Исследовательская работа "Красота реактивного движения"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 76»

Ленинского района города Саратова

Красота реактивного движения:
что за ней стоит?

                                                                                Выполнили

                                                                                ученицы 9 «А» класса

                                                                                Стройкова Татьяна,

                                                                                Искалиева Ксения

                                                                                Руководитель:

учитель физики Коковина В.П.

Саратов, 2012

Содержание

1. Введение                                                
2. Реактивное движение в истории
3. Физические основы работы реактивного двигателя
4. Доказательство формулы Циолковского
5. Примеры реактивного движения в природе
6. Вывод
                   

Введение

Идея полета возникла тысячи лет назад. Построив машины, способные передвигаться по суше, обгоняя самых быстрых животных, и корабли, спорящие с жителями водной стихии, человек длительное время продолжал с завистью смотреть на птиц, парящих в небесной вышине. Их способность летать долгое время была для человека недостижима. Оставалось лишь мечтать о полетах и слагать об этом легенды. Покинуть поверхность земли и подняться в небо мечтали еще древние греки. До наших дней сохранился миф об Икаре, который полетел к Солнцу на крыльях, склеенных воском, но воск растаял, и храбрец упал в море. От мифов до научных проектов прошли века.

Во все времена человек мечтал летать как птицы. И вот его мечта путем проб и ошибок, постоянного и тщательного изучения окружающего мира осуществилась – он построил самолет. Но человеку свойственно мечтать. И теперь его мечты связаны с тем, как полететь к звездам, к планетам, которые кажутся такими близкими, но оказываются далекими, к другим галактикам. Но все предложенные способы не позволяли человеку преодолеть силу земного притяжения, двигаться в безвоздушном пространстве. И как всегда для решения этой сложнейшей задачи человек обращается к природе, которая подсказывает решение – реактивное движение.

При работе над проектом мы ставили перед собой цель:

рассмотреть принцип реактивного движения

Мы выделили следующие задачи:

1. познакомиться с историей развития реактивного движения;
2. выяснить физические основы работы реактивного двигателя, классификацию реактивных двигателей и особенности их использования;
3. рассмотреть экспериментальное доказательство формулы Циолковского;
4. рассмотреть примеры реактивного движения в природе

Реактивное движение в истории

Знакомство человечества с реактивным движением состоялось достаточно давно, в первом тысячелетии до нашей эры. Согласно письменным источникам, в 360 году до нашей эры грек Архит Тарентийский, основатель механики и сторонник математики Пифагора, впервые продемонстрировал возможности реактивного движения. Глиняная птица, заполненная водой, подвешивалась на специальной планке над огнём. Вода закипала, а вырывающийся через отверстие пар вращал птицу вокруг оси.

Мы решили проделать опыты с вращением, основанные на реактивном движении. Взяли детский воздушный шарик и надули его как можно сильнее. Прежде чем его крепко завязать ниткой, вставили в отверстие загнутую тонкую трубку — пустой стерженек от шариковой ручки. Наружный кончик стерженька оплавили на спичке, чтобы не проходил воздух.
Сбоку шарика приклеили скотчем нитку и подвесили на ней шарик. Когда шарик успокоился, перестал качаться, отрезали ножницами кончик заглушённой трубки.

Воздух из шарика начал выходить, и шарик стал вращаться.
Этот же опыт мы проделали и не подвешивая шарика. Налили в маленький тазик воду, положили на воду шарик, и он начал быстро вертеться на одном месте на воде под действием реактивной силы.

Греческие механики ещё около 200 лет ставили подобные опыты, пытаясь использовать энергию воды, огня, масляных и других смесей, но технологии того времени не позволяли создать достаточно прочных материалов для изготовления корпуса для таких механизмов. Поэтому дальнейшие исследования в этом направлении практически прекратились.

Первые управляемые ракеты представляли собой простейшие снаряды, использующие энергию сгорания пороха. Это были знаменитые китайские «огненные стрелы», которые стали применяться в период 200-300 годов нашей эры. К стреле привязывался реактивный снаряд в виде бумажной трубки, заполненной порохом. Стрела выпускалась с зажженной ракетой из обычного воинского лука, а ее оперение из плотного шёлка обеспечивало устойчивость в полете. В течение следующих 10 веков древнее «ракетное» оружие активно совершенствовалось в локальных военных конфликтах китайцами и индусами, а также греческими и арабскими учёными. 

Значение ракетного оружия в военном деле возросло настолько, что в 1250 году появился первый учебник по подготовке ракетчиков – «Огненная книга или книга об огне, служащем для сжигания врагов», изданная неизвестным учёным под псевдонимом Марк Грек. В этой работе описывались различные огненные смеси, методы их использования в военном деле и давались основы реактивного движения.

