Fizikte jet itişi hakkında rapor. Geri tepme olgusu, jet tahriki, Meshchersky, Tsiolkovsky formülü

Günümüzde çoğu insan elbette jet tahrikini öncelikle en son bilimsel ve teknik gelişmelerle ilişkilendiriyor. Fizik ders kitaplarından “reaktif” derken, herhangi bir parçasının bir nesneden (beden) ayrılması sonucu ortaya çıkan hareketi kastettiğimizi biliyoruz. İnsan gökyüzüne, yıldızlara yükselmek istedi, uçmak istedi, ancak bu hayalini ancak modern teknolojiler sayesinde çok uzak mesafeler kat edebilen, ses üstü hızlara çıkabilen jet uçakları ve kademeli uzay gemilerinin ortaya çıkışıyla gerçekleştirebildi. üzerlerine jet motorları takıldı. Tasarımcılar ve mühendisler jet tahrikinin motorlarda kullanılması olasılığını geliştiriyorlardı. Bilim kurgu yazarları da bu hedefe ulaşmanın en inanılmaz fikirlerini ve yollarını sunarak kenara çekilmediler. Şaşırtıcı bir şekilde, bu hareket ilkesi yaban hayatında yaygındır. Sadece etrafınıza bakın, hareketinin temeli reaktif prensip olan bitkilerin de bulunduğu denizlerde ve karada yaşayanları fark edebilirsiniz.

Hikaye

Antik çağda bile bilim adamları doğadaki jet hareketiyle ilişkili olayları ilgiyle incelediler ve analiz ettiler. Özünü teorik olarak kanıtlayan ve tanımlayan ilk kişilerden biri, kendi adını taşıyan ilk buhar motorunu icat eden Antik Yunan tamircisi ve teorisyeni Heron'du. Çinliler reaktif yöntem için pratik uygulamalar bulmayı başardılar. Mürekkep balığı ve ahtapotların hareket yöntemini temel alarak 13. yüzyılda roketleri icat eden ilk kişiler onlardı. Büyük bir etki yaratan havai fişeklerde, ayrıca işaret fişekleri olarak ve muhtemelen roket topçusu olarak kullanılan askeri füzelerde kullanıldılar. Zamanla bu teknoloji Avrupa'ya geldi.

Modern zamanların öncüsü, jet motorlu prototip uçak tasarımı yapan N. Kibalchich'ti. Olağanüstü bir mucit ve ikna olmuş bir devrimciydi ve bu yüzden hapse atıldı. Hapishanedeyken projesini yaratarak tarih yazdı. Aktif devrimci faaliyetleri nedeniyle idam edilmesinin ve monarşiye karşı konuşmasının ardından icadı arşiv raflarında unutuldu. Bir süre sonra K. Tsiolkovsky, Kibalchich'in fikirlerini geliştirmeyi başardı ve uzay gemilerinin reaktif itiş gücü yoluyla dış uzayı keşfetme olasılığını kanıtladı.

Daha sonra Büyük Vatanseverlik Savaşı sırasında ünlü Katyuşalar, saha roket topçu sistemleri ortaya çıktı. Bu, insanların SSCB kuvvetleri tarafından kullanılan güçlü tesisler için gayri resmi olarak çağırdıkları sevgi dolu isimdir. Silahın neden bu ismi aldığı kesin olarak bilinmiyor. Bunun nedeni ya Blanter'ın şarkısının popülerliği ya da havanın gövdesindeki "K" harfiydi. Zamanla ön saflardaki askerler başka silahlara da takma adlar vermeye başladı ve böylece yeni bir gelenek oluştu. Almanlar, bir müzik aletine benzeyen görünümü ve füzelerin fırlatılmasından çıkan delici ses nedeniyle bu savaş füzesi fırlatıcısına "Stalinist organ" adını verdi.

Flora

Faunanın temsilcileri ayrıca jet itiş yasalarını da kullanıyor. Bu özelliklere sahip bitkilerin çoğu yıllık ve genç çok yıllık bitkilerdir: dikenli sazan, kürek ayaklı kürek ayak, impatiens öz odun, iki kesilmiş pikulnik, üç damarlı mereng.

