Реактивное движение это кратко

Обновлено: 04.07.2024

Наверняка вы неоднократно видели по телевидению, как взлетает космический корабль. Может, даже, во время празднования Нового Года кто-то из ваших друзей запускал в небо цветные ракеты. При их полёте постоянно выбрасывается струя раскалённых газов. Полёт космического корабля или ракеты – это примеры так называемого реактивного движения.

Реактивным движением называют движение тела, возникающее при отделении от него некоторой его части. Для пояснения причин возникновения реактивного движения рассмотрим пример решения задачи, в которой тело, двигавшееся как целое, разделяется на две части.

Задача. На тележке массой m 1 = 50 кг, едущей горизонтально со скоростью v o = 0,5 м/с, стоит мальчик массой m 2 = 40 кг. Как изменится движение тележки, если мальчик с неё спрыгнет с горизонтальной скоростью v 2 = 2 м/с относительно земли?

Решение. Поскольку в задаче даны массы тел и их скорости, применим закон сохранения импульса, считая тележку и мальчика замкнутой системой тел:

В зависимости от направления прыжка мальчика возможны случаи:

прыжок вперёд	прыжок назад
( m 1 + m 2 ) v o = m 1 v 1x + m 2 v 2	( m 1 + m 2 ) v o = m 1 v 1x – m 2 v 2
( 50 + 40 ) · 0,5 = 50 v 1x + 40 · 2	( 50 + 40 ) · 0,5 = 50 v 1x – 40 · 2
В этом случае: v 1x = –0,7 м/с	В этом случае: v x = +2,5 м/с

Ответ: при прыжке мальчика вперёд тележка поедет назад с немного большим, чем до прыжка, модулем скорости; при прыжке мальчика назад тележка сохранит направление движения, в 5 раз увеличив модуль скорости.

Взаимодействие мальчика и тележки можно рассматривать как отделение от тела с общей массой (m 1 + m 2 ) некоторой части с массой m 2 , то есть как пример реактивного движения. Однако чаще всего под ним понимают не одномоментное отделение части, а длящееся некоторое время, как например, выброс раскалённых газов при старте космического корабля.

Самый впечатляющий пример реактивного движения – взлёт космического корабля или ракеты (см. фото).

Предположим, что сначала ракета находится на Земле с выключенными двигателями, а затем взлетает вверх, полностью сжигая топливо. Будем считать корпус ракеты и выбрасываемые продукты сгорания, газы, замкнутой системой. Применим к ней закон сохранения импульса:

Последняя формула значит, что, во-первых, вектор скорости корпуса ракеты направлен противоположно вектору скорости газов, во-вторых, скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых ею газов, образующихся при сгорании топлива, в-третьих, скорость ракеты тем больше, чем больше доля массы топлива (то есть образующихся из него газов) от массы корпуса ракеты или космического корабля.

характер движения воздушного шарика, отпущенного с возможностью выпускать воздух через узкое отверстие, отличается скоростью движения, траекторией полёта и источником энергии движения.

Надувая шарик, мы создаем в нем повышенное давление. Потом завязываем отверстие ниткой, чтобы воздух не выходил. В этот момент времени шарик и воздух в нем находятся в покое. Следовательно, суммарный импульс системы шарик-воздух равен нулю:

Если развязать нитку, воздух начнет выходить из шарика с некоторой скоростью. Значит, мы можем говорить об импульсе выходящего воздуха. Направление импульса совпадает с направлением движения воздуха.

При выполнении закона сохранения импульса общий импульс системы тел шарик-воздух не должен измениться (т.е. должен быть равен нулю):

Чтобы выполнялось это условие, воздух движется в одну сторону, а шарик — в противоположную, причем их скорости таковы, что модули импульса воздушной струи и шарика равны.

