Реактивно задвижване в технологиите. Реактивни двигатели

Въпроси.

1. Въз основа на закона за запазване на импулса обяснете защо балонът се движи в обратна посока на потока сгъстен въздух, излизащ от него.

2. Дайте примери за реактивно движение на тела.

В природата пример е реактивното движение на растенията: узрелите плодове на луда краставица; и животни: калмари, октоподи, медузи, сепии и др. (животните се движат, като изхвърлят водата, която абсорбират). В технологията най-простият пример за реактивно задвижване е сегнерно колело, по-сложни примери са: движение на ракети (космически, барутни, военни), водни превозни средства с реактивен двигател (хидроцикли, лодки, моторни кораби), въздушни превозни средства с въздушно-реактивен двигател (реактивни самолети).

3. Какво е предназначението на ракетите?

Ракетите се използват в различни области на науката и технологиите: във военното дело, научните изследвания, космонавтиката, спорта и развлеченията.

4. Използвайки фигура 45, избройте основните части на всяка космическа ракета.

Космически кораб, инструментално отделение, резервоар за окислител, резервоар за гориво, помпи, горивна камера, дюза.

5. Опишете принципа на действие на ракета.

В съответствие със закона за запазване на импулса, ракетата лети поради факта, че газове с определен импулс се изтласкват от нея с висока скорост и на ракетата се дава импулс със същата величина, но насочен в обратна посока . Газовете се изхвърлят през дюза, в която горивото гори, достигайки високи температури и налягания. Дюзата получава гориво и окислител, които се нагнетяват там от помпи.

6. От какво зависи скоростта на една ракета?

Скоростта на ракетата зависи преди всичко от скоростта на газовия поток и масата на ракетата. Скоростта на газовия поток зависи от вида на горивото и вида на окислителя. Масата на ракетата зависи например от това каква скорост искат да й придадат или от това колко далеч трябва да лети.

7. Какво е предимството на многостепенните ракети пред едностепенните?

Многостепенните ракети са в състояние да достигнат по-високи скорости и да летят по-далеч от едностепенните ракети.

8. Как се приземява космически кораб?

Кацането на космическия кораб се извършва по такъв начин, че скоростта му намалява при приближаване до повърхността. Това се постига чрез използване на спирачна система, която може да бъде или парашутна спирачна система, или спирането може да се извърши с помощта на ракетен двигател, докато дюзата е насочена надолу (към Земята, Луната и т.н.), поради което скоростта е намалена.

Упражнения.

1. От лодка, движеща се със скорост 2 m/s, човек хвърля гребло с маса 5 kg с хоризонтална скорост 8 m/s, противоположна на движението на лодката. С каква скорост е започнала да се движи лодката след хвърлянето, ако нейната маса заедно с масата на човека е 200 kg?

2. Каква скорост ще получи моделът на ракетата, ако масата на снаряда й е 300 g, масата на барута в нея е 100 g, а газовете излизат от дюзата със скорост 100 m/s? (Считайте, че изтичането на газ от дюзата е мигновено).

3. На какво оборудване и как се провежда експериментът, показан на фигура 47? Какво физическо явление се демонстрира в този случай, от какво се състои и какъв физически закон стои в основата на това явление?
Забележка:гумената тръба беше поставена вертикално, докато водата започне да тече през нея.

Към статива с помощта на държач беше прикрепена фуния с гумена тръба, прикрепена към нея отдолу с извита дюза в края, а отдолу беше поставена тава. След това започнаха да изливат вода от контейнера отгоре във фунията, докато водата се излива от тръбата в тавата, а самата тръба се измества от вертикално положение. Този експеримент илюстрира реактивно движение въз основа на закона за запазване на импулса.

4. Изпълнете експеримента, показан на фигура 47. Когато гумената тръба се отклони максимално от вертикалата, спрете да наливате вода във фунията. Докато водата, останала в тръбата, изтича, наблюдавайте как се променя: а) разстоянието на полета на водата в потока (спрямо отвора в стъклената тръба); б) позиция на гумената тръба. Обяснете и двете промени.