Deli salatalık olarak da bilinen dikenli salatalık kabakgiller familyasına aittir. Bu bitki büyük boyutlara ulaşır, kaba gövdeli ve geniş yapraklı kalın bir köke sahiptir. Orta Asya, Akdeniz, Kafkaslar'da yetişir, Rusya'nın güneyi ve Ukrayna'da da oldukça yaygındır. Meyvenin içinde tohum olgunlaşma döneminde mukusa dönüşür ve sıcaklığın etkisi altında fermente olmaya ve gaz salmaya başlar. Olgunlaşmaya yaklaştıkça meyvenin içindeki basınç 8 atmosfere ulaşabilir. Daha sonra hafif bir dokunuşla meyve tabandan kopar ve içinde sıvı bulunan tohumlar 10 m/s hızla meyvenin dışına uçar. 12 m uzunluğa ateş edebilme kabiliyeti nedeniyle tesise “kadın tabancası” adı verildi.

Impatiens öz odunu yaygın bir yıllık türdür. Kural olarak nehir kıyılarındaki gölgeli ormanlarda bulunur. Kuzey Amerika ve Güney Afrika'nın kuzeydoğu kesiminde başarıyla kök saldı. Touch-me-not tohumlar tarafından yayılır. Impatienlerin tohumları küçüktür, ağırlığı 5 mg'ı geçmez ve 90 cm mesafeye atılır. Bu tohum dağıtma yöntemi sayesinde bitki adını almıştır.

Hayvan dünyası

Jet tahriki - hayvanlar dünyası hakkında ilginç gerçekler. Kafadanbacaklılarda jet itişi, maksimum nefes verme akışını elde etmek için genellikle küçük bir açıklığa doğru sivrilen bir sifon yoluyla dışarı verilen su yoluyla meydana gelir. Su, nefes vermeden önce solungaçlardan geçerek nefes alma ve hareket etme ikili amacını yerine getirir. Gastropodlar olarak da bilinen deniz tavşanları da benzer hareket araçları kullanır, ancak kafadanbacaklıların karmaşık nörolojik aparatları olmadan daha beceriksizce hareket ederler.

Bazı şövalye balıkları, yüzgeç hareketini tamamlamak için suyu solungaçlarının üzerine zorlayan jet itiş gücü de geliştirmiştir.

Yusufçuk larvalarında reaktif kuvvet, suyun vücuttaki özel bir boşluktan uzaklaştırılmasıyla elde edilir. Deniz tarağı ve kardidler, sifonoforlar, tunikler (salpler gibi) ve bazı denizanaları da jet itiş gücü kullanır.

Deniz tarakları çoğu zaman dipte sessizce durur, ancak tehlike oluştuğunda kabuklarının valflerini hızla kapatarak suyu dışarı iterler. Bu davranış mekanizması aynı zamanda reaktif hareket ilkesinin kullanımından da söz eder. Bu sayede deniz tarakları, kabuğun açma-kapama tekniğini kullanarak yukarıya doğru yüzebilir ve uzun mesafeler boyunca hareket edebilir.

Kalamar da bu yöntemi kullanarak suyu emer ve büyük bir kuvvetle huniden iterek en az 70 km/saat hızla hareket eder. Dokunaçların tek bir düğüm halinde toplanmasıyla kalamarın gövdesi aerodinamik bir şekil oluşturur. Mühendisler bu kalamar motorunu temel alarak bir su topu tasarladılar. İçerisindeki su hazneye emilir ve daha sonra nozülden dışarı atılır. Böylece gemi, fırlatılan jetin ters yönüne yönlendirilir.

Kalamarlarla karşılaştırıldığında salpler en verimli motorları kullanır ve kalamarlardan çok daha az enerji harcarlar. Salpa hareket ederek ön taraftaki deliğe su salar ve ardından solungaçların gerildiği geniş boşluğa girer. Bir yudumdan sonra delik kapanır ve vücudu sıkıştıran boyuna ve enine kasların kasılmasıyla arkadaki delikten su dışarı çıkar.

Tüm hareket mekanizmaları arasında en sıra dışı olanı sıradan kedidir. Marcel Despres, bir cismin yalnızca iç kuvvetlerin yardımıyla bile (hiçbir şeyi itmeden veya herhangi bir şeye dayanmadan) hareket etme ve konumunu değiştirme yeteneğine sahip olduğunu ve buradan Newton yasalarının hatalı olabileceği sonucunun çıkarılabileceğini öne sürdü. Varsayımının kanıtı yüksekten düşen bir kedi olabilir. Baş aşağı düşerse yine de tüm patilerinin üzerine düşecektir; bu zaten bir tür aksiyom haline geldi. Kedinin hareketlerini detaylı bir şekilde fotoğrafladıktan sonra havada yaptığı her şeyi karelerden görebildik. Pençesini hareket ettirdiğini gördük, bu da vücudunun tepki vermesine neden oldu ve patisinin hareketine göre diğer yöne döndüğünü gördük. Newton yasalarına göre hareket eden kedi başarıyla yere indi.

