Грунтуючись на законі збереження імпульсу. Реактивний рух. Ракети. До заняття прикріплений файл "Це цікаво!". Ви можете завантажити файл у будь-який зручний для вас час

Розглянемо кілька прикладів, що підтверджують справедливість закону збереження імпульсу.

Напевно багато хто з вас спостерігав, як починає рухатися надута повітрям повітряна кулька, якщо розв'язати нитку, що стягує її отвір.

Пояснити це можна за допомогою закону збереження імпульсу.

Поки отвір кульки зав'язаний, кулька з стисненим повітрям, що знаходиться в ній, спочиває, і його імпульс дорівнює нулю.

При відкритому отворі з нього з великою швидкістю виривається струмінь стисненого повітря. Повітря, що рухається, володіє деяким імпульсом, спрямованим у бік його руху.

Відповідно до чинного в природі закону збереження імпульсу, сумарний імпульс системи, що складається з двох тіл - кульки і повітря в ньому, повинен залишитися таким самим, яким був до початку закінчення повітря, тобто рівним нулю. Тому кулька починає рухатися в протилежний струмінь повітря бік з такою швидкістю, що його імпульс дорівнює модулю імпульсу повітряного струменя. Вектори імпульсів кульки та повітря спрямовані у протилежні сторони. В результаті сумарний імпульс тіл, що взаємодіють, залишається рівним нулю.

Рух кульки є прикладом реактивного руху. Реактивний рух відбувається за рахунок того, що від тіла відокремлюється і рухається якась його частина, внаслідок чого саме тіло набуває протилежно спрямованого імпульсу.

На принципі реактивного руху засновано обертання пристрою, званого сегнеровим колесом (рис. 46). Вода, що з судини конічної формичерез сполучену з ним вигнуту трубку, обертає посудину в напрямку, протилежному швидкості води в струменях. Отже, реактивну дію не тільки струмінь газу, а й струмінь рідини.

Мал. 46. ​​Демонстрація реактивного руху за допомогою сегнерового колеса

Реактивний рух використовують для свого переміщення і деякі живі істоти, наприклад восьминоги, кальмари, каракатиці та інші головоногі молюски(Рис. 47). Рухаються вони завдяки тому, що всмоктують, а потім із силою виштовхують із себе воду. Існує навіть різновид кальмарів, які за допомогою своїх «реактивних двигунів» можуть не тільки плавати у воді, а й на короткий час вилітати з неї, щоб швидше наздогнати видобуток або врятуватися від ворогів.

Мал. 47. Реактивний рух для свого переміщення використовують головоногі молюски: а - каракатиця; б – кальмар; в - восьминіг

Ви знаєте, що принцип реактивного руху знаходить широке практичне застосуванняв авіації та космонавтиці. У космічному просторі немає середовища, з яким тіло могло б взаємодіяти і тим самим змінювати напрямок та модуль своєї швидкості. Тому для космічних польотів можуть бути використані лише реактивні літальні апарати, Тобто ракети.

Старт ракети-носія з космічним кораблем "Союз"

Розглянемо питання про влаштування та запуск так званих ракет-носіїв, тобто ракет, призначених для виведення в космос штучних супутниківЗемлі, космічних кораблів, автоматичних міжпланетних станцій та інших корисних вантажів.

У будь-якій ракеті, незалежно від її конструкції, завжди є оболонка та паливо з окислювачем. На малюнку 48 зображено ракету в розрізі. Ми бачимо, що оболонка ракети включає корисний вантаж (в даному випадку це космічний корабель 1), приладовий відсік 2 і двигун (камера згоряння 6, насоси 5 і ін.).

Мал. 48. Схема ракети

Основну масу ракети становить паливо 4 з окислювачем 3 (окислювач необхідний підтримки горіння палива, оскільки у космосі немає кисню).

Паливо та окислювач за допомогою насосів подаються до камери згоряння. Паливо, згоряючи, перетворюється на газ високої температуриі високого тиску, який потужним струменем спрямовується назовні через розтруб спеціальної форми, званий соплом 7. Призначення сопла полягає в тому, щоб підвищити швидкість струменя.