а) обхватът на полета на водата в потока ще намалее; б) когато водата изтича, тръбата ще се приближи до хоризонтално положение. Тези явления се дължат на факта, че налягането на водата в тръбата ще намалее и следователно импулсът, с който водата се изхвърля.

Реактивността и движението чрез това е доста широко разпространено явление в природата. Е, учени и изобретатели са го „шпионирали“ и са го използвали в своите технически разработки. Примери за реактивно задвижване могат да се видят навсякъде. Често ние самите не обръщаме внимание на факта, че този или онзи обект - живо същество, технически механизъм - се движи с помощта на това явление.

Какво е реактивно задвижване?

В живата природа реактивността е движение, което може да възникне в случай на отделяне на всяка частица от тялото с определена скорост. В технологията реактивният двигател използва същия принцип - закона за запазване на импулсите. Примери за реактивно задвижване на оборудване: в ракета, състояща се от черупка (която също включва двигател, контролни устройства, полезна площ за преместване на товари) и гориво с окислител, горивото изгаря, превръщайки се в газове, които избухват през дюзите в мощна струя, придавайки на цялата конструкция скорост в обратна посока.

Примери за реактивно задвижване в природата

Доста живи същества използват този принцип на движение. Характерен е за ларвите на някои видове водни кончета, медузи, мекотели - миди, сепия, октоподи, калмари. И в растителния свят - флората на Земята - също има видове, които използват това явление за осеменяване.

"Пръскаща краставица"

Флора ни дава примери за реактивно задвижване. Само на външен вид това растение със странен псевдоним е подобно на краставиците, с които сме свикнали. И се сдоби с епитета „луд” заради необичайния начин на разпространение на семената си. Когато узреят, плодовете на растението отскачат от дръжките. Това създава дупка, през която краставицата изстрелва течност, съдържаща семена, подходящи за размножаване чрез реактивност. А самият плод може да лети до 12 метра в посока, обратна на изстрела.

Как се движи сепия?

Примерите за реактивно задвижване са доста широко представени във фауната. Сепията е главоного със специална фуния, разположена в предната част на тялото. През него (и през допълнителен страничен процеп) водата навлиза в тялото на животното, в хрилната кухина. След това течността се изхвърля рязко през фуния и сепията може да насочи специална тръба отстрани или назад. Получената обратна сила осигурява движение в различни посоки.

Салпа

Тези животни от семейството на ципестите са поразителни примери за реактивно задвижване в природата. Те имат полупрозрачни цилиндрични тела с малък размер и живеят в повърхностните води на световния океан. Когато се движи, животното поема вода през дупка, разположена в предната част на тялото. Течността се поставя в широка кухина на тялото му, в която диагонално са разположени хрилете. Салпата отпива глътка вода, като в същото време дупката се затваря плътно, а мускулите на тялото - напречни и надлъжни - се свиват. В резултат на това цялото тяло на салпата се свива и водата рязко се изтласква от задния отвор. Така салпите използват принципа на реактивността при движението си във водната стихия.

Медузи, мекотели, планктон

Все още има обитатели в морето, които се движат по подобен начин. Вероятно всеки поне веднъж е виждал различни видове медузи във водата, докато си почива на брега. Но те също се движат, използвайки реактивност. Морският планктон, по-точно някои от неговите видове, мекотели и миди - всички те се движат по този начин.

Примери за струйно движение на тела. Калмари

Калмарът има уникална структура на тялото. Всъщност структурата му съдържа мощен реактивен двигател с отлична ефективност. Този представител на фауната на моретата и океаните понякога живее на големи дълбочини и достига огромни размери. Дори тялото на животното прилича на ракета по своята форма. По-точно, тази модерна ракета, изобретена от учените, имитира формите на калмарите, създадени от природата. Освен това за спокойни движения във водната среда се използва перка, но ако е необходим ритник, тогава принципът на реактивност!

