Исследовательская работа "Опыты, демонстрирующие реактивное движение"
Цель работы: Создать устройства для демонстрации реактивного движения и изучить особенности реактивного движения и отдачи.
Область исследования: Механика.
Объект исследования: Реактивное движение.
Предмет исследования: Устройства для демонстрации реактивного движения.
Задачи исследования:
1. Изучить физические основы реактивного движения.
2. Сконструировать модели реактивных двигателей.
3. Изучить особенности реактивного движения и отдачи.
Методы исследования:
1. Анализ литературы и сайтов интернета по данной теме.
2. Просмотр видеофрагментов реактивного движения.
3. Конструирование устройств и моделирование реактивного движения.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 reaktivnoe_dvizhenie.doc | 978.5 КБ |
Предварительный просмотр:
Управление образования Администрации города Глазова
Исследовательская работа
«Опыты, демонстрирующие реактивное движение».
Шуклина Екатерина Викторовна,
Ученица 10 класса МБОУ «СОШ №2»
Руководитель: Шумова Елена Викторовна, учитель
физики МБОУ «СОШ №2»
Глазов, 2012
Содержание.
Введение. | 3 |
Глава 1. Из истории реактивного движения, Баллистическая ракета. | 5 |
1.1. Первые попытки применения реактивных снарядов в военном деле. | 6 |
1.2.Турбина Герона. | 7 |
1.3. Большое «Сегнерово колесо»
| 8 |
Глава 2.Опыты, демонстрирующие реактивное движение. | 9 |
2.1.Реактивный воздушный шарик. | 9 |
2.2 Изогнутая трубка.
| 10 |
2.3. Реактивная банка. | 11 |
2.4. Воздушная карусель.
| 12 |
2.5. Водяной двигатель.
| 13 |
2.6. Тепловой реактивный двигатель Ньютона. | 14 |
Глава 3. Реактивное движение в природе.
| 15 |
3.1.Реактивное движение в мире растений. | 15 |
3.2.Реактивное движение в животном мире. | 15 |
Заключение. | 17 |
Результат работы. | 16 |
Источниковая база. | 18 |
Приложение. | 19 |
Введение.
В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В 17 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 Мюнгхаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
Но ни один ученый, 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 ученый Константин Эдуардович Циалковский (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. Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. При этом возникает так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение. На каких же принципах и физических законах основывается его действие?
Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся 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, т.е.К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета. Эта 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. Следует также, что эта скорость зависит и от начальной и конечной массой ракеты, т.е. от того, какая часть её веса приходится на горючее, и какая - на бесполезные (с точки зрения скорости полёта) конструкции: корпус, механизмы, и т.д.
Цель работы: Создать устройства для демонстрации реактивного движения и изучить особенности реактивного движения и отдачи.
Область исследования: Механика.
Объект исследования: Реактивное движение.
Предмет исследования: Устройства для демонстрации реактивного движения.
Задачи исследования:
1. Изучить физические основы реактивного движения.
2. Сконструировать модели реактивных двигателей.
3. Изучить особенности реактивного движения и отдачи.
Методы исследования:
- Анализ литературы и сайтов интернета по данной теме.
- Просмотр видеофрагментов реактивного движения.
- Конструирование устройств и моделирование реактивного движения.
Глава 1. Из истории реактивного движения
- Первые попытки применения реактивных снарядов
в военном деле
Более двух тысяч лет назад китайцы изобрели и применили для военных целей ракеты простейшего устройства. По-видимому, китайская ракета была сходна с теми ракетами, которые применяются сейчас для фейерверка и сигнализации. Китайцы использовали свою ракету как зажигательное средство главным образом при осаде вражеских городов. Ракетная трубка с небольшим запасом пороха привязывалась к стреле. Выбрасывая такую стрелу из лука, китайские воины сообщали ракете большую начальную скорость и увеличивали дальность ее полета.
