VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ДОРОГА В КОСМОС
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В детстве многие мечтали
В звёздный космос полететь.
Чтоб из этой звёздной дали
Нашу землю осмотреть!
Издавна человека волновала и манила высь неба, усыпанная звёздами. Юрий Гагарин первым из землян осуществил мечту человечества – увидел нашу Землю из космоса. Меня тоже интересует вопрос - почему ракеты взлетают? Почему именно на ракетах летают в космос?
Для этого мы решили провести исследовательскую работу.
Цель работы:
- создание модели ракеты своими руками
Задачи:
- расширить свои представления о космосе;
- узнать, какие законы физики действуют при взлёте ракеты;
- познакомиться с устройством ракеты;
- пропагандировать знания о космосе ;
- заинтересовать и привлечь внимание ровесников к изучению космоса.
Объект исследования: приобщение одноклассников к изучению космоса.
Предмет исследования: создание модели ракеты своими руками.
Гипотеза: работа над созданием модели ракеты своими руками будет способствовать не только собственному самообразованию и расширению кругозора, но и привлечет интерес учащихся начальной школы к изучению космоса, истории космонавтики, повлияет в будущем на выбор профессии в этом направлении.
Методы:
- изучение литературы;
- анкетирование;
- поиск материала в Интернете;
- наблюдение;
- посещение виртуальных музеев.
II. Основная часть
1. Давняя мечта человека
С глубокой древности люди мечтали летать, как птицы. О своих фантазиях наши предки рассказывали в сказках. Сказочные герои отправлялись в полет на ковре-самолете, в ступе и на метле. Многие герои по-своему передвигались по воздуху. Баба Яга в ступе, Маленький Мук в волшебных тапочках, Карлсон на своем моторчике. Но 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.[1] С тех пор поэтичный образ Икара стал воплощением мечты человека о полете.
Но 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 думали над вопросом: как сделать воздушный шар управляемым? Были попытки использовать руль и весла, но все безрезультатно. Пока, наконец, не придумали двигатель. Появились дирижабли.
Но и дальше 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]
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.
Прошли годы, и люди сумели покорить воздушное пространство Земли. Но они всё равно мечтали и о космическом пространстве.
Ученые придумали космический корабль для полета в космос. Прежде они решили проверить безопасность полетов на четвероногих помощниках – собаках. Выбирали собак не породистых, а дворняжек – ведь они и выносливы и неприхотливы. [2] Космический корабль с четвероногими космонавтами – Белкой и Стрелкой облетел вокруг Земли 18 раз.
Чуть позже полетел в космос самый первый космонавт Земли - Юрий Алексеевич Гагарин.
Его первый полёт в космос был самым трудным и опасным.
В настоящее время космонавты летают на современных высокоскоростных аппаратах.
2. Кто придумал ракету?
Оказывается, что ракеты человек изобрёл очень давно. Их придумали в Китае много сотен лет тому назад. Китайцы использовали их для того, чтобы делать фейерверки. Они долго держали в секрете устройство ракет, им нравилось удивлять чужестранцев. Но некоторые из этих удивлённых чужестранцев оказались людьми очень любознательными. Вскоре во многих странах научились делать фейерверки и праздничным салютом отмечать торжественные дни.
Ещё при Петре I была создана и применялась однофунтовая сигнальная ракета "образца 1717 года", остававшаяся на вооружении до конца XIX века. Она поднималась на высоту до одного километра. Некоторые изобретатели предлагали использовать ракету для воздухоплавания. Научившись подниматься на воздушных шарах, люди были беспомощны в воздухе.[3,с. 95-97]
Управляемый аппарат тяжелее воздуха — вот о чем мечтал Никола́й Ива́нович Киба́льчич — русский революционер, народоволец, изобретатель в каземате Петропавловской крепости, осужденный на казнь за покушение на царя. За десять дней до смерти он завершил работу над своим изобретением и передал адвокату не просьбу о помиловании или жалобу, а "Проект воздухоплавательного прибора" (чертежи и математические расчеты ракеты.) Именно ракета, считал он, откроет человеку путь в небо.
Н. Кибальчич размышлял о том, как применить для полета энергию газов, образующихся при воспламенении взрывчатых веществ. В своих рассуждениях он пришел к идее не самолета, а именно звездолета, так как его аппарат мог двигаться и в воздухе, и в безвоздушном пространстве. [4,с.216-217] В своем "Проекте..." он писал: «Я верю в осуществимость моей идеи. Если мои идеи после тщательного обсуждения учеными-специалистами будут признаны осуществимыми, то я буду счастлив …»
3. Как же ракета взлетает?
Интерес к космической теме возник у меня уже давно. Сначала это были различные конструирования моделей ракет.
Еще в дошкольном возрасте мне не давала покоя мысль : как взлетают ракеты? И как они могут долетать в космос? Я решил экспериментировать. Первая моя ракета была поделкой в детском саду, которую я подбрасывал и наблюдал за полетом. Взлетала она невысоко и при сильном ветре ракету уносило в сторону.