Векторы импульсов шарика и воздушной струи совпадают с направлениями векторов скоростей. Векторы скоростей, а следовательно и импульсов, направлены в противоположные стороны. В результате равенства модулей и противоположности направлений, суммарный импульс воздушной струи и шарика остаётся равным нулю, т.е. таким же, как и до начала движения.

Данная демонстрация движения шарика при истечении из него потока воздуха является примером реактивного движения. Направление скорости движения воздуха противоположно направлению скорости движения самого шарика, поэтому импульс шарика противоположен импульсу воздушной струи.

Реактивное движение — это движение, которое возникает при отделении от тела некоторой его части с определённой скоростью.

По сообщающимся с сосудом изогнутым трубкам вытекает вода. Струя из трубки ударяет в стенку поддона или просто с большим давлением бьет из трубки. За счет отбрасывания воды трубка движется в противоположную сторону и сосуд вращается.

Такой пример показывает, что для реактивного движения можно использовать не только газ, но и жидкость.

Например, кальмар засасывает воду в мантийную полость, а затем резко выталкивает струю воды через воронку. Надо отметить тот факт, что тело кальмара своими внешними формами сходно с ракетой.

Бешеный огурец (лат. Ecballium elaterium через др.-греч. ἐκβάλλω — "выбрасываю") известен свойством выстреливать семенами на расстояние более $6$ м. Это происходит из-за высокого давления внутри плода.

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.

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.

Большинство перемещений в Природе происходит при наличии опоры. Однако, существует одна возможность перемещаться без опоры – это реактивное движение. Рассмотрим эту тему подробнее.

Физические основы реактивного движения

Третий Закон Ньютона

Как правило, для начала движения телу необходима опора. Теперь если приложить силу со стороны тела к опоре – то в соответствии с Третьим Законом Ньютона со стороны опоры на тело возникнет сила, равная по модулю первой, и направленная в противоположную сторону. Благодаря этой возникающей силе (реакции опоры) тело начнет движение. Именно так происходят прыжки в физкультуре.

Рис. 1. Прыжок в физкультуре схема.

А что если опоры нет ? Например, тело находится в свободном падении в безвоздушном пространстве или в открытом космосе вне гравитационных полей планет или звезд ?

Единственная возможность начать направленное движение при отсутствии внешней опоры – создать эту опору, отделить от тела некоторую часть и оттолкнуться от нее. В результате – эта часть начнет движение по направлению воздействия, а оставшаяся часть, в соответствии с Третьим Законом Ньютона – в противоположную сторону. Движение, совершаемое по такому принципу, называется реактивным.

Рис. 2. Принцип реактивного движения.

Закон сохранения импульса

Итак, в реактивном движении всегда участвуют две части исходного тела – одна часть, которую необходимо двигать и другая часть, которая нужна для создания реактивной силы. Эти две части всегда будут двигаться в противоположных направлениях. Возникает вопрос – с какими скоростями ?

Чтобы получить формулу реактивного движения, необходимо использовать один из законов сохранения – закон сохранения импульса. Теория законов сохранения гласит, что в замкнутой системе сумма импульсов всех материальных точек остается постоянной.

Представим себе ракету в глубоком космосе. Скорость ракеты в нашей системе отсчета примем нулевой $(v=0)$, ее полная начальная масса $М$.

Теперь пусть некоторая масса газа $m_г$ будет выброшена из сопел ракеты со скоростью $v_г$. Согласно закону сохранения, сумма импульсов выброшенного топлива и оставшейся ракеты по-прежнему будет нулевой:

Особенности реактивного движения

Из приведенной формулы можно сделать важные выводы.

Во-первых, результирующая скорость ракеты направлена в противоположную сторону относительно скорости выброшенных газов.
Во-вторых, скорость ракеты будет тем больше, чем большая масса газов будет выброшена, и чем больше будет скорость их истечения. Именно поэтому сопло ракеты стараются сделать по возможности небольшим – это увеличивает скорость истечения газов из него.
В-третьих, полезная масса, то есть, масса, которую требуется двигать без опоры – всегда меньше первоначальной полной массы тела (ракеты).
В-четвертых, по мере выброса топлива масса ракеты становится меньше. А значит, одно и то же количество выброшенных газов даст разную скорость вначале и в конце разгона.

