Как найти силу тяги ракеты. Расчет реактивной силы (тяги)
Главная цель при передаче электроэнергии – повышение эффективности работы сетей. Следовательно, необходимо уменьшение потерь. Основной причиной потерь является реактивная мощность, компенсация которой значительно повышает качество электроэнергии.
Реактивная мощность вызывает ненужный нагрев проводов, перегружаются электроподстанции. Трансформаторная мощность и кабельные сечения вынужденно подвергаются завышениям, сетевое напряжение снижается.
Понятие о реактивной мощности
Для выяснения, что же такое реактивная мощность, надо определить другие возможные виды мощности. При существовании в контуре активной нагрузки (резистора) происходит потребление исключительно активной мощности, полностью расходуемой на энергопреобразование. Значит, можно сформулировать, что такое активная мощность, – та, при которой ток совершает эффективную работу.
На постоянном токе происходит потребление исключительно активной мощности, рассчитываемой соответственно формуле:
Измеряется в ваттах (Вт).
В электроцепях с переменным током при наличии активной и реактивной нагрузки мощностной показатель суммируется из двух составных частей: активной и реактивной мощности.
- Емкостная (конденсаторы). Характеризуется фазовым опережением тока по сравнению с напряжением;
- Индуктивная (катушки). Характеризуется фазовым отставанием тока по отношению к напряжению.
Если рассмотреть контур с переменным током и подсоединенной активной нагрузкой (обогреватели, чайники, лампочки с накаливающейся спиралью), ток и напряжение будут синфазными, а полная мощность, взятая в определенную временную отсечку, вычисляется путем перемножения показателей напряжения и тока.
Однако когда схема содержит реактивные компоненты, показатели напряжения и тока не будут синфазными, а будут различаться на определенную величину, определяемую углом сдвига «φ». Пользуясь простым языком, говорится, что реактивная нагрузка возвращает столько энергии в электроцепь, сколько потребляет. В результате получится, что для активной мощности потребления показатель будет нулевой. Одновременно по цепи протекает реактивный ток, не выполняющий никакую эффективную работу. Следовательно, потребляется реактивная мощность.
Реактивная мощность – часть энергии, которая позволяет устанавливать электромагнитные поля, требуемые оборудованием переменного тока.
Расчет реактивной мощности ведется по формуле:
Q = U x I x sin φ.
В качестве единицы измерения реактивной мощности служит ВАр (вольтампер реактивный).
Выражение для активной мощности:
P = U x I x cos φ.
Взаимосвязь активной, реактивной и полной мощности для синусоидального тока переменных значений представляется геометрически тремя сторонами прямоугольного треугольника, называемого треугольником мощностей. Электроцепи переменного тока потребляют две разновидности энергии: активную мощность и реактивную. Кроме того, значение активной мощности никогда не является отрицательным, тогда как для реактивной энергии возможна либо положительная величина (при индуктивной нагрузке), либо отрицательная (при емкостной нагрузке).
Важно! Из треугольника мощностей видно, что всегда полезно снизить реактивную составляющую, чтобы повысить эффективность системы.
Полная мощность не находится как алгебраическая сумма активного и реактивного мощностного значения, это векторная сумма P и Q. Ее количественное значение вычисляется извлечением квадратного корня из суммы квадратов мощностных показателей: активного и реактивного. Измеряться полная мощность может в ВА (вольтампер) или производных от него: кВА, мВА.
Чтобы была рассчитана полная мощность, необходимо знать разность фаз между синусоидальными значениям U и I.
Коэффициент мощности
Пользуясь геометрически представленной векторной картиной, можно найти отношение сторон треугольника, соответствующих полезной и полной мощности, что будет равно косинусу фи или мощностному коэффициенту:
Данный коэффициент находит эффективность работы сети.
Количество потребляемых ватт – то же самое, что и количество потребляемых вольтампер при мощностном коэффициенте, равном 1 или 100%.
Важно! Полная мощность тем ближе к показателю активной, чем больше cos φ, или чем меньше угол сдвига синусоидальных величин тока и напряжения.
Если, к примеру, имеется катушка, для которой:
- Р = 80 Вт;
- Q = 130 ВАр;
- тогда S = 152,6 BA как среднеквадратичный показатель;
- cos φ = P/S = 0,52 или 52%
Можно сказать, что катушка требует 130 ВАр полной мощности для выполнения полезной работы 80 Вт.
