Что такое реактивное движение: в физике, природе и технике

Что такое реактивное движение?

На английском языке слово «реактивный» звучит как «jet». Под ним подразумевается движение тела, которое образуется в процессе отделения от него части с определенной скоростью. Проявляется сила, которая двигает тело в обратную сторону от направления движения, отделяя от него часть. Каждый раз, когда материя вырывается из предмета, а предмет при этом движется в обратном направлении, наблюдается реактивное движение. Для того чтобы поднимать предметы в воздух, инженеры должны спроектировать мощную реактивную установку. Выпуская струи пламени, двигатели ракеты поднимают ее на орбиту Земли. Иногда ракеты запускают спутники и космические зонды.

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.

История

С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.

Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.

Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.

Открытие

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

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.

Примеры в природе

Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.

Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).

Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.

Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами

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.

Закон и уравнение

Важно разобрать суть такого движения и дать ему грамотное определение, так как от этого зависит дальнейшее рассмотрение физических явлений в науке.

Есть достаточно простой способ, с помощью которого можно наглядно продемонстрировать это явление. Обычный шарик надувают воздухом и сразу выпускают. Действие будет развиваться стремительно до момента, когда полностью уйдет запас воздуха. Объяснение кроется в третьем законе Ньютона. Согласно ему, два тела взаимодействуют между собой с равными по значению и противоположными по направлению силами.

Сила, действующая на выходящие потоки воздуха, и сила отталкивания шарика равняются между собой. Аналогично действует ракета, выбрасывая на высокой скорости часть собственной массы. Притом наблюдается сильное ускорение в другом направлении.

С помощью физики можно объяснить реактивное движение законом о сохранении импульса (произведение массы тела и скорости). Ракета в покое имеет импульс и скорость в нулевых значениях. При выбросе реактивной струи оставшаяся часть по закону сохранения импульса приобретает ту скорость, когда суммарный импульс равняется нулю.

В целом такое движение возможно описывать следующим уравнением: m s v s +m р v р =0 m s v s =-m р v s, где m s v s — импульс воссоздаваемой струей газов, m р v р — импульс, создающийся ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила движения струи лежат в разных плоскостях.

Закон реактивного движения

Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.

Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.

То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.

Закон сохранения импульса

Физика поясняет процесс реактивного движения законом сохранения импульса. Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.

Формула

В целом реактивное движение можно описать следующей формулой:

1. msvs+mрvр=0
2. msvs=-mрvр

где msvs импульс создаваемой струей газов, mрvр импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

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:

1. явление отдачи от выстрела;
2. взрывы;
3. удары во время аварий;
4. отдача при использовании мощного брандспойта;
5. катер с водометным двигателем;
6. 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.

Первые реактивные двигатели

Впервые разработкой реактивного двигателя в России занялись в начале 20 столетия. Теорию движения реактивных аппаратов и ракетной техники, способных развить сверхзвуковую скорость, выдвинул известный российский ученый К. Э. Циолковский. Воплотить эту задумку в жизнь удалось талантливому конструктору А. М. Люльке. Именно он создал проект первого в СССР реактивного самолета, работающего с помощью реактивной турбины.

Первые реактивные самолеты были созданы немецкими инженерами. Создание проектов и производство проводились тайно на замаскированных заводах. Гитлер со своей идеей стать мировым правителем, подключал лучших конструкторов Германии для производства мощнейшего оружия, в том числе и высокоскоростных самолетов. Наиболее успешным из них стал первый немецкий реактивный самолет «Мессершмитт-262». Этот летательный аппарат стал первым в мире, который успешно вынес все испытания, свободно поднялся в воздух и стал после этого выпускаться серийно.

Самолет обладал такими особенностями:

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

Благодаря всем этим показателям и конструктивным особенностям первый реактивный летательный аппарат «Мессершмитт-262» был грозным средством борьбы против других самолетов.

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:

• Не-178 – немецкий самолет с турбореактивной силовой установкой, поднявшийся в воздух в августе 1939 года.
• GlosterE. 28/39 – летательный аппарат родом из Великобритании, с мотором турбореактивного типа, впервые поднялся в небо в 1941 году.
• Не-176 – истребитель, созданный в Германии с применением ракетного двигателя, осуществил свой первый полет в июле 1939 года.
• БИ-2 – первый советский летательный аппарат, который приводился в движение посредством ракетной силовой установки.
• CampiniN.1 – реактивный самолет, созданный в Италии, ставший первой попыткой итальянских конструкторов отойти от поршневого аналога.
• Yokosuka MXY7 Ohka («Ока») с мотором Tsu-11 – японский истребитель-бомбардировщик, так называемый одноразовый летательный аппарат с пилотом-камикадзе на борту.

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

1. GlosterMeteor – воздушно-реактивный истребитель, изготовленный в Великобритании в 1943 году, сыграл существенную роль во Второй Мировой войне, а после ее завершения выполнял задачу перехватчика немецких ракет «Фау-1».
2. LockheedF-80 – реактивный летательный аппарат, произведенный в США с применением мотора типа AllisonJ. Эти самолеты не раз участвовали в японско-корейской войне.
3. B-45 Tornado – прототип современных американских бомбардировщиков B-52, созданный в 1947 году.
4. МиГ-15 – последователь признанного реактивного истребителя МиГ-9, который активно участвовал в военном конфликте в Корее, был произведен в декабре 1947 г.
5. Ту-144 – первый советский сверхзвуковой воздушно-реактивный пассажирский самолет.

