Доклад на тему «Какой закон лежит в основе реактивного движения»

Введение

Самый простой опыт с реактивным движением может проделать каждый. Нужно надуть воздушный шарик и, не завязывая его, отпустить: воздух со свистом вырвется наружу, а шарик метнётся по комнате в противоположную сторону. Если продеть через трубочку натянутую нитку и приклеить к трубочке надутый шарик отверстием назад, получится маленькая «ракета», которая проедет по нитке несколько метров. В основе этого опыта лежит тот же закон, что и в полёте космической ракеты.

Ответ на вопрос, какой закон лежит в основе реактивного движения, в учебниках физики звучит так: закон сохранения импульса. Его можно объяснить и через третий закон Ньютона, ведь газ, вылетая из ракеты, действует на неё с такой же силой, с какой ракета выталкивает газ. Оба объяснения правильны и связаны между собой, но закон сохранения импульса удобнее, потому что позволяет сразу рассчитать скорость, которую получит ракета.

Реактивное движение интересно ещё и тем, что это единственный способ двигаться в пустоте. Автомобиль отталкивается колёсами от дороги, корабль винтом от воды, самолёт с пропеллером от воздуха, а в космосе опереться не на что. Ракета отталкивается от собственного топлива, выбрасывая его назад с огромной скоростью, и потому может разгоняться там, где нет ни воздуха, ни дороги.

В докладе сначала объясняется сам закон сохранения импульса и то, как он применяется к реактивному движению, затем приводятся примеры такого движения в природе и технике и рассматривается формула Циолковского. Во второй части рассказано об истории реактивной техники, от китайских пороховых ракет до первого спутника и полёта Юрия Гагарина. Основой служат учебники физики для 9 и 10 классов и работа К. Э. Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами».

Глава 1. Закон сохранения импульса и реактивное движение

1.1 Что такое импульс и почему он сохраняется

Импульсом тела называют произведение его массы на скорость. Это векторная величина: она направлена туда же, куда движется тело, и чем тяжелее тело и чем быстрее оно летит, тем больше импульс. Футбольный мяч, катящийся со скоростью пять метров в секунду, остановить легко, а грузовик, движущийся с той же скоростью, нет, и разница как раз в импульсе.

Закон сохранения импульса гласит, что в замкнутой системе, то есть в системе тел, на которую не действуют внешние силы или их действие уравновешено, суммарный импульс остаётся постоянным. Тела внутри системы могут толкать друг друга, разлетаться и сталкиваться, но сумма их импульсов при этом не меняется. Если сначала все тела покоились, то и после любого взаимодействия их общий импульс останется равным нулю.

Отсюда сразу следует, почему при выстреле ружьё бьёт в плечо. До выстрела ружьё и пуля покоятся, их общий импульс равен нулю. После выстрела пуля летит вперёд, и чтобы сумма осталась нулевой, ружьё должно получить такой же импульс, направленный назад. Масса ружья в сотни раз больше массы пули, поэтому и скорость отдачи во столько же раз меньше, но плечо её хорошо чувствует. По той же причине лёгкая лодка отплывает назад, когда человек прыгает с неё на берег.

1.2 Как работает реактивный двигатель

Ракета устроена по тому же принципу, только выстреливает она не одной пулей, а непрерывной струёй раскалённого газа. В камере сгорания топливо горит, газ под большим давлением вырывается через сопло назад, и каждая порция газа уносит с собой импульс, направленный назад. Ракета при этом получает равный ему импульс, направленный вперёд. Чем больше газа выбрасывается за секунду и чем быстрее он вылетает, тем сильнее тяга двигателя.

То же самое можно описать с помощью третьего закона Ньютона. Стенки камеры сгорания давят на газ и выталкивают его наружу, а газ с такой же по величине силой давит на стенки камеры в противоположную сторону. Эта сила и есть тяга. Важно, что газ давит именно на ракету изнутри, а не на воздух снаружи, поэтому присутствие атмосферы для работы двигателя не нужно, а в пустоте ракетный двигатель работает даже немного лучше, потому что выходящей струе ничто не мешает.

Долгое время в это верили далеко не все. В 1920 году газета «Нью-Йорк таймс» в редакционной статье посмеялась над американским изобретателем Робертом Годдардом, утверждая, что в безвоздушном пространстве ракете не от чего оттолкнуться и что этого не знает только тот, кто забыл школьную физику. Газета официально признала свою ошибку лишь в июле 1969 года, на следующий день после старта «Аполлона-11» к Луне.

Реактивное движение вовсе не изобретение инженеров. Задолго до людей им научились пользоваться животные, и даже некоторые растения. Примеры реактивного движения в природе и технике собраны в таблице 1.

Таблица 1 — Примеры реактивного движения

Из всех животных лучше всего реактивным движением владеют кальмары. Они набирают воду в мантийную полость, а затем резко сокращают мышцы и выталкивают её через узкую воронку, которую могут поворачивать, меняя направление движения. Некоторые океанические кальмары таким способом разгоняются настолько, что выпрыгивают из воды и пролетают над поверхностью десятки метров, за что их иногда называют «живыми ракетами».

Растения тоже пользуются этим принципом. Плоды бешеного огурца, растущего на юге России и в Средиземноморье, по мере созревания наполняются слизью, и давление внутри них растёт. Когда созревший плод отрывается от плодоножки, через образовавшееся отверстие слизь вместе с семенами выстреливает в одну сторону, а сам плод отлетает в другую. Семена при этом разлетаются на несколько метров.

1.3 Формула Циолковского

Чтобы ракета могла выйти в космос, ей нужно набрать огромную скорость: около 7,9 километра в секунду, чтобы стать спутником Земли, это так называемая первая космическая скорость. Как связана эта скорость с запасом топлива, впервые строго показал учитель физики из Калуги Константин Эдуардович Циолковский в статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованной в 1903 году в журнале «Научное обозрение».

Циолковский вывел, что скорость ракеты зависит от двух величин: от скорости, с которой газ вылетает из сопла, и от отношения начальной массы ракеты с топливом к её конечной массе, когда топливо сгорит. Причём зависимость получилась логарифмической: чтобы удвоить скорость ракеты, мало удвоить запас топлива, отношение масс нужно возвести в квадрат. Результаты расчёта по этой формуле для скорости истечения газа три километра в секунду, типичной для химических двигателей, показаны на рисунке 1.

По рисунку видно, что для первой космической скорости ракета должна при старте весить примерно в четырнадцать раз больше, чем в конце разгона, то есть больше девяти десятых её массы должно составлять топливо. Построить такую ракету из одного куска очень трудно, ведь баки, двигатель и корпус тоже что-то весят. Поэтому Циолковский предложил составные ракеты, или, как он их называл, «ракетные поезда»: когда топливо в нижней ступени заканчивается, её сбрасывают, и дальше летит уже более лёгкая ракета. Именно так устроены все современные космические ракеты, от первой «семёрки» Королёва до нынешних носителей.

Расчёт, кроме того, не учитывает сопротивление воздуха и притяжение Земли, на преодоление которых тоже уходит топливо, поэтому реальные ракеты должны нести его ещё больше. Но главное следствие формулы остаётся верным: скорость ракеты определяется законом сохранения импульса, и единственный способ увеличить её, кроме добавления топлива, это сделать так, чтобы газ вылетал из сопла как можно быстрее. Над этим и работают конструкторы ракетных двигателей с начала XX века до наших дней.