XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ракета своими руками
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Люди всегда мечтали летать. В XVIII веке мечта человечества осуществилась, братья Монгольфье сделали первый воздушный шар, способный поднять человека, братья Райт, а за ними и другие авиаторы поднялись в воздух на стрекочущих фанерно-полотняных этажерках. Стремительность, с которой авиация влетела в нашу жизнь, и скорость прогресса в конструировании летательных аппаратов сравнить попросту не с чем. Люди настолько освоили физику, что их мечты унесли их сначала в ближайшее околоземное пространство, а затем и в самый космос, и даже на Луну! Для этого был нужен очень мощный и достаточно простой двигатель.
Для решения этой сложнейшей задачи человек обратился к природе, которая подсказала решение – реактивное движение.
В повседневной жизни нас окружают многие вещи, работающие на основе реактивного движения. Например, оказывается, пожарный рукав обычно должны держать несколько пожарных т.к. вытекающая струя с большой силой движется вверх, а рукав движется в противоположную ей сторону с такой же силой, это объясняется реактивным движением. Поливая сад из садового шланга на даче, я почувствовала, что он вырывается из моих рук. Вода из него била вперед, а сам шланг очень хотел двигаться назад. Это очень заинтересовало меня и привело к исследованию реактивного движения и к написанию данной работы.
Актуальность: Без изобретения реактивного двигателя был бы невозможен полет в космос. Задача освоения космоса является актуальной для всего человечества. Это необходимо для научных исследований, которые проводятся для того, чтобы узнать устройство нашего мира, изучить влияние космоса на него.
Проблема исследования: Выяснить возможность создания ракеты при помощи подручных средств. Определить фактор, влияющий на высоту полета.
Объект исследования – ракеты
Предмет исследования – высота полета ракеты.
Цель: Создать рабочую модель ракеты и определить зависимость высоты полета ракеты от силы реактивной струи.
Задачи:
1.Исследовать принцип реактивного движения
2. Создать рабочую модель ракеты
3. Исследовать зависимость высоты полёта от силы реактивной струи.
Гипотеза:
Высота полета ракеты выполненной из подручных средств зависит от силы реактивной струи.
Методы исследования: 1. Изучение специальной литературы. 2. Создание рабочей модели ракеты. 3. Проведение эксперимента
1. Основная часть
1.1. Реактивное движение
В настоящее время физике известно несколько законов сохранения: это законы сохранения энергии, сохранения импульса и др.
Закон сохранения импульса, по-другому его называют законом сохранения количества движения, был открыт первым. В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса и является следствием из второго и третьего законов Ньютона.
Действительно, пусть какие-либо два взаимодействующих тела, входят в состав замкнутой системы. Силы взаимодействия между этими телами обозначим через F1 и F2. По третьему закону Ньютона эти силы равны по своей величине, но противоположны по направлению. Если эти тела взаимодействуют в течение какого-то времени t, то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны. F1t =- F2t Применим к этим телам второй закон Ньютона:
F1t=m1v1- m1v1/ и F2t=m2v2- m2v2/
Где m1v1 и m2v2 импульсы тел в начальный момент времени, m1v1/ и m2v2/ – импульсы тел в конце взаимодействия.
Значит m1v1- m1v1/ = - (m2v2- m2v2/)
Из этих соотношений следует: m1v1+ m2v2= m2v2/+ m1v1/
Из этого равенства видно, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Значит, если рассматривать любые парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно говорить о том, что сумма импульсов системы останется постоянной, если система останется замкнутой.
Первая формулировка этого закона принадлежит знаменитому французу учёному 17в. Р. Декарту, который, полагая, что движение в природе несотворимо и неуничтожимо, пытался дать этому общему положению количественное положение.
Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение.
Реактивным называют движение тела, возникающее вследствие отделения от него части его массы с некоторой скоростью. Возьмем, например, детский резиновый шарик, надуем его и отпустим. Мы увидим, что, когда воздух начнет выходить из него в одну сторону, сам шарик полетит в другую. Это и есть реактивное движение. Точнее сказать: движение по принципу прямой реакции.
