1 реактивное движение. Кто открыл реактивное движение? Заглянем в историю

Закон сохранения импульса имеет большое значение для исследования реактивного движения.

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него. (Например, при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летального аппарата). При этом появляется так называемая реактивная сила , толкающая тело.

Наблюдать реактивное движение можно очень просто. Надуйте детский резиновый шарик и отпустите его. Шарик стремительно полетит (рис. 5.4). Движение, правда, будет кратковременным. Реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха. Главная особенность реактивной силы в том, что она возникает в результате взаимодействия частей системы без какого-либо взаимодействия с внешними телами. В нашем примере шарик летит за счет взаимодействия с вытекающей из него струей воздуха. Сила же, сообщающая ускорение пешеходу на земле, пароходу на воде или винтовому самолету в воздухе, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.

Рассмотрим примеры решения задач на применение закона сохраенния импульса и реактивное движение.

1. Вагон массы 10т с автоматической сцепкой, движущийся со скоростью 12м/с, догоняет такой же вагон массы 20т, движущийся со скоростью 6м/с, и сцепляется с ним. Двигаясь дальше вместе, оба вагона сталкиваются со стоящим на рельсах третьим вагоном массы 7,5т. Найти скорости движения вагонов на разных участках пути. Трением пренебречь.

2. Пуля вылетает из винтовки со скоростью п = 900м/с. Найти скорость винтовки при отдаче, если ее масса m в в 500 раз больше массы пули m п.

Дано: п = 900м/с m в = 500 m п

Решение: Импульс винтовки с пулей до выстрела равнялся нулю. Поскольку можно считать, что система винтовки- пуля при выстреле изолирована (действующие на систему внешние силы не равны нулю, но уравнивают друг друга), ее импульс останется неизменным. Спроектировав все импульсы на ось, параллельную скорости пули и совпадающую с ней по направлению, мы можем записать ; отсюда . в = - Знак « - »указывает, что направление скорости винтовки противоположно направлению скорости пули. Ответ: в =

в -?

3. Граната, летевшая со скоростью =15м/с, разорвалась на две части с массами m 1 = 6кг и m 2 = 14кг. Скорость большего осколка 2 =24м/с направлена так же, как и скорость гранаты до взрыва. Найти направление и модуль скорости меньшего осколка.

Так как направления скоростей и 2 совпадают, то скорость 1 будет иметь либо то же

направление, либо противоположное ему. Совместим с этим направлением ось координат, при-

нимая направление векторов и 2 за положительное направление оси. Спроектируем урав-

нение на выбранную ось координат. Получим скалярное уравнение

Подставим числовые значения и вычислим:

Знак « - » указывает, что скорость 1 направлена в сторону, противоположную направлению полета гранаты.

Ответ:

4. Два шара массы, которых m 1 =0,5 кг и m 2 =0,2 кг, движутся по гладкой горизонтальной поверхности навстречу друг другу со скоростями и . Определите их скорость после центрального абсолютно неупругого удара.

Так как , а , то .

После удара шары будут двигаться в отрицательном направлении оси ОХ со скоростью 0,4 м/с.

Ответ: = 0,4 м/с

5. Два пластилиновых шарика, отношение масс которых m 2 /m 1 =4, после соударения слиплись и стали двигаться по гладкой горизонтальной поверхности со скоростью (см.рис.). Определите скорость легкого шарика до соударения, если он двигался в 3 раза быстрее тяжелого (), а направления движения шариков были взаимно перпендикулярны. Трением пренебречь.

Запишем это уравнение в проекциях на оси ОХ и ОY , проведенные так, как пока

зано на рисунке: ,

.

Так как , то .

Модуль скорости равен: .

Итак, ,следовательно, .

Задания для самостоятельного решения

1. Два шара массы, которых m 1 и m 2 , движутся по гладкой горизонтальной поверхности навстречу друг другу со скоростями и . Определите их скорость после центрального абсолютно неупругого удара.

2. Вагон массы m 1 с автоматической сцепкой, движущийся со скоростью , догоняет такой же вагон массы m 2 , движущийся со скоростью , и сцепляется с ним. Двигаясь дальше вместе, оба вагона сталкиваются со стоящим на рельсах третьим вагоном массы m 3 . Найти скорости движения вагонов на разных участках пути. Трением пренебречь.

