Воздушный шарик и реактивное движение

Воздушный шарик и некоторые приложения.

В учебной литературе и в школьных учебниках много разных описаний физических процессов, которые, на мой взгляд, не дают полного понимания значимости теоретических выкладок. Я не берусь что-то изобретать, но некоторые моменты на мой взгляд будут более понятны при таком наполнении материала.

В своей работе учителя под рукой (быстром доступе) необходимо всегда иметь 3 вещи: воздушный шарик, шприц на 60 мл и детскую машинку. На мой взгляд почти половину физики можно объяснить на этих вещах.

На примере шарика покажу объяснение некоторых.

Итак. Основные понятия, которые принимаются как аксиома:

1. Любой газ (как и все тела) состоит из отдельных частиц - атомов и молекул

2. Частицы газа непрерывно и беспорядочно (хаотически) движутся. Скорость движения частиц зависит от температуры (чем выше температура, тем сильнее движутся частицы)

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания.

Мы понимаем, что это не что иное, как основные положения молекулярно-кинетической теории со всевозможными способами доказательств (диффузия, растворение, стыковка свинцовых цилиндров, сохранение формы и объема телами и т.д.). И чем раньше об этом будет оговорено, тем лучше.

А теперь к шарикам.

Молекулы, из которых состоит газ находятся в непрерывном беспорядочном движении. При этом некоторые из них в данный момент времени сталкиваются со стенками сосуда(шарика). Но в отличие от газа молекулы стенок сосуда сильно связаны друг с другом, и поэтому, принимают удар от молекулы газа целой группой. Без указания что будет происходить со стенкой шарика, накачанный шарик заставляем столкнуться с откидной стенкой классной доски. Отмечаем, что шарик(молекула) отбрасывается назад, а стенка немного сдвигается в сторону. Значит, молекула при столкновении со стенкой сосуда подействовала на его с некоторой силой, изменяя ее форму и скорость. Далее задаем вопрос, что произойдет, если в стенку ударится сразу несколько молекул? Логичный ответ, что она отодвинется сильнее. А если молекулы будут внутри сосуда? Весь сосуд будет раздвигаться. Отсюда напрашивается вывод: раз есть сила, которая приложена к части стенки малой площади, значит молекула оказывает давление. А полное давление внутри будет складываться из давления всех молекул, которые есть внутри шарика. Из-за хаотичности движения (а никак не в силу закона Паскаля) давление во все стороны будет передаваться одинаково, чем объясняется округлая форма всех воздушных шаров и невозможность создания шаров с мягкими стенками прямоугольной или какой-либо другой угольной формы. Что же влияет на величину давления: масса молекул, скорость молекул, количество молекул в единице объема(концентрация). Масса молекул зависит от рода газа.(!это хорошо описывает основное уравнение МКТ p=1/3*m₀*n*V_ср²). А вот скорость связана с температурой. Значит шарик можно увеличить в размере не только вдуванием в него дополнительной порции молекул, но и изменяя температуру самого газа внутри. При уменьшении температуры скорость молекул уменьшается, уменьшается сила ударов о стенки шарика и уменьшается давление внутри него. Но если снаружи давление остается прежним, то размер шарика уменьшается. А если температуру в шарике увеличить? Правильно, размер шарика становиться больше. Рассмотрим практический пример. Мы решили по традиции украсить свадебную машину шарами. Где надо надувать шары и почему? Правильно, на улице, т.к. при выносе шарика объемом 10 л из помещения с температурой +25⁰С на улицу с температурой -10⁰С он уменьшается в объеме почти на 1,2 л (можно посчитать, используя изобарный процесс). Можно ли накачанные на улице шарики вносить домой? Правильно, не стоит. Т.к. они могут лопнуть при нагревании из-за увеличения размеров вследствие нагревания.

Итак, если шарик завязан, то за счет хаотичности движения давление изнутри на все участки стенок шарика одинаково. А значит одинаковы по всем направлениям и силы, действующие на стенки шарика. Они уравновешивают(компенсируют) друг друга. Что же произойдет с шариком, если он будет развязан. Диаметрально противоположные силы по прежнему уравновешивают друг друга. Но в части, противоположной открытому отверстию остается участок, действие сил на который ничем не уравновешено. Значит равнодействующая(векторная сумма сил) уже не будет равна нулю. И шарик приходит в движение в сторону, противоположную отверстию. Вывод: шарик летит из-за нескомпенсированной силы (а не за счет того, что из него вырывается воздух).

Определение: Реактивным движением будем называть движение, возникающее при возникновении в жидкости и газе нескомпенсированной силы.

А если этот шарик поместить в корпус ракеты? Правильно, шарик будет толкать ракету. По сути своей, именно так и работает ракетный двигатель, только вместо упругих стенок там жесткий корпус. Но для того, чтоб ракета могла двигаться, мы должны поддерживать условия, при которых эта нескомпенсированная сила есть, т.е. условия, при которых внутри будет поддерживаться давление большее, чем снаружи. Вспомним, от чего зависит сила давления на стенки. Следовательно, ракету можно заставить двигаться, если в двигатель постоянно закачивать газ, увеличивая число молекул (возмещая те молекулы, которые вылетают через отверстие). Можно разогревать газ, увеличивая тем самым скорость их движения. А можно совместить: закачивать и одновременно сжигать горючую смесь. Именно это и происходит в современных ракетных двигателях, в которые закачивается топливо и окислитель, сгорающие внутри. Размеры самой камеры сгорания, в которой происходит возникновение нескомпенсированной силы, значения не имеет. Важно лишь давление внутри.

Равенство импульсов оболочки ракеты и вылетающих газов определяется не каким-то там законом, а исходит именно из равенства распределения давления по всем направлениям внутри двигателя. Кстати, давление внутри можно увеличить, если отверстие будет небольшим. Чем меньше отверстие, тем больше давление внутри, тем больше толкающая ракету сила и тем больше ее скорость. Но слишком малое отверстие может привести к разрыву оболочки двигателя.

К назначению и форме сопла двигателя ракеты. При вылете из отверстия молекулы газа движутся с большими скоростями, постоянно сталкиваясь друг с другом. При этом некоторые движутся и в противоположном направлении. Если при своем движении они встретят преграду, то будут оказывать на нее воздействие с некоторой силой. При суммировании этих малых сил мы получаем дополнительную тягу двигателя.

Рассмотрим полет шарика. Почему же он движется не прямо и постоянно «фыркает» в полете. При вылете из шарика струя газа ударяется о гибкую входную трубку, отталкивая ее в сторону, заставляя тем самым шарик повернуть от первоначального направления.

Тем не менее, не будем умалять закон сохранения импульса, который дает четкое распределение импульсов между ракетной оболочкой и вылетающими газами. Чем больше масса объекта, тем меньше его скорость при взаимодействии, что хорошо согласуется и с 3 законом Ньютона. Поэтому количественно скорость оболочки можно найти из равенства импульсов:

M_об*V_об=М_г*V_г

Некоторые морские животные(кальмары, осьминоги и др.) используют этот способ передвижения в случае опасности. Набирая в специальную полость воду, и резко сокращая мышцы, окружающие данную полость они тем самым создают внутри избыточное давление. Это опять приводит к появлению нескомпенсированной силы, которая толкает тела в сторону, противоположную выброшенной струе.