В Европе первые ракеты появились в 1400 году и сначала использовались только для фейерверков на итальянских праздниках.

В России на заре 20 века основы и перспективы развития ракетодинамики и космонавтики заложил К.Э.Циолковский.

Константин Эдуардович Циолковский — российский и советский учёный-самоучка, исследователь, школьный учитель. Один из пионеров 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, автор научно-фантастических произведений. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций, выдвинул идеи космического лифта, поездов на воздушной подушке.

Принцип реактивного движения нашел широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости, поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты. Космические исследования – одно из важнейших направлений научно-технической революции.

Космонавтика ярко демонстрирует всему миру плодотворность мирного созидательного труда, выгоды объединения усилий разных стран в решении научных и народнохозяйственных задач.

Мы на опытах пронаблюдали реактивное движение. Реактивное движение - движение тела, возникающее, когда от него с некоторой скоростью отделяется его часть. В пробирку налили немного воды, плотно закрыли пробкой и на двух нитях подвесили к штативу. Пробирку нагрели на спиртовке. Пробирка приходит в движение за счёт того, что из неё под давлением водяного пара вылетает пробка.

Второй опыт провели с воздушным шариком. Надутый резиновый шарик с помощью скотча закрепили на соломинку, в соломинку надели леску, концы лески привязали на спинки стульев и шарик развязали. Шарик пришел в движение, пока не долетел до стула.

Когда мы отпустили шарик, его стенки с силой выталкивают воздух наружу, а сам шарик устремляется в противоположную сторону.

Физические основы работы реактивного двигателя

Зная закон сохранения импульса можно изменять собственную скорость перемещения в открытом пространстве. Если мы находимся в лодке и у нас есть несколько тяжёлых камней, то бросая камни в определённую сторону мы будем двигаться в противоположном направлении. То же самое будет и в космическом пространстве, но там для этого используют реактивные двигатели.

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.

В основе современных мощных реактивных двигателях различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя "рабочего вещества", обычно - раскалённых газов. Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы.

Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива, уже создана горючая смесь. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т.е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке – источник выделяющейся химической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов. Все эти процессы происходят в камере сгорания, но остановимся на реакции не на молекулярном уровне (это уже рассмотрели выше), а на "фазах" работы. Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, ещё мгновение - и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения,
более плотно "упакованные". Избыток энергии связи, представляющей собой
химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали её другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания. Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но
реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания. После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие
в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в
механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать
механическую работу, что-то "двигать", приводить в действие, все равно,
будь то динамо-машина, тепловоз, автомобиль или самолёт. Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия.

В результате взаимодействия газа в камере сгорания и всех остальных частей ракеты вырывающиёся через сопло газ получает некоторый импульс.  Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и её общий импульс должен и после запуска равен нулю. Поэтому и оболочка ракеты со всем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению. Кроме того, используют несколько последовательно работающих, а затем отбрасываемых ступеней, входящих в состав многоступенчатой ракеты, что позволяет наращивать скорость ракеты в полете. Идея многоступенчатой ракеты была высказана Циолковским.

Для того, чтобы определить от чего зависит сила тяги ракеты, мы провели серию опытов с пластиковой бутылкой, подвешенной на нитях, в которой сделаны отверстия. Мы попробовал повторить опыт венгерского физика Я.А.Сегнера, который в 1750 году продемонстрировал свой прибор - "сегнерово колесо". В литровой бутылке мы меняли количество отверстий и температуру налитой воды (холодная вода имела температуру 21 0С, горячая вода 95 0С). В результате проделанных опытов были получены следующие результаты.

Мы убедились, что сила тяги увеличивается с ростом внутренней энергии топлива (воды), с увеличением скорости истечения топлива.

Классификация реактивных двигателей

Доказательство формулы Циолковского

При реактивном движении горячие газы, образующиеся при сгорании топлива в двигателе ракеты, с большой скоростью выбрасываются через сопло в хвосте ракеты. Сила реакции вытекающей струи газов сообщает ракете ускорение. Поскольку масса ракеты постепенно уменьшается (выгорает топливо), модуль ускорения ракеты со временем изменяется.

10 мая 1897 года Циолковский вывел формулу, установившую зависимость между скоростью ракеты в любой момент, скоростью истечения газов из сопла, массой ракеты и массой взрывных веществ.

Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты. Предположим сначала, что весь газ, образующийся при сгорании топлива, выбрасывается из ракеты сразу, а не постепенно, как это происходит в действительности. Обозначим массу газа через mг, а скорость газа через vг. Массу и скорость оболочки обозначим соответственно Мр и vр.