Неоднократно использовались ракеты для военных целей и в более позднее время, в самых различных частях земного шара. Так, в XV веке знаменитый чешский полководец и государственный деятель Ян Г ус применял при осаде городов зажигательные ракеты, которым придавал внешний вид птиц. Надо полагать, что вид огненных птиц, стремительно летящих и выбрасывающих на лету пламя и дым, должен был производить на осаждаемых устрашающее действие. А кроме того, ракеты вызывали пожары, которые в скученных средневековых городах были особенно опасными.
В XVIII веке англичане встретились в Индии с индийскими войсками, имевшими особые подразделения ракетом ётчиков, применявших ракеты организованно и в значительном количестве. Английский полковник Конгрев, находившийся в оккупационной армии, заинтересовался этим не применявшимся в ту пору в Европе видом оружия и по возвращении на родину разработал новый тип боевой ракеты, соответствующий уровню тогдашней европейской техники. Первые испытания, сделанные в 1804 году, были не очень удачными. Но в дальнейшем Конгрев настолько усовершенствовал свою ракету, что она получила серьезное боевое значение. В частности, при осаде англичанами Копенгагена в 1807 году с кораблей британского флота было выпущено по городу несколько тысяч «конгревовых» ракет. Этот эпизод известен в истории под названием «сожжение Копенгагена ракетами».
В последующие десятилетия «конгревовы» ракеты приобрели в Европе широкую популярность и распространение и были приняты с теми или иными изменениями на вооружение почти всех европейских армий. Англичане и французы применяли ракеты в Севастопольскую кампанию 1854 – 1855 годов. Эти ракеты обладали довольно высокими техническими и тактическими свойствами. Скорость их полета равнялась примерно 350 метрам в секунду, дальность – нескольким километрам. Вероятное боковое отклонение в полете составляло около 2% от дальности, что при стрельбе на один километр давало отклонение в 20 метров.
В середине XIX века реактивное оружие было принято на вооружение также и в русской армии. Творцом русской ракеты был крупнейший ученый-артиллерист генерал-лейтенант К. И. Константинов. В 1850 году в Петербурге под его руководством работал специальный «ракетный завод». Второй, еще более крупный завод боевых ракет был основан в г. Николаеве по проекту того же генерала Константинова.
Максимальная дальность полета русских ракет доходила до четырех километров, при общем весе до 80 килограммов. По условиям техники того времени эти данные можно считать рекордными.
Практическое применение ракет в русской армии также оказалось вполне удачным. Так, генерал Скобелев успешно применял ракетные боевые средства для рассеивания иррегулярной конницы противника. В своих ««Воспоминаниях» генерал Брусилов указывает, что во время войны с Турцией в 1877 году, он, будучи молодым офицером, был свидетелем успешного применения русской армией ракет.
Несмотря на такие успехи, дальнейшего развития ракетное оружие ни в Европе, ни в России не получило. Его быстро обогнала орудийная артиллерия, более соответствовавшая новым тактическим условиям боя.
Мощные технические достижения орудийной артиллерии во второй половине XIX века привели к тому, что ракета с ее сравнительно малой дальностью полета, слабой меткостью и огневой силой была в 80-х годах снята с вооружения.
И только накануне второй мировой войны ракетное оружие, возродившееся на новой технической основе, стало снова завоевывать себе место в военной технике, отнюдь не вытесняя орудийную артиллерию, но, помогая ей решать многие задачи.
Баллистическая ракета.
