XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Реактивное движение: от шара Герона до межконтинентальной баллистической ракеты
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человечество всегда мечтало о путешествии в космос. Самые разные средства для достижения этой цели предлагали писатели – фантасты, учёные, мечтатели. Например, герой рассказа французского писателя Сирано де Бержерака, написанного в XVII веке, добрался до Луны, подбрасывая сильный магнит над железной повозкой, в которой находился сам. Повозка всё выше поднималась над Землёй, притягиваясь к магниту, пока не достигла Луны. Барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
Но ни один из писателей-фантастов не смог придумать научно обоснованный способ попасть за пределы Земли, который еще бы и работал в тех условиях. Это смог сделать русский ученый К.Э. Циолковский. Именно он показал, что единственный способ дойти до космоса - это создать ракету - летательный аппарат с двигателем на реактивной тяге.
Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости, поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.
Исследуемое явление: реактивное движение.
Исследуемый предмет: устройства для демонстрации реактивного движения.
Проблема: если готовы устройства для демонстрации реактивного движения, то более качественным и наглядным будет изучение этого явления.
Цель проекта: изучение реактивного движения и создание устройств для его демонстрации.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1) изучить физические основы реактивного движения, применения закона сохранения импульса;
2) систематизировать информацию по реактивным двигателям, их видам и применению;
3) создать свои модели реактивных двигателей, представить их в действии;
4) показать на историческом материале развитие ракетостроения и его значимость в современном мире.
Гипотеза: предполагаем, что изучение реактивного движения будет более понятным и осмысленным, если применять на уроках различные устройства для его демонстрации.
Методы исследования:
1) поисковый – поиск информации по теме проекта;
2) анализ – отбор самой важной и интересной информации по теме проекта;
3) синтез – обобщение полученной информации;
4) моделирование – создание и исследование моделей устройств для демонстрации реактивного движения.
Глава I.
Реактивное движение: теория и практика.
Прежде чем рассуждать о теории и практике, стоит дать определение реактивному движению. Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. Принцип реактивного движения основан на законе сохранения импульса изолированной механической системы тел: то есть суммарный импульс системы частиц есть величина постоянная. При отсутствии внешних воздействий импульс системы равен нулю, изменить его возможно изнутри за счет реактивной тяги. Безусловно, есть законы физики, без которых не существовало бы реактивное движение. Одним из таких законов нужно назвать – сохранение импульса.
В чем заключается действие закона сохранения импульса? Впервые этот закон был оглашен французским философом и физиком Р. Декартом. При взаимодействии двух или более тел образовывается между ними замкнутая система. Любое тело при движении обладает своим импульсом: это масса тела, умноженная на его скорость. Общий импульс системы равен векторной сумме импульсов тел, находящихся в ней. Импульс любого из тел внутри системы меняется вследствие их взаимного влияния. Общий импульс тел, находящихся в замкнутой системе, остается неизменным при различных перемещениях и взаимодействиях тел. В этом состоит закон сохранения импульса.
Примерами действия этого закона могут быть любые столкновения тел (бильярдных шаров, автомобилей, элементарных частиц), а также разрывы тел и стрельба. При выстреле из оружия происходит отдача: снаряд мчится вперед, а само оружие отталкивается назад (рис.1 см.Приложение). Из-за чего это происходит? Пуля и оружие формируют между собой замкнутую систему, где работает закон сохранения импульса. При стрельбе импульсы самого оружия и пули меняются. Но суммарный импульс оружия и находящейся в нем пули перед выстрелом будет равен суммарному импульсу откатывающегося оружия и выпущенной пули после стрельбы. Если бы пуля и ружье имели одинаковую массу, они бы разлетелись в противоположные стороны с одинаковой скоростью.
Реактивное движение можно встретить буквально на каждом шагу. Многие морские животные для передвижения используют именно реактивное движение, среди них медузы (рис.2), осьминоги (рис.3), кальмары, каракатицы (рис.4), морские гребешки. Все они используют реакцию выбрасываемой струи воды, отличие только в строении тела, способе забора и выброса воды. Ученые уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара, его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру, а затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи.
