Реактивний рух у техніці. Реактивні двигуни

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, Більш складними прикладами є: 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.

Реактивність і рух з цього - досить поширене явище у природі. Ну а вчені та винахідники «підглянули» і використовували його у своїх технічних розробках. Приклади реактивного руху можна побачити всюди. Найчастіше ми самі не звертаємо уваги те що, що той чи інший об'єкт - жива істота, технічний механізм - рухається з допомогою даного явища.

Що таке реактивний рух?

У живій природі реактивність - рух, який може виникати у разі відокремлення від тіла його будь-якої частинки з певною швидкістю. У техніці реактивний двигун використовує той самий принцип – закон збереження імпульсів. Приклади реактивного руху техніки: в ракеті, що складається з оболонки (яка до того ж включає двигун, прилади управління, корисну площу для переміщення вантажів) і палива з окислювачем, паливо згоряє, перетворюючись на гази, які потужним струменем вириваються назовні через сопла, надаючи всій конструкції швидкість у зворотному напрямку.

Приклади реактивного руху на природі

Досить багато живих істот використовують цей принцип руху. Він характерний для личинок деяких видів бабок, медуз, молюсків – морського гребінця, каракатиць, восьминогів, кальмарів. А в рослинному світі – флорі Землі – також зустрічаються види, що використовують таке явище для запліднення.

«Скажений огірок»

Приклад реактивного руху надає нам флора. Тільки на вигляд це рослина з дивним прізвиськом подібно зі звичними нам огірками. А епітет «шалений» воно набуло через не зовсім звичний спосіб поширення свого насіння. Дозріваючи, плоди рослини відскакують від плодоніжок. В результаті утворюється отвір, через який огірок вистрілює рідиною, що містить придатне для розмноження насіння, використовуючи реактивність. А сам плід може при цьому відлітати на відстань до 12 метрів у протилежний постріл.

Як рухається каракатиця?

Приклади реактивного руху досить широко представлені у фауні. Каракатиця - головоногий молюск, що має особливу вирву, що знаходиться в передній частині тулуба. Через неї (і ще крізь додаткову бічну щілину) вода надходить усередину тіла тварини, в зяброву порожнину. Потім рідина різко викидається через вирву, а спеціальну трубку каракатиця може направляти вбік або назад. Виникає зворотна сила забезпечує рух у різні боки.

Сальпа

Дані тварини із сімейства оболочників - яскраві приклади реактивного руху на природі. Вони мають циліндричні тіла, що просвічуються, невеликих розмірів і мешкають у поверхневих водах світового океану. Під час руху тварина втягує воду крізь отвір, розташований у передній частині тулуба. Рідина міститься у широкій порожнині його тіла, у якому по діагоналі розташовуються зябра. Сальпа робить ковток води, і в цей же час отвір щільно закривається, а м'язи тіла – поперечні та поздовжні – скорочуються. Від того все тіло сальпи стискається, а вода різко виштовхується геть із заднього отвору. Таким чином, сальпи використовують принцип реактивності у своєму русі у водній стихії.

Медузи, молюски, планктон

У морі ще є мешканці, які пересуваються подібним чином. Всі бодай раз напевно, відпочиваючи на узбережжі, зустрічали у воді різні види медуз. Адже вони також пересуваються, використовуючи реактивність. Морський планктон, точніше, деякі його види, молюски та гребінці – всі вони пересуваються так.

Приклад реактивного руху тел. Кальмар

Унікальна будова тіла має кальмар. По суті, у його будові природою закладено потужний реактивний двигун, що має відмінний ККД. Цей представник фауни морів і океанів мешкає часом великих глибинах і сягає великих розмірів. Навіть тіло тварини нагадує своїми формами ракету. Точніше, це сучасна вигадана вченими ракета імітує форми кальмара, створені природою. Причому для неквапливих рухів у водному середовищі використовується плавець, а от якщо потрібний ривок, то принцип реактивності!

Якщо вас попросять: наведіть приклади реактивного руху в природі, то насамперед можна говорити про цей молюсок. Його м'язова мантія оточує порожнину, що у тілі. Вода засмоктується туди ззовні, а потім викидається досить різко через вузьке сопло (що нагадує ракетне). Результат: кальмар рухається ривками у зворотному напрямку. Ця особливість дозволяє тварині пересуватися з досить високими швидкостями, наздоганяючи свій видобуток або уникаючи погоні. Він може розвинути швидкість відповідно добре оснащеному сучасному судну: до 70 кілометрів на годину. А деякі вчені, які докладно досліджують феномен, говорять про швидкість, що досягає 150 км/год! До того ж у даного представника океану є непогана маневреність за рахунок щупальців, складених пучком, що згинаються під час руху в потрібні сторони.

Цю вертушку можна назвати першою у світі паровою реактивною турбіною.

Китайська ракета

Ще раніше, за багато років до Герона Олександрійського, у Китаї теж винайшли реактивний двигундещо іншого пристрою, званого нині феєрверковою ракетою. Феєрверкові ракети не слід змішувати з їхніми тезками - сигнальними ракетами, які застосовують в армії та флоті, а також пускають у дні всенародних свят під гуркіт артилерійського салюту. Сигнальні ракети - це кулі, спресовані з речовини, що горить кольоровим полум'ям. Ними вистрілюють із великокаліберних пістолетів - ракетниць.

Сигнальні ракети - кулі, спресовані з речовини, що горить кольоровим полум'ям

Китайська ракетає картонною або металевою трубкою, закритою з одного кінця і наповненою пороховим складом. Коли цю суміш підпалюють, струмінь газів, вириваючись з великою швидкістю з відкритого кінця трубки, змушує ракету летіти у бік, протилежний напряму газового струменя. Злітати така ракета може без допомоги пістолета-ракетниці. Паличка, прив'язана до корпусу ракети, робить її політ більш стійким та прямолінійним.

Феєрверк з використанням китайських ракет

Мешканці моря

У світі тварин:

Тут також трапляється реактивний рух. Каракатиці, восьминоги та деякі інші головоногі молюски не мають ні плавців, ні потужного хвоста, а плавають не гірше за інших. мешканців моря. Ці м'якотілі істоти в тілі мають досить місткий мішок або порожнину. У порожнину набирається вода, а потім тварина з великою силою виштовхує цю воду назовні. Реакція викинутої води змушує тварину плисти у бік, протилежний напряму струменя.

Восьминіг - мешканець моря, який використовує реактивний рух

Падаюча кішка

Але найцікавіший спосіб руху продемонструвала звичайна кішка.

Років сто п'ятдесят тому відомий французький фізик Марсель Депрезаявив:

Чи знаєте, закони Ньютона не зовсім вірні. Тіло може рухатися за допомогою внутрішніх сил, ні на що не спираючись і від чого не відштовхуючись.

Де підтвердження, де приклади? – протестували слухачі.

Бажаєте доказів? Будьте ласкаві. Кішка, що ненароком зірвалася з даху, - ось доказ! Як би кішка не падала, хоч головою вниз, на землю вона обов'язково стане всіма чотирма лапками. Але ж падаюча кішка ні на що не спирається і ні від чого не відштовхується, а швидко і спритно перевертається. (Опір повітря можна знехтувати - воно занадто мізерне.)

Справді, це знають усі: кішки, падаючи; примудряються завжди ставати на ноги.

Кішки це роблять інстинктивно, а людина може зробити те саме свідомо. Плавці, що стрибають з вежі у воду, вміють виконувати складну фігуру - потрійне сальто, тобто тричі перевернутися в повітрі, а потім раптом випростатися, зупинити обертання свого тіла і вже по прямій лінії пірнути у воду.

Такі ж рухи, - без взаємодії з будь-яким стороннім предметом, трапляється спостерігати у цирку під час виступу акробатів – повітряних гімнастів.

Виступ акробатів – повітряних гімнастів

Падаючу кішку сфотографували кінознімальним апаратом і потім на екрані розглядали кадр за кадром, що робить кішка, коли летить у повітрі. Виявилося, що кішка швидко крутить лапкою. Обертання лапки викликає рух у відповідь- реакцію всього тулуба, і воно повертається в бік, протилежну руху лапки. Все відбувається у суворій відповідності до законів Ньютона, і саме завдяки їм кішка стає на ноги.

Те саме відбувається у всіх випадках, коли жива істота без жодної видимої причини змінює свій рух у повітрі.

