Проектная работа "Реактивное движение в современном мире"

Содержание:                    Введение.                                                                                    2  стр.                  а) Актуальность проблемы.                                        б) Цель.                                                                                          в)  Задачи.                                                     1. Импульс. Закон сохранения импульса.                   3 стр. 2. Применение закона сохранения импульса –                        реактивное движение. Ракета.                            6 стр. 3. Реактивное движение в животном мире.           14 стр. 4. Реактивное движение в животном       мире «бешеный огурец» .                                        16 стр.                 Заключение.                             17 стр.         0  Введение Актуальность.  Константина Эдуардовича Циолковский писал: “Человечество не останется  вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко  проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет все околоземное  пространство”.  Человек всегда хотел научиться летать. Его мечта исполнилась недавно –  был построен самолёт. Но человек развивается, и развиваются его мечты.  Вместо облаков человек захотел подняться к звёздам. Эта мечта осуществима  только благодаря существованию в природе реактивного движения. Изучение  реактивного движения важно для прогресса науки. Развивая науку в этом направлении, мы будем потихоньку идти к нашей  мечте. Гипотеза, которую я выдвинул в ходе исследования: возможно, реактивное  движение встречается в природе и повседневной жизни, как развивается  реактивное движение в современном мире.. Цель: выяснить сущность реактивного движения, назначение, конструкция и  принцип действия ракет, реактивное движение в технике и в природе. Чтобы подтвердить или опровергнуть мою гипотезу, я поставил перед собой  задачи: 1. Сбор теоретической информации 2. Объяснить роль реактивного движения в технике и в природе 3. Рассмотреть реактивные двигатели 4. Привести примеры реактивного движения на основе опытов. 5. Раскрыть основную тему проекта. Заключительный вывод.  1 1.Импульс. Закон сохранения импульса. Чтобы запускать спутники, нужно строить ракеты. Чтобы ракеты двигались, летали, мы  должны совершенно точно соблюдать законы, по которым эти тела будут двигаться. Самым главным законом в этом смысле является закон сохранения импульса. Чтобы перейти непо­ средственно к закону сохранения импульса, давайте сначала определимся с тем, что  такое импульс.                                             Импульс тела Импульсом называют произведение массы тела на его скорость:  Импульс – векторная величина, направлен он всегда в ту сторону, в которую направлена  скорость. Само слово «импульс» латинское и переводится на русский язык как «толкать»,  «двигать». Импульс обозначается маленькой буквой       , а единицей измерения импуль­ са является                Первым человеком, который использовал понятие импульс, был Рене Декарт. Импульс он  попытался использовать как величину, заменяющую силу. Причина такого подхода очевид­ на: измерять силу достаточно сложно, а измерение массы и скорости – вещь достаточно  простая. Именно поэтому часто говорят, что импульс – это количество движения. А раз из­ мерение импульса является альтернативой измерения силы, значит, нужно связать эти две  величины.       Рене Декарт                                                 Импульс силы  Эти величины – импульс и силу – связывает между собой понятие импульс силы. Импульс  силы записывается как произведение силы на время, в течение которого эта сила действу­  импульс силы [H . c]. Специального обозначения для импульса силы нет. ет:             2 Давайте рассмотрим взаимосвязь импульса и импульса силы. Рассмотрим такую величину,  как изменение импульса тела,     . Именно изменение импульса тела равно  импульсу силы. Таким образом, мы можем записать:                .                                      Закон сохранения импульса Теперь перейдем к следующему важному вопросу – закону сохранения импульса. Этот  закон справедлив для замкнутой изолированной системы. Определение: замкнутой изолированной системой называют такую, в которой тела  взаимодействуют только друг с другом и не взаимодействуют с внешними телами. Для замкнутой системы справедлив закон сохранения импульса: в замкнутой системе им­ пульс всех тел остается величиной постоянной. Обратимся к тому, как записывается закон сохранения импульса для системы из двух тел:                                          Эту же формулу мы можем записать следующим образом:                                                      Суммарный импульс системы из двух шариков  сохраняется после их столкновения           Обратите внимание: данный закон дает возможность, избегая рассмотрения действия сил,  определять скорость и направление движения тел. Этот закон дает возможность говорить о  таком важном явлении, как реактивное движение.                                            Второй закон Ньютона Вывод второго закона Ньютона 3 С помощью закона сохранения импульса и взаимосвязи импульса силы и импульса тела  можно получить второй и третий законы Ньютона. Импульс силы равен изменению импуль­ са тела:  Затем массу выносим за скобки, в скобках остается  Перенесем время из левой части уравнения в правую и запишем уравнение следующим об­ разом:              Вспомните, что ускорение определяется как отношение изменения скорости ко времени, в  течение которого это изменение произошло. Если теперь вместо выражения   под­ ставить символ ускорения  , то мы получаем выражение:                                               ­ второй закон Ньютона.                                                                                  Третий закон Ньютона Вывод третьего закона Ньютона Запишем закон сохранения импульса:  . Перенесем все вели­ чины, связанные с m1, в левую часть уравнения, а с m2 – в правую часть:  . Вынесем массу за скобки:  .  4 Взаимодействие тел происходило не мгновенно, а за определенный промежуток. И этот  промежуток времени для первого и для второго тел в замкнутой системе был величиной  одинаковой:                                                                                                 Разделив правую и левую часть на время t, мы получаем отношение изменения скорости ко  времени – это будет ускорение первого и второго тела соответственно. Исходя из этого,  перепишем уравнение следующим образом:  . Это и есть хорошо известный нам третий закон Ньютона:  . Два тела взаимодействуют друг с другом с си­ лами, равными по величине и противоположными по направлению. 2. Применение закона сохранения импульса – реактивное движение. Ракета. История развития реактивного движения Считается, что ракеты изобретены в древнем Китае. Более двух тысяч лет назад китайцы изобрели и применили для военных целей ракеты простейшего   устройства.   Китайская   ракета   была   сходна   с   теми   ракетами,   которые применяются сейчас для фейерверка и сигнализации.  Китайцы   использовали   свою   ракету   как   зажигательное   средство   главным   образом   при осаде вражеских городов. Ракетная трубка с небольшим запасом пороха привязывалась к стреле. Выбрасывая такую стрелу из лука, китайские воины сообщали ракете большую начальную скорость и увеличивали дальность ее полета. На   протяжении   нескольких   веков   ракеты   имели   широкую   популярность   и распространение  как реактивное оружие, были приняты на вооружение в армиях многих стран. Ракеты обладали довольно высокими техническими и тактическими свойствами. Скорость их полета равнялась примерно 350 метрам в секунду, дальность – нескольким километрам.     Основоположником  современной космонавтики  является  калужский учитель Константин Эдуардович Циолковский. Годы жизни ­ 5 (17) сентября 1857 ­  19 сентября 1935. Он обосновал вывод уравнения движения, доказал необходимость  двухступенчатых ракет. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций.  Константину   Эдуардовичу   принадлежит     идея   освоения   космического   пространства. Ученый известен как сторонник и пропагандист заселения космического пространства с 5 использованием   орбитальных   станций.   Он   ­   автор   многих   научно­фантастических произведений.  Среди них «Грезы о Земле и небе», «На Весте», повести «На Луне» .  В своей квартире Циолковский создал первую в России аэродинамическую лабораторию. Сергей Павлович Королёв— советский учёный, конструктор и организатор производства ракетно­космической техники и ракетного оружия СССР.      Его   конструкторские   разработки   в   области   ракетной   техники   имели   исключительную ценность   для   развития   советского   ракетного   вооружения,   а   вклад   в   организацию   и развитие практической космонавтики имеет мировое значение.                   В   1956   году   под   руководством   С.   П.   Королёва     была   создана   первая   отечественная стратегическая ракета, ставшая основой ракетного ядерного щита страны. 4 октября 1957 года   «Он был мал, этот самый первый искусственный спутник нашей старой планеты, но его звонкие позывные разнеслись по всем материкам и среди всех народов   как   воплощение   дерзновенной   мечты   человечества».   —   сказал   позже   С.   П. Королёв. 12 апреля 1961года.   Сергей Павлович Королёв снова поражает мировую общественность. Создав первый пилотируемый космический корабль «Восток­1», он реализует первый в мире полёт человека — гражданина СССР Юрия Алексеевича Гагарина по околоземной орбите. С. П. Королёв был генератором многих неординарных идей и прародителем выдающихся конструкторских коллективов, работающих в области ракетно­космической техники, его вклад   в   развитие   отечественной   и   мировой   пилотируемой   космонавтики   является решающим.  Можно   только   удивляться   многогранности   таланта   Сергея   Павловича,  его неиссякаемой   творческой   энергии.   Он   является   первопроходцем   многих   основных направлений   развития   отечественных   ракетного   вооружения   и   ракетно­космической техники.   Трудно   себе   даже   представить,   какого   уровня   достигла   бы   она,   если   бы преждевременная смерть Сергея Павловича не прервала творческий полёт его мыслей Юрий   Алексеевич   Гагарин—   русский   советский   лётчик­космонавт,   первый   человек, совершивший полёт в космическое пространство. В 1954 году впервые пришёл в Саратовский аэроклуб. В 1955 году Юрий Гагарин добился значительных успехов, закончил с отличием учёбу и совершил первый самостоятельный полет на самолёте Як­18. 27 октября 1955 года Гагарин был призван в армию и отправлен в Оренбург, в 1­е военно­ авиационное   училище   лётчиков   имени   К.   Е.   Ворошилова.   25   октября   1957   Гагарин училище закончил Старт корабля «Восток» был произведён  в 09часов 07 минут 12 апреля 1961 года по московскому времени с космодрома Байконур. Облетев земной шар, он через 1 час 48 минут благополучно приземлился в заданном районе Советского Союза. После приземления Гагарин по телефону отрапортовал: «Задачу выполнил, приземлился в заданном районе, чувствую себя хорошо, ушибов и поломок нет. Гагарин». Работы   по   усовершенствованию   космической   техники   продолжались.   Были   созданы орбитальные станции, постоянно действующие на околоземной орбите. 6 Десять   лет   назад   с   запуска   российского   модуля   "Заря"   началась   реализация   самого амбициозного   космического   проекта   20   и   21   веков   ­   строительство   Международной космической станции (МКС). Построенный   в   России   модуль   "Заря"   стал   первым   элементом   самого   большого   на сегодняшний день сооружения в космосе. На орбиту российскую "Зарю" вывела ракета­ носитель "Протон", стартовавшая с Байконура.  В настоящее время на Международной космической станции несет вахту экипаж восемнадцатой основной экспедиции командир МКС­18 Майкл Финк (США), бортинженер Юрий Лончаков(Россия) и бортинженер Грегори Эррол Шэметофф (США)  «Реактивное движение»  Под реактивным движением понимается движение тела, возникающее при отделении  некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. Закон сохранения импульса позволяет оценить скорость ракеты . Предположим, что весь  газ, образующийся при сгорании топлива, выбрасывается из ракеты сразу, а не постепенно,  как это происходит в действительности. Обозначим массу газа через mг, а скорость газа  через vг. Массу и скорость оболочки обозначим соответственно mоб и vоб. Направим  координатную ось вдоль направления движения оболочки, тогда проекции скоростей газа и  оболочки по модулю будут равны модулям векторов, но знаки их противоположны. Так как сумма импульсов оболочки и газа должна быть равна нулю, то нулю должна быть  равна и сумма их проекций: mгvг ­ mобvоб = 0, или mгvг = mобvоб. Отсюда находим скорость  оболочки: vоб = mгvг /mоб. Вывод: чем больше скорость выбрасываемого газа и чем больше отношение массы газа к массе оболочки, тем больше скорость оболочки. Следовательно, чтобы увеличить скорость движения ракеты, нужно взять массу топлива во  много раз больше массы полезного груза. Мы считали, что весь газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле он вытекает  постепенно, хотя довольно быстро. Это значит, что после выброса какой­то части газа  оболочке приходится “возить” с собой еще не вылетевшую часть топлива. Кроме того, мы  не учли, что на ракету действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Все это  приводит к тому, что отношение массы топлива к массе оболочки много больше, чем мы  получили. Более точный расчет показывает, что при скорости газа 2000 м/с, для  достижения скорости, равной первой космической, масса топлива должна быть в 55 раз  больше массы оболочки. Для межпланетных полетов (с возвращением на Землю) масса  топлива должна быть в тысячи раз больше массы оболочки. Реактивные двигатели делятся на два основных класса : 7 а) ракетные двигатели (ракетный двигатель на твердом топливе РДТП, жидкостно­ реактивный двигатель ЖРД); б) воздушно­реактивные.  В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с  окислителем. На рисунке изображена ракета в разрезе. Мы видим, что 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. Мы рассмотрели устройство и принцип действия одноступенчатой ракеты, где под  ступенью подразумевается та часть, которая содержит баки с горючим и окислителем и  двигатель. В практике космических полетов обычно используют многоступенчатые ракеты,  развивающие большие скорости и предназначенные для более дальних полётов, чем  одноступенчатые.   8 После того как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта  ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени. Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень. Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую­либо другую  планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения  скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для  торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180о, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность  осуществить посадку. Итак,  видим, что скорость ракеты зависит от скорости вытекающих газов из сопла ракеты и от массы сгораемого топлива. Есть ракетные двигатели, работающие на твердом топливе и на жидком топливе. В качестве твердого топливо служит порох, а в качестве жидкого горючего ­ керосин, бензин, спирт, анилин, жидкий водород.    «Применение   закона   сохранения   импульса   на   практике»  Изучив литературу, я отобрал несколько опытов, которые решил осуществить сам. Я  продумал эксперименты, изготовил приборы и пытался объяснить результаты  экспериментов. В качестве приборов и инструментов я взял тележку, детские шарики и  ведро. Опыт №1 Берем две тележки. На одну из тележек прикреплена изогнутая и привязанная веревкой  металлическая пластинка. Данную систему можно рассматривать как замкнутую систему  тел, так как их взаимодействие с окружающей средой несущественно: трение мало, а силы  тяжести уравновешены. Рассмотрим, что произойдет, если поджечь веревку. При этом  пластина распрямляется. По закону сохранения импульса, тележки приобретут равные по  модулю, но противоположно направленные импульсы. В рассмотренном примере мы  познакомились с движением, возникающим при отталкивании тел замкнутой системы друг  от друга.                               Опыт №2 9 Рассмотрим движение детского шарика. В шарик надуваем воздух, затем его отпускаем. Из  опыта видно, что шарик движется за счет выхода из него воздуха.                                                  Опыт №3 Для этого опыта мы сконструировали сосуд с двумя Г­образными трубками,  расположенными так, чтобы вода вытекала в противоположные стороны. Вначале сосуд  находится в состоянии покоя, а после того, как в него наливаем воду, сосуд начинает  вращаться. По закону сохранения импульса сосуд и струя жидкости получают одинаковые  по модулю импульсы.  Герон изобрел шар с трубками. Шар наполнялся водой и нагревался огнем.    Вырывающийся из трубки пар вращал это шар. На рисунке вы видите шар Герона    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”. 10 Ракетные двигатели помимо тяги характеризуются, являющимся показателем степени  совершенства или качества двигателя. Этот показатель является также мерой  экономичности двигателя. В приведённой ниже диаграмме в графической форме  представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей, в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме, что позволяет видеть область  применимости каждого типа двигателей. Принцип реактивного движения встречается и в природе, например при движении  некоторых насекомых и животных. Об этом далее. 3. Реактивное движение в животном мире.                        РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ В ПРИРОДЕ Реактивное   движение   технических   устройств   –   копирование   движения, встречающегося в природе. Морской моллюск­гребешок, резко сжимая створки раковины, рывками   может   двигаться   вперед   за   счет   реактивной   струи   воды,   выброшенной   из раковины. Приблизительно также передвигаются и некоторые другие моллюски. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку, а затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы   отдачи.  Зачастую   КПД   морских   беспозвоночных   животных   при   использовании реактивного движения гораздо выше, чем у техноизобретений.     У кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. Они достигают в  диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих, и проводят  11 возбуждение со скоростью 25 м/с. Этим и объясняется большая скорость движения  кальмаров (до 70 км/ч). Быстроходность и маневренность кальмара объясняется также  прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что его прозвали  «живой торпедой». 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. Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют  водометом.   Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских  глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду,  а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие ­ "воронку", и с  большой скоростью (около 70 км\час) двигается толчками назад. При этом все  десять щупалец кальмара собираются в узел над головой и он приобретает  обтекаемую форму.  Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. Осьминог,   так   же   как   и   кальмар,   движется   реактивным   образом.   Всасывая   и   с   силой выталкивая воду, он скользит в волнах, точно живая ракета  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.  Сальпа ­ морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду  через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри  12 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. 4. Реактивное движение в животном мире «бешеный огурец» . Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений.  В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец".                                 Плоды бешеного огурца продолговатой формы, длиной 4 – 6 см, шириной 1 – 2 см. Семена удлиненные, мелкие, гладкие, длиной 4 мм. При созревании семян окружающая их ткань превращается в слизистую массу. При этом в плоде образуется большое давление.  Стоит   только   слегка   прикоснуться   к   созревшему   плоду,   похожему   на   огурец,   как   он отскакивает   от   плодоножки,   а   через   образовавшееся   отверстие   из   плода   фонтаном   со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами. Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м. 13 В быту на примере душа на гибком шланге можно увидеть проявление реактивного  движения. Стоит только пустить в душ воду, как рукоятка с распылителем на конце  отклонится в противоположную вытекающим струям сторону. На принципе реактивного движения основана работа дождевальных установок  для полива  посадок в садах и огородах. Напор воды вращает головку с распылителями воды. Принцип реактивного движения помогает движению пловца. Чем сильнее пловец  отталкивает воду назад, тем быстрее он плывёт.  Заключение  Я   говорю   человеку:   «Поверь   в   себя!   Ты   все   можешь!   Ты   можешь   познать   все   тайны вечности, стать хозяином всех богатств природы. У тебя крылья за спиной. Взмахни ими! Ну,   могуществен   и   свободен». К.Э.Циолковский    и   ты   будешь   счастлив,   взмахни, Работа   над   проектом   нам   дала  многое.  Хотя  бы   начать   с  того,  что  нам  пришлось изучить   много   теоретического   материала,   а   значит,   научились   извлекать   информацию посредством   сети   интернет.   Мы   научились   проектировать   и   ставить   небольшие эксперименты,   в   зависимости   от   выдвинутых   гипотез   и   предположений,   работая   над определенной задачей. При   выполнении   собственного   эксперимента   поняли,   как   тяжел   путь первооткрывателей, исследователей, людей, занимающихся наукой. Оказывается не всегда можно получить положительный результат эксперимента или объяснить полученный. Умение   анализировать   имеющие   факты,   умение   сопоставлять   и   прогнозировать, умение находить пути решения возникающих ситуаций – все это приходит с опытом, с практикой. Чтобы приобрести все эти навыки и снова получить удовлетворение от своих 14 маленьких открытий, даже если они уже известны, мы и в следующем году продолжим работать над следующим исследовательским проектом.  В ходе работы: 1.   Мы   выяснили,   что   принцип   реактивного   движения   это   ­   физический   закон действия и противодействия 2.   Экспериментальным   путем   подтвердили   зависимость   скорости   движения тела от массы, действующего на него другого тела. 3. Убедились, что реактивное движение встречается в технике, быту и природе  4. Теперь, зная о реактивном движении, я могу избежать многих неприятностей, например, спрыгивая с лодки на берег, стреляя из ружья, включая душ и т. д. 5.   Изучив   историю   космических   исследований,   я   делаю   вывод,   что   работы   по исследованию   и   освоению   космоса   продолжаются,   космическая   техника постоянно   совершенствуется.   Ученые   разрабатывают   новую   технику   как   для полетов в космос, так и для длительного пребывания на околоземной орбите.  Итак,   можно   утверждать,   что  принцип   реактивного   движения   очень распространен в природе и повседневной жизни. 15