V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ракетостроение. Реактивное движение
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Нет никого на Земле, кто мог бы равнодушно смотреть на величественное безмолвное ночное небо. Тысячи сверкающих звёзд, яркие планеты, изредка появляющиеся пугающие хвостатые кометы, периодически случающиеся затмения – всё это тысячелетиями волнует человечество.
В наше время легче объяснить, почему до звезд добраться невозможно. Они расположены слишком далеко, да и денег на такие путешествия у нас нет. Тем не менее, причины, по которым нам все же стоит вернуться к этой теме, становятся все более вескими. Астрономы открыли множество планет вокруг близлежащих звезд. Рано или поздно они обязательно найдут похожую на Землю планету, расположенную в месте, идеально подходящем для появления жизни, — и в ту же минуту у нас появится непреодолимо притягательная цель, тем более, что наши технологии также стали более эффективными, чем те, что были в 1960-х.
И не секрет, что это десятилетие войдет в историю как начало эры коммерческого космоса - маленькие и большие компании ищут способ заработать на космонавтике. Сегодня у освоения космоса впервые в истории появляется экономический стимул.
Поэтому, когда я смотрю на звездное небо, я часто задаю себе вопрос - достаточно ли мы безумны, чтобы планировать полет туда, куда нам не суждено добраться? И хочется ответить – да! Но я понимаю, чтобы полететь к звездам, нам понадобятся не только новые материалы и двигатели, но и старые идеалы! А это не что иное, как ракета!
Поэтому меня заинтересовало устройство ракеты и принципы ее движения. Считаю данное направление особенно актуальным, потому что наука шагает семимильными шагами, и недалеко то время, когда мы станем настоящими гражданами Вселенной.
Но выбирая данное направление, я понимал, что для меня, ученика 7 класса – есть огромная личная научная проблема, которую можно разбить на составляющие:
недостаточность (дефицит) моих научных знаний о данной отрасли - ракетостроения;
недостаточность (дефицит) моих научных знаний о принципах движения ракеты;
Поэтому свою работу я начал с поиска решения проблем, для этого для себя я сформулировал два основных вопроса:
Как устроена ракета?
За счет чего она летает?
Для реализации исследования, были поставлены следующие цели:
Изучить устройство ракеты;
Изучить принципы движения ракеты;
Что мне интересно больше всего? Конечно, попробовать самому сделать модель ракеты. В связи с чем, у меня возникла гипотеза: если в процессе проектной деятельности у меня получится создать свою собственную модель ракеты и запустить ее в воздух, то значит, я разберусь в принципах устройства современных ракет и принципах реактивного движения.
Для подтверждения своей гипотезы я определил область исследования, откуда я должен подчерпнуть необходимую мне информацию – это отрасль научной космонавтики и ракетостроения. Это именно та часть научных знаний, с которой мне необходимо поработать.
Учитывая все вышеизложенное, объектом своего исследования я выбрал - ракету и ее устройство. Принципы реактивного движения.
Из изученного в школе, мы знаем, что для решения проблемы, необходимо выделить и построить список задач, которые бы позволили сузить область исследования до нужных границ. В результате мной были сформулированы следующие задачи:
Разобраться в принципах устройства ракеты.
Разобраться в принципах действия ракеты.
Узнать, что же такое реактивное движение?
Найти примеры практического применения реактивного движения в природе
Примеры практического применения реактивного движения в технике
Поэтапное решение этих задач позволит мне самому смоделировать ракету, которая будет являться предметом моего исследования. Что в целом подтвердит или опровергнет мою гипотезу.
И, как результат практической значимости – поделиться своими знаниями, выступить с презентацией проекта и продемонстрировать ракету перед ребятами из класса.
Теоретическая часть
1.1. Устройство ракеты
В настоящее время создано большое количество различных видов ракетной техники, рассмотрим наиболее характерные особенности составных частей ракеты.