Коррекция cos φ
Для коррекции cos φ применяется тот факт, что при емкостной и индуктивной нагрузке вектора реактивной энергии располагаются в противофазе. Так как большинство нагрузок является индуктивными, подключив емкость, можно добиться увеличения cos φ.
Главные потребители реактивной энергии:
- Трансформаторы. Представляют собой обмотки, имеющие индуктивную связь и посредством магнитных полей преобразуюшие токи и напряжения. Эти аппараты являются основным элементом электросетей, передающих электроэнергию. Особенно увеличиваются потери при работе на холостом ходу и при низкой нагрузке. Широко используются трансформаторы в производстве и в быту;
- Индукционные печи, в которых расплавляются металлы путем создания в них вихревых токов;
- Асинхронные двигатели. Крупнейший потребитель реактивной энергии. Вращающий момент в них создается посредством переменного магнитного поля статора;
- Преобразователи электроэнергии, такие как силовые выпрямители, используемые для питания контактной сети железнодорожного транспорта и другие.
Конденсаторные батареи подсоединяются на электроподстанциях для того, чтобы контролировать напряжение в пределах установленных уровней. Нагрузка меняется в течение дня с утренними и вечерними пиками, а также на протяжении недели, снижаясь в выходные, что изменяет показатели напряжения. Подключением и отключением конденсаторов варьируется его уровень. Это делается от руки и с помощью автоматики.
Как и где измеряют cos φ
Реактивная мощность проверяется по изменению cos φ специальным прибором – фазометром. Его шкала проградуирована в количественных значениях cos φ от нуля до единицы в индуктивном и емкостном секторе. Полностью скомпенсировать негативное влияние индуктивности не удастся, но возможно приближение к желаемому показателю – 0,95 в индуктивной зоне.
Фазометры применяются при работе с установками, способными повлиять на режим работы электросети через регулирование cos φ.
- Так как при финансовых расчетах за потребленную энергию учитывается и ее реактивная составляющая, то на производствах устанавливаются автоматические компенсаторы на конденсаторах, емкость которых может меняться. В сетях, как правило, используются статические конденсаторы;
- При регулировании cos φ у синхронных генераторов путем изменения возбуждающего тока необходимо его отслеживать визуально в ручных рабочих режимах;
- Синхронные компенсаторы, представляющие собой синхронные двигатели, работающие без нагрузки, в режиме перевозбуждения выдают в сеть энергию, которая компенсирует индуктивную составляющую. Для регулирования возбуждающего тока наблюдают за показаниями cos φ по фазометру.
Коррекция коэффициента мощности – одна из эффективнейших инвестиций для сокращения затрат на электроэнергию. Одновременно улучшается качество получаемой энергии.
Видео
Порох можно использовать для метания снарядов и без применения прочных, тяжелых орудийных стволов.
Всем известна ракета. Для движения ракеты, как мы знаем, ствол не нужен. Оказывается, принцип движения ракеты можно с успехом использовать для метания артиллерийских снарядов.
В чем состоит этот принцип?
Он состоит в использовании так называемой реактивной силы, поэтому и снаряды, в которых используется эта сила, называются реактивными.
Рис. 44. Ракета, двигающаяся под действием реактивной силы
На рис. 44 показана ракета, в хвостовой части которой имеется отверстие. После воспламенения пороха внутри ракеты образующиеся пороховые газы с большой скоростью будут "вытекать" через отверстие. При вытекании струи газов из камеры сгорания пороха возникает сила, направленная в сторону движения струи; величина этой силы зависит от массы вытекающих газов и от скорости их истечения.
Из физики известно, что всякому действию всегда отвечает равное ему противодействие. Короче мы иногда говорим так: "действие равно противодействию". Значит, и в рассматриваемом нами случае при возникновении силы, направленной в сторону движения газов, должна возникнуть равная ей по величине, но противоположно, направленная сила, под действием которой ракета начинает двигаться вперед.
Эта противоположно направленная сила является как бы реакцией на возникновение силы, направленной в сторону истечения газов; поэтому она называется реактивной силой, а движение ракеты, вызываемое реактивной силой, – реактивным движением.
Посмотрим, какие преимущества дает использование реактивной силы.