3. решить задачи

Варианты 1,6,11,16,21,26 задачу № 4

Варианты 2,7,12,17,22,27 задачу № 5

Варианты 3,8,13,18,23,28 задачу № 6

Варианты 4,9,14,19,24,29 задачу № 7

Варианты 5,10,15,20,25,30 задачу № 8

4. Стоящий на льду человек массой m 1 =60 кг ловит мяч массой m 2 =0,50 кг, который летит горизонтально со скоростью =20м/с. На какое расстояние откатится человек с мячом по горизонтальной поверхности льда, если коэффициент трения k =0,050?

5. Из винтовки массой 4,0 кг вылетает пуля массой 10 г со скоростью 700 м/с. Какова скорость отдачи винтовки при выстреле, если она подвешена горизонтально на нитях? На какую высоту поднимается винтовка после выстрела?

6. Снаряд массой 4,0 кг вылетает из ствола орудия в горизонтальном направлении со скоростью 1000 м/с. Определить среднюю силу сопротивления противооткатных устройств, если длина отката ствола по направляющим неподвижного орудия 1,0 м, а масса ствола 320кг.

7. Ракета, масса которой без топлива m 1 =400 г, при сгорании топлива поднимается на высоту h =125м. Масса топлива m 2 =50г. определить скорость выхода газов из ракеты , считая, что сгорание топлива происходит мгновенно.

8. Плот массой m 1 =400кг и длиной l =10м покоится в неподвижной воде. Два мальчика с массами m 2 =60 кг и m 3 = 40кг, стоящие на противоположных концах плота, одновременно начинают двигаться навстречу друг другу с одинаковой скоростью и останавливаются при встрече. На какое расстояние при этом сместится плот?

Реактивное движение. Формула Циолковского.

На принципе отдачи основано реактивное движение. В ракете при сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла с большой скоростью U относительно ракеты. Обозначим массу выброшенных газов через m, а массу ракеты после истечения газов через M. Тогда для замкнутой системы «ракета + газы» можно записать на основании закона сохранения импульса (по аналогии с задачей о выстреле из орудия): , V= - где V – скорость ракеты после истечения газов.

Здесь предполагалось, что начальная скорость ракеты равнялась нулю.

Полученная формула для скорости ракеты справедлива лишь при условии, что вся масса сгоревшего топлива выбрасывается из ракеты одновременно. На самом деле истечение происходит постепенно в течение всего времени ускоренного движения ракеты. Каждая последующая порция газа выбрасывается из ракеты, которая уже приобрела некоторую скорость.

Для получения точной формулы процесс истечения газа из сопла ракеты нужно рассмотреть более детально. Пусть ракета в момент времени t имеет массу M и движется со скоростью V. В течение малого промежутка времени Δt из ракеты будет выброшена некоторая порция газа с относительной скоростью U. Ракета в момент t + Δt будет иметь скорость а ее масса станет равной M + ΔM, где ΔM < 0 (рис. 1.17.3 (2)). Масса выброшенных газов будет, очевидно, равна –ΔM > 0. Скорость газов в инерциальной системе OX будет равна V+U. Применим закон сохранения импульса. В момент времени t + Δt импульс ракеты равен ()(M + ΔM)а импульс испущенных газов равен

где u – модуль относительной скорости. С помощью математической операции интегрирования из этого соотношения можно получить формулу для конечной скорости υ ракеты:

где – отношение началь ной и конечной масс ракеты. Эта формула называется формулой Циолковского. Из нее следует, что конечная скорость ракеты может превышать относительную скорость истечения газов. Следовательно, ракета может быть разогнана до больших скоростей, необходимых для космических полетов. Но это может быть достигнуто только путем расхода значительной массы топлива, составляющей большую долю первоначальной массы ракеты. Например, для достижения первой космической скорости υ = υ 1 = 7,9·10 3 м/с при u = 3·10 3 м/с (скорости истечения газов при сгорании топлива бывают порядка 2–4 км/с) стартовая масса одноступенчатой ракеты должна примерно в 14 раз превышать конечную массу. Для достижения конечной скорости υ = 4u отношение должно быть = 50.

Значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Из процесса последующего разгона ракеты исключаются массы контейнеров, в которых находилось топливо, отработавшие двигатели, системы управления и т. д. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современное ракетостроение.

У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.

История реактивного движения

С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.

Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.

Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.

Кто открыл реактивное движение?

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Примеры реактивного движения в природе

Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.

Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).

Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.

Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами

Закон реактивного движения

Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.

Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.

То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.

Закон сохранения импульса и реактивное движение

Физика поясняет процесс реактивного движения . Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.

Формула реактивного движения

В целом реактивное движение можно описать следующей формулой:
m s v s +m р v р =0
m s v s =-m р v р

где m s v s импульс создаваемой струей газов, m р v р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

Реактивное движение в технике – принцип работы реактивного двигателя

В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть

• запас топлива,
• камера, для сгорания топлива,
• сопло, задача которого ускорять реактивную струю.

Так выглядит реактивный двигатель.

Реактивное движение, видео

И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.

Сегодня реактивное движение у большинства людей в первую очередь, конечно же, ассоциируется с новейшими научными и техническими разработками. Из учебников по физике нам известно, что под «реактивным» подразумевают движение, которое возникает в результате отделения от предмета (тела) любой его части. Человек хотел подняться в небо к звёздам, стремился летать, но осуществить свою мечту смог только с появлением реактивных самолетов и ступенчатых космических кораблей, способных перемещаться на огромные расстояния, разгоняясь до сверхзвуковых скоростей, благодаря установленным на них современным реактивным двигателям. Конструктора и инженеры разрабатывали возможность использования реактивного движения в двигателях. Фантасты тоже не оставались в стороне, предлагая самые невероятные идеи и способы достижения этой цели. Удивительно, но этот принцип перемещения широко распространен в живой природе. Достаточно осмотреться вокруг, можно заметить обитателей морей и суши, среди которых есть и растения, в основе движения которых лежит реактивный принцип.

История

Еще в античные времена ученые с интересом изучали и анализировали явления, связанные с реактивным движением в природе. Одним из первых, кто теоретически обосновал и описал его суть, был Герон, механик и теоретик Древней Греции, который изобрел первый паровой двигатель, названый в честь него. Китайцы смогли найти реактивному методу практическое применение. Они первыми, взяв за основу способ передвижения каракатиц и осьминогов, еще в XIII веке изобрели ракеты. Они применялись в фейерверках, производя большое впечатление, а также, как сигнальные ракеты, возможно были и боевые ракеты, которые использовались как реактивная артилерия. Со временем эта технология пришла и в Европу.

Первооткрывателем нового времени стал Н. Кибальчич, придумав схему прототипа летательного аппарата с реактивным двигателем. Он был выдающимся изобретателем и убежденным революционером, за что сидел в тюрьме. Именно находясь в заключении, он вошел в историю, создав свой проект. После его казни за активную революционную деятельность и выступления против монархии, его изобретение было забыто на архивных полках. Спустя некоторое время К.Циолковский смог усовершенствовать идеи Кибальчича, доказывая возможность исследовать космическое пространство посредством реактивного перемещения космических кораблей.

Позже, в ходе Великой Отечественной войны, появились знаменитые Катюши, системы полевой реактивной артиллерии. Так ласковым именем народ неофициально именовал мощные установки, которые применяли силы СССР. Достоверно неизвестно, в связи с чем, оружие получило это название. Причиной этому стала то ли популярность песни Блантера, то ли буква «К» на корпусе миномёта. Со временем фронтовики стали давать прозвища и другому оружию, создав, таким образом, новую традицию. Немцы же эту боевую ракетную установку называли «сталинским органом» за внешний вид, который напоминал музыкальный инструмент и пронзительный звук, который исходил от стартующих ракет.

Растительный мир

Представителями фауны также используются законы реактивного движения. Большую часть растений, обладающих такими свойствами составляют однолетники и малолетники: колючеплодник, чесночница черешчатая, сердечник недотрога, пикульник двунадрезный, мёрингия трёхжилковая.

Колючеплодник, иначе бешеный огурец, относят к семейству тыквенных. Это растение достигает больших размеров, имеет толстый корень с шершавым стеблем и крупными листьями. Произрастает на территории Средней Азии, Средиземноморья, на Кавказе, довольно распространен на юге России и Украины. Внутри плода в период созревания семян преобразуется в слизь, которая под действием температур начинает бродить и выделять газ. Ближе к созреванию давление внутри плода может достигнуть 8 атмосфер. Тогда при легком прикосновении плод отрывается от основания и семена с жидкостью со скоростью 10 м/с вылетают из плода. Благодаря способности стрелять на 12 м. в длину, растение назвали «дамский пистолет».

Сердечник недотрога — однолетний широко распространённый вид. Встречается, как правило, в тенистых лесах, по берегам вдоль рек. Попав в северо-восточную часть Северной Америки и в Южную Африку, благополучно прижился. Сердечник-недотрога размножается семенами. Семена у сердечника-недотроги мелкие, массой не более 5 мг, которые отбрасываются на расстояние в 90 см. Благодаря такому способу распространения семян, растение и получило свое название.

Животный мир

Реактивное движение — интересные факты, касающиеся животного мира. У головоногих моллюсков реактивное перемещение происходит посредством воды, выдыхаемой через сифон, который обычно сужается к небольшому отверстию для получения максимальной скорости выдоха. Вода через жабры проходит до выдоха, выполняя двойную цель дыхания и перемещения. Морские зайцы, иначе брюхоногие моллюски, используют аналогичные средства движения, но без сложного неврологического аппарата головоногих, они перемещаются более неуклюже.

Некоторые рыбы-рыцари также развили реактивное перемещение, пропуская воду через жабры, чтобы дополнить плавниковое движение.

У личинок стрекоз реактивная сила достигается путем вытеснения воды из специализированной полости в организме. Морские гребешки и кардиды, сифонофоры, туники (такие, как сальпы) и некоторые медузы, также используют реактивную тягу.

Большую часть времени морские гребешки спокойно лежат на дне, но в случае появления опасности, быстро смыкают створки своей раковины, так они выталкивают воду. Этот механизм поведения тоже говорит об использовании принципа реактивного перемещения. Благодаря ему, гребешки могут всплывать и перемещаться на большое расстояние, применяя технику открытия-закрытия раковины.

Кальмар также применяет этот метод, вбирает в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая через воронку движется скоростью не менее 70 км./ч. Собирая щупальцы в один узел, тело кальмара образует обтекаемую форму. Взяв за основу такой двигатель кальмара, инженерами был сконструирован водомет. Вода в нем засасывается в камеру, а после выбрасывается через сопло. Таким образом, судно направляется в обратную сторону от выбрасываемой струи.

Если сравнить с кальмарами, наиболее эффективными двигателями пользуются сальпы, тратя на порядок меньше энергии, чем кальмары. Двигаясь сальпа запускает воду в отверстие спереди, а затем поступает в широкую полость, где натянуты жабры. После глотка отверстие закрывается, а с помощью сокращающихся продольных и поперечных мускул, которые сжимают тело, происходит выброс воды через отверстие сзади.

Самым необычным из всех механизмов передвижения может похвастаться обыкновенная кошка. Марсель Депре высказал предположение, что тело способно двигаться и изменять свое положение даже с помощью одних только внутренних сил (ни от чего не отталкиваясь и ни на что не опираясь), из чего можно было сделать вывод, что законы Ньютона могут быть ошибочны. Доказательством его предположению могла послужить кошка, которая сорвалась с высоты. Во время падения вниз головой, она все равно приземлится на все лапы, это стало уже своего рода аксиомой. Детально сфотографировав перемещение кошки, смогли по кадрам рассмотреть, все, что она проделывала в воздухе. Увидели ее движение лапой, которое вызвало ответную реакцию туловища, поворачиваясь в другую сторону относительно движения лапки. Действуя по законам Ньютона, кошка удачно приземлилась.

У животных все происходит на уровне инстинкта, человек в свою очередь делает сознательно. Профессиональные пловцы, прыгнув с вышки успевают трижды обернуться в воздухе, и сумев приостановить вращение, выпрямляются строго вертикально и ныряют в воду. Этот же принцип действует в отношении воздушных цирковых гимнастов.

Сколько бы человек не пытался превзойти природу, совершенствуя созданные ею изобретения, все равно мы пока не достигли того технологического совершенства, когда бы самолеты могли повторить действия стрекозы: зависать в воздухе, мгновенно подаваться назад или двигаться в сторону. Причем все это происходит на большой скорости. Возможно, пройдет еще немного времени и самолеты, благодаря поправкам на особенности аэродинамики и реактивные возможности стрекоз, смогут совершать крутые развороты и станут менее восприимчивы к внешним условиям. Подсмотрев у природы, человек еще многое может усовершенствовать на благо технического прогресса.