Как эффект отдачи используется в реактивном движении кратко

Обновлено: 05.07.2024

Закон сохранения импульса помогает легко разобраться в основных чертах явления отдачи при выстреле, реактивном движении и при рассмотрении других аналогичных проблем.

Рассмотрим, прежде всего, явление отдачи, происходящее в системе отсчета, где в начальный момент тела покоились. В случае выстрела из орудия такое рассмотрение вполне естественно. Если в начальный момент система, состоящая из двух или более тел, покоится, то суммарный импульс ее равен нулю. Какие бы события далее ни произошли, равенство нулю суммарного импульса продолжает иметь место. Если поэтому в какое-то мгновение происходит взрыв, в результате которого система делится на части с массами которые разлетаются со скоростями то сумма импульсов разлетающихся тел должна по-прежнему равняться нулю.

Если речь идет о выстреле из орудия (система делится на две части), то условие равенства нулю импульса этой системы из двух тел имеет вид здесь малые буквы относятся к одному телу, скажем снаряду, а большие — к другому, к орудию. Разделение системы на две части может происходить при разлете частей только вдоль общей прямой линии. Поэтому векторные значки можно отбросить и записать условие в виде Скорости орудия и снаряда должны быть обратно пропорциональны их массам. Итак, явление отдачи будет ощущаться тем резче, чем больше масса снаряда по отношению к массе орудия.

Ракета движется со скоростью и в какое-то мгновение выбрасывает некоторую порцию горючего газа с массой Масса ракеты естественно уменьшится на эту величину. Если скорость истечения газов обозначить через и (это скорость не по отношению к ракете, а по отношению к той же инерциальной системе отсчета, в которой описывается скорость движения ракеты), то импульс отделившегося от ракеты вещества будет равен и Ракета уменьшит свою массу и увеличит свою скорость на величину Импульс ракеты после выброса горючего будет равен В соответствии с

законом сохранения импульса мы можем приравнять импульс ракеты до выброса порции горючего и импульс системы после истечения порции газа. Последний будет равен разности импульса ракеты и массы горючего. Итак,

откуда с точностью до бесконечно малых второго порядка

Но есть относительная скорость истечения горючих газов (по отношению к ракете). Обозначая эту скорость через с, мы приходим к следующему уравнению для приращения скорости ракеты: Знак минус поставлен, чтобы учесть возрастание скорости при убывании массы. Мы видим, что прирост скорости равен доле потерянной массы, умноженной на относительную скорость истечения горючего.

Считая скорость истечения газов по отношению к ракете величиной постоянной, мы легко проинтегрируем написанное уравнение. Если масса ракеты была когда скорость ракеты была и стала равной тогда, когда скорость ракеты изменилась до и, то интегрирование дает

Переходя к десятичным логарифмам и вводя для разности масс ракеты, т. е. для массы отброшенного горючего, обозначение получим формулу Циолковского в виде

(начальную скорость полагаем равной нулю).

Для скорости истечения газов расчет по формуле дает такие характерные цифры:

Как видно из этой таблицы, скорость ракеты возрастает много медленнее с количеством выброшенного горючего, чем хотелось бы. Для придания ракете значительной скорости необходимо

выбросить огромное количество горючего по отношению к начальной массе ракеты. Так, для придания скорости от массы ракеты должна остаться меньше чем часть.

Чтобы ракета вышла за пределы земного тяготения, ей нужно придать скорость, равную примерно Эта цифра получается следующим простым рассуждением. Для отрыва от Земли ракета должна обладать такой кинетической энергией, которой хватило бы для производства работы перемещения тела с земной поверхности в бесконечность. Но эта работа против сил тяжести равна разности потенциальных энергий ракеты на поверхности Земли и в бесконечности. Так как в бесконечности потенциальная энергия равна нулю, то условие отрыва от Земли имеет следующий простой вид:

где масса и радиус Земли. Умножив числитель и знаменатель правой части равенства на вспоминая формулу ускорения силы тяжести на поверхности Земли сокращая на массу ракеты, находим условие отрыва от Земли: что и дает цифру около

Меньшие трудности приходится преодолеть при выведении на орбиту спутника Земли. Для создания искусственного спутника требуется меньшая начальная скорость. Если полагать, что ускорение силы тяжести на тех высотах, где мы желаем создать орбиту спутника, примерно то же, что и на земной поверхности, то закон механики, записанный для искусственной планеты, будет иметь вид а так как спутник движется по окружности, то центростремительное ускорение Отсюда находим значение скорости обращения спутника и т. е. Если такая скорость будет придана ракете, то она превратится в земного спутника. Из приведенной выше таблицы, рассчитанной для скорости истечения газа в мы видим, что значение нужное для придания ракете скорости равно 54.

