¿Qué es el movimiento reactivo en física? Propulsión a chorro en tecnología.

Para muchas personas, el concepto mismo de "propulsión a reacción" está fuertemente asociado con los logros modernos de la ciencia y la tecnología, especialmente la física, y en sus cabezas aparecen imágenes de aviones a reacción o incluso naves espaciales que vuelan a velocidades supersónicas utilizando los famosos motores a reacción. De hecho, el fenómeno de la propulsión a chorro es mucho más antiguo que el propio hombre, porque apareció mucho antes que nosotros los humanos. Sí, la propulsión a chorro está presente activamente en la naturaleza: las medusas y las sepias nadan en las profundidades del mar desde hace millones de años utilizando el mismo principio con el que hoy vuelan los modernos aviones a reacción supersónicos.

Historia de la propulsión a chorro

Desde la antigüedad, diversos científicos han observado los fenómenos del movimiento reactivo en la naturaleza; el antiguo matemático y mecánico griego Heron fue el primero en escribir sobre ello, aunque nunca fue más allá de la teoría.

Si hablamos de la aplicación práctica de la propulsión a chorro, los inventivos chinos fueron los primeros. Alrededor del siglo XIII, se les ocurrió tomar prestado el principio de movimiento de pulpos y sepias al inventar los primeros cohetes, que comenzaron a utilizar tanto para fuegos artificiales como para operaciones militares (como armas de combate y de señales). Un poco más tarde, este útil invento de los chinos fue adoptado por los árabes y, de ellos, por los europeos.

Por supuesto, los primeros cohetes convencionales tenían un diseño relativamente primitivo y durante varios siglos prácticamente no se desarrollaron en absoluto, parecía que la historia del desarrollo de la propulsión a reacción se había estancado; Un gran avance en este asunto no se produjo hasta el siglo XIX.

¿Quién descubrió la propulsión a chorro?

Quizás los laureles del descubridor de la propulsión a reacción en la “nueva era” puedan recaer en Nikolai Kibalchich, no sólo un talentoso inventor ruso, sino también un revolucionario voluntario del pueblo a tiempo parcial. Creó su proyecto para un motor a reacción y un avión para personas mientras se encontraba en una prisión real. Kibalchich fue posteriormente ejecutado por sus actividades revolucionarias y su proyecto quedó acumulando polvo en los estantes de los archivos de la policía secreta zarista.

Más tarde, el trabajo de Kibalchich en esta dirección fue descubierto y complementado por los trabajos de otro científico talentoso, K. E. Tsiolkovsky. De 1903 a 1914 publicó una serie de trabajos en los que demostró de manera convincente la posibilidad de utilizar la propulsión a chorro para crear naves espaciales para explorar el espacio exterior. También formó el principio del uso de cohetes de múltiples etapas. Hasta el día de hoy, muchas de las ideas de Tsiolkovsky se utilizan en la ciencia espacial.

Ejemplos de propulsión a chorro en la naturaleza.

Seguramente mientras nadabas en el mar viste medusas, pero difícilmente pensaste que estas sorprendentes (y también lentas) criaturas se mueven gracias a la propulsión a chorro. Es decir, al contraer su cúpula transparente, exprimen el agua, que sirve como una especie de “motor a reacción” para las medusas.

La sepia tiene un mecanismo de movimiento similar: a través de un embudo especial frente al cuerpo y a través de una hendidura lateral, atrae agua hacia su cavidad branquial y luego la arroja enérgicamente a través de un embudo dirigido hacia atrás o hacia un lado (dependiendo de la dirección de movimiento que necesita la sepia).

Pero el motor a reacción más interesante creado por la naturaleza se encuentra en los calamares, a los que con razón se les puede llamar "torpedos vivientes". Después de todo, incluso el cuerpo de estos animales se parece a un cohete en su forma, aunque en realidad todo es exactamente al revés: este cohete, con su diseño, copia el cuerpo de un calamar.

Si el calamar necesita correr rápidamente, utiliza su motor a reacción natural. Su cuerpo está rodeado por un manto, tejido muscular especial, y la mitad del volumen de todo el calamar se encuentra en la cavidad del manto, en la que succiona agua. Luego arroja bruscamente el chorro de agua recogido a través de una boquilla estrecha, mientras dobla sus diez tentáculos sobre su cabeza de tal manera que adquieren una forma aerodinámica. Gracias a una navegación reactiva tan avanzada, los calamares pueden alcanzar una velocidad impresionante de 60 a 70 km por hora.

Entre los propietarios de un motor a reacción, en la naturaleza también se encuentran plantas, a saber, el llamado "pepino loco". Cuando sus frutos maduran, ante el más mínimo contacto, dispara gluten con semillas.

Ley de propulsión a chorro

Los calamares, los "pepinos locos", las medusas y otras sepias han estado utilizando el movimiento en chorro desde la antigüedad, sin pensar en su esencia física, pero intentaremos descubrir cuál es la esencia del movimiento en chorro, qué tipo de movimiento se llama movimiento en chorro. y dale una definición.

Para empezar, puede recurrir a un experimento simple: si infla un globo común con aire y, sin detenerse, lo deja volar, volará rápidamente hasta que se agote su suministro de aire. Este fenómeno se explica por la tercera ley de Newton, que dice que dos cuerpos interactúan con fuerzas iguales en magnitud y de dirección opuesta.

