Реактивное движение.

Выполнила учащаяся:
МОУ «СОШ С. Зубовка»
Масаева Алисат (9класс),
Руководитель: Мельшина В.Г
1. На пороге космической эры
2. Реактивное движение
3. Уравнения Мещерского и Циолковского
4. Реактивный двигатель
5. Классы реактивных двигателей
6. Применение реактивных двигателей
7. Реактивные двигатели и окружающая
среда
8. Заключение
9. Литература
1. На пороге космической эры
Принцип реактивного
движения известен очень давно.
Родоначальником Р. д. можно
считать шар Герона.
Твёрдотопливные ракетные
двигатели — пороховые ракеты
появились в Китае в 10 в. н. э. На
протяжении сотен лет такие ракеты
применялись сначала на Востоке, а
затем в Европе как фейерверочные,
сигнальные, боевые.
Сегнерово колесо
Сегнерово колесо — двигатель,
основанный на реактивном
действии вытекающей воды. Было
изобретено венгерским учёным Я.
А. Сегнером в 1750.
Первая в истории гидравлическая
турбина. Расположенное в
горизонтальной плоскости колесо
без обода, у которого спицы
заменены трубками с отогнутыми
концами так, что вытекающая из
них вода приводит сегнерово
колесо во вращение.
Идея ракетного летания, многим представляющаяся
в наши дни такой смелой и новой, на самом деле
имеет за собою уже полувековую историю, добрых
три четверти которой протекло целиком в нашем
отечестве.
Первая мысль о ракетном самолете родилась в
светлой голове молодого революционерапервомартовца Николая Ивановича Кибальчича.
 В 1903 К. Э. Циолковский в
работе "Исследование мировых
пространств реактивными
приборами" впервые в мире
выдвинул основные положения
теории жидкостных ракетных
двигателей и предложил
основные элементы устройства
РД на жидком топливе.
2. Реактивное движение
В основе реактивного движения лежит
закон сохранения импульса. При стрельбе
из орудия возникает отдача – снаряд движется
вперед, а орудие – откатывается назад. Снаряд и
орудие – два взаимодействующих тела.
Скорость, которую приобретает орудие при
отдаче, зависит только от скорости снаряда и
отношения масс взаимодействующих тел.
Под реактивным движением понимают
движение тела, возникающее при отделении
некоторой его части с определенной
скоростью относительно тела.
Наблюдать реактивное движение очень
просто. Надуйте детский резиновый шарик и
отпустите его. Шарик стремительно взовьется
вверх . Движение, правда, будет
кратковременным. Реактивная сила
действует лишь до тех пор, пока продолжается
истечение воздуха.
3. Уравнения Мещерского и Циолковского
 u
1
Если нет внешних сил, то ракета вместе с
выброшенным веществом является замкнутой
системой. Импульс такой системы не может
меняться во времени. Обозначим:

- масса ракеты
 - её ускорение
 - скорость истечения газов
 - расход массы топлива в единицу
времени
До начала работы двигателей импульс ракеты и
горючего был равен нулю, следовательно, и
после включения сумма изменений векторов
импульса ракеты и импульса истекающих газов
равна нулю:


m p * V  mt *U  0
— изменение скорости ракеты


Разделим обе части равенства на интервал
времени t, в течение которого работали
двигатели ракеты:
Произведение массы ракеты m на ускорение а
ее движения по определению равно силе,
вызывающей это ускорение:
Уравнение Мещерского
 Если же на ракету, кроме реактивной силы
, действует внешняя сила , то уравнение
динамики движения примет вид:
 Формула Мещерского представляет собой
обобщение второго закона Ньютона для
движения тел переменной массы. Ускорение
тела переменной массы определяется не только
внешними силами , действующими на тело, но и
реактивной силой , обусловленной изменением
массы движущегося тела:
Формула Циолковского
 Применив уравнение Мещерского к
движению ракеты, на которую не действуют
внешние силы, получим формулу
Циолковского
 Релятивистское обобщение этой формулы
имеет вид:
 где C—скорость света
Проанализируем полученное выражение.
Мы видим, что скорость ракеты тем
больше, чем больше скорость выбрасываемых
газов и чем больше отношение массы рабочего
тела (т. е. массы топлива) к конечной
("сухой") массе ракеты.
Формула Мещерского является
приближенной. В ней не учитывается, что по
мере сгорания топлива масса летящей ракеты
становится все меньше и меньше. Точная
формула для скорости ракеты впервые была
получена в 1897 г. К. Э. Циолковским и потому
носит его имя.
Формула Циолковского позволяет
рассчитать запасы топлива, необходимые
для сообщения ракете заданной скорости.
Для сообщения ракете скорости, превышающей
скорость истечения газов в 4 раза (Vp=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.
Двигатель, создающий
необходимую для движения силу
тяги посредством преобразования
потенциальной энергии топлива
в кинетическую энергию
реактивной струи рабочего тела.
Первые советские жидкостные
ракетные двигатели — ОРМ,
ОРМ-1, ОРМ-2 были
спроектированы В. П. Глушко и
под его руководством созданы
в 1930—31 в Газодинамической
лаборатории . Впервые
электротермический РД был
создан и испытан Глушко в ГДЛ
в 1929-1933. В 1939 в СССР
состоялись испытания ракет с
прямоточными воздушнореактивными двигателями
конструкции И. А. Меркулова.
Камера сгорания («химический реактор») —
в ней 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
самым создавая реактивную тягу.

 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.
5. Классы реактивных двигателей
Ракетные
Воздушно-реактивные
В ракетных двигателях топливо
и необходимый для его горения
окислитель находятся
непосредственно внутри двигателя
или в его топливных баках.
На рисунке 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.
В жидкостно-реактивных двигателях
(ЖРД) в качестве горючего можно
использовать керосин, бензин, спирт,
анилин, жидкий водород и др., а в
качестве окислителя, необходимого для
горения, — жидкий кислород, азотную
кислоту, жидкий фтор, пероксид
водорода и др. Горючее и окислитель
хранятся отдельно в специальных баках и с
помощью насосов подаются в камеру, где
при сгорании топлива развивается
температура до 3000°С и давление до 50
атм. В остальном двигатель работает так
же, как и двигатель на твердом топливе.
Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя
(ПВРД)
Турбореактивными двигателями и
двухконтурными турбореактивными
двигателями оснащено большинство военных
и гражданских самолётов во всём мире, их
применяют на вертолётах.
В настоящее время применяют главным
образом на самолетах. Основное их
отличие от ракетных двигателей состоит
в том, что окислителем для горения
топлива служит кислород воздуха,
поступающего внутрь двигателя из
атмосферы.
Схема воздушно - реактивного двигателя
турбокомпрессорного типа.
Раскаленные газы (продукты сгорания),
выходя через сопло, вращают газовую турбину,
приводящую в движение компрессор.
Турбокомпрессорные двигатели установлены в
наших лайнерах Ту-134, Ил-62, Ил-86 и др.
Реактивными двигателями оснащены не только
ракеты, но и большая часть современных
самолетов.
Ядерные ракетные двигатели
Ядерные ракетные двигатели позволяют
достичь значительно более высокого значения
удельного импульса благодаря большой скорости
истечения рабочего тела (от 8 000 м/с до 50 км/с и
более). Вместе с тем, общая тяга ЯРД 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..
Широкое применение реактивные двигатели в
настоящее время получили в связи с освоением
космического пространства. Применяются они также
для метеорологических и военных ракет различного
радиуса действия. Кроме того, все современные
скоростные самолеты оснащены воздушнореактивными двигателями. В космическом
пространстве использовать какие-либо другие
двигатели, кроме реактивных, невозможно: нет опоры
(твердой, жидкой или газообразной), отталкиваясь от
которой космический корабль мог бы получить
ускорение. Применение же реактивных двигателей для
самолетов и ракет, не выходящих за пределы
атмосферы, связано с тем, что именно реактивные
двигатели способны обеспечить максимальную
скорость полета.
Широкое применение реактивные двигатели в
настоящее время получили в связи с
освоением космического пространства.
Современные скоростные самолеты
оснащены воздушно-реактивными
двигателями.
Турбореактивные двигатели АЛ-31Ф самолета
Су-30МК Относятся к классу воздушнореактивных двигателей
Применяются реактивные двигатели для
метеорологических и военных ракет
различного радиуса действия.
Инженеры 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. Вода засасывается при помощи обычного
бензинового или дизельного двигателя.
Это прекрасно оснащенный, 8-местный катер,
отличающийся высокой крейсерской скоростью и
легкостью управления.
Виды реактивного транспорта
Реактивный поезд
Реактивное движение в природе
Кальмары, медузы, осьминоги, каракатицы и
некоторые другие животные используют
принцип реактивного движения
Наибольший интерес представляет
реактивный двигатель кальмара. ) При
медленном перемещении кальмар пользуется
большим ромбовидным плавником,
периодически изгибающимся. Для быстрого
броска он использует реактивный
двигатель. Животное засасывает воду внутрь