Ракета состоит из:
Космического корабля – там живут космонавты;
Приборного отсека – там проводятся все исследования и там располагаются все нужные инструменты и приборы;
Бака с окислителем;
Бака с горючим;
Насосов, которые подают окислитель и горючее в камеру сгорания;
Камера сгорания, в которой сжигается горючее;
Сопло, из которого с огромной скоростью вылетают горящие газы.
Когда газы резко вылетают из сопла – ракета устремляется вверх. Окислитель играет роль кислорода – без него в космическом вакууме не может происходить горение, и кислород решили заменить окислителем.
Принципы действия ракеты
Вот мы и дошли до самого, на мой взгляд, интересного, сейчас мы узнаем - каково устройство многоступенчатой ракеты. Разберем на классическом примере ракеты для полета в космос, описанном в трудах Циолковского, родоначальника ракетостроения. Именно им первым была опубликована принципиальная идея изготовления ракеты многоступенчатой.
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.
Первая ступень космической ракеты самая большая, в ракете для полета в космос, двигателей 1ой ступени может быть до 6 и более,
чем тяжелей груз необходимо вывести в космос, тем больше двигателей в первой ступени ракеты. В классическом варианте их три, расположены симметрично по краям равнобедренного треугольника как бы опоясывающего ракету по периметру. Эта ступень самая большая и мощная, именно она отрывает ракету от Земли. Когда топливо в первой ступени ракеты израсходовано вся ступень отбрасывается. После этого движением ракеты управляют двигатели второй ступени. Их иногда называют разгонными, поскольку именно с помощью двигателей второй ступени ракета достигает первой космической скорости, достаточной для выхода на околоземную орбиту.
Так может повторяться несколько раз, при этом каждая ступень ракеты весит меньше предыдущей, поскольку с набором высоты сила притяжения Земли уменьшается. Сколько раз повторяется этот процесс столько и ступеней содержит космическая ракета. Последняя ступень ракеты предназначена для маневрирования и доставки полезного груза и космонавтов к месту назначения.
1.3 Реактивное движение
В ходе проектной деятельности, возник интресный вопрос. Как работать ракете в случае безвоздушного пространства? От чего отталкиваться в космосе? Там нет воздуха, там ничего нет. Как осуществлять полеты в космосе? Вот тут-то и приходит на помощь закон сохранения импульса и принцип реактивного движения. Разберем подробнее, что собой представляет реактивное движение?
Реактивное движение — это движение, которое возникает при отделении от тела некоторой его части с определенной скоростью. При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело в сторону, противоположную направлению движения отделяющейся от него части тела.
Реактивное движение, например, выполняет ракета (в камере сгорания топливо горит и с огромной скоростью вылетает из сопла). Ракета и раскалённые газы взаимодействуют: газы направляются в одну сторону, а ракета устремляется в другую ). Особенностью этого движения является то, что тело может ускоряться и тормозить без какого-либо внешнего взаимодействия с другими телами.
Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому. Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения, и рассчитал запасы топлива, необходимые для преодоления силы земного притяжения, основы теории жидкостного реактивного двигателя, а также элементы его конструкции, теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работает одновременно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом). К. Э. Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет с жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций, предложил идею автоматического управления ракетой.
Труды К. Э. Циолковского явились теоретической базой для развития современной ракетной техники.
Примеры практического применения реактивного движения в природе
Сейчас настала эпоха космических открытий, и человек летает в космос чуть ли не каждый день. Казалось бы, что могло послужить примером реактивного движения кроме самолётов и ракет? Оказывается, не только человек может использовать реактивное движение. Природа уже дано научилась использовать простую и экономичное реактивное движение. Примеры реактивного движения можно обнаружить как в мире растений, так и в мире животных.
В южных странах произрастает растение под названием "бешеный огурец". Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами. Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.
В мире животных - реактивное движение используется многими моллюсками – осьминогами, кальмарами, каракатицами. Например, морской моллюск-гребешок движется вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок. Осьминог и каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движутся в воде следующим способом. Она забирают воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны.
Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед. Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшего совершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету.
Примеры практического применения реактивного движения в технике
В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты - бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону.
Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881 г. за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Кибальчич писал: “Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении…Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною”.
Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. В этой работе содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формула Циолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.
Советские ракеты первыми достигли Луны, облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, первыми достигли планету Венера и доставили на её поверхность научные приборы. В 1986 г. Два советских космических корабля «Вега-1» и «Вега-2» с близкого расстояния исследовали комету Галлея, приближающуюся к Солнцу один раз в 76 лет.
Практическая часть
Опыты, демонстрирующие реактивное движение.
2.2.1 Реактивный воздушный шарик
Возьмите детский воздушный шарик и надуйте его как можно сильнее. Прежде чем его крепко завязать ниткой, вставьте в отверстие загнутую тонкую трубку — пустой стерженек от шариковой ручки. Предварительно наружный кончик стерженька оплавьте на спичке, чтобы не проходил воздух.Сбоку шарика приклейте лейкопластырем нитку и подвесьте на ней шарик. Теперь, когда шарик подвешен, трубка оказалась на экваторе. Важно проследить, чтобы изгиб трубки находился в горизонтальной плоскости. Когда шарик успокоится, перестанет качаться, отрежьте ножницами кончик заглушенной трубки. Воздух из шарика начнет выходить, и шарик будет вращаться. Этот же опыт можно проделать и, не подвешивая шарика. Налейте в маленький тазик воду, положите на воду шарик, и он начнет быстро вертеться на одном месте. Тазик должен быть меньше диаметра шарика.
Надуйте детский воздушный шар, и прежде, чем перевязать отверстие ниткой, вставьте в него согнутый под прямым углом пустой стержень от шариковой ручки. Чтобы воздух не выходил, наружный конец стержня заглушите с помощью спички. В маленький тазик, размером меньше диаметра шара, налейте воду и опустите туда шар так,чтобы стержень торчал сбоку. Выньте спичку. Воздух из шара будет выходить, и шар начнет вращаться по воде под действием реактивной силы.
Реактивное действие оказывает не только струя газа, но и струя жидкости.
2.2.2 Реактивная банка.
Возьмите пустую консервную банку или коробку из под сока без верхней крышки. На равных расстояниях по верхнему ободу банки проделайте три маленьких отверстия и вставьте в них прочные нити, с помощью которых можно будет подвесить банку к водопроводному крану. У донышка на боковой стенке банки проделайте пару отверстий напротив друг друга диаметром около 5 см. Подвесьте банку на водопроводный кран и откройте кран с водой, чтобы банка наполнилась. Банка начнет вращаться! Отрегулируйте силу водяной струю так, чтобы вращение не прекращалось.
Опыт с консервной банкой, у которой пробиты возле донышка отверстия, прост и может быть повторен дома. В этом случае нитку, которая держит банку, нужно привязать к водопроводному крану. Открутив кран, наполните банку водой, и она начнет вращаться. Можно так отрегулировать струю воды, что банка будет вращаться неограниченное время. Кораблик, у которого роль реактивного двигателя играет резиновый шарик и легкая трубочка подходящего диаметра, сделать не трудно. Можно вместо кораблика такой двигатель установить на легкой тележке
2.2.3 Водяной двигатель
Возьмите небольшую пластиковую бутылку и вырежьте кусок пенопласта в форме лодочки. Проделайте в пенопласте отверстие и вставьте бутылку.Под пенопластом сбоку в бутылке проделайте отверстие, закройте бутылку пробкой, а через отверстие в пробку просуньте в бутылку конец гибкой резиновой или пластиковой трубки. Второй конец трубки прикрепите к велосипедному насосу или резиновой груше. Нажимая на поршень насоса или на грушу, вы заметите перемещение вашей лодочкив сторону противоположную направлению струи воды, выбрасываемой из бутылки. При поднятии поршня насоса или отпускании груши лодочка двигаться не будет.
