В процессе проведения работы над исследовательским проектом по физике на тему «Физика полёта ракеты» обучающийся 9 класса ответил на вопрос "Как работает физика полёта ракеты?", изучив историю создания ракеты, законы физики, действующие при её взлёте, а также применил законы реактивного движения для решения задачи.

Подробнее о работе:

В готовом исследовательском проекте по физике на тему «Физика полёта ракеты» автор изучил историю создания ракет, рассмотрел строение ранней китайской ракеты, двухступенчатой ракеты 16 века, решил задачу, для того чтобы понять работу реактивного движения ракеты.

Оглавление

Введение

1. История создания ракет
2. Ранняя китайская ракета
3. Двухступенчатая ракета XVI века
4. Строение ракеты
5. Задача на применение законов реактивного движения

Заключение

Кто не знает, что такое ракета? Но законы, по которым возможно движение ракеты известны немногим. С точки зрения физики можно объяснить такой интересный вид движения, как реактивное движение, используемый при полёте ракеты.

Желание узнать больше о полёте ракеты появилось у меня еще в детстве. Меня заинтересовало, как такая многотонная конструкция может так высоко и так быстро взлетать. Привлёк моё внимание к этой теме документальный фильм, посвещёный 50-ти летию полёта Юрия Гагарина в космос, просмотренный в пятилетнем возрасте. Поэтому я решил более подробно изучить эту тему.

Мы живем в век научно – технического прогресса и задача освоения космоса является актуальной для всего человечества. Это необходимо для научных исследований, которые проводятся для того, чтобы узнать устройство нашего мира, изучить влияние космоса на него. В не очень далёкой перспективе возможно освоение других планет.

Цель работы: ответить на вопрос, что такое и как работает физика полёта ракеты?
Задачи:

1. Изучить историю создания ракеты.
2. Изучить законы физики действующие при взлёте ракеты.
3. Применить законы реактивного движения при решении задачи.

Вначале обратимся к истории вопроса. Существует предположение, что некое подобие ракеты было сконструировано ещё в Древней Греции Аликсом Сином. Речь идёт о летающем деревянном голубе Архита Тарентского. Его изобретение упоминается в произведении древнеримского писателя Авла Геллия «Аттические ночи».

В книге говорится, что птица поднималась с помощью разновесов и приводилась в движение дуновением спрятанного и скрытого воздуха. До сих пор не установлено, приводился ли голубь в движение действием воздуха, находящегося у него внутри, или воздуха, который дул на него снаружи.

Остаётся неясным, как Архит мог получить сжатый воздух внутри голубя. В античной традиции пневматики нет аналогов такого использования сжатого воздуха.

Истоки возникновения ракет большинство историков относят ко временам китайской династии Хань (206 год до н. э. — 220 год н. э.), к открытию пороха и началу его использования для фейерверков и развлечений. Сила, возникающая при взрыве порохового заряда, была достаточной, чтобы двигать различные предметы.

Позже этот принцип нашёл применение при создании первых пушек и мушкетов. Снаряды порохового оружия могли летать на далёкие расстояния, однако не были ракетами, поскольку не имели собственных запасов топлива. Тем не менее, именно изобретение пороха стало основной предпосылкой возникновения настоящих ракет.

Описание летающих «огненных стрел», применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом.

Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись в ряде случаев при осаде укреплений, против судов, кавалерии.
В XIII веке вместе с монгольскими завоевателями ракеты попали в Европу, и в 1248г. английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон опубликовал труд по их применению.

Многоступенчатые ракеты были описаны в XVI веке Конрадом Хаасом и в XVII веке белорусско-литовским военным инженером Казимиром Семеновичем.
Фейерверки и зажигательные ракеты производились в России начиная с XVII века.

В Индии в конце XVIII века ракетное оружие применялось весьма широко, и, в
частности, существовали особые отряды ракетчиков, общая численность которых
достигала примерно 5000 человек. Ракетные стрелы-снаряды, представлявшие собой трубки с зарядом горючего вещества, применялись индийцами в сражениях с британскими войсками.

В начале XIX века британская армия также приняла на вооружение боевые ракеты, производство которых наладил Уильям Конгрив. В то же время российский офицер Александр Засядко разрабатывал теорию ракет.

Он, в частности, пытался рассчитать, сколько пороха необходимо для запуска ракеты на Луну. Большого успеха в совершенствовании ракет достиг в середине XIX века российский генерал артиллерии Константин Константинов. Русский революционер-изобретатель Николай Иванович Кибальчич в 1881 году также выдвигал идею элементарного ракетного двигателя.

Запуск ракеты Конгрива, восточная Африка, 1890 год
Ракетная артиллерия широко применялась вплоть до конца XIX века. Ракеты были более лёгкими и подвижными, чем артиллерийские орудия. Точность и кучность ведения огня ракетами была небольшой, но сопоставимой с артиллерийскими орудиями того времени.

Однако во второй половине XIX века появились нарезные артиллерийские орудия, обеспечивающие большую точность и кучность огня и ракетная артиллерия была всюду снята с вооружения. Сохранились лишь фейерверочные и сигнальные ракеты.

В конце XIX века стали предприниматься попытки математически объяснить реактивное движение и создать более эффективное ракетное вооружение. В России одним из первых этим вопросом занялся Николай Тихомиров в 1894 году. Параллельно в США Никола Тесла проектирует первые устройства на реактивной тяге, принципы которых разработал еще в период обучения в колледже (то есть в 70-е годы XIX века).

Теорией реактивного движения занимался Константин Циолковский. Он выдвигал идею об использовании ракет для космических полетов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода. Ракету для межпланетных сообщений он спроектировал в 1903 году.

Немецкий учёный Герман Оберт в 1920-е годы также изложил принципы межпланетного полёта. Кроме того, он проводил стендовые испытания ракетных двигателей.

Американский учёный Роберт Годдард в 1923 году начал разрабатывать жидкостный ракетный двигатель, и работающий прототип был создан к концу 1925 года. 16 марта 1926 года он осуществил запуск первой жидкостной ракеты, в качестве топлива для которой использовались бензин и жидкий кислород.

Работы Циолковского, Оберта и Годдарда были продолжены группами энтузиастов ракетной техники в США, СССР и Германии. В СССР исследовательские работы вели Группа изучения реактивного движения (Москва) и Газодинамическая лаборатория (Ленинград). В 1933 году на их основе был создан Реактивный институт (РНИИ).

В нём в том же году было завершено начатое ещё в 1929 году создание принципиально нового оружия — реактивных снарядов, установка для запуска которых позднее получила прозвище «Катюша».
17 августа 1933 года была запущена ракета «ГИРД 9», которую можно считать первой советской зенитной ракетой. Она достигла высоты 1,5 км. А следующая ракета «ГИРД 10», запущенная 25 ноября 1933 года, достигла уже высоты в 5 км.

В Германии подобные работы вело Общество межпланетных сообщений. 14 марта 1931 Иоганн Винклер осуществил первый в Европе удачный запуск жидкостной ракеты.

В VfR работал Вернер фон Браун, который с декабря 1932 года начал разработку ракетных двигателей на артиллерийском полигоне германской армии в Куммерсдорфе. Созданный им двигатель был использован на опытной ракете А-2, успешно запущенной с острова Боркум 19 декабря 1934 года.

После прихода нацистов к власти в Германии были выделены средства на разработку ракетного оружия, и весной 1936 года была одобрена программа строительства ракетного центра в Пенемюнде, руководителем которого был назначен Вальтер Дорнбергер, а техническим директором — фон Браун.

В нём была разработана баллистическая ракета А-4 с дальностью полёта 320 км. Во время Второй мировой войны 3 октября 1942 года состоялся первый успешный запуск этой ракеты, а в 1944 году началось её боевое применение под названием «Фау-2» (V-2).

Военное применение V-2 показало огромные возможности ракетной техники, и наиболее мощные послевоенные державы — США и СССР — также начали разработку баллистических ракет.

В 1957 году в СССР под руководством Сергея Павловича Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полётов.

В любой ракете, независимо от её конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. На рисунке мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз, приборный отсеки двигатель(камера сгорания, насосы и пр.). Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержки горения топлива).

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Благодаря большой разности давлений в камере, газы из камеры сгорания мощной струёй устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом.

Назначения сопла в том, чтобы повысить скорость струи.
Еще у ракеты есть стабилизаторы - маленькие крылья внизу. Они нужны для того, что бы ракета летела ровно и прямо. Если у ракеты не будет этих стабилизаторов, то она в полете будет болтаться из стороны в сторону. Стабилизаторы же меняют всю картину.

Когда ракета начинает отклоняться в бок, или заносить в сторону, как заносит машину на скользкой дороге, стабилизаторы подставляются под поток воздуха своей широкой частью и этим потоком их сносит назад.

А у больших космических ракет стабилизаторов или нет вообще, или они очень маленькие, потому, что в таких ракетах стоит не один, а сразу много реактивных двигателей. Из них несколько больших, которые и толкают ракету вверх, а есть еще маленькие, которые нужны только для того, что бы подправлять полет ракеты.

Форма ракеты (как веретёнце) связана только с тем, что ей приходится по дороге в космос пролетать через воздух. Воздух мешает лететь быстро. Его молекулы стукаются о корпус и тормозят полёт. Для того, чтобы уменьшить воздушное сопротивление, форму ракеты и делают гладкой и обтекаемой.

Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой противодействия силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере.

Как известно, согласно третьему закону Ньютона, сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты.

Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленую ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы.

Раскаленный газ, вырывающийся из сопла ракеты – тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон. По принципу реактивного движения передвигаются некоторые представители животного мира, например, кальмары и осьминоги.

Периодически выбрасывая, вбираемую в себя воду они способны развивать скорость 60 - 70 км/ч.
В данном разделе говорится о медленном движении тел, масса которых меняется за счет потери или приобретения вещества. Уравнения движения тел с переменной массой являются следствиями законов Ньютона.

Тем не менее, они представляют большой интерес, главным образом, в связи с ракетной техникой.
Выведем уравнение движения материальной точки с переменной массой на примере движения ракеты.
Принцип действия ракеты очень прост. Ракета с большой скоростью выбрасывает вещество (газы), воздействуя на него с большой силой.

Выбрасываемое вещество с той же, но противоположно направленной силой, в свою очередь, действует на ракету и сообщает ей ускорение в противоположном направлении. Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени. На этом положении и основана теория движения ракет.

Несложные преобразования закона изменения импульса приводят к уравнению Мещерского:
Здесь m – текущая масса ракеты, - ежесекундный расход массы,
vrel – скорость газовой струи (т.е. скорость истечения газов относительно ракеты),
F – внешние силы, действующие на ракету. По форме это уравнение напоминает второй закон Ньютона, однако, масса тела m здесь меняется во времени из-за потери вещества.

К внешней силе F добавляется дополнительный член , который может быть истолкован как реактивная сила.
Применив уравнение Мещерского к движению ракеты, на которую не действуют внешние силы, и проинтегрировав уравнение, получим формулу Циолковского:

Релятивистское обобщение этой формулы имеет вид
где с – скорость света. При малых скоростях v оно переходит в формулу Циолковского.
Формула Циолковского позволяет рассчитать запас топлива, необходимый, чтобы сообщить ракете скорость v.

В частности, можно получить, что запас топлива, необходимого для осуществления межзвездного путешествия (с возвращением обратно), должен превышать массу космического корабля в несколько тысяч раз. Но для межзвездных перелетов ракеты на химическом топливе абсолютно непригодны.

Расстояния до звезд измеряются световыми годами – от ближайшей звезды свет идет до Земли около 4 лет. Поэтому для достижения даже ближайших звезд нужны космические корабли, скорости которых близки к скорости света c.

Если, например, скорость ракеты должна составлять четверть скорости света, то на каждую тонну полезного груза должно приходиться 5x103327 тонн топлива! (Кстати, при таких скоростях применима только релятивистская формула Циолковского; она еще больше увеличивает необходимое количество топлива).

Обычно, когда имеют дело с очень большими величинами, их называют «астрономическими». В данном случае такое сравнение не годится – речь идет о величинах несравненно большего масштаба. Вряд ли имеет смысл говорить о движении столь фантастически гигантского космического корабля относительно Вселенной, имеющей по сравнению с ним ничтожную массу.

Было бы неосторожно на основании вышеизложенного сделать вывод, что звездные миры никогда не будут доступны земным космонавтам. Только отдаленное будущее покажет, возможно это или нет. Для превращения ракеты в звездолет, прежде всего, необходимо повысить скорость струи, приблизив ее к скорости света. Идеальным был бы случай vrel = c.

Так было бы в фотонной ракете, в которой роль газовой струи должен был бы играть световой пучок. Реактивная сила в фотонной ракете осуществлялась бы давлением света. Превращение вещества в излучение постоянно происходит внутри звезд.

Этот процесс осуществляется и на Земле (взрывы атомных и водородных бомб). Возможно, ли придать ему управляемый характер и использовать в фотонных ракетах – на этот вопрос отвечать сейчас преждевременно.

Для того чтобы понять работу реактивного движения попробуем решить задачу.
Пример: Какую скорость приобретает ракета массой 600 г, если продукты горения массой 15 г вылетают из нее скоростью 800 м/с?

Теория задачи:
Реактивное движение основано на законе сохранения импульса. Саму ракету можно рассматривать как тело, разделившееся на две части, одна из которых отброшена назад (силой пороховых газов, пружиной, сжатым воздухом), а другая устремилась вперед.

Для решения задачи используем формулы:
Для изначально покоившейся ракеты в проекциях на направление ее движения можно записать:

Учитывая в формулах знаки проекций скоростей ракеты и газов - они разнонаправлены, получим:

Решение:

1. Кратко записываем условие задачи.

Изображаем условие графически в системе отсчета, где ось совпадает с направлением движения тела, а отсчет времени начинается в момент старта ракеты.

2. Записываем закон сохранения импульса для движения ракеты.
3. Решаем уравнения в общем виде.
4. Подставляем величины в общее решение, вычисляем. Перед подстановкой переводим все величины в систему СИ.

Таким образом, реактивное движение это, движение, которое возникает благодаря другой силе, присоединённой к телу. Такое движение происходит за счёт того, что от тела отделяется какая-то его часть.