Муниципальное общеобразовательное учреждение

Аджеромская средняя общеобразовательная школа

ПРОЕКТНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

ПО ФИЗИКЕ НА ТЕМУ

«РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ. РАКЕТЫ»

ВЫПОЛНИЛИ УЧЕНИКИ 9 КЛАССА:

Шахов Данил, Камалендинов Роман

Руководитель:

Павлова Мария Михайловна

2015 г.

Оглавление

Введение

Тема проекта является актуальной, так как охватывает большой временной пласт развития человеческой мысли и ее технического воплощения. Реактивное движение - движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части. Многие из нас в своей жизни встречались во время купания в море с медузами. Во всяком случае, в Черном море их вполне хватает. Но мало кто задумывался, что и медузы для передвижения пользуются реактивным движением. Кроме того, именно так передвигаются и личинки стрекоз, и некоторые виды морского планктона. [см. ПРИЛОЖЕНИЕ] И зачастую КПД морских беспозвоночных животных при использовании реактивного движения гораздо выше, чем у техноизобретений. Можно много приводить примеров из мира животных, а так же из растительного мира, но мы решили разобраться в самом реактивном движении, так как на уроке физики отводится только 1 час на данную тему.

Цель проекта заключается в разработке многоразовой демонстрационной модели ракеты.

Задачи, которые перед нами стояли, были не очень то и просты. Хоть и в помощь был Интернет, а так же литературные источники, многое у нас не получалось. Но как говориться - отрицательный результат - тоже результат. Ребята пытались сделать ракеты таких видов: спичечная ракета, уксусная ракета, ракета-шарик и одноступенчатая экологически - чистая ракета, о которой в дальнейшем и пойдет речь.

Задачи нашего проекта заключались в том, чтоб с точностью выбрать необходимый материал, для разработки ракеты; сколько воды вливать в саму ракету, перед запуском; рассчитать траекторию безопасного полета, вычислить максимальную высоту полета, как с жидкостью, так и без нее; сколько потребуется времени (или нажатий на насос) для сжатия воздуха внутри ракеты, для ее дальнейшего запуска.

Решая поставленные задачи, ребята, работали как с книжной литературой, консультировались с учителем физики, родителями и находили недостающую информацию в Интернете. Снимали все свои опыты на фотоаппарат, телефоны. Делали выводы и искали ошибки, затем исправляли их. Для построения ракеты использовались материалы:

1. Крепление от поливного садового шланга

2. Две пластиковые бутылки

3. Картон, клей и краски, необходимые для оформления ракеты

4. Часы, место для запуска и определение полета, насос.

Основная часть

Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского "Исследование мировых пространств реактивными приборами". В этой работе содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как "формула Циолковского", которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Реактивный двигатель - это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении.

Идея К.Э.Циолковского была осуществлена советскими учёными под руководством академика Сергея Павловича Королёва. Первый в истории искусственный спутник Земли с помощью ракеты был запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г.

Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости, поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты.

Устройство ракеты

В основе движения ракеты лежит закон сохранения импульса. Если в некоторый момент времени от ракеты будет отброшено какое-либо тело, то она приобретет такой же импульс, но направленный в противоположную сторону.

В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем. Оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).

Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).

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 сгорания и в космическом пространстве, газы из камеры сгорания мощной струей устремляются наружу через раструб специальной формы, называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи.

Перед стартом ракеты её импульс равен нулю. В результате взаимодействия газа в камере сгорания и всех остальных частей ракеты, вырывающиёся через сопло газ получает некоторый импульс. Тогда ракета представляет собой замкнутую систему, и её общий импульс должен и после запуска равен нулю. Поэтому и оболочка ракеты совсем, что в ней находится, получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположный по направлению.

Наиболее массивную часть ракеты, предназначенную для старта и разгона всей ракеты, называют первой ступенью. Когда первая массивная ступень многоступенчатой ракеты исчерпает при разгоне все запасы топлива, она отделяется. Дальнейший разгон продолжает вторая, менее массивная ступень, и к ранее достигнутой при помощи первой ступени скорости она добавляет ещё некоторую скорость, а затем отделяется. Третья ступень продолжает наращивание скорости до необходимого значения и доставляет полезный груз на орбиту.

Максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит, прежде всего, от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского.

Основной вывод состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.

Знание закона сохранения импульса во многих случаях дает возможность найти результат взаимодействия тел, когда значения действующих сил неизвестны.

Рассматривая в качестве примера действие реактивного двигателя, знаем, что при сгорании топлива в камере сгорания ракеты образуются газы, нагретые до высокой температуры. При действии двигателя в течение короткого интервала времени t из сопла ракеты выбрасываются со скоростью u относительно ракеты горячие газы массой m. Ракета и выбрасываемые ее двигателем газы взаимодействуют между собой. На основании закона сохранения импульса при отсутствии внешних сил сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остается постоянной.

До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения сумма изменений векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:

где m - масса ракеты, V - изменение скорости ракеты, m - масса выброшенных газов, u - скорость истечения газов.

Корпус - труба с одним открытым концом для выхода отработанных газов. На хвосте ставят сопла (трубки) для направленного выброса газов с большой скоростью.

Топливо - сложное горючее, которое при сжигании превращается в газ большой температуры и большого движения.

V ракеты зависит от m топлива и самой ракеты, а также от V выбросов газов.

В данной формуле не учитывается сопротивление воздуха и F_пр к Земле.

На самом деле выброс газов происходит не мгновенно, а постепенно. Если учесть все условия, то топлива надо брать во много раз больше.

Чтобы сообщить кораблю первую космическую скорость, то

m_т >m_об= в 55 раз

Практическая часть проекта представляет собой несколько этапов, включающая в себя: выбор места, время запуска, считая погодные условия, наличие часов, метровой ленты, фотоаппарата, ракеты и насоса, а также банка с водой.

Результат работы представляет собой одноступенчатую ракету с полостью внутри, куда наливается вода на 1/3 объёма. После накачивания газа и воды внутри ракеты, мы уменьшаем тем самым объем и газа и жидкости, то есть происходит их сжатие, а значит и происходит повышение давления с каждым нажатием насоса. Из курса физики 7 и 8 класса, знаем, что молекулы воды находятся между собой на расстоянии не больше своих размеров, в отличие от газов, молекулы которых могут распространяться на большие расстояния. По этому нам необходимо затратить меньше энергии для сжатия и жидкости, и газа вместе. По истечению некоторого времени, то есть после определенного количества накачивания (сжатия) газа и воды - происходит «взрыв», тем самым становится «толчком» для движения ракеты. Одновременно с движением ракеты по некой траектории, происходит выброс воды, давление уменьшается, и ракета, с течением времени, совершает падение на землю, тем самым совершая полет не только вверх, но и под каким- то углом к горизонту - траектория ее движения представляет собой параболу, ветви которой смотрят вниз.

Когда же производим запуск ракеты без воды, то затрачиваем больше времени и энергии для сжатия газа, так как (из курса физики 7-8 класс) молекулы газа занимают весь предоставленный объем сосуда, в данном случае ракеты.

Результаты опытов предоставлены в таблице.

Опыт

Дальность полета, м

Высота полета, м

Количество нажатий насоса, раз

Время полета, с

Скорость ракеты, м/с

С водой

17

15

10

9-10

17

Без воды

7

4

25

15-20

25

В данной таблице нет таких результатов, как начальная скорость полета, под каким углом стартовала ракета, так как эти данные с каждым опытом меняются - в этом и минус данного проекта, который с течением времени будет устранен.

Заключение

Поставленная цель проекта выполнена полностью, а то есть - ребята разработали многоразовую демонстрационную модель ракеты.

Задачи, которые ставились для достижения этой цели, выполнены.

Если испытывать данный проект при дальнейшем исследовании, то возможно исследовать полет ракеты при особых условиях полета - сильный ветер, дождь (когда усиленное сопротивление существует и мешает движению ракеты), разное время года - как она будет двигаться летом и как зимой, изменять траекторию полета и т.д. Возможно, ставить пред собой много задач, связанных с этим проектом, вплоть до запуска ракеты с живым существом.

Ребятами была сделана обычная форма ракеты, а если кто-то заинтересуется этим, то возможно сделать и другие виды ракет и в конечном счете делать небольшие соревнования внутри школы, которые способствовать будут сплочению ребят, а так же закреплению предметов, как физика, биология, география, технология и ОБЖ.

Литература

1)festival.1september.ru/articles/580357//

2) nsportal.ru/shkola/fizika/library/2013/04/03/urok-fiziki-po-teme-reaktivnoe-dvizhenie-9-10-klass

3)easyen.ru/load/fizika/9_klass/reaktivnoe_dvizhenie_urok_prezentacija/140-1-0-125