Es decir, la fuerza de influencia de la pelota sobre las corrientes de aire que escapan de ella es igual a la fuerza con la que el aire empuja la pelota lejos de sí misma. Un cohete funciona según un principio similar al de una bola, que expulsa parte de su masa a una velocidad enorme, mientras recibe una fuerte aceleración en la dirección opuesta.

Ley de conservación del impulso y propulsión a chorro.

La física explica el proceso de propulsión a chorro. El momento es el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad (mv). Cuando un cohete está en reposo su momento y velocidad son cero. Cuando una corriente en chorro comienza a ser expulsada de él, el resto, de acuerdo con la ley de conservación del impulso, debe adquirir una velocidad tal a la que el impulso total seguirá siendo igual a cero.

Fórmula de propulsión a chorro

En general, el movimiento del chorro se puede describir mediante la siguiente fórmula:
m s v s +m ð v ð =0
m s v s = -m ð v ð

donde m s v s es el impulso creado por el chorro de gas, m p v p es el impulso recibido por el cohete.

El signo menos muestra que la dirección del movimiento del cohete y la fuerza del movimiento del chorro son opuestas.

Propulsión a reacción en tecnología: el principio de funcionamiento de un motor a reacción

En la tecnología moderna, la propulsión a reacción juega un papel muy importante, ya que los motores a reacción impulsan aviones y naves espaciales. El diseño del motor a reacción en sí puede variar según su tamaño y finalidad. Pero de una forma u otra, cada uno de ellos tiene

• suministro de combustible,
• cámara para la combustión de combustible,
• una boquilla cuya tarea es acelerar la corriente en chorro.

Así es como se ve un motor a reacción.

Propulsión a chorro, vídeo

Y por último, un entretenido vídeo sobre experimentos físicos con propulsión a chorro.

Propulsión a chorro en la naturaleza y la tecnología.

RESUMEN DE FÍSICA

Propulsión reactiva- movimiento que se produce cuando cualquier parte del mismo se separa del cuerpo a una determinada velocidad.

La fuerza reactiva ocurre sin ninguna interacción con cuerpos externos.

Aplicación de la propulsión a chorro en la naturaleza.

Muchos de nosotros en nuestra vida nos hemos encontrado con medusas mientras nadamos en el mar. En cualquier caso, hay suficientes en el Mar Negro. Pero pocas personas pensaban que las medusas también utilizan la propulsión a chorro para moverse. Además, así se desplazan las larvas de libélulas y algunas especies de plancton marino. Y, a menudo, la eficiencia de los animales invertebrados marinos cuando utilizan propulsión a chorro es mucho mayor que la de los inventos tecnológicos.

Muchos moluscos utilizan la propulsión a chorro: pulpos, calamares y sepias. Por ejemplo, un molusco de vieira avanza debido a la fuerza reactiva de una corriente de agua expulsada de su caparazón durante una fuerte compresión de sus válvulas.

Pulpo

Calamar

La sepia, como la mayoría de los cefalópodos, se mueve en el agua de la siguiente manera. Ella lleva agua a la cavidad branquial a través de una hendidura lateral y un embudo especial frente al cuerpo, y luego arroja enérgicamente un chorro de agua a través del embudo. La sepia dirige el tubo del embudo hacia un lado o hacia atrás y, exprimiendo rápidamente el agua, puede moverse en diferentes direcciones.

La salpa es un animal marino de cuerpo transparente; al moverse, recibe agua por la abertura frontal, y el agua ingresa a una amplia cavidad, en cuyo interior se estiran las branquias en diagonal. Tan pronto como el animal toma un gran sorbo de agua, el agujero se cierra. Luego, los músculos longitudinales y transversales de la salpa se contraen, todo el cuerpo se contrae y el agua sale a través de la abertura posterior. La reacción del chorro que escapa empuja a la salpa hacia adelante.

El mayor interés es el motor a reacción del calamar. El calamar es el habitante invertebrado más grande de las profundidades del océano. Los calamares han alcanzado la mayor perfección en la navegación a reacción. Incluso su cuerpo, con sus formas externas, copia el cohete (o mejor dicho, el cohete copia al calamar, ya que tiene una prioridad indiscutible en esta materia). Cuando se mueve lentamente, el calamar utiliza una gran aleta en forma de diamante que se dobla periódicamente. Utiliza un motor a reacción para lanzar rápidamente. Tejido muscular: el manto rodea el cuerpo del molusco por todos lados; el volumen de su cavidad es casi la mitad del volumen del cuerpo del calamar. El animal succiona agua dentro de la cavidad del manto y luego arroja bruscamente un chorro de agua a través de una boquilla estrecha y retrocede con empujones a gran velocidad. Al mismo tiempo, los diez tentáculos del calamar se juntan formando un nudo sobre su cabeza y adquiere una forma estilizada. La boquilla está equipada con una válvula especial y los músculos pueden girarla cambiando la dirección del movimiento. El motor del calamar es muy económico, es capaz de alcanzar velocidades de hasta 60 - 70 km/h. (¡Algunos investigadores creen que incluso hasta 150 km/h!) No es de extrañar que al calamar se le llame “torpedo viviente”. Al doblar los tentáculos agrupados hacia la derecha, izquierda, arriba o abajo, el calamar gira en una dirección u otra. Dado que dicho volante es muy grande en comparación con el propio animal, su ligero movimiento es suficiente para que el calamar, incluso a toda velocidad, esquive fácilmente una colisión con un obstáculo. Un giro brusco del volante y el nadador corre en la dirección opuesta. Entonces dobló el extremo del embudo hacia atrás y ahora se desliza de cabeza. Lo dobló hacia la derecha y el empujón del jet lo arrojó hacia la izquierda. Pero cuando es necesario nadar rápido, el embudo siempre sobresale justo entre los tentáculos, y el calamar corre con la cola primero, como lo haría un cangrejo de río: un caminante rápido dotado de la agilidad de un caballo.

