Реактивний рух. Фізичні основи ракетної техніки. Досягнення космонавтики

Реактивний рух. Фізичні основи ракетної техніки. Досягнення космонавтики. Вчитель: Курчинська Д. В.

Історія. Протягом багатьох століть людство мріяло про космічні подорожі. Але ні один вчений, ні один письменник-фантаст за багато століть так і не зміг назвати пристрій, за допомогою якого можна було б подолати силу земного тяжіння і полетіти в космос. Це зміг розробити російський вчений Констянтин Едуардович Ціолковський (1857–1935).

Ціолковський показав, що єдиний апарат, спроможний подолати силу тяжіння – це ракета, тобто апарат з реактивним двигуном, який використовує паливо і окислювач, розташовані в самому апараті. 1903 року у праці «Дослідження світових просторів реактивними приладами» він запропонував новий тип двигунів – рідинний реактивний двигун (на рідкому паливі). Ґрунтовні роботи в галузі теорії реактивного двигуна були виконані М.Є. Жуковським, який, зокрема, досліджував реакцію струменів рідини, що витікає, та І. В. Мещецьким – з питань руху ракет.

Реактивний рух — рух, що виникає за рахунок відкидання частини маси тіла із певною швидкістю.

Приклад реактивного руху є повітряна кулька, якщо отвір закритий вона перебуває в стані спокою і кулька-повітря дорівнює нулю. Якщо отвір відкритий, то повітря почне вириватися на зовні з досить великою швидкістю , тобто набуде певного імпульсу, саме кулька теж набуде імпульсу. Отже, швидкість руху кульки стаовить:𝑉к=−  𝑚п 𝑉п𝑚к;Знак «-» свідчить , що кулька рухається в напрямку, протилежного напрямку повітря. 

Освоєння космічного простору. Світовий простір, який оточує Землю, називають грецьким словом космос. Космос із давніх-давен привертав до себе увагу людей, які спочатку прагнули лише піднятися в повітря, щоб оглянути Землю з висоти пташиного польоту. Коли ж люди навчилися літати й ця мрія збулася, постала проблема польоту за межі атмосфери, у космос. Він приваблював не тільки своєю загадковістю, а й новими можливостями для діяльності людини. В умовах космічного вакууму можна забезпечити тривалий час руху космічного апарата без витрати пального.

Перші ракети, що були використані для подолання сили земного тяжіння й виведення на орбіту Землі першого штучного супутника та польоту першого космонавта, розроблялися під керівництвом нашого співвітчизника С. П. Корольова (мал. а). Одні з перших рідинних реактивних двигунів були розроблені під керівництвом українського й радянського вченого, академіка В. П. Глушка (мал.б). Реактивні двигуни його конструкції (мал. в) забезпечували надійну роботу перших космічних апаратів.

Як виглядає в загальних рисах сучасна ракета великого радіусу дії?Передусім – це багатоступінчата ракета. В головній її частині  розміщується боєвий заряд, за ним – прилади керування, баки і, нарешті, двигун. В залежності від пального стартова вага ракети перевищуєт вагу корисного вантажу в 100–200 разів! Тому важить вона багато десятків тонн, а в довжину досягає висоти десятиповерхового будинку. Конструкція ракети повинна відповідати ряду вимог. Наприклад, дуже важливо, щоб сила тяги проходила через центр ваги ракети. Якщо не виконати цього і ще багатьох інших вимог, то ракета може відхилитися від заданого курсу або навіть почати обертальний рух. «Підправити» курс можна за допомогою рулів. Доки ракета летить у щільному повітрі, можуть працювати аеродинамічні рулі, а у розрідженому повітрі – запропоновані ще Ціолковським газові рулі, що відхиляють напрям руху газовим потоком. Хоча зараз конструктори починають відмовлятися від використання газових рулів, замінюючи їх декількома додатковими соплами або повертаючи головне сопло.