З якою метою збільшують швидкість виходу струменя газу? Справа в тому, що від цієї швидкості залежить швидкість ракети. Це можна показати за допомогою закону збереження імпульсу.

Оскільки до старту імпульс ракети дорівнював нулю, то за законом збереження сумарний імпульс оболонки, що рухається, і газу, що викидається з неї, теж повинен дорівнювати нулю. Звідси випливає, що імпульс оболонки та спрямований протилежно йому імпульс струменя газу повинні дорівнювати модулю. Значить, чим із більшою швидкістю виривається газ із сопла, тим більшою буде швидкість оболонки ракети.

Крім швидкості закінчення газу існують інші чинники, від яких залежить швидкість руху ракети.

Ми розглянули пристрій і принцип дії одноступінчастої ракети, де під ступенем мається на увазі та частина, що містить баки з пальним та окислювачем та двигун. У практиці космічних польотів зазвичай використовують багатоступінчасті ракети, що розвивають набагато більші швидкості та призначені для більш далеких польотів, ніж одноступінчасті.

На малюнку 49 показано схему триступеневої ракети. Після того, як паливо і окислювач першого ступеня будуть повністю витрачені, цей ступінь автоматично відкидається і в дію вступає двигун другого ступеня.

Мал. 49. Схема триступеневої ракети

Зменшення загальної маси ракети шляхом відкидання вже непотрібного ступеня дозволяє заощадити паливо та окислювач та збільшити швидкість ракети. Потім так само відкидається другий ступінь.

Якщо повернення космічного корабля на Землю або його посадка на будь-яку іншу планету не планується, то третій ступінь, як і два перших, використовується для збільшення швидкості ракети. Якщо ж корабель повинен здійснити посадку, вона використовується для гальмування корабля перед посадкою. При цьому ракету розвертають на 180 °, щоб сопло виявилося попереду. Тоді газ, що виривається з ракети, повідомляє їй імпульс, спрямований проти швидкості її руху, що призводить до зменшення швидкості і дає можливість здійснити посадку.

Костянтин Едуардович Ціолковський (1857-1935)
Російський вчений і винахідник у галузі аеродинаміки, ракетодинаміки, теорії літака та дирижабля. Основоположник теоретичної космонавтики

Ідею використання ракет для космічних польотів було висунуто на початку XX ст. російським вченим та винахідником Костянтином Едуардовичем Ціолковським. Ціолковський розробив теорію руху ракет, вивів формулу для розрахунку їхньої швидкості, був першим, хто запропонував використовувати багатоступінчасті ракети.

Через півстоліття ідея Ціолковського була розвинена і реалізована радянськими вченими під керівництвом Сергія Павловича Корольова.

Сергій Павлович Корольов (1907-1966)
Радянський вчений, конструктор ракетно-космічних систем. Засновник практичної космонавтики

Запитання

1. Грунтуючись на законі збереження імпульсу, поясніть, чому повітряна кулька рухається протилежно струменю стисненого повітря, що виходить з нього.
2. Наведіть приклади реактивного руху тел.
3. Яке призначення ракет? Розкажіть про пристрій та принцип дії ракети.
4. Від чого залежить швидкість ракети?
5. У чому полягає перевага багатоступінчастих ракет перед одноступінчастими?
6. Як здійснюється посадка космічного корабля?

Вправа 21

1. З човна, що рухається зі швидкістю 2 м/с, людина кидає весло масою 5 кг із горизонтальною швидкістю 8 м/с протилежно руху човна. З якою швидкістю став рухатися човен після кидка, якщо його маса разом із людиною дорівнює 200 кг?
2. Яку швидкість отримає модель ракети, якщо маса її оболонки дорівнює 300 г, маса пороху в ній 100 г, а гази вириваються із сопла зі швидкістю 100 м/с? (Вважайте закінчення газу з сопла миттєвим.)
3. На якому обладнанні та як проводиться досвід, зображений на малюнку 50? Яке фізичне явищеу разі демонструється, у чому полягає і який фізичний закон є основою цього явища?