Si no hay necesidad de apresurarse, los calamares y las sepias nadan, ondulando sus aletas: ondas en miniatura los recorren de adelante hacia atrás y el animal se desliza con gracia, empujándose ocasionalmente también con un chorro de agua arrojado desde debajo del manto. Entonces son claramente visibles los impactos individuales que recibe el molusco en el momento de la erupción de los chorros de agua. Algunos cefalópodos pueden alcanzar velocidades de hasta cincuenta y cinco kilómetros por hora. Parece que nadie ha realizado mediciones directas, pero esto se puede juzgar por la velocidad y el rango de vuelo de los calamares voladores. ¡Y resulta que los pulpos tienen esos talentos en su familia! El mejor piloto entre los moluscos es el calamar Stenoteuthis. Los marineros ingleses lo llaman calamar volador (“flying squid”). Este es un animal pequeño del tamaño de un arenque. Persigue a los peces con tal velocidad que a menudo salta fuera del agua, rozando su superficie como una flecha. Recurre a este truco para salvar su vida de los depredadores: el atún y la caballa. Habiendo desarrollado el máximo empuje en el agua, el calamar piloto despega en el aire y vuela sobre las olas a lo largo de más de cincuenta metros. El apogeo del vuelo de un cohete viviente se encuentra tan alto sobre el agua que los calamares voladores a menudo terminan en las cubiertas de los barcos que navegan por el océano. De cuatro a cinco metros no es una altura récord a la que los calamares se elevan hacia el cielo. A veces vuelan incluso más alto.

El investigador inglés de moluscos Dr. Rees describió en un artículo científico un calamar (de sólo 16 centímetros de largo) que, después de haber volado una distancia considerable en el aire, cayó sobre el puente de un yate, que se elevaba casi siete metros sobre el agua.

Sucede que muchos calamares voladores caen sobre el barco en una cascada brillante. El antiguo escritor Trebius Niger contó una vez una triste historia sobre un barco que supuestamente se hundió bajo el peso de los calamares voladores que cayeron sobre su cubierta. Los calamares pueden despegar sin aceleración.

Los pulpos también pueden volar. El naturalista francés Jean Verani vio cómo un pulpo común y corriente aceleraba en un acuario y de repente saltaba del agua hacia atrás. Después de describir un arco de unos cinco metros de largo en el aire, se dejó caer nuevamente en el acuario. Al coger velocidad para saltar, el pulpo se movía no sólo gracias al empuje del jet, sino que también remaba con sus tentáculos.
Los pulpos holgados nadan, por supuesto, peor que los calamares, pero en momentos críticos pueden mostrar una clase récord para los mejores velocistas. El personal del Acuario de California intentó fotografiar a un pulpo atacando a un cangrejo. El pulpo se abalanzó sobre su presa con tal velocidad que la película, incluso cuando se filmaba a máxima velocidad, siempre contenía grasa. ¡Esto significa que el lanzamiento duró centésimas de segundo! Normalmente, los pulpos nadan relativamente lento. Joseph Seinl, que estudió las migraciones de los pulpos, calculó: un pulpo de medio metro nada por el mar a una velocidad media de unos quince kilómetros por hora. Cada chorro de agua que sale del embudo lo empuja hacia adelante (o mejor dicho, hacia atrás, ya que el pulpo nada hacia atrás) de dos a dos metros y medio.

El movimiento del chorro también se puede encontrar en el mundo vegetal. Por ejemplo, los frutos maduros del "pepino loco", al menor contacto, rebotan en el tallo y por el agujero resultante se arroja con fuerza un líquido pegajoso con semillas. El propio pepino sale volando en dirección opuesta hasta 12 m.

Conociendo la ley de conservación del impulso, puedes cambiar tu propia velocidad de movimiento en el espacio abierto. Si estás en un bote y tienes varias piedras pesadas, lanzar piedras en una dirección determinada te moverá en la dirección opuesta. Lo mismo sucederá en el espacio exterior, pero allí se utilizan motores a reacción para ello.

Todo el mundo sabe que un disparo de arma va acompañado de retroceso. Si el peso de la bala fuera igual al peso del arma, se separarían a la misma velocidad. El retroceso se produce porque la masa de gases expulsada crea una fuerza reactiva, gracias a la cual se puede garantizar el movimiento tanto en el aire como en un espacio sin aire. Y cuanto mayor es la masa y la velocidad de los gases que fluyen, mayor es la fuerza de retroceso que siente nuestro hombro, más fuerte es la reacción del arma, mayor es la fuerza reactiva.

Aplicación de la propulsión a chorro en la tecnología.

Durante muchos siglos, la humanidad ha soñado con vuelos espaciales. Los escritores de ciencia ficción han propuesto una variedad de medios para lograr este objetivo. En el siglo XVII apareció una historia del escritor francés Cyrano de Bergerac sobre un vuelo a la luna. El héroe de esta historia llegó a la Luna en un carro de hierro, sobre el cual lanzaba constantemente un fuerte imán. Atraído por él, el carro se elevó cada vez más sobre la Tierra hasta llegar a la Luna. Y el barón Munchausen dijo que subió a la luna a lo largo de un tallo de frijol.

