Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

§ 37. Реактивний рух. Фізичні основи ракетної техніки. Досягнення космонавтики

Завдяки чому можуть рухатися люди, автомобілі, тварини? Чому літають планери, птахи, метелики? Чому плавають риби, катери, підводні човни? Відповідь є простою: всі перелічені тіла від чогось відштовхуються: людина, тварина, автомобіль — від поверхні Землі; планери, птахи, метелики — від повітря; риби та катери — від води. А як пояснити рух космічного літального апарата, адже він не має можливості від чогось відштовхнутися? Проте космічні кораблі літають у відкритому космосі, виконують маневри, повертаються на Землю. Від чого ж вони відштовхуються? З'ясуємо.

1. Дізнаємося про реактивний рух

Проведемо невеликий дослід. Надуємо повітряну кульку і, не стягаючи її отвір ниткою, відпустимо. Кулька почне рухатись, і рухатиметься доти, поки з отвору виривається повітря. У цьому випадку ми маємо справу з реактивним рухом (рис. 37.1).

Рис. 37.1. Рух кульки під дією повітря, що виривається з отвору, — це реактивний рух

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. Якщо отвір кульки закритий, вона перебуває в спокої й імпульс системи «кулька — повітря» дорівнює нулю.

Прообразом сучасних реактивних двигунів можна вважати «кулю Герона», або «еоліпіл». Цей пристрій був створений у І ст. видатним давньогрецьким математиком і механіком Героном з Александрії. Пара, що виходить із закріплених на кулі зігнутих трубочок (сопел), змушує кулю обертатися.

Згідно з третім законом Ньютона така сама за модулем сила, але напрямлена протилежно, діє й на автомат. Аналогічно виникає рушійна реактивна сила в ракеті, коли з її сопла викидається газ.

2. Вивчаємо реактивний рух ракети

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, то оболонка ракети одержує потужний імпульс, напрямлений у бік, протилежний швидкості руху струменя (рис. 37.2).

Рис. 37.2. Старт ракети «Зеніт» (вироблена в Україні)

Двигун ракети — це тепловий двигун. Що в цьому двигуні слугує нагрівником? робочим тілом? холодильником?

Якщо припустити, що маса палива в 4 рази більша за масу оболонки (mгазу = 4mоб), а швидкість струменя газу vгазу = 2 км/с (приблизно з такою швидкістю із сопла ракети виривається розпечений газ), одержимо швидкість руху оболонки ракети: vоб = 4vгазу = 8 км/с*.

* Зазначимо: 8 км/с — це перша космічна швидкість. Таку швидкість повинно мати тіло в момент запуску з поверхні 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 помітно 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. Це можливо тільки за допомогою багатоступеневих ракет: у таких ракетах ступені зі спорожнілими паливними резервуарами відкидаються в польоті (потім вони згоряють в атмосфері через тертя об повітря). При цьому маса ракети зменшується, відповідно збільшується швидкість її руху. Зазначимо, що всі ракети-носії космічних апаратів, як найперші, так і ті, що використовуються зараз, є багатоступеневими.

На рис. 37.3 подано триступеневу ракету-носій «Восток». Вона складається із чотирьох бічних блоків (І ступінь), розташованих навколо центрального блока (II ступінь). Космічний апарат установлюється на III ступені, під головним обтічником, який захищає його під час польоту в щільних шарах атмосфери. Кожний блок оснащений власними реактивними двигунами.

Рис. 37.3. Триступенева ракета-носій «Восток»

12 квітня 1961 р. ракета-носій «Восток» вивела на орбіту космічний корабель «Восток», на борту якого був перший у світі космонавт Ю. О. Гагарін (рис. 37.4). Цей політ був здійснений за ініціативою та під керівництвом видатного конструктора С. П. Корольова (1907-1966), уродженця м. Житомира.

Рис. 37.4. Юрій Олексійович Гагарін (1934-1968) — радянський льотчик-космонавт, перша людина у світі, яка здійснила політ у космос (12 квітня 1961 р.)

Контрольні запитання

1. Дайте означення реактивного руху. 2. Опишіть досліди зі спостереження реактивного руху. 3. Запишіть закон збереження імпульсу для руху ракети, припустивши, що все її паливо згоряє миттєво в момент старту. 4. Чому для запускання космічних кораблів з поверхні Землі використовують багатоступеневі ракети? 5. Назвіть ім’я першого в історії людства космонавта та ім’я конструктора, під керівництвом якого було здійснено перший політ у космос.

Вправа № 37

1. «Сеґнерове колесо» (рис. 1) — пристрій, винайдений механіком Яношем Андрашем Сеґнером (1704-1777), — зараз застосовують для поливання газонів. Розгляньте рис. 1 і поясніть, як працює цей пристрій. Чи можна «сеґнерове колесо» вважати реактивним двигуном? Обґрунтуйте свою відповідь.

Рис. 1

2. Швидкість стрільби скорострільного кулемета, який ви, можливо, бачили у фільмі «Матриця», сягає 10 000 пострілів за хвилину; він випускає кулі масою 10 г зі швидкістю 600 м/с. Якою є сила віддачі такої зброї? Чи дійсно можна стріляти, тримаючи її в руках?

3. Від ракети, що рухалася зі швидкістю 2,4 км/с, відокремився перший ступінь, маса якого становила чверть маси ракети. З якою швидкістю почала рухатися ракета, якщо швидкість руху першого ступеня після відділення дорівнює 900 м/с відносно ракети.

4. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про українських космонавтів.

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, як рухається кальмар; які ще істоти використовують реактивний рух; де ще можна спостерігати реактивний рух у природі.

Експериментальне завдання

Із пластикової пляшки та трубочок для коктейлю виготовте «сеґнерове колесо» (рис. 2) і перевірте, як працює цей пристрій.

Рис. 2

Фізика і техніка в Україні

Сергій Павлович Корольов (1906-1966) — академік, всесвітньо відомий український радянський вчений у галузі ракетобудування та космонавтики, конструктор перших штучних супутників Землі та космічних кораблів.

Під керівництвом С. П. Корольова було розроблено й створено серію унікальних ракет-носіїв, які забезпечили справжній прорив у дослідженні космосу: запуск першого в історії штучного супутника Землі (4 жовтня 1957 р.); перший в історії космічний політ космонавта Юрія Олексійовича Гагаріна на кораблі «Восток» (12 квітня 1961 р.); виведення на орбіту першого багатомісного корабля серії «Восход» з екіпажем на борту (12 жовтня 1964 р.); перший вихід у відкритий космос космонавта О. А. Леонова (18 березня 1965 р.). С. П. Корольов виховав плеяду численних послідовників — учених, конструкторів, інженерів.

Цікаво, що перший космонавт із України Π. Р. Попович, ракету з яким у 1962 р. вивів на орбіту С. П. Корольов, заспівав із космосу для головного конструктора його улюблену пісню «Дивлюсь я на небо...».

У Житомирі, на батьківщині конструктора, відкрито Музей космонавтики ім. С. П. Корольова, на центральній площі міста йому встановлено пам'ятник.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.