«Реактивное движение»

ХХХ Областная научно-практическая конференция                                                          «Молодость - науке» памяти А.Л. Чижевского

 Секция «Физика»

Научно-исследовательская работа

«Реактивное движение»

Автор работы: Евстафиев Павел Игоревич

учащийся 9А класса

              Муниципального казенного общеобразовательного учреждения                                 «Средняя общеобразовательная школа №7»

город Киров Калужской области

Научный руководитель: Аксютичев Алексей Викторович

учитель физики

                  Муниципального казенного общеобразовательного учреждения                                 «Средняя общеобразовательная школа №7»

город Киров Калужской области

г. Калуга

2019 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение                                                                                                            3                                                                                   

Основная часть                                                                                                5 

     Глава I  ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. История развития реактивного движения                                            5
2. Принципы работы реактивного двигателя                                           6
3. Виды реактивных двигателей                                                                7
4. Реактивное движение в природе                                                            8

      Глава  II   ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. От чего зависит сила тяги?                                                                      9
2. Создание действующей модели ракеты из пластиковой бутылки      9                                                                      

Заключение                                                                                                        11

Список изученной литературы                                                                      12

Приложения                                                                                                       13                                                                               

Введение.

Идея полета возникла тысячи лет назад. Построив машины, способные передвигаться по суше, обгоняя самых быстрых животных, и корабли, спорящие с обитателями 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.  И для осуществления  этой мечты, в процессе которой приходится решать сложнейшие задачи,  человек обращается к природе, которая подсказывает решение – реактивное движение. Именно реактивное движение является основой современной авиации гражданской и военной, космической техники.

Актуальность работы:

Реактивное движение активно широко используется в природе, науке и технике.

Цель работы: изучение принципа реактивного движения.

Задачи:

- Познакомиться с историей развития реактивного движения;

- Выяснить физические основы работы реактивного двигателя;

- Экспериментально высчитать высоту полета и  начальную скорость   самодельной ракеты;

- Изучить примеры реактивного движения в природе .

Объект исследования: реактивное движение.

Предмет исследования: возможность создания действующей модели ракеты из подручных материалов.

Методы исследования:

1. Сбор и анализ литературных источников, Интернет-ресурсов и полученных знаний.
2. Эксперимент.
3. Наблюдение.

Этапы исследования:

1. Изучение данной темы при помощи научной литературы и Интернет-ресурсов.
2. Исследование зависимости силы тяги от внутренней энергии топлива (воды).

3   Создание действующей модели ракеты из подручных материалов.

4 Вычисление  начальной скорости и  высоты полета   при помощи действующей модели ракеты, изготовленной самостоятельно.

Используемое оборудование:

1. Пластиковые   бутылки емкостью 1,5 литра.
2. Ниппель от камеры
3. Пробка от бутылки
4. Насос
5. Рулетка
6. Секундомер

Основная часть.

Глава I     ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

1. История развития реактивного движения.

Еще в античные времена ученые с интересом изучали и анализировали явления, связанные с реактивным движением в природе. Одним из первых, кто теоретически обосновал и описал его суть, был Герон, механик и теоретик Древней Греции, который изобрел первый паровой двигатель, названый в честь него. Китайцы смогли найти реактивному методу практическое применение. Они первыми, взяв за основу способ передвижения каракатиц и осьминогов, еще в XIII веке изобрели ракеты. Они применялись в фейерверках, производя большое впечатление, а также, как сигнальные ракеты, возможно были и боевые ракеты, которые использовались как реактивная артиллерия. Со временем эта технология пришла и в Европу.                                                                                                                                             Первооткрывателем нового времени стал Н. Кибальчич, придумав схему прототипа летательного аппарата с реактивным двигателем. Он был выдающимся изобретателем и убежденным революционером, за что сидел в тюрьме. Именно находясь в заключении, он вошел в историю, создав свой проект. После его казни за активную революционную деятельность и выступления против монархии, его изобретение было забыто на архивных полках. Спустя некоторое время К.Циолковский смог усовершенствовать идеи Кибальчича, доказывая возможность исследовать космическое пространство посредством реактивного перемещения космических кораблей.                                                                                                                                    Позже, в ходе Великой Отечественной войны, появились знаменитые Катюши, системы полевой реактивной артиллерии. Так ласковым именем народ неофициально именовал мощные установки, которые применяли силы СССР. 