Найважливіші етапи освоєння космосу.- 1957 р. під керівництвом С. П. Корольова створено першу у світі міжконтинентальну балістичну ракету Р-7, яка того ж року була використана для запуску першого у світі штучного супутника Землі.- 4 жовтня 1957 р.— запущено перший штучний супутник Землі «Супутник-1» (СРСР).- 3 листопада 1957 р. — запущено другий штучний супутник Землі «Супутник-2», який вперше вивів у космос живу істоту — собаку Лайку (СРСР).- 4 жовтня 1959 р.— запущено АМС «Луна-3», яка вперше у світі сфотографувала невидимий із Землі бік Місяця. Також під час польоту вперше у світі було на практиці здійснено гравітаційний маневр (СРСР).

Найважливіші етапи освоєння космосу.- 12 квітня 1961 р. — здійснено перший політ людини в космос (Ю. Гагарін) на кораблі «Восток-1» (СРСР).- 16 червня 1963 р.— здійснено перший у світі політ у космос жінки- космонавта (Валентина Терешкова) на космічному кораблі «Восток-6» (СРСР).- 18 березня 1965 р.— здійснено перший в історії вихід людини у відкритий космос. Космонавт Олексій Леонов здійснив вихід у відкритий космос із корабля «Восход-2» (СРСР).

Найважливіші етапи освоєння космосу.- 3 лютого 1966 р.— АМС «Луна-9» здійснила першу у світі м’яку посадку на поверхню Місяця, були передані панорамні знімки Місяця (СРСР).- 21 липня 1969 р.— перша висадка людини на Місяць (Н. Армстронг) у рамках місячної експедиції корабля «Аполлон-11», що доставив на Землю, серед іншого, і перші проби місячного ґрунту (США).- 17 листопада 1970 р.— м’яка посадка на Місяць і початок роботи першого у світі напівавтоматичного самохідного апарата, дистанційно керованого із Землі, — «Луноход-1» (СРСР).- У 1997 р. відбувся політ першого космонавта-дослідника незалежної України Леоніда Каденюка в складі екіпажу американського космічного корабля «Колумбія».- 30 вересня 2016 р. завершено 12-річну місію космічного апарата «Розетта», який досліджував комету Чурюмова — Герасименко.

Досить подивитися довкола, можна помітити мешканців морів і суші, серед яких є і рослини, в основі руху яких лежить реактивний принцип. Ще в античні часи вчені з цікавістю вивчали й аналізували явища, пов’язані з реактивним рухом у природі. Одним з перших, хто теоретично обґрунтував і описав його суть, був Герон, механік і теоретик Стародавньої Греції, який винайшов перший паровий двигун, названий на його честь. Китайці змогли знайти реактивному методу практичне застосування. Вони першими, взявши за основу спосіб пересування каракатиць і восьминогів, ще в XIII столітті винайшли ракети. 

Рослинний світ. Представниками фауни також використовуються закони реактивного руху. Більшість рослин, що мають такі властивості, становлять однолітники й малолітники: ехіноцистус шипуватий, землянка черешчата, пікульник двунадрізний, сердечник недотрога, мерінгія трьохжилкова. Сердечник недотрога — однолітній широко поширений вид. Зустрічається, як правило, у тінистих лісах, по берегам уздовж рік. Потрапивши в північно-східну частину Північної Америки й у Південну Африку, благополучно прижився. Сердечник-недотрога розмножується насіннями. Насіння в сердечника-недотроги дрібні, масою не більш 5 мг, які відкидаються на відстань в 90 сантиметрів. Завдяки такому способу поширення насіння, рослина й одержала свою назву.

Колючеплідник (ехіноцистус шипуватий), його ще називають скаженим огірком, відносять до сімейства гарбузових. Ця рослина досягає великих розмірів, має товстий корінь із жорстким стеблом і великими листками. Росте на території Середньої Азії, Середземномор’я, на Кавказі, досить розповсюджений на півдні Росії й України. Усередині плода в період дозрівання насіння перетвориться в слиз, який під дією температур починає бродити й виділяти газ. Ближче до дозрівання тиск усередині плода може досягтися 8 атмосфер. Тоді при легкому доторку плід відривається від підставки й насіння з рідиною зі швидкістю 10 метрів на секунду вилітають із плода. Завдяки здатності стріляти на 12 м. у довжину, рослину назвали «дамський пістолет».

