Например, возьмите детский резиновый шарик, надуйте его и отпустите. Вы увидите, что сам шар вылетает с другой стороны, когда воздух выходит с одной стороны. Это реактивная тяга.
Физика. Реактивное движение в природе и в технике
Сегодня, конечно, у большинства людей реактивная тяга ассоциируется в первую очередь с последними достижениями науки и техники. Из учебников физики мы знаем, что термин «реактивный» относится к движению, возникающему в результате удаления какой-либо части объекта (тела). Человек хотел подняться в небо, к звездам, он хотел летать, но осуществить свою мечту он смог только с появлением аэропланов и космических кораблей, которые, благодаря современным двигателям, могут преодолевать огромные расстояния и разгоняться до сверхзвуковых скоростей. Конструкторы и инженеры разработали возможность использования реактивных двигателей в моторах. Не обошли стороной и писателей, придумав самые невероятные идеи и способы достижения этой цели. Удивительно, но принцип локомоции широко распространен в животном мире. Оглянитесь вокруг, и вы увидите морских и сухопутных существ, в том числе растения, основанные на принципе реактивной тяги.
История
Еще в древние времена ученые интересовались изучением и анализом явлений реактивного движения в природе. Одним из первых, кто теоретически описал их природу, был Герон, инженер и теоретик Древней Греции, который изобрел первый паровой двигатель, названный в его честь. Китайцам удалось найти практическое применение струйному методу. Они первыми изобрели ракеты, вдохновленные движением кальмаров и осьминогов, еще в 13 веке. Они использовались в фейерверках, которые производили большое впечатление, и в качестве сигнальных ракет, и, возможно, ракеты использовались в бою в качестве реактивной артиллерии. Со временем эта технология попала в Европу.
Пионером новой эры стал Н. Кибальчич, который представил прототип реактивного самолета. Он был выдающимся изобретателем и верным революционером, за что и был заключен в тюрьму. Во время своего пребывания в тюрьме он вошел в историю благодаря своему дизайну. После того как его казнили как революционера и противника монархии, его изобретение было забыто на полках архивов. Чуть позже Циолковскому удалось усовершенствовать идеи Кибальчича и продемонстрировать возможность освоения космоса с помощью реактивных космических кораблей.
Позже, во время Великой Отечественной войны, появилась знаменитая «Катюша» — реактивная полевая артиллерийская система. Это неофициальное ласковое название, данное мощным ракетным установкам советских вооруженных сил. Неизвестно, почему оружие получило такое название. То ли из-за популярности песни Блантера, то ли из-за буквы «К» на корпусе миномета. Со временем фронтовики стали давать прозвища и другому оружию, создавая новую традицию. Немцы называли ракетную установку «инструментом Сталина» из-за ее внешнего вида, напоминавшего музыкальный инструмент, и из-за пронзительного звука, который издавали выпущенные ракеты.
Растительный мир
Представители фауны также используют законы реактивной тяги. Большинство растений с такими свойствами являются однолетними и многолетними: Чертополох, расторопша, сердечный чертополох, двудольная горькуша, трехдольная меренда.
Щитовник, также известный как сумасшедший огурец, относится к семейству огуречных. Это растение вырастает очень большим, имеет толстый корень, грубый стебель и крупные листья. Он растет в Средней Азии, Средиземноморском регионе и на Кавказе. Он также распространен на юге России и Украины. В период созревания плоды превращаются в слизь, которая под воздействием температуры начинает бродить и выделять газы. К концу периода созревания давление внутри плода может достигать 8 атмосфер. Затем плод отрывается от основания при легком прикосновении, и семена с жидкостью вылетают из плода со скоростью 10 метров в секунду. Из-за способности стрелять на расстояние до 12 метров растение также называют «женским пистолетом».
Сердечный червь — широко распространенный однолетний вид. Часто встречается в тенистых лесах и по берегам рек. Он достиг северо-востока Северной Америки и Южной Африки и хорошо там прижился. Размножается семенами. Семена Molefolium caeruleum мелкие, весят не более 5 мг и могут быть разбросаны на расстояние 90 см. Такой способ рассеивания семян является причиной того, что растение получило свое название.
Вертушка Герона
За тысячу восемьсот лет до экспериментов Ньютона первый паровой двигатель построил замечательный изобретатель Герон Александрийский, древнегреческий инженер, а его изобретение назвали винтом Герона. Герон Александрийский был древнегреческим инженером, который изобрел первую в мире паровую турбину.
О Героне Александрийской известно немного. Он был сыном цирюльника и учеником другого известного изобретателя, Ктесибия. Он жил в Александрии около две тысячи сто пятьдесят лет назад. В устройстве, изобретенном Героном, пар из котла, под которым горел огонь, подавался через две трубы в железный шар.
Трубы также служили осью, вокруг которой мог вращаться этот шар. Еще две трубы, согнутые в виде буквы «Г», были прикреплены к шару, чтобы пар мог выходить из него. Когда под котлом горел огонь, вода закипала, и пар входил и выходил из железного шара через изогнутые трубы.
Шар вращался в соответствии со вторым законом Ньютона в направлении, противоположном тому, в котором выбрасывались струи пара. Эту турбину можно назвать первой в мире паровой турбиной.
Китайская ракета
Еще раньше, за много лет до Герона Александрийского, китайцы изобрели несколько иной двигатель, который сейчас называется фейерверочной ракетой.
Фейерверочные ракеты не следует путать с их тезками — сигнальными ракетами, которые использовались в армии и на флоте и запускались в дни национальных праздников под звуки артиллерийского салюта. Факелы — это просто шарики вещества, которое горит цветным пламенем. Они запускаются из ракетниц большого калибра. Факелы — это шары, спрессованные из вещества, которое горит цветным пламенем.
Китайская ракета представляет собой бумажную или металлическую трубку, закрытую с одного конца и заполненную пороховой смесью. Когда эта смесь воспламеняется, струя газа с большой скоростью вырывается из открытого конца трубы, заставляя ракету лететь в направлении, противоположном струе газа.
Такая ракета может быть запущена без помощи пусковой установки. Палка, прикрепленная к корпусу ракеты, делает полет более стабильным и легким. Фейерверк с китайскими ракетами
Обитатели моря
В мире животных:
Реактивное движение также можно найти здесь. У кальмаров, осьминогов и некоторых других головоногих моллюсков нет ни плавников, ни сильных хвостов, но они плавают, как и другие морские обитатели. Эти мягкотелые существа имеют в своем теле довольно просторный мешок или полость. В полости скапливается вода, которую животное затем выталкивает с большой силой. Реакция выбрасываемой воды заставляет животное плыть против направления струи.
Осьминог — это морское животное, которое двигается реактивно
Реактивное бегство морских моллюсков гребешков
Мидия, которая обычно спокойно лежит на дне, при приближении своего главного врага, приятно медлительной, но чрезвычайно коварной морской звезды, резко сжимает ламели своей раковины и с силой выталкивает из нее воду. Таким образом, они используют принцип реактивной тяги, всплывают на поверхность и, раскрываясь дальше и ударяясь о панцирь, могут проплыть значительное расстояние. Если по какой-то причине морскому гребешку не удается избежать реактивного движения, морская звезда хватает гребешок руками, открывает раковину и съедает его
Беглые гребешки Гребешки (Asterias vulgaris) гребешки погони (Pecten jacobaeus) Кондаков Николай Николаевич
Гребешок (Pecten), род морских беспозвоночных из порядка Bivalvia. Раковина гребешка закруглена и имеет прямой край. Его поверхность покрыта радиальными ребрами, расходящимися от вершины. Плавники раковины закрыты сильной мышцей. Pecten maximus и Flexopecten glaber встречаются в Черном море; Mizuhopecten yessoensis (до 17 см в диаметре) — в Японском и Охотском морях.
Морские звезды Охота на гребешков Морские звезды (Asterias vulgaris) Охота на гребешков (Pecten jacobaeus) Кондаков Николай Николаевич
Реактивный насос личинки стрекозы-коромысла
Личинка стрекозы костреца (Aeshna sp.) обладает не менее хищным нравом, чем ее крылатые родственники. Стрекоза живет под водой два или даже четыре года, ползая по каменистому дну и охотясь на мелких водных животных, включая довольно крупных головастиков и выводки, которые входят в ее меню. В минуты нужды лающая личинка стрекозы бешено скачет и плывет вперед, приводимая в движение работой замечательного реактивного насоса. Личинка набирает воду брюшком, а затем резко выпускает ее, прыгая вперед под действием силы отдачи. Таким образом, личинка стрекозы использует принцип реактивной тяги и убегает от преследующей ее угрозы уверенными толчками и прыжками.
В вышеуказанных случаях толчки и толчки разделены большими интервалами, так что длительное движение невозможно. Для того чтобы увеличить скорость движения, то есть количество реактивных импульсов в единицу времени, необходимо увеличить проводимость нервов, стимулирующих сокращение мышц, которые служат живой реактивной машиной. Такая высокая проводимость возможна при большом диаметре нерва.