Hayvanlarda her şey içgüdü düzeyinde gerçekleşirken, insanlar bunu bilinçli olarak yapmaktadır. Kuleden atlayan profesyonel yüzücüler havada üç kez dönmeyi başarırlar ve dönüşü durdurmayı başararak kesinlikle dikey olarak dikleşip suya dalarlar. Aynı prensip hava sirki jimnastikçileri için de geçerlidir.

Her ne kadar insanlar, onun yarattığı icatları geliştirerek doğayı aşmaya çalışsa da, uçakların bir yusufçuğun hareketlerini tekrarlayabildiği teknolojik mükemmelliğe henüz ulaşamadık: havada süzülmek, anında geri gitmek veya yana doğru hareket etmek. Ve tüm bunlar yüksek hızda gerçekleşir. Belki biraz daha zaman geçecek ve yusufçukların aerodinamik ve jet yeteneklerinde yapılacak ayarlamalar sayesinde uçaklar keskin dönüşler yapabilecek ve dış koşullara daha az duyarlı hale gelebilecek. Doğaya bakıldığında insan, teknik ilerlemenin yararına hala çok şey geliştirebilir.

Geri tepme olgusu, jet tahriki, Meshchersky, Tsiolkovsky formülü.

Geri tepme olgusu, iç kuvvetlerin etkisi altındaki bir gövde birbirinden ayrılan iki parçaya bölündüğünde gözlenir.
 Basit örnek: Toz gazlar bir mermi tarafından silahın namlusundan dışarı atılır. Mermi bir yönde uçar ve silah sabitlenmezse geri döner - geri tepme yaşadı. Silah ateşlenmeden önce silahın kendisinden ve namlunun içindeki mermiden oluşan bir “gövdemiz” vardı. Orijinal gövde "parçalandı" - iç kuvvetlerin etkisi altında bağımsız hareket ederek iki parçaya (silah ve mermi) "kırıldı".
 Aşağıdaki resmi hayal edelim. Kaygan buzun üzerinde duran bir adam belli bir yöne taş atıyor. Geri tepmeyi deneyimleyen kişi buz üzerinde ters yönde kaymaya başlayacaktır.
  Bir kişinin kas çabasının etkisi altında bir adamın "bedeni" + bir taş, iki parçaya - bir adam ve bir taşa - "kırıldı". Taşlı adamın sürtünme kuvvetini önemli ölçüde azaltmak ve dış kuvvetlerin toplamının sıfıra yakın olduğu ve yalnızca iç kuvvetlerin çalıştığı bir durumla başa çıkmak için kaygan buzun üzerine yerleştirildiğini unutmayın; adam taşın üzerine etki eder ve onu fırlatır. ve taş Newton'un kişi başına düşen üçüncü yasasına göre hareket eder. Sonuç olarak geri tepme olgusu gözlenir.
  Bu olay momentumun korunumu yasası kullanılarak açıklanabilir. Herhangi bir yaşam durumundan soyutlayarak, kütleleri olan iki cismi ele alalım. m 1 Ve m2, eylemsiz bir referans çerçevesine göre hareketsiz durumda (Dünya olsun). Dış kuvvetlerin vücut üzerindeki etkisinin ihmal edilebileceğini varsayacağız. İç kuvvetlerin etkisi sonucunda sistemin parçalandığını varsayalım. m 1 hız kazandı v1 ve vücudun kütlesi var m2- hız v2. Çürümeden önce sistemin momentumu sıfırdı ( p = 0); çürümeden sonra şu şekilde temsil edilebilir:

Momentumun korunumu yasasından şu sonuç çıkar:

Buradan şunu anlıyoruz:

Beklediğiniz gibi vektörler v1 Ve v2 ters yöne yönlendirilirler. Örneğin, v1- Bir kişinin buz üzerindeki kütleli bir taşı fırlatma hızı m 1, O v2- kütlesi olan bir kişinin hızı m2 bahşedilmenin bir sonucu olarak elde ettiği. Çünkü m 1<< m 2 , o zaman (1)'den şu sonuç çıkıyor

  Şimdi kütleli bir grup cismin olduğunu varsayalım. M Ve M sabit (ataletsel) bir referans çerçevesine göre hız ile düzgün ve doğrusal olarak hareket eder. İç kuvvetlerin etkisinin bir sonucu olarak (bu durumda bunların doğası önemli değildir), bağ parçalanır; kütleli vücut M hız kazanır sen kütlesi olan bir cisme göre M böylece sabit referans çerçevesine göre hızı eşit olur

  Kütleli bir cismin hızı M bu referans çerçevesinde onu şu şekilde temsil ediyoruz:

  Kapalı bir cisim sistemi göz önüne alındığında, momentumun korunumu yasasını kullanacağız.

Parantezleri açıp aynı terimleri kısalttıktan sonra ilişkiyi elde ederiz.

(2)'den vektörlerin yönlerinin olduğu açıktır. v1 Ve sen zıt.
  İlginç bir özel durum, vektörün vektöre doğru yönlendirilmesidir v. Bu durumda bir kütle cismi M bağ parçalandıktan sonra vektör yönünde hareket etmeye devam edecektir v geri tepme nedeniyle hızının modülü artacak ve eşit olacaktır v + um/M.
  Geri tepme olgusundan, bir roketin hareketi örneğini kullanarak jet tahrikinin değerlendirilmesine geçiyoruz. En genel anlamda bu hareket oldukça basit bir şekilde açıklanmaktadır. Yakıt yandığında, roket nozülünden çok yüksek bir hızla gazlar çıkar. Geri tepme nedeniyle roket, nozuldan gaz akış yönünün tersi yönde hareket eder.
  Roketin belirli bir andaki Dünya'ya göre hızını v ile gösterelim. T. Şu anda roket hızı t + Δt ile belirtmek v + Δv. Roketin hızındaki değişiklik, ondan bir gaz kütlesinin fırlatılması sonucu meydana geldi. ΔM hızla sen roketle ilgili olarak. Hız sen egzoz hızı denir. Süre sonunda Δt yakıtla birlikte roketin kütlesi azaldı ΔM. Aralık Δt yeterince küçük olduğunu varsayıyoruz, böylece roketin yakıtlı kütlesinin belirli bir aralıkta sabit olduğunu ve sonunda gaz kütlesinin aniden salınması sonucu aniden değiştiğini varsayabiliriz. ΔM(daha sonra şu sınıra geçeceğiz: Δt → 0 ve böylece gazların dürtüsel salınımını, roket nozulundan sürekli çıkışla değiştirin). Şu anda yakıtla birlikte roketin kütlesi T eşit M, o zaman şu anda t + Δt eşit olacak M−ΔM.
  Yani zamanın bir noktasında T kütlesi olan yakıtlı bir roket var M ve Dünya'ya göre hız. Şu anda t + Δt Orada, İlk önce kütlesi olan itici bir roket M−ΔM ve hız v + Δv Dünya'ya göre ve, ikinci olarak, kütlesi olan gazın bir kısmı ΔM ve hız v+u Dünya'ya göre. Roketin dış cisimlerle etkileşimini ihmal ederek momentumun korunumu yasasını kullanıyoruz ve şunu yazıyoruz:

Parantezleri genişleterek şunu elde ederiz

  Eserler Mv ve ayrıca ΔMv azaltılıyor. iş ΔMΔv burada iki küçük miktar çarpıldığı için ihmal edilebilir; Yaygın olarak söylendiği gibi, böyle bir ürün ikinci dereceden küçük bir miktardır. Sonuç olarak, ilişki (4) şu forma dönüştürülür ((3) ile karşılaştırın):

Bu eşitliğin her iki tarafını da şu şekilde bölelim: Δt; aldık

Bunu dikkate alalım

ve sonra eşitliğin (5) her iki tarafını da limite aktarıyoruz Δt → 0.

Sınır

Roketin anlık bir ivmesi var.
Boyut ΔM/dt buna belirli bir sürenin ortalaması diyelim Δt yakıt tüketimi. Büyüklük

belirli bir süre için anlık yakıt tüketimi T. Yapılan yorumlar dikkate alınarak (6) formu alınacaktır.

Hızlanma a(t) kuvvetin neden olduğu

buna reaktif kuvvet denir. Yakıt tüketimi ve gaz akış hızı ile orantılıdır ve akış hızının tersi yönündedir.
  Uçan bir roket reaktif kuvvet dışında bir şeyden etkilenirse Fp(t), bazı dış kuvvetler F(t), daha sonra ilişki (7) takip eder
oran ile değiştirin:

  Bu ilişki, değişken kütleli bir cismin hareketi için Newton'un ikinci yasasının bir genellemesidir. Buna Meshchersky formülü adı verildi (değişken kütleli cisimlerin mekaniğini inceleyen Rus bilim adamı Ivan Vsevolodovich Meshchersky'den sonra).

 Formülün türetilmesi(Tsiolkovsky formülü), roketin kütlesi ve hızıyla ilgili.
Yakıtın ayrı ayrı ağırlıklarda yandığını varsayalım. ΔM = M/N, Nerede M- Roketin bir kısmı fırlatılmadan önceki kütlesi ΔM, A N- Oldukça büyük bir sayı. İlk kısmın yanmasından sonra roketin kütlesi şuna eşit olacaktır:

  İkinci kısmın yanmasından sonra kütle tekrar azalacaktır. (1/N)–inci parça, ama zaten kitleden M1 ve eşit olacak


  Aynı şekilde daha da ileri giderek roketin yanma sonrası kütlesini buluyoruz. n'inci porsiyonlar

  Şimdi bu durumda roketin hızının nasıl değiştiğini ele alalım. Yanma ürünü akış hızında eşit sen, ağırlık ΔM momentumu alıp götürüyor Δp = uΔM. Momentumun korunumu yasasına uygun olarak, roket tarafından aynı büyüklükte ancak zıt yönde bir itme alınacak ve bunun sonucunda hızı artacaktır.

  Böylece, eğer roket ilk başta hareketsizse, o zaman ilk kısmın kütleyle yanmasından sonra ΔM 1 = M 0 /N ivme kazanan Δp 1 = M 0 u/N roket hızı eşitlenecek

  Yakıtın ikinci kısmının yanmasından sonra tartım ΔM2 = M1 /N, dürtüyü uzaklaştıran Δp 2 /(M 1 - M 1 /N) ve şu kadar olacak:

  Mantık yürütmeye devam edersek, roketin yanma sonrası hızını elde ederiz. n'inci porsiyon:

Daha sonra hıza ulaşan roketin kütlesi v

indeks N artık ihtiyaç duyulmadığından bundan sonra çıkarılmıştır.
  Aslında roketteki yakıt ayrı ayrı porsiyonlar halinde değil, sürekli olarak yanar. Gerçek durumu daha doğru açıklayan bir formüle gitmek için şunları dikkate almanız gerekir: N son derece büyük bir sayı. Bu durumda son ifadenin üssünün birimi ihmal edilebilir, bundan sonra şu şekli alacaktır:


veya sınırsız artışla N

  Bu formül türetildi K.E. Tsiolkovski ve onun adını taşıyor. Bu açıkça roketin yüksek hıza ulaşabileceğini ancak kalan kütlenin orijinalinden çok daha az olacağını gösteriyor.

 Sorun 1
  Tartılan bir roketten M, hızla hareket ediyor v yakıtın bir kısmı dışarı atılır M hızla sen roketle ilgili. Roketin hızı ne olacak? Roketin serbest bırakıldıktan sonra hızı ne olacak? 2, 3, k porsiyonlar?

Çözüm

Momentumun korunumu yasasını kullanalım. Roketin başlangıç ​​hızıyla hareket eden bir referans çerçevesinde yazmak daha uygundur. v(yakıt püskürtme hızı u rokete göre verildiğinden). Roketin hareket yönüne projeksiyonda şunu elde ederiz:

Roket hızı nereden geliyor?