A finales del primer milenio d.C., China inventó la propulsión a chorro, que impulsaba cohetes: tubos de bambú llenos de pólvora, que también se utilizaban como diversión. Uno de los primeros proyectos de automóviles también fue con motor a reacción y este proyecto perteneció a Newton.

El autor del primer proyecto mundial de un avión a reacción destinado al vuelo humano fue el revolucionario ruso N.I. Kibalchich. Fue ejecutado el 3 de abril de 1881 por su participación en el intento de asesinato del emperador Alejandro II. Desarrolló su proyecto en prisión tras ser condenado a muerte. Kibalchich escribió: “Estando en prisión, unos días antes de mi muerte, estoy escribiendo este proyecto. Creo en la viabilidad de mi idea, y esta fe me sostiene en mi terrible situación... Enfrentaré la muerte con calma, sabiendo que mi idea no morirá conmigo”.

La idea de utilizar cohetes para vuelos espaciales fue propuesta a principios de este siglo por el científico ruso Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. En 1903 apareció impreso un artículo del profesor del gimnasio de Kaluga, K.E. Tsiolkovsky "Exploración de los espacios del mundo utilizando instrumentos reactivos". Este trabajo contenía la ecuación matemática más importante para la astronáutica, ahora conocida como “fórmula de Tsiolkovsky”, que describía el movimiento de un cuerpo de masa variable. Posteriormente, desarrolló un diseño para un motor de cohete de combustible líquido, propuso un diseño de cohete de múltiples etapas y expresó la idea de la posibilidad de crear ciudades espaciales enteras en órbita terrestre baja. Demostró que el único dispositivo capaz de vencer la gravedad es un cohete, es decir. un dispositivo con un motor a reacción que utiliza combustible y oxidante ubicado en el propio dispositivo.

motor a reacción Es un motor que convierte la energía química del combustible en energía cinética de un chorro de gas, mientras el motor adquiere velocidad en sentido contrario.

La idea de K.E. Tsiolkovsky fue implementada por científicos soviéticos bajo el liderazgo del académico Sergei Pavlovich Korolev. El primer satélite terrestre artificial de la historia fue lanzado mediante un cohete en la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957.

El principio de propulsión a chorro encuentra una amplia aplicación práctica en la aviación y la astronáutica. En el espacio exterior no existe ningún medio con el que un cuerpo pueda interactuar y así cambiar la dirección y la magnitud de su velocidad, por lo que para vuelos espaciales sólo se pueden utilizar aviones a reacción, es decir, cohetes.

Dispositivo cohete

El movimiento de un cohete se basa en la ley de conservación del impulso. Si en algún momento cualquier cuerpo es arrojado desde el cohete, adquirirá el mismo impulso, pero dirigido en sentido contrario.

Cualquier cohete, independientemente de su diseño, siempre tiene un proyectil y combustible con un oxidante. La carcasa del cohete incluye la carga útil (en este caso la nave espacial), el compartimento de instrumentos y el motor (cámara de combustión, bombas, etc.).

La masa principal del cohete es combustible con un oxidante (el oxidante es necesario para mantener la combustión del combustible, ya que no hay oxígeno en el espacio).

El combustible y el oxidante se suministran a la cámara de combustión mediante bombas. El combustible, cuando se quema, se convierte en un gas de alta temperatura y alta presión. Debido a la gran diferencia de presión entre la cámara de combustión y el espacio exterior, los gases de la cámara de combustión salen en un potente chorro a través de un casquillo de forma especial llamado boquilla. El objetivo de la boquilla es aumentar la velocidad del chorro.

Antes del lanzamiento del cohete, su impulso es cero. Como resultado de la interacción del gas en la cámara de combustión y todas las demás partes del cohete, el gas que se escapa a través de la boquilla recibe algún impulso. Entonces el cohete es un sistema cerrado y su impulso total debe ser cero después del lanzamiento. Por tanto, toda la carcasa del cohete que se encuentra en él recibe un impulso igual en magnitud al impulso del gas, pero de dirección opuesta.

La parte más masiva del cohete, destinada al lanzamiento y la aceleración de todo el cohete, se denomina primera etapa. Cuando la primera etapa masiva de un cohete de varias etapas agota todas sus reservas de combustible durante la aceleración, se separa. La segunda etapa, menos masiva, continúa la aceleración y agrega algo más de velocidad a la velocidad alcanzada anteriormente con la ayuda de la primera etapa, y luego se separa. La tercera etapa continúa aumentando la velocidad hasta el valor requerido y coloca la carga útil en órbita.

La primera persona en volar al espacio exterior fue un ciudadano de la Unión Soviética, Yuri Alekseevich Gagarin. 12 de abril de 1961 Dio la vuelta al mundo en el satélite Vostok.

Los cohetes soviéticos fueron los primeros en llegar a la Luna, rodearon la Luna y fotografiaron su lado invisible desde la Tierra, y fueron los primeros en llegar al planeta Venus y llevar instrumentos científicos a su superficie. En 1986, dos naves espaciales soviéticas, Vega 1 y Vega 2, examinaron de cerca el cometa Halley, que se acerca al Sol una vez cada 76 años.

Las leyes de Newton ayudan a explicar un fenómeno mecánico muy importante: propulsión reactiva. Se llama así al movimiento de un cuerpo que se produce cuando alguna parte de él se separa de él a cualquier velocidad.

Tomemos, por ejemplo, una pelota de goma para niños, la inflamos y la soltamos. Veremos que cuando el aire empiece a salir de ella en una dirección, la propia bola volará en la otra. Este es un movimiento reactivo.

Algunos representantes del mundo animal se mueven según el principio de propulsión a chorro, como los calamares y los pulpos. Al expulsar periódicamente el agua que absorben, pueden alcanzar velocidades de hasta 60-70 km/h. Las medusas, las sepias y algunos otros animales se mueven de forma similar.

También se pueden encontrar ejemplos de propulsión a chorro en el mundo vegetal. Por ejemplo, los frutos maduros de un pepino "loco", con el menor toque, rebotan en el tallo y un líquido amargo con semillas sale con fuerza por el agujero formado en el lugar del tallo separado; los propios pepinos vuelan en la dirección opuesta.

El movimiento reactivo que ocurre cuando se libera agua se puede observar en el siguiente experimento. Vierta agua en un embudo de vidrio conectado a un tubo de goma con punta en forma de L (Fig. 20). Veremos que cuando el agua comienza a salir del tubo, el propio tubo comenzará a moverse y desviarse en la dirección opuesta a la dirección del flujo de agua.

Los vuelos se basan en el principio de propulsión a chorro. misiles. Un cohete espacial moderno es un avión muy complejo que consta de cientos de miles y millones de piezas. La masa del cohete es enorme. Consiste en la masa del fluido de trabajo (es decir, gases calientes formados como resultado de la combustión del combustible y emitidos en forma de corriente en chorro) y la masa final o, como dicen, "seca" del cohete que queda después del lanzamiento. El fluido de trabajo es expulsado del cohete.

La masa “seca” de un cohete, a su vez, consiste en la masa de la estructura (es decir, el armazón del cohete, sus motores y su sistema de control) y la masa de la carga útil (es decir, el equipo científico, el cuerpo del cohete). nave espacial puesta en órbita, la tripulación y el sistema de soporte vital de la nave).

A medida que el fluido de trabajo expira, los tanques liberados, las partes sobrantes del caparazón, etc. comienzan a cargar el cohete con carga innecesaria, lo que dificulta la aceleración. Por lo tanto, para alcanzar velocidades cósmicas se utilizan cohetes compuestos (o de múltiples etapas) (Fig. 21). Al principio, en estos cohetes sólo funcionan los bloques de la primera etapa 1. Cuando se agotan las reservas de combustible, se separan y se enciende la segunda etapa 2; una vez agotado el combustible, también se separa y se enciende la tercera etapa 3. El satélite o cualquier otra nave espacial ubicada en la cabeza del cohete se cubre con un carenado de cabeza 4, cuya forma aerodinámica ayuda a reducir. Resistencia del aire cuando el cohete vuela en la atmósfera terrestre.

Cuando un chorro de gas es expulsado de un cohete a gran velocidad, el propio cohete se precipita en la dirección opuesta. ¿Por qué sucede esto?

Según la tercera ley de Newton, la fuerza F con la que el cohete actúa sobre el fluido de trabajo es igual en magnitud y de dirección opuesta a la fuerza F" con la que el fluido de trabajo actúa sobre el cuerpo del cohete:

La fuerza F" (que se llama fuerza reactiva) acelera el cohete.

De la igualdad (10.1) se deduce que el impulso impartido al cuerpo es igual al producto de la fuerza por el tiempo de su acción. Por tanto, fuerzas iguales que actúan durante el mismo tiempo imparten impulsos iguales a los cuerpos. En este caso, el impulso m p v p adquirido por el cohete debe corresponder al impulso m gas v gas de los gases expulsados:

m ð v ð = m gas v gas

De ello se deduce que la velocidad del cohete

Analicemos la expresión resultante. Vemos que la velocidad del cohete es mayor cuanto mayor es la velocidad de los gases emitidos y mayor es la relación entre la masa del fluido de trabajo (es decir, la masa del combustible) y la masa final (“seca”) de el cohete.

La fórmula (12.2) es aproximada. No se tiene en cuenta que a medida que se quema el combustible, la masa del cohete volador es cada vez menor. La fórmula exacta para la velocidad de un cohete fue obtenida por primera vez en 1897 por K. E. Tsiolkovsky y por eso lleva su nombre.

La fórmula de Tsiolkovsky permite calcular las reservas de combustible necesarias para impartir una determinada velocidad al cohete. La Tabla 3 muestra la relación entre la masa inicial del cohete m0 y su masa final m, correspondiente a diferentes velocidades del cohete a una velocidad del chorro de gas (con respecto al cohete) v = 4 km/s.

Por ejemplo, para impartir a un cohete una velocidad que exceda la velocidad del flujo de gas en 4 veces (v p = 16 km/s), es necesario que la masa inicial del cohete (incluido el combustible) supere la final ("seca") masa del cohete en 55 veces (m 0 /m = 55). Esto significa que la mayor parte de la masa total del cohete en el momento del lanzamiento debería ser la masa de combustible. En comparación, la carga útil debería tener una masa muy pequeña.

Un contemporáneo de K. E. Tsiolkovsky, el científico ruso I. V. Meshchersky (1859-1935), hizo una contribución importante al desarrollo de la teoría de la propulsión a chorro. La ecuación de movimiento de un cuerpo de masa variable lleva su nombre.

1. ¿Qué es la propulsión a chorro? Dar ejemplos. 2. En el experimento que se muestra en la Figura 22, cuando el agua fluye a través de tubos curvos, el balde gira en la dirección indicada por la flecha. Explica el fenómeno. 3. ¿Qué determina la velocidad que adquiere un cohete después de la combustión del combustible?