Известно, что каракатицы имеют самые крупные нервные волокна в животном мире. Их диаметр составляет в среднем 1 мм — в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих — и они возбуждаются со скоростью 25 м/с. А у трехметрового кальмара Dosidicus (найденного у берегов Чили) нервные волокна имеют толщину 18 мм. Нервы толстые, как струны. Сигналы из мозга — звуки, вызывающие сокращения — проходят через центральную нервную систему кальмара со скоростью легкового автомобиля на скорости 90 км/ч.
Исследования жизненно важной нейронной активности кальмаров продвинулись вперед с начала 20-го века. «И кто знает, — пишет британский натуралист Фрэнк Лейн, — возможно, сейчас есть люди, которые обязаны кальмару тем, что их нервная система находится в нормальном состоянии…».
Скорость и маневренность кальмара объясняется также необычной гидродинамической формой его тела, благодаря которой он получил прозвище «живая торпеда».
Каракатица (Teuthoidea), подотряд головоногих моллюсков (Cephalopoda) в порядке лиственных рыб. Их размер обычно составляет 0,25-0,5 м, но некоторые виды являются самыми крупными беспозвоночными (кальмар рода Architeuthis достигает 18 м, включая длину щупалец). Каракатицы имеют удлиненное, сужающееся кзади и торпедообразное тело, что позволяет им передвигаться с большой скоростью в воде (до 70 км/ч) и в воздухе (они могут выпрыгивать из воды на высоту до 7 м).
Реактивный двигатель кальмара
Реактивная тяга, которая сегодня используется в торпедах, самолетах, ракетах и космических ракетах, характерна и для головоногих моллюсков — осьминогов, кальмаров и кальмаров. Двигатель осьминога представляет особый интерес для техников и биофизиков. Обратите внимание, как просто, с каким минимальным использованием материалов природа решила эту сложную и до сих пор непреодолимую задачу 😉
Школа головоногих моллюсков: осьминог (Ommastrephes sloaneipacificus); осьминог (Octopus vulgaris); Rossia glaucopis; каракатица (Sepia officinalis) Кондаков Николай Николаевич, 1964
По сути, осьминог имеет два принципиально разных двигателя (рис. 1а). Для медленной локомоции он использует большой ромбовидный плавник, который периодически изгибается в бегущую волну вдоль его тела. Осьминог использует реактивный двигатель для быстрого литья. Сердцем этого двигателя является мантия — мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, составляет почти половину объема тела и образует своеобразный резервуар — мантийную полость — «камеру сгорания» живой ракеты, в которую периодически всасывается вода. Мантийная полость содержит жабры и внутренние органы кальмара (Рисунок 1b).
В режиме реактивного плавания животное засасывает воду из пограничного слоя в мантийную полость через широко открытую щель мантии. Мантийная щель застегивается специальными «запонками» после заполнения «камеры сгорания» живой машины морской водой. Мантийная щель расположена в середине тела кальмара, где она наиболее толстая. Сила, приводящая животное в движение, создается путем выстреливания струи воды через узкую воронку на поверхности брюха кальмара. Эта воронка или сифон является «соплом» живого реактивного двигателя.
«Сопло» мотора оснащено специальным клапаном и может поворачиваться при помощи мышц. Изменяя угол наклона крючка сопла (рис. 1в), осьминог плавает как вперед, так и назад (при плавании назад воронка простирается на всю длину тела, а клапан прижат к ее стенке и не препятствует потоку воды, выходящей из полости мантии; когда осьминог должен плыть вперед, свободный конец воронки слегка удлиняется и загибается вертикально, ее выходное отверстие закручивается вверх, а клапан принимает загнутое положение). Реактивные толчки и всасывание воды в полость мантии следуют друг за другом с невообразимой скоростью, и осьминог устремляется в голубой океан.
1a) кальмар — живая торпеда; 1b) двигатель кальмара; 1c) положение сопла и его клапана при движении кальмара вперед и назад.
Животному нужны доли секунды, чтобы втянуть воду и вытолкнуть ее наружу. Всасывая воду в заднюю часть мантийной полости в периоды медленного бездействия, осьминог всасывает пограничный слой, предотвращая срыв потока во время нестабильных условий течения. Увеличивая количество выбрасываемой воды и усиливая сокращение мантии, кальмар может легко увеличить свою скорость.
Природные примеры движения
Типы реактивного движения можно четко наблюдать на практике в природе. Некоторые морские животные наиболее ярко выражены в этом отношении:
- Многие во время купания в море встречали медуз. Но мало кто знает, что их движение зависит от реактивной тяги. За счет того, что их строение включает прозрачный купол, они могут вылавливать воду. Этот процесс можно назвать реактивным передвижением.
- Схожую механику имеет каракатица, благодаря особой воронке впереди. С ее помощью вода набирается в полость жабер, после чего все быстро выбрасывается из воронки взад или вбок, исходя из необходимого направления движения.
- Наиболее интересным случаем является кальмар, нередко сравниваемый с живой торпедой. Ракета полностью воспроизводит тело кальмара. Для стремительного броска он применяет природный реактивный двигатель. Окруженный мантией и специальной мышечной тканью, полость внутри всасывает всю воду. Затем струя резко вылетает через узковатое сопло. Притом все десять щупалец складываются так, чтобы была приобретена обтекаемая форма. Столь совершенная реактивная навигация помогает достичь особо высокой скорости до 70 километров в час.
В природе существуют также обладатели естественных реактивных двигателей. Бешеный огурец — один из них. Когда плоды созревают, даже легкое прикосновение может заставить их выплюнуть липкие семена.
Закон и уравнение
Важно проанализировать природу такого движения и дать грамотное определение, так как от этого зависит дальнейшее рассмотрение физических явлений в науке.
Есть довольно простой способ сделать это явление понятным. Обычный воздушный шар надувается воздухом и тут же сдувается. Действие продолжается быстро, пока запас воздуха не будет полностью израсходован. Объяснение этому можно найти в третьем законе движения Ньютона. Согласно этому принципу, на два тела действуют равные и противоположные силы.
Сила, действующая на выходящий поток воздуха, и сила отталкивания шарика равны. Ракета действует аналогичным образом и выбрасывает часть своей массы на большой скорости. В то же время наблюдается сильное ускорение в другом направлении.
В физике реактивное движение можно объяснить законом сохранения импульса (произведение массы и скорости). Ракета в состоянии покоя имеет нулевой импульс и нулевую скорость. При запуске струи, согласно закону сохранения импульса, остальная часть принимает эту скорость, когда общий импульс равен нулю.
В общем случае это движение можно описать следующим уравнением: m s v s +m p v p =0 m s v s =-m p v s, где m s v s — импульс, создаваемый струей газа, а m p v p — импульс, создаваемый ракетой.
Знак минус указывает на то, что направление движения ракеты и сила реактивной струи различны.
Техническая область
Это движение играет важную роль в современном состоянии техники, поскольку реактивные двигатели могут приводить в движение самые разные конструкции, от самолетов до кораблей. Хотя сама конструкция двигателя может значительно отличаться от конструкции конкурентов, один элемент должен присутствовать во всех них:
- запас топлива, предназначение которого — в обеспечении поднятия аппарата;
- камера для сжигания топлива, позволяющая отделить нужную часть ракеты;
- сопло, задача которого — ускорить реактивную струю и продолжать движение вверх.
По проекту космический корабль должен был выглядеть как реактивный снаряд. Но в передней части должна была быть кабина для приборов и людей, а в остальной части — запас топлива и двигатель. Важно было выбрать правильное топливо для достижения нужной скорости. Использование взрывчатых веществ, таких как порох, было очень опасным и ненадежным.
Циолковский рекомендовал использовать спирт, бензин или водород. Они сгорают в чистом кислороде или другом окислителе. Это было принято всеми, поскольку лучшего варианта на тот момент не было. Первая 16-килограммовая ракета была испытана в Германии в 1929 году. Прототип пролетел по воздуху и исчез из виду, прежде чем его траекторию удалось отследить: Поиски не увенчались успехом. Необходимо было подумать о совершенствовании модели.
Вторая попытка сопровождалась небольшой хитростью. К ракете был прикреплен трос длиной четыре километра. Поднявшись вверх, ракета выдернула половину веревки и улетела в неизвестном направлении. Эти поиски также не увенчались успехом. Первая успешная попытка запуска ракеты на жидком топливе была предпринята 17 августа 1933 года. После запуска ракета преодолела запланированные километры и успешно приземлилась. Законы Ньютона были подтверждены на практике. После этого успешное использование летающих объектов продолжалось.
Рассмотренное движение было успешно применено в ракетостроении и физике в целом. Даже природа показывает, насколько далеко простирается его применение.
Где используется реактивное движение?
Не всегда любители физики или просто интересующиеся наукой могут увидеть, проанализировать и запомнить то или иное явление своими глазами, а не только по картинкам в книгах. Это большая проблема для большей части курса, так как не всегда все объясняется на простых примерах, понятных каждому. На самом деле, мы задаем вопрос: откуда мы берем практику? Это также относится к реактивной тяге и ее применению. Многие люди убеждены, что только ракета способна захватить их в прямом эфире, но нет, все гораздо проще.
Что такое реактивное перемещение?
Прежде всего, необходимо ознакомиться с концепцией и хотя бы немного понять, в чем суть этого явления.
Несомненно, все мы видели ракеты (некоторые вживую, некоторые нет). Нетрудно догадаться, что ракеты и газовые двигатели напрямую связаны между собой. Из этого можно сделать вывод, что данный тип движения возникает, когда часть объекта отделяется от него, придавая ему определенную скорость. То есть возникает та же сила, которая придает телу определенное ускорение. На первый взгляд, можно подумать, что это странное и неправильное определение явления, но как только вычленить основной принцип, по которому происходит движение ракет, все встанет на свои места. Тогда возникает закономерный вопрос: где используется газовая тяга?
Применение реактивного движения
Одна из самых интересных вещей в интерпретации или изучении теоретических материалов — это их применение и возможности. Нам часто кажется, что мы делаем что-то просто так, без цели и эффекта. Но нет, на вопрос «Где используется газовая тяга?» тоже можно ответить содержательно, ведь ее применение действительно огромно, и без нее многие процессы были бы невозможны или от них отказались бы ученые.
Посмотрите видеоролик о реактивной тяге.
В основном используется в технических областях:
- Ракетостроение.
- Авиация.
- Механизмы для водного транспорта.
Мы также можем снова и снова находить примеры реактивной тяги в технике и в природе. Сначала рассмотрим обитателей морей и океанов — головоногих моллюсков. Кальмары, осьминоги и каракатицы являются их лучшими и наиболее известными представителями. Гораздо реже они встречаются на растениях, и только в период активного рассеивания семян (чтобы семена распространились как можно дальше).
Помимо применения реактивной тяги в технике, мы видим ее и в повседневной жизни. Когда вы открываете сильно газированный напиток или стреляете из пистолета, вы можете наблюдать этот процесс своими глазами.
Физическое происхождение
Если вы знаете, что это такое, вам также необходимо знать характер исследуемой проблемы. Замечательно то, что она основана на одной из самых понятных и простых тем в физике (как показывает практика, большинство студентов ее понимают) — импульс, закон сохранения импульса в реактивном движении. Сам момент импульса редко вызывает затруднения, кроме знаков, а на таком интересном и необычном примере, как ракета, он буквально приковывает к себе все внимание любителей физики.
Так что же такое импульс? Момент — это векторная физическая величина, которая является произведением массы объекта и его скорости. Что означает термин «вектор»? Это значит, что у него есть определенное направление, которое необходимо учитывать везде, в том числе и при решении задач. Это можно обосновать тем, что масса тела обычно является константой, а скорость — нет. Поэтому импульс в основном определяется скоростью, которая имеет направление. Этим можно изменить многое, особенно знак в расчетах. Вопреки мнению многих людей, ставить знак минус в неправильном направлении — это большая математическая и физическая ошибка. Стоит обратить внимание на реактивное движение тел и импульс.
Закон сохранения импульса — это именно та причина, по которой возможны такие поистине волшебные явления, как запуск ракеты в космос или полет специального самолета. Она гласит, что сумма импульсов объектов до взаимодействия равна сумме импульсов после взаимодействия. Мы можем понять это на примере движения ракеты.
Пример реактивного движения в природе и технике: ракета
Ракеты и подобные объекты недоступны для большинства из нас и невероятно сложны, потому что для их создания требуется так много времени и разработок. Но каждый может понять, как они работают.
Ракета состоит из нескольких ступеней, каждая из которых имеет топливный отсек. Следовательно, имеется отверстие, через которое газ может выходить. Во время полета топливо сгорает и превращается в очень горячий газ под высоким давлением. Из-за разницы между этими величинами в ракете и в космосе газ выходит из ракеты с огромной силой и увлекает ее вверх. Когда топливо заканчивается, ступень падает, уменьшая массу объекта и увеличивая его импульс и, конечно, скорость. Другими словами, именно импульс определяет меру движения тела.