Примеры реактивного движения можно встретить и среди насекомых. Подобным образом перемещаются личинки стрекоз, в минуту опасности для того, чтобы быстро переместиться на другое место. Вода заполняет полость тела личинки, затем с силой выбрасывается, и личинка перемещается по принципу реактивного движения на 6-8 см.
Даже в мире растений можно обнаружить реактивное движение. В плоде растения под названием «бешеный огурец» (рис.5) образуется большое давление, в результате чего плод отделяется от плодоножки, а семена с силой выбрасываются наружу, сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении.
Что касается самих людей? Мы очень часто используем технику, которая основывается на принципе реактивного движения.
Так работа огнетушителя (рис.6) основывается на высвобождении огнетушащего порошкового химического средства, который вытесняется под воздействием избыточного давления, что создается рабочим газом. Под воздействием давления порошок подходит к выпускному клапану, потом проходя через насадки, и попадает на очаг пожара через открытый выпускной клапан.
Почти у каждого на огороде установлена система полива (рис.7), но никто даже не задумывается, что ее действие строится на реактивном движении. Суть работы систем полива заключается в том, что вода поступает из распределительного трубопровода в поливной трубопровод. Когда поливной трубопровод заполняется полностью, то давление сразу повышается до расчетного. Именно под действием давления вода и вылетает из поливных капельниц.
Принцип реактивного движения можно увидеть и в движении тележки с пропеллером (рис.8). Во время того, когда воздух, который издает пропеллер, будет двигаться в одну сторону, а сама тележка будет двигаться в противоположную сторону. Следует отметить, что во время изменения направления движения струи воздуха, движение тележки также изменится автоматически.
Все любят воздушные шарики, а ведь в процессе, когда из шара выходит сжатый воздух, то сам шарик и совершает непосредственное реактивное движение (рис.9).
Люди и сами способны создавать реактивное движение. Так спрыгнув с лодки (рис.10,11,12), человек приобретает скорость, но лодка тоже изменяет свою скорость – она отплывает назад.
Рассмотрим ещё один интересный пример, как можно разогнать лодку без помощи вёсел. Реактивное движение возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами, поэтому если запастись достаточным количеством камней, то лодку можно разогнать и без помощи весел, действием только одних внутренних сил (рис. 13). Кидая камни, человек и лодка, получают толчок согласно закону сохранения импульса.
Глава II.
Реактивный двигатель: основные части, виды, применение.
История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Как же стреляла эта пушка? (рис.14) Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро.
Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром (рис.15). Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через, изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных реактивных двигателей. Венгерский физик Я.А. Сегнер в 1750 г. сконструировал реактивное колесо (рис.16). Вода из сосуда М, куда открыт сверху доступ воздуха, вытекает по двум загнутым трубкам и вращает силою реакции весь сосуд вокруг вертикальной оси. Ньютону же приписывают проект реактивного парового автомобиля (рис.17). Котел с водой поставлен на колеса. Внизу помещается топка. Пар, вырываясь из отверстия сзади, дает реакцию, которая должна двигать повозку.
В 1831 г. в Венеции было издано сочинение «Открытие, как управлять воздушным шаром». В нем описано применение ракет, подвешенных к шару. Реакция их, по мнению автора, достаточна, чтобы достичь Луны. Поворотами труб можно менять направление движения корабля.
В 1839 г. Нюрнбергский механик Ребенштейн предлагал использовать для изобретённого им аэроплана в качестве двигателя реактивное действие водяных паров или сжатого углекислого газа. В 1837г. появился рисунок его самолёта.