Как выглядит в общих чертах современная ракета сверхдальнего действия? Прежде всего, это многоступенчатая ракета. В головной части её размещается боевой заряд, позади него - приборы управления, баки и, наконец, двигатель. В зависимости от топлива стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз! Поэтому весит она много десятков тонн, а в длину достигает высоты десятиэтажного дома. Конструкция ракеты должна отвечать ряду требований. Например, очень важно, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. Если не выполнить этого и ещё ряда других условий, то ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращательное движение. Подправить курс можно с помощью рулей. Пока ракета летит в плотном воздухе, могут работать аэродинамические рули, а в разреженном воздухе - предложенные ещё Циолковским газовые рули, отклоняющие направление газовой струи. Впрочем, сейчас конструкторы начинают отказываться от применения газовых рулей, заменяя их несколькими дополнительными соплами или поворачивая само главное сопло. Действительно, в начале полёта, когда плотность воздуха ещё велика, мала скорость ракеты, поэтому рули плохо управляют. А там, где ракета приобретает большую скорость, мала плотность воздуха. Каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют её устройство. Мощность каждой следующей ступени и время её действия меньше, поэтому и конструкция может быть проще. В настоящее время двигатели баллистических ракет преимущественно работают на жидком топливе. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Очень активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но из-за крайней взрывоопасности они пока находят ограниченное применение. Наиболее ответственной частью ракеты является двигатель, а в нём - камера сгорания и сопло. Запускается баллистическая ракета со специального стартового устройства. Стартуя вертикально, ракета затем наклоняется и описывает почти строго эллиптическую траекторию. Значительная часть траектории полёта таких ракет проходит на высоте больше 1000 км над Землёй, где сопротивление воздуха практически отсутствует, однако с приближением к цели атмосфера начинает резко тормозить движение ракеты, при этом оболочка сильно нагревается, и, если не принять меры, ракета может разрушиться, а её заряд - преждевременно взорваться.
- Турбина Герона
В 100 г.н.э. греческий инженер из Александрии Герон изобрел очень простую турбину, в которой использовался принцип реактивного движения.
В котле кипела вода. Полученный пар направлялся через две трубы в шар, закрепленный над котлом. Оттуда пар вырывался через две трубки, согнутые под прямым углом. Реакция паровых струй вызывала вращение шара. Турбина Герона никогда не применялась на практике, т.к. давала слишком мало энергии. Но это был прообраз паровой турбины (См. рис.1).
Рис.1
1.3. Большое « Сегнерово колесо ».
Венгерский физик Я. А. Сегнер в 1750 году продемонстрировал свой прибор, который в честь его создателя назвали "Сегнеровым колесом". Впрочем, это не было новым изобретением, а лишь повторением, изобретенного Героном Александрийским золоопила. "Сегнерово колесо" работает по принципу: жидкость, вытекающая из сосуда конической формы через сообщающуюся с ним изогнутую трубку, вращает сосуд в сторону, противоположную изгибам этой трубки (См. рис.2).
Рис.2
Глава 2. Опыты, демонстрирующие реактивное движение.
2.1. Реактивный воздушный шарик.
Возьмите детский воздушный шарик и надуйте его как можно сильнее. Прежде чем его крепко завязать ниткой, вставьте в отверстие загнутую тонкую трубку — пустой стерженек от шариковой ручки. Предварительно наружный кончик стерженька оплавьте на спичке, чтобы не проходил воздух.
Сбоку шарика приклейте лейкопластырем нитку и подвесьте на ней шарик. Теперь, когда шарик подвешен, трубка оказалась на экваторе. Важно проследить, чтобы изгиб трубки находился в горизонтальной плоскости. Когда шарик успокоится, перестанет качаться, отрежьте ножницами кончик заглушенной трубки. Воздух из шарика начнет выходить, и шарик будет вращаться.
Этот же опыт можно проделать и не подвешивая шарика. Налейте в маленький тазик воду, положите на воду шарик, и он начнет быстро вертеться на одном месте. Тазик должен быть меньше диаметра шарика. (См. приложение рис.3).
Рис.3
Надуйте детский воздушный шар, и прежде, чем перевязать отверстие ниткой, вставьте в него согнутый под прямым углом пустой стержень от шариковой ручки. Чтобы воздух не выходил, наружный конец стержня заглушите с помощью спички. В маленький тазик, размером меньше диаметра шара, налейте воду и опустите туда шар так,
чтобы стержень торчал сбоку. Выньте спичку. Воздух из шара будет выходить, и шар начнет вращаться по воде под действием реактивной силы.
