Реактивний рух

Презентацію підготувала учениця 10-А класу Мачуська Юлія

Важливим випадком практичного застосування закону збереженняімпульсу є реактивний рух.

Реактивний рух — це рух, який виникає при відділені від тіладеякої його частини з певною швидкістю. Реактивний рух, наприклад, виконує ракета. Особливістю цього руху є те, що тіломоже прискорюватися і гальмувати без якоїсь зовнішньої взаємодії зіншими тілами.

Продукти згоряння при вилітанніотримують відносно ракети деякушвидкість. Відповідно до закону збереження імпульсу, сама ракета отримує такий самийімпульс, як і газ, але спрямованийв інший бік. Закон збереженняімпульсу потрібен для розрахункушвидкості ракети.

Реактивний рухвластивий медузам, кальмарам, восьминогамта іншим живим організмам. У техніці вінвикористовується на річковому транспорті(катер з водометнимдвигуном), в авіації, космонавтиці, військовійсправі.

Засіб,за допомогою якого можна подолати силу земного тяжіння іполетіти в космосвинайшов російський вчений Констянтин Едуардович Ціолковський(1857-1935).Він показав, що єдиний апарат, спроможний подолатисилу тяжіння - це ракета, тобто. апарат з реактивним двигуном,використовуючим пальне і окислювач, розташовані на самому апараті.

Реактивний двигун – цедвигун, перетворюючийхімічну енергію палива вкінетичну енергію газовоїструї, при цьому двигуннабирає швидкість узворотньому напрямку. На яких принципах и фізичнихзаконах основуєтьсяйого дія?

Кожен знає, що постріл із гвинтівки супроводжується віддачею. Якщо бвага кулі дорівнювала б вазі гвинтівки, вони б розлетілись зоднаковоюшвидкістю. Віддача виникає тому, що відкидна маса газів створюєреактивну силу, завдяки якій може бути забезпечено рух як у повітрі, такі в безповітряному просторі. І чим більша маса і швидкістьвилітаючихгазів, тим більшу силу віддачі відчуває наше плече, чим сильнішареакціягвинтівки, тим більша реактивна сила. Це легко пояснити із законузбереження імпульсу.

Закон збереженняімпульсу стверджує, щогеометрична (тобтовекторна)сума імпульсів тіл, складаючих замкнутусистему, залишаєтьсяпостійноюпри любих рухах івзаємодіях тіл системи.

К. Е. Ціолковський вивів формулу, дозволяючу розрахуватимаксимальнушвидкість, яку може розвинути ракета. Ось ця формула:

V- кінцева (після використання всього палива) швидкістьлітального апарату;I- питомий імпульс ракетного двигуна (відношення тяги двигуна до секундної витрати маси палива);M1- початкова маса літального апарату (корисненавантаження + конструкція апарату + паливо).M2- кінцева маса літального апарату (корисне навантаження+ конструкція);

Як видно із формули, ця максимально досяжна швидкістьзалежить в першу чергу від швидкості вильоту газів із сопла, яка в своючергу залежить перед усім від виду палива і температури газовоїструї.Чим вища температура, тим більша швидкість. Значить, для ракетипотрібнопідбирати саме калорійне паливо, яке надає найбільшу кількістьтеплоти.Із формули витікає також, що ця швидкість залежить і від початковоїікінечної маси ракети, тобто від того, яка частина її ваги приходиться напальне, і яка - на безкорисні (з точки зору швидкості польоту)конструкції: корпус, механізми, і т.д.

Ця формула Ціолковськогоявляється фундаментом, на якому будується весьрозрахунок сучасних ракет. Відношення маси палива до масиракети в кінціроботи двигуна називаєтьсячислом Ціолковського.

Основний висновок із цієїформули полягає в тому, що в безповітряномупросторі ракета розвине тимбільшу швидкість, чим більшашвидкістьвитоку газів і чим більше число Ціолковського.

Знання закону збереження імпульсу у багатьох випадках даєможливість знайти результат взаємодії тіл, коли значення діючихсил невідомі.Розглянемо в якості прикладу дію реактивного двигуна. При згорянні палива в камері згорання ракети утворюються гази, нагрітідо високої температури. При дії двигуна протягом короткого інтервалу часу t з сопла ракети викидаються зі швидкістю u відносноракети гарячі гази масою m.

До початку роботидвигунів імпульс ракети іпального дорівнювавнулю, отже, і післявключення сума змінвекторів імпульсу ракети іімпульсу стікали газівдорівнює нулю:

де m - маса ракети, V -зміна швидкості ракети, m- маса викинутих газів, u -швидкість витікання газів.

Звідси для векторів імпульсу отримуємо:

Розділимо обидві частини рівності на інтервал часу t, протягом якого працювали двигуни ракети:

Добуток маси ракети m на прискорення її руху a за визначенням дорівнює силі, що викликає цеприскорення:

Таким чином, ми показали, що реактивна сила тяги Fp дорівнюєдобутку швидкості u руху викидаються газів відносно ракети на секундний витрата палива m/t.

Реактивна сила тяги Fp діє з боку газів на ракету і спрямована в бік, протилежний напрямку закінчення газів.

Якщо ж на ракету, крім реактивної сили F, що діє зовнішня сила F, то рівняння динаміки руху прийме вигляд:

Це рівняння отримано професором ПетербурзькогоуніверситетуІ. в. Мещерським і носить його ім'я.

Формула Мещерського являєсобою узагальнення другого закону Ньютона для руху тілзмінної маси. Прискорення тілазмінної маси визначається не тільки зовнішніми силами F, щодіють на тіло, але і реактивною силою Fp, обумовленої зміноюмаси рухомого тіла:

Корпус - труба з одним відкритим кінцем для виходувідпрацьованих газів. На хвостіставлять сопла (трубки) для спрямованого викиду газів звеликою швидкістю.Паливо - складне пальне, яке при спалюванні перетворюєтьсяв газ великий температури івеликого руху.

V ракети залежить від m палива і самої ракети, а також від V викидівгазів.

У цій формулі не враховується опір повітря і f пр до Землі.

Насправді викид газів відбувається не миттєво, а поступово. Якщоврахувати всі умови, то палива треба брати у багато разів більше.

Щоб повідомити кораблю першу космічну швидкість, то

mт >mоб= в 55 раз