Что мы узнали?

Реактивное движение – это движение, состоящее в отбрасывании телом своей части, и движение остальной части в противоположном направлении. В основе реактивного движения лежат Третий Закон Ньютона и Закон сохранения импульса.

Сегодня почти все слышали о реактивных двигателях, которые используются в самолетах и ракетах. Познакомившись с законом сохранения импульса, мы можем объяснить с точки зрения физики, такой интересный вид движения, как реактивное движение.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Реактивное движение"

Все вы много раз слышали о реактивном двигателе или реактивных самолетах.

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

В частности, реактивная тяга — это сила, возникающая в результате истечения газов из сопла летательного аппарата с определенной скоростью.

Элементарный пример реактивного движения видел каждый: если надуть воздушный шарик и, не завязав его, отпустить, шарик полетит, и будет летать до тех пор, пока из него не выйдет весь воздух.

Реактивные двигатели, в первую очередь, необходимы для освоения космического пространства. Ведь, находясь в открытом космосе, корабль не имеет возможности оттолкнуться от какой-либо опоры, поскольку ее, попросту, нет. Единственной силой, которая могла бы сообщить кораблю ускорение, является реактивная тяга.

Несмотря на то, что в пределах земной атмосферы нет необходимости применять реактивные двигатели, большинство современных самолетов летают именно на реактивной тяге. Это обусловлено тем, что реактивная тяга предоставляет достаточно высокие скорости, по сравнению с теми, которые достижимы винтовыми самолетами.

Реактивные двигатели делятся на два основных типа: ракетные и воздушно-реактивные.

Для работы ракетного двигателя необходимо топливо и окислитель, который способствует горению. В двигателях на твердом топливе (в качестве которого часто используется порох), горючее и окислитель находятся непосредственно в двигателе. В реактивных двигателях на жидком топливе, таком как бензин, например, топливо и окислитель хранятся в отдельных баках, и с помощью насосов подаются в камеру сгорания.

Температура в камере сгорания составляет порядка 3 000 о С, в результате чего, давление возрастает до 50 атм. В камере сгорания при сгорании топлива образуются газы, которые из-за высокой температуры создают высокое давление на стенки камеры. В результате этого, газы вырываются из сопла ракеты, тем самым двигая ее вперед.

Выполняется закон сохранения импульса: суммарный импульс системы должен оставаться равным нулю. Определенная масса газов вырывается из сопла в одну сторону, поэтому, ракета должна начать двигаться в другую сторону. Для увеличения эффекта применяют сужение сопла, чтобы увеличить скорость истечения газов. Ведь при этом, через меньшее поперечное сечение должно будет пройти то же количество газов за определенное время. Следовательно, скорость истечения газов должна увеличиться.

Заметим, что даже при постоянной скорости истечения газов, скорость ракеты будет увеличиваться, поскольку будет уменьшаться ее масса в результате сгорания топлива. Исходя из этого, мы можем вывести формулу, по которой рассчитывается реактивная тяга:

Эта же формула выводится из закона сохранения импульса для системы ракета — продукты сгорания:

В правой части мы видим отношение изменения массы к промежутку времени — эта величина называется массовым расходом топлива.

Воздушно-реактивные двигатели немногим отличаются от ракетных. Основное их отличие в том, что в качестве окислителя используется кислород, содержащийся в воздухе, который попадает внутрь двигателя.

Пример решения задачи.

Задача. Реактивный самолет набирает скорость от 800 км/ч до 2000 км/ч. За это время самолет потерял 1 т топлива. Масса самолета без топлива равна 16 т. Какова скорость истечения газов?

Нам ничего не сказано о других силах, поэтому, внешними силами можно пренебречь.

Читайте также: