Урок 12. реактивное движение — Физика — 10 класс
Физика, 10 класс
Урок 12. Реактивное движение
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) практическое применение закона сохранения импульса;
2) реактивное движение, реактивная сила;
3) использование реактивного движения в природе и технике;
4) этапы исторического развития освоения космоса;
Глоссарий по теме
Реактивное движение – это движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него.
Реактивная сила – сила, возникающая при реактивном движении.
Особенность реактивной силы – возникновение без взаимодействия с внешними телами.
Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 126 – 127;
Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2014. – С.47-48.
Открытые электронные ресурсы:
http://kvant.mccme.ru/1971/07/paradoksy_reaktivnogo_dvizheni.htm
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Движение тела, которое возникает при отделении с определённой скоростью какой-либо его части, называется реактивным.
Реактивное движение издревле существует в природе. Его для своего перемещения используют некоторые живые существа: кальмары, осьминоги, каракатицы, медузы и т.д. Они всасывают, а затем с силой выталкивают из себя воду, за счёт этого они движутся. Реактивное движение встречается и в быту. Примеры: движение резинового шланга, когда мы включаем воду, салюты и т.д.
Яркий пример реактивного движения в технике — это движение ракеты при истечении из неё струи горючего газа, которая образуется при сгорании топлива.
Сила, с которой ракета действует на газы, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой газы отталкивают от себя ракету:
При реактивном движении возникает сила, которая называется реактивной. Сила — это реактивная сила.
Особенностью реактивной силы является то, что она возникает без взаимодействия с внешними телами.
Согласно закону сохранения импульса: импульс вырывающихся газов равен импульсу ракеты.
Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты.
Закон сохранения импульса для реактивного движения:
откуда скорость ракеты:
Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты. Эта формула справедлива для случая мгновенного сгорания топлива. На самом деле топливо сгорает постепенно, т.к. мгновенное сгорание приводит к взрыву.
Точная формула для скорости ракеты была получена в 1897 году К.Э. Циолковским.
Первую конструкцию ракеты для космических полётов предложил Константин Эдуардович Циолковский – русский учёный, основоположник теоретической космонавтики. Он обосновал использование ракет для полётов в космос, сделал вывод о необходимости использования многоступенчатых ракет.
Идеи Циолковского воплотил в жизнь советский учёный, инженер-конструктор С.П. Королёв. 4 октября 1957 года считается началом космической эры. В этот день конструкторский коллектив под руководством Королёва осуществил запуск первого искусственного спутника Земли.
12 апреля 1961 г. впервые в мире на орбиту Земли был выведен космический корабль, в котором находился лётчик-космонавт СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Он открыл дорогу в космос. В космосе нельзя использовать другие двигатели, кроме реактивных, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Реактивные двигатели применяют для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, чтобы максимально увеличить скорость полёта.
Реактивные двигатели делятся на два класса: ракетные и воздушно-реактивные. Воздушно-реактивные в основном используют на самолётах. Современная космическая ракета — это очень сложное и тяжелое устройство, состоящее из оболочки и топлива с окислителем.
Примеры и разбор решения заданий
1. Чему равна реактивная сила тяги двигателя, выбрасывающего каждую секунду 15 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3 км/с относительно ракеты?
Дано: m = 15 кг, v = 3 км/с = 3000 м/с, ∆t = 1 с. Найти F.
Решение:
Записываем 2-й закон Ньютона в импульсной форме: F ∆t = m (v — v₀). Перед стартом скорость ракеты равна 0: = 0. Выразим силу: F = mv/∆t, сделаем расчёт: F = (15 кг·3000 м/с) / 1 с = 45000 кг· м/ с² = 45000 Н. Ответ: F = 45000 Н.
2. Из пороховой ракеты, летящей со скоростью 16 м/с, вылетают продукты сгорания массой 24 г со скоростью 600 м/с. Вычислите массу ракеты.
Дано: v₁ = 16 м / с, m₂ = 24 г = 0,024 кг, v₂ = 600 м/с. Найти m₁.
Решение:
Запишем закон сохранения импульса для реактивного движения: m₁v₁ = m₂v₂, выразим массу ракеты: m₁ = m₂v₂ / v₁.
Делаем расчёт: m₁ = (0,024 кг·600 м/с) / 16 м / с = 0,9 кг. Ответ: m₁ = 0,9 кг.
Реактивное движение | Физика
Законы Ньютона позволяют объяснить очень важное механическое явление — реактивное движение. Так называют движение тела, возникающее при отделении от него с какой-либо скоростью некоторой его части.
Возьмем, например, детский резиновый шарик, надуем его и отпустим. Мы увидим, что, когда воздух начнет выходить из него в одну сторону, сам шарик полетит в другую. Это и есть реактивное движение.
По принципу реактивного движения передвигаются некоторые представители животного мира, например кальмары и осьминоги. Периодически выбрасывая вбираемую в себя воду, они способны развивать скорость до 60—70 км/ч. Аналогичным образом перемещаются медузы, каракатицы и некоторые другие животные.
Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Например, созревшие плоды «бешеного» огурца при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки и из отверстия, образовавшегося на месте отделившейся ножки, с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении.
Реактивное движение, возникающее при выбросе воды, можно наблюдать на следующем опыте. Нальем воду в стеклянную воронку, соединенную с резиновой трубкой, имеющей Г-образный наконечник (рис. 20). Мы увидим, что, когда вода начнет выливаться из трубки, сама трубка придет в движение и отклонится в сторону, противоположную направлению вытекания воды.
На принципе реактивного движения основаны полеты ракет. Современная космическая ракета представляет собой очень сложный летательный аппарат, состоящий из сотен тысяч и миллионов деталей. Масса ракеты огромна. Она складывается из массы рабочего тела (т. е. раскаленных газов, образующихся в результате сгорания топлива и выбрасываемых в виде реактивной струи) и конечной или, как говорят, «сухой» массы ракеты, остающейся после выброса из ракеты рабочего тела.
«Сухая» масса ракеты, в свою очередь, состоит из массы конструкции (т. е. оболочки ракеты, ее двигателей и системы управления) и массы полезной нагрузки (т.е. научной аппаратуры, корпуса выводимого на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения корабля).
По мере истечения рабочего тела освободившиеся баки, лишние части оболочки и т. д. начинают обременять ракету ненужным грузом, затрудняя ее разгон. Поэтому для достижения космических скоростей применяют составные (или многоступенчатые) ракеты (рис. 21). Сначала в таких ракетах работают лишь блоки первой ступени 1. Когда запасы топлива в них кончаются, они отделяются и включается вторая ступень 2; после исчерпания в ней топлива она также отделяется и включается третья ступень 3. Находящийся в головной части ракеты спутник или какой-либо другой космический аппарат укрыт головным обтекателем 4, обтекаемая форма которого способствует уменьшению сопротивления воздуха при полете ракеты в атмосфере Земли.
Когда реактивная газовая струя с большой скоростью выбрасывается из ракеты, сама ракета устремляется в противоположную сторону. Почему это происходит?
Согласно третьему закону Ньютона, сила F, с которой ракета действует на рабочее тело, равна по величине и противоположна по направлению силе F’, с которой рабочее тело действует на корпус ракеты:
F’ = F. (12.1)
Сила F’ (которую называют реактивной силой) и разгоняет ракету.
Из равенства (10.1) следует, что сообщаемый телу импульс равен произведению силы на время ее действия. Поэтому одинаковые силы, действующие в течение одного и того же времени, сообщают телам равные импульсы. В данном случае импульс m
mрvр = mгазvгаз
Отсюда следует, что скорость ракеты
Проанализируем полученное выражение. Мы видим, что скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и чем больше отношение массы рабочего тела (т. е. массы топлива) к конечной («сухой») массе ракеты.