>>Física: Propulsión a chorro

Las leyes de Newton ayudan a explicar un fenómeno mecánico muy importante: propulsión reactiva. Se llama así al movimiento de un cuerpo que se produce cuando alguna parte de él se separa de él a cualquier velocidad.

Tomemos, por ejemplo, una pelota de goma para niños, la inflamos y la soltamos. Veremos que cuando el aire empiece a salir de ella en una dirección, la propia bola volará en la otra. Este es un movimiento reactivo.

Algunos representantes del mundo animal se mueven según el principio de propulsión a chorro, como los calamares y los pulpos. Al expulsar periódicamente el agua que absorben, pueden alcanzar velocidades de hasta 60-70 km/h. Las medusas, las sepias y algunos otros animales se mueven de forma similar.

También se pueden encontrar ejemplos de propulsión a chorro en el mundo vegetal. Por ejemplo, los frutos maduros de un pepino "loco", con el más ligero toque, rebotan en el tallo y por el agujero formado en el lugar del tallo desprendido, se arroja con fuerza un líquido amargo con semillas, mientras los propios pepinos vuelan. en dirección contraria.

El movimiento reactivo que ocurre cuando se libera agua se puede observar en el siguiente experimento. Vierta agua en un embudo de vidrio conectado a un tubo de goma con punta en forma de L (Fig. 20). Veremos que cuando el agua comienza a salir del tubo, el propio tubo comenzará a moverse y desviarse en la dirección opuesta a la dirección del flujo de agua.

Los vuelos se basan en el principio de propulsión a chorro. misiles. Un cohete espacial moderno es un avión muy complejo que consta de cientos de miles y millones de piezas. La masa del cohete es enorme y se compone de la masa del fluido de trabajo (es decir, gases calientes formados como resultado de la combustión del combustible y emitidos en forma de corriente en chorro) y el final o, como dicen, “seco”. ”masa del cohete que queda después de que el fluido de trabajo es expulsado del cohete.

La masa "seca" de un cohete, a su vez, se compone de la masa de la estructura (es decir, la carcasa del cohete, sus motores y su sistema de control) y la masa de la carga útil (es decir, el equipo científico, el cuerpo de la nave espacial puesta en órbita). , la tripulación y el sistema de soporte vital del barco).

A medida que el fluido de trabajo expira, los tanques liberados, las partes sobrantes del caparazón, etc. comienzan a cargar el cohete con carga innecesaria, lo que dificulta la aceleración. Por lo tanto, para alcanzar velocidades cósmicas se utilizan cohetes compuestos (o de múltiples etapas) (Fig. 21). Al principio, en estos cohetes sólo funcionan los bloques de la primera etapa 1. Cuando se agotan las reservas de combustible, se separan y se enciende la segunda etapa 2; una vez agotado el combustible, también se separa y se enciende la tercera etapa 3. El satélite o cualquier otra nave espacial ubicada en la cabeza del cohete se cubre con un carenado de cabeza 4, cuya forma aerodinámica ayuda a reducir. Resistencia del aire cuando el cohete vuela en la atmósfera terrestre.

Cuando un chorro de gas es expulsado de un cohete a gran velocidad, el propio cohete se precipita en la dirección opuesta. ¿Por qué sucede esto?

Según la tercera ley de Newton, la fuerza F con la que el cohete actúa sobre el fluido de trabajo es igual en magnitud y de dirección opuesta a la fuerza F" con la que el fluido de trabajo actúa sobre el cuerpo del cohete:
F" = F (12.1)
La fuerza F" (que se llama fuerza reactiva) acelera el cohete.

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Terminado:
Alumno
Grupos 1-121
Okuneva Alena
Comprobado:
P.L.Vineaminovna

ciudad perevoz
2011
Contenido:

Introducción: ¿Qué es la propulsión a chorro………………………………………………………… …..……………………………………..3
Ley de conservación del impulso……………………………………………………………….4
Aplicación de la propulsión a chorro en la naturaleza…………………………..….…...5
Aplicación de la propulsión a chorro en la tecnología…….……………………...…..….….6
Propulsión a chorro “Misil intercontinental”…………..…………...…7
Bases físicas del funcionamiento de un motor a reacción...................... .................... 8
Clasificación de motores a reacción y características de su uso…………………………………………………………………………………….………….…….9
Características del diseño y creación de un avión…..…10
Conclusión………………………………………………………………………………………….11
Lista de referencias…………………………………………………… …..12

"Propulsión reactiva"
El movimiento reactivo es el movimiento de un cuerpo provocado por la separación de una parte del mismo a una determinada velocidad. El movimiento del jet se describe basándose en la ley de conservación del impulso.
La propulsión a chorro, que ahora se utiliza en aviones, cohetes y naves espaciales, es característica de los pulpos, calamares, sepias y medusas; todos, sin excepción, utilizan la reacción (retroceso) de una corriente de agua expulsada para nadar.
También se pueden encontrar ejemplos de propulsión a chorro en el mundo vegetal.
En los países del sur crece una planta llamada "pepino loco". Tan pronto como se toca ligeramente una fruta madura, similar a un pepino, rebota en el tallo y, a través del agujero resultante, sale líquido con semillas de la fruta como una fuente a una velocidad de hasta 10 m/s.

Los propios pepinos vuelan en la dirección opuesta. El pepino loco (también llamado “pistola de damas”) dispara a más de 12 m.

