Rachete. Propulsie cu reacție

Să luăm în considerare câteva exemple care confirmă validitatea legii conservării impulsului.

Cu siguranță mulți dintre voi ați urmărit cum se umfla aerul balon, dacă dezlegați firul care îi strânge orificiul.

Acest fenomen poate fi explicat folosind legea conservării impulsului.

În timp ce gaura mingii este legată, mingea cu aer comprimat în interior este în repaus, iar impulsul său este zero.

Când gaura este deschisă, un jet de aer comprimat iese din ea cu o viteză destul de mare. Aerul în mișcare are un anumit impuls îndreptat în direcția mișcării sale.

Conform legii conservării impulsului în natură, impulsul total al unui sistem format din două corpuri - o minge și aer în el, trebuie să rămână același ca înainte de ieșirea aerului, adică egal cu zero. Prin urmare, mingea începe să se miște în direcția opusă jetului de aer cu o astfel de viteză încât impulsul său este egal în valoare absolută cu impulsul jetului de aer. Vectorii de impuls ai mingii și ai aerului sunt direcționați în direcții opuse. Ca urmare, impulsul total al corpurilor care interacționează rămâne egal cu zero.

Mișcarea mingii este un exemplu de propulsie cu reacție. Mișcarea cu jet are loc datorită faptului că o parte a acestuia este separată de corp și se mișcă, în urma căreia corpul însuși capătă un impuls direcționat opus.

Rotirea unui dispozitiv numit roată seigneur se bazează pe principiul propulsiei cu reacție (Fig. 46). Apa care curge dintr-un vas conic printr-un tub curbat care comunică cu acesta rotește vasul în direcția opusă vitezei apei în jeturi. În consecință, nu numai jetul de gaz, ci și jetul de lichid are un efect reactiv.

Orez. 46. Demonstrarea propulsiei cu reacție folosind o roată Segner

Mișcarea cu jet este folosită și de unele viețuitoare pentru mișcarea lor, cum ar fi caracatițe, calmari, sepie și alte cefalopode (Fig. 47). Se mișcă datorită faptului că aspiră și apoi împing cu forță apa din ei înșiși. Există chiar și o specie de calmar care, cu ajutorul „motoarelor cu reacție”, poate nu numai să înoate în apă, ci și să zboare din ea pentru o scurtă perioadă de timp pentru a depăși rapid prada sau a scăpa de inamici.

Orez. 47. Mişcarea reactivă pentru deplasarea lor este folosită de cefalopode: a - sepie; b - calmar; c - caracatiță

Știți că principiul propulsiei cu reacție este larg uz practicîn aviație și astronautică. În spațiul cosmic nu există niciun mediu cu care corpul să poată interacționa și, prin urmare, să-și schimbe direcția și modulul vitezei sale. Prin urmare, numai avioanele cu reacție, adică rachetele, pot fi folosite pentru zborurile în spațiu.

Lansarea vehiculului de lansare cu nava spațială Soyuz

Luați în considerare problema dispozitivului și lansării așa-numitelor vehicule de lansare, adică rachete concepute pentru a fi lansate în spațiu sateliți artificiali Pământ, nave spațiale, stații interplanetare automate și alte sarcini utile.

În orice rachetă, indiferent de design, există întotdeauna o carcasă și combustibil cu un oxidant. Figura 48 prezintă o secțiune transversală a unei rachete. Vedem că carcasa rachetei include o sarcină utilă (în acest caz, este o navă spațială 1), un compartiment pentru instrumente 2 și un motor (camera de ardere 6, pompe 5 etc.).

Orez. 48. Schema de rachete

Cea mai mare parte a rachetei este combustibilul 4 cu oxidant 3 (oxidantul este necesar pentru a menține combustibilul arzând, deoarece nu există oxigen în spațiu).

Combustibilul și oxidantul sunt pompați în camera de ardere. Combustibil, ardere, se transformă în gaz temperatura ridicata si presiune mare, care se repezi spre exterior intr-un jet puternic printr-un clopot cu forma speciala, numita duza 7. Scopul duzei este de a creste viteza jetului.

