Какие тела взаимодействуют между собой в реактивном двигателе

Какие тела взаимодействуют между собой в реактивном двигателе

Большое значение закон сохранения импульса имеет при рассмотрении реактивного движения.
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело.
Особенность реактивной силы заключается в том, что она возникает в результате взаимодействия между собой частей самой системы без какого-либо взаимодействия с внешними телами.
В то время, как сила, сообщающая ускорение, например, пешеходу, кораблю или самолету, возникает только за счет взаимодействия этих тел с землей, водой или воздухом.

Так движение тела можно получить в результате вытекания струи жидкости или газа.

В природе реактивное движение присуще в основном живым организмам, обитающим в водной среде.

В технике реактивное движение используется на речном транспорте (водометные двигатели), в автомобилестроении (гоночные автомобили), в военном деле, в авиации и космонавтике.
Все современные скоростные самолеты оснащены реактивными двигателями, т.к. они способны обеспечить необходимую скорость полета.
В космическом пространстве использовать другие двигатели, кроме реактивных, невозможно, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой можно было бы бы получать ускорение.

История развития реактивной техники

Создателем русской боевой ракеты был ученый-артиллерист К.И. Константинов. При весе в 80 кг далььность полета ракеты Константинова достигала 4 км.

Идея применения реактивного движения в летательном аппарате, проект реактивного воздухоплавательного прибора, в 1881 году была выдвинута Н.И. Кибальчичем.

В 1903 году знаменитый ученый-физик К.Э. Циолковский доказал возможность полета в межпланетном пространстве и разработал проект первого ракетоплана с жидкостно-реактивным двигателем.

К.Э. Циолковский спроектировал космический ракетный поезд, составленный из ряда ракет, работающих поочередно и отпадающих по мере израсходования горючего.

Принципы применения реактивных двигателей

Основой любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой при сгорании топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Газы вырываются из узкого сопла ракеты с большой скоростью и создают реактивную тягу. В соответствии с законом сохранения импульса, ракета приобретает скорость в противоположном направлении.

Импульс системы (ракета-продукты сгорания) остается равным нулю. Так как масса ракеты уменьшается, то даже при постоянной скорости истечения газов ее скорость будет увеличиваться, постепенно достигая максимального значения.
Движение ракеты — это пример движения тела с переменной массой. Для расчета ее скорости используют закон сохранения импульса.

Реактивные двигатели делятся на ракетные двигатели и воздушно-реактивные двигатели.

Ракетные двигатели бывают на твердом или на жидком топливе.
В ракетных двигателях на твердом топливе топливо, содержащее и горючее, и окислитель, помешают внутрь камеры сгорания двигателя.
В жидкостно-реактивных двигателях, предназначенных для запуска космических кораблей, горючее и окислитель хранятся отдельно в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания. В качестве горючего в них можно использовать керосин, бензин, спирт, жидкий водород и др., а в качестве окислителя, необходимого для горения, — жидкий кислород, азотную кислоту, и др.

Современные трехступенчатые космические ракеты запускаются вертикально, а после прохода плотных слоев атмосферы переводятся на полет в заданном направлении. Каждая ступень ракеты имеет свой бак с горючим и бак с окислителем, а также свой реактивный двигатель. По мере сгорания топлива отработанные ступени ракеты отбрасываются.

Воздушно-реактивные двигатели в настоящее время применяют главным образом в самолетах. Основное их отличие от ракетных двигателей состоит в том, что окислителем для горения топлива служит кислород воздуха, поступающего внутрь двигателя из атмосферы.
К воздушно-реактивным двигателям относятся турбокомпрессорные двигатели как с осевым, так и с центробежным компрессором.
Воздух в таких двигателях всасывается и сжимается компрессором, приводимым в движение газовой турбиной. Газы, выходящие из камеры сгорания, создают реактивную силу тяги и вращают ротор турбины.

При очень болььших скоростях полета сжатие газов в камере сгорания можно осуществить за счет встречного набегающего воздушного потока. Необходимость в компрессоре отпадает.

