Фізика. 9 клас. Головко

§ 45. Реактивний рух. Досягнення космонавтики

• Реактивний рух як прояв закону збереження імпульсу

• Застосування реактивного руху в техніці. Розвиток космонавтики

РЕАКТИВНИЙ РУХ ЯК ПРОЯВ ЗАКОНУ ЗБЕРЕЖЕННЯ ІМПУЛЬСУ. Реактивний рух можна спостерігати на прикладі роботи приладів шкільної фізичної лабораторії. Одним із них є так зване сегнерове колесо (рис. 45.1). Конічна посудина з водою може вільно обертатися навколо нерухомої осі, а вода витікає з неї через дві загнуті трубки. Кожна з трубок починає рухатися внаслідок відокремлення (витоку) води в напрямку, протилежному напрямку витікання води.

Рис. 45.1. Сегнерове колесо — реактивний прилад

Оскільки реактивний рух не потребує для свого підтримання додаткових тіл, крім тих, що утворюють систему (тіло), він є досить поширеним у природі. Окремі живі організми використовують закон збереження імпульсу для свого переміщення у просторі. Деякі мешканці морів та океанів можуть створювати реактивні струмені. Так кальмари та каракатиці заповнюють водою порожнисті частини тіла, а потім за допомогою спеціальних м’язів виштовхують її назовні з великою швидкістю (рис. 45.2, а). При цьому їм вдається досить швидко переміщуватися.

Деякі сорти городніх культур (наприклад, огірки) після достигання випускають назовні з великою швидкістю своє насіння. Воно рухається в один бік, а сама рослина — в інший (мал. 45.2, б).

Рис. 45.2. Приклади реактивного руху в природі

ЗАСТОСУВАННЯ РЕАКТИВНОГО РУХУ В ТЕХНІЦІ. РОЗВИТОК КОСМОНАВТИКИ. Важливість реактивного руху визначається можливістю його використання в умовах, коли відсутній вплив інших тіл. Умовою руху, який ми спостерігаємо зазвичай навколо себе, є наявність сили тертя (рух по поверхні Землі) або сили опору повітря (рух у повітрі), і, відповідно, наявність інших тіл, що й дають можливість рухатися певному тілу.

Реактивний рух може відбуватися і за відсутності навколо тіла, що рухається, інших тіл, тобто в навколоземному, космічному просторі або вакуумі.

Ідею реактивного руху реалізовано в ракетах — спеціальних пристроях, призначених для польотів за межі нашої планети та дослідження близького і далекого космосу. Загалом ракета складається з двох основних тіл, що утворюють замкнену систему, в якій виконується закон збереження імпульсу — робоча частина та пальне. Робоча частина складається з оболонки, реактивного двигуна, відсіку для обладнання та космонавтів. При цьому основну частину маси ракети складає маса пального (мал. 45.3).

Рис. 45.3. Схема будови ракети

Найпоширенішими сучасними реактивними двигунами є двигуни, що працюють на рідкому паливі. Такі двигуни мають спеціальну камеру згоряння, до якої закачується рідке пальне із зовнішніх резервуарів. За допомогою окислювачів паливо спалюється, у результаті чого утворюються розжарені гази дуже високої температури.

Рис. 45.4. Реактивний двигун конструкції В. П. Глушка

Вони створюють тиск на стінки камери згоряння. Задня стінка має спеціальне сопло, через яке розжарений газ виходить назовні. Оскільки сила тиску на передню стінку значно перевищує тиск на задню стінку, створюється реактивна сила тяги, що рухає ракету вперед.

Перші у світі ракети, що були використані для подолання сили земного тяжіння і виведення на орбіту Землі першого штучного супутника у 1957 р. та польоту першого космонавта у 1961 р., розроблялися під керівництвом нашого співвітчизника академіка С. П. Корольова. Одні з перших рідинних реактивних двигунів були розроблені під керівництвом українського вченого, академіка В. П. Глушка. Реактивні двигуни його конструкції забезпечували надійну роботу космічних апаратів (мал. 44.5).

Видатний конструктор космічних апаратів академік С. П. Корольов (1906—1966)

Конструктор реактивних двигунів В. П. Глушко (1908—1989)

Важливими показниками сучасної ракети є її максимальна швидкість та маса пального. Максимальна швидкість характеризує можливість ракети подолати, наприклад, силу земного тяжіння (перша космічна швидкість) і вийти на орбіту штучного супутника Землі, вийти на орбіту навколо Сонця (друга космічна швидкість) або залишити межі Сонячної системи.

Швидкість ракети тим більша, чим більше відношення маси палива до маси корпусу ракети, а також чим більша швидкість витікання газу із сопла реактивного двигуна. Щоб збільшити корисне співвідношення мас пального та корпусу, використовують багатоступінчаті ракети (рис. 45.5). Кожний ступінь такої ракети має свій реактивний двигун та баки з пальним, що відкидаються після використання пального в цьому бакові.

Рис. 45.5. Схема багатоступінчатої ракети Ю. В. Кондратюка

Велику роль у дослідженні руху ракети відіграв талановитий російський учений К. Е. Ціолковський, який першим запропонував узагальнену формулу для визначення швидкості руху ракети («формула ракети»), ідею багатоступінчатих ракет тощо. Наш співвітчизник Ю. В. Кондратюк (О. Г. Шаргей) незалежно від К. Е. Ціолковського іншими методами отримав рівняння руху ракети, що стало підтвердженням об’єктивного характеру розвитку вчення про реактивні пристрої. В історію світової астронавтики увійшла і «зоряна траса» Ю. В. Кондратюка — схема гравітаційного маневру для польоту на інші тіла нашої планетної системи (рис. 45.6). Цю схему було вдало використано американськими астронавтами під час польоту на природний супутник Землі — Місяць у 1969 р.

Рис. 45.6. «Зоряна траса» Кондратюка

Нині наша країна є космічною державою, однією з небагатьох, що проєктують і виготовляють ракети-носії для виведення на орбіту штучних супутників, космічних кораблів на станції. Вітчизняні реактивні носії «Зеніт» щороку здійснюють польоти з наземних та морських космодромів. Вони виводять на орбіту штучні супутники, розганяючись до першої космічної швидкості (рис. 45.7). Цей шлях, що називається траєкторією виведення ШСЗ на орбіту, становить зазвичай від декількох сотень до двох-трьох тисяч кілометрів.

Рис. 45.7. Траєкторія виведення ракети на орбіту

Ракета стартує, рухаючись вертикально вгору, розвертається приблизно горизонтально і розганяється до так званої розрахункової швидкості. Космічний апарат, що є метою запуску, несе останній ступінь ракети; він автоматично відокремлюється від нього і починає свій рух по деякій орбіті відносно Землі, стаючи штучним небесним тілом.

За метою та завданнями ШСЗ поділяють на дві великі групи — науково-дослідні прикладні. Науково-дослідні супутники призначені для одержання наукової інформації про Землю, навколоземний простір, з біології і медицини. Прикладні супутники призначені для задоволення практичних потреб людини, одержання інформації в інтересах народного господарства.

Супутники зв’язку призначені для передачі телевізійних програм, забезпечення радіотелефонного та телеграфного зв’язку між наземними пунктами, розміщеними на великих відстанях один від одного.

Метеорологічні супутники регулярно передають на наземні станції зображення хмарного, снігового і льодового покриву Землі, відомості про температуру земної поверхні та різних шарів атмосфери тощо.

Спеціалізовані ШСЗ використовуються для вивчення природних ресурсів Землі. Апаратура цих ШСЗ передає інформацію, важливу для різних галузей народного господарства: для прогнозування врожаїв сільськогосподарських культур, визначення районів, перспективних для пошуку корисних копалин, для контролю за забрудненням природного середовища (атмосфери, водойм).

Навігаційні ШСЗ дають змогу швидко й точно визначати місцезнаходження морських кораблів у будь-якій точці світового океану, незалежно від погодних умов.

К. Е. Ціолоковський (1857—1935), один з основоположників космонавтики

Ю. В. Кондратюк (1897—1943), один з основоположників космонавтики

Місяць став першим після Землі небесним тілом, на орбіти навколо якого були виведені штучні супутники. Навколо Марса штучні супутники з’явилися у 1971 р., а навколо Венери у 1975 р.

Україна — велика космічна держава, що бере участь у розробленні і виготовленні космічної техніки і ракет, у здійсненні космічних польотів. На рис. 45.8 — українська ракета-носій «Зеніт» на стартовому столі морської платформи (програма «Морський старт»).

Рис. 45.8. Українська ракета «Зеніт» на стартовому столі морської платформи

! Головне в цьому параграфі

Реактивний рух є проявом закону збереження імпульсу.

Система, що здійснює реактивний рух, не потребує взаємодії з іншими тілами, крім тих, що входять до неї. Тому вона забезпечує можливість переміщення в навколоземному просторі.

? Запитання для самоперевірки

• 1. Яка важлива особливість реактивного руху забезпечує його широке використання в сучасній техніці?
• 2. Які основні складові сучасної ракети?
• 3. Які характеристики ракети визначають її максимальну швидкість?
• 4. Яким чином створюється реактивна сила в реактивному двигуні?
• 5. Яким чином вирішують питання необхідності збільшення відношення корисної маси до маси оболонки ракети?

Готуємось до виконання навчального проєкту.

Запропонуйте власну схему космічної ракети майбутнього. Розкрийте внесок вітчизняних учених і конструкторів до справи освоєння космосу.