mozok.click » Podręczniki w języku polskim » Fizyka » Ruch odrzutowy. Rakiety. Osiągnięcia w kosmonautyce
Інформація про новину
  • Переглядів: 207
  • Автор: admin
  • Дата: 29-03-2018, 03:32
29-03-2018, 03:32

Ruch odrzutowy. Rakiety. Osiągnięcia w kosmonautyce

Категорія: Podręczniki w języku polskim » Fizyka

Dzięki czemu poruszają się ludzie, samochody, pociągi, ptaki, motyle? Dlaczego pływają ryby, kutry, łodzie podwodne? Odpowiedź jest prosta: wszystkie wymienione ciała poruszają się dlatego, że od czegoś odpychają się: człowiek, zwierzę, samochód, pociąg - od powierzchni Ziemi; szybowiec, ptaki, motyle - od powietrza; ryby i kutry - od wody. A jak będzie w przypadku latającego statku kosmicznego? Przecież aby zaczął on ruch lub, żeby zmienić jego prędkość, powinien on od czegoś odepchnąć się, a w kosmosie takiej możliwości nie ma. Jednak statki kosmiczne latają w otwarty kosmos, manewrują, wracają na Ziemię. Od czego one odpychają się? Wyjaśnijmy.



Za prototyp współczesnych silników odrzutowych można uważać „kulę Herona" lub „eolipił”. Dane urządzenie zostało stworzone przez wybitnego starożytnego matematyka i mechanika Herona z Aleksandrii w I w. Para, która wydobywa się ze zgiętych rurek (dysz), umocowanych na kuli, zmusza ją obracać się

Dowiadujemy się o ruchu odrzutowym

Przeprowadźmy doświadczenie. Nadmuchajmy balonik i nie zawiązując nicią otworu, odpuśćmy go. Balonik będzie poruszał się do momentu, dopóki z otworu będzie wychodzić powietrze (rys. 37.1). W tym wypadku obserwujemy ruch odrzutowy.

Ruch odrzutowy - ruch, który powstaje na skutek oddzielania się od ciała pewnej jego części z określoną prędkością.

Podstawą ruchu odrzutowego jest zasada zachowania pędu. Powróćmy do doświadczenia z balonikiem. Jeżeli otwór balonika jest zamknięty, znajduje się on w stanie spoczynku to pęd układu „balonik - powietrze” równa się zeru.

Gdy otwór otwieramy, to powietrze zacznie wydostawać się na zewnątrz z dość dużą prędkością to znaczy, że nabiera ono pewnego pędu: pp = mp0p. Balonik też uzyskuje pęd: pb = mbL>b, który jest skierowany w stronę przeciwną do pędu powietrza.

Wyobraźmy sobie, że układ „balonik — powietrze” jest zamknięty. Wtedy, zgodnie z zasadą zachowania pędu, ogólny pęd układu „balonik - powietrze” pozostaje stały i równa się zeru:

mvd+ mtA = °-

Więc, prędkość ruchu balonika równa się:

Znak mówi o tym, że balonik porusza się w kierunku, przeciwnym do kierunku ruchu powietrza.

Rozważmy jeszcze jeden przykład — odrzut strzelby, która wykonuje n wystrzałów na sekundę. Oznaczymy masę jednej kuli mk, jej prędkość w momencie wylotu z działa — v . Ogólna zmiana pędu kul za sekundę (prędkość zmiany pędu) będzie równać się n-mkv. Siła F, działająca na kule, równa się prędkości zmiany pędu kul:

Zgodnie z trzecią zasadą Newtona taka sama siła, równa co do wartości, ale przeciwnie skierowana, działa na strzelbę. Podobnie powstaje odrzutowa siła w rakiecie, gdy z jej dysz wypływa gaz.

Badamy odrzutowy ruch rakiety Rakieta - statek latający, przemieszczający się w przestrzeni dzięki sile odrzutowej, powstającej na skutek odrzucania przez rakietę części własnej masy.

Częścią, którą oddziela rakieta (ciałem roboczym) jest strumień gorącego gazu, który powstaje podczas spalania paliwa. Gdy strumień gazu z wielką prędkością jest wyrzucany przez dyszę rakiety, to powłoka rakiety nabiera potężnego pędu, skierowany w stronę, przeciwną do prędkości ruchu strumieni (rys. 37.2).


 

Silnik rakiety - jest to silnik cieplny. Co jest grzejnikiem w tym silniku? ciałem roboczym? chłodnicą?

Wyobraź sobie sytuację: w momencie startu paliwo rakiety spala się odrazu. Ponieważ przed startem rakieta spoczywa, to zasada zachowania pędu po spalaniu paliwa zapisywałaby się w postaci: 0 = mp vp + mgDg, gdzie m v - pęd powłoki rakiety /7igńg - pęd gazu. Skierujemy oś OY w stronę ruchu rakiety (patrz rys. 37.2); zapiszemy dane równanie przez rzuty na oś:

Jeżeli zakładamy, że masa paliwa jest cztery razy większa od masy powłoki rakiety (mg =4 mp ), a prędkość strumienia odrzutowego gazu ug = 2 km/s (prawie z taką prędkością z dyszy rakiety wylatuje rozżarzony gaz), otrzymamy prędkość ruchu powłoki rakiety: vO = 4 vs km/s*

Zatem gdyby paliwo rakiety spalało się natychmiast, to prędkość, uzyskana przez rakietę, byłaby wystarczająca do tego, aby wyprowadzić rakietę na orbitę Ziemi. Jednak w rzeczywistości paliwo spala się stopniowo, i na ruch rakiety zauważalnie wpływa opór powietrza. Obliczenia pokazują, że dla osiągnięcia niezbędnej prędkości masa paliwa powinna być 200 razy większa od masy powłoki rakiety, co technicznie jest niemożliwe do zrealizowania.


