Реферат на тему «Реактивное движение»

Введение

Надуйте воздушный шарик, не завязывая, и отпустите. Он с визгом мечется по комнате, пока не сдуется. Траектория дурацкая, зато физика безупречная: воздух вылетает назад, шарик летит вперёд. На том же самом принципе работает ракета, которая выводит на орбиту спутник, и двигатель самолёта, на котором вы летите в отпуск.

Учебник называет реактивным такое движение, когда тело отбрасывает от себя часть собственной массы и само получает скорость в обратную сторону. Ключевое слово здесь «собственной»: колесу нужна дорога, винту воздух, веслу вода, а ракете не нужно ничего, кроме того, что она везёт с собой, и потому в космической пустоте летает только она.

Что общего у Гагарина, у «Боинга» над Атлантикой и у кальмара, удирающего от тюленя? Один и тот же закон из параграфа для девятого класса. Удивительно, сколько всего держится на двух строчках формул, и в реферате мы попробуем это показать: сначала физику, потом технику, а в конце живую природу.

Объектом исследования здесь служит реактивное движение, предметом — его закономерности и типы реактивных двигателей. Читали мы школьные учебники физики, популярные книги о ракетах и истории космонавтики, справочные данные о двигателях.

Глава 1. Основные принципы реактивного движения

1.1 Физические основы реактивного движения

Суть явления легко показать на простом опыте. Встаньте на скейтборд, возьмите баскетбольный мяч, лучше набивной, и швырните его вперёд что есть силы. Доска уедет назад, а вы, если не удержите равновесие, сядете на асфальт. Возьмите мяч потяжелее, и откатитесь дальше. В этом и состоит принцип реактивного движения.

На языке физики это закон сохранения импульса. Импульс тела — произведение массы на скорость, p = mv. Пока на систему «вы плюс мяч» не действуют внешние силы, её общий импульс не меняется. До броска он был равен нулю, значит, и после броска сумма останется нулём: импульс мяча вперёд в точности равен импульсу скейтбордиста назад.

Таблица 1 – Основные типы реактивных двигателей

Примечание — Составлено по учебникам физики и справочникам по космической технике.

Ракета делает то же самое, только не одним броском, а непрерывно. Каждую секунду она выбрасывает из сопла сотни килограммов раскалённого газа на скорости в несколько километров в секунду. Каждая порция газа уносит импульс назад, а ракета получает такой же импульс вперёд. Поэтому распространённое мнение, будто ракета «отталкивается от воздуха», неверно. Воздух ей, скорее, мешает.

Этот спор, кстати, когда-то шёл всерьёз. В 1920 году газета New York Times высмеяла Роберта Годдарда: мол, профессор не знает школьной физики, раз думает, что ракета полетит в пустоте, где ей не от чего отталкиваться. Извинение газета напечатала в июле 1969 года, когда «Аполлон-11» уже летел к Луне. Сам Годдард до этого не дожил.

Вообще ракетная техника полна таких запоздалых признаний. Циолковского при жизни многие считали чудаком из Калуги, глухим учителем, который пишет фантастику. Через несколько десятилетий его портрет висел в кабинете Королёва.

Важную формулу вывел в 1897 году Константин Циолковский, учитель из Калуги, а опубликовал в 1903-м в статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Конечная скорость ракеты, по Циолковскому, равна скорости истечения газов, умноженной на натуральный логарифм отношения начальной массы к конечной. Звучит громоздко, а вывод из неё простой и неприятный.

Логарифм растёт очень медленно. Чтобы разогнаться до первой космической скорости, около 7,9 км/с, при скорости истечения 3 км/с ракета должна в начале весить примерно в четырнадцать раз больше, чем в конце, даже без учёта сопротивления воздуха и тяготения. То есть почти вся она — топливо. Отсюда идея многоступенчатой ракеты, которую тоже предложил Циолковский: пустые баки по дороге выбрасывают, чтобы не тащить мёртвый груз.

Как сравнить два двигателя между собой? Инженеры меряют удельный импульс, и меряют, как ни странно, в секундах. Смысл такой: сколько секунд килограмм топлива способен держать тягу в один килограмм-силу. Цифры на рисунке 1 объясняют, почему конструкторы так держатся за водород, хотя хранить его приходится при минус 253 градусах, а утекает он сквозь любую щёлку.

1.2 Применение реактивного движения в технике

Начиналось всё с забав и войны. Паровой шар Герона Александрийского (I век) вертелся на потеху публике, а китайские «огненные стрелы», если верить хроникам, летели в монголов со стен Кайфына в 1232 году. В Индии в конце XVIII века майсурские ракеты с железными корпусами так впечатлили британцев, что те создали собственные ракеты Конгрива.

Первым, кто всерьёз предложил ракетный летательный аппарат для человека, был народоволец Николай Кибальчич. В 1881 году, ожидая казни за участие в покушении на Александра II, он начертил в тюремной камере проект аппарата с пороховым двигателем и поворотной камерой. Проект положили в архив жандармерии, и опубликовали его только в 1918 году.

Настоящий прорыв пришёл в XX веке. Американец Роберт Годдард в 1926 году запустил первую ракету на жидком топливе, она пролетела около двенадцати метров вверх и упала в поле тётушкиной фермы. Полёт длился две с половиной секунды. Через тридцать с небольшим лет советская ракета Р-7, созданная под руководством Сергея Королёва, вывела на орбиту первый спутник, а в апреле 1961 года — корабль «Восток» с Юрием Гагариным.

Авиация пошла параллельным путём. В августе 1939 года в Германии поднялся в воздух He 178, первый самолёт с турбореактивным двигателем. После войны реактивные самолёты быстро вытеснили винтовые на дальних маршрутах. В СССР в 1956 году на регулярные рейсы вышел Ту-104, один из первых в мире реактивных пассажирских лайнеров, и путь из Москвы в Иркутск сократился с суток до нескольких часов.

Турбореактивный двигатель отличается от ракетного тем, что окислитель берёт прямо из атмосферы. Воздух засасывается спереди, сжимается компрессором, в камере сгорания в него впрыскивают керосин, и горячие газы, прежде чем вылететь из сопла, крутят турбину, а турбина крутит компрессор. Современные двигатели пассажирских самолётов ещё и прогоняют огромный поток холодного воздуха мимо камеры сгорания через большой вентилятор, это и экономичнее, и тише.

Есть и совсем экзотические варианты. Ионный двигатель разгоняет электрическим полем атомы ксенона до десятков километров в секунду. Тяга у него смешная, примерно как вес листа бумаги на ладони, зато работать он может месяцами и годами без перерыва. Межпланетные зонды на таких двигателях потихоньку набирают скорость, которой химической ракете не добиться.

Реактивное движение встречается и там, где о двигателях речи нет. Пожарный с трудом удерживает брандспойт, потому что струя воды отдаёт его назад. Поливалка на газоне крутится от струй. Водомётные катера и гидроциклы толкают себя, выбрасывая воду назад. Даже стрельба из ружья связана с тем же законом: отдача в плечо и есть реакция на вылетевшие пулю и пороховые газы.

А природа додумалась до всего этого задолго до людей. Кальмар набирает воду в мантийную полость и с силой выталкивает её через узкую воронку, причём воронку можно поворачивать и менять направление. Медуза сокращает купол и толкает себя рывками. Личинки стрекоз выбрасывают воду из кишечника. О природных «двигателях» подробнее пойдёт речь в последней главе реферата.