Алексеева Елена Юрьевна

О себе

Образование высшее: Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена, город Санкт-Петербург. Очень люблю свой предмет и стараюсь заинтересовать, доступно объяснить трудный для понимания многих учеников предмет - физику.

Мой взгляд на мир

Современный человек живёт в окружении всевозможных машин, облегчающих его труд и помогающих побеждать время и пространство. Машины переносят людей со сказочной быстротой из одной страны в другую, поднимают громадные тяжести, добывают полезные ископаемые, жнут, ткут, режут, пилят, сверлят.

            Все эти «чудеса» современной техники стали возможны благодаря благодаря трудам, а иногда и жертвам многих поколений учёных и изобретателей, инженеров и рабочих.

            С каждым годом появляются новые, всё более и более сложные и совершенные машины. Чтобы научиться создавать такие машины  и управлять ими, надо много знать. Особенно хорошо надо изучить механику, отдельные части которой являются теоретической основой многих технических наук.

            На теорию движения ракет переменной массы опирается ракетодинамика, посредством которой разрабатываются конструкции ракет, искусственных спутников и космических кораблей, а также способы управления ими в космическом пространстве.

В этой статье, посвященной технике прошлого и настоящего и предназначенной для внеклассного чтения учащимся 9 – 11 классов, рассказывается, как применяются законы механики при использовании различных машин и при расчёте тех сил, которые в них действуют. Механика – это мощное средство, позволяющее глубоко проникнуть в мир техники.   

            Бесконечно разнообразен и увлекателен мир современной техники, но вступить в него может только тот, кто вооружится глубокими знаниями.

Аппараты для исследования космоса

17 августа 1933 г. в воздух поднялась первая советская жидкостная ракета, созданная сотрудниками группы по изучению реактивного движения  (ГИРД) под руководством инженера Ф.А. Цандера. Сконструировал эту ракету М.К. Тихонравов.  Длина ракеты составляла 2,4 м,  диаметр 18 см, а весила она 180 Н.  Горючим служил бензин, а окислителем – жидкий кислород. Во время испытания ракета достигла высоты около 400 м.

С этого времени советские учёные и инженеры создали и запустили не одну сотню мощных, совершенных ракет для научных исследований. Такая ракета состоит обычно из двух частей: двигательной установки и отделяемой головной части, которая называется контейнером. В контейнере размещают научную аппаратуру для измерения температуры, давления, плотности и состава атмосферы, напряжённости магнитного поля Земли; приборы, регистрирующие солнечную радиацию и космические лучи, и  т. д. Здесь же помещают парашют и в некоторых случаях подопытных животных.  Когда ракета достигает высшей точки подъёма, контейнер отделяется и на раскрывшемся парашюте медленно опускается на землю, где и изучают автоматически записанные показания приборов.

Исследования, производимые с помощью высотных ракет, продолжаются всего несколько минут и охватывают небольшое пространство над местом запуска. Поэтому научные исследования более удобно проводить с помощью искусственных спутников Земли, снабженных соответствующими приборами. Длительное время обращаясь вокруг Земли, ИС пролетают над многими областями земной поверхности, что позволяет исследовать обширные районы.

Чтобы тело стало искусственным спутником Земли, ему необходимо сообщить первую космическую скорость.

Как известно из курса физики, для движения по окружности радиуса R  тело должно обладать центростремительным ускорением

a = v²/R,

где  v – скорость тела. Поскольку в данном случае роль центростремительного ускорения играет ускорение силы тяжести  g, то можно написать:

            Отсюда скорость кругового движения на расстоянии R  от центра Земли  v = . В приближенных расчетах для движения спутника вблизи поверхности Земли принимают  R = 6400км, а  g = 9,81 м/с. Подставляя эти значения в последнюю формулу, получаем:

v = 7,8 км/с.

            Формула справедлива и для спутников, обращающихся по далеким орбитам, но в этом случае  g   следует считать переменным, например при  R = 16 400 км, v = 4,94 км/с.

 Таким образом, с увеличением высоты полета спутника его круговая скорость уменьшается.

            Если скорость запуска спутника в горизонтальном направлении превышает круговую, его орбита принимает форму эллипса. Двигаясь по эллиптической кривой, спутник то приближается к Земле, то удаляется от неё. Наиболее удаленная точка орбиты называется апогеем, наименее удаленная – перигеем. В перигее спутник движется быстрее, в чем в апогее.

            Скорость, которую необходимо сообщить, чтобы вывести спутник за пределы земного тяготения, называется второй космической или параболической скоростью. Тело, обладающее такой начальной скоростью, описывает в пространстве параболу и может удалиться от Земли на любое сколь угодно большое расстояние (предполагается, что при этом на тело не действуют никакие другие силы, кроме сил земного тяготения).

            Чтобы найти вторую космическую скорость, надо подсчитать работу, необходимую для удаления тела массы  m  с поверхности Земли на расстояние, на котором силы, действующие со стороны Земли, приближаются к нулю.

Соответствующие вычисления показывают, что

v_пар =  ,

где  G – постоянная тяготения, M – масса Земли, R – её радиус.