Формула (12.2) является приближенной. В ней не учитывается, что по мере сгорания топлива масса летящей ракеты становится все меньше и меньше. Точная формула для скорости ракеты впервые была получена в 1897 г. К. Э. Циолковским и потому носит его имя.
Формула Циолковского позволяет рассчитать запасы топлива, необходимые для сообщения ракете заданной скорости. В таблице 3 приведены отношения начальной массы ракеты m0 к ее конечной массе m, соответствующие разным скоростям ракеты при скорости газовой струи (относительно ракеты) v = 4 км/с.
Например, для сообщения ракете скорости, превышающей скорость истечения газов в 4 раза (vр=16 км/с), необходимо, чтобы начальная масса ракеты (вместе с топливом) превосходила конечную («сухую») массу ракеты в 55 раз (m0/m = 55). Это означает, что львиную долю от всей массы ракеты на старте должна составлять именно масса топлива. Полезная же нагрузка по сравнению с ней должна иметь очень малую массу.
Важный вклад в развитие теории реактивного движения внес современник К. Э. Циолковского русский ученый И. В. Мещерский (1859—1935). Его именем названо уравнение движения тела с переменной массой.
1. Что такое реактивное движение? Приведите примеры. 2. В опыте, изображенном на рисунке 22, при вытекании воды через изогнутые трубки ведерко вращается в направлении, указанном стрелкой. Объясните явление. 3. От чего зависит скорость, приобретаемая ракетой после сгорания топлива?
Реактивное движение.
Реактивное движение.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.
Но 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.
Реактивный двигатель — это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие?
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.
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.
Движения тел переменной массы.
Знание закона сохранения импульса во многих
случаях дает возможность найти результат
взаимодействия тел, когда значения
действующих сил неизвестны.
Рассмотрим в качестве примера действие реактивного двигателя. При сгорании топлива в камере сгорания ракеты образуются газы, нагретые до высокой температуры. При действии двигателя в течение короткого интервала времени t из сопла ракеты выбрасываются со скоростью u относительно ракеты горячие газы массой m. Ракета и выбрасываемые ее двигателем газы взаимодействуют между собой. На основании закона сохранения импульса при отсутствии внешних сил сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остается постоянной.
До начала работы двигателей импульс ракеты
и горючего был равен нулю, следовательно, и
после включения сумма изменений векторов импульса
ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:
где m — масса ракеты, V — изменение скорости ракеты, m — масса выброшенных газов, u — скорость истечения газов.
Отсюда для векторов импульса получаем:
Разделим обе части равенства на интервал
времени t, в течение которого работали двигатели
ракеты:
или
Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения
a по определению равно силе, вызывающей это
ускорение:
Таким образом, мы показали, что реактивная
сила тяги Fp равна произведению скорости u движения
выбрасываемых газов относительно ракеты на секундный
расход топлива m/t.
Реактивная сила тяги Fp
Выражение
есть уравнение динамики тела переменной массы для случая, когда внешние силы равны нулю. Если же на ракету, кроме реактивной силы Fp, действует внешняя сила F, то уравнение динамики движения примет вид:
Это уравнение получено профессором Петербургского
университета
И. В. Мещерским и носит
его имя.
Формула Мещерского представляет собой обобщение
второго закона Ньютона для движения тел
переменной массы. Ускорение тела переменной массы
определяется не только внешними силами F, действующими
на тело, но и реактивной силой Fp, обусловленной
изменением массы движущегося тела:
Ракета. Система двух тел. Корпус топлива.
Корпус — труба с одним открытым концом для
выхода отработанных газов. На хвосте ставят сопла
(трубки) для направленного выброса газов с
большой скоростью.
Топливо — сложное горючее, которое
при сжигании превращается в газ большой температуры
и большого движения.
V ракеты зависит от m топлива и самой ракеты, а также от V выбросов газов.
В данной формуле не учитывается сопротивление воздуха и Fпр к Земле.
На самом деле выброс газов происходит не мгновенно, а постепенно. Если учесть все условия, то топлива надо брать во много раз больше.
Чтобы сообщить кораблю первую космическую
скорость, то
Реактивное движение – конспект урока – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)
Цели урока:
Познавательные:
- Дать понятие реактивного движения.
- Рассмотреть устройство ракеты.
- Показать применение закона сохранения импульса для реактивного движения.
Развивающие:
- Развивать познавательные интересы и творческие способности.
- Способствовать расширению кругозора.
- Дать представление о реактивном движении в природе и технике.
Воспитательные:
- Воспитывать чувство гордости за нашу страну и народ: показать огромный вклад ученых, инженеров в дело создания многоступенчатой ракеты для освоения космического пространства.
- Воспитывать эстетическое восприятие мира через демонстрацию и наглядность. Воспитывать бережное отношение к окружающему нас миру: природе, космосу.
- Воспитать честность.
Тип урока: урок изучения новой темы.
Оборудование: ТСО, наглядность:
- Компьютер.
- Мультимедийный проектор.
- Экран.
- Воздушный шарик, штативы, нитки, коробка из-под сока с отверстием, чаши с водой, маленькие модели ракет.
- Презентация «Реактивное движение».
- Оригами – ракеты.
- Плакат с изображением космоса.
- Конверт для составления ракеты.
- Конверт для рефлексии.
- Ролик « Реактивное движение»
Демонстрации:
- Движение воздушного шарика, закрепленного на нити между двумя штативами, после того, как снять прищепку, стягивающую его отверстие. К надутому шарику скотчем прикрепить трубочку от шариковой ручки так, чтобы шарик был в горизонтальном положении (лежа на боку). Сквозь трубочку протянуть нить и привязать ее к двум штативам, раздвинув их примерно на расстояние 3 метра на демонстрационном столе.
- Вращение сегнерова колеса на примере коробки из-под сока, подвешенной на нити к лапке штатива. (В литровой коробке из-под сока по диагонали ближе ко дну пробиваем отверстия, вставляем в них трубочки (2 см длиной). Их можно отрезать от пустой пасты шариковой ручки. Наливаем воды в коробку. Вода выливается через отверстия- коробка вращается.)
- презентации «Реактивное движение» (1-2), «Из истории развития космонавтики»
План урока:
- Организационный момент.
- Актуализация знаний
- Изучение нового материала
- Демонстрация опытов
- Первичная отработка ЗУН
- Подведение итогов урока
- Домашнее задание
- Рефлексия
Ход урока
1. Организационный момент
Здравствуйте. Садитесь. Сегодня мы с вами проведем необычный урок. На предыдущих уроках вы сделали оригами в виде ракеты. Теперь у вас у каждого есть своя ракета, на которой вы изображены. Ваша задача ответив хотя бы на один вопрос приклеить вашу ракету к плакату. ( В конце урока учитель спрашивает, не забыли ли они ни кого? Конечно учителя. Учитель клеит свою ракету.)
2. Актуализация знаний
А) фронтальный опрос
— Что называется импульсом?
— Почему импульс – векторная величина?
— Назовите единицы измерения импульса тела в СИ.
— В чем заключается закон сохранения импульса?
— Напишите формулу закона сохранения импульса в векторном виде.
— При каких условиях выполняется этот закон?
Б) Игра « По страничкам учебника»
Я сейчас покажу вам на слайде картинки из ваших учебников по физике 7, 8 и 9 класса (автора Перышкина А.В.), вам надо узнать класс, название того, что изображено на картинке.