Тваринний світ. Реактивний рух — цікаві факти, що стосуються тваринного світу. У головоногих молюсків реактивний рух відбувається за допомогою води, яку вони видихають через сифон, який звичайно звужується до невеликого отвору для одержання максимального тиску, а значить і швидкості. Вода через зябра проходить до видиху, виконуючи подвійну мету — дихальну і руху. Морські зайці, як ще називають брюхоногих молюсків, використовують аналогічний спосіб руху, вони немають складного неврологічного апарата головоногих (наприклад, восьминогів), тому вони переміщаються більш незграбно.

Деякі риби-лицарі пропускаютьчи воду через зябра, щоб доповнити плавниковий рух. У личинок бабок реактивна сила досягається шляхом витиснення води зі спеціалізованої порожнини в організмі. Морські гребінці й кардіди, сифонофори, туніки (такі, як сальпи) і деякі медузи, також використовують реактивну тягу. Більшу частину часу морські гребінці спокійно лежать на дні, але у випадку появи небезпеки, швидко стуляють стулки своєї раковини, так вони виштовхують воду. Цей механізм поведінки теж говорить про використання принципу реактивного пересування. Завдяки ньому, гребінці можуть спливти й переміщатися на велику відстань, застосовуючи техніку відкриття-закриття раковини.

Кальмар також застосовує цей метод, вбирає в себе воду, а потім з величезною силою проштовхуючи через лійку рухається швидкістю не менш 70 км./ч. Збираючи щупальці в один вузол, тіло кальмара утворює обтічну форму. Взявши за основу такий двигун кальмара, інженерами був сконструйований водомет. Вода в ньому засмоктується в камеру, а потім викидається через сопло. Таким чином, судно прямує у зворотну сторону від струменя, що викидається. Якщо порівняти з кальмарами, найбільш ефективними двигунами користуються сальпи витрачаючи у декілька разів менше енергії, ніж кальмари. Рухаючись, сальпа запускає воду в отвір попереду, а потім вода надходить у широку порожнину, де є зябра. Після ковтка отвір закривається, а за допомогою, поздовжніх і поперечних мускул, які скоосуються стискають тіло, відбувається викид води через отвір позаду.

Самим незвичайним із усіх механізмів пересування може похвалитися звичайна кішка. Марсель Депре висловив припущення, що тіло здатне рухатися й змінювати своє положення навіть за допомогою одних тільки внутрішніх сил (ні від чого не відштовхуючись і ні на що не опираючись), із чого можна було зробити висновок, що закони Ньютона можуть бути помилкові. Доказом його припущенню могла послужити кішка, яка зірвалася з висоти. Під час падіння вниз головою, вона однаково приземлиться на всі лапи, це стало вже свого роду аксіомою. Детально сфотографувавши переміщення кішки, змогли по кадрах розглянути усе, що вона робила в повітрі. Побачили її рух лапою, яка викликала відповідну реакцію тулуба, повертаючись в іншу сторону щодо руху лапки.

У тварин усе відбувається на рівні інстинкту, людина у свою чергу багато чого робить свідомо. Професійні плавці, стрибнувши з вишки, встигають тричі обернутися в повітрі й зумівши призупинити обертання, випрямляють строго вертикально поринають у воду. Цей же принцип діє у відношенні повітряних циркових гімнастів. Скільки б людина не намагалася перевершити природу, удосконалюючи створені нею винаходи, все одно ми поки не досягли тієї технологічної досконалості, коли б літаки могли повторити дії бабки: зависати в повітрі, миттєво подаватися назад або рухатися убік. Причому все це відбувається на великій швидкості. Підглянувши в природи, людина ще багато чого може вдосконалити серед техніки.

Дайте відповідь на питання:1. Назвіть основні етапи освоєння космосу. Для чого досліджується космос? Які головні напрями дослідження космосу?2. Під час запуску моделі ракети масою 250 г з неї вийшло майже миттєво 50 г стиснутого повітря зі швидкістю 2 м/с. Визначте швидкість, з якою рухатиметься ракета.3. Яка важлива особливість реактивного руху забезпечує його широке використання в сучасній техніці?4. Які основні складові космічної ракети?5. Приклади в природі реактивного принципу?

Дякую за увагу.