Пример движения тела с переменной массой. Пусть водяная капля падает в насыщенной водяными парами атмосфере. В момент времени капля имеет массу и радиус За время объем капли, а следовательно, и масса (при плотности, равной 1) увеличатся на величину Следовательно, скорость возрастания массы В то же время из физических соображении ясно, что скорость конденсации водяного пара должна быть пропорциональной конденсирующей поверхности Отсюда где некоторый коэффициент пропорциональности.

Составим уравнение движения этой капли в поле тяготения Земли. Нас интересует изменение импульса которое по основному закону механики равно где Имеем т. е. Подставляя сюда выражения длят и получим Интегрирование этого уравнения показывает, что капля падает с постоянным ускорением Сопротивление воздуха в расчет не принималось.

Отдача - явление образования силы , называемой силой отдачи, вызванной этой силой ускорения и вызванным ею движением тела (отдача), когда данное тело (A), прикладывая силу к другому телу (B) , придает ему скорость (бросает тело). Развитие силы отдачи является следствием третьего закона движения Ньютона . Обе силы имеют одинаковые значения и направления, повороты противоположные, они приложены к разным телам.

Если тела не взаимодействуют с другими, общий импульс обоих тел сохраняется, т.е. изменения количества движения обоих тел являются противоположными векторами:

Если бы тела изначально находились в покое, полученные векторы импульса (концевых выстрелов) противоположны, т.е. полученные скорости обратно пропорциональны массам тел:

Явление отдачи обычно встречается в природе и используется в технике.

Есть три типа реактивных двигателей:

В реактивном двигателе продукты сгорания выбрасываются с высокой скоростью, позволяя транспортному средству разгоняться. Реактивные двигатели в основном используются в авиации ( реактивные самолеты ), баллистических ракетах (ракетах) и космических ракетах . В случае космических кораблей реактивные двигатели - практически единственный способ их приведения в движение.

Отдача огнестрельного оружия - это возникновение силы отдачи, действующей на огнестрельное оружие при выстреле. Явление отдачи используется в некоторых типах газодинамического стрелкового оружия для перезарядки последующих снарядов ( автоматическое оружие ). Для уменьшения неблагоприятной отдачи оружия используется дульный тормоз , который снижает воздействие оружия на стрелка или окружающую среду (в ствольной артиллерии) и стабилизирует ствол после выстрела.

Во время радиоактивного распада ядро, покинувшее частицу, испытывает явление отдачи, такое ядро приобретает скорость и называется ядром отдачи . Этот эффект в основном касается испускания α-частиц. В случае β- и γ-распада испускаемые частицы обычно имеют слишком маленький импульс, чтобы отдача ядра была значительной.

Некоторые водные животные ( медузы , осьминоги , кальмары ) используют явление отдачи для передвижения. Благодаря быстрому сокращению тела они могут отбрасывать воду назад, тем самым набирая силу в противоположном направлении.

Что такое реактивное движение?

Что касается авиалайнеров и военных самолетов, то принцип их работы чем-то напоминает взлет ракеты: физическое тело реагирует на выбрасываемую мощную струю газа, в результате чего оно движется в противоположную сторону. Это и есть основной принцип работы реактивных самолетов.

Законы Ньютона в реактивном движении

Инженеры основывают свои разработки на принципах устройства мироздания, впервые подробно описанных в работах выдающегося британского ученого Исаака Ньютона, жившего в конце 17 столетия. Законы Ньютона описывают механизмы гравитации и рассказывают нам о том, что происходит, когда предметы движутся. Они особенно четко объясняют движение тел в пространстве.

Второй закон Ньютона определяет, что сила движущегося предмета зависит от того, сколько материи он вмещает, иными словами, его массы и изменения скорости движения (ускорения). Значит, чтобы создать мощную ракету, необходимо, чтобы она постоянно выпускала большое количество высокоскоростной энергии. Третий закон Ньютона говорит о том, что на каждое действие будет равная по силе, но противоположная реакция – противодействие. Реактивные двигатели в природе и технике подчиняются этим законам. В случае с ракетой сила действия – материя, которая вылетает из выхлопной трубы. Противодействием является толчок ракеты вперед. Именно сила выбросов из нее толкает ракету. В космосе, где ракета практически не имеет веса, даже незначительный толчок от ракетных двигателей способен заставить большой корабль быстро лететь вперед.

Техника, использующая реактивное движение

Физика реактивного движения состоит в том, что ускорение или торможение тела происходит без влияния окружающих тел. Процесс происходит вследствие отделения части системы.

Примеры реактивного движения в технике – это:

явление отдачи от выстрела;
взрывы;
удары во время аварий;
отдача при использовании мощного брандспойта;
катер с водометным двигателем;
реактивный самолет и ракета.

Тела создают закрытую систему, если они взаимодействуют лишь друг с другом. Такое взаимодействие может привести к изменению механического состояния тел, образующих систему.

В чем заключается действие закона сохранения импульса?

Впервые этот закон был оглашен французским философом и физиком Р. Декартом. При взаимодействии двух или больше тел образовывается между ними замкнутая система. Любое тело при движении обладает своим импульсом. Это масса тела, умноженная на его скорость. Общий импульс системы равен векторной сумме импульсов тел, находящихся в ней. Импульс любого из тел внутри системы меняется вследствие их взаимного влияния. Общий импульс тел, находящихся в замкнутой системе, остается неизменным при различных перемещениях и взаимодействиях тел. В этом состоит закон сохранения импульса.

Примерами действия этого закона могут быть любые столкновения тел (бильярдных шаров, автомобилей, элементарных частиц), а также разрывы тел и стрельба. При выстреле из оружия происходит отдача: снаряд мчится вперед, а само оружие отталкивается назад. Из-за чего это происходит? Пуля и оружие формируют между собой замкнутую систему, где работает закон сохранения импульса. При стрельбе импульсы самого оружия и пули меняются. Но суммарный импульс оружия и находящейся в нем пули перед выстрелом будет равен суммарному импульсу откатывающегося оружия и выпущенной пули после стрельбы. Если бы пуля и ружье имели одинаковую массу, они бы разлетелись в противоположные стороны с одинаковой скоростью.

Закон сохранения импульса имеет широкое практическое применение. Он позволяет объяснить реактивное движение, благодаря которому достигаются наивысшие скорости.

Реактивное движение в физике

Самым ярким образцом закона сохранения импульса служит реактивное движение, осуществляемое ракетой. Важнейшей частью двигателя выступает камера сгорания. В одной из ее стенок находится реактивное сопло, приспособленное для выпуска газа, возникающего при сжигании топлива. Под действием высокой температуры и давления газ на огромной скорости выходит из сопла двигателя. Перед стартом ракеты ее импульс относительно Земли равняется нулю. В момент запуска ракета также получает импульс, который равняется импульсу газа, но противоположный по направлению.

Пример физики реактивного движения можно увидеть везде. Во время празднования дня рождения воздушный шарик вполне может стать ракетой. Каким образом? Надуйте воздушный шар, зажимая открытое отверстие, чтобы воздух не выходил из него. Теперь отпустите его. Воздушный шар с огромной скоростью будет гонять по комнате, подгоняемый воздухом, вылетающим из него.

История реактивного движения

История реактивных двигателей началась еще за 120 лет до н.э., когда Герон Александрийский сконструировал первый реактивный двигатель – эолипил. В металлический шар наливают воду, которая нагревается огнем. Пар, который вырывается из этого шара, вращает ее. Это устройство показывает реактивное движение. Двигатель Герона жрецы успешно применяли для открывания и закрывания дверей храма. Модификация эолипила – Сегнерово колесо, которое эффективно используется в наше время для полива сельскохозяйственных угодий. В 16-м столетии Джовани Бранка представил миру первую паровую турбину, которая работала на принципе реактивного движения. Исаак Ньютон предложил один из первых проектов парового автомобиля.

Первые попытки использования реактивного движения в технике для перемещения по земле относят к 15-17 столетиям. Еще 1000 лет назад китайцы имели ракеты, которые использовали как военное оружие. Например, в 1232 году, согласно хронике, в войне с монголами они использовали стрелы, оборудованные ракетами.

