Реактивноедвижение в природе и технике
РЕФЕРАТ ПОФИЗИКЕ
Реактивное движение — движение, возникающее приотделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.
Реактивная сила возникает без какого-либовзаимодействия с внешними телами.
Применениереактивного движения в природе
Многие из насв своей жизни встречались во время купания в море с медузами. Во всяком случае,в Черном море их вполне хватает. Но мало кто задумывался, что и медузы дляпередвижения пользуются реактивным движением. Кроме того, именно такпередвигаются и личинки стрекоз, и некоторые виды морского планктона. Изачастую КПД морских беспозвоночных животных при использовании реактивногодвижения гораздо выше, чем у техноизобретений.
Реактивноедвижение используется многими моллюсками – осьминогами, кальмарами,каракатицами. Например, морской моллюск-гребешок движется вперед за счетреактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии еестворок.
/>
Осьминог
/>
Каракатица
/>
Медуза
Каракатица, как ибольшинство головоногих моллюсков, движется в воде следующим способом. Оназабирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впередитела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатицанаправляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неёводу, может двигаться в разные стороны.
Сальпа — морское животное с прозрачнымтелом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем водапопадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Кактолько животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогдапродольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и водачерез заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкаетсальпу вперед.
Наибольшийинтерес представляет реактивный двигатель кальмара. Кальмар является самымкрупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшегосовершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формамикопирует ракету (или лучше сказать – ракета копирует кальмара, поскольку емупринадлежит в этом деле бесспорный приоритет). При медленном перемещениикальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся.Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань – мантияокружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почтиполовину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийнойполости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большойскоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмарасобираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Соплоснабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяянаправление движения. Двигатель кальмара очень экономичен, он способенразвивать скорость до 60 – 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что дажедо 150 км/ч!) Недаром кальмара называют “живой торпедой”. Изгибая сложенныепучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту илидругую сторону. Поскольку такой руль по сравнению с самим животным имеет оченьбольшие размеры, то достаточно его незначительного движения, чтобы кальмар,даже на полном ходу, легко мог увернуться от столкновения с препятствием.Резкий поворот руля – и пловец мчится уже в обратную сторону. Вот изогнул онконец воронки назад и скользит теперь головой вперед. Выгнул ее вправо – иреактивный толчок отбросил его влево. Но когда нужно плыть быстро, воронкавсегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед, какбежал бы рак – скороход, наделенный резвостью скакуна.
Если спешитьне нужно, кальмары и каракатицы плавают, ундулируя плавниками, – миниатюрныеволны пробегают по ним спереди назад, и животное грациозно скользит, изредкаподталкивая себя также и струей воды, выброшенной из-под мантии. Тогда хорошозаметны отдельные толчки, которые получает моллюск в момент извержения водяныхструй. Некоторые головоногие могут развивать скорость до пятидесяти пятикилометров в час. Прямых измерений, кажется, никто не производил, но об этомможно судить по скорости и дальности полета летающих кальмаров. И такие,оказывается, есть таланты в родне у спрутов! Лучший пилот среди моллюсков –кальмар стенотевтис. Английские моряки называют его – флайинг-сквид («летающийкальмар»). Это небольшое животное размером с селедку. Он преследует рыб с такойстремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ееповерхностью. К этой уловке он прибегает и спасая свою жизнь от хищников – тунцови макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартуетв воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живойракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают напалубы океанских судов. Четыре-пять метров – не рекордная высота, на которуюподнимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.
Английскийисследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длинойвсего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упална мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров.
Случается,что на корабль сверкающим каскадом обрушивается множество летающих кальмаров.Античный писатель Требиус Нигер поведал однажды печальную историю о корабле,который будто бы даже затонул под тяжестью летающих кальмаров, упавших на егопалубу. Кальмары могут взлетать и без разгона.
Осьминогитоже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычныйосьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил изводы. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно ваквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счетреактивной тяги, но и греб щупальцами.