            Подставляя в эту формулу значения G, M  и  R, получаем:

v_пар = 11,2 км/с.

Чтобы осуществить полёт с Земли к звездам, необходимо преодолеть солнечное притяжение, т. е. звездолёту следует сообщить скорость, при которой он будет двигаться относительно Солнца по параболической или гиперболической орбите.

Минимальная скорость отлёта с поверхности Земли, обеспечивающая выход космического аппарата за пределы поля тяготения Солнца, называется третьей космической скоростью:

v₃ = 16,7 км/с.

Полезно знать, что межзвёздные полёты потребуют скоростей, во много раз больших, чем третья космическая скорость. Имея такую начальную скорость, корабль, выйдя за пределы сферы тяготения Солнца, будет двигаться по траектории, мало отличающейся от траектории Солнца. Поэтому вероятность встречи его с какой-либо звездой будет не больше, чем вероятность встречи с ней Солнца или Земли. Притяжение Солнца и планет влияет на движение космических кораблей, в силу чего их траектории не являются эллипсами, параболами или гиперболами, а представляют собой сложные пространственные кривые.

Теория движения тела, обращающегося по инерции вокруг Земли, была разработана ещё Ньютоном, однако построить искусственный спутник удалось только в 1957 году. Главным препятствием на пути создания таких спутников являлось получение больших космических скоростей. Учёные вычислили, что для достижения первой космической скорости ракета весом 50кН должна израсходовать более 2000 кН топлива. Построить одноступенчатую ракету с топливными баками такой большой ёмкости невозможно. Проблема создания искусственного спутника была решена лишь после того, как для его запуска использовали многоступенчатую ракету, идея которой была выдвинута К. Э. Циолковским.

Многоступенчатая ракета состоит из нескольких частей (ступеней), каждая из которых имеет свои баки для горючего и окислителя и свой реактивный двигатель. Когда взлетает ракета, сначала сгорает всё топливо первой ступени, и она отделяется. При этом автоматически запускается двигатель второй ступени, он продолжает разгонять облегчённую ракету. После отделения второй ступени вступает в действие третья ступень и т. д. Таким образом, ставшие ненужными части ракеты отбрасываются и их не надо разгонять.

Первый в мире искусственный спутник Земли был запущен 4 октября 1957 г. в Советском Союзе. Это историческое событие знаменовало собой вступление человечества в эру межпланетных полётов, гениально предсказанную К. Э. Циолковским сто лет назад.

Спутник был изготовлен из лёгкого алюминиевого сплава, имел форму шара диаметром 58 см и весил 830 Н.  Внутри него размещались измерительная аппаратура, два радиопередатчика для передачи на Землю показаний приборов, источники тока и другое оборудование. Спутник запустили с помощью многоступенчатой ракеты-носителя. Когда ракета достигла первой космической скорости, спутник отделился от неё и стал двигаться самостоятельно, описывая по инерции вокруг Земли эллиптическую траекторию, направленную с юго-запада на северо-восток. Период обращения спутника составлял 1 ч 36,2 мин, а самая удалённая точка орбиты (апогей) отстояла от Земли на 947 км. Относительно неподвижных звёзд плоскость орбиты спутника оставалась почти постоянной. Но так как Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, то при каждом новом обороте спутник проходил разными районами нашей планеты, смещаясь на 24° по долготе за оборот. Благодаря тому что траектория спутника была наклонена к плоскости земного экватора под углом 65°, спутник облетел большую часть поверхности нашей планеты.

Воздух, несмотря на малую плотность на большой высоте, всё же оказывает некоторое сопротивление движению тел. Поэтому первый искусственный спутник постепенно, теряя скорость, вошёл в плотные слои атмосферы, раскалился и сгорел. За три месяца существования спутника с его помощью были сделаны весьма ценные научные наблюдения в околоземном космическом пространстве.

В том же 1957 г. в Советском Союзе был запущен второй искусственный спутник Земли. Он представлял собой последнюю ступень ракеты-носителя, в которой находились радиопередатчики и научные приборы для изучения физических свойств атмосферы и солнечной радиации. Сюда же для изучения жизнедеятельности организма в космосе поместили в особом контейнере подопытное животное – собаку по кличке Лайка. Контейнер был снабжён установкой для очистки воздуха и запасами пищи для животного. Второй искусственный спутник обращался на более высокой орбите, чем первый, с апогеем 1700 км и периодом обращения 1 ч 43,7 мин  и просуществовал пять месяцев. С его помощью были проведены важные биологические исследования, в частности изучалось влияние невесомости на живые организмы.

Многочисленные автоматические приборы, которыми оборудованы спутники, могут значительно быстрее человека производить сложные расчёты и научные измерения, а также управлять движением спутника. Однако эти приборы не могут полностью заменить человека-исследователя, так как они регистрируют лишь те явления, которые попали в поле зрения прибора. Именно поэтому создание корабля для космических полётов человека было не только величайшим достижением мировой техники, но и открыло новые возможности для изучения космоса.

Первый полёт на космическом корабле таил в себе много неожиданностей и требовал от космонавта большой преданности науке и высокого мужества. Было неясно, как перенесёт космонавт перегрузки при старте и спуске корабля, а также явление невесомости, возникающее во время его движения по орбите.