Так устроены прямоточные воздушно-реактивные двигатели.
Поэтому при полетах в плотных слоях атосферы для более полного использования мощности реактивного двигателя на валу турбины устанавливают воздушный винт.

Источник

Как устроен реактивный двигатель? Что дает ему такую мощность?

На сегодняшний день этот вид двигателей широко используется в наши дни. Самолеты, ракеты, необычные транспортные средства (летающий костюм железного человека) — все это двигается с помощью газотурбинных двигателей. Кстати, об этом костюме у меня есть статья https://zen.yandex.ru/media/id/5cf58e799511bd00afb4dda1/reaktivnyi-kostium-jeleznogo-cheloveka-5cf62d01babd4000b0927efb

Как же он устроен? Принцип работы такого двигателя прост, но расчеты и конструкция крайне сложны. Проще говоря жидкий кислород, засасываясь в турбину, смешивается с топливом, которое сгорает в камере сгорания и в конце турбины (сопло), образует реактивную струю, толкающую тело.

Устройство

состоит реактивный двигатель из следующих элементов:

— камера для сгорания;

Читайте также:  Характеристики двигателей японских автомобилей

Компрессор состоит из нескольких турбин. Задача компрессора — это всасывать, а затем сживать воздух, который попал через лопасти. За счет сжатия повышается температура и давление. Часть такого сжатого воздуха попадает в камеру сгорания. В ней нагретый воздух смешивается с топливом (керосин) и в результате воспламеняется. Этот этап придает колоссальную тепловую энергию. После смесь, расширяясь, выходит из камеры сгорания на огромной скорости.

Далее этот мощный поток движется еще по одной турбине (задней), лопасти которой вращаются газами. Эта турбина, соединяясь с компрессором в передней части, приводит агрегат в движение Воздух нагретый до высоких температур выходит через выпускную систему (сопло). Высокая температура продолжает расти за счет эффекта дросселирования. Прошу заметить, что корпус турбины состоит и двух оболочек. В первой происходит весь процесс нагрева газа, а во второй происходит охлаждение за счет вентилятора.

Источник

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 12. Реактивное движение

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) практическое применение закона сохранения импульса;

2) реактивное движение, реактивная сила;

3) использование реактивного движения в природе и технике;

4) этапы исторического развития освоения космоса;

Глоссарий по теме

Реактивное движение – это движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно него.

Реактивная сила – сила, возникающая при реактивном движении.

Особенность реактивной силы – возникновение без взаимодействия с внешними телами.

Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 126 – 127;

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-М.:Дрофа,2014. – С.47-48.

Открытые электронные ресурсы:

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Движение тела, которое возникает при отделении с определённой скоростью какой-либо его части, называется реактивным.

Реактивное движение издревле существует в природе. Его для своего перемещения используют некоторые живые существа: кальмары, осьминоги, каракатицы, медузы и т.д. Они всасывают, а затем с силой выталкивают из себя воду, за счёт этого они движутся. Реактивное движение встречается и в быту. Примеры: движение резинового шланга, когда мы включаем воду, салюты и т.д.

Яркий пример реактивного движения в технике — это движение ракеты при истечении из неё струи горючего газа, которая образуется при сгорании топлива.

Сила, с которой ракета действует на газы, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой газы отталкивают от себя ракету:

При реактивном движении возникает сила, которая называется реактивной. Сила — это реактивная сила.

Особенностью реактивной силы является то, что она возникает без взаимодействия с внешними телами.

Согласно закону сохранения импульса: импульс вырывающихся газов равен импульсу ракеты.

Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты.

Закон сохранения импульса для реактивного движения:

откуда скорость ракеты:

Скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и отношение массы топлива к массе ракеты. Эта формула справедлива для случая мгновенного сгорания топлива. На самом деле топливо сгорает постепенно, т.к. мгновенное сгорание приводит к взрыву.

Точная формула для скорости ракеты была получена в 1897 году К.Э. Циолковским.

Первую конструкцию ракеты для космических полётов предложил Константин Эдуардович Циолковский – русский учёный, основоположник теоретической космонавтики. Он обосновал использование ракет для полётов в космос, сделал вывод о необходимости использования многоступенчатых ракет.