Мешковатые осьминоги плавают, конечно, хуже кальмаров, но в критические минутыи они могут показать рекордный для лучших спринтеров класс. СотрудникиКалифорнийского аквариума пытались сфотографировать осьминога, атакующегокраба. Спрут бросался на добычу с такой быстротой, что на пленке, даже присъемке на самых больших скоростях, всегда оказывались смазки. Значит, бросокдлился сотые доли секунды! Обычно же осьминоги плавают сравнительно медленно.Джозеф Сайнл, изучавший миграции спрутов, подсчитал: осьминог размером вполметра плывет по морю со средней скоростью около пятнадцати километров в час.Каждая струя воды, выброшенная из воронки, толкает его вперед (вернее, назад,так как осьминог плывет задом наперед) на два – два с половиной метра.
Реактивноедвижение можно встретить и в мире растений. Например, созревшие плоды “бешеногоогурца” при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки, а изобразовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами.Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.
Зная закон сохраненияимпульса можно изменять собственную скорость перемещения в открытомпространстве. Если вы находитесь в лодке и у вас есть несколько тяжёлых камней,то бросая камни в определённую сторону вы будете двигаться в противоположномнаправлении. То же самое будет и в космическом пространстве, но там для этогоиспользуют реактивные двигатели.
Каждый знает, что выстрелиз ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, онибы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, чтоотбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может бытьобеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чембольше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает нашеплечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила.
Применение реактивногодвижения в технике
В течение многих вековчеловечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самыеразные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано деБержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железнойповозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь кнему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А баронМюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
В конце первоготысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило вдействие ракеты — бамбуковые трубки, начиненные порохом, они такжеиспользовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также среактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону
Авторомпервого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного дляполета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Егоказнили 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 япишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживаетменя в моем ужасном положении…Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея непогибнет вместе со мною”.
Идея использования ракет длякосмических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёнымКонстантином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статьяпреподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировыхпространств реактивными приборами”. В этой работе содержалось важнейшее длякосмонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формулаЦиолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшемон разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложилмногоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целыхкосмических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственныйаппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т.е. аппарат среактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самомаппарате.
Реактивный двигатель – это двигатель, преобразующийхимическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этомдвигатель приобретает скорость в обратном направлении.
Идея К.Э.Циолковскогобыла осуществлена советскими учёными под руководством академика СергеяПавловича Королёва. Первый в истории искусственный спутник Земли с помощьюракеты был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г.
Принцип реактивногодвижения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. Вкосмическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать итем самым изменять направление и модуль своей скорости, поэтому для космическихполетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е.ракеты.
Устройство ракеты
В основедвижения ракеты лежит закон сохранения импульса. Если в некоторый моментвремени от ракеты будет отброшено какое-либо тело, то она приобретет такой жеимпульс, но направленный в противоположную сторону
/>/>
В любойракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо сокислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае этокосмический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы ипр.).
Основнуюмассу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержаниягорения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).
Топливои окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая,превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Благодаря большойразности давлений в камере сгорания и в космическом пространстве, газы изкамеры сгорания мощнойструей устремляются наружу через раструбспециальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобыповысить скорость струи.
Перед стартом ракеты еёимпульс равен нулю. В результате взаимодействия газа в камере сгорания и всехостальных частей ракеты вырывающиёся через сопло газ получает некоторыйимпульс. Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и её общий импульсдолжен и после запуска равен нулю. Поэтому и оболочка ракеты совсем, что в нейнаходится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположныйпо направлению.
Наиболее массивную частьракеты, предназначенную для старта и разгона всей ракеты, называют первойступенью. Когда первая массивная ступень многоступенчатой ракеты исчерпает приразгоне все запасы топлива, она отделяется. Дальнейший разгон продолжает вторая,менее массивная ступень, и к ранее достигнутой при помощи первой ступенискорости она добавляет ещё некоторую скорость, а затем отделяется. Третьяступень продолжает наращивание скорости до необходимого значения и доставляетполезный груз на орбиту.
Первым человеком, которыйсовершил полёт в космическом пространстве, был гражданин Советского Союза ЮрийАлексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 г. Он облетел земной шар на корабле-спутнике«Восток»
Советские ракеты первымидостигли Луны, облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону,первыми достигли планету Венера и доставили на её поверхность научные приборы.В 1986 г. Два советских космических корабля «Вега-1» и «Вега-2» с близкогорасстояния исследовали комету Галлея, приближающуюся к Солнцу один раз в 76лет.