Министерство образования Саратовской области

Муниципальное общеобразовательное

Учреждение Лицей №37

Фрунзенского района г.Саратова

«Через тернии к звездам

(реактивное движение)»

Творческая работа

учащегося 4 «А» класса

Рокаха Глеба Евгеньевича

_________________________

Научный руководитель

учитель начальных классов

МОУ «Лицей №37»

Голубева Людмила Вячеславовна

_________________________

Саратов, 2011 г.

Содержание

Введение        

Устройство реактивного двигателя        

Современная космическая ракета        

Реактивное движение в природе        

Межзвездные путешествия        

Практическая часть. Модели реактивных двигателей        

Заключение        

Список использованной литературы.        

Введение

Целью данной работы было показать, как законы физики помогают человеку летать, на конкретных примерах показать, что развитие космонавтики тесно связано с использованием законов физики.

Объектом исследования являлось реактивное движение.

Задачи: 1) изучить физические основы реактивного движения; 2) сконструировать модели реактивных двигателей; 3) рассмотреть различные варианты космических двигателей.

Результаты работы:

1. В ходе работы был изучен принцип действия реактивного двигателя.

2. Созданы модели реактивных двигателей.

3. Рассмотрены различные варианты ракетных двигателей.

В 2011 году будет 50 лет с того момента, как человек сумел преодолеть земное притяжение и выйти в космос. В 1961 году Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшем в космосе. Восемь лет спустя Нил Армстронг и Базз Олдрин совершили первую посадку на Луну. Оба достижения были грандиозными, но они чрезвычайно просты по сравнению с сегодняшними целями покорения космоса.

Тернист и сложен был путь человека в космос. Нелегким был путь познания законов физики. В фантастике путешествия от звезды к звезде проходят со скоростями выше скорости света. Каким образом осуществляются космические полеты в реальности?

Устройство реактивного двигателя

Всем известно явление отдачи, это движение оружия под давлением пороховых газов. Отдача производит движение его в сторону, обратную выстрелу, и давит на опору оружия — плечо стреляющего или лафет. Чем больше начальная скорость, масса снаряда и меньше масса орудия, тем отдача больше.

На принципе отдачи основано реактивное движение. Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела.

В отличие от обычного движения (например, машины, отталкивающейся колесами от дороги) при таком движении нет необходимости от чего-либо отталкиваться. Движение вперед происходит за счет того, что часть предмета отбрасывается назад.

Моделью реактивного двигателя может служить обыкновенный воздушный шар. Воздух в шаре создает давление на оболочку по всем направлениям. Если в оболочке появится отверстие, то из него начнет выходить воздух, при этом сама оболочка будет двигаться в противоположном направлении.

Классический пример – ракета: чтобы она летела вперед, раскаленные газы выбрасываются назад. В ракете при сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла с большой скоростью относительно ракеты.

Впервые в мире описал основные элементы реактивного двигателя и предложил двигатели на жидком топливе К.Э.Циолковский (1857-1935).

Он вывел зависимость между весом топлива и весом конструкции ракеты. Формула Циолковского позволяет рассчитать запасы топлива, необходимые для сообщения ракете заданной скорости.

1- камера сгорания.

2- насосы.

3- выходное сопло.

4- жидкое горючее.

5- окислитель

Ракета может быть разогнана до больших скоростей, необходимых для космических полетов, путем расхода значительной массы топлива, составляющей большую долю первоначальной массы ракеты.

Современная космическая ракета

Значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современное ракетостроение.

1 – первая ступень

2 – вторая ступень

3 – третья ступень

4 – головной обтекатель

Корпуса ракет делаются из легких, прочных материалов: дюралюминия, титана, иногда из пластмассы. У двухступенчатой ракеты в центральной части находится вторая ступень, а вокруг неё расположены топливные баки и реактивные двигатели первой ступени. На старте начинают работать двигатели обеих ступеней. Когда запасы топлива в первой ступени заканчиваются, она отделяется. Полезный груз находится в головной части ракеты, он укрыт головным обтекателем, форма которого уменьшает сопротивление воздуха во время полета в атмосфере. После выхода в космическое пространство обтекатель тоже сбрасывается, и корабль начинают самостоятельный полет. Для изменения направления и величины скорости космического корабля также используются миниатюрные реактивные двигатели. Ракеты на жидком топливе используют керосин и кислород как окислитель.

Реактивное движение в природе

Реактивное движение используется как растениями, так и животными. Например, плоды колючеплодника или «бешеного огурца» открываются и с силой выбрасывают жидкость с семенами на расстояние до 6 м. Сами огурцы отлетают в противоположную сторону.

