XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Ракета и реактивное движение или Дан старт кораблю. Ушла в высь ракета!

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мухаметшин Г.Э. 1

---

1МАОУ "Лицей №97 г.Челябинска"

Самойловская Р.В. 1

---

1МАОУ «Лицей № 97 г. Челябинска»

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Техническому исследованию космоса предшествовало развитие астрономии и создание крупных и относительно эффективных ракет в первой половине XX века. Началом эпохи освоения космоса можно считать запуск первого искусственного спутника Земли — «Спутника-1», запущенного Советским Союзом 4 октября 1957 г. С тех пор прошло более шестидесяти лет, и сегодня полеты в космос – давно привычное дело. Освоение околоземного пространства стало возможным благодаря ракетам-носителям (РН) – особому классу летательных аппаратов, способных победить земное притяжение. Пока это единственный способ побороть притяжение нашей планеты, и вряд ли человечество в ближайшие годы придумает что-нибудь более эффективное.

В этом году я впервые побывал в Москве на ВДНХ и в центре «Космонавтика и авиация». Это целый мир фантастики и достижения космонавтики. Там размещены очень интересные экспонаты, интерактивные модели и игры. Здесь можно подробно рассмотреть макеты космических кораблей и спутников, почувствовать себя самым настоящим космонавтом в этом звёздном окружении.

Перед павильоном стоит точная копия ракеты «Восток», на которой Юрий Гагарин 60 лет назад совершил свой легендарный, первый в истории космический полёт. Интересно, кто изобрёл ракету, почему такая махина взлетает в космос, от каких параметров зависит высота подъёма ракеты?

Цель работы: изучить принцип реактивного движения и пронаблюдать действие реактивной силы на практике.

Задачи проекта:

Познакомиться с принципом движения ракеты и физическими законами, лежащими в его основе.

Изготовить модель ракеты и произвести её запуск.

Экспериментальным путем определить зависимость высоты подъёма ракеты от давления газов и объёма воды внутри неё.

Методы исследования: наблюдение, описание, измерение, сравнение, моделирование, эксперимент.

Гипотеза: изготовленная мною модель совершит движение благодаря действию реактивной силы

Ракеты и реактивное движение

История создания ракет

Некое подобие ракеты было сконструировано ещё в Древней Греции Аликсом Сином. Речь идёт о летающем деревянном голубе Архита Тарентского (Приложение А). Его изобретение упоминается в произведении древнеримского писателя Авла Геллия «Аттические ночи». В книге говорится, что птица поднималась с помощью разновесов и приводилась в движение дуновением спрятанного и скрытого воздуха. До сих пор не установлено, приводился ли голубь в движение действием воздуха, находящегося у него внутри, или воздуха, который дул на него снаружи. Остаётся неясным, как Архит мог получить сжатый воздух внутри голубя. [7]

И всё же большинство исследователей считают, что истоки появления ракет находятся в Китае во времена правления династии Хань (206 год до н. э. - 220 год н. э.), и связаны с изобретением и началом использования пороха для фейерверков и развлечений. Сила, возникающая при горении пороха в ограниченном пространстве, была способна двигать различные предметы. Описание летающих «огненных стрел», применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись как в праздничных фейерверках, так и в военном деле: при осаде защитных и крепостных укреплений, против морских судов, и даже кавалерии (Приложение Б)

1.2 Почему ракета летит

Ракета – пока самый быстрый вид транспорта на Земле [6]. И это благодаря тому, что у ракеты совершенно особый двигатель – реактивный. Перед стартом баки ракеты загружают горючим. По команде «Зажигание!» горючее вспыхивает и начинает гореть, превращаясь в раскалённый газ. Газ с огромной силой вырывается через узкое отверстие в днище ракеты – сопло. Струя газа летит в одну сторону, а ракета от его толчков – в противоположную. (Приложение В). Такое движение называют реактивным движением.

Ракету можно заставить лететь в любую сторону, для этого нужно управлять струёй вылетающих газов. Эту работу выполняют рули ракеты.

Примером реактивного движения служит движение надутого воздушного шарика, который не успели крепко завязать. (Приложение Г) Воздух вырывается из шарика и отбрасывает его от себя. А как только весь воздух выйдет из шарика, то шар тут же падает.

По реке мчится судно – водомёт. Вода фонтаном отлетает назад, отталкивает судно, и оно несётся вперёд. Так же, как судно – водомёт, передвигаются кальмары, медузы, осьминоги. В быту на примере душа нагибком шлангеможно увидеть проявление реактивного движения. Стоит только пустить в душ воду, как рукоятка с распылителем на конце отклонится в противоположную вытекающим струям сторону. Принцип реактивного движения помогает движению пловца. Чем сильнее пловец отталкивает воду назад, тем быстрее он плывёт.

Такие великие учёные как Галилео Галилей и Исаак Ньютон, рассматривая движение и взаимодействие тел, сформулировали закон взаимодействия тел. При взаимодействии оба тела действуют друг на друга силами, направленными в противоположные стороны.

Сила – это физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое. В случаях, когда на тело действует другое тело, говорят, что на тело подействовала сила.[5]

Автомобилю для движения, кроме двигателя, нужна ещё дорога, с которой могли бы взаимодействовать колёса, теплоходу – вода, а самолёту – воздух. Ракете для движения не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета может двигаться в безвоздушном космическом пространстве.

1.3 Как устроена ракета

Размер ракеты достигает 90 метров. Сама ракета называется «ракета-носитель». Её основная задача – нести груз, доставить его в космос. Это могут быть спутник, космический корабль – пассажирский или транспортный. Груз тяжёлый, одной ракете его не поднять, поэтому ракету составляют из нескольких частей. Получается пирамида: одна стоит на другой ступенями, а вместе они составляют одну мощную многоступенчатую ракету (Приложение Д). Груз помещают на самом верху и прикрывают его обтекателем. Каждая ступень – это самостоятельная ракета, и все они построены одинаково. Двигатели размещают в «хвосте», а остальную часть ракеты занимают баки с топливом.

Работают ступени по очереди. Когда на старте звучит команда «Пуск!» - включается и работает нижняя ступень. Топливо в ней быстро сгорает, - и она становится ненужной, автоматически отбрасывается. Начинают работать двигатели второй, средней ступени. Ракета – носитель с грузом набирает скорость. Как только вырабатывается горючее в этой ступени, она отсоединяется. Включается двигатель третьей ступени. Корабль разгоняется еще больше, достигает первой космической скорости и выходит на орбиту. Третья ступень отбрасывается, корабль летит один. Последняя ступень, как только её отстреливают автоматы, падает, как и первые две. При падении ступени так раскаляются, что почти полностью сгорают в воздухе. [6]

Итак, ракета - это летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей вследствие отброса части собственной массы (рабочего тела) аппарата и без использования вещества из окружающей среды. Полёт ракеты не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды, поэтому он возможен не только в атмосфере, но и в вакууме.

Создание ракеты и исследование её поведения при запуске

Наблюдаем реактивное движение на практике

Эксперимент 1. Взлёт

Цель: продемонстрировать реактивное движение на примере движения воздушного шара

Оборудование: воздушный шарик

Порядок выполнения:

- надуваю шар и держу его отверстие между пальцами

- отпускаю шар и даю ему свободно двигаться

Что наблюдаем: шар, сдуваясь, двигается по комнате.

Объяснение: когда надутый шар закрыт, воздух внутри одинаково давит по всем направлениям. Когда воздух выходит из шара, отверстие действует как руль, направляя шар по неправильной траектории в воздухе. Оболочка толкает воздух внутрь, заставляя его выходить через отверстие. Воздух толкает шар. Реактивная сила толкает шар в направлении, противоположном действующей силе.

Эксперимент 2. Многоступенчатая ракета

Цель: увидеть, как работает многоступенчатая ракета

Оборудование: круглый воздушный шар, продолговатый воздушный шар, бумажный стакан, ножницы

Порядок выполнения:

- отрезаю дно бумажного стакана

- частично надуваю продолговатый шар и пропускаю часть его с отверстием через обрезанный стакан

- загибаю часть с отверстием через край стакана, чтобы воздух не выходил, когда я помещу круглый шар в стакан и буду надувать его

-открываю отверстие круглого шара

Что наблюдаем: соединённые шары двигаются вместе при сдутии круглого шара. Стакан падает, круглый шар продолжает движение вперёд по мере сдутия

Объяснение: соединённые шары представляют собою трёхступенчатую ракету. Каждая ступень ракеты имеет собственный двигатель и запас топлива. Когда ступень использует своё топливо, она отбрасывается, и система становится легче. Каждая ступень поднимает космический аппарат.

Изготовление ракеты

Материалы: две бутылки, скотч, пробка, ниппель от велосипедной камеры, пластиковая коробка, 4 мебельных уголка, кусочек алюминиевой проволоки, верёвка, длиной 1,5 м, кусок доски; шуруповёрт, ножницы.

Порядок сборки:

1. Отрезаю верхнюю часть одной бутылки чуть ниже «плечика»

2. Прикрепляю её скотчем к нижней части второй бутылки. Ракета готова.

3. Отрезаю пробку так, чтобы она плотно входила в горлышко бутылки и ниппель выступал из неё так, чтобы можно было закрепить шланг насоса.

4. В пробке бутылки просверливаю отверстие для ниппеля.

5. На один торец пробки наношу клей, вставляю ниппель в отверстие, прижимаю резинку к пробке.

6. Ко дну коробки по обе стороны от горлышка бутылки прикручиваю уголки таким образом, чтобы их отверстия немного выступали относительно бортика горлышка бутылки.

7. Сгибаю проволоку в виде буквы «П». Полученная скоба должна свободно проходить сквозь отверстия в уголках и придерживать бутылку за бортики её горлышка.

8. Привязываю верёвочку к скобе.

9. Размещаю конструкцию пускового механизма на доске. Доску укрепляю на земле.

Ракета и пусковой механизм готовы. (Приложение Е. Рисунки 1,2,3)

Исследование поведения ракеты при запуске

Эксперимент 3. Исследование зависимости высоты поднятия ракеты от давления нагнетаемого воздуха в «ракете»

Цель: исследовать зависимость высоты поднятия ракеты от давления нагнетаемого воздуха в «ракете».

Гипотеза исследования: высота подъёма ракеты тем выше, чем больше давление воздуха внутри ракеты.

Оборудование: ракета, вода, мензурка, пусковой механизм, насос, рулетка.

Ход работы:

Наливаю 200 мл воды в бутылку.

С помощью скобы закрепляю ракету на пусковом механизме. Подсоединяю ниппель «ракеты» к насосу

Накачиваю воздух в ракету

Запускаю ракету, отодвинув скобу на пусковом механизме

Замеряем высоту подъёма ракеты

Данные заносим в таблицу

Повторяем опыт несколько раз, не меняя объём воды в бутылке.

Вывод: высота подъёма ракеты зависит от давления воздуха внутри неё. Чем больше давление воздуха, тем выше поднимается ракета. Гипотеза подтвердилась.

Сложности измерений: сложно добиться хорошей точности измерения высоты. Была попытка измерения высоты, измерения длины толстой нити, привязанной к ракете. В результате опыта увидели, что нить удерживает ракету и не даёт ей подняться на полную высоту. Опыт стали проводить между двумя панельными домами. Измерили высоту одной панели и высоту панели над тротуаром. Все члены семьи замечали высоту подъёма ракеты. (Приложение Е. Рисунки 4,5)

Эксперимент 4. Исследование зависимости высоты поднятия ракеты

от объёма воды в «ракете»

Цель: исследовать зависимость высоты поднятия ракеты от объёма воды в «ракете».

Гипотеза исследования: высота подъёма ракеты тем выше, чем больше давление воздуха внутри ракеты.

Оборудование: ракета, вода, мензурка, пусковой механизм, насос, рулетка.

Ход работы:

Наливаю воду в бутылку

С помощью скобы закрепляю ракету на пусковом механизме. Подсоединяю ниппель «ракеты» к насосу

Накачиваю воздух в ракету

Запускаю ракету, отодвинув скобу на пусковом механизме

Замеряем высоту подъёма ракеты

Данные заносим в таблицу

Повторяем опыт несколько раз, не меняя давление нагнетаемого воздуха в ракете

Вывод: Гипотеза подтвердилась.

Сложности проведения опыта: сложно заметить зависимость высоты подъема ракеты от объёма налитой воды при нагнетаемом давлении 1 атм. и 2 атм. При давлении 1 атм. высота всегда была примерно 11 м. При давлении 2 атм. – 14 м.

Объяснение опыта: вода создаёт дополнительную реактивную тягу. Воздух через ниппель (сопло) выталкивает воду и создаётся реактивная сила. Реактивная сила толкает ракету, заставляя её подниматься выше. (Приложение Е. Рисунок 6)

Заключение

В настоящее время, благодаря пытливому уму учёных и изобретателей, человек активно осваивает космос. 60 лет назад человек совершил первый космический полёт. Освоение космоса продолжается. Совершенствуются реактивные двигатели, изобретаются новые. Научная мысль не останавливается.

В результате изучения литературных источников стало понятно, что для движения ракеты необходимо создание реактивной силы. Ракетные двигатели производят газы, которые выталкиваются через сопло (действие) и создают реактивную силу (противодействие). Ракетная сила толкает ракету, заставляя её подниматься.

При выполнении проведённых экспериментов нам удалось продемонстрировать принцип реактивного движения на практике, используя созданную нами модель ракеты. В наших экспериментах реактивную силу создавали воздух и вода. Мы убедились в том, что высота подъёма ракеты зависит от давления газов внутри неё.

Итак, мы выяснили, что принцип реактивного движения это - физический закон действия и противодействия. Экспериментальным путем подтвердили зависимость высоты подъёма ракеты от давления «топлива» в ней.

Работа над темой «Ракета и реактивное движение» позволила совершенствовать мои исследовательские умения: выбор необходимых литературных источников, работа с информацией, умение выдвигать гипотезы, давать определение понятиям, наблюдать, проводить эксперименты, делать выводы и умозаключения, структурировать материал, работать с текстом. Работа помогла научиться анализировать имеющие факты, сопоставлять и прогнозировать, находить пути решения возникающих ситуаций, получить удовлетворение от своих маленьких открытий, даже если они уже известны. В этом я вижу практическую значимость своей работы.

Мы планируем продолжить исследование. Мы измерим скорость ракеты, исследуем зависимость полёта от формы ракеты, материала ракеты, зависимость дальности полёта от угла наклона ракеты при запуске (проводился только вертикальный взлёт). Придумать более точный способ измерения высоты подъёма ракеты, наверное, есть возможности усовершенствования пускового механизма.

Список литературы

Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита. ЗАО Компания «Махаон», Москва, 2006 г. (с. 226)

Брюэр, Дункан Изобретения/ Д. Брюэр; пер. с англ. В.А. Гришечкина. – М.: РОСМЭН, 2017. – 48 с.: ил. – (100 фактов) (с.97)

Иванов А.С., Проказа А.Т. Мир механики и техники: Кн. Для учащихся. – М.: Просвещение, 1993. – 223 с.: ил. – ISBN 5-09-004020-6. (с. 122)

Ванклив Дженис Эксперименты по астрономии / Дженис Ванклив; пер. с английского. М.Я. Рутковская. – М.: Астрель, 2009, - 236,[4] с. – (Наука в удовольствие). (с. 202-204)

Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С. Физика, Химия. 5-6 кл.: Учебник для общеобразоват. Учеб. Заведений. – М.: Дрофа, 1997. – 192 с.: ил. ISBN 5-7107-1410-0 (с.46)

Дитрих А., Юрмин Г., Кошурникова Р. Почемучка. – М.: «Педагогика-Пресс», 1993. – 384 с.: ил. ISBN5-7155-0669-7 (c. 75-79)

Электронный ресурс http://i-kiss.ru/rubrika/rakety

Электронный ресурс https://fishki.net/2199917-kak-sdelaty-pnevmo-vodjanuju-raketu-iz-plastikovoj-butylki-svoimi-rukami.html

Приложение А.

Античный робот: механический голубь Архита 350 лет до н.э.

Приложение Б.

1232 г. Первые боевые ракеты. Китайская огненная стрела - прообраз современной ракеты.1 - стрела; 2 - мешочек с порохом.

Приложение В.

Современная многоступенчатая космическая ракета

Приложение Г.

Примеры реактивного движения

Воздушный шар Пловец Судно-водомет

Реактивное движение в природе.

Плод бешеного огурца Движение кальмара, медузы, осьминога

Приложение Д.

Строение многоступенчатой ракеты-носителя

Приложение Е.

Создание ракеты и исследование её поведения при запуске

Рисунок 1. Изготовление подставки Рисунок 2. Ракета на подставке

для пускового механизма ракеты

Рисунок 3. Испытание. Подготовка. Рисунок 4. Испытание начинается.

Рисунок 5. До старта. Рисунок 6. Испытание продолжается.