Care este scopul creșterii vitezei jetului de gaz? Cert este că viteza rachetei depinde de această viteză. Acest lucru poate fi demonstrat folosind legea conservării impulsului.

Deoarece impulsul rachetei era egal cu zero înainte de lansare, atunci, conform legii conservării, impulsul total al carcasei în mișcare și gazul ejectat din aceasta trebuie, de asemenea, să fie egal cu zero. Prin urmare, rezultă că impulsul învelișului și impulsul jetului de gaz îndreptate opus față de acesta trebuie să fie egale în valoare absolută. Aceasta înseamnă că, cu cât gazul scapă mai repede din duză, cu atât va fi mai mare viteza carcasei rachetei.

Pe lângă viteza de ieșire a gazului, există și alți factori de care depinde viteza rachetei.

Am examinat dispozitivul și principiul de funcționare al unei rachete cu o singură etapă, unde etapa înseamnă piesa care conține rezervoarele de combustibil și oxidant și motorul. În practica zborurilor spațiale se folosesc de obicei rachete cu mai multe etape, care dezvoltă viteze mult mai mari și sunt destinate zborurilor mai lungi decât cele cu o singură etapă.

Figura 49 prezintă o diagramă a unei rachete în trei trepte. După ce combustibilul și oxidantul primei etape sunt complet consumate, această etapă este eliminată automat și motorul din a doua etapă preia controlul.

Orez. 49. Schema unei rachete în trei trepte

Reducerea masei totale a rachetei prin aruncarea unei etape deja inutile vă permite să economisiți combustibil și oxidant și să creșteți viteza rachetei. Apoi, a doua etapă este aruncată în același mod.

Dacă se întoarce nava spatiala pe Pământ sau aterizarea acesteia pe orice altă planetă nu este planificată, apoi a treia etapă, ca și primele două, este folosită pentru a crește viteza rachetei. Dacă nava trebuie să aterizeze, atunci este folosită pentru a încetini nava înainte de a ateriza. În acest caz, racheta este rotită cu 180 °, astfel încât duza să fie în față. Apoi gazul care iese din rachetă îi dă un impuls îndreptat împotriva vitezei de mișcare, ceea ce duce la o scădere a vitezei și face posibilă aterizarea.

Konstantin Eduardovici Ciolkovski (1857-1935)
Om de știință și inventator rus în domeniul aerodinamicii, dinamicii rachetelor, teoriei aeronavelor și dirijabililor. Fondatorul astronauticii teoretice

Ideea de a folosi rachete pentru zborurile spațiale a fost propusă la începutul secolului al XX-lea. Omul de știință și inventatorul rus Konstantin Eduardovici Ciolkovski. Tsiolkovsky a dezvoltat teoria mișcării rachetelor, a dezvoltat o formulă pentru calcularea vitezei acestora și a fost primul care a propus utilizarea rachetelor cu mai multe etape.

O jumătate de secol mai târziu, ideea lui Ciolkovski a fost dezvoltată și implementată de oamenii de știință sovietici sub conducerea lui Serghei Pavlovici Korolev.

Serghei Pavlovici Korolev (1907-1966)
Om de știință sovietic, proiectant de rachete și sisteme spațiale. Fondatorul astronauticii practice

Întrebări

Pe baza legii conservării impulsului, explicați de ce un balon se mișcă în direcția opusă aerului comprimat care iese din el.
Dați exemple de mișcare cu jet a corpurilor.
Care este scopul rachetelor? Spuneți-ne despre dispozitiv și despre principiul de funcționare al rachetei.
Ce determină viteza unei rachete?
Care este avantajul rachetelor cu mai multe etape față de cele cu o singură etapă?
Cum aterizează o navă spațială?