Морской моллюск-гребешок движется вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок.

Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. Мышечная ткань – мантия окружает тело моллюска со всех сторон. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло.

Интересно, что могучие киты развивают скорость движения лишь до 36 км/час. Кальмаров, скорость движения которых достигает 70 км/час, можно считать чемпионами на спринтерской дистанции. Недаром кальмара называют “живой торпедой”. Реактивный двигатель и под водой позволяет достичь наивысшей скорости.

Межзвездные путешествия

Ракета, чтобы никогда не упасть на Землю, а стать ее искусственным спутником, должна иметь скорость около 8 км/с. При скорости 11,2 км/с ракета уйдет из поля тяготения Земли и улетит в межпланетное пространство. Пока единственная научно доказанная возможность межзвездных путешествий — это разгон космического аппарата до околосветовой скорости. Корабль может забросить астронавтов в анабиозе на десяток, а то и на сотню световых лет и возвратить их на Землю. Но до иных галактик так не добраться, тут никакой анабиоз не поможет.

О вояжах к звёздам вообще можно забыть, и как пример нынешних скоростей космических машин можно привести лунный зонд «Апполон 10», который считается быстрейшим пилотируемым транспортным средством в истории. Максимальная скорость – 39897 км/ч, и у него ушло бы 120 тыс. лет на покрытие расстояния в 4 световых года до Альфа Центавра – ближайшей звёздной системы.

Достижения в освоении космического пространства зависят от уровня развития двигательных систем. По виду используемой энергии двигательные установки могут быть термохимические, ядерные, солнечно-парусные. В настоящее время основой космонавтики являются мощные термохимические двигатели.

Двигатели на реактивной тяге с жидким топливом.

Жидкостные ракетные двигатели имеют более высокие характеристики, чем твердотопливные. Поэтому их применяют для вывода космических ракет на орбиту вокруг Земли и на межпланетные перелёты. Наиболее оптимальные реакции с использованием кислорода в качестве окислителя освоены давно: кислород-керосиновые и водород-кислородные двигатели уже много лет используются в космической технике. В настоящее время химические ракетные двигатели почти достигли предела своих оптимальных характеристик.

Ядерные и аннигиляционные двигатели.

В таком двигателе рабочее тело (например, водород, аммиак и др.) нагревается за счет энергии, выделяющейся при ядерных реакциях. Он гораздо сложнее, имеет во много раз большую массу, нуждается в специальных системах защиты и безопасности, громоздок. Но в реакторе можно разогревать любой газ. Если применить водород, то скорость истечения его из сопла будет в 3 раза выше, чем в лучшем кислородно-водородном ЖРД.

Идея ядерного импульсного двигателя заключается в придании космическому кораблю ускорения периодическими взрывами ядерных зарядов. С 1950-60 гг. в США разрабатывался такой космический корабль для исследования межпланетного пространства «Орион». Рассматривавшаяся конструкция включала гигантский "поглотитель" ударной волны и щит для предотвращения попадания радиации внутрь корабля. Проблемами были возможный выход из строя системы до достижения космоса, это вызовет радиоактивные осадки в земной атмосфере. Проект закрыли в 1960 году, когда в силу вступил первый запрет на проведение ядерных испытаний. Теоретически корабль на ядерной тяге может достигнуть 10% от скорости света и достигнуть ближайшей звезды за 40 лет.

Ещё одним видом реактивного двигателя является аннигиляционный двигатель, в котором используются в качестве рабочего вещества ракеты элементарные частицы, движущиеся со скоростью света. Среди вариантов межзвёздного привода корабли, использующие аннигиляцию, являются самыми фантастическими из реальных и самыми реальными из фантастических.

Термоядерная ракета

В 1970-х годах Британское межпланетное общество разрабатывало проект «Дедал» целью которого было создать аппарат с термоядерным ракетным двигателем, который  предусматривал использование миниатюрных водородных бомб. Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе.

Ионный двигатель

В таких двигателях электрическое поле разгоняет ионы — заряженные осколки атомов, "производимые" специальным генератором. Они создают очень слабую тягу, однако расходуется очень малое количество топлива, а ускорение при полёте постоянно растёт. Технология постоянно совершенствуется, возможно, в будущем она позволит доставить человека на Марс за 39 дней. Космический аппарат Dawn с помощью ионных двигателей поставил в 2010 году рекорд по набору скорости. Предполагается, что он достигнет скорости 100 000 км/ч.

Солнечный парус

Солнечный парус получает энергию от солнечного света, используя давление света. Они не требуют расхода ни энергии, ни рабочего тела. Однако для получения достаточных ускорений необходимо использовать очень тонкую пленку, чтобы отношение площади паруса к массе корабля вместе с парусом было бы достаточно большим. Площадь паруса, по современным понятиям, тоже достаточно велика. В вакуумных камерах эти устройства успешно проходят испытания, но попытки протестировать их в космосе пока завершались неудачами. Так, в 2006 году независимым Планетарным объединением из Пасадены был запущен корабль Cosmos 1, ракета потерпела крушение. Миссия NanoSail-D завершилась тем же. Несмотря на это, технология остаётся одной из самых многообещающих, во всяком случае, для путешествий по Солнечной системе. Но люди пока слишком тяжелы для таких парусов.

Практическая часть. Модели реактивных двигателей

Модель 1. Воздушный шар. Воздух в шаре создает давление на оболочку по всем направлениям. Если отверстие в шарике не завязывать, то из него начнет выходить воздух, при этом сама оболочка будет двигаться в противоположном направлении. По своему принципу действия он во многом схож с ракетой: если его надуть, а потом отпустить, то он, под действием выходящей струи воздуха, будет хаотично летать по комнате.

Летает надутый шарик по неуправляемой траектории. Струя воздуха выходит из неупругого сопла, и реактивная сила направлена не строго по оси, а под углом. Запуская по очереди круглый и продолговатый шарики, видно, что продолговатый взлетает лучше: удлиненный шарик испытывает меньшее сопротивление воздуха, ведь у него более обтекаемая форма.

Модель 2. Ракетоплан.

Она составляется из планера и воздушного шарика, выполняющего роль ракетного двигателя. Оболочку надо установить на раме с крыльями, так можно получить простейшую модель самолета с реактивным двигателем

Модель 3. "Сегнерово колесо".

Я.А.Сегнер (1704 – 1777) – немецкий математик и физик. "Сегнерово колесо" можно сделать из пластиковой бутылки. Внизу у противоположных стенок надо проделать отверстия (в бутылку надо воткнуть изогнутые трубочки). К верхней части бутылки привязать нить и заполнить водой. При вытекании воды из отверстий возникнет реактивная сила, которая вращает бутылку. На этом принципе построен целый ряд двигателей, называемых турбинами.

Модель 4. Реактивная лодка.

На лодочный корпус в качестве двигателя был установлен стакан с вставленной пластиковой трубкой. В стакан наливается вода. Вытекающая из стакана вода позволяет лодке двигаться. Лодка перемещалась со средней скоростью 5см/с. Скорость лодки может быть увеличена, если установить более широкую трубку, но потребуется больше воды в стакане. Водоизмещение лодки не позволяет это сделать.

Модель 5. Паровая лодка.

Металлическая круглая коробка с отверстием, наполненная водой, представляет собой паровой котел. Уровень воды в коробке, положенной боком, был немного ниже отверстия, а уровень отверстия выше уровня бортов лодки; надо к тому же, чтобы отверстием коробка была обращена к корме. Сухое горючее на поддоне служит котельной топкой. Когда поджигается горючее, через несколько секунд вода в котле закипает, а из отверстия вырывается тонкая и сильная струя пара. Лодка двигалась со средней скоростью 8см/с, что превышает скорость реактивной лодки (модель 4) за счет высокой скорости выброса пара из котла. Скорость паровой лодки может быть увеличена за счет более легкого парового котла. Например, его можно изготовить из яичной скорлупы.

Заключение

В настоящее время только реактивное движение позволяет космическим кораблям достигать космических скоростей. Современные космические двигатели на жидком топливе не дают надежды на межзвёздные путешествия, даже полёты в Солнечной системе занимают большое количество времени. Но при изучении таких двигателей, как ядерный, термоядерный, ионный, появляется надежда на то, что путешествия по космосу могут ускориться во много раз.

Выводы

1. Скорость движения реактивного устройства тем больше, чем больше масса вещества, отделяющегося от тела, или выше скорость отделения.

2. Простейшие модели реактивных двигателей и устройств можно сделать самим.

3. Реактивное движение  в настоящее время представляет собой единственный реальный способ передвижения в космическом пространстве.

Список использованной литературы.

1. Рабиза В.Ф. Опыты без приборов. М.:Дет.лит., 1988.
2. Англисс С. Космические путешествия. Путеводитель в пространстве и времени для начинающих. М.: Аванта, 2009.
3. Гершберг А. Е. Физика в путешествиях (по суше, по воде, по воздуху, в космосе). М.: Левша, 2003.