Идеи Циолковского воплотил в жизнь советский учёный, инженер-конструктор С.П. Королёв. 4 октября 1957 года считается началом космической эры. В этот день конструкторский коллектив под руководством Королёва осуществил запуск первого искусственного спутника Земли.

12 апреля 1961 г. впервые в мире на орбиту Земли был выведен космический корабль, в котором находился лётчик-космонавт СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Он открыл дорогу в космос. В космосе нельзя использовать другие двигатели, кроме реактивных, так как там нет опоры, отталкиваясь от которой космический корабль мог бы получить ускорение. Реактивные двигатели применяют для самолётов и ракет, не выходящих за пределы атмосферы, чтобы максимально увеличить скорость полёта.

Реактивные двигатели делятся на два класса: ракетные и воздушно-реактивные. Воздушно-реактивные в основном используют на самолётах. Современная космическая ракета — это очень сложное и тяжелое устройство, состоящее из оболочки и топлива с окислителем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Чему равна реактивная сила тяги двигателя, выбрасывающего каждую секунду 15 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3 км/с относительно ракеты?

Дано: m = 15 кг, v = 3 км/с = 3000 м/с, ∆t = 1 с. Найти F.

Записываем 2-й закон Ньютона в импульсной форме: F ∆t = m (v — v₀). Перед стартом скорость ракеты равна 0: = 0. Выразим силу: F = mv/∆t, сделаем расчёт: F = (15 кг·3000 м/с) / 1 с = 45000 кг· м/ с² = 45000 Н. Ответ: F = 45000 Н.

2. Из пороховой ракеты, летящей со скоростью 16 м/с, вылетают продукты сгорания массой 24 г со скоростью 600 м/с. Вычислите массу ракеты.

Дано: v₁ = 16 м / с, m₂ = 24 г = 0,024 кг, v₂ = 600 м/с. Найти m₁.

Читайте также:  Сухая мойка двигателя своими руками

Запишем закон сохранения импульса для реактивного движения: m₁v₁ = m₂v₂, выразим массу ракеты: m₁ = m₂v₂ / v₁.

Делаем расчёт: m₁ = (0,024 кг·600 м/с) / 16 м / с = 0,9 кг. Ответ: m₁ = 0,9 кг.

Источник

Естествознание. 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 6. Реактивное движение. Космические полеты

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

  • На каких принципах основано реактивное движение?
  • Каковы достоинства и недостатки реактивных двигателей, которые необходимо учитывать для оценки эффективности их применения?

Глоссарий по теме:

Двигатели, работающие на основе химических реакций, называют химическими реактивными двигателями.

Плазменные реактивные двигатели – двигатели, работающие на основе разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Газ в рабочей камере ионизируется (его атомы теряют электроны), превращаясь в плазму.

Активный участок полёта (активный участок траектории) — участок полёта летательного аппарата, на котором работает маршевый двигатель аппарата, как правило — ракетный.

Многоступенчатая ракета — летательный аппарат, состоящий из двух или более механически соединённых ракет, называемых ступенями, разделяющихся в полёте. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.

Движение, при котором тело изменяет свою скорость, отбрасывая свою часть, называют реактивным.

Закон сохранения импульса — векторная сумма импульсов двух тел до взаимодействия равна векторной сумме их импульсов после взаимодействия

Формула Циолковского определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической:

где:

• V — конечная скорость летательного аппарата, которая для случая маневра в космосе при орбитальных манёврах и межпланетных перелетах часто обозначается ΔV, также именуется характеристической скоростью.

• I — удельный импульс ракетного двигателя (отношение тяги двигателя к секундному расходу массы топлива);

M1 — начальная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата + топливо);

M2 — конечная масса летательного аппарата (полезная нагрузка + конструкция аппарата).

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

  1. Громов С. В., Родина Н. А.. Физика – М. : Просвещение, 2001.
  2. Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
  3. Уманский С.П. Космические орбиты. М., Просвещение, 1996.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Некоторые средства передвижения, созданные человеком, основаны на законах и принципах реактивного движения. Но многие средства передвижения на Земле основаны на других принципах. И только в XX веке при выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (и по настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве. Покорить космические просторы без реактивного двигателя пока не представляется возможным.

