Что такое реактивное движение в физике
Реактивное движение
Урок 25. Физика 10 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Реактивное движение»
Все вы много раз слышали о реактивном двигателе или реактивных самолетах.
Реактивное движение — это движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него.
В частности, реактивная тяга — это сила, возникающая в результате истечения газов из сопла летательного аппарата с определенной скоростью.
Элементарный пример реактивного движения видел каждый: если надуть воздушный шарик и, не завязав его, отпустить, шарик полетит, и будет летать до тех пор, пока из него не выйдет весь воздух.
Реактивные двигатели, в первую очередь, необходимы для освоения космического пространства. Ведь, находясь в открытом космосе, корабль не имеет возможности оттолкнуться от какой-либо опоры, поскольку ее, попросту, нет. Единственной силой, которая могла бы сообщить кораблю ускорение, является реактивная тяга.
Несмотря на то, что в пределах земной атмосферы нет необходимости применять реактивные двигатели, большинство современных самолетов летают именно на реактивной тяге. Это обусловлено тем, что реактивная тяга предоставляет достаточно высокие скорости, по сравнению с теми, которые достижимы винтовыми самолетами.
Реактивные двигатели делятся на два основных типа: ракетные и воздушно-реактивные.
Для работы ракетного двигателя необходимо топливо и окислитель, который способствует горению. В двигателях на твердом топливе (в качестве которого часто используется порох), горючее и окислитель находятся непосредственно в двигателе. В реактивных двигателях на жидком топливе, таком как бензин, например, топливо и окислитель хранятся в отдельных баках, и с помощью насосов подаются в камеру сгорания.
Температура в камере сгорания составляет порядка 3 000 о С, в результате чего, давление возрастает до 50 атм. В камере сгорания при сгорании топлива образуются газы, которые из-за высокой температуры создают высокое давление на стенки камеры. В результате этого, газы вырываются из сопла ракеты, тем самым двигая ее вперед.
Выполняется закон сохранения импульса: суммарный импульс системы должен оставаться равным нулю. Определенная масса газов вырывается из сопла в одну сторону, поэтому, ракета должна начать двигаться в другую сторону. Для увеличения эффекта применяют сужение сопла, чтобы увеличить скорость истечения газов. Ведь при этом, через меньшее поперечное сечение должно будет пройти то же количество газов за определенное время. Следовательно, скорость истечения газов должна увеличиться.
Заметим, что даже при постоянной скорости истечения газов, скорость ракеты будет увеличиваться, поскольку будет уменьшаться ее масса в результате сгорания топлива. Исходя из этого, мы можем вывести формулу, по которой рассчитывается реактивная тяга:
Обратите внимание, что перед скоростью истечения газов стоит знак «минус», поскольку, эта скорость направлена в противоположную сторону, чем скорость движения ракеты.
Эта же формула выводится из закона сохранения импульса для системы ракета — продукты сгорания:
В правой части мы видим отношение изменения массы к промежутку времени — эта величина называется массовым расходом топлива.
Воздушно-реактивные двигатели немногим отличаются от ракетных. Основное их отличие в том, что в качестве окислителя используется кислород, содержащийся в воздухе, который попадает внутрь двигателя.
Пример решения задачи.
Задача. Реактивный самолет набирает скорость от 800 км/ч до 2000 км/ч. За это время самолет потерял 1 т топлива. Масса самолета без топлива равна 16 т. Какова скорость истечения газов?
Нам ничего не сказано о других силах, поэтому, внешними силами можно пренебречь.
Реактивное движение в природе и технике
Содержание:
У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, осьминоги, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.
История
С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.
Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.
Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.
Открытие
Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.
Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.
Примеры в природе
Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.
Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).
Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.
Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.
Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами
Закон реактивного движения
Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.
Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.
То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.
Закон сохранения импульса
Физика поясняет процесс реактивного движения законом сохранения импульса. Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.
Формула
где msvs импульс создаваемой струей газов, mрvр импульс, полученный ракетой.
Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.
Применение в технике – принцип работы реактивного двигателя
В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть
Так выглядит реактивный двигатель.
Видео
И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.
Физика. 10 класс
Конспект урока
Урок 12. Реактивное движение
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) практическое применение закона сохранения импульса;
2) реактивное движение, реактивная сила;
3) использование реактивного движения в природе и технике;
4) этапы исторического развития освоения космоса;
Реактивное движение – это движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него.
Реактивная сила – сила, возникающая при реактивном движении.
Особенность реактивной силы – возникновение без взаимодействия с внешними телами.
Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 126 – 127;
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2014. – С.47-48.
Открытые электронные ресурсы:
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Движение тела, которое возникает при отделении с определённой скоростью какой-либо его части, называется реактивным.
Реактивное движение издревле существует в природе. Его для своего перемещения используют некоторые живые существа: кальмары, осьминоги, каракатицы, медузы и т.д. Они всасывают, а затем с силой выталкивают из себя воду, за счёт этого они движутся. Реактивное движение встречается и в быту. Примеры: движение резинового шланга, когда мы включаем воду, салюты и т.д.
Сила, с которой ракета действует на газы, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой газы отталкивают от себя ракету:
При реактивном движении возникает сила, которая называется реактивной. Сила 
— это реактивная сила.
Особенностью реактивной силы является то, что она возникает без взаимодействия с внешними телами.
Согласно закону сохранения импульса: импульс вырывающихся газов равен импульсу ракеты.
Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты.
Закон сохранения импульса для реактивного движения:
откуда скорость ракеты:
Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты. Эта формула справедлива для случая мгновенного сгорания топлива. На самом деле топливо сгорает постепенно, т.к. мгновенное сгорание приводит к взрыву.
Точная формула для скорости ракеты была получена в 1897 году К.Э. Циолковским.
Первую конструкцию ракеты для космических полётов предложил Константин Эдуардович Циолковский – русский учёный, основоположник теоретической космонавтики. Он обосновал использование ракет для полётов в космос, сделал вывод о необходимости использования многоступенчатых ракет.
Идеи Циолковского воплотил в жизнь советский учёный, инженер-конструктор С.П. Королёв. 4 октября 1957 года считается началом космической эры. В этот день конструкторский коллектив под руководством Королёва осуществил запуск первого искусственного спутника Земли.
12 апреля 1961 г. впервые в мире на орбиту Земли был выведен космический корабль, в котором находился лётчик-космонавт СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Он открыл дорогу в космос. В космосе нельзя использовать другие двигатели, кроме реактивных, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Реактивные двигатели применяют для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, чтобы максимально увеличить скорость полёта.
Примеры и разбор решения заданий
1. Чему равна реактивная сила тяги двигателя, выбрасывающего каждую секунду 15 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3 км/с относительно ракеты?
Дано: m = 15 кг, v = 3 км/с = 3000 м/с, ∆t = 1 с. Найти F.
2. Из пороховой ракеты, летящей со скоростью 16 м/с, вылетают продукты сгорания массой 24 г со скоростью 600 м/с. Вычислите массу ракеты.
Дано: v₁ = 16 м / с, m₂ = 24 г = 0,024 кг, v₂ = 600 м/с. Найти m₁.
Запишем закон сохранения импульса для реактивного движения: m₁v₁ = m₂v₂, выразим массу ракеты: m₁ = m₂v₂ / v₁.
Делаем расчёт: m₁ = (0,024 кг·600 м/с) / 16 м / с = 0,9 кг. Ответ: m₁ = 0,9 кг.
Основные сведения о реактивном движении в природе
Что такое реактивное перемещение
Определение реактивного перемещения.
Реактивное перемещение — это движение тела, которое возникает благодаря отделению некоторой его части (массы) с определенной скоростью относительно него.
В основе реактивного движения лежит закон сохранения импульса.
Закон сохранения импульса — это сумма импульсов всех тел, которые входят в данную замкнутую систему и остаются постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой внутри данной системы.
Данный закон является следствием из второго и третьего законов Ньютона.
Также реактивное движение тесно связано с реактивной тягой.
Реактивная тяга — это такая сила, которая возникает из сопла летательного аппарата в результате истечения газов с определенной скоростью.
Знание закона сохранения импульса позволяет изменять скорость перемещения тела. К примеру, если человек при движении в лодке будет бросать камни в определенную сторону, то движение лодки будет осуществляться в противоположном направлении. В космическом пространстве закон сохранения импульса не пропадает. Для изменения направления движения используют реактивные двигатели.
Формула, описывающая реактивное движение:
Примеры реактивного движения в природе
В природе, в основном, реактивное движение присутствуют у животных, обитающих в водной среде.
Многие морские животные для передвижения используют реактивное движение. Среди этих животных: медузы, осьминоги, морские гребешки, кальмары, сальпы, каракатицы. Все эти животные используют реакцию выбрасываемой струи воды.
В качестве примера можно рассмотреть каракатиц и осьминогов. Они забирают воду в жаберную полость, а затем выбрасывают энергично струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки назад или в бок и, выдавливая из нее воду, может быстро двигаться в разные стороны. Осьминоги придают своему телу обтекаемую форму, благодаря складыванию щупальцев над головой, и могут таким образов управлять своим движением.
Большинство медуз пользуются реактивным способом движения, выталкивая воду из полости своего зонтика.
Некоторые представители насекомых также используют для перемещения реактивное движение. Так, например, длиннобрюхие личинки стрекоз используют реактивное движение в минуту опасности. Данные личинки используют свою заднюю кишку. Они наполняют ее водой, затем силой выбрасывают воду. Тем самым личинка перемещается по принципу реактивного движения.
Физические основы реактивного движения
В основы реактивного движения входит рассмотрение закона сохранения импульса. При реактивном движении появляется реактивная сила, толкающее тело.
Особенность реактивного движения заключается в том, что в результате взаимодействия между собой частей системы, в ней возникает движение без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
Сила, сообщая ускорение телу, возникает за счет взаимодействия этих тел с землей, воздухом или водой.
Движение тела можно получить, например, с помощью вытекания струи жидкости или газа.
Реактивное движение в технике используется в автомобилестроении, в речном транспорте, в военном деле, в космонавтике и авиации.
Реактивное движение
История реактивного движения
Реактивное перемещение — это движение тела, которое возникает благодаря отделению некоторой его части (массы) с определенной скоростью относительно него.
Самыми ранними упоминаниями о реактивном движении считаются записи древнегреческого механика и математика Герона.
На практике примеры реактивного движения появились еще в Китае в XII веке. Китайцы в это время решили заимствовать принцип такого движения для первых ракет у каракатиц и осьминогов.
Естественно, что первые описанные ракеты условно с реактивным движением были по конструкции простыми и несколько столетий оставались в стагнации.
Истинным и главным первооткрывателем реактивного движения называют российского революционера Николая Кибальчина. Он, находясь в заключении в царской тюрьме, создавал собственный проект по созданию реактивного двигателя.
После казни Николая Кибальчина, работы революционера дополнил ученый Циолковский. Ученый несколько лет писал ряд трудов, где он доказывал возможность использования реактивного движения для космических ракет.
Физические основы реактивного движения
В основе реактивного движения лежит закон сохранения импульса.
Закон сохранения импульса — это сумма импульсов всех тел, которые входят в данную замкнутую систему и остаются постоянной при любых взаимодействиях этих всех тел между собой внутри этой системы.
Данный закон является следствием из второго и третьего законов Ньютона.
Также реактивное движение тесно связано с реактивной тягой.
Реактивная тяга — это такая сила, которая возникает из сопла летательного аппарата в результате истечения газов с определенной скоростью.
Знание закона сохранения импульса позволяет изменять скорость перемещения тела. К примеру, если человек при движении в лодке будет бросать камни в определенную сторону, то движение лодки будет осуществляться в противоположном направлении. В космическом пространстве закон сохранения импульса не пропадает. Для изменения направления движения используют реактивные двигатели.
Формула, описывающая реактивное движение:
Особенность реактивного движения заключается в том, что в результате взаимодействия между собой частей системы, в которой возникает движение, без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
Сила, сообщая ускорение телу, возникает за счет взаимодействия этих тел с землей, воздухом или водой.
Движение тела можно получить, например, с помощью вытекании струи жидкости или газа.
Реактивное движение в технике используется в автомобилестроении, в речном транспорте, в военном деле, в космонавтике и авиации.
Законы Ньютона в реактивном движении
Законы Ньютона в нашей жизни описывают механизмы гравитации и то, что происходит с телами при движении.
Второй закон Ньютона объясняет, что сила движущегося тела зависит от его массы и ускорения (изменения скорости движения). Получается, по второму закону Ньютона, чтобы создать ракету большой мощности, нужно, чтобы она постоянно выпускала большое количество высокоскоростной энергии.
Третий закон Ньютона гласит, что на действие будет равная по силе, но противоположная сила будет противодействием. В природе и технике реактивные двигатели работают по этим законам. В случае с реактивным двигателем ракеты сила действия будет вылетать из выхлопной трубы. Противодействием будет являться толчок ракеты вперед. Именно сила выбросов толкает ракету вверх. В космическом пространстве, где ракета практически не имеет веса, даже незначительная работа реактивных двигателей будет способна большую ракету быстро лететь вперед.
Как устроена ракета
В качестве примера рассмотрим ракету «Союз-У».
Схема устройства ракеты:
Для преодоления земного притяжения необходимо большое количество топлива, при этом нужно учесть, что чем больше топлива в ракете, тем больше его масса. Поэтому для уменьшения массы ракеты их строят многоступенчатыми. Каждая ступень рассматривается как отдельная ракета с собственным запасом топлива и ракетным двигателем. Каждая ступень легче и меньше предыдущей.
Первая ступень космической ракеты самая большая. Данная ступень самая мощная, именно она открывает ракету от Земли.
Вторая ступень называется разгонной, так как именно она разгоняет ракету до первой космической скорости, которой достаточно для выхода на околоземную орбиту.
Следующие ступени ракеты также нужны для набора скорости, чтобы вывести ее на орбиту.
Последняя ступень ракеты предназначена для маневрирования и доставки космонавтов и полезного груза к месту назначения.
Примеры реактивного движения в природе
В природе, в основном, реактивное движение присутствуют у животных, обитающих в водной среде.
Многие морские животные для передвижения используют реактивное движение.
Среди этих животных:
Все эти животные используют реакцию выбрасываемой струи воды.
В качестве примера можно рассмотреть каракатиц и осьминогов. Они забирают воду в жаберную полость, а затем выбрасывают энергично струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки назад или в бок и, выдавливая из нее воду, может быстро двигаться в разные стороны. Осьминоги придают своему телу обтекаемую форму, благодаря складыванию щупальцев над головой, и могут таким образов управлять своим движением.
Большинство медуз пользуются реактивным способом движения, выталкивая воду из полости своего зонтика.
Некоторые представители насекомых также используют для перемещения реактивное движение. Так, например, личинки стрекоз длиннобрюхие используют реактивное движение в минуту опасности. Данные личинки используют свою заднюю кишку. Они наполняют ее водой, затем силой выбрасывают ее, тем самым личинка перемещается по принципу реактивного движения.