Рассмотрим это явление более подробно. Пусть на полу кабины корабля лежит груз массы m. На него действуют две силы: сила тяжести F = mg  и сила реакции пола N. Груз, как и корабль, движется с центростремительным ускорением  a = v²/R, где R – радиус орбиты, а  v =   –  первая космическая скорость. Допуская, что высота полёта корабля над Землёй пренебрежимо мала по сравнению с её радиусом, можно считать, что R – это радиус Земли. Запишем для данного случая уравнение движения: ma = F – N,  или  N = F – ma.

Подставляя в эту формулу значения F  и  a,  получим:

N = mg –   = 0.

Таким образом, в корабле, выведенном на орбиту, реакция опоры  N  равна нулю. Равен нулю, следовательно, и вес тела.

            Космический корабль «Восток», на котором впервые в истории цивилизации человек проник в космос, был запущен 12 апреля 1961 г. в Советском Союзе, а первым в мире космонавтом стал советский гражданин Юрий Алексеевич Гагарин. Корабль-спутник «Восток» был выведен на орбиту вокруг Земли ракетой-носителем, длина которой составляла 38 м, а диаметр у основания – более 10 м. В сумме мощность пяти двигателей достигала громадного значения – 14,7 млн. кВт. Это в 3 раза больше мощности Братской гидроэлектростанции на Ангаре.

Кабина корабля (спускаемый аппарат) представляет собой шар диаметром 2,3 м  и  весом 24кН, на внешнюю поверхность которого нанесён специальный теплоизолирующий слой, предохраняющий аппарат от нагревания, когда он при спуске проходит через плотные слои атмосферы. При старте ракеты кабина закрыта коническим обтекателем, который затем автоматически сбрасывается. Снаружи кабины укреплены баллоны, одни с аварийным запасом кислорода, другие со сжатым воздухом. Вне кабины расположен также приборный отсек, в котором размещены электрические батареи, приборы для управления и спуска корабля, тормозной двигатель, радиоаппараты для телефонной и телевизионной связи с Землёй и антенны для них.

Во время взлёта (на активном участке) ракета-носитель движется с ускорением, в несколько раз превышающим ускорение g. Поэтому на активном участке космонавт может быть прижат к креслу с силой, в несколько раз больше силы нормального притяжения. Эта сила вызывает в теле космонавта внутренние напряжения, его вес как бы увеличивается в несколько раз. Чтобы перенести столь большую тяжесть, космонавт располагается в кресле лёжа, поперёк движения ракеты.

Когда скорость корабля достигает первой космической (около 7,8 км/с), двигатели выключаются и корабль отделяется от ракеты-носителя. С этого момента кабина корабля вместе с приборным отсеком движется вокруг Земли по инерции, без затраты горючего. При этом в кабине космонавта вместо перегрузки возникает состояние невесомости.

С высоты 300 км через иллюминаторы, закрытые жаропрочным стеклом, Ю. А. Гагарин хорошо видел на Земле крупные реки и горы, покрытые белоснежными шапками снегов, прямоугольники возделанных полей, синие воды океанов, а на неосвещённой стороне Земли – россыпи городских огней.

Сложную техническую задачу представляет собой посадка космического корабля, причём главная трудность состоит в том, чтобы погасить громадную скорость его полёта. Для этого космонавт разворачивает корабль на 180°, двигательной установкой вперёд, и включает тормозной реактивный двигатель. Реакция вытекающих газов тормозит корабль, он постепенно сходит с орбиты на траекторию спуска, пересекающую плотные слои атмосферы. После окончания работы двигателя кабина отделяется от приборного отсека. При движении в атмосфере внешняя оболочка кабины нагревается до свечения, а температура пограничного слоя воздуха вокруг неё достигает 6000 С°. Внутри же кабины поддерживается нормальная температура. На определённой высоте (около 7 км) автоматически открывается крышка входного люка, из которого с помощью особого устройства катапультируется кресло с космонавтом, и раскрывается парашют пилота. Затем кресло отделяется от космонавта, и он на своём парашюте в герметическом скафандре спускается на Землю. Вместе с космонавтом на том же парашюте опускается аварийный запас пищи, радиостанция и резиновая лодка, автоматически надуваемая воздухом при спуске на воду.

Для спуска кабины также была использована автоматическая парашютная система. Конструкция корабля позволяла космонавту приземлиться, оставаясь внутри кабины.

Ю. А. Гагарин находился в полёте 108 мин, совершив за это время один оборот вокруг Земли. Исторический полёт космического корабля «Восток» не только явился величайшим достижением науки и техники, но и доказал возможность проникновения человека в космос.

За годы, прошедшие с момента запуска первого искусственного спутника Земли, российская и мировая космонавтика добилась поразительных успехов и оказала громадное влияние на развитие астрономии, электроники, биологии и других наук. Космическая техника уже сейчас имеет огромное практическое значение. Проникнув в космос, человек не только получил возможность лучше изучить свою колыбель – Землю, но и сделал первый шаг на пути освоения всей Солнечной системы.