Для утяжеления и для большей обтекаемости я попробовал обмотать корпус ракеты фольгой. При запуске ракету меньше сносило в сторону и полет длился дольше по времени.
Так же по моей просьбе, папа мне изготовил ракету из фанеры, мы ее раскрасили и покрыли лаком, но она тоже взлетала не очень высоко, то есть настолько с какой силой ее подкидывали вверх.
В школе я научился хорошо читать , родители мне приобрели энциклопедию про космос и прочтя ее, я понял : чтобы ракета взлетала достаточно высоко , ей необходимо от чего то оттолкнуться , а так же ракета должна иметь двигатель, что бы преодолеть атмосферу.
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 сразу много 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.
Форма ракеты (как веретёнце) связана только с тем, что ей приходится по дороге в космос пролетать через воздух. Воздух мешает лететь быстро. Его молекулы стукаются о корпус и тормозят полёт. Для того, чтобы уменьшить воздушное сопротивление, форму ракеты и делают гладкой и обтекаемой.
Взлет ракеты.
Взлетом космической ракеты сейчас можно полюбоваться и по телевизору, и в кино. Ракета вертикально стоит на бетонном стартовом столе. По команде из пункта управления включаются двигатели, мы видим загорающееся внизу пламя, мы слышим нарастающий рев. И вот ракета в клубах дыма отрывается от Земли и сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее устремляется вверх. Через минуту она уже на такой высоте, куда не могут подняться самолеты, а еще через минуту – Космосе, в околоземном безвоздушном пространстве.
Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона, сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленную ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты – тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.
Если двигатели ракеты мощные, ракета очень быстро набирает скорость, достаточную для того, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту. [6,с.111] Эта скорость называется первой космической скоростью и равна приблизительно 8 километрам в секунду. Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем – азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.
Для того чтобы понять работу реактивного двигателя проведем опыт с воздушным шариком. Надуем воздушный шар и не завязывая отпустим его. Он со смешным звуком быстро начнет метаться из стороны в сторону, пока не сдуется . Шарик полетел потому, что из него выходил воздух. А это и есть реактивное движение. Есть такой закон природы: если от предмета отделяется его часть, то этот предмет начинает двигаться в противоположную сторону.
Почему так трудно полететь в космос? Дело в том, что там нет воздуха. Там пустота, она называется вакуум. Поэтому там нельзя использовать ни самолёты, ни вертолёты, ни воздушные шары. Самолёты и вертолёты при взлёте опираются на воздух. Воздушный шар поднимается в небо, потому что он лёгкий и воздух выталкивает его вверх. А вот ракете, чтобы взлететь, воздух не нужен.
2. Практическая часть
1. Анкетирование
В начале работы над созданием своей модели ракеты было проведено анкетирование одноклассников и выявлено, что учащиеся не интересуются историей космонавтики, мало знают о космосе. Результаты тестов удалось отобразить с помощью диаграмм. (Приложение 1).
На вопрос о том, кто первым полетел в космос , почти все ребята ответили верно. А вот на вопрос «Что такое космос?» больше половины учащихся ответили, что не знают.
Радует то, что все ребята слышали о планетах солнечной системы, поэтому и назвали планеты, но только не все. А вот модель ракеты своими руками хотят создать почти все учащиеся.
2. Создание модели ракеты
Изучив результаты, анкетирования и убедившись в правильности выбора темы, я продолжил работу над созданием модели ракеты своими руками. (Приложение 2). Книжки с иллюстрациями тоже завораживали воображение, но, опять же, хотелось создать своми руками модель ракеты.
Помогли занятия в кружке «Авиамоделирование». Так появилась моя модель ракеты.
Действующая модель пневмогидравлической ракеты, которая летит, благодаря действию реактивной силы. Ее полет основан на том, что из корпуса ракеты под давлением сжатого воздуха вытесняется струя воды, заставляя ракету двигаться в противоположном направлении.
|
Схема пусковой установки для водяной ракеты) |
В качестве корпуса ракеты была взята пластиковая бутылка. В качестве пусковой установки использована вертикально установленная на деревянную станину пластиковая трубка. На эту трубку герметично надевается бутылка, заполненная водою примерно на 1/3. В нижней части трубки установлен ниппель от велосипедной камеры, через который насосом накачивается воздух. При накачивании воздуха в бутылке создается высокое давление над водой в верхней части корпуса ракеты. Воздух выталкивает воду через горлышко. И когда бутылка срывается с пусковой установки, струя воды продолжает вырываться вниз, создавая реактивную тягу, и толкая ракету вверх. Высота взлета ракеты, изготовленной на основе полуторалитровой бутылки, при запуске составляла до 30 м .