 

Jeszcze na początku XX w. udowodniono, że jednoczłonowa rakieta nie może opuścić Ziemię. Jest to możliwe tylko dla wieloczłonowych rakiet: w takich rakietach człony z pustymi zbiornikami paliwowymi są odrzucane podczas lotu (następnie są spalane w atmosferze przez tarcie o powietrze). Przy tym masa rakiety zmniejsza się i, odpowiednio, zwiększa się prędkość jej ruchu. Zaznaczymy, że wszystkie rakiety nośne statków kosmicznych, i te pierwsze, i te, które są wykorzystywane obecnie, są rakietami wieloczłonowymi.

Na rys. 37.3 przedstawiono trzyczłonową rakietę nośną „Wostok”. Składa się ona z czterech bocznych bloków (pierwszy człon), rozmieszczonych dookoła centralnego bloku (drugi człon). Statek kosmiczny znajduje się w trzecim członie, w miejscu, które chroni go przed aerodynamicznymi obciążeniami w czasie lotu w gęstych warstwach atmosfery. Każdy blok ma swoje silniki odrzutowe.

12 kwietnia 1961 r. rakieta nośna „Wostok” wyprowadziła na orbitę statek kosmiczny „Wostok”, w którym znajdował się pierwszy na świecie kosmonauta J. Gagarin (rys. 37.4). Lot został wykonany dzięki inicjatywie i pod kierownictwem wybitnego konstruktora S. Koralowa (1907—1966), który pochodził z Żytomierza.

Pytania kontrolne

1. Podaj określenie ruchu odrzutowego. 2. Opisz doświadczenia obserwacji ruchu odrzutowego. 3. Napisz zasadę zachowania pędu dla ruchu rakiety zakładając, że jej paliwo spala się natychmiast w momencie startu. 4. Dlaczego do wyprowadzenia rakiety z powierzchni Ziemi na żądaną orbitę stosowane są wieloczłonowe rakiety? 5. Podaj nazwisko pierwszego na świecie kosmonauty i nazwisko konstruktora, pod kierownictwem którego dokonano pierwszego lotu w kosmos.

* Zaznaczmy: 8 km/s jest to pierwsza prędkość kosmiczna. Taką prędkość powinno posiadać ciało w momencie wystrzelania z powierzchni Ziemi, aby stać się jej sztucznym satelitą.

Ćwiczenie nr 37

1. „Koło Segnera” (rys. 1) — urządzenie wynalezione przez mechanika Johanna υοη Segnera (czyt. Jonasz Segner)

(1704—1777 ), stosowane obecnie do podlewania trawników.

Przyjrzyj się rys. 1 i wyjaśnij, jak działa to urządzenie.

Czy można „koło Segnera” uważać za silnik odrzutowy?

Odpowiedź uzasadnij.

Prędkość strzelania z karabinu maszynowego, który prawdopodobnie widzieliście w filmie „Matrix” sięga 10 000 strzałów na minutę; wypuszcza ono kule o masie 10 g z prędkością 600 m/s. Jaka jest siła odrzutowa takiej broni?

Czy rzeczywiście można z niej strzelać, trzymając w rękach?

3. Od rakiety poruszającej się z prędkością 2,4 km/s odłącza

się pierwszy człon o masie równej 14 masy rakiety. Z jaką prędkością zacznie poruszać się rakieta, jeżeli prędkość ruchu pierwszego członu po odłączeniu się wynosi 900 m/s względem rakiety?

4. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się o ukraińskich kosmonautach.

5. Wykorzystując dodatkowe źródła informacji dowiedz się, jak porusza się kałamarnica; jakie jeszcze istoty żywe wykorzystują ruch odrzutowy; gdzie w przyrodzie można jeszcze obserwować ruch odrzutowy. Podaj krótką informację.

Doświadczenie

Z plastikowej butelki i rurek koktajlowych sporządź „koło Segnera” (rys. 2) i sprawdź, jak ono działa.

Fizyka i technika na Ukrainie

S. Korolow (1906-1966) - akademik, ukraiński, radziecki uczony o światowej sławie w dziedzinie rakietobudownictwa i kosmonautyki, konstruktor pierwszych sztucznych satelitów Ziemi i statków kosmicznych.

Pod kierownictwem S. Korolowa opracowano i stworzono szereg unikalnych rakiet nośnych, które dokonały wielkiego postępu w dziedzinie badań kosmicznych: wyprowadzenie na orbitę pierwszego w historii sztucznego satelity Ziemi (1957 r.); pierwszy w historii lot kosmiczny kosmonauty J. Gagarina na statku „Wostok" (12 kwietnia 1961 r.); wyprowadzenie na orbitę pierwszego statku z wieloosobową załogą (12 października 1964 r.); pierwsze wyjście w otwarty kosmos kosmonauty O. Leonowa (18 marca 1965 r.). S. Korolow wychował licznych następców - uczonych, konstruktorów, inżynierów.

Ciekawe jest to, że pierwszy kosmonauta, pochodzący z Ukrainy, P. Popowycz, rakietę z którym w 1962 roku wyprowadził na orbitę S. Korolow, zaśpiewał z kosmosu ulubioną piosenkę dla konstruktora naczelnego „Patrzę się w niebo..."

W Żytomierzu, na ojczyźnie konstruktora, założono muzeum kosmonautyki im. S. Korolowa. W centrum miasta stoi jego pomnik.

 

Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar

 






^