Ако бъдете помолени да дадете примери за реактивно задвижване в природата, тогава на първо място можем да говорим за този мекотел. Неговата мускулна мантия обгражда кухина, разположена в тялото. Водата се засмуква отвън и след това се изхвърля доста рязко през тясна дюза (напомняща на ракета). Резултат: калмарът се движи рязко в обратната посока. Тази функция позволява на животното да се движи с доста високи скорости, изпреварвайки плячката си или бягайки от преследване. Той може да достигне скорости, сравними с добре оборудван съвременен кораб: до 70 километра в час. А някои учени, които подробно изследват явлението, говорят за скорости, достигащи 150 км/ч! В допълнение, този представител на океана има добра маневреност поради пипалата, сгънати на куп, огъващи се при движение в правилната посока.

Този грамофон може да се нарече първата в света парна турбина.

китайска ракета

Още по-рано, много години преди Херон от Александрия, Китай също изобретил реактивен двигателмалко по-различно устройство, което сега се нарича ракета за фойерверки. Ракетите за фойерверки не трябва да се бъркат с техните съименници - сигнални ракети, които се използват в армията и флота, а също така се изстрелват на национални празници под рева на артилерийски фойерверки. Факелите са просто куршуми, компресирани от вещество, което гори с цветен пламък. Те се стрелят от едрокалибрени пистолети - ракетни установки.

Факелите са куршуми, компресирани от вещество, което гори с цветен пламък.

китайска ракетаТова е картонена или метална тръба, затворена от единия край и пълна с прахообразен състав. Когато тази смес се запали, поток от газове, излизащ с висока скорост от отворения край на тръбата, кара ракетата да лети в посока, обратна на посоката на газовия поток. Такава ракета може да излети без помощта на ракетна установка. Пръчка, завързана за тялото на ракетата, прави полета й по-стабилен и прав.

Фойерверки с китайски ракети

Морски обитатели

В животинския свят:

Тук се среща и реактивно задвижване. Сепията, октоподите и някои други главоноги нямат нито перки, нито мощна опашка, но плуват не по-зле от другите морски обитатели. Тези същества с меко тяло имат доста просторна торба или кухина в тялото си. Водата се изтегля в кухината и след това животното изтласква тази вода с голяма сила. Реакцията на изхвърлената вода кара животното да плува в посока, обратна на посоката на потока.

Октоподът е морско създание, което използва реактивно задвижване

Падаща котка

Но най-интересният начин на движение беше демонстриран от обикновения котка.

Преди около сто и петдесет години известен френски физик Марсел Депрезаяви:

Но знаете ли, законите на Нютон не са напълно верни. Тялото може да се движи с помощта на вътрешни сили, без да разчита на нищо или да се отблъсква от нищо.

Къде са доказателствата, къде са примерите? - протестираха слушателите.

Искате доказателство? Ако обичате. Котка, случайно паднала от покрив, е доказателство! Без значение как котката пада, дори с главата надолу, тя определено ще стои на земята с четирите си лапи. Но падащата котка не разчита на нищо и не се отблъсква от нищо, а се обръща бързо и сръчно. (Съпротивлението на въздуха може да се пренебрегне - то е твърде незначително.)

Всъщност всеки знае това: котки, падане; винаги успяват да се изправят на крака.

Котките правят това инстинктивно, но хората могат да направят същото съзнателно. Плувците, които скачат от платформа във водата, знаят как да изпълнят сложна фигура - тройно салто, тоест обръщат се три пъти във въздуха и след това внезапно се изправят, спират въртенето на тялото си и се гмуркат във водата в права линия.

Същите движения, без взаимодействие с чужд обект, могат да се наблюдават в цирка по време на представление на акробати - въздушни гимнастички.

Изпълнение на акробати - въздушни гимнастички

Падащата котка е снимана с филмова камера и след това на екрана разглеждат кадър по кадър какво прави котката, когато лети във въздуха. Оказа се, че котката бързо върти лапата си. Въртенето на лапата предизвиква ответно движение на цялото тяло и то се завърта в посока, обратна на движението на лапата. Всичко се случва в строго съответствие със законите на Нютон и благодарение на тях котката се изправя на крака.

Същото се случва във всички случаи, когато живо същество без видима причина промени движението си във въздуха.

Реактивна лодка

Изобретателите имаха идея, защо да не възприемат техния плувен метод от сепия. Те решиха да построят самоходен кораб с реактивен двигател. Идеята определено е осъществима. Вярно, нямаше увереност в успеха: изобретателите се съмняваха дали такова нещо ще се окаже джет лодкапо-добре от обикновен винт. Трябваше да се направи експеримент.

Реактивна лодка - самоходен кораб с реактивен двигател

Избраха стар параход-влекач, поправиха корпуса му, свалиха витлата и монтираха водоструйна помпа в машинното отделение. Тази помпа изпомпваше морска вода и през тръба я изтласкваше зад кърмата със силна струя. Параходът плаваше, но въпреки това се движеше по-бавно от винтовия параход. И това се обяснява просто: обикновено витло се върти зад кърмата, без ограничения, около него само вода; Водата във водоструйната помпа се задвижваше от почти същия винт, но вече не се въртеше върху водата, а в стегната тръба. Получава се триене на водната струя по стените. Триенето отслаби натиска на струята. Параходът с водометно задвижване плавал по-бавно от винтовия и изразходвал повече гориво.

Те обаче не изоставиха изграждането на такива параходи: те имаха важни предимства. Лодка, оборудвана с витло, трябва да стои дълбоко във водата, в противен случай витлото безполезно ще пени водата или ще се върти във въздуха. Ето защо винтовите параходи се страхуват от плитчини и пушки, те не могат да плават в плитки води. И водоструйните параходи могат да бъдат построени с плитко газене и плоско дъно: те не се нуждаят от дълбочина - където отива лодката, ще върви и водоструйният параход.

Първите водометни лодки в Съветския съюз са построени през 1953 г. в Красноярската корабостроителница. Те са предназначени за малки реки, където обикновените параходи не могат да плават.

Инженери, изобретатели и учени започнаха да изучават реактивното задвижване особено усърдно, когато огнестрелни оръжия. Първите пушки - всякакви пистолети, мускети и самоходни пушки - при всеки изстрел удряха силно в рамото. След няколко десетки изстрела рамото започва да боли толкова много, че войникът вече не може да се прицели. Първите оръдия - пищялки, еднорози, кулверини и бомбарди - отскачаха при изстрел, така че артилеристите-артилеристи оставаха осакатени, ако нямаха време да се измъкнат и да скочат настрани.

Откатът на пистолета пречи на точната стрелба, защото пистолетът трепва, преди гюлето или гранатата да напуснат цевта. Това изхвърли преднината. Стрелбата се оказва безцелна.

Стрелба с огнестрелно оръжие

Инженерите по боеприпаси започнаха да се борят с отката преди повече от четиристотин и петдесет години. Първо, каретата е оборудвана с ботуш, който се блъска в земята и служи като здрава опора за пистолета. Тогава си помислиха, че ако пистолетът е добре подпрян отзад, така че да няма къде да се изтърколи, тогава откатът ще изчезне. Но беше грешка. Законът за запазване на импулса не е взет предвид. Оръжията счупиха всички опори и лафетите се разхлабиха толкова много, че пистолетът стана неподходящ за бойна работа. Тогава изобретателите разбраха, че законите на движението, както всички закони на природата, не могат да бъдат преработени по свой начин, те могат да бъдат „надхитрени“ само с помощта на науката - механиката.

Те оставиха сравнително малка отварачка на лафета за опора и поставиха цевта на оръдието върху „шейна“, така че само една цев да се търкулне, а не цялото оръдие. Цевта беше свързана с бутало на компресор, което се движи в цилиндъра си по същия начин като буталото на парна машина. Но в цилиндъра на парната машина има пара, а в компресора на пистолета има масло и пружина (или сгъстен въздух).

Когато дулото на пистолета се върти назад, буталото притиска пружината. По това време маслото се изтласква през малки отвори в буталото от другата страна на буталото. Възниква силно триене, което частично абсорбира движението на търкалящия се варел, което го прави по-бавно и по-плавно. След това компресираната пружина се изправя и връща буталото, а с него и цевта на пистолета, на първоначалното му място. Маслото притиска клапана, отваря го и тече свободно обратно под буталото. По време на бърза стрелба дулото на пистолета се движи почти непрекъснато напред-назад.

В компресор за пистолет отката се абсорбира от триене.

Дулен спирач

Когато мощността и обхватът на оръдията се увеличиха, компресорът не беше достатъчен, за да неутрализира отката. Беше измислено, за да му помогне дулен спирачка.

Дулната спирачка е просто къса стоманена тръба, монтирана на края на цевта и служи като нейно продължение. Диаметърът му е по-голям от диаметъра на цевта и следователно по никакъв начин не пречи на излитащия от цевта снаряд. По обиколката на стените на тръбата се изрязват няколко продълговати дупки.

Дулен спирач - намалява отката на огнестрелното оръжие

Праховите газове, излитащи от цевта на пистолета след снаряда, незабавно се отклоняват настрани и някои от тях попадат в дупките на дулната спирачка. Тези газове се удрят в стените на дупките с голяма сила, отблъскват се от тях и излитат, но не напред, а леко накриво и назад. В същото време те натискат напред стените и ги избутват, а с тях и цялата цев на пистолета. Те помагат на монитора за пожар, защото са склонни да карат цевта да се търкаля напред. И докато бяха в дулото, бутнаха пистолета назад. Дулната спирачка значително намалява и потиска отката.

Други изобретатели поели по различен път. Вместо да се бият реактивно движение на цевтаи се опитаха да го изгасят, те решиха да използват връщането на пистолета за добър ефект. Тези изобретатели създадоха много видове автоматични оръжия: пушки, пистолети, картечници и оръдия, при които откатът служи за изхвърляне на изстреляната гилза и презареждане на оръжието.

Ракетна артилерия

Не е нужно изобщо да се борите с отката, но го използвайте: в края на краищата действието и реакцията (отката) са еквивалентни, равни по права, равни по величина, така че нека реактивно действие на прахови газове, вместо да избута дулото на пистолета назад, изпраща снаряда напред към целта. Така е създаден ракетна артилерия. В него струя от газове удря не напред, а назад, създавайки насочена напред реакция в снаряда.

За ракетен пистолетскъпата и тежка цев се оказва ненужна. По-евтина, проста желязна тръба работи идеално за насочване на полета на снаряда. Можете изобщо да се справите без тръба и да накарате снаряда да се плъзга по две метални летви.

По своя дизайн ракетният снаряд е подобен на ракета за фойерверки, само че е по-голям по размер. В челната му част вместо композиция за цветен бенгалски огън е поставен експлозивен заряд с голяма разрушителна сила. Средата на снаряда е пълна с барут, който при изгаряне създава мощен поток от горещи газове, който избутва снаряда напред. В този случай изгарянето на барута може да продължи значителна част от времето на полета, а не само краткия период от време, докато обикновен снаряд напредва в цевта на обикновено оръдие. Изстрелът не е придружен от толкова силен звук.

Ракетната артилерия не е по-млада от обикновената артилерия, а може би дори е по-стара: древните китайски и арабски книги, написани преди повече от хиляда години, съобщават за бойното използване на ракети.

В описанията на битките от по-късни времена, не, не, и ще има споменаване на бойни ракети. Когато британските войски завладяват Индия, индийските ракетни воини, със своите стрели с огнена опашка, ужасяват британските нашественици, които поробват родината им. За британците по това време реактивните оръжия бяха новост.

Ракетни гранати, изобретени от генерала К. И. Константинов, смелите защитници на Севастопол през 1854-1855 г. отблъснаха атаките на англо-френските войски.

Ракета

Огромното предимство пред конвенционалната артилерия - нямаше нужда да се носят тежки оръдия - привлече вниманието на военните лидери към ракетната артилерия. Но също толкова голям недостатък попречи на подобряването му.

Факт е, че задвижващият заряд или, както се казваше, силовият заряд, можеше да бъде направен само от черен барут. А черният барут е опасен за работа. Случвало се е по време на производството ракетигоривото избухна и работниците загинаха. Понякога ракетата експлодира при изстрелване, убивайки стрелците. Правенето и използването на такива оръжия беше опасно. Ето защо не е получил широко разпространение.

Работата, която започна успешно обаче, не доведе до изграждането на междупланетен космически кораб. Германските фашисти подготвят и отприщват кървава световна война.