Первые попытки построения реактивного самолета начались еще в 1910 году. За основу были взяты ракетные исследования прошлых веков, где подробно повествовалось об использовании пороховых ускорителей, способных существенно сократить длину форсажа и разбега. Главным конструктором стал румынский инженер Анри Коанда, построивший летательный аппарат, работающий на основе поршневого двигателя. Первооткрывателем реактивного движения в технике по праву можно назвать инженера из Англии – Фрэнка Уитла, который предложил первые идеи по созданию реактивного двигателя и получил на них свой патент в конце XIX века.

Первые реактивные двигатели

Самолет обладал такими особенностями:

Аппарат имел два турбореактивных двигателя.
В носовой части располагался радиолокатор.
Максимальная скорость самолета достигала 900 км/час.

Прототипы современных авиалайнеров

В послевоенное время российскими конструкторами были созданы реактивные самолеты, ставшие в дальнейшем прототипами современных авиалайнеров.

И-250, более известный как легендарный МиГ-13, – истребитель, над которым трудился А. И. Микоян. Первый полет был произведен весной 1945 года, на то время реактивный истребитель показал рекордную скорость, достигшую 820 км/час. Запущены были в производство реактивные самолеты МиГ-9 и Як-15 .

В апреле 1945 года впервые в небо поднялся реактивный самолет П. О. Сухого - Су-5, поднимающийся и летающий за счет воздушно-реактивного мотокомпрессорного и поршневого двигателя, расположенного в хвостовой части конструкции.

После окончания войны и капитуляции фашистской Германии Советскому Союзу в качестве трофеев достались немецкие самолеты с реактивными двигателями JUMO-004 и BMW-003.

Первые мировые прототипы

Разработкой, тестированием новых авиалайнеров и их производством занимались не только немецкие и советские конструкторы. Инженерами США, Италии, Японии, Великобритании также было создано немало успешных проектов, применяемых реактивное движение в технике. К числу первых разработок с различными типами двигателей можно отнести:

Использование реактивного движения в технике послужило резким толчком для быстрого создания следующих реактивных летательных аппаратов и дальнейшего развития военного и гражданского самолетостроения.

Современные реактивные аппараты

С каждым годом авиалайнеры совершенствуются, ведь конструкторы со всего мира работают над тем, чтобы создавать аппараты нового поколения, способные летать со скоростью звука и на сверхзвуковых скоростях. Сейчас существуют лайнеры, способные вмещать большое количество пассажиров и грузов, обладающие огромными размерами и невообразимой скоростью свыше 3000 км/час, военная авиатехника, оборудованная современной боевой экипировкой.

Но среди этого многообразия имеются несколько конструкций реактивных самолетов-рекордсменов:

Авиационные исследования не стоят на месте, потому как реактивные самолеты – это основа стремительно развивающейся современной авиации. Сейчас проектируется несколько западных и российских пилотируемых, пассажирских, беспилотных авиалайнеров с реактивными двигателями, выпуск которых запланирован на ближайшие несколько лет.

К российским инновационным разработкам будущего можно отнести истребитель 5-го поколения ПАК ФА - Т-50, первые экземпляры которого поступят в войска предположительно в конце 2017 или начале 2018 года после испытания нового реактивного двигателя.

Природа - пример реактивного движения

Это устройство, которое обеспечивает движение с помощью силы воды, выбрасываемой под сильным напором. В устройство вода закачивается в камеру, а затем выпускается из нее через сопло, а судно движется в обратном выбросу струи направлении. Вода затягивается с помощью двигателя, работающего на дизеле или бензине.

Проявление в природе и технике реактивного движения подвластно одним и тем же законам мироздания. Человечество все больше использует эти законы для достижения своих целей не только в атмосфере Земли, но и на просторах космоса, и реактивное движение является этому ярким примером.

Явление отдачи при выстреле объясняется реактивным эффектом. Именно на реактивной тяге летают все современные ракеты. Принцип заключается в следующем: при выстреле конкретно, происходит поджог пороха внутри патрона, который начинает сгорать и выделять огромное количество пороховых газов, которые, распространясь по дулу, выталкивают патрон. Именно сама отдача происходит из за того, что патрон имеет трение с дулом, и когда пороховые газы начинают выталкивать патрон, то вся конструкция оружия начинает двигаться в противоположную сторону.

Читайте также: