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, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.

История реактивного движения

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.

Кто открыл реактивное движение?

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 реактивного движения 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 и реактивное движение

Физика поясняет процесс реактивного движения . 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 реактивного движения

В целом реактивное движение можно описать следующей формулой:
m s v s +m р v р =0
m s v s =-m р v р

где m s v s импульс создаваемой струей газов, m р v р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

Реактивное движение 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

• запас топлива,
• камера, для сгорания топлива,
• сопло, задача которого ускорять реактивную струю.

Так выглядит реактивный двигатель.

Реактивное движение, видео

И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.

Реактивность и движение при помощи этого - довольно широко распространенное явление в природе. Ну а ученые и изобретатели «подсмотрели» и использовали его в своих технических разработках. Примеры можно видеть повсюду. Зачастую мы сами не обращаем внимания на то, что тот или иной объект - живое существо, технический механизм - движется при помощи данного явления.

Что такое реактивное движение?

В живой природе реактивность - движение, которое может возникать в случае отделения от тела его какой-либо частички с определенной скоростью. В технике использует тот же принцип - закон сохранения импульсов. Примеры реактивного движения техники: в ракете, состоящей из оболочки (которая к тому же включает в себя двигатель, приборы управления, полезную площадь для перемещения грузов) и топлива с окислителем, топливо сгорает, превращаясь в газы, которые мощной струей вырываются наружу через сопла, придавая всей конструкции скорость в обратном направлении.

Примеры реактивного движения в природе

Довольно многие живые существа используют данный принцип движения. Он характерен для личинок некоторых видов стрекоз, медуз, моллюсков - морского гребешка, каракатиц, осьминогов, кальмаров. А в растительном мире - флоре Земли - также встречаются виды, использующие такое явление для осеменения.

«Бешеный огурец»

Примеры реактивного движения предоставляет нам флора. Только по внешнему виду это растение со странным прозвищем сходно с привычными нам огурцами. А эпитет «бешеный» оно приобрело из-за не совсем привычного способа распространения своих семян. Созревая, плоды растения отскакивают от плодоножек. В результате образуется отверстие, через которое огурец выстреливает жидкостью, содержащей пригодные для размножения семена, используя реактивность. А сам плод может при этом отлетать на расстояние до 12 метров в противоположную выстрелу сторону.

Как движется каракатица?

Примеры реактивного движения довольно широко представлены в фауне. Каракатица - головоногий моллюск, имеющий особую воронку, которая находится в передней части туловища. Через нее (и еще сквозь дополнительную боковую щель) вода поступает внутрь тела животного, в жаберную полость. Затем жидкость резко выбрасывается через воронку, а специальную трубку каракатица может направлять вбок или назад. Возникающая обратная сила обеспечивает движение в различные стороны.

Сальпа

Данные животные из семейства оболочников - яркие примеры реактивного движения в природе. Они имеют просвечивающиеся цилиндрические тела небольших размеров и обитают в поверхностных водах мирового океана. При движении животное втягивает воду сквозь отверстие, расположенное в передней части туловища. Жидкость помещается в широкой полости его тела, в котором по диагонали располагаются жабры. Сальпа делает глоток воды, и в это же время отверстие плотно закрывается, а мускулы тела - поперечные и продольные - сокращаются. От того все тело сальпы сжимается, а вода резко выталкивается прочь из заднего отверстия. Таким образом, сальпы используют принцип реактивности в своем движении в водной стихии.

Медузы, моллюски, планктон

В море есть еще обитатели, которые передвигаются подобным образом. Все хоть раз наверняка, отдыхая на побережье, встречали в воде различные виды медуз. А ведь они также передвигаются, используя реактивность. Морской планктон, точнее, некоторые его и гребешки - все они передвигаются так.

Примеры реактивного движения тел. Кальмар

Уникальное строение тела имеет кальмар. По сути в его строении природой заложен мощный реактивный двигатель, имеющий отличный КПД. Этот представитель фауны морей и океанов обитает порой на больших глубинах и достигает огромных размеров. Даже тело животного напоминает своими формами ракету. Точнее, это современная придуманная учеными ракета имитирует формы кальмара, сотворенные природой. Причем для неторопливых движений в водной среде используется плавник, а вот если нужен рывок, то принцип реактивности!

Если вас попросят: приведите примеры реактивного движения в природе, то в первую очередь можно говорить об этом моллюске. Его мышечная мантия окружает полость, находящуюся в теле. Вода засасывается туда извне, а затем выбрасывается довольно резко через узкое сопло (напоминающее ракетное). Результат: кальмар движется рывками в обратном направлении. Эта особенность позволяет животному передвигаться с довольно высокими скоростями, настигая свою добычу или уходя от погони. Он может развить скорость под стать хорошо оснащенному современному судну: до 70 километров в час. А некоторые ученые, подробно исследующие феномен, говорят о скорости, достигающей 150 км/ч! К тому же у данного представителя океана имеется неплохая маневренность за счет щупальцев, сложенных пучком, изгибающихся при движении в нужные стороны.

Большое значение закон сохранения импульса имеет при рассмотрении реактивного движения.
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила , толкающая тело.
Особенность реактивной силы заключается в том, что она возникает в результате взаимодействия между собой частей самой системы без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
В то время, как сила, сообщающая ускорение, например, пешеходу, кораблю или самолету, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.

Так движение тела можно получить в результате вытекания струи жидкости или газа.

В природе реактивное движение присуще в основном живым организмам, обитающим в водной среде.

В технике реактивное движение используется на речном транспорте (водометные двигатели), в автомобилестроении (гоночные автомобили), в военном деле, в авиации и космонавтике.
Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями, т.к. они способны обеспечить необходимую скорость полета.
В космическом пространстве использовать другие двигатели, кроме реактивных, невозможно, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой можно было бы бы получать ускорение.

История развития реактивной техники

Создателем русской боевой ракеты был ученый-артиллерист К.И. Константинов. При весе в 80 кг далььность полета ракеты Константинова достигала 4 км.

Идея применения реактивного движения в летательном аппарате, проект реактивного воздухоплавательного прибора, в 1881 году была выдвинута Н.И. Кибальчичем.

В 1903 году знаменитый ученый-физик К.Э. Циолковский доказал возможность полета в межпланетном пространстве и разработал проект первого ракетоплана с жидкостно-реактивным двигателем.

К.Э. Циолковский спроектировал космический ракетный поезд, составленный из ряда ракет, работающих поочередно и отпадающих по мере израсходования горючего.

Принципы применения реактивных двигателей

Основой любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой при сгорании топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Газы вырываются из узкого сопла ракеты с большой скоростью и создают реактивную тягу. В соответствии с законом сохранения импульса, ракета приобретает скорость в противоположном направлении.

Импульс системы (ракета-продукты сгорания) остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянной скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения.
Движение ракеты - это пример движения тела с переменной массой. Для расчета ее скорости используют закон сохранения импульса.

Реактивные двигатели делятся на ракетные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.

Ракетные двигатели бывают на твердом или на жидком топливе.
В ракетных двигателях на твердом топливе топливо, содержащее и горючее, и окислитель, помешают внутрь камеры сгорания двигателя.
В жидкостно-реактивных двигателях , предназначенных для запуска космических кораблей, горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания. В качестве горючего в них можно использовать керосин, бензин, спирт, жидкий водород и др., а в качестве окислителя, необходимого для горения, - жидкий кислород, азотную кислоту, и др.

Современные трехступенчатые космические ракеты запускаются вертикально, а после прохода плотных слоев атмосферы переводятся на полет в заданном направлении. Каждая ступень ракеты имеет свой бак с горючим и бак с окислителем, а также свой реактивный двигатель. По мере сгорания топлива отработанные ступени ракеты отбрасываются.

Воздушно-реактивные двигатели в настоящее время применяют главным образом в самолетах. Основное их отличие от ракетных двигателей состоит в том, что окислителем для горения топлива служит кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.
К воздушно-реактивным двигателям относятся турбокомпрессорные двигатели как с осевым, так и с центробежным компрессором.
Воздух в таких двигателях всасывается и сжимается компрессором, приводимым в движение газовой турбиной. Газы, выходящие из камеры сгорания, создают реактивную силу тяги и вращают ротор турбины.

При очень болььших скоростях полета сжатие газов в камере сгорания можно осуществить за счет встречного набегающего воздушного потока. Необходимость в компрессоре отпадает.

Слайд 2

Применение реактивного движения в природе

Многие из нас в своей жизни встречались во время купания в море с медузами. Но мало кто задумывался, что и медузы для передвижения пользуются реактивным движением. И зачастую КПД морских беспозвоночных животных при использовании реактивного движения гораздо выше, чем у техноизобретений.

Слайд 3

Реактивное движение используется многими моллюсками – осьминогами, кальмарами, каракатицами.

Слайд 4

Каракатица

Каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движется в воде следующим способом. Она забирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны.

Слайд 5

Кальмар

Кальмары достигли высшего совершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету (или лучше сказать – ракета копирует кальмара, поскольку ему принадлежит в этом деле бесспорный приоритет)

Слайд 6

Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие - "воронку", и с большой скоростью (около 70 км\час) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой и он приобретает обтекаемую форму.

Слайд 7

Летающий кальмар

Это небольшое животное размером с селедку. Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров – не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.

Слайд 8

Осьминог

Осьминоги тоже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами.

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение Сычевская средняя общеобразовательная школа №1

Творческий проект

в номинации

«Технические науки»

на тему «Реактивное движение»

Проектант: ученица 9 «А» класса Савинова Анна

Руководитель: учитель физики

Гулакова Ирина Александровна

Сычевка 2011

Глава 1. Определение реактивного движения 5

§1. Что такое реактивное движение 5

§ 2. Реактивное движение в животном мире 5

§ 3. Реактивное движение в мире растений 5

Глава 2. Использование реактивного движения 7

§1. Самолеты 7

§2. Дождевальные установки 7

§3. Шланги 7

§4. Фейерверки 8

§5. Снаряды «Катюша» и боевые ракеты 8

§6. Космические ракеты 9

Глава 3. Ракеты 10

§ 1. Принцип действия ракеты 10

§ 2. Устройство ракеты 10

§ 3. История изобретения ракет 11

§ 4. Ракета как средство передвижения 12

§ 5. Применение ракет 12

Глава 4. Уравнение Мещерского 14

§ 1. Иван Всеволодович Мещерский 14

§ 2. Импульс 14

§ 3. Уравнение Мещерского 15

Глава 5. Константин Эдуардович Циолковский. Формула Циолковского 16

§ 1. Константин Эдуардович Циолковский 16

§ 2. Формула Циолковского 16

Глава 6. Реактивные ранцы 18

Глава 7. Интересный факт 20

Заключение 21

Литература 22

Цели и задачи

Изучить основные принципы реактивного движения

Найти информацию о наиболее интересных способах реактивного движения

Углубление и расширение знаний, полученных на уроках, повышение интереса к физике

Формирование научного мировоззрения

Развитие умения получать новые знания с помощью печатных источников и сети Интернет

Введение

Человек всегда хотел научиться летать. Его мечта исполнилась недавно – был построен самолёт. Но человек развивается, и развиваются его мечты. Вместо облаков человек захотел подняться к звёздам. Эта мечта осуществима только благодаря существованию в природе реактивного движения.

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. Реактивное движение помогло конструкторам и инженерам построить ракету. Изучение реактивного движения важно для прогресса науки.

Глава 1. Определение реактивного движения §1. Что такое реактивное движение

Реактивное движение – движение тела, возникающее при отделении от него с какой-либо скоростью некоторой его части, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс

§ 2. Реактивное движение в животном мире

Р
еактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно осьминогам, кальмарам, каракатицам, медузам – все они, без исключения, используют для плавания реакцию (отдачу) выбрасываемой струи воды.

Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие - "воронку", и с большой скоростью (около 70 км\час) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой и он приобретает обтекаемую форму.

Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя.

Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед

§ 3. Реактивное движение в мире растений

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений.

В южных странах (и на побережье Черного моря) произрастает растение под названием "бешеный огурец". Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами.

Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.

Глава 2. Использование реактивного движения §1. Самолеты

С
амолет (он же аэроплан) - летательный аппарат (ЛА) тяжелее воздуха для полетов в атмосфере с помощью двигателей и неподвижным относительно других частей аппарата крылом.

Первые попытки построить самолёт предпринимались ещё в XIX веке. Первым самолётом, построенным в натуральную величину в 1882 году и запатентованным, является самолёт Можайского А. Ф. Кроме того, самолёты с паровыми двигателями строили Адер и Максим. Однако ни одна из этих конструкций не смогла подняться в воздух. Причинами этого служили: слишком высокая взлётная масса и низкая удельная мощность двигателей - (паровых машин), отсутствие теории полёта и управления, теории прочностных и аэродинамических расчётов. В связи с этим самолёты строились «наобум», «на глазок», несмотря на наличие инженерного опыта у многих пионеров авиации.

Первые успехи русской авиации датируются 1910 годом. 4 июня профессор Киевского политехнического института князь Александр Кудашев пролетел несколько десятков метров на самолёте-биплане собственной конструкции.

16 июня молодой киевский авиаконструктор Игорь Сикорский впервые поднял свой самолёт в воздух, а ещё через три дня состоялся полёт самолёта инженера Якова Гаккеля необычной для того времени схемы биплан с фюзеляжем (бимоноплан).

§2. Дождевальные установки

Д
ождевальные машины и установки, служат для полива дождеванием сельскохозяйственных культур. По дальности полёта капель подразделяются на короткоструйные насадки (5 - 8 м), среднеструйные (15 - 35 м) и дальнеструйные аппараты (40 - 80 м и более). Короткоструйные насадки не имеют движущихся частей и создают веерообразный поток поды. Полив осуществляется в движении с забором воды из открытого канала.

§3. Шланги

Шланг - полая трубка, предназначенная для переноса веществ (обычно жидкости) от одного месторасположения к другому. Шланги также иногда называют трубами (слово труба обычно относится к твердым телам, тогда как шланг - обычно гибкий). Как правило, шланг имеет форму цилиндра (кольцо в поперечном сечении).

Значение шланга сложно переоценить в современном мире, он используется под водой и в космосе, способы его применения столь разнообразны, что охватывают бо́льшую часть человеческой жизнедеятельности.

§4. Фейерверки

Ф
ейерве́рк (нем. Feuerwerk, от Feuer - огонь и Werk - дело, работа) - декоративные огни разнообразных цветов и форм, получаемые при сжигании пиротехнических составов.

Ещё в древние времена придавали огню большое значение. Его использовали и как средство коммуникации, и как предупреждение об опасности, и для оформления различных ритуалов, священнодействий. У многих народов существуют традиции, связанные с использованием костров (в России - это Масленица, праздник Ивана Купалы), свечей, факелов и т. п. Это были прообразы первых фейерверков.

Существует предположение, что первыми фейерверками были куски зелёного бамбука, который взрывался, когда его бросали в костёр. Взрывающимся бамбуком китайцы отпугивали злых духов на все праздники, пока не изобрели порох. В поиске эликсира бессмертия даосские учёные смешали селитру, древесный уголь и серу, получив чёрный порошок, который горел медленно, но очень устойчиво и ярко.

§5. Снаряды «Катюша» и боевые ракеты

Катю́ша - появившееся во время Великой Отечественной войны 1941-45 неофициальное название бесствольных систем полевой реактивной артиллерии. Такие установки активно использовались Вооружёнными Силами СССР во время Второй мировой войны.

Боевая ракета - ракета, доставляющая средства поражения к цели.

По конструктивным признакам боевые ракеты подразделяются на баллистические и крылатые, а также на управляемые и неуправляемые.

По характеру решаемых задач боевые ракеты подразделяются на тактические, оперативно-тактические, стратегические (дальность полета более 1000 км), противолодочные и зенитные.

§6. Космические ракеты

Глава 3. Ракеты

Ракета (от итал. rocchetta - маленькое веретено) аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Полёт ракеты не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды и возможен не только в атмосфере, но и в вакууме. Словом ракета обозначают широкий спектр летающих устройств от праздничной петарды до космической ракеты-носителя.

§ 1. Принцип действия ракеты

Принцип действия ракеты очень прост. Ракета с большой скоростью выбрасывает вещество (газы), воздействуя на него с большой силой. Выбрасываемое вещество с той же, но противоположно направленной силой, в свою очередь, действует на ракету и сообщает ей ускорение в противоположном направлении. Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени. На этом положении и основана теория движения ракет.

§ 2. Устройство ракеты

головная часть (космический корабль, приборный отсек);

бак с окислителем и бак с топливом (в качестве топлива может использоваться, например, жидкий водород, а в качестве окислителя жидкий кислород);

насосы, камера сгорания топлива;

сопло (сужение камеры для увеличения скорости истечения продуктов сгорания)

Многоступе́нчатая раке́та - летательный аппарат, состоящий из двух или более механически соединённых ракет, называемых ступенями, разделяющихся в полёте. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.

Впервые идея использования многоступенчатых ракет была выдвинута американским инженером Робертом Годдардом в 1914 году, и был получен патент на изобретение. В 1929 г. К.Э. Циолковский выпустил в свет свою новую книгу под заглавием «Космические ракетные поезда». Этим термином К. Циолковский назвал составные ракеты или, вернее, агрегат ракет, делающих разбег по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведётся сначала первой - головной ракетой; по использовании её горючего, она отцепляется и сбрасывается на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвёртая и, наконец, пятая, скорость которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы унестись в межпланетное пространство. Последовательность работы с головной ракеты вызвана стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, что позволит облегчить конструкцию. По Циолковскому, длина каждой ракеты - 30 метров. Диаметры - 3 метра. Газы из сопел вырываются косвенно к оси ракет, чтобы не давить на следующие ракеты. Длина разбега по земле - несколько сот километров.

Несмотря на то, что в технических деталях ракетостроение пошло во многом по другому пути (современные ракеты, например, не «разбегаются» по земле, а взлетают вертикально, и порядок работы ступеней современной ракеты - обратный, по отношению к тому, о котором говорил Циолковкий), сама идея многоступенчатой ракеты и сегодня остаётся актуальной.

В 1935 году Циолковский написал работу «Наибольшая скорость ракеты», в которой утверждал, что при уровне технологии того времени достичь первой космической скорости (на Земле) можно только с помощью многоступенчатой ракеты. Это утверждение сохраняет свою справедливость и сегодня: все современные носители космических аппаратов - многоступенчатые.

§ 3. История изобретения ракет

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

Истоки возникновения ракет большинство историков относят ко временам китайской династии Хань (206 год до н. э.-220 н. э.), к открытию пороха и началу его использования для фейерверков и развлечений. Сила, возникающая при взрыве порохового заряда была достаточной, чтобы двигать различные предметы. Позже этот принцип нашёл применение при создании первых пушек и мушкетов. Снаряды порохового оружия могли летать на далёкие расстояния, однако не были ракетами, поскольку не имели собственных запасов топлива. Тем не менее, именно изобретение пороха стало основной предпосылкой возникновения настоящих ракет. Описание летающих "огненных стрел", применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись в ряде случаев при осаде укреплений, против судов, кавалерии.

В соответствии со свидетельством древнеримского писателя Авла Геллия (лат. Aulus Gellius) одно из первых реактивных устройств использовалось более 2000 лет назад, ещё в 400 году до н. э., греческим философом-пифагорейцем Архитом Тарентским, заставлявшим деревянного голубя двигаться вдоль проволоки с помощью пара, перед глазами изумлённых жителей своего города. Архит Тарентский использовал принцип «действие-противодействие», который был научно описан только в XVII веке.

Известно, что ракеты применялись запорожскими казаками, начиная с XVI-XVII вв. В XVII веке белорусский военный инженер Казимир Семенович описал многоступенчатую ракету.

§ 4. Ракета как средство передвижения

За несколько дней до казни Кибальчич разработал оригинальный проект летательного аппарата, способного совершать космические перелёты, и передал адвокату не просьбу о помиловании или жалобу, а «Проект воздухоплавательного прибора». Про свой аппарат он написал: «Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов цилиндр должен подняться вверх. Кибальчич был казнен в 1881 году, и только в 1918 конверт с его проектом стал доступен ученым. Его аппарат должен был работать на прессованном порохе

В 1957 г. в СССР под руководством Сергея Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полётов.

§ 5. Применение ракет

Ракеты используются как способ доставки средств поражения к цели. Так как для управления боевой ракетой не нужен пилот, она может нести заряды большой разрушительной силы, в том числе ядерные. Современные системы самонаведения и навигации дают ракетам большую точность и манёвренность.

Самолёты и воздушные шары, запускаемые для изучения атмосферы Земли имеют высотный потолок 30-40 километров. Ракеты такого потолка не имеют и используются для зондирования верхних слоёв атмосферы, главным образом мезосферы и ионосферы.

Ракета пока является единственным транспортным средством, способным вывести космический аппарат в космос.

Используемые для нужд космонавтики ракеты называются ракетами-носителями, так как они несут на себе полезную нагрузку. Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты. Старт ракеты-носителя происходит с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли.

Существуют люди увлекающиеся ракетомодельным спортом, чьё хобби состоит в постройке и запуске моделей ракет. Также ракеты используют в любительских и профессиональных фейерверках.

Ракеты на перекиси водорода применяются в реактивных ранцах, а также ракеты используются как двигатель в ракетных автомобилях. Ракетные автомобили сохраняют рекорд в гонках на максимальное ускорение.

Глава 4. Уравнение Мещерского § 1. Иван Всеволодович Мещерский

Иван Всеволодович Мещерский (1859-1935) - русский учёный, основоположник механики тел переменной массы.

Родился в городе Архангельске в небогатой семье. В 1878 г. поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Это было время расцвета Петербургской математической школы, созданной П. Л. Чебышевым. Здесь Мещерский с интересом слушал лекции как самого Чебышева, так и известных в то время профессоров А. Н. Коркина (1837-1908), К. А. Поссе (1847-1928) и многих других.

В студенческие годы Мещерский с особым интересом занимался механикой. В 1882 г. он окончил университет и был оставлен для подготовки к профессорскому званию. С этого времени начинается его более чем полувековая научно-педагогическая деятельность. В 1891 г. он получил кафедру механики на Петербургских высших женских курсах, которую занимал до 1919 г., то есть до слияния этих курсов с университетом. В 1897 г. Мещерский успешно защитил в Петербургском университете диссертацию на тему «Динамика точки переменной массы», представленную, им для получения степени магистра прикладной математики.

В 1902 г. он был приглашён заведовать кафедрой в Петербургский политехнический институт. Здесь до конца жизни протекала его основная научно-педагогическая работа. И. В. Мещерский 25 лет вёл педагогическую работу в Петербургском университете и 33 года в Политехническом институте. За эти годы он обучил тысячи специалистов. Многие его слушатели стали крупными учёными (академик А. Н. Крылов, профессор Г. В. Колосов и др.).

За выдающиеся заслуги в области науки И. В. Мещерскому в 1928 году было присвоено звание заслуженного деятеля науки. Его именем назван кратер на Луне.

§ 2. Импульс

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.

§ 3. Уравнение Мещерского

Широко известен его курс теоретической механики и особенно его «Сборник задач по теоретической механике» (1914), выдержавший 36 изданий и принятый в качестве учебного пособия для высших учебных заведений не только в СССР, но и в ряде зарубежных стран. Сборник Мещерского, как и его работа «Преподавание механики и механические коллекции в некоторых высших учебных заведениях Италии, Франции, Швейцарии и Германии» (1895), немало способствовали подъёму научного и педагогического уровня преподавания механики в высших учебных заведениях России.

Во втором выдающемся труде Мещерского «Уравнения движения точки переменной массы в общем случае» (1904) его теория получила окончательное и в высшей степени изящное выражение. Здесь он устанавливает и исследует общее уравнение движения точки, масса которой изменяется от одновременного процесса присоединения и отделения материальных частиц. Это уравнение известно как уравнение Мещерского.

Иван Всеволодович Мещерский в 1904 году получил уравнение для тел переменной массы.

Здесь m – текущая масса ракеты, а - ежесекундный расход массы, V – скорость газовой струи (т.е. скорость истечения газов относительно ракеты), F – внешние силы, действующие на ракету.

Глава 5. Константин Эдуардович Циолковский. Формула Циолковского § 1. Константин Эдуардович Циолковский

Ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос. Это смог осуществить русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Константи́н Эдуа́рдович Циолко́вский (5 (17) сентября 1857, Ижевское, Рязанская губерния, Российская империя - 19 сентября 1935, Калуга, СССР) - русский и советский учёный-самоучка, исследователь, школьный учитель. Основоположник современной космонавтики. Обосновал вывод уравнения реактивного движения, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» - прототипов многоступенчатых ракет. Автор работ по аэродинамике, воздухоплаванию и другим наукам.

Представитель русского космизма, член Русского общества любителей мироведения. Автор научно-фантастических произведений, сторонник и пропагандист идей освоения космического пространства. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций, выдвинул идеи космического лифта, поездов на воздушной подушке. Считал, что развитие жизни на одной из планет Вселенной достигнет такого могущества и совершенства, что это позволит преодолевать силы тяготения и распространять жизнь по Вселенной.

К. Э. Циолковский утверждал, что теорию ракетостроения он разработал лишь как приложение к своим философским изысканиям. Им написано более 400 работ, большинство которых мало известны широкому читателю.

§ 2. Формула Циолковского

Формула Циолковского определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической.

К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета.

Максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского.

Основной вывод состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.

Выведенная в конце XIХ века, формула Циолковского и сегодня составляет важную часть математического аппарата, используемого при проектировании ракет, в частности, при определении их основных массовых характеристик.

Глава 6. Реактивные ранцы

Р
еактивный ранец - персональный летательный аппарат, носимый на спине, позволяющий человеку подниматься в воздух посредством реактивной тяги. Тяга создаётся за счёт выбрасываемой двигателем вертикально вниз реактивной струи.

Ракетные ранцы весьма просты по конструкции, поэтому именно они получили распространение. Классический ракетный ранец конструкции Венделла Мура может быть изготовлен в условиях частной мастерской, хотя для этого требуются хорошая инженерная подготовка и высокий уровень слесарного мастерства. Главный недостаток ракетного ранца - малая продолжительность полёта (до 30 секунд) и большой расход дефицитного топлива - перекиси водорода. Эти обстоятельства ограничивают сферу применения ракетных ранцев весьма эффектными публичными демонстрационными полётами. Полёты на ракетных ранцах всегда захватывают внимание зрителей и имеют большой успех. Например, такой полёт был устроен в ходе торжественного открытия летних Олимпийских игр 1984 года в Лос-Анджелесе, США.

Ещё во время Второй мировой войны Германия широко применяла двигатели, работающие на перекиси водорода: в торпедах, подводных лодках, самолётах и ракетах. Например, истребитель-перехватчик Me-163 имел жидкостный ракетный двигатель, в который подавалась 80-процентная перекись водорода и жидкий катализатор (раствор перманганата калия либо смесь метанола, гидразин-гидрата и воды). В камере сгорания перекись водорода разлагалась с образованием большого объёма перегретой парогазовой смеси, создавая мощную реактивную тягу. Серийный самолёт имел скорость до 960 км/ч, мог подниматься на высоту 12 000 метров за 3 минуты, с продолжительностью полёта до 8 минут. Перекись водорода также применялась в ракетах Фау-2, но в качестве вспомогательного топлива - на ней работали турбонасосы, подававшие горючее и окислитель в камеру сгорания главного ракетного двигателя.

После окончания войны немецкие ракетные технологии вместе со знаменитым конструктором Вернером фон Брауном попали в США. Один из работавших с Брауном американских инженеров, Томас Мур придумал индивидуальный летательный аппарат, который он назвал «реактивным жилетом». «Реактивный жилет» работал на перекиси водорода. «Реактивный жилет» был изготовлен и на стендовых испытаниях сумел на несколько секунд приподнять пилота над землёй.

Однако «жилет» Мура имел крайне неудобную систему управления. На груди пилота размещалась коробочка, от которой шли тросики к регулятору тяги и двум управляемым соплам ранца. Справа и слева коробочка имела маховички: правый маховичок управлял тягой, а слева два соосных рулевых маховичка управляли левым и правым соплами. Каждое сопло могло отклоняться вперёд или назад. Если требовалось повернуть в сторону, пилот вращал один из маховичков, отклоняя одно сопло. Для того, чтобы лететь вперёд или назад, пилот вращал оба маховичка одновременно. Так это выглядело в теории. «Реактивный жилет» Томаса Мура так и не смог совершить самостоятельный полет, армия прекратила финансирование, и работы были свёрнуты.

В 1958 году Гарри Бурдетт и Александер Бор, инженеры компании «Тиокол», создали «прыжковый пояс», которому они дали название «Кузнечик». Тяга создавалась сжатым азотом высокого давления. На «поясе» были закреплены два небольших сопла, направленных вертикально вниз. Носитель «пояса» мог открывать клапан, выпуская из баллона сжатый азот через сопла, при этом его подбрасывало вверх на высоту до 7 метров. Наклонившись вперёд, можно было при помощи создаваемой «прыжковым поясом» тяги бежать со скоростью 45-50 км/ч. Затем Бурдетт и Бор опробовали и перекись водорода. «Прыжковый пояс» был продемонстрирован военным в действии, но финансирования не было, и дальше пробных экспериментов дело снова не пошло.

В последние годы ракетный ранец становится популярен у энтузиастов, которые строят его своими силами. Конструкция ранца довольно проста, но секрет пригодного для полётов ранца заключается в двух ключевых узлах: газогенераторе и клапане-регуляторе тяги. Именно их когда-то доводил до ума Венделл Мур в ходе долгих испытаний.

Распространение ранцев сдерживается и дефицитом концентрированной перекиси водорода, которая уже не производится крупными химическими компаниями. Ракетчики-любители строят собственные установки по её производству методом электролиза.

Н
а настоящий день в мире насчитывается не более 5 успешно летающих ракетных ранцев. За сорок с лишним лет со дня первого полёта Гарольда Грэма лишь одиннадцать человек (включая его самого) летали на ранце в свободном полёте (без страховочной привязи). Самым известным из них, как уже упоминалось, является Билл Сьютор, который когда-то жил по соседству с Венделлом Муром и попросил возможности полетать на ранце, который Мур привёз домой в багажнике. Американцы увеличили время полета с реактивным ранцем в 4 раза.

Глава 7. Интересный факт

Интересное применение реактивного движения нашли создатели мультипликационных фильмов. Благодаря реактивному движению создана эффектная анимация. Вот некоторые кадры из мультфильмов:

Заключение

В результате проделанной работы я изучила принципы реактивного движения и нашла информацию по данной теме. Кроме того, я расширила знания по физике. Раньше я думала, что реактивное движение используется только при строительстве ракет, а теперь я узнала, что оно используется и в самолетостроении, и в фейерверках, и даже в ракетных ранцах, позволяющих парить над землей и выполнять разнообразные трюки. Можно сказать, что реактивное движение совершило целый переворот в авиации и переоценить его значение невозможно. Самолеты перевозят тысячи людей, затратив минимум времени, а на ракетах космонавты изучают другие планеты. Кроме того, реактивное движение встречается и в живой природе.

Литература

Билимович Б.Ф. "Физические викторины"

Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.

Гельфер Я. М. Законы сохранения. – М.: Наука, 1967.

Кузов К. Мир без форм. – М.:Мир, 1976.

Детская энциклопедия. – М.: Издательство АН СССР, 1959.

Купов А., Виноградов А. «Реактивное движение в природе и технике»

Большая Российская энциклопедия, 1999 с 456,476-477

Интернет-энциклопедия «Википедия»