Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар
§ 21. Реактивний рух
Завдяки чому рухаються автомобілі та тварини? Чому літають планери й птахи? Чому плавають риби й підводні човни? Відповідь проста: усі названі тіла від чогось відштовхуються. А як пояснити рух космічного корабля, адже він не має можливості від чогось відштовхнутися? Проте космічні кораблі літають у відкритому космосі, виконують маневри й повертаються на Землю. Від чого ж вони відштовхуються? З’ясуємо.
1. Що таке реактивний рух?
ДОСЛІДЖЕННЯ
Що знадобиться: повітряна кулька.
Надуйте повітряну кульку й, не стягуючи її отвір ниткою, відпустіть. Що ви бачите? Чому кулька рухається? Чому рух кульки із часом припиняється?
Ви можете також влаштувати конкурси з такими назвами: «Чия кулька полетить далі?», «Чия кулька рухається швидше?» або «Чия кулька тримається довше?». Чи зможете ви передбачити результати змагань?
Сподіваємося, ви здогадалися, що кулька рухається завдяки повітрю, що виривається з її отвору. Як тільки повітря припинить вириватися, зупиниться й рух кульки. У цьому простому досліді ми мали справу з реактивним рухом.
Реактивний рух — це рух, що виникає внаслідок відділення з деякою швидкістю від тіла якоїсь його частини.
Основою реактивного руху є закон збереження імпульсу. Повернемося до досліду з кулькою (рис. 21.1).
Рис. 21.1. Рух кульки під дією повітря, що виривається з отвору, — це реактивний рух
Якщо отвір кульки закритий, вона перебуває в стані спокою й імпульс системи «кулька — повітря» дорівнює нулю.
Після того як ви відкриєте отвір, повітря почне вириватися назовні з досить великою швидкістю, тобто набуде певного імпульсу:
Сама кулька теж набуде імпульсу, напрямленого в бік, протилежний імпульсу повітря:
Уявімо, що система «кулька — повітря» є замкненою. Тоді відповідно до закону збереження імпульсу загальний імпульс системи «кулька — повітря» залишається незмінним і дорівнює нулю. Тож з урахуванням напрямків швидкостей маємо:
mкvк - mпvп = 0.
Отже, швидкість руху кульки становить:
Аналогічно виникає рушійна реактивна сила в ракеті або реактивному літаку, коли з їх сопел викидається газ.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Прообразом сучасних реактивних двигунів можна вважати «кулю Герона», або «еоліпіл». Цей пристрій у І ст. створив видатний давньогрецький математик і механік Героном з Александрії. Пара, що виходить із закріплених на кулі зігнутих трубочок (сопел), змушує кулю обертатися.
2. Чому ракета має декілька ступенів?
Ракета — літальний апарат, який переміщується в просторі завдяки реактивній тязі, що виникає внаслідок відкидання ракетою частини власної маси.
Відокремлюваною частиною ракети є струмінь гарячого газу, який утворюється в ході згоряння палива. Коли газовий струмінь із величезною швидкістю викидається із сопла ракети, вона одержує потужний імпульс, напрямлений у бік, протилежний швидкості руху струменя (рис. 21.2).
Рис. 21.2. Старт ракети «Зеніт» (вироблена в Україні)
Уявімо: у момент старту все паливо ракети згоряє миттєво. Оскільки до старту ракета перебуває в стані спокою, то закон збереження імпульсу після згоряння палива виглядав би так:
0 = mобvоб - mгазуvгазу. (1)
Тут mоб та vоб —маса та швидкість руху оболонки ракети; mгазу та vгазу — маса та швидкість руху газового струменя.
З рівняння (1) знайдемо масу оболонки:
Якщо припустити, що маса палива в 4 рази більша за масу оболонки, а швидкість струменя газу — 2 км/с (приблизно з такою швидкістю із сопла ракети виривається розпечений газ), то одержимо, що швидкість руху ракети дорівнює 8 км/с.
Скориставшись рівнянням 2, самостійно доведіть останнє твердження. 8 км/с — це перша космічна швидкість. Таку швидкість повинно мати тіло в момент запуску із Землі, щоб стати її штучним супутником.
Отже, якби паливо ракети згоряло миттєво, а руху ракети нічого не заважало б, то швидкість, набрана ракетою, була б достатньою для того, щоб вивести ракету на орбіту Землі.
Однак у реальності паливо згоряє поступово, а на рух ракети суттєво впливає опір повітря. Розрахунки показують, що для досягнення необхідної швидкості маса палива має у 200 разів перевищувати масу оболонки, а це нереально реалізувати технічно.
Ще на початку XX ст. було доведено, що одноступенева ракета не зможе покинути Землю. Саме тому всі ракети-носії космічних апаратів, як найперші, так і ті, що використовуються зараз, є багатоступеневими. У таких ракетах ступені зі спорожнілими паливними резервуарами відкидаються в польоті (рис. 21.3). При цьому маса ракети зменшується, відповідно збільшується швидкість її руху. До речі, перший ступінь ракети відкидається ще біля поверхні Землі (невдовзі після старту).
Рис. 21.3. Відділення ступенів від космічного корабля
Саме на багатоступеневих ракетах було зроблено перші кроки людства в космос: 4 жовтня 1957 р. на навколоземну орбіту був виведений перший штучний супутник Землі; 12 квітня 1961 р. відбувся перший політ людини в космос; 21 липня 1969 р. дослідники вперше висадилися на Місяці (рис. 21.4).
Рис. 21.4. 21 липня 1969 р. Ніл Армстронг першим ступив на поверхню Місяця
Дослідження космосу тривають.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
13 квітня 2025 р. виповниться 40 років із дня першого запуску української ракети-носія «Зеніт».
І до сьогодні вдосконалена триступенева ракета-носій «Зеніт-3SL» є одним із найпотужніших літальних апаратів свого класу. Екологічно чистий і надійний «Зеніт» може бути запущений за будь-яких метеорологічних умов. Ракета здатна виводити на навколоземну орбіту супутники, масою до 13 т.
3. Реактивний рух у природі
Багато мешканців морів та океанів використовують реактивний рух для пересування (рис. 21.5).
Рис. 21.5. Кальмари, восьминоги, каракатиці пересуваються завдяки реактивному руху
Розглянемо, як пересувається кальмар.
Під мантією кальмара є порожнина та дві воронки: вхідна — для всмоктування води, вихідна — для її випускання. За допомогою м’язів кальмар розширює мантію — і вода заповнює мантійну порожнину. Після заповнення вхідний отвір закривається, потужні м’язи скорочуються, а вода з величезною швидкістю виривається через вихідний отвір назовні, унаслідок чого тіло кальмара отримує потужний імпульс. Кальмари можуть досягати швидкості до 40 км/год. Зазначимо, що напрямок вихідної воронки може змінюватися, тому кальмар здатен регулювати напрямок свого руху: він може рухатися назад, уперед, повертатися або зупинятися.
Тепер ви розумієте, чому вчені вивчали пересування кальмарів під час розробки турбореактивних двигунів.
Реактивним рухом не нехтують і рослини. Поширений на берегах Середземного та Чорного морів «скажений» огірок (Ecballium) розкидає своє насіння саме завдяки реактивному руху (рис. 21.6). Коли плід дозріває, усередині нього починається бродіння, тиск рідини підвищується, тому при незначному струсі (особливо спричиненому торканням тварини чи людини) плід відокремлюється від плодоніжки. Через отвір вміст огірка виривається назовні, а огірок за законом збереження імпульсу рухається в протилежному напрямку.
Рис. 21.6. Завдяки реактивному руху «скажений огірок» (огірок-пирскач) може подолати відстань до 12 м, розсіюючи по дорозі насіння
А ЯК НАСПРАВДІ?
Під час руху медуза нагадує парасольку, яка то складається, то розкривається. Біологи, які досліджують медуз, стверджують, що ці морські тварини пересуваються завдяки реактивному руху, адже коли медуза стискає зонтик, з-під нього виштовхується вода, тобто виникає віддача, яка штовхає медузу. Підтвердіть або спростуйте твердження біологів.
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
Реактивний рух — це рух, що виникає внаслідок відділення з деякою швидкістю від тіла якоїсь його частини.
Основою реактивного руху є закон збереження імпульсу:
m1v1 - m2v2 = 0.
Ракета — літальний апарат, який переміщується в просторі завдяки реактивній тязі, що виникає внаслідок відкидання ракетою частини власної маси.
Деякі мешканці морів та океанів використовують реактивний рух для пересування.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Дайте означення реактивного руху; опишіть досліди зі спостереження за ним. 2. Запишіть закон збереження імпульсу для старту ракети, припустивши, що все її паливо згоряє миттєво в момент старту. 3. Чому для польоту в космос використовують багатоступеневі ракети? 4. Де в природі спостерігається реактивний рух? 5. Чи застосовують реактивний рух у техніці?
ВПРАВА № 21
1. Що спільного в кальмара, реактивного літака й катера з водометними двигунами?
2. Чим відрізняється рух автомобіля від руху ракети?
3. Чому під час пострілу з мисливської рушниці потрібно обов’язково притискати приклад до плеча?
4. «Сеґнерове колесо» — пристрій, винайдений Яношем Сеґнером (1704-1777). Цей пристрій зараз застосовують для поливання газонів. Розгляньте рисунок і поясніть, як він працює. Чи можна його вважати реактивним двигуном?
5. Під час запуску моделі ракети загальною масою 600 г із сопла вилітає 500 г води. Оцініть швидкість витікання води, якщо ракета набула швидкості руху 12 м/с. Чому можна саме оцінити, а не визначити швидкість витікання води?
6. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про українських космонавтів.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ
З пластикової пляшки та трубочок для коктейлю виготовте «сеґнерове колесо» й перевірте, як працює цей пристрій.
Ключові терміни
Реактивний рух • Ракета • Багатоступенева ракета
ФІЗИКА І ТЕХНІКА В УКРАЇНІ
Юрій Васильович Кондратюк (Олександр Гнатович Шаргей) (1897-1941) народився в Полтаві.
У книжці «Тим, хто читатиме, щоб будувати» (1919) Юрій Кондратюк навів схему чотириступеневої ракети на киснево-водневому паливі й дав опис камери згоряння двигуна, а в книжці «Завоювання міжпланетних просторів» (1929) запропонував здійснювати польоти на Місяць, використовуючи для живлення систем космічного корабля сонячну енергію (!).