Пороховой заряд для метания /реактивного снаряда помещается в самом снаряде. Значит, орудийный ствол в данном случае не нужен, так как снаряд приобретает скорость не под действием пороховых газов, образующихся вне снаряда, а под действием реактивной силы, развивающейся в самом снаряде при выстреле.
Для направления движения реактивного снаряда достаточно легкой "направляющей", например рейки. Это очень выгодно, так как без ствола орудие значительно легче и подвижнее.
На орудии реактивной артиллерии (на боевой машине) легко укрепить несколько направляющих и вести стрельбу залпом, выпуская одновременно несколько реактивных снарядов. Могучее действие таких залпов проверено на опыте стрельбы советских "катюш" в Великую Отечественную войну.
Реактивный снаряд не испытывает высокого внешнего давления, как артиллерийский снаряд в канале ствола. Поэтому стенки его можно сделать тоньше и благодаря этому поместить в снаряд больше взрывчатого вещества.
Таковы основные преимущества реактивных снарядов,
Но есть и недостатки. Например, при стрельбе реактивной артиллерии получается значительно большее рассеивание снарядов, чем при стрельбе из ствольных артиллерийских орудий, значит, стрельба снарядами реактивной артиллерии менее точна.
Поэтому мы применяем и те и другие орудия, и те и другие снаряды и используем для метания снарядов давление пороховых газов в стволе и реактивную силу.
Сообщение от администратора:
Ребята! Кто давно хотел выучить английский?
Переходите по и получите два бесплатных урока
в школе английского языка SkyEng!
Занимаюсь там сам - очень круто. Прогресс налицо.
В приложении можно учить слова, тренировать аудирование и произношение.
Попробуйте. Два урока бесплатно по моей ссылке!
Жмите
Силу тяги можно определить через полезную мощность, и скорость транспортного средства (v):
Для автомобиля, поднимающегося в горку, которая имеет уклон , масса автомобиля m сила тяги (F T) войдет в уравнение:
где a – ускорение, с которым движется автомобиль.
Единицы измерения силы тяги
Основной единицей измерения силы в системе СИ является: =Н
В СГС: =дин
Формула силы тяги
В том случае, если тело при перемещении имеет ускорение, то на него кроме всех прочих обязательно действует некоторая сила, которая является силой тяги в рассматриваемый момент времени. В действительности, если тело движется прямолинейно и с постоянной скоростью, то сила тяги также действует, так как тело должно преодолевать силы сопротивления. Обычно силу тяги находят, рассматривая силы, действующие на тело, находя равнодействующую и применяя второй закон Ньютона. Жестко определенной формулы для силы тяги не существует.
Не следует считать, что сила тяги, например, транспортного средства действует со стороны двигателя, так как внутренние силы не могут менять скорость системы как единого целого, что входило бы в противоречие с законом сохранения импульса. Однако следует отметить, что для получения у силы трения покоя необходимого направления, мотор вращает колеса, колеса «цепляются за дорогу» и порождается сила тяги. Теоретически было бы возможно не использовать понятие «сила тяги», а говорить о силе трения покоя или силе реакции воздуха. Но удобнее внешние силы, которые действуют на транспорт делить на две части, при этом одни силы называть силами тяги , а другие — силами сопротивления . Это делается для того, чтобы уравнения движения не потеряли свой универсальный вид и полезная механическая мощность (P) имела простое выражение:
Примеры решения задач
Пример
Задание. На автомобиль имеющий массу 1 т при его движении по горизонтальной поверхности, действует сила трения, которая равна =0,1 от силы тяжести. Какой будет сила тяги, если автомобиль движется с ускорением 2 м/с?
Решение. Сделаем рисунок.
В качестве основы для решения задачи используем второй закон Ньютона:
Спроектируем уравнение (1.1) на оси X и Y:
По условию задачи:
Подставим правую часть выражения (1.4) вместо силы трения в (1.2), получим:
Переведем массу в систему СИ m=1т=10 3 кг, проведем вычисления:
Ответ. F T =2,98 кН
Для нахождения величины реактивной силы Р нет необходимости рассматривать детально распределение давления по внутренним и наружным стенкам реактивного аппарата. Реактивную силу можно определить в конечном виде с помощью уравнения количества движения. Совершая полет, тело производит возмущение в окружающей среде. Всегда можно выделить некоторую, достаточно большую, например цилиндрическую, область, границы которой выходят за пределы возмущенной части потока (рис.). На боковых границах этой области давление и скорость потока (считаем двигатель неподвижным, а воздух движущимся со скоростью полета) равны их значениям на бесконечности перед двигателем. Пусть ось х совпадает с направлением полета и является осью симметрии двигателя; спроектируем на ось х силы, действующие на двигатель и на поверхность выделенного контура. Так как силы давления в жидкости нормальны к поверхности, то проекции на ось х сил, действующих на боковые поверхности контура, обращаются в нуль. Поэтому уравнение Эйлера запишется так:
Здесь площади, на которые распространяются интегралы, и область интегрирования первого члена правой части бесконечны. Сила Р берется со знаком + потому, что здесь реактивный двигатель сообщает работу газу; − секундная масса воздуха, втекающая в контур через сечение F ; − дополнительная секундная масса горючего, которая подается в двигатель.
Если взять левую торцовую поверхность далеко перед двигателем, то давление на ней постоянно и равно атмосферному (), а скорость потока равна скорости полета (). Кроме того, можно допустить, что в поперечном направлении уже на некотором конечном расстоянии от поверхности двигателя поток является невозмущенным и площадь F , на которую распространяются интегралы левой части, считать конечной; точно так же конечной будет и область интегрирования в первом члене правой части. Тогда следует написать:
В большом числе случаев возмущение, вызываемое летящим телом, настолько незначительно, что в плоскости среза сопла а (вне струи выхлопных газов) давление обтекающего потока мало отличается от давления на бесконечности (). Тогда силы давления на передней и задней торцовых поверхностях контура уравновешиваются везде, кроме участка, соответствующего поперечному сечению выхлопной струи (). Скорости потока во всех элементарных струйках, кроме проходящих через двигатель, одинаковы (пренебрегаем влиянием трения, вихревых и волновых потерь на наружной поверхности двигателя). Следовательно, изменение количества движения получается только в струе, протекающей сквозь двигатель. Тогда уравнение Эйлера принимает следующий вид:
откуда получается основная формула для реактивной силы
В этих выражениях − средняя скорость истечения.
Следует подчеркнуть, что полученное соотношение справедливо только в том случае, если скорость и давление в плоскости а (за исключением участка рабочей струи) равны в точности их значениям на бесконечности перед двигателем. Кроме того, мы здесь пренебрегаем внешним лобовым сопротивлением двигателя, которое всегда может быть учтено отдельно.
На расчетном режиме работы реактивного двигателя давление в выхлопной струе равно давлению окружающего воздуха (); в этом случае тяга равна изменению количества движения газа, прошедшего через двигатель:
В воздушно-реактивных двигателях второй член правой части мал, и им часто пренебрегают, т.е. принимают для воздушно-реактивных двигателей в расчетном случае
Тяга жидкостного реактивного двигателя, в котором не используется атмосферный воздух, определяется для расчетного режима по формуле
или на нерасчетном режиме
Здесь GO - секундный массовый расход окислителя.
О месте приложения реактивной силы.
Выясним, в каком месте двигателя приложена реактивная сила. Рассмотрим простейший случай − идеальный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (рис.). Пусть скорость во входном отверстии равна скорости полета (); тогда давление во входном отверстии равно атмосферному (), кроме того, предположим, что двигатель работает на расчетном режиме, т. е. давление в выходном отверстии также равно атмосферному (). При малой скорости движения газа в камере сгорания давление в последней можно считать постоянным (). В описанном идеальном двигателе перепады давлений в диффузоре и сопле одинаковы: 
Однако ввиду того, что в сопле воздух имеет более высокую температуру, чем в диффузоре, площадь выходного отверстия двигателя должна быть больше площади входного отверстия. В самом деле, в идеальном двигателе скоростной напор в выходном отверстии равен скоростному напору набегающего потока, т.е. в рассматриваемом случае скоростному напору во входном отверстии
С учетом этого равенства, из уравнения неразрывности получаем:
Следовательно, при подводе тепла в камере сгорания () имеем:
Итак, среднее давление, действующее на стенки диффузора и сопла, одно и то же, а проекция стенки диффузора на плоскость, перпендикулярную к оси двигателя, больше соответствующей проекции стенки сопла. Вследствие изложенного сила давления изнутри на диффузор () больше, чем на сопло (); направления этих сил, как явствует из рис., противоположны.