Точные расчёты для скорости ракеты впервые были получены в 1897 г. К. Э. Циолковским. Его расчёты позволяют оценить запасы топлива, необходимые для сообщения ракете заданной скорости. Для сообщения ракете скорости, превышающей скорость истечения газов в 4 раза (ʋp=16 км/с), необходимо, чтобы начальная масса ракеты (вместе с топливом) превосходила конечную ("сухую") массу ракеты в 55 раз (m0/m = 55). Это означает, что львиную долю от всей массы ракеты на старте должна составлять именно масса топлива. Полезная же нагрузка по сравнению с ней должна иметь очень малую массу. Значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Из процесса последующего разгона ракеты исключаются массы контейнеров, в которых находилось топливо, отработавшие двигатели, системы управления и т. д. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современное ракетостроение.
Реактивный двигатель - двигатель-движитель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела (рис.18). Составные части реактивного двигателя: камера сгорания («химический реактор») — в нем происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергию газов; реактивное сопло («газовый туннель») — в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию, когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем создавая реактивную тягу. Реактивные двигатели делятся на два класса: ракетные и воздушно-реактивные. В ракетных двигателях топливо и необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно внутри двигателя или в его топливных баках. На рис.19 показана схема ракетного двигателя на твердом топливе. Порох или какое-либо другое твердое топливо, способное к горению в отсутствие воздуха, помещают внутрь камеры сгорания двигателя. При горении топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Сила давления на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, где расположено сопло. Вытекающие через сопло газы не встречают на своем пути стенку, на которую могли бы оказывать давление. В результате появляется сила, толкающая ракету вперед. Суженная часть камеры — сопло служит для увеличения скорости истечения продуктов сгорания, что в свою очередь повышает реактивную силу. Сужение струи газа вызывает увеличение его скорости, так как при этом через меньшее поперечное сечение в единицу времени должна пройти такая же масса газа, что и при большем поперечном сечении. Раскаленные газы (продукты сгорания), выходя через сопло, вращают газовую турбину, приводящую в движение компрессор. Турбокомпрессорные двигатели (рис.20) установлены в лайнерах Ту-134, Ил-62, Ил-86 и др. Реактивными двигателями оснащены не только ракеты, но и большая часть современных самолетов. Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса благодаря большой скорости истечения рабочего тела (от 8 км/с до 50 км/с и более). Вместе с тем, общая тяга ЯРД (рис.21) может быть сравнима с тягой химических ракетных двигателей, что создает предпосылки для замены в будущем химических ракетных двигателей ядерными. Основной проблемой при использовании ЯРД является радиоактивное загрязнение окружающей среды факелом выхлопа двигателя, что затрудняет использование ЯРД (кроме, возможно, газофазных), на ступенях ракет-носителей, работающих в пределах земной атмосферы. Впрочем, конструктивно совершенный ГФЯРД, исходя из его расчётных тяговых характеристик, может легко решить проблему создания полностью многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя.
Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах в качестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. Твёрдотопливные ракетные двигатели используют в баллистических, зенитных, противотанковых и др. ракетах военного назначения, а также на ракетах-носителях и космических летательных аппаратах. Небольшие твёрдотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлёте самолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могут использоваться на космических летательных аппаратах.
Глава III.
Модели реактивных двигателей (эксперименты).
Реактивный воздушный шарик (воздушный двигатель).
Движение шарика является примером реактивного движения. Реактивное движение происходит за счёт того, что от тела отделяется и движется какая-то его часть, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс. Вырывающийся воздух из носика шарика заставляет его совершать движение (рис.22).
Есть и другой способ наблюдения. Haдуeм вoздушный шap и с помощью резинки вставим в носик шарика трубочку от сока. B тaзик нaльём вoду. Поместим нa вoду шap тaк, дадим возможность воздуху выйти из трубки. Boздуx будeт выxoдить, и шap нaчнeт вpaщaтьcя нa вoдe пoд дeйcтвиeм peaктивнoй cилы (рис.18).
Реактивная лодка (воздушный двигатель).
Построим лодочку из пенопласта, нагрузим её пробками, прикрепим к корпусу ручной вентилятор на батарейках. От своеобразного двигателя исходят потоки воздуха, которые создают реактивную силу, толкая лодку в противоположную сторону (рис.23).
Реактивная банка, прототип «Сегнерова колеса» (водяной двигатель).
Возьмём коробку из-под сока без верхней крышки. На равных расстояниях по верхнему ободу банки проделаем три маленьких отверстия и вставим в них прочные нити, с помощью которых можно будет подвесить банку к водопроводному крану. У донышка на боковой стенке банки проделаем пару отверстий напротив друг друга. Подвесим банку на водопроводный кран и откроем кран с водой, чтобы банка наполнилась. Банка начнет вращаться! (рис.24)
Реактивная рыбка (водяной двигатель).
На листе картона с помощью линейки и карандаша нарисуем рыбку длиной 5-7 сантиметров. Диаметр отверстия в середине рыбки должен составлять 5-7 мм, а ширина канала между отверстием и хвостом - 1-2 мм. Наполним тазик водой и аккуратно поместим на неё рыбку так, чтобы её нижняя сторона была смочена, а верхняя оставалась сухой. Набираем в пипетку растительного масла, капаем в отверстие рыбки 2-3 капли. Наблюдаем движение рыбки. Масло из отверстия потечёт по каналу в сторону хвоста, а рыбка начнёт двигаться в противоположную сторону. Растительное масло не смешивается с водой: попадая на её поверхность, оно растекается тонкой плёнкой. При этом возникает сила, толкающая рыбку в противоположную сторону. Чем быстрее вытекает масло, тем больше эта сила и тем стремительнее плывёт рыбка. Вытекающее масло - это жидкая реактивная струя, которая придаёт рыбке реактивную тягу (рис.25).
Содово-уксусная ракета.
Более тысячи лет назад китайцы изобрели пороховую ракету. Она представляла собою набитую порохом бумажную трубку, закрытую с одного конца. Когда порох горит, он выделяет газы под большим давлением. Сила давления газа, действующая на дно трубки, оказывается, не уравновешена, она толкает ракету вперед. Раньше думали, что ракета летит, отталкиваясь от воздуха. Но это, как вы поняли, не так. В безвоздушном пространстве ракета летит быстрее. Об этом, кстати, высказывался Исаак Ньютон, но его слова остались не замечены. И эту истину пришлось экспериментально доказывать уже в XX веке. Пороховые ракеты небезопасны. Но ведь ракету можно построить и без пороха. Топливом у нашей ракеты будет уксус и сода. В результате химической реакции сода и уксусная кислота образуют СО2 — углекислый газ, который и поднимет ракету вверх.
Итак, для создания уксусно-содовой ракеты нам понадобятся: пластиковая бутылка 1,5 литра, 4 карандаша одинаковой длины, скотч, пробка, 200 мл уксусной кислоты, 5 грамм соды, чайный пакетик. Сначала с помощью скотча приклеиваем к пластиковой бутылке со стороны горлышка четыре карандаша. Необходимо приклеить карандаши так, чтобы бутылка могла стоять строго вертикально и была достаточно устойчива. Затем заливаем в бутылку приблизительно 300 мл воды и аккуратно добавляем уксусной кислоты. Насыпаем в чайный пакетик соды, засовываем его в бутылку, держа за нитку пакетика так, чтобы он не соприкасался с кислотой, и закрываем бутылку пробкой (пробку предварительно подрезаем, чтобы она плотно затыкала горловину бутылки – от этого зависит высота полета ракеты). После этого на месте запуска (вдалеке от людей) переворачиваем бутылку-ракету на направляющие и отходим на безопасное расстояние (15-20 метров). В результате смешивания соды с уксусной кислотой происходит химическая реакция сопровождаемая выделением углекислого газа, который создаст в бутылке высокое давление и вытолкнет пробку, поднимая ракету вверх (рис.26).
Воздушная и водяная ракеты.