Водометний катер

У винахідників з'явилася думка, а чому б не запозичити у каракатиць їх спосіб плавання. Вони вирішили побудувати самохідне судно з водно-реактивним двигуном. Ідея безумовно здійсненна. Щоправда, впевненості в успіху не було: винахідники сумнівалися, чи вийде такий водометний катеркраще звичайного гвинтового. Потрібно було зробити досвід.

Водометний катер - самохідне судно з водно-реактивним двигуном

Вибрали старий буксирний пароплав, відлагодили його корпус, зняли гребні гвинти, а в машинному відділенні поставили насос-водомет. Цей насос хитав забортну воду і через трубу виштовхував її за корму сильним струменем. Пароплав плив, але рухався він все ж таки повільніше гвинтового пароплава. І це пояснюється просто: звичайний гребний гвинт обертається за кормою нічим не стиснутий, навколо нього тільки вода; воду у водометном насосі рухав майже такий самий гвинт, але обертався він не на воді, а тісній трубі. Виникало тертя водяного струменя об стінки. Тертя послаблювало натиск струменя. Пароплав з водометним рушієм плив повільніше за гвинтове і палива витрачав більше.

Однак від будівництва таких пароплавів не відмовилися: вони знайшли важливі переваги. Судно, з гребним гвинтом, повинне сидіти у воді глибоко, інакше гвинт буде без толку пінити воду або крутитися в повітрі. Тому гвинтові пароплави бояться мілин і перекатів, вони не можуть плавати по мілководді. А водометні пароплави можна будувати дрібносидячими та плоскодонними: їм глибина не потрібна – де пройде човен, там пройде і водометний пароплав.

Перші водометні катери в Радянському Союзі збудовані 1953 року на Красноярській суднобудівній верфі. Вони призначені для малих річок, де звичайні пароплави не можуть плавати.

Особливо старанно інженери, винахідники та вчені зайнялися дослідженням реактивного руху з появою вогнепальної зброї. Перші рушниці – всілякі пістолі, мушкети та самопали – при кожному пострілі сильно вдаряли людину в плече. Після кількох десятків пострілів плече починало так боліти, що солдат уже не міг цілитися. Перші гармати - пищали, єдинороги, кулеврини і бомбарди - при пострілі відстрибували назад, так що, траплялося, калічили гармат-артилеристів, якщо вони не встигали ухилитися і відскочити вбік.

Віддача зброї заважала влучній стрільбі, бо гармата здригалася раніше, ніж ядро ​​чи граната вилітали зі стовбура. Це збивало наведення. Стрілянина виходила неприцільною.

Стрілянина з вогнепальної зброї

Інженери-артилеристи розпочали боротьбу з віддачею понад чотириста п'ятдесят років тому. Спочатку лафет забезпечили сошником, який врізався в землю і служив міцним упором для гармати. Тоді думали, що якщо добре підперти гармату ззаду, так щоб їй не було куди відкочуватися, то віддача зникне. Але то була помилка. Не було прийнято до уваги закону збереження кількості руху. Гармати ламали всі підпірки, а лафети так розхитувалися, що зброя ставала непридатною для бойової роботи. Тоді винахідники зрозуміли, що закони руху, як і будь-які закони природи, не можна переробити по-своєму, їх можна лише перехитрити за допомогою науки - механіки.

Біля лафета вони залишили порівняно невеликий сошник для упору, а стовбур гармати поклали на санки так, щоб відкочувався тільки один стовбур, а не всі знаряддя цілком. Стовбур з'єднали з поршнем компресора, який ходить у своєму циліндрі так само, як поршень парової машини. Але в циліндрі парової машини - пара, а в гарматному компресорі - олія та пружина (або стиснене повітря).

Коли ствол гармати відкочується назад, поршень стискає пружину. Олія в цей час крізь дрібні отвори в поршні продавлюється по інший бік поршня. Виникає сильне тертя, яке частково поглинає рух стовбура, що відкочується, робить його більш повільним і плавним. Потім стисла пружина розправляється і повертає поршень, а разом із ним і ствол зброї на колишнє місце. Масло натискає на клапан, відкриває його і вільно перетікає знову під поршень. Під час побіжного вогню ствол зброї майже безперервно рухається вперед і назад.

У гарматному компресорі віддача поглинається тертям.