Ход опыта:
Гвоздем сделайте два отверстия у основания стакана по диаметру соломинок.
Вставьте сгибаемую часть трубочек в каждое отверстие и плотно залепи стыки пластилином. Все трубочки должны смотреть по часовой стрелке. По верхнему краю стакана сделайте еще два отверстия, протяните через них два коротких отрезка шпагата, свяжи их к нему кусок длинного шпагата и подвесь пол краном над раковиной. Направь струю воды из крана в стакан.
Результат: Стакан вращается в направлении, противоположном от выхода воды.
Объяснение результата: Вода, выходящая из трубочек, толкает их в обратном направлении.
2.2. Моделирование ракеты
Изучив принципы деятельности и устройства ракеты, проведя опыты по реактивному движению, я пришел к выводу, что для того, чтобы мне сделать ракету самому, мне потребуется:
Пластиковая бутылка со стандартным горлышком;
Пробка;
Ниппель, он же золотник;
Велосипедный насос;
Материал для изготовления прочих частей ракеты (картон, пластик и т.п.)
Пусковая установка.
Продумав набор материала для моего строительства ракеты, возник вопрос о строительстве пускового устройства. Сразу встал вопрос о чертежах. В этом мне помог дедушка. Вместе с ним мы изобразили будущее наше устройство на бумаге (пока в виде рисунка, но с уже нужными очертаниями), потом определились с размерами. Было важным соблюсти все эти размеры, чтобы все детали совпадали друг с другом.
И, вот, два дня работы, и наша пусковая установка, мы ее назвали ПУ – стала готова для размещения, прицеливания, предстартовой подготовки и пуска нашей ракеты.
В ходе работы основная сложность заключалась в изготовлении и применении пробки. Пробки много раз ломались, терялись и не подходили под ракету.
Но, в конце концов, я решил сделать «пробку» из резины. Вышло превосходно, но оказалось, что металлический держатель слишком большой для неё. Пришлось и держатель изменить.
Заключение
Когда я сейчас смотрю очередной запуск ракетной установки, то перед глазами встает - моя пусковая установка с маленькой пластмассовой ракетой, и я горжусь тем, насколько человек умен и изобретателен. И я, могу уверенно сказать, что гипотеза, что вынесенная в начале моей работы полностью подтвердилась. У меня получится создать модель и запустить ее в воздух, для этого мне пришлось действительно разобраться в принципах реактивного движения, а также в принципах устройства современных ракет. Тем самым мне удалось достичь цели проекта.
В настоящее время благодаря многим учёным со всего света, 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.
Практическая значимость
Работа над проектом помогла мне изучить область практического применения принципов реактивного движения, наглядно и понятно показать, как действует реактивный двигатель. Я так же понял, что умение анализировать имеющие факты, умение сопоставлять и прогнозировать, умение находить пути решения возникающих ситуаций – все это приходит с опытом, с практикой. Приобретенные навыки очень важны, они позволяют снова и снова получить удовлетворение от своих маленьких открытий, маленьких пластмассовых ракет даже если они уже давно открыты и известны!
Список источников.
festival.1september.ru
http://class-fizika.spb.ru
http://epizodsspace.testpilot.ru/bibl/rynin/rak-i-dvig/rynin-rakety.html
http://markx.narod.ru/pic/
http://www.rtc.ru/encyk/bibl/New/rynin/rak-i-dvig/rynin-rakety.html
http://www.uer.varvar.ru/flora_fauna_pacific10.htm
ru.wikipedia.org
www. school-collection.edu.ru
Гельфер Я. М. Законы сохранения. – М.: Наука, 1967.
Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
Детская энциклопедия. – М.: Издательство АН СССР, 1959.
Кузов К. Мир без форм. – М.:Мир , 1976.
Мультипликационный фильм «Ну, погоди!»
Физика. 9кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений/А.В.Перышкин, Е.М.Гутник. -5-е изд., стереотип.-М.:Дрофа,2002.-256с.