   Примітка:гумова трубка була розташована вертикально доти, доки через неї не почали пропускати воду.

4. Зробіть досвід, зображений на малюнку 50. Коли гумова трубка максимально відхилиться від вертикалі, перестаньте лити воду у вирву. Поки вода, що залишилася в трубці, витікає, поспостерігайте, як буде змінюватися: а) дальність польоту води в струмені (щодо отвору в скляній трубці); б) положення гумової трубки. Поясніть обидві зміни.

Мал. 50

Запитання.

1. Грунтуючись на законі збереження імпульсу, поясніть, чому повітряна кулька рухається протилежно струменем стисненого повітря.

2. Наведіть приклади реактивного руху тел.

У природі як приклад можна навести реактивний рух у рослин: дозрілі плоди скаженого огірка; і тварин: кальмари, восьминоги, медузи, каракатиці та ін. (Тварини пересуваються, викидаючи всмоктувану ними воду). У техніці найпростішим прикладом реактивного руху є сегнерове колесо, більше складними прикладамиє: рух ракет (космічних, порохових, військових), водних засобів з водометним двигуном (гідромотоциклів, катерів, теплоходів), повітряних засобів з повітряно- реактивним двигуном (реактивних літаків).

3. Яке призначення ракет?

Ракети використовуються у різних галузях науки і техніки: у військовій справі, у наукових дослідженнях, у космонавтиці, у спорті та розвагах.

4. Користуючись малюнком 45, перерахуйте основні частини будь-якої космічної ракети.

Космічний корабель, відсік для приладів, бак з окислювачем, бак з пальним, насоси, камера згоряння, сопло.

5. Опишіть принцип ракети.

Відповідно до закону збереження імпульсу ракета летить за рахунок того, що з неї виштовхуються з великою швидкістю гази, що мають певний імпульс, і ракеті повідомляється імпульс такої ж величини, але спрямований у протилежний бік. Гази викидаються через сопло, в якому згоряє паливо, досягаючи при цьому високої температури і тиску. У сопло надходять паливо та окислювач, що нагнітаються туди насосами.

6. Від чого залежить швидкість ракети?

Швидкість ракети залежить в першу чергу від швидкості витікання газів та маси ракети. Швидкість закінчення газів залежить від типу палива та типу окислювача. Маса ракети залежить наприклад від того яку швидкість їй хочуть повідомити або від того, як далеко вона повинна полетіти.

7. У чому полягає перевага багатоступінчастих ракет перед одноступінчастими?

Багатоступінчасті ракети здатні розвивати велику швидкість і летіти далі за одноступінчасті.

8. Як здійснюється посадка космічного корабля?

Посадка космічного корабля здійснюється таким чином, щоб його швидкість з наближенням до поверхні знижувалася. Це досягається використанням гальмівної системи, в ролі якої може виступати або парашутна система гальмування або гальмування може бути здійснено за допомогою ракетного двигуна, при цьому сопло спрямовується вниз (Землю, Місяцю і т.д.), за рахунок чого гаситься швидкість.

Вправи.

1. З човна, що рухається зі швидкістю 2 м/с, людина кидає весло масою 5 кг із горизонтальною швидкістю 8 м/с протилежно руху човна. З якою швидкістю став рухатися човен після кидка, якщо його маса разом із масою людини дорівнює 200 кг?

2. Яку швидкість отримає модель ракети, якщо маса її оболонки дорівнює 300 г, маса пороху в ній 100 г, а гази вириваються із сопла зі швидкістю 100 м/с? (Вважайте закінчення газу з сопла миттєвим).

3. На якому обладнанні та як проводиться досвід, зображений на малюнку 47? Яке фізичне явище в цьому випадку демонструється, в чому воно полягає і який фізичний закон лежить в основі цього явища?
Примітка:гумова трубка була розташована вертикально доти, доки через неї не почали пропускати воду.

На штатив за допомогою тримача прикріпили вирву з приєднаною до неї знизу гумовою трубкою з викривленою насадкою на кінці, а знизу розмістили лоток. Потім зверху, у вирву з ємності стали лити воду, при цьому вода виливалася з трубки в лоток, а сама трубка вертикального положення змістилася. Цей досвід є ілюстрацією реактивного руху, заснованого на законі збереження імпульсу.

4. Зробіть досвід, зображений на малюнку 47. Коли гумова трубка максимально відхилиться від вертикалі, перестаньте лити воду у вирву. Поки вода, що залишилася в трубці, витікає, поспостерігайте, як буде змінюватися: а) дальність польоту води в струмені (щодо отвору в скляній трубці); б) положення гумової трубки. Поясніть обидві зміни.

а) дальність польоту води в струмені зменшуватиметься; б) у міру витікання води трубка буде наближатися до горизонтального положення. Ці явища пов'язані з тим, що тиск води в трубці зменшуватиметься, а отже, і імпульс з яким викидається вода.

Розглянемо кілька прикладів, що підтверджують справедливість закону збереження імпульсу.

Напевно багато хто з вас спостерігав, як починає рухатися надута повітрям повітряна кулька, якщо розв'язати нитку, що стягує її отвір.

Пояснити це можна за допомогою закону збереження імпульсу.

Поки отвір кульки зав'язаний, кулька з стисненим повітрям, що знаходиться в ній, спочиває, і його імпульс дорівнює нулю.

При відкритому отворі з нього з великою швидкістю виривається струмінь стисненого повітря. Повітря, що рухається, володіє деяким імпульсом, спрямованим у бік його руху.

Відповідно до чинного в природі закону збереження імпульсу, сумарний імпульс системи, що складається з двох тіл - кульки і повітря в ньому, повинен залишитися таким самим, яким був до початку закінчення повітря, тобто рівним нулю. Тому кулька починає рухатися в протилежний струмінь повітря бік з такою швидкістю, що його імпульс дорівнює модулю імпульсу повітряного струменя. Вектори імпульсів кульки та повітря спрямовані у протилежні сторони. В результаті сумарний імпульс тіл, що взаємодіють, залишається рівним нулю.

Рух кульки є прикладом реактивного руху. Реактивний рух відбувається за рахунок того, що від тіла відокремлюється і рухається якась його частина, внаслідок чого саме тіло набуває протилежно спрямованого імпульсу.

На принципі реактивного руху засновано обертання пристрою, званого сегнеровим колесом (рис.). Вода, що випливає з судини конічної форми через сполучену з ним вигнуту трубку, обертає судину в напрямку, протилежному швидкості води в струменях. Отже, реактивну дію не тільки струмінь газу, а й струмінь рідини.

Мал. Демонстрація реактивного руху за допомогою сегнерового колеса

Реактивний рух використовують для свого переміщення і деякі живі істоти, наприклад, восьминоги, кальмари, каракатиці та інші головоногі молюски (рис.). Рухаються вони завдяки тому, що всмоктують, а потім із силою виштовхують із себе воду. Існує навіть різновид кальмарів, які за допомогою своїх «реактивних двигунів» можуть не тільки плавати у воді, а й на короткий час вилітати з неї, щоб швидше наздогнати видобуток або врятуватися від ворогів.

Мал. Реактивний рух для свого переміщення використовують головоногі молюски: а - каракатиця; б - кальмар; в - восьминіг

Ви знаєте, що принцип реактивного руху знаходить широке практичне застосування в авіації та космонавтиці. У космічному просторі немає середовища, з яким тіло могло б взаємодіяти і тим самим змінювати напрямок та модуль своєї швидкості. Тому для космічних польотів можуть бути використані лише реактивні літальні апарати, тобто ракети.

Старт ракети-носія з космічним кораблем "Союз"

Розглянемо питання про влаштування та запуск так званих ракет-носіїв, тобто ракет, призначених для виведення в космос штучних супутників Землі, космічних кораблів, автоматичних міжпланетних станцій та інших корисних вантажів.

У будь-якій ракеті, незалежно від її конструкції, завжди є оболонка та паливо з окислювачем. На малюнку зображено ракету в розрізі. Ми бачимо, що оболонка ракети включає корисний вантаж (в даному випадку це космічний корабель 1), приладовий відсік 2 і двигун (камера згоряння 6, насоси 5 і ін.).