Ракета

Недостатъците в производството на ракети бяха отстранени от съветските дизайнери и изобретатели. По време на Великата отечествена война те дадоха на нашата армия отлични ракетни оръжия. Построени са гвардейски минохвъргачки - изобретени са "Катюша" и РС ("ерес") - ракети.

Ракета

По качество съветската ракетна артилерия надмина всички чуждестранни модели и нанесе огромни щети на враговете.

Защитавайки родината, съветските хора бяха принудени да поставят всички постижения на ракетната техника в услуга на отбраната.

Във фашистките държави много учени и инженери още преди войната интензивно разработват проекти за нечовешки оръжия за унищожение и масово убийство. Това те считаха за цел на науката.

Самоуправляващ се самолет

По време на войната инженерите на Хитлер построяват няколкостотин самоуправляващ се самолет: снаряди V-1 и ракети V-2. Това са черупки с форма на пура, дълги 14 метра и диаметър 165 сантиметра. Смъртоносната пура тежеше 12 тона; от които 9 тона гориво, 2 тона гилзи и 1 тон взривни вещества. "V-2" летеше със скорост до 5500 километра в час и можеше да се издигне на височина от 170-180 километра.

Тези средства за унищожаване не се различаваха по точност на удара и бяха подходящи само за стрелба по такива големи цели като големи и гъсто населени градове. Германските фашисти произвеждат V-2 на 200-300 километра от Лондон с вярата, че градът е голям - ще удари някъде!

Малко вероятно е Нютон да си е представял, че неговият остроумен опит и откритите от него закони на движение ще формират основата на оръжията, създадени от зверски гняв към хората, а цели квартали на Лондон ще се превърнат в руини и ще станат гробове на хора, заловени от рейд на слепите “FAU”.

космически кораб

В продължение на много векове хората са мечтали да летят в междупланетното пространство, да посетят Луната, мистериозния Марс и облачната Венера. По тази тема са написани много научнофантастични романи, новели и разкази. Писателите изпращаха своите герои в небето на дресирани лебеди, в балони с горещ въздух, в оръдия или по друг невероятен начин. Въпреки това, всички тези методи на полет се основават на изобретения, които нямат подкрепа в науката. Хората само вярваха, че някой ден ще могат да напуснат нашата планета, но не знаеха как ще успеят да направят това.

Прекрасен учен Константин Едуардович Циолковскиза първи път през 1903 г даде научната основа на идеята за пътуване в космоса. Той доказа, че хората могат да напуснат земното кълбо и ракетата ще служи като превозно средство за това, защото ракетата е единственият двигател, който не се нуждае от външна опора за своето движение. Ето защо ракетаспособен да лети в безвъздушно пространство.

Ученият Константин Едуардович Циолковски доказа, че хората могат да напуснат земното кълбо с ракета

По структура космическият кораб трябва да бъде подобен на ракета, само че в главата му ще има кабина за пътници и прибори, а останалото пространство ще бъде заето от запас от горима смес и двигател.

За да се даде на кораба необходимата скорост, е необходимо правилното гориво. Барутът и другите експлозиви в никакъв случай не са подходящи: те са опасни и горят твърде бързо, без да осигуряват дългосрочно движение. К. Е. Циолковски препоръчва използването на течно гориво: алкохол, бензин или втечнен водород, изгаряне в поток от чист кислород или някакъв друг окислител. Всички признаха правилността на този съвет, защото не познаваха най-доброто гориво по това време.

Първата ракета с течно гориво, тежаща шестнадесет килограма, е тествана в Германия на 10 април 1929 г. Експерименталната ракета излетя във въздуха и изчезна от погледа, преди изобретателят и всички присъстващи да успеят да проследят накъде е полетяла. Не беше възможно да се намери ракетата след експеримента. Следващият път изобретателят реши да „надхитри“ ракетата и завърза към нея въже с дължина четири километра. Ракетата излетя, влачейки въжената си опашка след себе си. Тя извади два километра въже, скъса го и последва предшественика си в неизвестна посока. И този беглец също не можа да бъде намерен.