"Ley de conservación del impulso"
En un sistema cerrado, la suma vectorial de los impulsos de todos los cuerpos incluidos en el sistema permanece constante para cualquier interacción de los cuerpos de este sistema entre sí.
Esta ley fundamental de la naturaleza se llama ley de conservación del impulso. Es una consecuencia de la segunda y tercera leyes de Newton. Consideremos dos cuerpos que interactúan y que forman parte de un sistema cerrado.
Denotamos las fuerzas de interacción entre estos cuerpos por y Según la tercera ley de Newton Si estos cuerpos interactúan durante el tiempo t, entonces los impulsos de las fuerzas de interacción son iguales en magnitud y están dirigidos en direcciones opuestas: apliquemos la segunda ley de Newton a estos cuerpos :

"Aplicación de la propulsión a chorro en la naturaleza"
Muchos moluscos utilizan la propulsión a chorro: pulpos, calamares y sepias. Por ejemplo, un molusco de vieira avanza debido a la fuerza reactiva de una corriente de agua expulsada de su caparazón durante una fuerte compresión de sus válvulas.

Pulpo
La sepia, como la mayoría de los cefalópodos, se mueve en el agua de la siguiente manera. Ella lleva agua a la cavidad branquial a través de una hendidura lateral y un embudo especial frente al cuerpo, y luego arroja enérgicamente un chorro de agua a través del embudo. La sepia dirige el tubo del embudo hacia un lado o hacia atrás y, exprimiendo rápidamente el agua, puede moverse en diferentes direcciones.
La salpa es un animal marino de cuerpo transparente; al moverse, recibe agua por la abertura frontal, y el agua ingresa a una amplia cavidad, en cuyo interior se estiran las branquias en diagonal. Tan pronto como el animal toma un gran sorbo de agua, el agujero se cierra. Luego, los músculos longitudinales y transversales de la salpa se contraen, todo el cuerpo se contrae y el agua sale a través de la abertura posterior. La reacción del chorro que escapa empuja a la salpa hacia adelante. El mayor interés es el motor a reacción del calamar. El calamar es el habitante invertebrado más grande de las profundidades del océano. Los calamares han alcanzado la mayor perfección en la navegación a reacción. Incluso su cuerpo, con su forma exterior, copia un cohete. Conociendo la ley de conservación del impulso, puedes cambiar tu propia velocidad de movimiento en el espacio abierto. Si estás en un bote y tienes varias piedras pesadas, lanzar piedras en una dirección determinada te moverá en la dirección opuesta. Lo mismo sucederá en el espacio exterior, pero allí se utilizan motores a reacción para ello.

"Aplicación de la propulsión a chorro en la tecnología"
A finales del primer milenio d.C., China inventó la propulsión a chorro, que impulsaba cohetes: tubos de bambú llenos de pólvora, que también se utilizaban como diversión. Uno de los primeros proyectos de automóviles también fue con motor a reacción y este proyecto perteneció a Newton.
El autor del primer proyecto mundial de un avión a reacción destinado al vuelo humano fue el revolucionario ruso N.I. Kibalchich. Fue ejecutado el 3 de abril de 1881 por su participación en el intento de asesinato del emperador Alejandro II. Desarrolló su proyecto en prisión tras ser condenado a muerte. Kibalchich escribió: “Estando en prisión, unos días antes de mi muerte, estoy escribiendo este proyecto. Creo en la viabilidad de mi idea, y esta fe me sostiene en mi terrible situación... Enfrentaré la muerte con calma, sabiendo que mi idea no morirá conmigo”.
La idea de utilizar cohetes para vuelos espaciales fue propuesta a principios de este siglo por el científico ruso Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. En 1903 apareció impreso un artículo del profesor del gimnasio de Kaluga, K.E. Tsiolkovsky "Exploración de los espacios del mundo utilizando instrumentos reactivos". Este trabajo contenía la ecuación matemática más importante para la astronáutica, ahora conocida como “fórmula de Tsiolkovsky”, que describía el movimiento de un cuerpo de masa variable. Posteriormente, desarrolló un diseño para un motor de cohete de combustible líquido, propuso un diseño de cohete de múltiples etapas y expresó la idea de la posibilidad de crear ciudades espaciales enteras en órbita terrestre baja. Demostró que el único dispositivo capaz de vencer la gravedad es un cohete, es decir. un dispositivo con un motor a reacción que utiliza combustible y oxidante ubicado en el propio dispositivo. Los cohetes soviéticos fueron los primeros en llegar a la Luna, rodearon la Luna y fotografiaron su lado invisible desde la Tierra, y fueron los primeros en llegar al planeta Venus y llevar instrumentos científicos a su superficie. En 1986, dos naves espaciales soviéticas, Vega 1 y Vega 2, examinaron de cerca el cometa Halley, que se acerca al Sol una vez cada 76 años.