В природе мы имеем много примеров передвижения при помощи реакции. Например, морское животное сальпа движется реакцией вытесняемой из тела воды. Вода сначала через переднее отверстие набирается внутрь тела, проходит через жабры; затем туловище при помощи мускулов сокращается и вода с силою выбрасывается наружу через воронкообразное отверстие. Получающаяся реакция и заставляет сальпу двигаться в воде в противоположном направлении. Другой пример движения в воде помощью реакции представляет каракатица. Около ее тела имеется складка в виде мантии; в полость между мантией и туловищем каракатица через отверстие засасывает воду, а затем с силою выбрасывает ее через воронкообразное отверстие.
Так же перемещаются медузы и личинки стрекоз. Осетр, рыба способная взбираться вверх по стремнинам и водопадам, отталкиваясь ударами хвоста о воду, прыгает вперед довольно далеко и высоко. Этим способом пользуются даже растения. Растение бешеный огурец (фото 1) при созревании отпадает от ветки, раскрывается с одного конца и через образовавшееся отверстие с силою выбрасывает семена. При этом сам отлетает в противоположную сторону.
Приведенные примеры и подобные им явления представляют собою выражение одного и того же эффекта прямой реакции
Впервые принцип прямой реакции был экспериментально исследован еще в древности Героном Александрийским, который за 120 лет до нашей эры построил реактивную турбину в виде полого шара с боковыми отростками, согнутыми под прямым углом. При выходе через боковые трубки пара, подаваемого внутрь шара через полые оси, шар начинал быстро вращаться. Но большой пользы эту турбина не принесла, она так и осталась забавным экспериментом.
1.2. История развития ракет
На принципе прямой реакции основаны и полеты ракет. Ракетой называется любой летательный аппарат тяжелее воздуха, движущийся отдачей или реакцией вырывающихся из него газов и вообще материальных частей. Таким образом, ракета является реактивным аппаратом. Слово «ракета» происходит от итальянского «rocchetto» (цевка, веретено, стержень).
Современная космическая ракета представляет собой очень сложный летательный аппарат, состоящий из сотен тысяч и миллионов деталей. Масса ракеты огромна. Она складывается из массы рабочего тела (т. е. раскаленных газов, образующихся в результате сгорания топлива и выбрасываемых в виде реактивной струи) и конечной или, как говорят, «сухой» массы ракеты, остающейся после выброса из ракеты рабочего тела.
Начало появления ракет относится к глубокой древности. Первые упоминания о них появились за 3000 лет до Рождества Христова в Китае. Так как состав пороха был китайцам известен еще задолго до открытия его в Европе, то они и применяли его для набивки ракет и метали их в неприятеля в виде «огненных стрел». Пробовали в Китае применять ракеты и для переноски тяжестей и людей. Так в одной из китайских легенд говорится, что китайский мандарин Ван-Гу приказал сделать двух больших воздушных змеев, скрепить их сиденьем и поместить под ним 47 ракет. По приказу мандарина эти ракеты были подожжены одновременно 47 слугами. К сожалению, ракета под сиденьем мандарина взорвалась неудачно, и от происшедшего пожара сгорел и сам изобретатель. Первые упоминания о практическом использовании принципа прямой реакции для полета ракеты относятся к X в. (Марк Грек). Более достоверными являются сведения о применении ракет китайцами в XIII в. При обороне Китая против монголов.
В Индии в конце XVIII века ракетное оружие применялось весьма широко, и, вчастности, существовали особые отряды ракетчиков, общая численность которыхдостигала примерно 5000 человек. Ракетные стрелы-снаряды, представлявшие собой трубки с зарядом горючего вещества, применялись индийцами в сражениях с британскими войсками.
Но в Европе в это время появилось ручное огнестрельное оружие, которое оказалось более эффективным, чем китайская ракета и поэтому интерес к ракете был не велик.
