper 5, etc.).

Ris. Rakettdiagram

Rakettens hovedmasse er drivstoff 4 med oksidasjonsmiddel 3 (oksidasjonsmiddelet er nødvendig for å opprettholde drivstoffforbrenning, siden det ikke er oksygen i rommet).

Drivstoff og oksidasjonsmiddel tilføres forbrenningskammeret ved hjelp av pumper. Drivstoffet, når det forbrennes, blir til en gass med høy temperatur og høyt trykk, som suser ut i en kraftig stråle gjennom en spesialformet sokkel kalt dyse 7. Hensikten med dysen er å øke hastigheten på strålen.

Hva er hensikten med å øke utgangshastigheten til gasstrømmen? Faktum er at hastigheten på raketten avhenger av denne hastigheten. Dette kan vises ved å bruke loven om bevaring av momentum.

Siden rakettens momentum før lanseringen var lik null, bør den totale impulsen til det bevegelige skallet og gassen som kastes ut fra det, i henhold til bevaringsloven, også være lik null. Det følger at impulsen til skallet og impulsen til gassstrålen rettet mot den må være like store. Dette betyr at jo raskere gassen slipper ut av dysen, jo større hastighet vil rakettskallet være.

I tillegg til hastigheten på gassutstrømningen, er det andre faktorer som hastigheten til raketten avhenger av.

Vi undersøkte utformingen og prinsippet for drift av en ett-trinns rakett, der et trinn betyr den delen som inneholder tanker med drivstoff og oksidasjonsmiddel og motoren. I romflyvningspraksis brukes vanligvis flertrinnsraketter, som utvikler mye høyere hastigheter og er designet for lengre flyvninger enn entrinnsraketter.

Figuren viser et diagram av en tre-trinns rakett. Etter at drivstoffet og oksidasjonsmidlet i det første trinnet er helt oppbrukt, blir dette trinnet automatisk forkastet og andre trinns motor tar over.

Ris. Diagram av en tre-trinns rakett

Å redusere den totale massen til raketten ved å forkaste et allerede unødvendig trinn sparer drivstoff og oksidasjonsmiddel og øker rakettens hastighet. Deretter forkastes det andre trinnet på samme måte.

Hvis romfartøyet ikke er planlagt å returnere til jorden eller lande på noen annen planet, brukes det tredje trinnet, som de to første, til å øke hastigheten på raketten. Hvis skipet må lande, brukes det til å bremse skipet før landing. I dette tilfellet dreies raketten 180° slik at dysen er foran. Da gir gassen som slipper ut fra raketten en impuls rettet mot hastigheten på dens bevegelse, noe som fører til en nedgang i hastighet og gjør det mulig å lande.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857–1935)
Russisk vitenskapsmann og oppfinner innen aerodynamikk, rakettdynamikk, fly- og luftskipteori. Grunnlegger av teoretisk kosmonautikk

Ideen om å bruke raketter til romfart ble fremmet på begynnelsen av 1900-tallet. Den russiske vitenskapsmannen og oppfinneren Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Tsiolkovsky utviklet teorien om rakettbevegelse, utledet en formel for å beregne hastigheten deres, og var den første som foreslo bruk av flertrinnsraketter.

Et halvt århundre senere ble Tsiolkovskys idé utviklet og implementert av sovjetiske forskere under ledelse av Sergei Pavlovich Korolev.

Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
Sovjetisk vitenskapsmann, designer av rakett- og romsystemer. Grunnlegger av praktisk astronautikk

Hjemmelekser.

Oppgave 1. Svar på spørsmålene.

1. Basert på loven om bevaring av momentum, forklar hvorfor en ballong beveger seg motsatt av strømmen av trykkluft som forlater den.
2. Gi eksempler på kroppens reaktive bevegelse.
3. Hva er hensikten med raketter? Fortell oss om strukturen og operasjonsprinsippet til raketten.
4. Hva bestemmer hastigheten til en rakett?
5. Hva er fordelen med flertrinnsraketter fremfor enkelttrinns raketter?
6. Hvordan landes et romfartøy?

Oppgave 2. Løs gåten.

Filen "Dette er interessant!" er vedlagt leksjonen. Du kan laste ned filen når som helst som passer deg.

Kilder som brukes: http://www.tepka.ru/fizika_9/21.html

Spørsmål.

1. Basert på loven om bevaring av momentum, forklar hvorfor en ballong beveger seg i motsatt retning av strømmen av trykkluft som kommer ut av den.