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:

1. Airbus A380 – самый вместительный аппарат, способный принять на своем борту 853 пассажира, что обеспечено двухпалубной конструкцией. Он же по совместительству один из роскошных и дорогостоящих авиалайнеров современности. Самый крупный пассажирский лайнер в воздухе.
2. Boeing 747 – более 35 лет считался самым вместительным двухэтажным лайнером и мог перевозить 524 пассажира.
3. АН-225 «Мрия» – грузовой летательный аппарат, который может похвастаться грузоподъемностью в 250 тонн.
4. LockheedSR-71 – реактивный самолет, достигающий во время полета скорости 3529 км/час.

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.

Формула Циолковского: использование и пример

Предисловие

Для всех космических полетов изначальной и основополагающей стала формула Циолковского для скорости ракеты, вывод которой представлен ниже.

Для начала необходимо приняв ее, грубо говоря, за материальную точку. На нее будут действовать силы притяжения Земли и других небесных тел (в момент взлета сила гравитации Земли будет, конечно же, наиболее сильной), сила сопротивления воздуха с одной стороны и противоположно им направленная реактивная сила, возникающая из-за выброса сгоревшего газа у основания тела. Ракета с большой силой выбрасывает эти газы, которые сообщают ей ускорение, направленное противоположно стороне выброса. Теперь необходимо представить эти рассуждения в виде формулы.

Сам принцип полета ракеты достаточно простой. С большой скоростью из ракеты вырывается газ, полученный при сгорании топлива, который сообщает самой ракете определенную силу, которая действует противоположно направлению движения. Так как считается, что внешние силы не действуют на ракету, то система будет замкнутой, и импульс ее не зависит от времени.

Формула Циолковского

Эта формула выражает скорость ракеты, переданную газами от сожженного топлива. Уравнение Мещерского и формула Циолковского неразрывно связаны — уравнение Мещерского описывает массу материальной точки, которая изменяется со временем, в то время как при реактивном движении ракеты постоянно идет уменьшение ее массы из-за сгорания топлива. Изменение скорости при изменяющейся массе (уменьшающейся в нашем случае) движущегося тела — вот что подразумевает под собой реактивное движение. Формула Циолковского основывается именно на нем.

Для решения ряда задач теоретической механики в области реактивного движения используют уравнение Мещерского (основное уравнение материальной точки переменной массы) и формулу Циолковского (формула конечной скорости летательного аппарата), которые называются основными соотношениям теории реактивного движения.

Основой при проектировании и планировании в области космических полетов является именно формула Циолковского, вывод которой стал настоящим прорывом для освоения космоса.

Задачи Циолковского

Для того, чтобы разрешить проблему межпланетных перелетов, К. Э. Циолковский рассмотрел в качестве средства перелета ракету. Он вывел формулу, с помощью которой можно получить зависимость массы летательного аппарата с топливом и скорости отдаления продуктов сгорания используемого топлива ракеты относительно нее. Покажем две его задачи:

• Исследование движения тела с переменной массы с действующей на него одной реактивной силы.
• Исследование движение тела в однородном поле силы тяжести переменной массы вблизи поверхности Земли.

Уравнение Мещерского

Одним из основных примеров движения тела с изменяющейся массой является ракета с одной ступень, масса которой изменяется только из-за сжигания топлива, содержащегося в ней. Масса такой ракеты складывается из неизменяющейся (сама ракета и ее полезная нагрузка) и изменяющейся (топливо). Такой пример является упрощенной моделью.

Однако в современном ракетостроении используются многоступенчатые ракеты. Принцип их работы заключается в том, что благодаря большому объему ступеней они способны перевозить и использовать после взлета гораздо большее количество топлива. После его сгорания, ракете сообщается значительный импульс (гораздо больший, чем тот, которого можно добиться, используя одну ступень), а ставшие ненужными части открепляются от основы, уменьшая общий вес на 80-90%. Тем не менее, для расчета параметров многоступенчатой ракеты необходимо сложить показатели каждой из ее составляющей.

Дифференциальное уравнение Мещерского описывает движение материальной точки с переменной массой.

(m+dm)(υ+dυ) + dm′ υ′ — mυ = Fdt — в момент времени dt (разность между силой в момент времени t и dt+t и будет приращением).

Где m и υ зависят от времени, dt — какое-то время полета. За его образуется сила перемещения газа — dm′ υ′, dm′ — масса образованного из топлива газа. F — равнодействующая сила.

В описанном выше выражении приращения массы ракеты и газа и скорости устремляется к нулю, поэтому выражение принимает следующий вид:

mdυ = υ′′dm + Fdt,

причем υ′′ равняется разности скорости газа и скорости и является скоростью истечения газа.

— уравнение по форме начинает совпадать со вторым законом Ньютона — F = ma = m

Оно и называется уравнением Мещерского.