Это не значит, что ракеты были только в Китае, а в Европе не интересовались ракетным делом. Так, например, в конце 18 века. Английскому полковнику Конгреву удалось сконструировать работающую ракетную установку, которая с 1804 года успешно применялась в боевых операциях английского флота и позже получила довольно широкое распространение по всей Европе. Но в 1885 году ракетные бригады в английской армии были расформированы, так как появились артиллерийские нарезные орудия с очень большой точностью стрельбы
В России тоже интерес к ракетному делу был незначительный. Хотя отечественная военная ракетная техника пережила в XIX веке период бурного расцвета и именно в России была сконструирована крупнейшим специалистом ракетного дела К. И. Константиновым (1818—1871) одна из лучших ракет того времени, имевшая дальность полета до 4 км. Но в это время стала набирать силу классическая артиллерия с нарезными стволами, которые резко увеличили точность стрельбы.
Поэтому заказы на производство и поставку боевых ракет в вооруженные силы России практически прекратились.
Но в конце XIX в. В России возникает идея использования реактивного движения в авиации. После появления в 1881 г. проекта известного народовольца Н. И. Кибальчича, эта идея получила дальнейшее развитие в трудах К. Э. Циолковского (фото 2), который уже в 1903 г. предложил использовать реактивное движение для межпланетных сообщений. Еще в начале 20 века этот великий русский ученый предложил идею использования ракет в целях космических полетов.
Его статья, посвященная этому вопросу, появилась в 1903 году. В ней было представлено математическое уравнение, известное в наше время как «формула Циолковского». Это уравнение описывает движение тела, имеющего переменную массу. В своих дальнейших трудах он представил схему ракетного двигателя, работающего на жидком топливе. Циолковский, изучая использование реактивного движения в природе и технике, разработал многоступенчатую конструкцию ракеты. Ему также принадлежит идея о возможности создания на околоземной орбите целых космических городов. Вот к каким открытиям пришел ученый, изучая реактивное движение в природе и технике. Ракеты, как показал Циолковский, – это единственные аппараты, которые могут преодолеть силу тяжести.
В 1930-1931 гг. в СССР был создан первый реактивный двигатель на жидком топливе, и 17 августа 1933г. поднялась в воздух первая ракета на жидком топливе.
Циолковскому не довелось дождаться первого космического полёта: он скончался 19 сентября 1935г. в Калуге, где на протяжении сорока с лишним лет занимался исследованиями в области реактивного движения.
В настоящее время ракеты достигли большого развития, разнообразия и усовершенствования и применяются для разных целей.
1.3. Строение ракеты
Ракета состоит из трех ступеней, расположенных одна на другой (фото 3). 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 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, чтобы ракета летела ровно и прямо, без стабилизаторов она в полете будет болтаться из стороны в сторону. Стабилизаторы же меняют всю картину. Когда ракета начинает отклоняться в бок, или ее заносит в сторону, как заносит машину на скользкой дороге, стабилизаторы подставляются под поток воздуха своей широкой частью и этим потоком их сносит назад.
2. Экспериментальная часть.
2.1. Изготовление простейшей модели ракеты и воздушного шарика
Какая же сила поднимет ракету? Эта сила называется реактивной. Чтобы понять , что такое реактивное движение, проведем простой эксперимент. Для этого нам понадобятся: воздушный шарик, модель ракеты, сделанный из бумаги, зажим (фото 6).
1. Надуем шарик и закроем с помощью зажима.
2. Расположим шарик внутри ракеты.
3. Уберем зажим, отпускаем шарик.
4. Воздух выходит, и ракета перемещается в воздухе.
Вывод: ракету движет сжатый воздух. Его молекулы вылетают через отверстие в шарике, и, следуя третьему закону Ньютона, что действие равно противодействию, толкает шар в обратную сторону. На этом же принципе работают и реактивные двигатели.
2.2. Изготовление работающей модели ракеты
с топливом из уксуса и соды
Для изготовления модели мне понадобилась пластмассовая бутылка 1,5 л, скотч и длинные деревянные шпажки, играющие роль стабилизаторов (фото 4, 5). Также мне понадобилась пробка с вкрученным в нее саморезом. Этот саморез необходим для закрепления контейнера с «горючим» внутри ракеты.
Роль горючего будет исполнять уксус и сода. Соду упаковываю в бумажную салфетку и плотно обматываю ее ниткой. Это необходимо для того, чтобы пакет с содой прошел через узкое горлышко бутылки. Конец нити закрепляю на саморезе вкрученном в пробку так, чтобы пакет с содой не касался бы поверхности уксуса налитого в бутылку. Пробку плотно закрываю. Теперь если перевернуть бутылку вниз горловиной уксус попадет на соду и начнется химическая реакция. А из курса школьной химии я помню, что пищевая сода – это натрий двууглекислый или бикарбонат натрия, а уксус слабая, предельная одноосновная карбоновая кислота. Так как кислотный остаток уксуса сильнее, он замещает кислотный остаток в соде, образуя ацетат натрия. Реакция протекает с выделением углекислого газа и воды . Вода остается в бутылке, а углекислый газ начинает заполняет пространство над жидкостью. Газ имеет гораздо меньшую плотность, чем жидкость или твердое вещество, следовательно, объем при одинаковой исходной массе в разы превышает исходный. Соответственно давление внутри бутылки увеличится в большее число раз и пробка будет вытолкнута этим давлением. Газ и жидкость устремятся вниз, вылетая из бутылки, а бутылка устремится вверх под действием прямой реакции. Таким образом, я получу ракету с простейшим ракетным двигателем.
1. На ровную площадку устанавливаю бутылку с уксусным «двигателем», вниз горлышком.
2. Слегка встряхиваю. Уксус попадает на соду и начинается химическая реакция.
3. Немного подождав, пока давление внутри бутылки не позволит ей вытолкнуть пробку и жидкое содержимое наружу.
4. И в тот момент, когда содержимое бутылки вырвалось вниз (из сопла), бутылка взлетела вверх.
Свой эксперимент я повторила три раза, увеличивая только количество соды (масса ракеты при этом менялась не критично, а объем полученного газа увеличивался, следовательно, увеличивалась и сила реактивной струи).
2.3. Зависимость высоты полета ракеты от силы реактивной струи.
-
№ эксперимента
Количество соды (граммы)
Высота полета (см)
1
20
60
2
40
85
3
60
165
Вывод: На основе проведенных мной экспериментов я поняла, чем большая масса соды вступит в реакцию, тем больше будет давление газа в бутылке и тем более мощная реактивная струя получится в результате. И чем сильнее реактивная струя будет вырываться из сопла, тем выше будет полет ракеты. То есть высота полета ракеты полностью зависит от силы реактивной струи.
Заключение:
Я изготовила две простые модели ракеты из подручных средств, провела серию экспериментов, которые подтвердили мою гипотезу. Провела эксперименты, определяющие зависимость высоты полета от силы реактивной струи.
Изготовленные мной модели могут быть использованы на уроках физики при изучении темы «Реактивное движение» и так же вторая модель может служить в качестве интересного эксперимента на уроке химии при изучении реакции нейтрализации.
В дальнейшем я планирую продолжить изучать реактивное движение и изготовить модель ракеты многоступенчатой.
Список используемой литературы:
1. Физика: авт. Кабардин О.Ф. справ. Материалы: Учеб. Пособие для учащихся. -2-е изд., перераб. и доп.-М: Просвещение, 1988.-367с.: ил.
2. Хрестоматия по физике. Учеб. Пособие для учащихся. Сост.: А.С. Енохович, О.Ф. Кабардин, Ю.А. Коварский и др; под ред. Б.И. Спасского.-М.: Просвещение,1982.-223 с. Ил., 1 л ил.
3. Книга для чтения по физике: Учеб. пособие для учащихся 6-7кл. сред. шк. / Сост. И.Г. Кирилова.-2-еизд., перераб.-М.: Просвещение,1986.-207 с., ил.
Шалаева Г.П., Справочник школьника – Форум, 2009.
4. Большая энциклопедия школьника – Москва, 2001.
5. http://fb.ru/article/138868/opyityi-po-fizike-interesnyie-opyityi-po-fizike
fotografii-cvetov.ru/beshenyy-ogurec/beshenyy-ogurec-foto-16/ (фото колючеплодник или по народному бешеный огурец)Приложение 1
Фото 1 Фото 2
Фото 3 фото 6
Фото 4 фото 5