Exercițiul 21

Dintr-o barcă care se deplasează cu o viteză de 2 m/s, o persoană aruncă o vâslă cu masa de 5 kg cu o viteză orizontală de 8 m/s opus mișcării bărcii. Cu ce viteză s-a deplasat barca după aruncare, dacă masa ei împreună cu persoana este de 200 kg?
Ce viteză va obține modelul de rachetă dacă masa carcasei sale este de 300 g, masa prafului de pușcă din el este de 100 g și gazele scapă din duză cu o viteză de 100 m/s? (Luați în considerare fluxul de gaz din duză instantaneu.)
Pe ce echipament și cum se desfășoară experimentul prezentat în Figura 50? Care fenomen fizicîn acest caz, demonstrează ce este și ce legea fizică stă la baza acestui fenomen?
Notă: tubul de cauciuc era așezat vertical până trecea apa prin el.
Faceți experimentul prezentat în Figura 50. Când tubul de cauciuc se abate cât mai mult posibil de la verticală, nu mai turnați apă în pâlnie. În timp ce apa rămasă în tub curge afară, observați cum se va schimba: a) intervalul de apă din jet (față de orificiul tubului de sticlă); b) poziţia tubului de cauciuc. Explicați ambele modificări.

Orez. cincizeci

Să luăm în considerare câteva exemple care confirmă validitatea legii conservării impulsului.

Cu siguranță mulți dintre voi ați urmărit cum un balon umflat cu aer intră în mișcare dacă desfaceți firul care îi strânge orificiul.

Acest fenomen poate fi explicat folosind legea conservării impulsului.

În timp ce gaura mingii este legată, mingea cu aer comprimat în interior este în repaus, iar impulsul său este zero.

Când gaura este deschisă, un jet de aer comprimat iese din ea cu o viteză destul de mare. Aerul în mișcare are un anumit impuls îndreptat în direcția mișcării sale.

Conform legii conservării impulsului în vigoare în natură, impulsul total al unui sistem format din două corpuri - o minge și aer în el, trebuie să rămână același ca înainte de ieșirea aerului, adică egal cu zero. Prin urmare, mingea începe să se miște în direcția opusă jetului de aer cu o astfel de viteză încât impulsul său este egal în valoare absolută cu impulsul jetului de aer. Vectorii de impuls ai mingii și ai aerului sunt direcționați în direcții opuse. Ca urmare, impulsul total al corpurilor care interacționează rămâne egal cu zero.

Rotirea unui dispozitiv numit roată Seigneur se bazează pe principiul propulsiei cu reacție (Fig.). Apa care curge dintr-un vas conic printr-un tub curbat care comunică cu acesta rotește vasul în direcția opusă vitezei apei în jeturi. În consecință, nu numai jetul de gaz, ci și jetul de lichid are un efect reactiv.

Orez. Demonstrarea propulsiei cu reacție folosind o roată Segner

Mișcarea cu jet este folosită și de unele viețuitoare pentru mișcarea lor, cum ar fi caracatițele, calmarii, sepia și alte cefalopode (Fig.). Se mișcă datorită faptului că aspiră și apoi împing cu forță apa din ei înșiși. Există chiar și o specie de calmar care, cu ajutorul „motoarelor cu reacție”, poate nu numai să înoate în apă, ci și să zboare din ea pentru o scurtă perioadă de timp pentru a depăși rapid prada sau a scăpa de inamici.

Orez. Mișcarea reactivă pentru deplasarea lor este folosită de cefalopode: a - sepie; b - calmar; c - caracatiță

Știți că principiul propulsiei cu reacție își găsește o largă aplicație practică în aviație și astronautică. În spațiul cosmic nu există niciun mediu cu care corpul să poată interacționa și, prin urmare, să-și schimbe direcția și modulul vitezei sale. Prin urmare, numai avioanele cu reacție, adică rachetele, pot fi folosite pentru zborurile în spațiu.

Lansarea vehiculului de lansare cu nava spațială Soyuz

Să luăm în considerare problema proiectării și lansării așa-numitelor rachete purtătoare, adică rachete concepute pentru a lansa sateliți artificiali Pământului, nave spațiale, stații interplanetare automate și alte sarcini utile în spațiu.

