Законы импульса при освоении космоса

Реактивное движение. Освоение космоса

1. Реактивное движение

Из закона сохранения импульса следует: чтобы разогнаться, надо что-то оттолкнуть назад.

Например, когда человек разбегается, он ногами толкает назад дорогу; автомобиль толкает назад дорогу вращающимися ведущими колесами; гребец веслом толкает назад воду.

А что можно оттолкнуть назад, когда вокруг ничего нет – как у ракеты в открытом космосе?

В таком случае надо брать с собой то, что можно будет потом отталкивать назад. Так, лодку можно разогнать и без весел, если запастись, например, большим количеством мячей и бросать их из лодки назад (рис. 27.1).

Подобным же образом приходит в движение и пушка при отдаче во время выстрела: толкая ядро, пушка согласно закону сохранения импульса и сама получает толчок.
Движение, при котором тело изменяет свою скорость, отбрасывая свою часть, называют реактивным.

Принцип действия ракеты

Наиболее важный практический пример реактивного движения представляет собой движение ракеты.

Вы можете сами сделать простейшую модель ракеты – для этого достаточно взять обыкновенный воздушный шарик.

Поставим опыт
Надуйте шарик и, не завязывая его, отпустите. Воздух будет выходить из шарика, и он полетит в сторону, противоположную направлению струи воздуха (рис. 27.2).

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.

Ракета сходна в этом отношении с детским воздушным шариком. Подобно воздуху, выходящему из шарика, из сопла ракеты с огромной скоростью вылетают назад продукты сгорания топлива (раскаленный газ). При этом согласно закону сохранения импульса ракете сообщается импульс, направленный вперед (рис. 27.3).

Выберем инерциальную систему отсчета, в которой в начальный момент ракета покоилась, причем ее двигатель был выключен. Пусть при включении двигателя из сопла ракеты вылетела порция газа массой m_г со скоростью _г относительно выбранной системы отсчета.

Согласно закону сохранения импульса суммарный импульс ракеты и газа в этой системе отсчета остался равным нулю. Поэтому

Здесь m_р – масса ракеты (оставшаяся после выброса порции газа), _р – скорость, которую приобрела ракета в выбранной системе отсчета (в которой ее начальная скорость равна нулю). Следовательно, _р – это изменение скорости ракеты в этой системе отсчета.

? 1. Докажите, что изменение скорости ракеты прямо пропорционально массе выброшенного газа и его скорости относительно ракеты и обратно пропорционально массе ракеты.

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 соотношения (1), 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.

Однако весь газ нельзя выбрасывать из ракеты сразу! Дело в том, что ускорение ракеты было бы при этом настолько большим, что возникшую перегрузку не смогли бы выдержать не только космонавты, но и приборы.

Почему ракеты делают многоступенчатыми?

Чтобы избежать больших перегрузок, ракета должна разгоняться в течение достаточно длительного промежутка времени. А при длительном разгоне вылетающий из сопла ракеты газ должен разгонять не только саму ракету, но и весь огромный запас топлива, который ракета несет в своем корпусе. В результате расход топлива многократно увеличивается.

Например, чтобы без чрезмерных перегрузок разогнать ракету до первой космической скорости, масса топлива должна в десятки раз превышать массу полезного груза. Поэтому ракету делают многоступенчатой.

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 то же происходит со второй ступенью, после чего включаются двигатели третьей ступени, завершающие разгон ракеты до расчетной скорости.

Расчет передаваемого ракете импульса

Рассмотрим несколько упрощенный пример расчета скорости движения ракеты.

? 2. При работе двигателя из сопла ракеты массой 100 т ежесекундно выбрасывается 100 кг газа со скоростью 4 км/с относительно ракеты. Считайте, что изменением массы ракеты за рассматриваемый промежуток времени можно пренебречь.
а) Чему равен импульс выброшенного за 1 с газа в инерциальной системе отсчета, в которой ракета в начальный момент покоилась?
б) Чему равно изменение импульса ракеты за 1 с в той же системе отсчета?
в) Какая сила действовала на ракету со стороны газа?
г) Чему равно ускорение ракеты в упомянутой системе отсчета?

2. Развитие ракетостроения и освоение космоса

Основы теории реактивного движения заложил Константин Эдуардович Циолковский.

После перенесенной в детстве скарлатины он практически оглох и не мог посещать школу. Но он оказался гениальным самоучкой и стал одним из самых просвещенных людей своего времени.

Исследования, положившие начало космической эры человечества, Константин Эдуардович проводил, работая учителем калужской гимназии.
Он предложил использовать многоступенчатые ракеты, разработал принципы систем жизнеобеспечения экипажа.

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.

Современное состояние космических исследований

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.

Запущены исследовательские ракеты на Венеру, Марс и другие планеты Солнечной системы. На спутниках устанавливают мощные телескопы, с помощью которых ученые заглядывают все дальше и дальше в глубины Вселенной.

Россия принимает активное участие в международных космических проектах, в частности с помощью международных космических станций.

На рисунке 27.4 приведена полученная из космоса фотография международной космической станции на фоне Земли.

Дополнительные вопросы и задания

3. Расскажите, в чем состоит принцип действия ракеты.

4. Как связаны скорость ракеты и скорость выбрасываемого ракетой газа?

5. Объясните, почему нельзя доставить груз на орбитальную станцию самолетом.

6. Для чего ракеты делают многоступенчатыми?

7. Используя Интернет, подготовьте вместе с одноклассниками иллюстрированную презентацию о современных космических исследованиях.

8. Двигатель ракеты выбрасывает газ равными порциями с одинаковыми скоростями относительно ракеты. Как будут изменяться приращения скорости ракеты при выбрасывании очередной порции газа?

9. Изготовьте сегнерово колесо (рис. 27.5) и объясните принцип его действия. В какую сторону будет вращаться ведерко, изображенное на рисунке?

Источник

Физика космического полета

Россия всегда была космической державой. Запуск первого искусственного спутника Земли (4 октября 1957 года), полет первого космонавта (12 апреля 1961 года, Ю.А.Гагарин), полет первой женщины- космонавта (16 июня 1963 года, В. Терешкова), первый выход человека в открытый космос (18 марта 1965 года, А. Леонов), запуск первых космических аппаратов для исследования космических объектов, первые орбитальные станции.

Космические полеты сопровождаются следующими физическими явлениями: реактивное движение, невесомость и явление тяготения.

Реактивное движение. Описано в учебнике А.В.Перышкин, Е.М. Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

Реактивное движение возникает за счет того, что от тела отделяется и движется какая- то его часть, в результате чего тело приобретает противоположно направленный импульс (из учебника).

Объяснить реактивное движение можно на основе закона сохранения импульса. Согласно закону сохранения импульса, суммарный импульс замкнутой системы тел до взаимодействия равен суммарному импульсу тел после взаимодействия. Самый простой пример реактивного движения – полёт воздушного шарика, из которого выходит воздух. Если мы надуем шарик и отпустим его, он начнёт лететь в сторону, противоположную движению выходящего из него воздуха.

На законе сохранения импульса основана реактивная тяга. При движении ракеты с реактивным двигателем в результате сгорания топлива из сопла выбрасывается, струя жидкости или газа (реактивная струя). В результате взаимодействия двигателя с вытекающим веществом появляется реактивная сила. Так как ракета вместе с выбрасываемым веществом является замкнутой системой, то импульс такой системы не меняется со временем.

Реактивная сила возникает в результате взаимодействия только частей системы. Внешние силы не оказывают никакого влияния на её появление.
До того, как ракета начала двигаться, сумма импульсов ракеты и горючего была равна нулю. Следовательно, по закону сохранения импульса после включения двигателей сумма этих импульсов тоже равна нулю.

История открытия реактивного движения:

• В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты — бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону
• Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881 г. за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Кибальчич писал: “Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении… Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною”.
• Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. В этой работе содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формула Циолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

К. Циолковский создал проект поезда на воздушной подушке, в основе которого принцип реактивного движения. Сейчас много таких машин используется для движения над водой и над землей в условиях бездорожья: над болотами, переувлажненными полями, пашнями.

Видеоролик поясняющий принцип реактивного движения, многоступенчатой ракеты и поезда на воздушной подушке, представленный на областной научно-практической конференции школьников «Россия — космическая держава» (г. Омск, 2017 год) — https://drive.google.com/file/d/0B9vDER 4PAyLzbXBTcGVnTXlCVEU/view

• Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием «бешеный огурец». Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами. Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.
• Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие — «воронку», и с большой скоростью (около 70 км/час) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. По такому же принципу движутся осьминоги, каракатицы, медузы.
• Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя.

Невесомость. Описано в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012. и в учебнике А.В.Перышкин, Е.М.Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

Данное явление сопровождает космонавтов в космосе.

Невесомость — это состояние, при котором вес тела Р=0. Весом называют силу, с которой тело действует на опору вследствие притяжения его к Земле. Следовательно, невесомость — это такое состояние, при котором тело не действует на опору.

Это явление объясняется тем, что тело движется только под действием силы тяжести- свободно падает. В момент движения падающее тело не действует на падающую вместе с ним опору.

Явление невесомости описывал в своей книге К.Э. Циолковский «Вне Земли». Ю. Гагарин перед своим полетом читал эту книгу и был удивлен тем, что все процессы, происходящие в космосе, были верно описаны.

• В невесомости можно легко перемещать тяжёлые предметы и перемещаться самому, приложив лишь небольшое усилие. Правда, по этой же причине любые предметы нужно специально закреплять, чтобы они не летали по орбитальной станции, а на время сна космонавты забираются в специальные мешки, прикреплённые к стене.
• Жидкости в невесомости принимают шарообразную форму. Воду не получится, как мы привыкли на Земле, хранить в открытой посуде, вылить из чайника и налить в чашку, даже вымыть руки не получится привычным для нас способом.
• Пламя в условиях невесомости очень слабое и со временем затухает.
• В невесомости можно получать уникальные материалы, которые трудно или вообще невозможно получить в земных условиях. Например, сверхчистые вещества, новые композиционные материалы, большие правильные кристаллы и даже лекарства.
• Невесомость оказывает существенное влияние на человека и живые организмы.
• На Земле во время прыжка человек находится в состоянии невесомости.

Явление тяготения. Закон всемирного тяготения. Описано в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012. И А.В.Перышкин, Е.М Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.

Притяжение всех тел во Вселенной друг к другу называется Всемирным тяготением (из учебника «Физика 7 класс»).

Взаимодействие между телами во Вселенной осуществляется особым полем, которое стали называть гравитационным. У этого поля есть некоторые особенности. Самая главная и самая интересная особенность – поле является всепроникающим.

История открытия закона всемирного тяготения:

• Греческий философ Анаксагор (2 тысячи лет назад) : «Луна, если бы не двигалась, упала бы на Землю».
• И. Кеплер писал: «если бы планеты не обладали природными сопротивлениями, то нельзя было бы указать причины, почему бы им не следовать в точности вращению Солнца. Но хотя в действительности все планеты движутся в том же самом направлении, в котором совершается и вращение Солнца, скорость их движения не одинакова. Дело в том, что они смешивают в известных пропорциях косность своей собственной массы со скоростью своего движения».
• Р. Гук. Вот его подлинные слова из работы под названием «Попытка изучения движения Земли», вышедшей в 1674 году: «Я разовью теорию, которая во всех отношениях согласуется с общепризнанными правилами механики. Теория эта основывается на трех допущениях: во-первых, что все без исключения небесные тела обладают направленным к их центру или тяжестью, благодаря которой они притягивают не только свои собственные части, но также и все находящиеся в сфере их действия небесные тела. Согласно второму допущению все тела, движущиеся прямолинейно и равномерным образом, будут двигаться по прямой линии до тех пор, пока они не будут отклонены какой-нибудь силой и не станут описывать траектории по кругу, эллипсу или какой-нибудь другой менее простой кривой. Согласно третьему допущению силы притяжения действуют тем больше, чем ближе к ним находятся тела, на которые они действуют. Я не мог еще установить при помощи опыта, каковы различные степени притяжения. Но если развивать дальше эту идею, то астрономы сумеют определить закон, согласно которому движутся все небесные тела».
• Закон всемирного тяготения был открыт И.Ньютоном в 1682 году. Ньютон писал: «не может быть сомнения, что природа тяжести на других планетах такова же, как и на Земле. В самом деле, вообразим, что земные тела подняты до орбиты Луны и пущены вместе с Луною, также лишенной всякого движения, падать на Землю. На основании уже доказанного (имеются в виду опыты Галилея) несомненно, что в одинаковые времена они пройдут одинаковые с Луною пространства, ибо их массы так относятся к массе Луны, как их веса к весу ее». Так Ньютон открыл, а затем сформулировал закон всемирного тяготения, который по праву является достоянием науки.

Закон всемирного тяготения, который является одним из универсальных законов природы. Согласно закону, все материальные тела притягивают друг друга, причём величина силы тяготения не зависит от химических и физических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела. Тяготение на Земле проявляется, прежде всего, в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землёй. С этим связан термин «гравитация» (от лат. gravitas — тяжесть), эквивалентный термину «тяготение».

Закон тяготения гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Этот закон нашел свое применение для тел, которые имеют форму шара, его можно использовать для материальных точек, а также он приемлем для шара, имеющего большой радиус, где этот шар может взаимодействовать с телами, гораздо меньшими, чем его размеры.

Интересные факты:

• Интересный факт из истории открытия закона. Исаак Ньютон гулял по яблоневому саду и вдруг увидел Луну в дневном небе. И тут же на его глазах с ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, и, следовательно, на нее воздействует какая-то сила, которая удерживает ее от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь по прямой прочь, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет и яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите. Многие считают эту легенду вымыслом.
• Благодаря этому закону всемирного тяготения, появилась возможность в более точном определении расположения небесных тел и возможность вычисления их траектории.
• С помощью этого закона можно рассчитать и движение искусственных спутников Земли, а также и созданных других межпланетных аппаратов.
• С помощью этого закона Ньютон смог объяснить не только то, как движутся планеты, но и почему возникают морские приливы и отливы.
• Закон всемирного тяготения помог астрономам открыть такие планеты Солнечной системы, как Нептун и Плутон.
• Важность открытия закона всемирного тяготения заключается в том, что с его помощью появилась возможность делать прогнозы солнечных и лунных затмений и с точностью рассчитывать движения космических кораблей.

Источник