2. Gi eksempler på kroppens reaktive bevegelse.

I naturen er et eksempel den reaktive bevegelsen av planter: de modne fruktene til en gal agurk; og dyr: blekksprut, blekksprut, maneter, blekksprut osv. (dyr beveger seg ved å kaste ut vannet de absorberer). Innen teknologi er det enkleste eksempelet på jetfremdrift segner hjul, mer komplekse eksempler er: bevegelse av raketter (rom, krutt, militær), vannkjøretøyer med jetmotor (hydrosykler, båter, motorskip), luftkjøretøyer med luft jetmotor(jetfly).

3. Hva er hensikten med raketter?

Raketter brukes i ulike felt av vitenskap og teknologi: i militære anliggender, i Vitenskapelig forskning, innen astronautikk, innen sport og underholdning.

4. Bruk figur 45 til å liste opp hoveddelene til enhver romrakett.

Romfartøy, instrumentrom, oksidasjonstank, drivstofftank, pumper, forbrenningskammer, munnstykke.

5. Beskriv operasjonsprinsippet til en rakett.

I samsvar med loven om bevaring av momentum flyr en rakett på grunn av at gasser med et visst momentum skyves ut av den i høy hastighet, og raketten får en impuls av samme størrelse, men rettet i motsatt retning . Gasser blir kastet ut gjennom en dyse der drivstoffet brenner og når høye temperaturer og trykk. Dysen mottar drivstoff og oksidasjonsmiddel, som presses dit av pumper.

6. Hva er hastigheten til en rakett avhengig av?

Rakettens hastighet avhenger først og fremst av hastigheten på gassstrømmen og massen til raketten. Hastigheten på gassstrømmen avhenger av typen drivstoff og typen oksidasjonsmiddel. Massen til raketten avhenger for eksempel av hvilken hastighet de vil gi den eller av hvor langt den skal fly.

7. Hva er fordelen med flertrinns raketter fremfor entrinns?

Flertrinnsraketter er i stand til å nå høyere hastigheter og fly lenger enn entrinnsraketter.

8. Hvordan lander et romfartøy?

Landingen av romfartøyet utføres på en slik måte at hastigheten avtar når den nærmer seg overflaten. Dette oppnås ved å bruke et bremsesystem, som kan være enten fallskjermsystem bremsing eller bremsing kan gjøres ved hjelp av rakettmotor, mens munnstykket er rettet nedover (mot jorden, månen osv.), på grunn av dette reduseres hastigheten.

Øvelser.

1. Fra en båt som beveger seg med en hastighet på 2 m/s, kaster en person en åre med en masse på 5 kg med en horisontal hastighet på 8 m/s motsatt av båtens bevegelse. Med hvilken hastighet begynte båten å bevege seg etter kastet, hvis massen sammen med massen til personen er 200 kg?

2. Hvilken hastighet vil rakettmodellen få hvis massen på skallet er 300 g, massen av krutt i den er 100 g, og gasser slipper ut av dysen med en hastighet på 100 m/s? (Betrakt gassutstrømningen fra dysen som øyeblikkelig).

3. På hvilket utstyr og hvordan utføres forsøket vist i figur 47? Hvilket fysisk fenomen blir demonstrert i dette tilfellet, hva består det av, og hvilken fysisk lov ligger til grunn for dette fenomenet?
Merk: gummirøret ble plassert vertikalt til vann begynte å strømme gjennom det.

En trakt med et gummirør festet til den nedenfra med en buet dyse i enden ble festet til stativet ved hjelp av en holder, og et brett ble plassert under. Deretter begynte de å helle vann fra beholderen ovenfra inn i trakten, mens vannet strømmet fra røret inn i brettet, og selve røret forskjøv seg fra vertikal stilling. Dette eksperimentet illustrerer reaktiv bevegelse basert på loven om bevaring av momentum.

4. Utfør eksperimentet vist i figur 47. Når gummirøret avviker fra vertikalen så mye som mulig, slutt å helle vann inn i trakten. Mens det gjenværende vannet i røret renner ut, observer hvordan det endrer seg: a) flyavstanden til vannet i bekken (i forhold til hullet i glassrøret); b) plassering av gummirøret. Forklar begge endringene.

a) rekkevidden for vann i bekken vil avta; b) når vann renner ut, vil røret nærme seg en horisontal posisjon. Disse fenomenene skyldes at vanntrykket i røret vil avta, og derfor impulsen som vannet støtes ut med.