3. Изучение нового материала
1) Объявление темы урока
Опыт с шариком.
Учитель: Мне нужны два добровольца. Надуйте шарик, вытяните руку, в которой шарик и по моей команде отпустите. Спасибо, присаживайтесь. Что Вы сейчас наблюдали?
Ученики: Движение шарика.
Учитель: Что является причиной движения шарика?
Ученики: Отделение части воздуха от шарика.
Учитель: Да, все правильно. Вы наблюдали движение шарика. Такое движение называется реактивным движением. Именно с этим видом движения мы сегодня с вами познакомимся.
(Озвучить цели урока, запись в тетрадях)
2) Демонстрации:
Рассмотрим несколько примеров, подтверждающих справедливость закона сохранения импульса.
- движение воздушного шарика, закрепленного на нити между двумя штативами, после того, как снять прищепку, стягивающую его отверстие.
- вращение сегнерова колеса на примере коробки из-под сока, подвешенной на нити к лапке штатива.
- просмотр ролика «реактивное движение»
Проблемная ситуация:
Как происходили эти движения? Опишите каждое движение. Что общего у этих движений?
- движение воздушного шарика, скользящего по нити между двумя штативами, из открытого отверстия из него с довольно большой скоростью вырывается струя сжатого воздуха.
- вращение сегнерова колеса на примере коробки из-под сока, подвешенной на нити к лапке штатива,
Объяснение опытов:
Демонстрация движения воздушного шарика.
Объяснить это явление можно с помощью закона сохранения импульса. Пока отверстие шарика завязано, шарик с находящимся внутри него сжатым воздухом покоится, и его импульс равен нулю. При открытом отверстии из него с довольно большой скоростью вырывается струя сжатого воздуха. Движущийся воздух обладает некоторым импульсом, направленным в сторону его движения. Движение шарика является примером реактивного движения. Реактивное движение происходит за счет того, что от тела отделяется и движется какая-то его часть, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс.
(Доказать, используя закон сохранения импульса, как направлены импульсы струи сжатого воздуха и ракеты)
Демонстрация устройства, называемого сегнеровым колесом. Вода, вытекающая из сосуда конической формы (у нас из коробки из-под сока) через сообщающуюся с ним изогнутую трубку (у нас через отверстия по бокам коробки, сделанные на противоположных сторонах коробки по диагонали внизу) , вращает сосуд в направлении, противоположном скорости воды в струях.
Вывод: Реактивным движениемназывается движение, которое происходит за счет того, что от тела отделяется и движется какая-то его часть, в результате чего тело приобретает противоположно направленный импульс. (запись в тетрадях)
3) Показ презентации «Реактивное движение»
Учитель рассказывает о применении реактивного движения природой:кальмары, медузы, каракатицы. Набирая в себя воду, они, с силой выталкивая её, приобретают скорость, направленную в сторону, противоположную движению. Развивают скорость 60-70 км/ч.
Слайды . «Бешеный огурец».
Я хочу вам рассказать о бешеном огурце. В южных странах ( и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием «бешеный огу-рец». 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.
Реактивное движение, например, выполняет ракета. Особенностью этого движения является то, что тело может ускоряться и тормозить без какой-либо внешней взаимодействия с другими телами. Продукты сгорания при вылет получают относительно ракеты некоторую скорость. Согласно закону сохранения импульса, сама ракета получает такой же импульс, как и газ, но направлен в другую сторону. Закон сохранения импульса нужен для расчета скорости ракеты.
Слово об ученых космонавтах.
Мы с Вами должны гордиться тем, что основы теории реактивного двигателя и научное доказательство возможности были впервые высказаны и разработаны русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским в работе «Исследование мировых пространств». Ему же принадлежит идея применения многоступенчатых ракет.
Нашей стране принадлежит великая честь запуска 4 октября 1957 г. первого искусственного спутника Земли. Также впервые в нашей стране 12 апреля 1961 г. был осуществлен полёт космического корабля-спутника «Восток» с космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным на борту.
Этот и другие полёты были совершены на ракетах, сконструированных отечественными учеными и инженерами под руководством Сергея Павловича Королёва.
Работа на местах
Учитель: Мы сейчас сконструируем ракету-носитель, которая выведет наш искусственный спутник на орбиту. Из каких частей она должна состоять?
- отсек с космонавтами;
- отсек с приборами;
- бак с топливом;
- бак с окислителем;
- насосы;
- камера сгорания;
- сопло.
(учащиеся собирают космический корабль по заготовленным деталям корабля: клеят в тетрадь)
4. Первичная отработка ЗУН
А)Вам нужно выбрать те ситуации, в которых движение тела, по вашему мнению, является реактивным.
Ситуация 1: Сосулька, сорвавшись с крыши, падает на землю.
Ситуация 2: Автомат делает 300 выстрелов в минуту.
Ситуация 3: Каракатица перемещается в воде, сокращая мышцы своего тела.
Ситуация 4: Под давлением нагретого пара пробка вылетает из пробирки.
Ситуация 5: Лодка приходит в движение после того, как с нее в воду ныряет мальчик.
Ситуация 6: Летчик катапультируется из кабины самолета.
Ситуация 7: В воздухе взрывается снаряд.
Ситуация 8: Новогодняя петарда осветила ночное небо разноцветными огнями.
Ситуация 9: Всадник перелетает через голову, резко остановившейся лошади.
Б) Игра «Найди общее» ( на экране показаны несколько картинок – задача учащихся найти общий признак)
- реактивное движение
- импульс тела
- Законы Ньютона
- искусственные спутники Земли
3. Головоломка.
Известна старинная легенда о богаче с мешком золотых, который, оказавшись на абсолютно гладком льду озера, замерз, но не пожелал расстаться с богатством. А ведь он мог спастись, если бы не был так жаден! А вы как поступили бы ?
(Ответ: Достаточно было оттолкнуть от себя мешок с золотом, и богач сам заскользил бы по льду в противоположную сторону по закону сохранения импульса).
5. Подведение итогов урока
6. Домашнее задание: п.22, упр.21(3).7. Рефлексия
А сейчас, ребята, давайте, выразим свои чувства от урока. Проведем так называемое скрытое голосование. Выберите тот смайлик, который отражает ваше настроение, и опустите вот в эту коробочку.
Реактивное движение. — Физика — 10 класс
Реактивное движение.Цель урока: познакомить учащихся с принципом реактивного движения.
Демонстрации: полет ракеты.
Методические рекомендации: Следствие закона сохранения импульса — явление отдачи широко используется при реактивом движении самолетов и ракет.
Ход урока
I. Проверка домашнего задания.
1. Ответы на вопросы после параграфов. (В предыдущем уроке).
2. Проверка решения домашних задач.
II. Изучение нового материала.
Все реальные системы не являются замкнутыми. Закон сохранения импульса выполняется для любых систем – будь то космические тела, атомы или элементарные частицы.
Большое значение имеет закон сохранения импульса для исследования реактивного движения.
Эксперимент 1
Надуйте детский резиновый шарик и отпустите. Шарик стремительно взовьется вверх.
Это пример реактивного движения.
Реактивное движение – движение, возникающее при определении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.
Важным примером реактивного движения является движение ракеты.
Отделяющейся частью тела (ракеты) при таком движении является струя горячих газов, образующихся при сгорании топлива. Струя газов в одну сторону, а ракета в противоположную.
Применение: реактивное движение (К.Э. Циолковский). Возникающее при отделении от тела с какой-либо скоростью некоторой его части (кальмары и осьминоги выбрасывая вбираемую в себя воду, развивают υ = 60-70 км/ч). Химическая энергия сгорающего топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, тепловая энергия горячих газов превращается в кинетическую энергию реактивной струи. Из закона сохранении р = 0, р’ = mrυr + mυ, υ = — (mr/m)υr. Скорость ракеты противоположна скорости истечения газов, она тем больше, чем больше скорость газов, скорость растет с увеличением отношения массы рабочего тела к конечной массе ракеты. В ракетах на химическом топливе скорость достигает не больше 4 км/с, у ракет с ядерными двигателями — в несколько раз больше. Закон сохранения импульса выполним и для квантовых явлений.
III. Закрепление.
1) На каком законе основано существование реактивного движения? На законе сохранения импульса.
2) Из каких частиц состоит ракета? Рабочего тела (раскаленных газов, образующихся после сгорания топлива), «сухой» массы, которая состоит из массы конструкции (оболочка ракеты, двигатель. Система управления) и массы полезной нагрузки (научная аппаратура, радиотелеметрическая система, корпус выводимого на орбиту космического аппарата, экипажа и системы жизнеобеспечения корабля).
3) От чего зависит скорость, развиваемая ракетой? Скорости истечения газов.
IV. Решение задач.
Сборник задач Г.Н. Степановой
№ 382.
Ракета испускает раскаленные газы со скоростью 2000 м/с относительно корабля. Чему равна сила тяги, если каждую секунду отбрасывается масса, равная 100 кг?
Пусть за бесконечно малое время dt масса, которую выбросила ракета:
dm = µdt
Здесь µ = 100 кг/с — расход массы, истекающей из ракеты за единицу времени, известный из условия.
В системе отсчета ракеты импульс, заключенный в этой массе:
dp = υdm = υµdt
Импульс силы F, действовавшей на вылетевшие газы в течение рассматриваемого промежутка времени dt:
Он равен изменению импульса вещества, которого состоят газы. Если первоначально вещество покоилось, его импульс был равен 0, значит, импульс силы будет равен импульсу отлетевшего газа:
dp = υµdt = Fdt.
Найдем силу F, с которой ракета действует на имеющие газы:
F = υµ = 2000 м/с · 100 кг = 200000 Н = 200 кН.
С какой же силой газы действуют на ракету. Иначе говоря, вычисленная сила является искомой силой тяги.
V. Итоги урока.
Домашнее задание
§ 35 (стр. 104-107). Задача 168. (стр. 327).
Подготовка к контрольной работе.
Реактивное движение
Давайте рассмотрим несколько примеров, которые подтверждают справедливость закона сохранения импульса.
На экране представлен горизонтальный рельсовый путь, на котором находится платформа с закреплённым на ней артиллерийским орудием. Ствол орудия горизонтален. Если орудие выстрелит, то платформа начинает катиться в сторону, противоположную направлению выстрела. Как объяснить это явление?
Давайте разбираться. Сила тяжести, действующая на платформу с орудием, компенсирована силой нормальной реакции рельсов. Трением качения можно пренебречь. Значит, результирующая внешних сил равна нулю. Поэтому к системе (платформа с орудием и снаряд) можно применить закон сохранения импульса.
Почему платформа пришла в движение? Из-за «отдачи» при выстреле, то есть из-за того, что пороховые газы действовали как на снаряд, так и на орудие. Хотя мы не знаем, чему равна эта сила, но с помощью закона сохранения импульса мы смогли найти скорость движения платформы.
Явление «отдачи» можно показать на простом опыте. Прикрепим к игрушечному автомобилю надутый воздушный шарик и проколем его иглой. Из отверстия в шарике начинает вырываться струя воздуха, и автомобиль приходит в движение. Мы знаем, что как правило для набора скорости тело отталкивается от окружающих тел: дорожного покрытия, водной или воздушной среды и тому подобного. В нашем же опыте автомобиль вместе с шариком «отталкивался» от воздуха, запасённого внутри системы.
Движение автомобиля с шариком является примером реактивного движения. Так называют движение, которое возникает, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть.
Реактивное движение — это наиболее яркое проявление практического применения закона сохранения импульса. В живой природе оно наблюдается у осьминогов, кальмаров, каракатиц и медуз. Все они используют для плавания отдачу выбрасываемой струи воды.
Выдающуюся роль реактивные технологии приобрели во второй половине 20 века. Они находят широкое практическое применение в авиации и космонавтике. Типичным примером реактивного движения может служить движение ракет. Так как в космосе нет среды, от которой можно «отталкиваться», единственная возможность достичь космических скоростей и управлять движением космических аппаратов — это использование реактивных двигателей.
Чаще всего ракета имеет трубчатый корпус, закрытый с одного конца. В нём, как правило, располагается полезный груз (например, космический корабль). И приборный отсек. Большую часть ракеты занимают баки с топливом и окислителем. По трубопроводу топливо подаётся в камеру сгорания, где оно сгорает и превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Через реактивное сопло, расположенное снизу ракеты, газ вырывается наружу и образует реактивную струю.
Систему «ракета-газ» можно считать замкнутой, так как сила притяжения к Земле намного меньше внутренних сил, возникающих при сгорании топлива. Значит к данной системе применим закон сохранения импульса. Когда ракета на стартовой площадке неподвижна, то её суммарный импульс равен нулю: неподвижно топливо и неподвижен корпус. Для простоты расчётов будем считать, что топливо сгорает мгновенно и горячие газы под большим давлением выбрасываются через сопло́ наружу. При этом корпус ракеты станет двигаться в сторону, противоположную движению газов.
Из полученной формулы видно, что скорость ракеты можно увеличить двумя путями: увеличив скорость вытекающих газов из сопла́ ракеты и увеличив массу сгораемого топлива. Но второй путь приведёт к уменьшению доли полезной массы — массы корпуса, а также перевозимого груза.
Отсюда понятна выгода использования многоступенчатых ракет. По мере выгорания топлива в ступенях их отделяют. Уменьшение массы ракеты облегчает её дальнейший разгон. При этом последняя ступень может использоваться как для увеличения скорости ракеты, так и для её торможения. Так при возвращении корабля на Землю ракету разворачивают на сто восемьдесят градусов, чтобы сопло́ оказалось впереди. Тогда вырывающийся газ сообщает ракете импульс, направленный против скорости её движения, что приводит к уменьшению скорости и даёт возможность осуществить посадку.
Ракеты известны давно. Впервые о них упоминается в китайских хрониках тысяча сто пятидесятого года, где описывались запуски фейерверков.
Естественно, что такое интересное явление, как движение ракет, изучалось многими учёными. Так, в 1650 году в Амстердаме вышла книга «Великое искусство артиллерии» генерал-лейтенанта польской армии Казимира Семеновича. В ней была глава, посвящённая описанию движения ракет и их конструкций. Эта книга практически одновременно была переведена на основные европейские языки того времени.
Большой вклад в теорию движения ракет внесли русские учёные. Так идея использования многоступенчатых ракет для запуска на орбиту искусственных спутников была предложена в начале двадцатого века русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. Им была получена формула, сейчас носящая его имя, позволяющая оценить запас топлива, который должен быть в ракете, чтобы она стала искусственным спутником Земли.
Идея Циолковского была осуществлена советскими учёными под руководством Сергея Павловича Королева. Мы уже говорили о том, что первый в истории искусственный спутник Земли был запущен с помощью ракеты в Советском Союзе 4 октября 1957 года. А первым человеком, который совершил космический полет, был гражданин СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Двенадцатого апреля тысяча девятьсот шестьдесят первого года он облетел земной шар за 108 минут на корабле-спутнике «Восток».
Советские ракеты первыми достигли Луны, первыми облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, и первыми достигли планеты Венера.
В 1969 году американский астронавт Нил Армстронг впервые в истории человечества ступил на поверхность другого небесного тела — Луны. Американские астронавты совершили несколько полётов на Луну с выходом на её поверхность и длительным (до трёх земных суток) сроком пребывании на ней.
Были созданы и запушены на околоземную орбиту станции-спутники, идея использования которых также принадлежит Циолковскому Константину Эдуардовичу.
Закрепления материала.
Реактивное движение :: Класс!ная физика
РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. При этом возникает т.н. реактивная сила, сообщающая телу ускорение.
ИНТЕРЕСНОЕ ЯВЛЕНИЕ !
ИЗ ИСТОРИИ РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ
Первые пороховые фейерверочные и сигнальные ракеты были применены в Китае в 10 веке. В 18 веке при ведении боевых действий между Индией и Англией, а также в Русско-турецких войнах. были использованы боевые ракеты.
Живые ракеты.
Реактивное 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.
Устали? — Отдыхаем!
ПВРД
Тяга — это сила, которая перемещает любой самолет по воздуху. Тяга создается силовая установка самолета. Различные двигательные установки развивают тягу в разными способами, но вся тяга создается за счет некоторых применение третьего закона Ньютона движение. На каждое действие есть равная и противоположная реакция. В любой двигательной установке рабочее тело ускоряется системой и реакция на это ускорение создает силу в системе.А общий вывод уравнения тяги показывает, что величина создаваемой тяги зависит от массовый поток через двигатель и скорость на выходе газа. Инженеры используют термодинамический анализ ПВРД для прогнозирования тяги и расхода топлива на особый дизайн.
В начале 1900-х годов некоторые оригинальные идеи, касающиеся ПВРД были впервые разработаны в Европа. Тяга создается за счет прохождения горячего выхлопа из сжигание топлива через насадку. Сопло ускоряет поток, и реакция на это ускорение производит тягу.Для поддержания потока через сопла, горение должно происходить при давлении что выше давления на выходе из сопла. В ПВРД высокое давление создается за счет «набивания» внешнего воздуха в камера сгорания, используя скорость движения транспортного средства. Внешний воздух который вводится в двигательную установку, становится рабочим телом , очень похож на турбореактивный двигатель. В турбореактивном двигателе двигатель, высокое давление в камере сгорания создается куском техника называется компрессором.Но есть В ПВРД нет компрессоров. Поэтому ПВРД легче и проще турбореактивного. ПВРД создают тягу только тогда, когда машина уже движется; ПВРД не могут создавать тягу, когда двигатель стационарный или статический . Поскольку ПВРД не может создавать статическую тягу, некоторые другая силовая установка должна использоваться для ускорения транспортного средства до скорость, при которой ПВРД начинает создавать тягу. Чем выше скорость автомобиля, тем лучше работает ПВРД. пока аэродинамические потери не станут доминирующим фактором.
Возгорание, создающее тягу в ПВРД, происходит при дозвуковая скорость в камере сгорания. Для путешествующего автомобиля сверхзвуковой, воздух, поступающий в двигатель, должен быть замедлен до дозвуковых скоростей. самолетом впуск. Ударные волны присутствуют во впускном отверстии вызывают снижение производительности движителя система. При скорости выше 5 Маха ПВРД становится очень неэффективным. Новый сверхзвуковой ПВРД , или ГПВРД решает эту проблему за счет сверхзвукового сжигания в горелке.
Выше показаны фотографии реактивного самолета Х-15 с ПВРД подвешен под корпус и испытание ПВРД в аэродинамической трубе вход, используемый на ракете. В обоих двигателях систем, ракета используется для того, чтобы набрать скорость ПВРД, прежде чем он производит тягу. Поскольку ПВРД использует внешний воздух для сгорания, это более эффективная силовая установка для полета в атмосферы, чем ракета, которая должна нести весь его кислород. Ramjets идеально подходят для очень высокая скорость полет в атмосфере.
EngineSim это интерактивный Java-апплет, который позволяет тестировать дизайн прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Вы можете изучить основы ПВРД двигательная установка с симулятором EngineSim.
Деятельность:
Экскурсии
- Силовые установки:
- ПВРД:
Навигация ..
- Руководство для начинающих Домашняя страница
Гребной винт
Тяга — это сила, которая перемещает любой самолет по воздуху.Тяга создается силовая установка самолета. Различные двигательные установки развивают тягу в разными способами, но вся тяга создается за счет некоторых применение третьего закона Ньютона движение. На каждое действие есть равная и противоположная реакция. В любой двигательной установке рабочее тело ускоряется системой и реакция на это ускорение создает силу в системе. А общий вывод уравнения тяги показывает, что величина создаваемой тяги зависит от массовый поток через двигатель и изменение скорости газа, проходящего через двигательную установку.
Тяга винта
В течение сорока лет после первый полет братьев Райт использовались самолеты двигатель внутреннего сгорания повернуть винты на генерировать тягу. Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов все еще находятся в эксплуатации. с пропеллерами и двигателями внутреннего сгорания, как и ваш автомобильный двигатель. Двигатель берет воздух из окрестностей, смешивает он с топливом, сжигает топливо, чтобы высвободить энергия в топливе, и использует выхлоп нагретого газа для перемещения поршень который прикреплен к коленчатому валу.В автомобиле вал используется для поворота колес автомобиля. В самолете Вал соединен с гребным винтом .
Гребные винты в виде крыльев
На этом слайде мы показываем фотографии винтового двигателя П-51. самолет времен Второй мировой войны и пропеллер проходят испытания в НАСА Аэродинамическая труба Гленна. Детали пропеллерные двигатели очень сложны, но мы можем изучить некоторые из основы с помощью простого импульса теория .Детали сложны, потому что пропеллер действует как вращающееся крыло, создающее подъемную силу за счет движется по воздуху. Для винтового самолета газ что ускоряется, или рабочая жидкость , — это окружающий воздух, проходящий через винт. Воздух, который есть Используемый для сгорания в двигателе обеспечивает очень небольшую тягу. Пропеллеры могут иметь от 2 до 6 лопастей. Как показано в аэродинамической трубе На картинке лопасти обычно длинные и тонкие. Разрез через лопасть, перпендикулярная большому размеру, даст аэродинамический профиль форма.Поскольку лезвия вращаются, наконечники движутся быстрее, чем центр. Поэтому, чтобы винт был эффективным, лопасти обычно перекручен от ступицы до кончика. Угол атаки крылья на вершине ниже, чем на ступице.
Другие двигатели Привод гребных винтов
Как уже отмечалось, в P-51 использовался двигатель внутреннего сгорания. двигатель. После Второй мировой войны, как реактивный самолет завоевали популярность двигатели, аэродинамики использовали реактивные двигатели для включите пропеллеры на некоторых самолетах.Эта двигательная установка называется турбовинтовой. Транспортный самолет С-130 турбовинтовой самолет. Его основная тяга исходит от гребных винтов, но пропеллеры вращаются турбинными двигателями. Человеческое питание самолеты середины 80-х тоже были винтовые, но «Двигатель» был предоставлен человеком с помощью велосипедной зубчатой передачи. В настоящее время НАСА управляет самолетом с электрическим двигателем на солнечной энергии который также использует пропеллеры. Винтовые самолеты очень эффективны для полет на малой скорости. Но как скорость самолета увеличивается, регионы сверхзвуковой поток, с сопутствующими потерями производительности из-за ударные волны возникают на винте.Пропеллеры не используются на высокоскоростной самолет.