4) rgantd.ru/vzal/korolev/razdel6.htm

5) videoinformatika.com

6) videouroki.net

7) pandia.org/text/category/9_klass/

8) перышкин

Приложение

Реактивное движение используется многими моллюсками - осьминогами, кальмарами, каракатицами. Например, морской моллюск-гребешок движется вперед за счет реактивной силы струи воды, выброшенной из раковины при резком сжатии ее створок. Каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движется в воде следующим способом. Она забирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны. Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед. Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Кальмары достигли высшего совершенства в реактивной навигации. У них даже тело своими внешними формами копирует ракету (или лучше сказать - ракета копирует кальмара, поскольку ему принадлежит в этом деле бесспорный приоритет). При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань - мантия окружает тело моллюска со всех сторон, объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло и с большой скоростью двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. Двигатель кальмара очень экономичен, он способен развивать скорость до 60 - 70 км/ч. (Некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч!) Недаром кальмара называют "живой торпедой". Изгибая сложенные пучком щупальца вправо, влево, вверх или вниз, кальмар поворачивает в ту или другую сторону. Поскольку такой руль по сравнению с самим животным имеет очень большие размеры, то достаточно его незначительного движения, чтобы кальмар, даже на полном ходу, легко мог увернуться от столкновения с препятствием. Резкий поворот руля - и пловец мчится уже в обратную сторону. Вот изогнул он конец воронки назад и скользит теперь головой вперед. Выгнул ее вправо - и реактивный толчок отбросил его влево. Но когда нужно плыть быстро, воронка всегда торчит прямо между щупальцами, и кальмар мчится хвостом вперед, как бежал бы рак - скороход, наделенный резвостью скакуна. Если спешить не нужно, кальмары и каракатицы плавают, ундулируя плавниками, - миниатюрные волны пробегают по ним спереди назад, и животное грациозно скользит, изредка подталкивая себя также и струей воды, выброшенной из-под мантии. Тогда хорошо заметны отдельные толчки, которые получает моллюск в момент извержения водяных струй. Некоторые головоногие могут развивать скорость до пятидесяти пяти километров в час. Прямых измерений, кажется, никто не производил, но об этом можно судить по скорости и дальности полета летающих кальмаров. И такие, оказывается, есть таланты в родне у спрутов! Лучший пилот среди моллюсков - кальмар стенотевтис. Английские моряки называют его - флайинг-сквид («летающий кальмар»). Это небольшое животное размером с селедку. Он преследует рыб с такой стремительностью, что нередко выскакивает из воды, стрелой проносясь над ее поверхностью. К этой уловке он прибегает и спасая свою жизнь от хищников - тунцов и макрелей. Развив в воде максимальную реактивную тягу, кальмар-пилот стартует в воздух и пролетает над волнами более пятидесяти метров. Апогей полета живой ракеты лежит так высоко над водой, что летающие кальмары нередко попадают на палубы океанских судов. Четыре-пять метров - не рекордная высота, на которую поднимаются в небо кальмары. Иногда они взлетают еще выше.

Английский исследователь моллюсков доктор Рис описал в научной статье кальмара (длиной всего в 16 сантиметров), который, пролетев по воздуху изрядное расстояние, упал на мостик яхты, возвышавшийся над водой почти на семь метров.

Случается, что на корабль сверкающим каскадом обрушивается множество летающих кальмаров. Античный писатель Требиус Нигер поведал однажды печальную историю о корабле, который будто бы даже затонул под тяжестью летающих кальмаров, упавших на его палубу. Кальмары могут взлетать и без разгона.

Осьминоги тоже умеют летать. Французский натуралист Жан Верани видел, как обычный осьминог разогнался в аквариуме и вдруг задом вперед неожиданно выскочил из воды. Описав в воздухе дугу длиной метров в пять, он плюхнулся обратно в аквариум. Набирая скорость для прыжка, осьминог двигался не только за счет реактивной тяги, но и греб щупальцами. Мешковатые осьминоги плавают, конечно, хуже кальмаров, но в критические минуты и они могут показать рекордный для лучших спринтеров класс. Сотрудники Калифорнийского аквариума пытались сфотографировать осьминога, атакующего краба. Спрут бросался на добычу с такой быстротой, что на пленке, даже при съемке на самых больших скоростях, всегда оказывались смазки. Значит, бросок длился сотые доли секунды! Обычно же осьминоги плавают сравнительно медленно. Джозеф Сайнл, изучавший миграции спрутов, подсчитал: осьминог размером в полметра плывет по морю со средней скоростью около пятнадцати километров в час. Каждая струя воды, выброшенная из воронки, толкает его вперед (вернее, назад, так как осьминог плывет задом наперед) на два - два с половиной метра.

Реактивное движение можно встретить и в мире растений. Например, созревшие плоды "бешеного огурца" при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки, а из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.

Зная закон сохранения импульса можно изменять собственную скорость перемещения в открытом пространстве. Если вы находитесь в лодке и у вас есть несколько тяжёлых камней, то бросая камни в определённую сторону, вы будете двигаться в противоположном направлении. То же самое будет и в космическом пространстве, но там для этого используют реактивные двигатели.

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение, как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила.

Применение реактивного движения в технике

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты - бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону

Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер - народоволец Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881 г. за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Кибальчич писал: "Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении…Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною".

Первым человеком, который совершил полёт в космическом пространстве, был гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 г. Он облетел земной шар на корабле-спутнике «Восток»

Советские ракеты первыми достигли Луны, облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, первыми достигли планету Венера и доставили на её поверхность научные приборы. В 1986 г. Два советских космических корабля «Вега-1» и «Вега-2» с близкого расстояния исследовали комету Галлея, приближающуюся к Солнцу один раз в 76 лет.

17