Propulsión a chorro "Misil intercontinental"
La humanidad siempre ha soñado con viajar al espacio. Los escritores (escritores de ciencia ficción, científicos, soñadores) propusieron una variedad de medios para lograr este objetivo. Pero durante muchos siglos, ni un solo científico o escritor de ciencia ficción ha podido inventar el único medio a disposición del hombre con el que superar la fuerza de la gravedad y volar al espacio. K. E. Tsiolkovsky es el fundador de la teoría de los vuelos espaciales.
Por primera vez, el científico ruso Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935) acercó los sueños y aspiraciones de muchas personas a la realidad, quien demostró que el único dispositivo capaz de vencer la gravedad es un cohete, presentó por primera vez. evidencia científica de la posibilidad de utilizar un cohete para vuelos al espacio exterior, más allá de la atmósfera terrestre y a otros planetas del sistema solar. Tsoilkovsky llamó cohete a un dispositivo con un motor a reacción que utiliza combustible y oxidante.
Como sabes por el curso de física, un disparo de arma va acompañado de retroceso. Según las leyes de Newton, una bala y un arma volarían en diferentes direcciones a la misma velocidad si tuvieran la misma masa. La masa de gases expulsada crea una fuerza reactiva, gracias a la cual se puede asegurar el movimiento, tanto en el aire como en un espacio sin aire, y por tanto se produce un retroceso. Cuanto mayor es la fuerza de retroceso que siente nuestro hombro, mayor es la masa y la velocidad de los gases que se escapan y, por tanto, cuanto más fuerte es la reacción del arma, mayor es la fuerza reactiva. Estos fenómenos se explican por la ley de conservación del momento:
la suma vectorial (geométrica) de los impulsos de los cuerpos que componen un sistema cerrado permanece constante para cualquier movimiento e interacción de los cuerpos del sistema.
La fórmula presentada por Tsiolkovsky es la base sobre la que se basa todo el cálculo de los misiles modernos. El número de Tsiolkovsky es la relación entre la masa de combustible y la masa del cohete al final del funcionamiento del motor, con respecto al peso del cohete vacío.
Así, encontramos que la velocidad máxima alcanzable del cohete depende principalmente de la velocidad del flujo de gas desde la boquilla. Y el caudal de los gases de la boquilla, a su vez, depende del tipo de combustible y de la temperatura del chorro de gas. Esto significa que cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la velocidad. Luego, para un cohete real, es necesario seleccionar el combustible con mayor contenido calórico que produzca la mayor cantidad de calor. La fórmula muestra que, entre otras cosas, la velocidad del cohete depende de la masa inicial y final del cohete, de qué parte de su peso es combustible y qué parte es inútil (desde el punto de vista de la velocidad de vuelo). estructuras: cuerpo, mecanismos, etc. d.
La principal conclusión de esta fórmula de Tsiolkovsky para determinar la velocidad de un cohete espacial es que en un espacio sin aire el cohete se desarrollará cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la velocidad de salida del gas y mayor será el número de Tsiolkovsky.

"Bases físicas del funcionamiento de un motor a reacción"
Los potentes motores a reacción modernos de varios tipos se basan en el principio de reacción directa, es decir, el principio de crear una fuerza motriz (o empuje) en forma de reacción (retroceso) de una corriente de "sustancia de trabajo" que fluye desde el motor, generalmente gases calientes. En todos los motores existen dos procesos de conversión de energía. Primero, la energía química del combustible se convierte en energía térmica de los productos de combustión y luego la energía térmica se utiliza para realizar trabajo mecánico. Estos motores incluyen motores de pistón de automóviles, locomotoras diésel, turbinas de vapor y gas de centrales eléctricas, etc. Una vez generados en un motor térmico gases calientes que contienen una gran energía térmica, esta energía debe convertirse en energía mecánica. Al fin y al cabo, los motores sirven para realizar un trabajo mecánico, para “mover” algo, para ponerlo en marcha, ya sea una dinamo, si se les pide que se complementen con dibujos de una central eléctrica, de una locomotora diésel, de un automóvil o de un avión. Para que la energía térmica de los gases se transforme en energía mecánica, su volumen debe aumentar. Con tal expansión, los gases realizan un trabajo que consume su energía interna y térmica.
La boquilla de chorro puede tener diferentes formas y, además, diferentes diseños según el tipo de motor. Lo principal es la velocidad a la que los gases salen del motor. Si esta velocidad de salida no excede la velocidad con la que se propagan las ondas sonoras en los gases que salen, entonces la boquilla es una simple sección de tubería cilíndrica o cónica. Si la velocidad de salida excede la velocidad del sonido, entonces la boquilla tiene forma de tubo que se expande o primero se estrecha y luego se expande (boquilla Lavl). Sólo en una tubería de esta forma, como lo demuestran la teoría y la experiencia, es posible acelerar el gas a velocidades supersónicas y superar la "barrera del sonido".

"Clasificación de motores a reacción y características de su uso".
Sin embargo, este poderoso tronco, el principio de reacción directa, dio origen a una enorme copa del "árbol genealógico" de la familia de los motores a reacción. Familiarizarse con las ramas principales de su copa, coronando el “tronco” de reacción directa. Pronto, como se puede ver en la imagen (ver más abajo), este tronco se divide en dos partes, como si lo hubiera partido un rayo. Ambos nuevos baúles están igualmente decorados con poderosas coronas. Esta división se produjo porque todos los motores a reacción “químicos” se dividen en dos clases dependiendo de si utilizan aire ambiente para su funcionamiento o no.
En un motor sin compresor de otro tipo, el de flujo directo, ni siquiera existe esta rejilla de válvulas y la presión en la cámara de combustión aumenta como resultado de la presión de alta velocidad, es decir, frenando el flujo de aire que ingresa al motor en vuelo. Está claro que un motor de este tipo sólo puede funcionar cuando el avión ya está volando a una velocidad suficientemente alta y no desarrollará empuje cuando esté estacionado; Pero a una velocidad muy alta, 4 o 5 veces la velocidad del sonido, un motor estatorreactor desarrolla un empuje muy alto y consume menos combustible que cualquier otro motor a reacción "químico" en estas condiciones. Por eso los motores ramjet.
etc.............