Новой ступенькой в расширении научных горизонтов был первый космический полет. Это стало возможным благодаря появлению ракетоносителя с автоматической системой управления, который вывел аппарат с людьми на борту в просторы космоса, также ракеты доставляли искусственные спутники на орбиту.

2. Принципы работы реактивного двигателя.

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определённой скоростью относительно тела, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.  Примером реактивного движения является движение воздушного шарика, из которого вытекает воздух. Оно будет кратковременным, так как реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.

Главная особенность реактивной силы состоит в том, что она возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами. Происходит лишь взаимодействие между ракетой и вытекающей из неё струёй вещества.  В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.). Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).  (Приложение 1)

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Благодаря большой разности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве, газы из камеры сгорания мощной струей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.    Перед стартом ракеты её импульс равен нулю. 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 совсем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению. На практике космических полетов обычно используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо  большие скорости и предназначенные для более дальних перелетов.   (Приложение 2).  

3. Виды реактивных двигателей.

В настоящее время существует множество типов реактивных двигателей и их можно разделить на две большие группы: ракетный двигатель и воздушно – реактивный двигатель.                                                                                                  Ракетный двигатель несет все компоненты для создания рабочего тела, поэтому способен работать в любой среде, в том числе и безвоздушном пространстве.                                                Воздушно – реактивный двигатель  использует для движения смесь из атмосферного воздуха и продукты сгоревшего топлива.  Благодаря такому принципу работы ВРД имеет большие преимущества перед ракетными двигателями при использовании в пределах земной атмосферы. Любая ракета, кроме топлива, должна нести еще и окислитель, масса которого может в несколько раз превышать вес горючего. ВРД можно разделить на две большие группы:                                                                                                                                        - винтовые;                                                                                                                                                            - реактивные.                                                                                                                                                     К первой категории относятся устройства, у которых двигатель и тепловая машина не совмещаются в одном агрегате – их условно можно назвать турбовинтовыми. У таких моторов мощность, вырабатываемая турбиной, заставляет вращаться лопасти винта. Именно он создает большую часть тяги (80-85%). У двигателей второй группы тепловая машина и двигатель образуют единое целое, а тяга создается за счет газового потока из сопла.

Во вторую группу входят следующие типы моторов:

• турбореактивный (ТРД);
• турбовентиляторный (ТРД с высокой степенью двухконтурности);
• прямоточный;
• ракетно-прямоточный;
• пульсирующий воздушно-реактивный (ПуВРД).

4. Реактивное движение 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. Кальмар, вбирает в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая через воронку движется скоростью не менее 70 км/ч. Собирая щупальцы в один узел, тело кальмара образует обтекаемую форму. Взяв за основу такой двигатель кальмара, инженерами был сконструирован водомет. Вода в нем засасывается в камеру, а после выбрасывается через сопло. Таким образом, судно направляется в обратную сторону от выбрасываемой струи. 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. Его еще называют взрывающийся огурец. Каждое семечко достигает скорости 100 километров в час. Бешеный огурец растет на побережье Черного моря.

Глава II     ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.                                                                                    

1.  От чего зависит сила тяги?                                                                                                                     Для того, чтобы определить от чего зависит сила тяги ракеты, я провел серию опытов с пластиковой бутылкой, подвешенной на нитях, в которой сделаны отверстия. Я попробовал повторить опыт венгерского физика Я.А.Сегнера, который в 1750 году продемонстрировал свой прибор - "сегнерово колесо". В пластиковой  бутылке я менял количество отверстий и температуру налитой воды (холодная вода имела температуру 15 0С,  горячая вода 55 0С, объем воды не менялся).   (Приложение 3). В результате проделанных мною опытов я получил следующие результаты .

