А мы знаем, что чтобы происходило движение, необходимо воздействие некоторой силы. Тело либо само должно оттолкнуться от чего-нибудь, либо стороннее тело должно толкнуть данное. Это хорошо известно и понятно нам из жизненного опыта.
От чего оттолкнуться в космосе?
У поверхности Земли можно оттолкнуться от поверхности либо от находящихся на ней предметов. Для передвижения по поверхности используют ноги, колеса, гусеницы и так далее. В воде и воздухе можно отталкиваться от самих воды и воздуха, имеющих определенную плотность, и потому позволяющих взаимодействовать с ними. Природа для этого приспособила плавники и крылья.
Человек создал двигатели на основе пропеллеров, которые во много раз увеличивают площадь контакта со средой за счет вращения и позволяют отталкиваться от воды и воздуха. А как быть в случае безвоздушного пространства? От чего отталкиваться в космосе? Там нет воздуха, там ничего нет. Как осуществлять полеты в космосе? Вот тут-то и приходит на помощь закон сохранения импульса и принцип реактивного движения. Разберем подробнее.
Импульс и принцип реактивного движения
Импульс это произведение массы тела на его скорость. Когда тело неподвижно, его скорость равна нулю. Однако тело обладает некоторой массой. При отсутствии сторонних воздействий, если часть массы отделится от тела с некоторой скоростью, то по закону сохранения импульса, остальная часть тела тоже должна приобрести некоторую скорость, чтобы суммарный импульс остался по-прежнему равным нулю.
Причем скорость оставшейся основной части тела будет зависеть от того, с какой скоростью отделится меньшая часть. Чем эта скорость будет выше, тем выше будет и скорость основного тела. Это понятно, если вспомнить поведение тел на льду или в воде.
Если два человека будут находиться рядом, а потом один из них толкнет другого, то он не только придаст тому ускорение, но и сам отлетит назад. И чем сильнее он толкнет кого-либо, тем с большей скоростью отлетит сам.
Наверняка, вам приходилось бывать в подобной ситуации, и вы можете представить себе, как это происходит. Так вот, именно на этом и основано реактивное движение .
Ракеты, в которых реализован этот принцип, выбрасывают некоторую часть своей массы на большой скорости, вследствие чего сами приобретают некоторое ускорение в противоположном направлении.
Потоки раскаленных газов, возникающие в результате сгорания топлива, выбрасываются через узкие сопла для придания им максимально большой скорости. При этом, на величину массы этих газов уменьшается масса ракеты, и она приобретает некую скорость. Таким образом реализован принцип реактивного движения в физике.
Принцип полета ракеты
В ракетах применяют многоступенчатую систему. Во время полета нижняя ступень, израсходовав весь свой запас топлива, отделяется от ракеты, чтобы уменьшить ее общую массу и облегчить полет.
Количество ступеней уменьшается, пока не остается рабочая часть в виде спутника или иного космического аппарата. Топливо рассчитывают таким образом, чтобы его хватило как раз для выхода на орбиту.
МУНИЦИПАЛЬНЫЙ ЭТАП ВСЕРОССИЙСКОГО ДЕТСКОГО КОНКУРСА
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ТВОРЧЕСКИХ РАБОТ
« Я - исследователь »
Исследовательская работа
Кукса Дмитрий
ученик 3 «А» класса
МОУ СОШ №7
Руководитель:
г. Алексеевка
Нам в школе объявили, что будет проходить конкурс «Я – исследователь». Я решил: «Буду участвовать!» Пришёл домой и стал думать, какую же тему мне выбрать. А дед, который служил в ракетных войсках, сказал: «Давай, Дима, ракету запустим. Как только расскажешь, какая сила заставляет ракету двигаться, я своё обещание выполню». Мне понравилась эта идея. И задания такого я не испугался. Очень уж хотелось посмотреть на полёт ракеты.
Я поставил задачи
1. Изучить строение ракеты
2. Узнать какая сила заставляет ракету двигаться
Методы исследования:
Теоретические: изучение источников информации
Практические: опыты.
Объектом исследования является: ракета
Предмет исследования: полёт ракеты
Ожидаемый результат: исследования расширят мой кругозор, помогут узнать можно ли поднять ракету в воздух в домашних условиях.
Гипотеза: я думаю изготовить модель ракеты в домашних условиях можно, но поднять в воздух нельзя. Она не взлетит.
Чтобы доказать или опровергнуть гипотезу я сначала изучил литературу. Вот что я узнал.
Русское слово "ракета" произошло от немецкого слова "ракет". А это - уменьшительное от итальянского слова "рокка", что значит "веретено ". Ракета похожа на веретено с острым обтекаемым носом для уменьшения сопротивления воздуха при полёте в атмосфере и это обтекатель ракеты (1)
2 топливный бак - это часть конструкции ракеты, обеспечивающая её топливом. Для жидкотопливных ракет топливный бак делится на бак с горючим и бак с окислителем, который располагается над топливным баком Для твердотопливных ракет топливный бак соединен с камерой сгорания и в процессе горения топлива сам выполняет функцию камеры сгорания.
3 камера сгорания - служит для сгорания топлива и выброса образовавшихся газов.
4.Сзади ракета имеет стабилизатор . Он похож на оперение стрелы или на хвост самолёта. При движении в атмосфере он не даёт ракете «вилять» из стороны в сторону.
5. А в дне у ракеты дырка. Называется сопло . Из этого сопла газы вырываются сильной струёй. Это от них за ракетой словно огненный хвост остаётся.
Я провёл опрос в классе на тему: почему взлетает ракета.
Многие мои одноклассники написали, что ракеты взлетают, потому что они отталкиваются от земли. Некоторые, что это очень сложный вопрос для них и они не могут ответить. А вот что я узнал: по третьему закону механики, тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. В ракетном двигателе этот закон, открытый гениальным ученым Исааком Ньютоном, выполняется очень просто: выбрасываются газообразные продукты сгорания назад, чтобы получить движение ракеты вперед.
Закон Ньютона можно легко проверить, например, при помощи воздушного шара , заполненного воздухом. Если из него выпускать воздух, то шар начнет двигаться
Отпустить шарик.
Прокомментировать: (правда, очень хаотично) в направлении, противоположном направлению выпускаемого воздуха. Фотографии с шариком:
Я попытался сделать движение шара устойчивым.
Мне потребовалась нитка, коктейльная трубочка и скотч. Опыт. Комментарий: полёт воздушного шара стал плавным. Воздух выходит из шарика и он далеко улетает по верёвке в противоположную сторону.
Ракеты человек изобрёл давно. Их придумали в Китае много сотен лет тому назад. Китайцы использовали их для того, чтобы делать фейерверки.
Ракетное оружие" href="/text/category/raketnoe_oruzhie/" rel="bookmark">ракетное оружие . Это очень грозное оружие. Современные ракеты могут точно поразить цель на расстоянии в тысячи километров. Военные ракеты обычно имеют твёрдотоплевные двигатели.
https://pandia.ru/text/80/331/images/image004_3.jpg" alt="РСЗО Катюша" width="216" height="141 src=">
Взлёт ракеты «земля-воздух». Ракетная установка «Катюша»
А в XX веке школьный учитель физики Константин Эдуардович Циолковский придумал ракетам новую профессию. Он мечтал о том, как человек станет летать в космос. Он назвал нашу планету колыбелью человечества. Для того чтобы выйти из этой колыбели и начать шагать в космическом пространстве, и нужны ракеты.
Циолковским была предложена ракета, работающая на жидком водороде или керосине и был введён второй компонент реактивного топлива – окислитель, в качестве которого был выбран жидкий кислород.
Летающие в настоящее время ракеты обязаны и пороху, и керосину, и жидкому кислороду, и металлам.
Последнее время используются многоступенчатые ракеты. Они оборудованы несколькими двигательными установками (ступенями). Первая ступень самая большая. Ступени последовательно установлены друг за другом. Последняя ступень может достигнуть значительно большей высоты, чем одноступенчатая ракета.
В момент старта работает двигатель только первой ступени, после окончания работы первая ступень отделяется и начинает работать двигатель второй ступени, а затем и третьей.
Вывод: Все ракеты, как самые малые промышленного производства или сконструированные любителями, так и большие, изготовление которых связано с большими затратами сил и средств, имеют одну общую черту - они основаны на принципе реактивного движения.
И я сказал деду: «Реактивная сила заставляет ракету двигаться»
Мы подняли нашу с дедом ракету в воздух. Она была на твёрдом топливе. Вот что у нас получилось.
Гипотеза не подтвердилась, так как ракета поднялась в воздух. Красиво поднялась, на уровне дома.
В результате исследования было выяснено, что запуски ракет вредят атмосфере планеты Земля, т. к. выделяют вредный газ.
Очень хотелось чтобы по – прежнему люди изучали землю и солнечную систему, проводили прогноз погоды и устанавливали связь с помощью ракет, спутников, но не вредили нашей атмосфере. Я надеюсь, что у меня получится исследовать этот вопрос и найти простое, но надёжное решение.
Ещё я понял как опасны могут быть некоторые вещества и скорость взлёта. Я считаю, что запускать ракету или фейерверки нужно только вместе с родителями. Этими наблюдениями и переживаниями я поделился в классе с ребятами.
Как известно, ракета пока самый быстрый транспорт на планете Земля. У ракеты необычный двигатель, который называется – реактивным. Прежде чем ракета отправится в полет, ее огромные баки заправляют ракетным топливом. При старте происходит возгорание топлива, которое при сгорании превращается в раскаленный газ. Этот газ через сопло (сопло это такое узкое отверстие, расположенное на дне ракеты), с большой скоростью и силой вырывается наружу.
Мощная струя газа бьет в одну сторону, а ракета за счет ее отталкивающего действия летит в противоположную.
Весь груз расположен в самой верхней части этой многоступенчатой ракеты. Верхняя часть закрывается специальной обтекающей шапкой, которая так и называется – головной обтекатель. Каждая ступень – это самостоятельная ракета, внутри которой помещены баки с горючим, а в хвосте двигатели.
При старте включается самая нижняя и очень мощная , в обязанности которой входит поднять всю тяжесть через слои атмосферы. Когда топливо в ней полностью сгорает, нижняя ступень автоматически отсоединяется, как уже больше ненужный элемент и начинает работать двигатель второй ступени – ракеты. Ракета разгоняется все быстрее.
И когда кончается во второй средней ступени, включается двигатель самой верхней ракеты – носителя, а нижняя ступень тоже отсоединяется. Наконец разгоняется до первой космической скорости и выходит на орбиту земли, где он уже движется самостоятельно.
Отвалившиеся ступени не , от трения с атмосферой они раскаляются до такой степени, что полностью сгорают. Сама ракета носитель – космический корабль, разделяется на две части: спускаемый аппарат и приборный отсек. В спускаемом аппарате находятся космонавты, которые там работают, отдыхают и спят.
А в приборном отсеке находится тормозная двигательная установка, с помощью которой корабль возвращается на землю. Там же находятся приборы, с помощью которых космонавты проводят исследования.
Космос - это таинственное и максимально неблагоприятное пространство. Тем не менее Циолковский считал, что будущее человечества заключается именно в космосе. Нет никаких оснований спорить с этим великим ученым. Космос - это безграничные перспективы для развития всей человеческой цивилизации и расширения жизненного пространства. Кроме того, он скрывает в себе ответы на многие вопросы. Сегодня человек активно использует космическое пространство. И от того, как взлетают ракеты, зависит наше будущее. Не менее важно и понимание людьми этого процесса.
Космическая гонка
Не так давно две могучие сверхдержавы находились в состоянии холодной войны. Это было похоже на бесконечное состязание. Многие этот промежуток времени предпочитают описывать как обычную гонку вооружений, но это совершенно не так. Это гонка науки. Именно ей мы обязаны многими гаджетами и благами цивилизации, к которым так привыкли.
Космическая гонка была лишь одним из важнейших элементов холодной войны. Всего за несколько десятилетий человек перешел от обычных атмосферных полетов к высадке на Луне. Это невероятный прогресс, если сравнивать с другими достижениями. В то прекрасное время люди думали, что освоение Марса — это куда более близкая и реальная задача, чем примирение СССР и США. Именно тогда люди были максимально увлечены космосом. Практически каждый студент или школьник понимал, как взлетает ракета. Это не было сложным знанием, наоборот. Такая информация была простой и очень интересной. Астрономия приобрела чрезвычайную важность среди других наук. В те годы никто и сказать не мог, что Земля плоская. Доступное образование повсеместно ликвидировало невежество. Однако те времена давно прошли, и сегодня все совсем не так.
Декаданс
С распадом СССР закончилась и конкуренция. Пропал повод для сверхфинансирования космических программ. Многие перспективные и прорывные проекты так и не были реализованы. Время стремления к звездам сменилось настоящим декадансом. Что, как известно, обозначает упадок, регресс и определенную степень деградации. Для того чтобы понять это, не нужно быть гением. Достаточно обратить внимание на медиасети. Секта плоской земли активно ведет свою пропаганду. Люди не знают элементарных вещей. В Российской Федерации астрономия и вовсе не преподается в школах. Если подойти к прохожему и поинтересоваться, как взлетают ракеты, он не ответит на этот простой вопрос.
Люди даже не знают о том, по какой траектории ракеты летают. В таких условиях нет и смысла спрашивать про орбитальную механику. Отсутствие должного образования, "Голливуд" и видеоигры - все это создало ложное представление о космосе как таковом и о полетах к звездам.
Это не вертикальный полет
Земля не плоская, и это неоспоримый факт. Земля даже не шар, ведь она немного сплюснута по полюсам. Как взлетают ракеты в таких условиях? Поэтапно, в несколько стадий и не вертикально.
Самое большое заблуждение нашего времени состоит в том, что ракеты взлетают вертикально. Это совсем не так. Такая схема выхода на орбиту возможна, но очень неэффективна. Ракетное топливо заканчивается очень быстро. Иногда - менее чем за 10 минут. Для такого взлета попросту не хватит топлива. Современные ракеты взлетают вертикально только на начальном этапе полета. Затем автоматика начинает давать ракете небольшой крен. Причем чем выше высота полета, тем заметнее угол крена космической ракеты. Так, апогей и перигей орбиты формируются сбалансированно. Таким образом достигается максимально комфортное соотношение между эффективностью и расходом топлива. Орбита получается близкой к идеальному кругу. Идеальной же она не будет никогда.
Если ракета взлетает вертикально вверх, получится невероятно огромный апогей. Топливо закончится раньше, чем появится перигей. Иными словами, ракета не только не вылетит на орбиту, но и из-за нехватки топлива полетит по параболе обратно на планету.
В основе всего - двигатель
Любое тело не способно двигаться само по себе. Должно быть что-то, что заставляет его это делать. В данном случае это ракетный двигатель. Ракета, взлетая в космос, не теряет своей способности двигаться. Для многих это непонятно, ведь в вакууме реакция горения невозможна. Ответ максимально прост: немного иной.
Итак, ракета летит в В ее баках находится два компонента. Это топливо и окислитель. Их смешивание обеспечивает воспламенение смеси. Однако из сопел вырывается не огонь, а раскаленный газ. В этом случае нет никаких противоречий. Такая установка прекрасно работает в вакууме.
Ракетные двигатели бывают нескольких типов. Это жидкостные, твердотопливные, ионные, электрореактивные и ядерные. Первые два вида применяются чаще всего, так как способны давать наибольшую тягу. Жидкостные применяются в космических ракетах, твердотопливные - в межконтинентальных баллистических с ядерным зарядом. Электрореактивные и атомные предназначены для максимально эффективного передвижения в вакууме, и именно на них возлагают максимум надежд. В настоящее время вне тестовых стендов они не применяются.
Однако недавно Роскосмос разместил заказ на разработку орбитального буксира с ядерным двигателем. Это дает повод надеяться на развитие технологии.
Особняком держится узкая группа двигателей орбитального маневрирования. Они предназначены для управления Однако используются не в ракетах, а в космических кораблях. Их недостаточно для полетов, но хватает для маневрирования.
Скорость
К сожалению, в наше время люди приравнивают космические полеты к базовым единицам измерения. С какой скоростью взлетает ракета? Это вопрос не совсем корректен по отношению к Совершенно неважно, с какой скоростью они взлетают.
Ракет существует довольно-таки много, и все из них имеют разную скорость. Те, что предназначены для вывода космонавтов на орбиту, летят медленнее грузовых. Человек, в отличие от груза, ограничен перегрузками. Грузовые же ракеты, например сверхтяжелая Falcon Heavy, взлетает слишком быстро.
Точные единицы скорости посчитать трудно. Прежде всего потому, что они зависят от полезной нагрузки РН (ракеты-носителя). Вполне логично, что РН с полной загрузкой взлетает гораздо медленнее полупустой РН. Однако есть общая величина, которую все ракеты стремятся достигнуть. Это называется космической скоростью.
Существует первая, вторая и, соответственно, третья космическая скорости.
Первая - необходимая скорость, которая позволит двигаться по орбите и не падать на планету. Она составляет 7,9 км в секунду.
Вторая нужна для того, чтобы покинуть земную орбиту и отправиться к орбите другого небесного тела.
Третья же позволит аппарату преодолеть притяжение Солнечной системы и покинуть ее. В настоящее время с такой скоростью летят аппараты "Вояджер-1" и "Вояджер-2". Однако вопреки словам СМИ, они все еще не покинули границы Солнечной системы. С астрономической точки зрения им потребуется не менее 30 000 лет, чтобы достигнуть облака Орта. Гелиопауза же не является границей звездной системы. Это лишь место, в котором солнечный ветер сталкивается с межсистемной средой.