Деятельность:
Экскурсии
- Силовые установки:
- Винты:
Навигация ..
- Руководство для начинающих Домашняя страница
Газовая турбина
Эта страница предназначена для учащихся колледжей, старших и средних школ.Для младших школьников более простое объяснение информации на этой странице: доступно на Детская страница. |
Тяга — это сила, которая перемещает любой самолет по воздуху. Тяга создается силовая установка самолета. Различные двигательные установки развивают тягу в разными способами, но вся тяга создается за счет некоторых применение третьего закона Ньютона движение.На каждое действие есть равная и противоположная реакция. В любой двигательной установке рабочее тело ускоряется системой и реакция на это ускорение создает силу в системе. А общий вывод уравнения тяги показывает, что величина создаваемой тяги зависит от массовый поток через двигатель и скорость на выходе газа.
Во время Второй мировой войны был разработан двигатель нового типа. самостоятельно в Германии и в Англии.Этот двигатель назывался . газотурбинный двигатель . Мы иногда называем этот двигатель реактивным . двигатель . Ранние газотурбинные двигатели работали во многом как ракетный двигатель создавая горячий выхлопной газ, который проходил через сопло производить тягу. Но в отличие от ракетного двигателя, который должен нести кислород для сгорания, газотурбинный двигатель получает кислород из окружающего воздуха. Не работает газотурбинный двигатель в космосе, потому что нет окружающего воздуха.Для газа газотурбинный двигатель, ускоренный газ или рабочее тело , это струйный выхлоп. Большинство Масса выхлопных газов струи исходит из окружающей атмосферы. Самый современный, высокоскоростной пассажир и военный самолет работают на газе газотурбинные двигатели. Потому что газотурбинные двигатели так важны для современных жизни, мы предоставим много информации о газотурбинных двигателях и их работа.
Турбинные двигателивыпускаются в широком ассортименте формы и размеры из-за множества различных миссий самолетов.Все газотурбинные двигатели имеют некоторые части в однако обычное дело. На слайде мы видим изображения четырех разных самолет, оснащенный газотурбинными двигателями. Каждый самолет имеет уникальная миссия и, следовательно, уникальные требования к двигательной установке. На вверху слева — авиалайнер DC-8. Его задача — перевозить большие грузы. пассажиров или грузов на дальние расстояния на большой скорости. Тратит большую часть своей жизни на высокой скорости морское путешествие. Внизу слева — F-14. истребитель.Его задача — сбивать другие самолеты в бой воздух-воздух. Большую часть жизни он проводит в круизах, но ему необходимо высокое ускорение в бою. Справа внизу — грузовой С-130. самолет. Как и DC-8, он перевозит грузы на большие расстояния, но не имеет требований к высокой скорости DC-8. На верхнем справа — учебно-тренировочный Т-38. Используется для обучения пилотов управлять реактивным двигателем. самолет и не имеет требований к ускорению F-14. DC-8 приводится в движение четырьмя двухконтурными ТРДД. двигателей Ф-14 на двух форсажных ТРДД с малым байпасом, С-130 от четырех турбовинтовых двигателей, а Т-38 — двумя ТРД. двигатели.
EngineSim это интерактивный Java-апплет, позволяющий изучать различные типы реактивных двигателей. Вы можете изучить основы газотурбинного двигателя. двигательная установка с симулятором EngineSim. RangeGames это интерактивный Java-апплет, который позволяет вам изучить, как разные типы самолетов используют различные типы двигателей для выполнения своей миссии.
Деятельность:
Экскурсии
Навигация..
- Руководство для начинающих Домашняя страница
Вы можете объяснить, как работают реактивные двигатели?
Аватеф Хамед, профессор аэрокосмической техники и инженерной механики Университета Цинциннати дает следующее объяснение:Реактивная силовая установка произвела революцию в науке о полётах, резко увеличив возможные скорости и высоты, что позволяет исследовать космос. Термин реактивный двигатель относится к действию, производимому реактором. к выбросу материи.Например, когда вещество в обычной ракете (как порох в фейерверке) При воспламенении в результате химической реакции выделяется тепло и газы, которые выходят из ракеты и заставляют ее двигаться вперед. Кислород, необходимый для горения, переносится (в баллонах или в комбинированном виде) в ракете. так что тяга ракеты не зависит от атмосферы. Другие реактивные двигательные установки зависят от воздух, подаваемый в двигатель, для подачи необходимого кислорода. После выделения тепла в результате горения горячий газы ускоряются через двигатель, так что выходная скорость больше, чем скорость воздушного потока на Вход.
Изображение: ALLSTAR NETWORK ДВИГАТЕЛИ С ТУРБОВентилятором выбрасывает назад большую массу материала при низком уровне скорость для создания прямой тяги. |
Как в автономных ракетных двигателях, так и в силовых установках с воздушно-реактивным двигателем тяга, которая может быть генерируется пропорционально массе материала, выбрасываемого из агрегата за заданное время, а также увеличению в массовой скорости по отношению к единице.Следовательно, одна и та же сила прямой тяги может быть создана двумя способами: выбрасывая назад большую массу материала с низкой скоростью в течение заданного периода времени (как в ТРДД) или выбросом меньшей массы материала с более высокой скоростью (как в турбореактивных и прямоточных воздушно-реактивных двигателях). двигатели). Двумя источниками массы являются пропеллент или топливо и окислитель или воздух.
Изображение: ALLSTAR NETWORK RAMJET ДВИГАТЕЛИ создают тягу, выбрасывая меньшую массу материала с более высокой скоростью, чем ТРДД. двигатели. |
Топливо содержит большое количество потенциальной энергии, которая быстро высвобождается при сгорании. Порция из этой тепловой энергии превращается в полезную работу, перемещая транспортное средство через атмосферу или в космос. Другая часть, однако, в виде кинетической энергии струи теряется и рассеивается в атмосфере. Очень экономичные турбовентиляторные двигатели, используемые в современных двигателях коммерческих самолетов, пытаются минимизировать последняя часть.Для этого продукты сгорания придают умеренное увеличение массовой скорости. большая масса воздуха, проходящего через двигатель за данный момент времени. Но турбореактивные и прямоточные двигатели, которые встречаются более строгие требования к сверхзвуковому полету, менее экономичны.
Различные типы реактивных двигателей имеют был разработан для обеспечения необходимой тяги и характеристик двигателя в широком диапазоне скоростей полета и высоты. Воздушно-реактивные турбореактивные, турбовентиляторные и прямоточные воздушно-реактивные двигатели работают по аналогичным принципам в чувствуют, что они повышают давление вдуваемого воздуха перед сгоранием и расширяют высокоэнергетические газы перед они уходят в сопло или выхлопную систему.В турбореактивных двигателях всасываемый воздух проходит через компрессор, чтобы увеличить его давление перед входом в камеру сгорания, затем через турбину перед ускорением в выхлопе сопло. Однако прямоточный воздушно-реактивный двигатель не имеет движущихся частей; он вызывает повышение давления в плунжере из-за замедления высокоскоростной всасываемый воздух во впускной диффузор. ПВРД может работать только на высоких сверхзвуковых частотах. скорости и, следовательно, требует другого пускового устройства, такого как ракета или турбореактивный двигатель, для его ускорения. до необходимой скорости.
Изображение: ALLSTAR NETWORK TURBOJET ENGINES — которые, как и прямоточные воздушно-реактивные двигатели, должны поддерживать сверхзвуковой полетные — менее экономичны, чем турбовентиляторные двигатели, которые используются в современных коммерческих самолетах. |
Выше определенной высоты плотность атмосферы уменьшается, и реактивное движение возможно только для ракеты. двигатели, которые несут собственный кислород. Ракетные двигатели используют твердое или жидкое топливо.Твердотопливные ракеты — самые старые типов, а их корпуса содержат камеру сгорания и твердое топливо, смешанное с окислителем. Когда топливо При воспламенении газообразные продукты сгорания ускоряются через сопло, создавая тягу. В жидкости ракеты, топливо и кислород хранятся в отдельных баках и подаются с контролируемой скоростью на горение. камера.
Ракетная силовая установка | Безграничная физика
Движение ракеты, изменение массы и импульса
В ракетном двигателе материя выталкивается из системы с силой, вызывая равную и противоположную реакцию на то, что остается.
Цели обучения
Определить физические принципы силовой установки ракеты
Основные выводы
Ключевые моменты
- Движение всех ракет объясняется одним и тем же физическим принципом: третьим законом движения Ньютона.
- Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов: скорости истечения, скорости выброса выхлопных газов и массы ракеты.
- Чтобы достичь высоких скоростей, необходимых для перемещения по континентам, выхода на орбиту или полного выхода из гравитации Земли, масса ракеты, за исключением топлива, должна быть как можно меньше.
Ключевые термины
- Третий закон движения Ньютона : утверждает, что все силы существуют попарно: если один объект A оказывает силу FA на второй объект B, то B одновременно оказывает силу FB на A, и эти две силы равны и противоположны : FA = −FB.
Движение ракеты, изменение массы и импульса
Ракетыразличаются по размеру от фейерверков, настолько маленьких, что обычные люди используют их до огромных ракет «Сатурн V», которые когда-то отправляли огромные полезные нагрузки к Луне.Движение всех ракет, реактивных двигателей, спускаемых воздушных шаров и даже кальмаров и осьминогов объясняется одним и тем же физическим принципом: третьим законом движения Ньютона. Материя принудительно выбрасывается из системы, вызывая равную и противоположную реакцию на то, что остается. Другой распространенный пример — отдача ружья. Пистолет оказывает на пулю силу, ускоряющую ее, и, следовательно, испытывает равную и противоположную силу, вызывая отдачу или толчок пистолета.
показывает ракету, ускоряющуюся прямо вверх.В части (а) ракета имеет массу m и скорость v относительно Земли, а значит, и импульс mv. В части (b) истекло время Δt, в течение которого ракета выбросила массу Δm горячего газа со скоростью v e относительно ракеты. Остальная часть массы (m − m) теперь имеет большую скорость (v + Δv). Импульс всей системы (ракета плюс выброшенный газ) фактически уменьшился, потому что сила тяжести действовала в течение времени Δt, создавая отрицательный импульс Δp = −mgΔt. (Помните, что импульс — это чистая внешняя сила, действующая на систему, умноженная на время ее действия, и она равна изменению количества движения системы.Таким образом, центр масс системы находится в свободном падении, но за счет быстрого вытеснения массы часть системы может ускоряться вверх. Распространено заблуждение, что выхлоп ракеты сталкивается с землей. Если рассматривать тягу; то есть сила, действующая на ракету со стороны выхлопных газов, тогда тяга ракеты больше в космическом пространстве, чем в атмосфере или на стартовой площадке. На самом деле газы легче удалить в вакуум.
Схема движения ракеты со свободным телом : (a) Эта ракета имеет массу m и скорость движения вверх v.Чистая внешняя сила, действующая на систему, равна −mg, если пренебречь сопротивлением воздуха. (b) Спустя время Δt система состоит из двух основных частей: выбрасываемого газа и остальной части ракеты. Сила реакции на ракету — это то, что преодолевает силу тяжести и ускоряет ее вверх.
Посчитав изменение количества движения для всей системы в течение Δt и приравняв это изменение к импульсу, можно показать, что следующее выражение является хорошим приближением для ускорения ракеты.
[латекс] \ text {a} = \ frac {\ text {v} _ \ text {e}} {\ text {m}} \ frac {\ Delta \ text {m}} {\ Delta \ text {t }} — \ text {g} [/ latex]
, где a — ускорение ракеты, v e — скорость убегания, m — масса ракеты, Δm — масса выброшенного газа, а Δt — время выброса газа.
Факторы ускорения
Ускорение ракеты зависит от трех основных факторов, согласующихся с уравнением ускорения ракеты.Во-первых, чем больше скорость истечения газов относительно ракеты, v e , тем больше ускорение. Практический предел для v e составляет около 2,5 × 10 3 м / с для обычных (неядерных) двигательных установок на горячем газе. Второй фактор — это скорость выброса массы из ракеты. Это коэффициент Δm / Δt в уравнении. Величина (Δm / Δt) v e в единицах ньютонов называется «тягой». Чем быстрее ракета сжигает топливо, тем больше у нее тяга и больше ускорение.Третий фактор — это масса ракеты m. Чем меньше масса (при прочих равных), тем больше ускорение. Масса ракеты m резко уменьшается во время полета, потому что большая часть ракеты изначально является топливом, поэтому ускорение непрерывно увеличивается, достигая максимума непосредственно перед тем, как топливо будет исчерпано.
Чтобы достичь высоких скоростей, необходимых для перемещения по континентам, выхода на орбиту или полного выхода из гравитации Земли, масса ракеты, за исключением топлива, должна быть как можно меньше.Можно показать, что в отсутствие сопротивления воздуха и без учета силы тяжести конечная скорость одноступенчатой ракеты, первоначально находящейся в состоянии покоя, составляет
[латекс] \ text {v} = \ text {v} _ \ text {e} \ ln \ frac {\ text {m} _0} {\ text {m} _ \ text {r}} [/ latex]
, где ln (m 0 / m r ) — натуральный логарифм отношения начальной массы ракеты (m 0 ) к тому, что остается (m r ) после того, как все топливо будет измученный. (Обратите внимание, что v на самом деле представляет собой изменение скорости, поэтому уравнение можно использовать для любого участка полета.Если мы начнем из состояния покоя, изменение скорости будет равно конечной скорости. )
Реактивный двигатель Squid может улучшить конструкцию подводных роботов, транспортных средств
ИЗОБРАЖЕНИЕ: Развитие завихренности в нарушающую симметрию неустойчивость. посмотреть еще
Кредит: Ян Ло
ВАШИНГТОН, 3 ноября 2020 г. — Кальмары и другие головоногие моллюски используют форму реактивного движения, которая недостаточно изучена, особенно когда речь идет об их гидродинамике в условиях турбулентного потока.Раскрытие их секретов может помочь создать новые конструкции для подводных роботов и транспортных средств, которые должны работать в этой среде.
Исследователи из Шотландии, США и Китая изучают фундаментальный механизм импульсной реактивной тяги кальмаров. В статье Physics of Fluids от AIP Publishing группа описывает свое численное исследование реактивного движения головоногих моллюсков с турбулентным потоком, рассматриваемым впервые. Среди своих открытий они обнаружили, что производство тяги и эффективность недооцениваются в ламинарных или нетурбулентных потоках.
Модель для этого исследования — двухмерный пловец, похожий на кальмара, который имеет гибкое мантийное тело с барокамерой и соплом, которое служит входом и выходом воды. На гибкую мантийную поверхность модели воздействует внешняя сила, имитирующая сокращение мускулов кальмара.