Вывод: Я убедился, что сила тяги увеличивается с ростом внутренней энергии топлива (воды), с увеличением скорости истечения топлива. Следующий шаг  проекта представляет собой несколько этапов, включающая в себя: выбор места, время запуска, считая погодные условия, наличие часов, метровой ленты, фотоаппарата, ракеты и насоса, а также бутылка с водой.

2. Создание действующей модели ракеты из пластиковой бутылки.

Результат работы представляет собой одноступенчатую ракету с полостью внутри, куда наливается вода на 1/3 объёма. После накачивания газа и воды внутри ракеты, мы уменьшаем тем самым объем и газа и жидкости, то есть происходит их сжатие, а значит и происходит повышение давления с каждым нажатием насоса. Из курса физики 7 и 8 класса, знаем, что молекулы воды находятся между собой на расстоянии не больше своих размеров, в отличие от газов, молекулы которых могут распространяться на большие расстояния.                                           По - этому нам необходимо затратить меньше энергии для сжатия и жидкости, и газа вместе.   По истечению некоторого времени, то есть после определенного количества накачивания (сжатия) газа и воды – происходит «взрыв», тем самым становится «толчком» для движения ракеты. Одновременно с движением ракеты по некой траектории, происходит выброс воды, давление уменьшается, и ракета, с течением времени, совершает падение на землю, тем самым совершая полет не только вверх, но и под каким- то углом к горизонту – траектория ее движения представляет собой параболу, ветви которой смотрят вниз. ( Приложение 4). Результаты  опытов представлены в таблице.

h=gt п2/2        1)  h=10 м/с2*4с2/2=20м,        2) h=10м/с2*9с2/2= 45м

v=gtп              v=10м/с2*2с=20м/с               v=10м/с2*3с=30м/с

tп  - время подъема  ракеты  на максимальную высоту, которое можно рассчитать по формуле :   tп =t/2, где t- время полета. Для простоты расчетов приняли движение ракеты по вертикали и не учитывали сопротивление воздуха.

Вывод: Чем больше давление внутри бутылки ,  тем больше начальная скорость движения ракеты и  высота полета.

Заключение.

Работа над проектом мне дала многое. Хотя бы начать с того, что мне пришлось изучить много теоретического материала, а значит, пришлось  извлекать информацию с бумажных носителей – книг, работать с электронными библиотеками, посредством сети интернет. Я научился проектировать и ставить небольшие эксперименты, в зависимости от выдвинутых мною гипотез и предположений, работая над определенной задачей.

При выполнении собственного эксперимента я понял, как тяжел путь первооткрывателей, исследователей, людей, занимающихся наукой. В процессе проведения эксперимента приходилось преодолевать различные трудности, связанные с усовершенствованием изделия (ракеты) и условий проведения опыта.  Оказывается не всегда можно получить положительный результат эксперимента или объяснить полученный, так как у меня еще недостаточно знаний для полного объяснения.

Я думаю, что умение анализировать имеющие факты, умение сопоставлять и прогнозировать, умение находить пути решения возникающих ситуаций – все это приходит с опытом, с практикой.

Таким образом, работая над данной исследовательской работой, я пришел к следующим результатам:

1.  Изучен значительный объем учебной литературы по истории развития реактивного движения.

2. Были созданы самодельные физические приборы : модель сегнерова колеса  и модель ракеты

3. Проведены опыты по исследованию реактивного движения.

4. Результаты работы можно использовать на уроках физики или на факультативах или кружках.

Список литературы.

1. А.В. Перышкин Физика-9:  уч. для общеобразовательных учреждений/ А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. -   М.: Дрофа, 2019г.

2. Е. Пономарев Опыты для изучения реактивного движения. Лаборатория кванта http://kvant.mccme.ru/

3. http://interesnie – facty.ru/

4. http://www.ourkids.ru/                                                                                              

5.  http://home - edu.ru/

 6. http://class-fizika.ru/        

Приложения.

Приложение1. Строение ракеты:

                                                                   Приложение2.  Трехступенчатая  ракета.

Приложение 3.  Модель сегнерова колеса.

Приложение 4. Действующая модель ракеты.