Мал. Схема ракети

Основну масу ракети становить паливо 4 з окислювачем 3 (окислювач необхідний підтримки горіння палива, оскільки у космосі немає кисню).

Паливо та окислювач за допомогою насосів подаються до камери згоряння. Паливо, згоряючи, перетворюється на газ високої температури і високого тиску, який потужним струменем спрямовується назовні через розтруб спеціальної форми, званий соплом 7. Призначення сопла полягає в тому, щоб підвищити швидкість струменя.

З якою метою збільшують швидкість виходу струменя газу? Справа в тому, що від цієї швидкості залежить швидкість ракети. Це можна показати за допомогою закону збереження імпульсу.

Оскільки до старту імпульс ракети дорівнював нулю, то за законом збереження сумарний імпульс оболонки, що рухається, і газу, що викидається з неї, теж повинен дорівнювати нулю. Звідси випливає, що імпульс оболонки та спрямований протилежно йому імпульс струменя газу повинні дорівнювати модулю. Значить, чим із більшою швидкістю виривається газ із сопла, тим більшою буде швидкість оболонки ракети.

Крім швидкості закінчення газу існують інші чинники, від яких залежить швидкість руху ракети.

Ми розглянули пристрій і принцип дії одноступінчастої ракети, де під ступенем мається на увазі та частина, що містить баки з пальним та окислювачем та двигун. У практиці космічних польотів зазвичай використовують багатоступінчасті ракети, що розвивають набагато більші швидкості та призначені для більш далеких польотів, ніж одноступінчасті.

На малюнку показано схему триступеневої ракети. Після того, як паливо і окислювач першого ступеня будуть повністю витрачені, цей ступінь автоматично відкидається і в дію вступає двигун другого ступеня.

Мал. Схема триступеневої ракети

Зменшення загальної маси ракети шляхом відкидання вже непотрібного ступеня дозволяє заощадити паливо та окислювач та збільшити швидкість ракети. Потім так само відкидається другий ступінь.

Якщо повернення космічного корабля на Землю або його посадка на будь-яку іншу планету не планується, то третій ступінь, як і два перших, використовується для збільшення швидкості ракети. Якщо ж корабель повинен здійснити посадку, вона використовується для гальмування корабля перед посадкою. При цьому ракету розвертають на 180 °, щоб сопло виявилося попереду. Тоді газ, що виривається з ракети, повідомляє їй імпульс, спрямований проти швидкості її руху, що призводить до зменшення швидкості і дає можливість здійснити посадку.

Костянтин Едуардович Ціолковський (1857-1935)
Російський вчений і винахідник у галузі аеродинаміки, ракетодинаміки, теорії літака та дирижабля. Основоположник теоретичної космонавтики

Ідею використання ракет для космічних польотів було висунуто на початку XX ст. російським вченим та винахідником Костянтином Едуардовичем Ціолковським. Ціолковський розробив теорію руху ракет, вивів формулу для розрахунку їхньої швидкості, був першим, хто запропонував використовувати багатоступінчасті ракети.

Через півстоліття ідея Ціолковського була розвинена і реалізована радянськими вченими під керівництвом Сергія Павловича Корольова.

Сергій Павлович Корольов (1907-1966)
Радянський вчений, конструктор ракетно-космічних систем. Засновник практичної космонавтики

Домашня робота.

Завдання 1. Відповідай на запитання.

1. Грунтуючись на законі збереження імпульсу, поясніть, чому повітряна кулька рухається протилежно струменю стисненого повітря, що виходить з нього.
2. Наведіть приклади реактивного руху тел.
3. Яке призначення ракет? Розкажіть про пристрій та принцип дії ракети.
4. Від чого залежить швидкість ракети?
5. У чому полягає перевага багатоступінчастих ракет перед одноступінчастими?
6. Як здійснюється посадка космічного корабля?

Завдання 2. Розв'яжи ребус.

До заняття прикріплений файл "Це цікаво!". Ви можете завантажити файл у будь-який зручний для вас час.

Використані джерела: http://www.tepka.ru/fizika_9/21.html