Идея использования реактивного движения в космосе была впервые выдвинута К.Э. Циолковским задолго до реального выхода человека за пределы воздушного пространства.

Причина движения тел-взаимодействие между ними. Чтобы осуществлять целенаправленные движения живые организмы и созданные человеком устройства должны взаимодействовать с какими-то другими телами, помимо гравитационного взаимодействия с Землей. Движущиеся по поверхности Земли тела, организмы и механизмы осуществляют движения, взаимодействуя с поверхностью Земли (вспомните роль силы трения при движении транспорта). Организмы и механизмы, движущиеся в воде, взаимодействуют с водой. Наконец, летающие организмы и механизмы взаимодействуют с воздухом. Если же тело оказывается за пределами земной атмосферы, то ни одно из перечисленных движений оказывается невозможным, поскольку на тело действует лишь сила тяжести.

При реактивном движении тело массы M взаимодействует с другим телом массы m, отталкивая его от себя. В результате закона сохранения импульса тело массы M приобретает дополнительный импульс в направлении, противоположном движению тела массы m. Если до столкновения скорость тел была равна нулю (можно всегда выбрать такую систему отсчета), то, как следует из закона сохранения импульса, тело массы M приобретет скорость , где υ — скорость, с которой отброшено тело массы m. Реактивный двигатель, действующий на космический корабль с некоторой силой, должен непрерывно отбрасывать вещество. Как видно из приведенной формулы реактивная сила будет тем больше, чем с большей скоростью отбрасывается вещество и чем больше вещества в единицу времени отбрасывается. Из закона сохранения импульса получим следующее выражение для реактивной силы: F=Qυ, где через Q обозначена масса вещества, которое отбрасывается двигателем в единицу времени.

Рис.1 модель ракетоносителя

Можно и самим сделать простейшую модель ракеты – для этого достаточно взять обыкновенный воздушный шарик.

Рис.2 опыт с шариком

Поставим опыт: надуйте шарик и, не завязывая его, отпустите. Воздух будет выходить из шарика, и он полетит в сторону, противоположную направлению струи воздуха. Движение шарика объясняется законом сохранения импульса. В начальный момент шарик с содержащимся в нем воздухом покоился относительно земли. Согласно закону сохранения импульса суммарный импульс шарика и вышедшего из него воздуха должен оставаться равным нулю. Поэтому выходящий из шарика воздух и шарик должны двигаться в противоположных направлениях.

Известно, что первые реактивные двигатели были пороховыми и использовались в качестве метательных военных снарядов. В результате сжигания пороха образовывались быстро расширяющиеся газы, которые выбрасывались из ракеты в определенном направлении. (В настоящее время есть похожие пиротехнические игрушки, скорее всего, вы имели с ними дело). Подобные пороховые реактивные двигатели используются в военной технике и в настоящее время. В других реактивных двигателях, которые в частности применяются на самолетах, в качестве горючего используются жидкости (в простейшем случае – керосин). Такие двигатели называются жидкостными реактивными двигателями.

Читайте также:  Какой двигатель подойдет на ваз калина

Все перечисленные двигатели используют в качестве одной из компонент химической реакции воздух, находящийся в атмосфере. Принципиальное отличие космического реактивного двигателя состоит в том, что для химической реакции должно использоваться только вещество, находящееся в баках самого двигателя. Поэтому конструкция двигателя включает два бака – один с горючим веществом (например, с водородом), а другой с окислителем (например, с кислородом) для осуществления реакции окисления (горения) (см. Рис. 1).

Такие двигатели, работающие на основе химических реакций, называют химическими реактивными двигателями.

Ракеты используют для запуска искусственных спутников Земли, обслуживания орбитальных станций, межпланетных полетов. В головной части ракеты расположена кабина космонавтов. В начале полета на эту часть приходится всего несколько процентов от общей массы ракеты. Основную же массу ракеты в начале полета составляет запас топлива. В современных ракетах скорость вылетающего газа (относительно ракеты) составляет несколько километров в секунду (в несколько раз больше скорости пули). Как следует из закона сохранения импульса, для того чтобы даже при такой огромной скорости вылетающего газа ракета приобрела первую космическую скорость (около 8 км/с), необходимо, чтобы масса топлива в несколько раз превышала массу полезного груза.