Если внешние очертания двигателя являются очень плавными, то давление воздуха на внешнюю поверхность двигателя весьма близко к атмосферному, т. е. силой давления на внешнюю поверхность можно пренебречь. В рассматриваемом идеальном случае реактивная сила, действующая на двигатель, сводится к разности сил, приложенных соответственно к диффузору и соплу:
Величины сил, действующих на диффузор и сопло, соответственно равны
Согласно принятым выше условиям
Рассмотрим двигатель с малыми скоростями в камере сгорания, т. е. с площадью камеры, существенно большей, чем площади входного и выходного отверстий:
В этом случае мы приходим к следующей простой формуле для реактивной силы, определенной в результате вычитания силы, приложенной к соплу, из силы, приложенной к диффузору:
Тот же результат можно получить непосредственно из формулы для реактивной силы
или, учитывая выведенное выше условие ,
Итак, тяга получается за счет того, что сила давления на диффузор больше, чем на сопло. Это является следствием подогрева газа, в связи с которым площадь выходного отверстия приходится делать больше площади поперечного сечения набегающей струи.
В прямоточном воздушно-реактивном двигателе реактивная сила является результирующей сил давления, приложенных к стенкам внутреннего и наружного обводов двигателя.
Полезная часть реактивной силы, равная разности между реактивной силой и суммарным внешним сопротивлением двигательной установки, называется эффективной тягой:
Реактивная сила двигателя, определяемая формулой (105), может рассматриваться как разность между выходным импульсом струи газов, рассчитанным по избыточному давлению на срезе сопла:
и входным импульсом струи набегающего невозмущенного потока воздуха, засасываемого в двигатель:
Оценку внутренней тяги двигателя (без учета внешнего сопротивления) производят с помощью относительного импульса (116)
Величина
называется потерянным относительным импульсом сопла.
Выполнила учащаяся:
МОУ «СОШ С. Зубовка»
Масаева Алисат (9класс),
Руководитель: Мельшина В.Г
2011 год
На пороге космической эры
Реактивное движение
Реактивный двигатель
Реактивные двигатели и окружающая среда
Заключение
На пороге космической эры
Принцип реактивного движения известен давно. Родоначальником Р. д. можно считать шар Герона . Твёрдотопливные ракетные двигатели - пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые.
Сегнерово колесо - двигатель, основанный на реактивном действии вытекающей воды. Было изобретено венгерским учёным Я. А. Сегнером в 1750. Первая в истории гидравлическая турбина . Расположенное в горизонтальной плоскости колесо без обода, у которого спицы заменены трубками с отогнутыми концами так, что вытекающая из них вода приводит сегнерово колесо во вращение.
Идея ракетного летания, многим представляющаяся в наши дни такой смелой и новой, на самом деле имеет за собою уже полувековую историю, добрых три четверти которой протекло целиком в нашем отечестве.
Первая мысль о ракетном самолете родилась в светлой голове молодого революционера-первомартовца Николая Ивановича Кибальчича.
В 1903 К. Э. Циолковский в работе "Исследование мировых пространств реактивными приборами" впервые в мире выдвинул основные положения теории жидкостных ракетных двигателей и предложил основные элементы устройства РД на жидком топливе.
Реактивное движение
Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение. При стрельбе из орудия возникает отдача – снаряд движется вперед, а орудие – откатывается назад. Снаряд и орудие – два взаимодействующих тела. Скорость, которую приобретает орудие при отдаче, зависит только от скорости снаряда и отношения масс
Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела,
например, при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.
Наблюдать реактивное движение очень просто. Надуйте детский резиновый шарик и отпустите его. Шарик стремительно взовьется вверх. Движение, правда, будет кратковременным. Реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.
Уравнения Мещерского и Циолковского
Если нет внешних сил , то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой . Импульс такой системы не может меняться во времени.
,
где
- масса ракеты
Её ускорение
- скорость истечения газов
Расход массы топлива в единицу времени
Поскольку скорость истечения продуктов сгорания (рабочего тела) определяется физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями двигателя, являясь постоянной величиной при не очень больших изменениях режима работы реактивного двигателя, то величина реактивной силы определяется в основном массовым секундным расходом топлива .