Направим координатную ось вдоль направления движения оболочки, тогда проекции скоростей газа и оболочки по модулю будут равны модулям векторов, но знаки их противоположны. Так как сумма импульсов оболочки и газа должна быть равна нулю, то нулю должна быть равна и сумма их проекций:    m гv г – М рv р = 0, или m гvг = М рv р. Отсюда находим скорость оболочки:

Из формулы видно, что скорость оболочки тем больше, чем больше скорость выбрасываемого газа и чем больше отношение массы газа к массе оболочки.

Мы считали, что весь газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле он вытекает постепенно, хотя довольно быстро. Это значит, что после выброса какой-то части газа оболочке приходится “возить” с собой еще не вылетевшую часть топлива. Кроме того, мы не учли, что на ракету действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Все это приводит к тому, что отношение массы топлива к массе оболочки много больше, чем мы получили.

Более точный расчет показывает, что при скорости газа 2000 м/с, для достижения скорости, равной первой космической, масса топлива должна быть в 55 раз больше массы оболочки. Для межпланетных полетов (с возвращением на Землю) масса топлива должна быть в тысячи раз больше массы оболочки. В практике космических полетов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем одноступенчатые.

Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.

Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты.

Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180 градусов, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.

Примеры реактивного движения в природе

Реактивное движение технических устройств – копирование движения, встречающегося в природе. Морской моллюск-гребешок, резко сжимая створки раковины, рывками может двигаться вперед за счет реактивной струи воды, выброшенной из раковины. Приблизительно также передвигаются и некоторые другие моллюски. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку, а затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы отдачи. Зачастую КПД морских беспозвоночных животных при использовании реактивного движения гораздо выше, чем у техноизобретений.

У кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. Они достигают в диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих, и проводят возбуждение со скоростью 25 м/с. Этим и объясняется большая скорость движения кальмаров (до 70 км/ч). Быстроходность и маневренность кальмара объясняется также прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что его прозвали «живой торпедой». Английский исследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длиной всего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упал на мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров. Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. 

Осьминог, так же как и кальмар, движется реактивным образом. Всасывая и с силой выталкивая воду, он скользит в волнах, точно живая ракета

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.

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Созревшие плоды “бешеного” огурца при лёгком прикосновении отскакивают от плодоножки, и из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец более чем на 12 метров: так он распространяет свои семена.

Заключение

Когда смотришь по телевизору очередной запуск ракетной установки, гордишься тем, насколько человек умен и изобретателен, робеешь перед мощью созданной человеком и удивляешься красоте ее старта. Красота и практичность уживаются вместе в человеке, в природе, и в том, что создано им.

В настоящее время благодаря многим учёным со всего света, изучение реактивного движения продвинуто, но насколько оно продвинуто и сколько осталось до конца пути никто не знает. Человек уже был в космосе, но он понимает, что не увидел и одной миллиардной доли того, что бы хотел увидеть. Значит, и сегодня человеческая мысль направлена на решение задач, связанных с космическими полетами.

Работа над проектом нам дала многое. Хотя бы начать с того, что нам пришлось изучить много теоретического материала, а значит, научились извлекать информацию посредством сети интернет. Мы научились проектировать и ставить небольшие эксперименты, в зависимости от выдвинутых гипотез и предположений, работая над определенной задачей.

При выполнении собственного эксперимента поняли, как тяжел путь первооткрывателей, исследователей, людей, занимающихся наукой. Оказывается не всегда можно получить положительный результат эксперимента или объяснить полученный.

Умение анализировать имеющие факты, умение сопоставлять и прогнозировать, умение находить пути решения возникающих ситуаций – все это приходит с опытом, с практикой. Чтобы приобрести все эти навыки и снова получить удовлетворение от своих маленьких открытий, даже если они уже известны, мы и в следующем году продолжим работать над следующим исследовательским проектом.

Интернет – источники

1. http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fspecural.com%2Farticles%2Fcategory%2F7%2Fmessage%2F1676%2F 
2. http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fww.grc.nasa.gov%2FWWW%2FK-12%2Fairplane%2FAnimation%2Fturbtyp%2Fettt.html 
3. http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fwww.astronet.ru%2Fdb%2Fmsg%2F1214350%2Fbumper2_nasa_big.jpg.html 
4. http://forum.worldofwarplanes.ru/index.php.?/topic/12 
5. http://motivators.ru/node/27886 
6. http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fsea-wave.ru%2Fforum%2Fshowthread.php%3Fs%3Df97613eede07d0c443978ed157021894%26p%3D1875 
7. http://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Fraskrashkirus.ru%2Fstrekozi-foto.html 

Приложения