În orice rachetă, indiferent de design, există întotdeauna o carcasă și combustibil cu un oxidant. Figura prezintă o secțiune transversală a unei rachete. Vedem că carcasa rachetei include o sarcină utilă (în acest caz, este o navă spațială 1), un compartiment pentru instrumente 2 și un motor (camera de ardere 6, pompe 5 etc.).

Orez. schema rachetei

Cea mai mare parte a rachetei este combustibilul 4 cu oxidant 3 (oxidantul este necesar pentru a menține combustibilul arzând, deoarece nu există oxigen în spațiu).

Combustibilul și oxidantul sunt pompați în camera de ardere. Combustibilul, atunci când este ars, se transformă într-un gaz de temperatură ridicată și presiune înaltă, care se precipită într-un jet puternic printr-un clopot cu formă specială, numită duză 7. Scopul duzei este de a crește viteza jetului.

Care este scopul creșterii vitezei jetului de gaz? Cert este că viteza rachetei depinde de această viteză. Acest lucru poate fi demonstrat folosind legea conservării impulsului.

Pe lângă viteza de ieșire a gazului, există și alți factori de care depinde viteza rachetei.

Figura prezintă o diagramă a unei rachete în trei trepte. După ce combustibilul și oxidantul primei etape sunt complet consumate, această etapă este eliminată automat și motorul din a doua etapă preia controlul.

Orez. Diagrama unei rachete în trei trepte

Dacă nu este planificată întoarcerea navei spațiale pe Pământ sau aterizarea acesteia pe orice altă planetă, atunci a treia etapă, ca și primele două, este folosită pentru a crește viteza rachetei. Dacă nava trebuie să aterizeze, atunci este folosită pentru a încetini nava înainte de a ateriza. În acest caz, racheta este rotită cu 180 °, astfel încât duza să fie în față. Apoi gazul care iese din rachetă îi dă un impuls îndreptat împotriva vitezei de mișcare, ceea ce duce la o scădere a vitezei și face posibilă aterizarea.

O jumătate de secol mai târziu, ideea lui Ciolkovski a fost dezvoltată și implementată de oamenii de știință sovietici sub conducerea lui Serghei Pavlovici Korolev.

Serghei Pavlovici Korolev (1907-1966)
Om de știință sovietic, proiectant de rachete și sisteme spațiale. Fondatorul astronauticii practice

Teme pentru acasă.

Sarcina 1. Răspundeți la întrebări.

Pe baza legii conservării impulsului, explicați de ce un balon se mișcă în direcția opusă aerului comprimat care iese din el.
Dați exemple de mișcare cu jet a corpurilor.
Care este scopul rachetelor? Spuneți-ne despre dispozitiv și despre principiul de funcționare al rachetei.
Ce determină viteza unei rachete?
Care este avantajul rachetelor cu mai multe etape față de cele cu o singură etapă?
Cum aterizează o navă spațială?

Sarcina 2. Rezolvați rebusul.

Fișierul „Este interesant!” este atașat lecției. Puteți descărca fișierul în orice moment convenabil pentru dvs.

Surse utilizate: http://www.tepka.ru/fizika_9/21.html

Întrebări.

1. Pe baza legii conservării impulsului, explicați de ce un balon se mișcă în direcția opusă aerului comprimat care iese din el.

2. Dați exemple de mișcare cu jet a corpurilor.

În natură, ca exemplu, propulsia cu reacție în plante pot fi citate: fructele coapte ale unui castravete nebun; si animale: calmari, caracatite, meduze, sepie etc. (animalele se misca aruncand apa pe care o sug). În inginerie, cel mai simplu exemplu de propulsie cu reacție este roata segner, Mai mult exemple complexe sunt: deplasarea rachetelor (spațiale, pulbere, militare), vehiculelor de apă cu motor cu reacție (hidromotociclete, bărci, nave cu motor), vehiculelor aeriene cu motor cu reacție aer (avion cu reacție).