Доказательство
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
Изменение скорости ракеты
Разделим обе части равенства на интервал времени t, в течение которого работали двигатели ракеты :
Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения a по определению равно силе , вызывающей это ускорение :
Уравнение Мещерского
Если же на ракету , кроме реактивной силы , действует внешняя сила , то уравнение динамики движения примет вид:
Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы . Ускорение тела переменной массы определяется не только внешними силами , действующими на тело, но и реактивной силой , обусловленной изменением массы движущегося тела:
Формула Циолковского
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
-
скорость
света
.
Выводы из законов:
Проанализируем полученное выражение. Мы видим, что скорость ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемых газов и чем больше отношение массы рабочего тела (т. е. массы топлива) к конечной ("сухой") массе ракеты.
Формула Мещерского является приближенной. В ней не учитывается, что по мере сгорания топлива масса летящей ракеты становится все меньше и меньше. Точная формула для скорости ракеты впервые была получена в 1897 г. К. Э. Циолковским и потому носит его имя.
Для сообщения ракете скорости, превышающей скорость истечения газов в 4 раза (V p =16 км/с), необходимо, чтобы начальная масса ракеты (вместе с топливом) превосходила конечную ("сухую") массу ракеты в 55 раз (m 0 /m = 55). Это означает, что львиную долю от всей массы ракеты на старте должна составлять именно масса топлива. Полезная же нагрузка по сравнению с ней должна иметь очень малую массу.
Значительное снижение стартовой массы ракеты может быть достигнуто при использовании многоступенчатых ракет, когда ступени ракеты отделяются по мере выгорания топлива. Из процесса последующего разгона ракеты исключаются массы контейнеров, в которых находилось топливо, отработавшие двигатели, системы управления и т. д. Именно по пути создания экономичных многоступенчатых ракет развивается современное ракетостроение.
Реактивный двигатель . Классы реактивных двигателей
Реактивный двигатель - двигатель -движитель , создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи ра бочего тела .
Составные части реактивного двигателя:
Камера сгорания («химический реактор») - в нем происходит освобождение химической энергии топлива и её преобразование в тепловую энергию газов .
Реактивное сопло («газовый туннель») - в котором тепловая энергия газов переходит в их кинетическую энергию , когда из сопла газы вытекают наружу с большой скоростью, тем создавая реактивную тягу .
Реактивные двигатели делятся на два класса:
Ракетные
Воздушно-реактивные
В ракетных двигателях топливо и необходимый для его горения окислитель находятся непосредственно внутри двигателя или в его топливных баках.
Ракетные двигатели, работающие на твердом топливе
На рисунке показана схема ракетного двигателя на твердом топливе. Порох или какое-либо другое твердое топливо, способное к горению в отсутствие воздуха, помещают внутрь камеры сгорания двигателя.
Реактивная сила
При горении топлива образуются газы, имеющие очень высокую температуру и оказывающие давление на стенки камеры. Сила давления на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, где расположено сопло. Вытекающие через сопло газы не встречают на своем пути стенку, на которую могли бы оказывать давление. В результате появляется сила, толкающая ракету вперед.
Суженная часть камеры - сопло служит для увеличения скорости истечения продуктов сгорания, что в свою очередь повышает реактивную силу. Сужение струи газа вызывает увеличение его скорости, так как при этом через меньшее поперечное сечение в единицу времени должна пройти такая же масса газа, что и при большем поперечном сечении.
Схема воздушно - реактивного двигателя турбокомпрессорного типа.
Раскаленные газы (продукты сгорания), выходя через сопло, вращают газовую турбину, приводящую в движение компрессор. Турбокомпрессорные двигатели установлены в наших лайнерах Ту-134, Ил-62, Ил-86 и др. Реактивными двигателями оснащены не только ракеты, но и большая часть современных самолетов.
Первые советские жидкостные ракетные двигатели - ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 были спроектированы В. П. Глушко и под его руководством созданы в 1930-31 в Газодинамической лаборатории . Впервые электротермический двигатель был создан и испытан Глушко в ГДЛ в 1929-1933. В 1939 в СССР состоялись испытания ракет с прямоточными воздушно-реактивными двигателями конструкции И. А. Меркулова.
Ядерные ракетные двигатели
Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса благодаря большой скорости истечения рабочего тела (от 8 000 м/с до 50 км/с и более). Вместе с тем, общая тяга ЯРД может быть сравнима с тягой химических ракетных двигателей, что создает предпосылки для замены в будущем химических ракетных двигателей ядерными. Основной проблемой при использовании ЯРД является радиоактивное загрязнение окружающей среды факелом выхлопа двигателя, что затрудняет использование ЯРД (кроме, возможно, газофазных), на ступенях ракет-носителей, работающих в пределах земной атмосферы. Впрочем, конструктивно совершенный ГФЯРД, исходя из его расчётных тяговых характеристик, может легко решить проблему создания полностью многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя.