Увеличение массы топлива неизбежно влечет увеличение массы топливных баков, в которых хранится топливо, и связанных с ними устройств. Эта масса оказывается ненужной в конце разгона ракеты и уменьшает массу полезного груза, выводимую в космос. Идея отбрасывать лишнюю массу топливных баков по мере сгорания топлива привела к созданию многоступенчатых ракет.

Первая и вторая ступени ракеты представляют собой емкости с топливом, камерами сгорания и соплами. Когда топливо, содержащееся в первой ступени, сгорает, она отделяется от ракеты, в результате чего масса ракеты значительно уменьшается. Затем тоже происходит со второй ступенью, после чего включаются двигатели третьей ступени, завершающие разгон ракеты до расчетной скорости.

Помимо таких мощных двигателей для маневрирования используются маломощные плазменные реактивные двигатели. В таких двигателях отбрасываемое вещество получает скорость не в результате химической реакции, а в результате разгона заряженных частиц электромагнитным полем. Подобные двигатели являются более экономичными и легко управляемыми.

Достоинством реактивного двигателя является то, что, как уже говорилось, это единственный двигатель способный эффективно работать в космосе. К недостаткам реактивного двигателя следует отнести его низкую экономичность, по сравнению с другими двигателями. Качественно это можно объяснить на основе энергетических соображений. В разгоняющемся космическом корабле химическая энергия переходит в кинетическую энергию корабля («полезная энергия») и кинетическую энергию отбрасываемых двигателем газов («бесполезная энергия»). При разгоне до космических скоростей эта «бесполезная энергия» оказывается существенно больше «полезной энергии».

Количественно низкая эффективность реактивного двигателя может быть понята на основе формулы Циолковского. Из нее, в частности, следует, что, если скорость истечения газов в ракете достигает даже 4 км/с, то для вывода космического корабля на орбиту Земли (достижения первой космической скорости – около 8 км/с) необходимо иметь массу горючего, более чем в 6 раз превосходящую массу самого космического корабля.

К. Э. Циолковскому принадлежит знаменитое изречение: «Земля – колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». Мечту Циолковского о космических полетах первыми осуществили наши соотечественники под руководством Сергея Павловича Королева.

Первый искусственный спутник Земли был запущен в СССР 4 октября 1957 года. Первым космонавтом Земли стал Юрий Алексеевич Гагарин. Его космический полет состоялся 12 апреля 1961 года. Со времени первых космических полетов ракеты были значительно усовершенствованы, и сегодня на околоземные орбиты с их помощью выводятся большие космические станции, на которых постоянно работают космонавты.

Ракеты выводят на орбиты сотни спутников связи, которые обеспечивают передачи тысяч телевизионных программ и миллионов телефонных разговоров, благодаря чему вся планета окутана сегодня «паутиной» надежных систем связи.

  • Реактивное движение подчиняется физическим законам и закономерностям.
  • Каждый вид реактивного двигателя обладает своими достоинствами и недостатками.
  • Реактивный двигатель, несмотря на его низкую эффективность, является в настоящее время единственным двигателем, позволяющим осуществить целенаправленное перемещение в космическом пространстве.
  • Изучение перспектив космических исследований показывает, что уже в ближайшие десятилетия станут реальными космические путешествия человека на другие планеты

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Вставьте пропущенные слова в текст: «И только в _____ веке при выходе человека в космос _____________ двигатель оказался единственно возможным (в настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве».

Варианты ответов: электромагнитные, XX, реактивный; XIX; паровой; роторно-поршневой.

Правильный вариант: И только в XX веке при выходе человека в космос реактивный двигатель оказался единственно возможным (в настоящее время) для целенаправленного перемещения в безвоздушном пространстве.

Подсказка: вспомните, какой тип двигателя может вывести корабль в космическое пространство.

Задание 2. Разгадайте ребус. Ракета, предназначенная для выведения полезной нагрузки в космическое пространство

Источник

Adblock
detector