В качестве ракеты используем пластиковую бутылку. В первом опыте с воздухом, во втором – с водой. Для проведения эксперимента нам пришлось смастерить подставку из фанеры для шланга и соединительной муфты для соединения с бутылкой. Роль муфты выполняет быстрый разъём, который открывается с помощью велосипедного тормоза. Ещё необходим велосипедный насос для создания давления внутри нашего летающего аппарата. Итак, для запуска ракеты закрепляем бутылку в быстром разъёме до щелчка. В этом случае три фиксатора в быстром разъёме удерживают бутылку. Насосом будем нагнетать воздух, сделаем 10 полных накачиваний. Нажимаем велосипедный тормоз. В этом случае фиксаторы освобождают бутылку, и она, вследствие истекающего воздуха улетает, получив импульс точно в противоположном направлении. Теперь попробуем опыт с водой. Нальём в бутылку немного воды, повторим опыт. Разность высот полёта связана с весом истекающего вещества. Вода весит больше, импульс, приобретаемый ракетой – больше, чем в случае с воздухом (рис.27).
Все эксперименты записано на видео и будут представлены при защите работы.
Глава IV.
Ракеты: от истоков до наших дней.
На данный момент ученые не могут ответить на вопрос, когда точно появились первые прототипы ракет, но утверждается, что первые рисунки устройств, напоминающих ракеты, были обнаружены в вавилонских рукописях, датируемых 3200 годом до нашей эры. В 360 году до нашей эры грек Архитос Тарентийский, последователь Пифагора и создатель раздела науки, ныне известной как механика, продемонстрировал принцип реактивного движения. Его глиняная птица – голубь, наполненный водой и подвешенный над огнем, - демонстрировал силу пара, вращаясь вокруг планки, на которой он был закреплен. Уже во втором столетии нашей эры китайцы применяли «огненные стрелы». К стреле привязывалась бумажная трубка, заполненная порохом с зажигательным составом в головной части. Эта установка напоминала реактивный снаряд. Стрела выпускалась с зажженной ракетой из обычного воинского лука, а ее оперение обеспечивало устойчивость в полете. В 678 году «огонь» был применен для защиты крепости, во время осады Константинополя. Огненная смесь была вылита в море и подожжена, в результате море горело более суток, сгорели почти все люди и корабли. Столь небольшой прогресс натолкнул Марка Грека в 8 веке написать первое учебное пособие по подготовке ракетчиков – «Огненная книга». В книге подробно описывалось, как использовать «огненные стрелы», то есть ракеты.
В конце 14 века и европейцы уже оказались морально готовыми к появлению новой техники. А в 1379 году итальянец Маратори при описании пороховых зажигательных стрел впервые употребил понятие «ракета». Вскоре начинают появляться первые сочинения, посвященные военному применению ракет. В 1405 году Конрад Кайзер выпустил работу «Военные укрепления», в которой описал способы применения боевых ракет. Спустя пять лет Жан Фроиссарт описал конструкцию ракет и пусковых устройств для них в своих «Хрониках». А еще через десять лет Джованни Фонтан издал «Энциклопедию военных инструментов», к которой приложил альбом военных ракет.
Впервые массово использовались ракеты войсками Жанны Д’Арк в Западной Европе при защите Орлеана. А затем французами при осаде Андемира в 1449 году, Бордо в 1452 году и Гента в 1453 году. Судя по всему, в 15 – 16 веках ракеты стали обычным явлением на поле боя. И вскоре конструкторы Средневековья начали всерьез задумываться над проблемой применения принципов реактивного движения для иных целей. В конце 17 века ракетное оружие появляется на Руси. Причем это уже не те «огненные стрелы», а совершенно новое оружие. В 1680 году в Москве открылась первая фабрика по производству армейских осветительных ракет.
Большое внимание ракетному оружию уделял и Петр I. Он руководил изготовлением фейерверочных ракет, тогда же в России было организовано массовое производство пороха высокого качества. В 1717 году была разработана знаменитая сигнальная ракета, которая без всяких изменений прослужила русской армии порядка 150 лет. В те же года, когда в России налаживалось массовое производство ракет, великий английский физик Исаак Ньютон сформулировал универсальные законы движения, которые оказали непосредственное влияние на ракетную технику. Фундаментальным принципом работы реактивного движения является третий закон – «Для каждого действия имеется равная и противоположная реакция». В 1867 году Ньютон впервые определил скорость и высоту подъема, необходимые для вывода ракеты на геостационарную орбиту.
Благодаря трудам русских офицеров Александра Засядко и Константина Константинова русская ракетная техника по своим летным и эксплуатационным характеристикам превосходила зарубежные образцы. В боевых ракетах, созданных Засядко, использовался пороховой двигатель фейерверочной ракеты, стенки камеры из железа, а не из картона и деревянный шест для стабилизации полета. Полезным грузом в ракетах Засядко был зажигательный состав или граната. Первое боевое применение ракеты Засядко получили во время русско-турецкой войны. Константина Константинова называют «отцом русской ракетной техники» за дальнейший шаг в совершенствовании пороховых ракет. Он же стал основоположником экспериментальной ракетодинамики и организатором производства ракет на черном дымном порохе.
Конец 19 века можно охарактеризовать как период формирования нового мышления, когда человек пристально взглянул на ракеты, как на средство достижения других миров. И здесь чрезвычайно велико значение работ Константина Эдуардовича Циолковского. Он разработал схемы ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий с реактивными двигателями на жидком топливе. Это было по-настоящему революционное решение. Стоит выделить еще одну идею Циолковского, он предложил два способа управления полетом ракеты в верхних разреженных слоях атмосферы: применение графитовых рулей и поворачивание сопла двигателя. В 1903 году Циолковский опубликовал работу – «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где сделал подробный расчет ракет, предназначенных для преодоления земного притяжения. Все эти предложения нашли широкое применение в развитии современной ракетной технике.
Первые два десятилетия 20 века оказались не очень продуктивными для ракетной техники, однако после окончания Второй Мировой войны и разделения мира на две политические системы началось существенное ускорение научно-технического прогресса. Началась «гонка вооружений». Стремительно совершенствовались все виды вооружений, в том числе и твердотопливные ракеты, которые сегодня почти полностью вытеснили ствольную артиллерию и находятся на вооружении всех родов войск, начиная от переносных ракетных установок до ракетных комплексов и межконтинентальных баллистических ракет.
Как выглядит в общих чертах современная ракета сверхдальнего действия? Прежде всего, это многоступенчатая ракета. В головной части её размещается боевой заряд, позади него - приборы управления, баки и, наконец, двигатель. В зависимости от топлива стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз! Поэтому весит она много десятков тонн, а в длину достигает высоты десятиэтажного дома (рис.24). Каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют её устройство.
В настоящее время двигатели баллистических ракет преимущественно работают на жидком топливе. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Наиболее ответственной частью ракеты является двигатель, а в нём - камера сгорания и сопло. Запускается баллистическая ракета со специального стартового устройства. Часто это ажурная металлическая мачта или даже башня, около которой ракету собирают по частям подъёмными кранами. Площадки на башне размещаются против смотровых люков, через которые проверяют и налаживают оборудование. Потом ракету заправляют топливом, и башня отъезжает. Стартуя вертикально, ракета затем наклоняется и описывает почти строго эллиптическую траекторию. Значительная часть траектории полёта таких ракет проходит на высоте больше 1000 км над Землёй, где сопротивление воздуха практически отсутствует, однако с приближением к цели атмосфера начинает резко тормозить движение ракеты, при этом оболочка сильно нагревается, и, если не принять меры, ракета может разрушиться, а её заряд - преждевременно взорваться.
Как видим, реактивное движение пустило свои корни глубоко в прошлое. Это, казалось бы, простое явление требовало многовекового изучения. Время, потраченное на изучение явления реактивного движения не было использовано зря, ведь теперь люди очень широко используют его: от создания простейших игрушечных корабликов или фейерверков, до ракет-носителей, межконтинентальных баллистических ракет, кораблей, подводных торпед и т.д.
Заключение
Итак, в заключении необходимо отметить, что явление реактивного движения изучено. Работать в данном направлении было интересно. Пришлось изучить много теоретического материала. Кроме того, мной разработаны и созданы модели реактивных двигателей, которые можно успешно применять на уроках физики. Я горжусь проделанной работой. Считаю, что цель работы достигнута. Поставленные задачи решены, а именно: изучены физические основы реактивного движения, применения закона сохранения импульса; систематизирована информация по реактивным двигателям, их видам и применению; созданы свои модели реактивных двигателей, представлены в действии (сделан видеоролик https://disk.yandex.ru/i/jJRsbA4rTCoeQw); на историческом материале показано развитие ракетостроения и его значимость в современном мире. Считаю, что гипотеза о том, что изучение реактивного движения будет более понятным и осмысленным, если применять на уроках различные устройства для его демонстрации, доказана. Материал данной работы можно использовать в качестве дополнительного материала при изучении темы «Реактивное движение», а модели реактивных двигателей готовы к использованию на уроках.
В настоящее время, благодаря многим учёным, изучение реактивного движения продвинуто, но насколько оно продвинуто и сколько осталось до конца пути, никто не знает. Человек уже был в космосе, но он понимает, что не увидел и одной миллиардной доли того, что бы хотел увидеть. Значит, и сегодня человеческая мысль направлена на решение задач, связанных с космическими полетами. Любите физику! Ведь как сказал К. Э. Циолковский: «Невозможное сегодня станет возможным завтра".
Список литературы и источников информации
1. Арлазоров А. Циолковский К.Э. М.: Молодая гвардия, 1963.
2. Балашов М.М. Физика: Механика. 9 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики/ Под ред. Г.Я.Мякишева. – 3-е изд. – М.:Дрофа, 2001.
3. Космодемьянский А.А. Циолковский К.Э. М.: Наука, 1976.
4. Лансберг Г.С. Элементарный учебник физики: Г.С.Лансберг, – М.: Наука, 1985.
5. Пономарев Е. Опыты для изучения реактивного движения. Лаборатория кванта http://kvant.mccme.ru/
6. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Учеб. пособие для вузов.. Механика. – 5-е изд., стереот. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2006.
7. https://docplayer.ru/38528552-Nauchno-issledovatelskaya-rabota-reaktivnoe-dvizhenie-v-voennoy-tehnike-rossiyskie-reaktivnye-sistemy-zalpovogo-ognya.html
8. http://class-fizika.ru/op13-6.html
9. https://urok.1sept.ru/articles/311244
10. https://nauka.club/fizika/reaktivnoe-dvizhenie.html
11. https://stud.wiki/physics/3c0a65635a2ad78b4c43a89421206d27_0.html
Приложение
Иллюстрации к работе
-
Стрельба из пушки.
-
Медуза
-
Осьминог.
-
Кальмар
-
Бешенный огурец.
6. Огнетушитель.
7.Система полива.
8. Тележка с пропеллером
9. Сдувающийся шарик.
10. Человек прыгает с лодки.
11. Векторы импульсов.
12. Силы, действующие на лодку.
13. Плывем за счет мячей.
14. Архимедова пушка.
15. Геронов шар.
16. Сегнерово колесо.
17. Прототип парового автомобиля И. Ньютона.
16. Паровой автомобиль Ньютона.
18. Ракетный двигатель.
19. Твердотопливный ракетный двигатель(ТРД).
20. Турбокомпрессор.
21. Ядерный реактивный двигатель(ЯРД).
22. Шарик с трубочкой.
2 3. Лодочка из пенопласта.
24. Прототип Сегнерова колеса.
2 5. Реактивная рыбка.
26. Содово-уксусная ракета.
27. Воздушная и водяная ракеты.