мантийной полости, а затем резко
выбрасывает струю воды через узкое сопло.
Это сопло снабжено специальным клапаном, и
мышцы могут его поворачивать, изменяя
направление движения. Двигатель кальмара
очень экономичен, он способен развивать
скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые
исследователи считают, что даже до 150 км/ч!)
Недаром кальмара называют “живой
Личинка
стрекозы
Задняя кишка личинки стрекозы, помимо
своей основной функции, выполняет еще и
роль органа движения. Вода заполняет заднюю
кишку, затем с силой выбрасывается, и
личинка перемещается по принципу
реактивного движения на 6-8 см. Для дыхания
нимфам также служит задняя кишка, которая
как насос постоянно закачивает через
анальное отверстие богатую кислородом воду.
В южных странах ( и у нас на
побережье Черного моря тоже)
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.
Тепловые двигатели (в том числе и реактивный) –
необходимый атрибут современной цивилизации. С их
помощью вырабатывается ≈ 80% электроэнергии. Без
тепловых двигателей невозможно представить
современный транспорт. В тоже время повсеместное
использование тепловых двигателей связано с
отрицательным воздействием на окружающую среду.
Сжигание топлива сопровождается выделением в
атмосферу углекислого газа, способного поглощать
тепловое инфракрасное (ИК) излучение поверхности
Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере,
увеличивая поглощение ИК – излучения, приводит к
повышению её температуры (парниковый эффект).
Ежегодно температура атмосферы Земли
повышается. Этот эффект может создать угрозу
таяния ледников и катастрофического повышения
уровня Мирового океана.
Углеводороды, вступая в реакцию с озоном,
находящимся в атмосфере, образуют химические
соединения, неблагоприятно воздействующие на
жизнедеятельность растений, животных и
человека.
Потребление кислорода при горении топлива
уменьшает его содержание в атмосфере.
Для охраны окружающей среды широко
использует очистные сооружения, препятствующие
выбросу в атмосферу вредных веществ, резко
ограничивают использование соединений тяжелых
металлов, добавляемых в топливо.
 В основе реактивного движения лежит закон
сохранения импульса тела, который выполняется
только для замкнутой системы тел.
 Скорость движения реактивного устройства
тем больше, чем больше масса вещества,
отделяется от тела за 1 с.
Простейшие модели реактивных двигателей и
устройств можно сделать самим.
Проявлением реактивного движения является
отдача, которую надо учитывать на практике
(при стрельбе, спрыгивании с лодки, скейта и т.д.).
Результат отдачи зависит от массы и скорости
отделяющегося тела или вещества.
Реактивное движение нашло широкое применение в
технике
Таким образом, мы узнали
принцип работы реактивного двигателя.
Узнали о истории его создания, которая
уходит корнями в античность и
продолжается по наши дни. Рассмотрели
случаи практического применения
реактивных двигателей и их последствия.
Без реактивных двигателей
невозможно представить
современную авиацию и освоение
космоса.
 http://class-fizika.narod.ru/9_19.htm
 Космодемьянский А.А. Циолковский К.Э. (М., “Наука”,
1976)
 Арлазоров А. Циолковский К.Э. (М., “Молодая гвардия”,
1963)
 Мякишев Г.Я. Физика: [Текст]: учебник для 10 класса
общеобразовательных учреждений / Г.Я Мякишев, Б.Б.
Буховцев, Н.Н.Сотский . – 11-е изд. – М.: Просвещение,
2003. – 306 с.
 Г.С.Лансберг Элементарный учебник физики [Текст]:
Г.С.Лансберг, – М.: Наука, 1985 г. – 460 с.
 Кирик Л.А.Физика-9: [Текст]: Разноуровневые
самостоятельные и контрольные работы. – Харьков:
Гимназия, 2001. – 160 с.
 Полный курс физики ХХI века [Электронный ресурс]:
Компьютерная программа для изучения физики. – Режим
доступа: http://www.mediahouse.ru