Дульне гальмо

Коли потужність і далекобійність гармат зросла, компресора виявилося замало, щоб знешкодити віддачу. На допомогу йому було винайдено дульне гальмо.

Дульне гальмо - це лише коротка сталева труба, укріплена на зрізі стовбура і служить як би його продовженням. Діаметр її більший за діаметр каналу стовбура, і тому вона анітрохи не заважає снаряду вилітати з дула. У стінках трубки по колу прорізано кілька довгастих отворів.

Дульне гальмо - зменшує віддачу вогнепальної зброї

Порохові гази, що вилітають із стовбура зброї слідом за снарядом, відразу ж розходяться в сторони, і частина їх потрапляє в отвори дульного гальма. Ці гази з великою силою ударяються об стінки отворів, відштовхуються від них і вилітають назовні, але вже не вперед, а трохи навскіс і назад. При цьому вони тиснуть на стінки вперед і штовхають їх, а разом із ними і весь ствол зброї. Вони допомагають лафетній пружині тому, що прагнуть викликати відкат стовбура вперед. А коли вони були в стовбурі, вони штовхали зброю назад. Дульне гальмо значно зменшує і послаблює віддачу.

Інші винахідники пішли іншим шляхом. Замість того, щоб боротися з реактивним рухом стволаі намагатися його погасити, вони вирішили застосувати відкат зброї з користю справи. Ці винахідники створили багато зразків автоматичної зброї: гвинтівок, пістолетів, кулеметів та гармат, у яких віддача служить для того, щоб викидати використану гільзу та перезаряджати зброю.

Реактивна артилерія

Можна зовсім не боротися з віддачею, а використовувати її: адже дія та реакція (віддача) рівносильні, рівноправні, рівновеликі, так нехай же реактивна дія порохових газівзамість того, щоб відштовхувати назад стовбур зброї, посилає снаряд вперед в ціль. Так було створено реактивна артилерія. У ній струмінь газів б'є не вперед, а назад, створюючи в снаряді реакцію, спрямовану вперед.

Для реактивної зброївиявляється непотрібним дорогий і важкий ствол. Для спрямування польоту снаряда чудово служить більш дешева, проста залізна труба. Можна обійтися зовсім без труби, а змусити снаряд ковзати двома металевими рейками.

По своєму пристрої реактивний снаряд подібний до феєрверкової ракети, він тільки розмірами більше. У його головній частині замість складу для кольорового бенгальського вогню міститься розривний заряд великої руйнівної сили. Середина снаряда наповнюється порохом, який при горінні створює потужний струмінь гарячих газів, що штовхають снаряд уперед. При цьому згоряння пороху може тривати значну частину часу польоту, а не тільки короткий проміжок часу, поки звичайний снаряд просувається в стовбурі звичайної гармати. Постріл не супроводжується таким гучним звуком.

Реактивна артилерія не молодша за звичайну артилерію, а може, навіть старша за неї: про бойове застосування ракет повідомляють старовинні китайські та арабські книги, написані понад тисячу років тому.

В описах битв пізніших часів ні, та й промайне згадка про бойові ракети. Коли англійські війська підкорювали Індію, індійські воїни-ракетники своїми вогнехвостими стрілами наводили жах на загарбників-англійців, які поневолювали їхню батьківщину. Для англійців на той час реактивна зброя була на диво.

Ракетними гранатами, винайденими генералом К. І. Костянтиновим, мужні захисники Севастополя у 1854-1855 роках відбивали атаки англо-французьких військ.

Ракета

Величезна перевага перед звичайною артилерією - відпадала необхідність возити у себе важкі гармати - привернула до реактивної артилерії увагу воєначальників. Але така велика вада заважала її вдосконаленню.

Справа в тому, що метальний, або, як раніше казали, форсовий, заряд вміли робити лише з чорного пороху. А чорний порох небезпечний у користуванні. Траплялося, що при виготовленні ракетметальний заряд вибухав, і гинули робітники. Іноді ракета вибухала під час запуску, і гинули артилеристи. Виготовляти та вживати таку зброю було небезпечно. Тому воно і не набуло широкого поширення.

Започатковані успішно роботи, однак, не призвели до будівництва міжпланетного корабля. Німецькі фашисти підготували та розв'язали кровопролитну світову війну.

Реактивний снаряд

Недолік при виготовленні ракет усунули радянські конструктори та винахідники. У роки Великої Вітчизняної війни вони дали нашій армії чудову реактивну зброю. Були збудовані гвардійські міномети - «катюші» і винайдені РС («ерес») - реактивні снаряди.

Реактивний снаряд

За своєю якістю радянська реактивна артилерія перевершила всі іноземні зразки і завдавала ворогам величезної шкоди.

Захищаючи Батьківщину, радянський народ змушений був поставити всі досягнення ракетної техніки на службу оборони.

У фашистських державах багато вчених та інженерів ще до війни посилено розробляли проекти нелюдських знарядь руйнування та масових вбивств. Це вони вважали за мету науки.

Самокеровані літаки

Під час війни гітлерівські інженери побудували кілька сотень самоврядних літаків: снарядів «ФАУ-1» та реактивних снарядів «ФАУ-2». То були сигароподібні снаряди, що мали завдовжки 14 метрів і діаметром 165 сантиметрів. Важила смертоносна сигара 12 тонн; з них 9 тонн – паливо, 2 тонни – корпус та 1 тонна – вибухова речовина. "ФАУ-2" летіли зі швидкістю до 5500 кілометрів на годину і могли підніматися у висоту на 170-180 кілометрів.

Точністю влучення ці засоби руйнування не відрізнялися і були придатні лише для обстрілу таких великих мішеней, як великі та густонаселені міста. Німецькі фашисти випускали «ФАУ-2» за 200-300 кілометрів від Лондона з розрахунку, що місто велике, - кудись потрапить!

Навряд чи Ньютон міг припускати, що його дотепний досвід та відкриті ним закони руху ляжуть в основу зброї, створеної звіриною злістю до людей, і цілі квартали Лондона звернуться до руїн і стануть могилами людей, захоплених нальотом сліпих «ФАУ».

Космічний корабель

Вже багато століть люди плекали мрію про польоти у міжпланетному просторі, про відвідини Місяця, загадкового Марса та хмарної Венери. На цю тему було написано безліч науково-фантастичних романів, повістей та оповідань. Письменники відправляли своїх героїв у надхмарні дали на дресованих лебедях, на повітряних кулях, у гарматних снарядах або ще якимось неймовірним чином. Проте ці способи польоту грунтувалися на вигадках, які мали опори науці. Люди тільки вірили, що вони колись зуміють покинути нашу планету, але не знали, як це їм вдасться здійснити.

Чудовий вчений Костянтин Едуардович Ціолковський 1903 року вперше дав наукову основу ідеї космічних подорожей. Він довів, що люди можуть залишити земну кулю і транспортним засобом для цього послужить ракета, тому що ракета - єдиний двигун, який не потребує свого руху будь-якої зовнішньої опори. Тому ракетаздатна літати у безповітряному просторі.

Вчений Костянтин Едуардович Ціолковський довів, що люди можуть залишити земну кулю на ракеті

За своїм пристроєм космічний корабель повинен бути подібний до реактивного снаряда, тільки в його головній частині поміститься кабіна для пасажирів і приладів, а решта простору буде зайнято запасом горючої суміші і двигуном.

Щоб надати кораблю потрібну швидкість, потрібно потрібне паливо. Порох та інші вибухові речовини в жодному разі не придатні: вони й небезпечні та надто швидко згоряють, не забезпечуючи тривалого руху. Ціолковський рекомендував застосовувати рідке паливо: спирт, бензин або зріджений водень, що горять у струмені чистого кисню або будь-якого іншого окислювача. Правильність цієї ради визнали всі, бо найкращого палива тоді не знали.

Перша ракета з рідким пальним, що важила шістнадцять кілограмів, була випробувана в Німеччині 10 квітня 1929 року. Досвідчена ракета злетіла в повітря і зникла з виду раніше, ніж винахідник і всі присутні зуміли простежити, куди вона полетіла. Знайти ракету після досвіду не вдалось. Наступного разу винахідник вирішив «перехитрити» ракету і прив'язав до неї мотузку завдовжки чотири кілометри. Ракета злетіла, тягнучи за собою мотузковий хвіст. Вона витягла два кілометри мотузки, обірвала її і пішла за своєю попередницею у невідомому напрямку. І цю втік також не вдалося знайти.