Реактивное действие оказывает не только струя газа, но и струя жидкости.
С воздушным шариком можно проделать еще один вариант опыта по реактивному движению.
Ход опыта: Пропусти шпагат или прочную нить через трубочку. Концы шпагата привяжи, хорошо натянув, через всю комнату. Надуй шарик. С помощью скотча прикрепи его под трубочкой и сдвинь в конец шпагата (См. рис.4,5 ). Освободи отверстие шарика.
Рис.4 Рис.5
Результат: шарик быстро начнет перемещаться вдоль шпагата.
Объяснение: Когда отверстие в шарике открылось, из него вырвалась струя сжатого воздуха. Она создала реактивную силу, толкнувшую шарик в обратном направлении.
2.2. Изогнутая трубка.
Резиновая трубка, верхний конец которой соединен с воронкой, а нижний надет на изогнутую стеклянную трубочку, отклоняется от вертикального положения в сторону, противоположную направлению струи. Трубка, отклонившись, больше не движется противоположно струе только потому, что ее верхний конец закреплен ( См. рис.6).
Рис.6
2.3. Реактивная банка.
Возьмите пустую консервную банку или коробку из под сока без верхней крышки. На равных расстояниях по верхнему ободу банки проделайте три маленьких отверстия и вставьте в них прочные нити, с помощью которых можно будет подвесить банку к водопроводному крану. У донышка на боковой стенке банки проделайте пару отверстий напротив друг друга диаметром около 5 см. Подвесьте банку на водопроводный кран и откройте кран с водой, чтобы банка наполнилась. Банка начнет вращаться! Отрегулируйте силу водяной струю так, чтобы вращение не прекращалось. (См. приложение рис.7,8).
Рис.7
Рис.8
Опыт с консервной банкой, у которой пробиты возле донышка отверстия, прост и может быть повторен дома. В этом случае нитку, которая держит банку, нужно привязать к водопроводному крану. Открутив кран, наполните банку водой, и она начнет вращаться. Можно так отрегулировать струю воды, что банка будет вращаться неограниченное время. Кораблик, у которого роль реактивного двигателя играет резиновый шарик и легкая трубочка подходящего диаметра, сделать не трудно. Можно вместо кораблика такой двигатель установить на легкой тележке.
2.4. Воздушная карусель.
В шарике для пинг-понга по диаметру просверлите два сквозных отверстия диаметром 4-5мм.
В два отверстия, лежащих на одной линии, вставьте изогнутые над горячей плиткой две полихлорвиниловые трубочки. В третье отверстие введите металлический стержень от шариковой ручки, в верхней части которого,
находящейся внутри шарика, сделайте несколько отверстий. Чтобы шарик от пинг-понга устойчиво держался на конце стержня, внутри тупым шилом выдавите небольшое углубление. На нижний конец стержня наденьте резиновую грушу от медицинской клизмы. Проследите, чтобы не было утечки воздуха в месте соединения груши и стержня.
При нажатии на грушу в шарик поступает воздух и карусель ( сегнерово колесо ) начинает кружиться, при отпускании груши, притока воздуха в шарик нет, он неподвижен. Периодически нажимая и отпуская грушу,
можно добиться вращения сегнерова колеса с большой скоростью.(рис.9)
. Рис.9
2.5. Водяной двигатель.
Возьмите небольшую пластиковую бутылку и вырежьте кусок пенопласта в форме лодочки. Проделайте в пенопласте отверстие и вставьте бутылку.
Под пенопластом сбоку в бутылке проделайте отверстие, закройте бутылку пробкой, а через отверстие в пробку просуньте в бутылку конец гибкой резиновой или пластиковой трубки. Второй конец трубки прикрепите к велосипедному насосу или резиновой груше. Нажимая на поршень насоса или на грушу, вы заметите перемещение вашей лодочки
в сторону противоположную направлению струи воды, выбрасываемой из бутылки. При поднятии поршня насоса или отпускании груши лодочка двигаться не будет. (рис.10)
Рис.10
Ход опыта:
Гвоздем сделай два отверстия у основания стакана по диаметру соломинок.