«В результате внутренний объем тела уменьшается, и вода внутри камеры выбрасывается, образуя струйный поток», — сказал Ян Луо, один из авторов и научный сотрудник Университета Стратклайд в Глазго, Шотландия.«Кальмар продвигается вперед сильной струей в противоположном направлении, затем мантия автоматически надувается в результате накопленной упругой энергии. Во время надувания мантии вода всасывается в камеру и выбрасывается во время следующего сдувания мантии».
По словам Луо, реактивная тягаможет быть более эффективной, если принять во внимание турбулентный поток. Группа также обнаружила нарушающую симметрию неустойчивость вихрей вокруг струи, которая испускает струи воды после нескольких непрерывных циклов струи.
«Это может помочь лучше понять, почему плавание рывком и берегом используется молодыми и взрослыми кальмарами, которые работают в турбулентных потоках чаще, чем вылупившиеся кальмары, которые работают в ламинарных потоках», — сказал Луо.
Помимо реактивного движения, молодые и взрослые кальмары также довольно часто полагаются на колебания плавников на голове при плавании. Группа обнаружила, что этот стиль взрыва и выбега может помочь кальмарам избежать нарушающей симметрию нестабильности окружающего вихря потока, которая может вызвать снижение тяги и эффективности.
«Результаты нашей работы о механизме нарушающей симметрию нестабильности служат руководством для проектирования подводных роботов и транспортных средств в стиле кальмаров», — сказал Луо. «Непрерывное реактивное движение может быть неблагоприятным, и необходимы специальные меры для смягчения эффекта этой нестабильности при проектировании подводных аппаратов или движителей с реактивным движением за счет активного контроля деформации тела для изменения эволюции внутренней структуры вихрей».
Скоро ли мы увидим новые подводные лодки с реактивным двигателем?
«На данный момент трудно определить», — сказал Луо.«Но как относительно менее изученная форма подводной силовой установки, она выгодна с точки зрения простого механизма эффективного мгновенного покидания и высокой маневренности. Это делает ее многообещающей для интеграции с типовой двигательной установкой для достижения маневренности по требованию».
###
Авторы статьи «Импульсно-реактивный двигатель пловца, вдохновленного кальмарами, при высоком числе Рейнольдса», — это Ян Ло, Цин Сяо, Цян Чжу и Гуан Пан. Он появится в выпуске Physics of Fluids ноября.3, 2020 (DOI: 10.1063 / 5.0027992).
После этой даты он будет доступен по адресу https: /
О ЖУРНАЛЕ
Physics of Fluids посвящен публикации оригинальных теоретических, расчетных и экспериментальных вкладов в динамику газов, жидкостей и сложных жидкостей.См. Https: /
Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.
Бабочки используют водометные двигатели для быстрого бегства
Бабочки — не самые сильные летчики.Их большие крылья заставляют их порхать, вместо того, чтобы создавать более прямые траектории полета. Но из-за этого порхающего полета хищникам трудно их поймать. И если вы когда-либо пытались поймать отдыхающую бабочку, вы знаете, что поймать их на удивление сложно. Новое исследование помогает объяснить, почему. Во время взлета бабочки хлопают крыльями над телом. Этот ход создает реактивную тягу для быстрого бегства.
Кристоффер Йоханссон и Пер Хеннингссон — экологи-эволюционисты из Лундского университета в Швеции, изучающие эволюцию полета у животных.Предыдущие исследования показали, что хлопанье крыльев бабочки над головой заставляет насекомое двигаться вперед. Исследователи полагали, что хлопок крыльев, вероятно, образовал воздушную яму, которая выстреливает, как струя. Но никто этого не проверял.
До сих пор.
Йоханссон и Хеннингссон поймали шесть бабочек на лугу возле своей лаборатории. Каждую из этих промытых серебром рябчиков помещали в сетку и питали водой с медом. Чтобы проанализировать их полет, ученые поместили бабочек по одной в аэродинамическую трубу.
Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку
Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде
В аэродинамических трубах используются вентиляторы для перемещения воздуха с определенной скоростью. Когда объект помещается в туннель, воздух должен обтекать его. Это позволяет исследователям проверить, как объекты движутся в воздухе. Часто добавляется «дым» из крошечных безвредных капелек масла, чтобы исследователи могли точно наблюдать, как воздух обтекает что-то.Это показывает, насколько аэродинамичен объект. (Аэродинамика относится к тому, как воздух движется вокруг твердых объектов.)
Для этого исследования вентиляторы перемещали воздух ровно настолько, чтобы дым равномерно распределялся по туннелю. Исследователи также использовали лазер, чтобы осветить слой дыма в туннеле сразу за бабочкой. Четыре высокоскоростные камеры, размещенные вокруг станции кормления, фиксировали движение бабочки и дым во время взлета бабочки. Это позволило исследователям создать трехмерную картину движения воздуха, когда насекомое махало крыльями.Для каждого испытания исследователи помещали бабочку на станцию кормления в середине туннеля. Они начали запись, когда бабочка взлетела сама по себе.
Всего было проанализировано 25 взлетов шести бабочек. Каждый включал до трех взмахов крыльев после взлета. Оказалось, что бабочки с большей вероятностью хлопают крыльями во время первых нескольких взмахов крыльев, чем позже в полете.
Эта покрытая серебром рябчик движется вверх, когда ее крылья движутся вниз, и вперед, когда они хлопают.L.C. Йоханссон и П. Хеннингссон / Лундский университетВихрь возникает, когда воздух или вода вращаются вокруг центральной точки, как водоворот. А изображения дорожек бабочек показали, что воздух кружится в вихре, когда их крылья движутся. На фотографиях также было видно, что при движении вниз воздух выталкивается вниз. Это создало силу, которая толкнула бабочку вверх. Когда крылья поднялись, чтобы хлопнуть, они образовали воздушную яму. Этот карман создавал сильную струю воздуха, которая выстреливала между крыльями позади бабочки.Этот самолет толкнул насекомое вперед.
Обе силы, создаваемые крыльями, приводят к изменению траектории полета. Бабочки поднимаются, когда их крылья движутся вниз, и устремляются вперед, когда их крылья движутся вверх. Хлопок крыльев при взлете в сочетании с быстрым поворотом позволил бабочкам быстро улететь. «Для бабочек очень важно, чтобы они могли быстро взлетать, чтобы свести к минимуму риск быть пойманными хищниками», — отмечает Хеннингссон.
Гибкость — ключ к успеху
Он и Йоханссон заметили, что крылья образовали надутый карман прямо перед хлопком.Они задавались вопросом, улучшают ли гибкость крыльев и этот карман реактивную тягу, создаваемую хлопком. Чтобы выяснить это, они сделали две простые модели крыльев бабочки. Один комплект был сделан из пробкового дерева и был жестким. Другой был сделан из листа латекса, гибкого пластика. Они прикрепили каждый набор к петлям и стержням, которые двигались, имитируя полет бабочки.
Затем пара изучила воздушный поток, создаваемый двумя моделями, когда они хлопали в ладоши. Жесткие крылья не образовывали воздушной ямы.Вместо этого они создали два вихревых кольца. Это сделало бы полет «менее эффективным, — объясняет Хеннингссон, — поскольку больше энергии тратится на формирование двух колец». Однако модели с гибким крылом создавали более сильную струю воздуха и всего одно вихревое кольцо. Он больше походил на настоящие крылья бабочки.
Группа опубликовала свои выводы 20 января в журнале Journal of the Royal Society Interface.