3. Care este scopul rachetelor?

Rachetele sunt folosite în diverse domenii ale științei și tehnologiei: în afaceri militare, în cercetare științifică, în astronautică, în sport și divertisment.

4. Folosind Figura 45, enumerați principalele părți ale oricărei rachete spațiale.

Navă spațială, compartiment instrument, rezervor de oxidant, rezervor de combustibil, pompe, cameră de ardere, duză.

5. Descrieți principiul rachetei.

În conformitate cu legea conservării impulsului, o rachetă zboară datorită faptului că gazele cu un anumit impuls sunt împinse din ea cu viteză mare, iar rachetele primesc un impuls de aceeași magnitudine, dar îndreptat în direcția opusă. . Gazele sunt evacuate printr-o duză în care combustibilul arde atingând temperatură și presiune ridicate. Duza primește combustibil și oxidant pompat acolo de pompe.

6. Ce determină viteza unei rachete?

Viteza rachetei depinde în primul rând de viteza de scurgere a gazelor și de masa rachetei. Viteza de ieșire a gazelor depinde de tipul de combustibil și de tipul de oxidant. Masa unei rachete depinde, de exemplu, de ce viteză vor să-i spună sau de cât de departe trebuie să zboare.

7. Care este avantajul rachetelor cu mai multe etape față de cele cu o singură etapă?

Rachetele cu mai multe etape sunt capabile să dezvolte o viteză mai mare și să zboare mai departe decât cele cu o singură etapă.

8. Cum aterizează nava spațială?

Aterizarea navei spațiale se realizează în așa fel încât viteza acesteia să scadă pe măsură ce se apropie de suprafață. Acest lucru se realizează prin utilizarea unui sistem de frânare, care poate fi fie un sistem de frânare cu parașuta, fie frânarea poate fi efectuată cu ajutorul unui motor rachetă, în timp ce duza este îndreptată în jos (spre Pământ, Lună etc.), datorită căruia viteza se stinge.

Exerciții.

1. Dintr-o barcă care se deplasează cu o viteză de 2 m/s, o persoană aruncă o vâslă cu o masă de 5 kg cu o viteză orizontală de 8 m/s opusă mișcării bărcii. Cu ce viteză s-a deplasat barca după aruncare, dacă masa ei împreună cu masa unei persoane este de 200 kg?

2. Ce viteză va obține modelul de rachetă dacă masa carcasei sale este de 300 g, masa prafului de pușcă din el este de 100 g și gazele scapă din duză cu o viteză de 100 m/s? (Luați în considerare fluxul de gaz din duză instantaneu).

3. Pe ce echipament și cum se desfășoară experimentul prezentat în Figura 47? Ce fenomen fizic este demonstrat în acest caz, ce este și ce lege fizică stă la baza acestui fenomen?
Notă: tubul de cauciuc era așezat vertical până trecea apa prin el.

O pâlnie cu un tub de cauciuc atașat de dedesubt cu o duză răsucită la capăt a fost atașată de un trepied folosind un suport, iar dedesubt a fost așezată o tavă. Apoi, de sus, apa a fost turnată în pâlnia din recipient, în timp ce apa a ieșit din tub în tavă, iar tubul însuși s-a deplasat dintr-o poziție verticală. Această experiență servește ca o ilustrare a propulsiei cu reacție bazată pe legea conservării impulsului.

4. Faceți experimentul prezentat în Figura 47. Când tubul de cauciuc se abate cât mai mult posibil de la verticală, nu mai turnați apă în pâlnie. În timp ce apa rămasă în tub curge afară, observați cum se va schimba: a) intervalul de apă din jet (față de orificiul tubului de sticlă); b) poziţia tubului de cauciuc. Explicați ambele modificări.

a) intervalul de zbor al apei în jet va scădea; b) pe măsură ce apa curge afară, tubul se va apropia de poziția orizontală. Aceste fenomene se datorează faptului că presiunea apei din tub va scădea și de aici impulsul cu care apa este ejectată.