Вставь сгибаемую часть трубочек в каждое отверстие и плотно залепи стыки пластилином. Все трубочки должны смотреть по часовой стрелке.
По верхнему краю стакана сделай еще два отверстия, протяни через них два коротких отрезка шпагата, свяжи их к нему кусок длинного шпагата и подвесь пол краном над раковиной. Направь струю воды из крана в стакан.
Результат: Стакан вращается в направлении, противоположном от выхода воды.
Объяснение результата: Вода, выходящая из трубочек, толкает их в обратном направлении.
2.6. Тепловой реактивный двигатель Ньютона.
Мы решили сделать и испытать паровой двигатель подобный двигателю Ньютона.
Ход опыта: Для этого мы взяли колбу, налили в неё воду, закрыли пробкой со вставленной в неё стеклянной трубочкой и закрепили её на вращающемся диске. Под колбой поместили спиртовую горелку.
Результат: Когда вода закипела, из трубочки пошёл пар, и постепенно диск стал вращаться.
Объяснение результата: Путем нагревания вода закипела, образовалась в пар, который выходит из трубки и диск крутится в обратную сторону. Таким образом, сделать действующие модели устройств реактивного двигателя для нас оказалось несложно.
Глава 3. Реактивное движение в природе.
3.1. Реактивное движение в мире растений.
Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений.
В южных странах ( и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец". 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. (Рис 13,14).
3.2. Реактивное движение в животном мире.
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 (См рис. 15,16).
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.(Рис. 17)
Заключение.
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 чувствует и знает, что он не увидел и одной миллиардной доли того чего бы хотел увидеть. Значит, нам есть к чему стремиться, а если в жизни есть цель, то значит то, что она небессмысленна.
Подводя итоги проделанной работы, можно сказать, что я подробно познакомилась с реактивным движением, узнала много нового о практическом применении закона сохранения импульса, а точнее о реактивном движении и опытах при помощи которых можно его продемонстрировать. В работе рассмотрена методика проведения опытов, которые позволяют изменить традиционный взгляд на реактивное движение.
Результат работы:
- В ходе работы были изучены физические основы реактивного движения.
- Изучен принцип действия реактивного движения.
- Созданы модели реактивных двигателей. Простейшие модели реактивных двигателей и устройств можно сделать самим.
- Изучены особенности реактивного движения и отдачи.Проявлением реактивного движения является отдача, которую надо учитывать на практике (при стрельбе, спрыгивании с лодки, скейта и т.д.). Результат отдачи зависит от массы и скорости отделяющегося тела или вещества.
Источниковая база:
- festival.1september.ru
- http://class-fizika.spb.ru
- http://epizodsspace.testpilot.ru/bibl/rynin/rak-i-dvig/rynin-rakety.html
- http://markx.narod.ru/pic/
- http://www.rtc.ru/encyk/bibl/New/rynin/rak-i-dvig/rynin-rakety.html
- http://www.uer.varvar.ru/flora_fauna_pacific10.htm
- ru.wikipedia.org
- www. school-collection.edu.ru
- Гельфер Я. М. Законы сохранения. – М.: Наука, 1967.
- Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
- Детская энциклопедия. – М.: Издательство АН СССР, 1959.
- Кузов К. Мир без форм. – М.:Мир , 1976.
- Мультипликационный фильм «Ну, погоди!»
- Физика. 9кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений/А.В.Перышкин, Е.М.Гутник. -5-е изд., стереотип.-М.:Дрофа,2002.-256с.
Приложение
Рис.13 |
Рис.14 |
Рис. 15 |
Рис.16 |
Рис.17 |
Зимний лес в вашем доме
Простые новогодние шары из бумаги
3 загадки Солнечной системы
Кто самый сильный?
Астрономический календарь. Октябрь, 2018