Несмотря на то, что ракета на водяном реактивном двигателе не более чем игрушка и в реальной жизни такие двигатели не используются, этот же принцип положен в основу работы судов с водометным двигателем. Он активно используется на плавающей бронетанковой технике и малых судах, работающих на мелководье.
Используемые материалы: 1,5-х литровая пластиковая бутылка, горлышко от еще одной бутылки, резиновая пробка, металлопластиковая водопроводная труба (длина примерно 50 см), стальной уголок, две клипсы для установки труб на стену, ниппель (попросили в шиномонтажном управлении уже использованный ниппель от автомобильного диска), доска, велосипедный насос.
Изготовление: В трубку с одного торца эпоксидной жидкостью вклеиваем ниппель, у которого надо будет сначала подрезать резиновую часть. К нему будем подсоединять насос.
На середину трубки надеваем обрезанное горлышко от бутылки и тоже приклеиваем его. Оно нужно для того, чтобы фиксировать пробку и не давать ей слезать с трубки.
Потом надеваем на трубку пробку из какого-нибудь материала типа резины. У нас это был застывший в тубе силиконовый герметик, который вырезал в виде цилиндра с отверстием внутри. Пробка нужна для того, чтобы бутылка с водой плотно "сидела" на трубке. Если подходящей резины не найдется, можно просто намотать несколько слоев изоляционной ленты. Делаем опору, которая будет удерживать трубку в вертикальном положении. Для этого на металлический уголок, купленный в магазине стройматериалов, прикручиваем пластиковые клипсы. С помощью них можно ставить и снимать трубку с опоры. Уголок для устойчивости прикручиваем на станину - кусок доски. Вот так выглядит готовая пусковая установка. А вот так мы будем на нее надевать нашу ракету-бутылку. Только перед стартом ее нужно будет наполнить водой. Тут очень кстати окажутся отстегивающиеся клипсы. Трубку можно снять, вставить в бутылку, не боясь разлить воду, надеть на пробку покрепче и потом установить на место. Клипсы можно не застегивать - всё и так неплохо держится.
Запускаем:
Для запуска ракеты надо выйти на пустое пространство, подальше от окон и автомобилей. (Мы это делали на школьном стадионе). Ракета летит очень высоко, выше деревьев и девятиэтажных домов. А траектория ее полета практически непредсказуема. Для того, чтобы это исправить, можно наклеить на бутылку стабилизаторы, но мы решили с этим не усложнять. Из-за этой же непредсказуемости траектории полета человек, который будет непосредственно запускать ракету, должен быть одет с учетом того, что ракета в полете льет струю воды, и она вполне может попасть на него.
Наливаем воду в ракету. Она должна заполнить бутылку примерно на одну треть – это оптимальное соотношение воды и воздуха. Вводим в бутылку трубку, плотно надев ее на пробку. Подсоединяем велосипедный насос. Пристегиваем трубку с надетой на нее бутылкой клипсами к опоре. Теперь надо в бутылку быстро-быстро накачивать насосом воздух. И через 10-20 секунд она под давлением сорвется и полетит вверх. Полет продолжается недолго, но его всегда можно повторить еще, просто налив в бутылку новую порцию воды.
3. Презентация модели ракеты классу
Классу была представлена модель ракеты и показан фотоальбом этапов создания моей ракеты. Ребята оживились, с интересом рассматривали модель, задавали вопросы о том, сколько времени было потрачено на создание моей ракеты, где можно взять наборы деталей для сборки, насколько сложно создать вот такие модели ракет.
4. Повторное анкетирование
После презентации было проведено повторное анкетирование, по результатам которого было выявлено, что одноклассников очень заинтересовала тема создания модели ракеты своими руками. Многие хотели бы сами заниматься созданием моделей ракет. Целью повторного анкетирования было не выявить уровень знаний учеников по презентуемой теме, а узнать о степени их интереса к этой теме.
5. Организация виртуального посещения музея космонавтики для одноклассников
По итогам анкетирования было выявлено, что одноклассники очень хотят посетить виртуальный музей. С моими одноклассниками мы виртуально посетили музей космонавтики, который находится в Москве.
III. Заключение
Работа над созданием модели ракеты способствовала не только собственному самообразованию и расширению кругозора, но и привлекла интерес учащихся начальной школы к изучению истории космонавтики и моделированию техники своими руками.
В заключении своей работы рекомендую всем обязательно расширять свои знания о космосе, о космонавтике.
Список использованной литературы и источников
1. http//ru.wikipedia.org.
2.Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия ,2008. www.KM.ru
3.Журавлёва А.П. Начальное техническое моделирование. М.: Просвещение, 1999.
4 Свирин А.Д. До Земли ещё далеко. Книга знаний. М.: Дет. мир, 1992.
5.Синюткин А.А. Космос в метре от Земли. Ижевск, Удмуртия, 1992.
6.Советский Энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1998.
Приложение 1
Приложение 2
Фотографии этапов изготовленной модели.