Применение реактивных двигателей
Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, их применяют на вертолётах. Эти Р. д. пригодны для полетов, как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолётах-снарядах, сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолётов. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолётах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта). Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью. Во время 2-й мировой войны 1939-45 этими двигателями были оснащены самолёты-снаряды ФАУ-1.
Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах в
качестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. Твёрдотопливные ракетные двигатели используют в баллистических, зенитных, противотанковых и др. ракетах военного назначения, а также на ракетах-носителях и космических летательных аппаратах. Небольшие твёрдотопливные двигатели применяются в качестве ускорителей при взлёте самолётов. Электрические ракетные двигатели и ядерные ракетные двигатели могут использоваться на космических летательных аппаратах.
Реактивный двигатель кальмара
Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Наибольший интерес представляет реактивный двигатель кальмара. При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся. Для быстрого броска он использует реактивный двигатель. Животное засасывает воду внутрь мантийной полости, а затем резко выбрасывает струю воды через узкое сопло. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать, изменяя направление движения. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму
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”. Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя.
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.
Личинка стрекозы
Задняя кишка личинки стрекозы, помимо своей основной функции, выполняет еще и роль органа движения. Вода заполняет заднюю кишку, затем с силой выбрасывается, и личинка перемещается по принципу реактивного движения на 6-8 см. Для дыхания нимфам также служит задняя кишка, которая как насос постоянно закачивает через анальное отверстие богатую кислородом воду.
Билимович Б.Ф. "Физические викторины"
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". 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.
ДОМАШНИЙ ОПЫТ
"Реактивная банка"
Возьмите пустую консервную банку без верхней крышки. На равных расстояниях по верхнему ободу банки проделайте три маленьких отверстия и вставьте в них прочные нити, с помощью которых можно будет подвесить банку к водопроводному крану. У донышка на боковой стенке банки проделайте пару отверстий напротив друг друга диаметром около 5 см. Подвесьте банку на водопроводный кран и откройте кран с водой, чтобы банка наполнилась.
Окружающая среда
Тепловые двигатели (в том числе и реактивный) – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается ≈ 80% электроэнергии. Без тепловых двигателей невозможно представить себе современный транспорт. В тоже время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду.
Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное (ИК) излучение поверхности Земли. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере, увеличивая поглощение ИК – излучения, приводит к повышению её температуры (парниковый эффект). Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05 єС. Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана.
Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся в атмосфере, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на жизнедеятельность растений, животных и человека.
Потребление кислорода при горении топлива уменьшает его содержание в атмосфере.
Для охраны окружающей среды широко использует очистные сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, резко ограничивают использование соединений тяжелых металлов, добавляемых в топливо.
Заключение:
В основе реактивного движения лежит закон сохранения импульса тела, который выполняется только для замкнутой системы тел.
Скорость движения реактивного устройства тем больше, чем больше масса вещества, отделяется от тела за 1 с.
Простейшие модели реактивных двигателей и устройств можно сделать самим.
Проявлением реактивного движения является отдача, которую надо учитывать на практике (при стрельбе, спрыгивании с лодки, скейта и т.д.).
Результат отдачи зависит от массы и скорости отделяющегося тела или вещества.
Реактивное движение нашло широкое применение в технике
Литература
http :// class - fizika . narod . ru /9_19. htm
Космодемьянский А.А. Циолковский К.Э. (М., “Наука”, 1976)
Арлазоров А. Циолковский К.Э. (М., “Молодая гвардия”, 1963)
Мякишев Г.Я. Физика: [Текст]: учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений / Г.Я Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. – 11-е изд. – М.: Просвещение, 2003. – 306 с.
Г.С.Лансберг Элементарный учебник физики [Текст]: Г.С.Лансберг, – М.: Наука, 1985 г. – 460 с.
Кирик Л.А.Физика-9: [Текст]: Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. – Харьков: Гимназия, 2001. – 160 с.
Полный курс физики ХХI века [Электронный ресурс]: Компьютерная программа для изучения физики. – Режим доступа:
