XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ОСВОЕНИЕ КОСМОСА. ФИЗИКА ПОЛЕТА РАКЕТЫ.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
В этом году исполняется 60 лет со дня первого в истории человечества космического полета, который совершил советский космонавт Юрий Алексеевич Гагарин 12 апреля 1961 года. По инициативе Генеральной ассамблеи ООН 12 апреля провозглашено Международным днем полета человека в космос.
Фото 1. Гагарин Юрий Алексеевич.
Как же все начиналось?
XX век - начало космической эры в истории человечества. Теоретической разработкой космических полетов в первой половине столетия занимались ученые во многих странах мира, но признанными классиками космонавтики стали российские ученые Константин Циолковский, Юрий Кондратюк и Фридрих Цандер.
Основоположником современной космонавтики считают Константина Циолковского. В 1903 году он опубликовал первую часть научной работы «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где доказал, что аппаратом, способным совершить космический полет, является ракета.
Фото 2. Циолковский Константин Эдуардович.
В дальнейшем в своих работах ученый вычислил работу по преодолению силы земного тяготения, определил скорость, необходимую для выхода аппарата в Солнечную систему («вторая космическая скорость») и время полета. Константин Циолковский заложил основы жидкостного ракетного двигателя, разработал теорию многоступенчатых ракет. Им впервые теоретически была решена задача посадки космического аппарата на поверхность планет в условиях отсутствия на них атмосферы.
Юрий Кондратюк (наст. Александр Шаргей) в своей книге «Тем, кто будет читать, чтобы строить», изданной в 1919 году, независимо от Циолковского вывел основное уравнение движения ракеты, привел схему и описание четырехступенчатой ракеты на кислородно-водородном топливе. Он предложил использовать сопротивление атмосферы для торможения ракеты при спуске с целью экономии топлива. В начале XX века Юрий Кондратюк рассчитал оптимальную траекторию полета к Луне. Эти расчеты позже были использованы NASA в лунной программе «Аполлон». Также американцы воспользовались его идеей при полетах к другим планетам выводить корабли на орбиту искусственного спутника, а для высадки на них человека и возвращения на корабль применить небольшой взлетно-посадочный корабль.
Фридрих Цандер рассмотрел вопросы жизнеобеспечения человека в космическом полете. Им была предложена идея космических оранжерей, то есть выращивания съедобных растений непосредственно на борту космического корабля. Он же впервые высказал мысль о том, что в качестве горючего целесообразно использовать элементы конструкции межпланетного корабля.
Началом космической эры считается запуск в Советском Союзе 4 октября 1957 года первого в мире искусственного спутника Земли. Он получил название ПС-1 (простейший спутник-1). На 315-й секунде после старта позывные искусственного спутника услышал весь мир. Информация о запуске ПС-1 стала мировой сенсацией, русское слово «спутник» вошло в словари. Спутник ПС-1 летал 92 дня, до 4 января 1958 года, совершив 1440 оборотов вокруг Земли. Это событие стало одной из главных вех прогресса и технологического развития земной цивилизации, а также дало старт космической гонке сверхдержав. В честь запуска спутника в 1964 году в Москве на проспекте Мира был сооружен обелиск «Покорителям космоса» в виде взлетающей ракеты, оставляющей за собой огненный шлейф.
3 ноября 1957 года СССР отправил в космос второй спутник - с собакой Лайкой на борту, которая стала первым животным-космонавтом, выведенным на орбиту Земли. Двухметровый памятник Лайке, представляющий собой космическую ракету, переходящую в ладонь, на которой гордо стоит Лайка, был установлен 11 апреля 2008 года в Москве на Петровско-Разумовской аллее.
Первыми животными, благополучно вернувшимися из орбитального космического полета, были собаки Белка и Стрелка. Полет был совершен на корабле «Спутник-5» 19 августа 1960 года. Катапультируемый контейнер, в котором находились собаки, был одним из вариантов контейнера, разработанного для будущих полетов человека.
Актуальность темы значима, так как космические исследования и технологии очень важны в нашей жизни. Нам необходимо понимать, что мы живем на планете Земля, которая является частью Вселенной.
Объектом изучения в проектной работе является проблема освоения космического пространства.
Предметом изученияявляется проблемы, связанные с освоением космоса.
Цель работы – изучение темы «Освоение космоса. Физика полета ракеты»
Задачи исследования:
- изучить историю освоения космоса;
- расширить наши представления о космосе;
- изучить законы физики, которым должна подчиняться ракета при взлёте , полете и посадке;
- ознакомиться с устройством космической ракеты.
1. Давняя мечта человека о полетах в воздушном пространстве.
1.1. Легенда об Икаре
С глубокой древности люди мечтали летать, как птицы. Свои фантастические мечты наши предки передали нам в виде сказок. В них сказочные герои отправлялись в полет на ковре-самолете, в ступе или на метле. Больше всего людям хотелось взмахнуть руками, как крыльями, и полететь над землей подобно птицам. Больше трех тысяч лет тому назад создали греки миф о Дедале и сыне его Икаре. Великий художник, изобретатель и зодчий Дедал сделал две пары крыльев из птичьих перьев, скрепленных нитками и воском. Поднялись в воздух Дедал и Икар, чтобы улететь на родину в Афины с острова Крит, где их держал в плену царь Минос.
Дедал наказывал сыну – не приближайся к солнцу, его лучи растопят воск. Но упоенный счастьем полета Икар поднимался все выше, выше… Солнце растопило воск, рухнул Икар с высоты и погиб в морских волнах. А Дедал долетел до земли и благополучно спустился. С тех пор поэтичный образ Икара стал воплощением мечты человека о полете.
1.2. Мечта о крыльях для полета человека над землей.
Человечество не оставляло свою мечту о полете. Уже много веков тому назад люди пробовали создать крылья, на которых можно было бы подняться ввысь. Все попытки подражать птицам были неудачны. Летать на машущих крыльях не удавалось. Так, в XVIII веке, появились воздушные шары.Недостатком воздушных шаров было то, что двигались они только в том направлении, куда дул ветер. Люди задумались над вопросом: как сделать воздушный шар управляемым? Были попытки использовать руль и весла, но все безрезультатно. Пока, наконец, не придумали двигатель.
Появились первые дирижабли. Но людей не оставляла мысль о крыльях. Однако воздушные шары подняли человека в воздух на полтора века раньше, чем удалось осуществить полет на крыльях. На смену воздухоплаванию приходит авиация аэроплан. Со временем аэропланы совершенствовались.
2. Теоретические сведения о строении ракеты.
2.1. Строение ракеты.
Ракета состоит из 3 одинаковых ступеней, расположенных одна на другой. Каждая ступень ракеты состоит из двигателя и топливных баков. Первой включается и работает самая нижняя ступень. Эта ракета самая мощная, так как ее задача — поднять в воздух всю конструкцию. Когда топливо сгорает, а баки пустеют, нижняя ступень отрывается, и тут начинают работу двигатели второй ступени. В это время ракета набирает скорость и летит все быстрее. Когда горючее кончается, вторая ступень отрывается и включается в работу третья, последняя ступень, которая еще больше разгоняет корабль. Вот тут включается первая космическая скорость, и корабль выходит на орбиту, а далее летит один, так как последняя ступень ракеты почти полностью сгорает при отсоединении.
Еще у ракеты есть стабилизаторы - маленькие крылья внизу. Они нужны для того, что бы ракета летела ровно и прямо. Если у ракеты не будет этих стабилизаторов, то она в полете будет болтаться из стороны в сторону.
Стабилизаторы же меняют всю картину. Когда ракета начинает отклоняться в бок, или заносить в сторону, как заносит машину на скользкой дороге, стабилизаторы подставляются под поток воздуха своей широкой частью и этим потоком их сносит назад. А у больших космических ракет стабилизаторов или нет вообще, или они очень маленькие, потому, что в таких ракетах стоит не один, а несколько реактивных двигателей. Из них несколько больших, которые и толкают ракету вверх, а есть еще маленькие, которые нужны только для того, что бы подправлять полет ракеты.
Первым идею использования многоступенчатой ракеты для полёта в космос предложил в 17 веке… Сирано де Бержерак в своей фантастической повести «Путешествие на Луну» (1648год). Но дело в том, что обычная многоступенчатая ракета на твёрдом топливе (в основном предлагался порох) не годилась для космических полётов. Нужен был принципиально иной вид топлива.
И вот, наконец, в начале 20 века, в 1903 году, наш соотечественник К. Э. Циолковский придумал, как научить ракету летать в космосе. Он придумал жидкое двухкомпонентное топливо. Ученый впервые предложил конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем. В этом его великая заслуга, и именно поэтому, Циолковский считается одним из основоположников космонавтики (хотя ему и не удалось предложить работоспособную конструкцию ракеты). «Одним из» – потому что всего их трое. Кроме нашего Циолковского это ещё американец Роберт Годдард и немец Герман Оберт.
2.2. Ракетные двигатели
Ракетный двигатель (РД) – это разновидность реактивного двигателя, рабочее тело и источник энергии которого находится непосредственно на борту летательного аппарата. Это его главное отличие от воздушно-реактивных двигателей. Таким образом, РД не зависит от кислорода атмосферы и поэтому может использоваться для полетов в космическом (безвоздушном) пространстве.
Рис. 1. Ракетный двигатель.
2.3. Принцип действия ракеты
Для того чтобы преодолеть земное притяжение, ракете необходим большой запас топлива, при этом, чем больше топлива мы берем, тем больше получается масса ракеты. Поэтому для уменьшения массы ракеты их строят на принципе многоступенчатости. Каждую ступень можно рассматривать как отдельную ракету с собственным ракетным двигателем и запасом топлива для полета. Из сопла ракеты с огромной скоростью вылетают продукты сгорания топлива (раскаленные газы) и, согласно закону сохранения импульса, сама ракета получает сильнейший «толчок» в противоположном направлении.
Рис. 2. Схематическое представление направление движения ракеты.
2.4. Закон реактивного движения.
Самый простой пример реактивного движения – полёт воздушного шарика, из которого выходит воздух. Если мы надуем шарик и отпустим его, он начнёт лететь в сторону, противоположную движению выходящего из него воздуха. Пример реактивного движения в природе – выброс жидкости из плода бешеного огурца, когда он лопается. При этом сам огурец летит в противоположную сторону.
Медузы, каракатицы и другие обитатели морских глубин передвигаются, вбирая воду, а затем выбрасывая её.
На законе сохранения импульса основана реактивная тяга. Мы знаем, что при движении ракеты с реактивным двигателем в результате сгорания топлива из сопла выбрасывается струя жидкости или газа (реактивная струя). В результате взаимодействия двигателя с вытекающим веществом появляется реактивная сила. Так как ракета вместе с выбрасываемым веществом является замкнутой системой, то импульс такой системы не меняется со временем. Реактивная сила возникает в результате взаимодействия только частей системы. Внешние силы не оказывают никакого влияния на её появление.
2.5. Закон сохранения импульса
Закон сохранения импульса вытекает из третьего закона Ньютона.
Нужно помнить, что этот закон действует только в замкнутой, или изолированной, физической системе. А замкнутой называют такую систему, в которой тела взаимодействуют только между собой и не взаимодействуют с внешними телами.
Представим замкнутую систему из двух физических тел. Силы взаимодействия тел друг с другом называют внутренними силами.
Импульс силы для первого тела равен:
Согласно третьему закону Ньютона силы, которые действуют на тела при их взаимодействии, равны по величине и противоположны по направлению.
Следовательно, для второго тела импульс силы равен:
Путём простых вычислений получаем математическое выражение закона сохранения импульса:
,
где m1 и m2 – массы тел,
v1 и v2 – скорости первого и второго тел до взаимодействия,
v1' и v2' – скорости первого и второго тел после взаимодействия.
p1 = m1 · v1 - импульс первого тела до взаимодействия;
p2 = m2 · v2 - импульс второго тела до взаимодействия;
p 1'= m1 · v1' - импульс первого тела после взаимодействия;
p2 '= m2 · v2' - импульс второго тела после взаимодействия;
То есть
p1 + p2 = p1' + p2'
В замкнутой системе тела только обмениваются импульсами, а векторная сумма импульсов этих тел до их взаимодействия равна векторной сумме их импульсов после взаимодействия.
Так, в результате выстрела из ружья, импульс самого ружья и импульс пули изменятся. Но сумма импульсов ружья и находящейся в нём пули до выстрела останется равной сумме импульсов ружья и летящей пули после выстрела. Так же при стрельбе из пушки возникает отдача. Снаряд летит вперёд, а само орудие откатывается назад. Снаряд и пушка – замкнутая система, в которой действует закон сохранения импульса.
Импульс каждого из тел в замкнутой системе может изменяться в результате их взаимодействия друг с другом. Но векторная сумма импульсов тел, входящих в замкнутую систему, не изменяется при взаимодействии этих тел с течением времени, то есть остаётся постоянной величиной. Это и есть закон сохранения импульса. Более точно закон сохранения импульса формулируется следующим образом: векторная сумма импульсов всех тел замкнутой системы – величина постоянная, если внешние силы, действующие на неё, отсутствуют, или же их векторная сумма равна нулю.
Импульс системы тел может измениться только в результате действия на систему внешних сил. И тогда закон сохранения импульса действовать не будет. Нужно отметить, что в природе замкнутых систем не существует. Но, если время действия внешних сил очень мало, например, во время взрыва, выстрела и т.п., то в этом случае воздействием внешних сил на систему пренебрегают, а саму систему рассматривают как замкнутую.
Кроме того, если на систему действуют внешние силы, но сумма их проекций на одну из координатных осей равна нулю, (то есть силы уравновешены в направлении этой оси), то в этом направлении закон сохранения импульса выполняется. Закон сохранения импульса называют также законом сохранения количества движения. Самый яркий пример применения закона сохранения импульса – реактивное движение.
3. Примеры практического применения реактивного движения в природе и в технике
3.1.Примеры практического применения реактивного движения в природе.
Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.
Рис.3. Движение медузы в морской воде.
Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).
Рис.4. Движение каракатицы в воде.
Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.
Рис.5. Движение кальмара в воде.
Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.
Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами.
3.2. Примеры практического применения реактивного движения в технике.
Примеры реактивного движения в технике – это:
явление отдачи от выстрела;
взрывы и удары во время аварий;
отдача при использовании мощного брандспойта;
катер с водометным двигателем;
реактивный самолет и ракета.
Тела создают закрытую систему, если они взаимодействуют только друг с другом. Такое взаимодействие может привести к изменению механического состояния тел, образующих систему.
Заключение
Прошли годы, и люди сумели покорить воздушное пространство Земли. Но они всё равно мечтали и о космическом пространстве. Первые опытные самолеты с турбореактивным двигателем были построены в годы Великой Отечественной войны. Винт для самолета стал ненужным. Крылья стали меньше и уже. Современный реактивный самолет способен перевезти сотни пассажиров со скоростью 969 км/ч. Полеты стали настолько привычны, что сегодня каждую минуту где-нибудь в мире заходит на посадку самолет. Сейчас существуют самолеты, которые летают быстрее скорости звука.
В области ракетной техники произошли существенные изменения, в космосе запущены космические станции, космонавты могут длительное время находиться на этих станциях, они проводят различные исследования в невесомости и ведут наблюдения за Землёй и другими планетами и небесными телами, м всё это – благодаря реактивному движению. Человек преодолел земное притяжение и вышел в открытый космос
Итак, в результате проделанной работы мы изучили принцип реактивного движения, нашли много интересной информации по данной теме. Кроме того, мы расширили знания по физике. Раньше мы думали, что реактивное движение используется только при строительстве ракет, а теперь же мы узнали, что оно используется также в самолетостроении и в фейерверках. Кроме того, оно используется и у обитателей морей. Можно сказать, что реактивное движение совершило целый переворот в ракетостроении и переоценить его значение невозможно.
Список использованных источников
1. https://fizikaklass.ru/illustracii-po-fizike-10/zakoni-sohraneniya/9623.html
2. https://fizikaklass.ru/illustracii-po-fizike-10/zakoni-sohraneniya/9624.html
3. https://phscs.ru/physics1/escape-velocity
4. https://fizikinfo.ru/drugoe/polyot-rakety/
5.Физика. 10 класс: учеб, для общеобразоват. организаций с прил. на электрон, носителе : базовый уровень / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. Н. А. Парфентьевой
6. Физика. Базовый, 11 класс: учеб, для общеобразоват. организаций с прил. на электрон, носителе: базовый и профильный уровни / Г. Я. Мякишев
7. https://yandex.ua/images/