Высота
На какую высоту взлетает ракета? На ту, которая требуется. После достижения гипотетической границы космоса и атмосферы измерять расстояние между кораблем и поверхностью планеты некорректно. После выхода на орбиту корабль находится в другой среде, и дистанция измеряется в величинах расстояния.
Даже среди людей, изучавших физику, случается нередко слышать совершенно превратное объяснение полета ракеты: она летит потому будто бы, что своими газами, образующимися при горении в ней пороха, отталкивается от воздуха. Так думали в старину (ракеты – давнее изобретение). Однако если бы пустить ракету в безвоздушном пространстве, она полетела бы не хуже, а даже лучше, чем в воздухе. Истинная причина движения ракеты совершенно иная. Очень понятно и просто изложил ее революционер‑первомартовец Кибальчич в предсмертной своей записке об изобретенной им летательной машине. Объясняя устройство боевых ракет, он писал:
«В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха, имеющий по оси пустоту в виде канала. Горение пороха начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени до наружной поверхности прессованного пороха; образующиеся при горении газы производят давление во все стороны; но боковые давления газов взаимно уравновешиваются, давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед».
Здесь происходит то же, что и при выстреле из пушки: снаряд летит вперед, а сама пушка отталкивается назад. Вспомните «отдачу» ружья и всякого вообще огнестрельного оружия! Если бы пушка висела в воздухе, ни на что не опираясь, она после выстрела двигалась бы назад с некоторой скоростью, которая во столько же раз меньше скорости снаряда, во сколько раз снаряд легче самой пушки. В фантастическом романе Жюля Верна «Вверх дном» американцы задумали даже воспользоваться силой отдачи исполинской пушки для выполнения грандиозной затеи – «выпрямить земную ось».
Ракета – та же пушка, только извергает она не снаряды, а пороховые газы. По той же причине вертится и так называемое «китайское колесо», которым, вероятно, случалось вам любоваться при устройстве фейерверков: при горении пороха в трубках, прикрепленных к колесу, газы вытекают в одну сторону, сами же трубки (а с ними и колесо) получают обратное движение. В сущности, это лишь видоизменение общеизвестного физического прибора – сегнерова колеса.
Интересно отметить, что до изобретения парохода существовал проект механического судна, основанный на том же начале; запас воды на судне предполагалось выбрасывать с помощью сильного нагнетательного насоса в кормовой части; вследствие этого корабль должен был двигаться вперед, как те плавучие жестянки, которые имеются для доказательства рассматриваемого принципа в школьных физических кабинетах. Проект этот (предложенный Ремзи) не был осуществлен, однако он сыграл известную роль в изобретении парохода, так как натолкнул Фультона на его идею.
Рисунок 7. Самая древняя паровая машина (турбина), приписываемая Герону Александрийскому (II век до нашей эры).
Рисунок 8. Паровой автомобиль, приписываемый Ньютону.
Рисунок 9. Игрушечный пароходик из бумаги и яичной скорлупы. Топливом служит налитый в наперсток спирт. Пар, выбивающийся из отверстия «парового котла» (выдутое яйцо), заставляет пароходик плыть в противоположном направлении.
Мы знаем также, что самая древняя паровая машина, изобретенная Героном Александрийским еще во II веке до нашей эры, была устроена по тому же принципу: пар из котла (рис. 7) поступал по трубке в шар, укрепленный на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато‑изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться. К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но самый принцип не заброшен техникой: в наше время он применяется при устройстве реактивных турбин.
Ньютону – автору закона действия и противодействия – приписывают один из самых ранних проектов парового автомобиля, основанный на том же начале: пар из котла, поставленного на колеса, вырывается в одну сторону, а самый котел в силу отдачи катится в противоположную (рис. 8).
Ракетные автомобили, об опытах с которыми в 1928 г. много писали в газетах и журналах, представляют собой современное видоизменение ньютоновой повозки.
Для любителей мастерить приведен здесь Рисунок бумажного пароходика, также очень похожего на ньютонову повозку: в паровом котле из опорожненного яйца, нагреваемом намоченной в спирте ваткой в наперстке, образуется пар; вырываясь струёй в одну сторону, он заставляет весь пароходик двигаться в противоположную сторону. Для сооружения этой поучительной игрушки нужны, однако, очень искусные руки.
Загрузка...