Sabit bir referans çerçevesinde, yakıtın ilk bölümünün serbest bırakılmasından sonraki roketin hızı, büyüklük olarak eşittir:

Hızla hareket eden bir sistemde yakıtın ikinci kısmının salınmasını ele alacağız. v1. Momentumun korunumu yasasından elimizde

ve sabit bir sistemde


Sonrasında k emisyonlar, roket hızı şuna eşit olacaktır:

  Karşılaştırma için roketin hızını da bulalım vk/ tek seferlik yakıt tahliye tartımı ile km aynı hızda sen roketle ilgili.
  Bunu yapmak için momentumun korunumu yasasını kullanacağız, ancak bunu doğrudan sabit bir referans çerçevesine göre yazacağız:

Neresi

  Bunu görmek kolaydır v k / > v k. Bu sonuç, sabit bir referans çerçevesindeki bir roketten yakıt püskürtme hızının sabit ve eşit olduğu varsayımıyla ilişkilidir. v-u. Gerçekte, roket hızlandıkça yakıt püskürtme hızı azalır (rokete göre sabit fırlatma hızı). Bu nedenle ilk formül vk gerçek durumu daha doğru bir şekilde anlatıyor.

 Sorun 2
  Roketin fırlatılmadan önce kütlesi var m 0 = 120 kg. Roket hangi yükseklikten geçecek t = 15 sn motorlarının çalıştırılmasından sonra mı? Yakıt tüketimini hesaplayın μ = 4 kg/sn ve rokete göre gaz akışının hızı u = 1000 m/s kalıcı. 1) Dünyanın çekim alanının düzgün olduğunu düşünün, 2) Dünyanın çekim alanının düzgün olmadığını düşünün.

Çözüm

1) Aks z dikey olarak yukarı doğru yönlendirilmiş
Meshchersky denklemini Dünya'nın düzgün çekim alanına şu şekilde yazalım:

Nerede m = m 0 − μt, A v 0− o andaki roket hızı T. Değişkenleri ayırarak denklemi elde ederiz

Bu denklemin başlangıç ​​koşulunu sağlayan çözümü v 0 = 0 en t = 0, formu var

Değişkenleri tekrar ayırıp başlangıç ​​koşulunu göz önünde bulundurarak z0 = 0 en t = 0, buluyoruz

  Sayısal değerleri değiştirerek şunu buluruz: 15 saniye Fırlatmadan sonra roket yaklaşık 3500 m yükseklikte olacak ve hıza sahip olacak. 540 m/sn.

2) Söz konusu yüksekliklerde Dünya'nın çekim alanının homojenliğinin küçük olduğu gerçeğini dikkate alalım. Bu nedenle, bu durumda hareketi hesaplamak için ardışık yaklaşımlar yöntemini kullanmak uygundur.
İzin vermek R− Dünyanın yarıçapı. Yerçekimi kuvvetini formda temsil edelim.

Nerede M- Dünyanın kütlesi, λ =z/R<< 1 .
  Bir roket, kütlesindeki belirli bir değişim yasasıyla düzgün olmayan bir alanda hareket ettiğinde, roketin hızı toplam olarak temsil edilebilir: v = v 0 + v /, Nerede v/<< v 0 . Biz de aynı şekilde yazıyoruz z = z 0 + z /, Nerede z/<< z 0 . Bu ifadeleri yerine koyarsak v, z Ve F Meshchersky denkleminde şunu buluruz:

  Ortaya çıkan denklemde, sağ taraftaki son terimi atarak yalnızca birinci dereceden küçüklükteki terimleri bırakıyoruz (küçük olmayan terimlerin toplamı sıfıra eşit). Denkleme varıyoruz

Nerede z0 formül (2) ile tanımlanır. Artık değişkenleri ayırıp bulmak çok kolay

Newton yasaları çok önemli bir mekanik olguyu açıklamaya yardımcı olur: jet tahriki. Bir cismin herhangi bir hızla bir kısmının kendisinden ayrılmasıyla oluşan hareketine verilen addır.

Örneğin bir çocuk lastik topunu alalım, şişirip bırakalım. Hava onu bir yönde terk etmeye başladığında topun kendisinin diğer yöne uçacağını göreceğiz. Bu reaktif bir harekettir.

Kalamarlar ve ahtapotlar gibi hayvan dünyasının bazı temsilcileri jet tahrik prensibine göre hareket eder. Emdikleri suyu periyodik olarak dışarı atarak 60-70 km/saat hıza ulaşabilirler. Denizanası, mürekkep balığı ve diğer bazı hayvanlar da benzer şekilde hareket eder.

Bitki dünyasında da jet tahrik örnekleri bulunabilir. Örneğin, "deli" bir salatalığın olgunlaşmış meyveleri, en hafif dokunuşla saptan sıçrar ve ayrılan sapın yerinde oluşan delikten tohumlarla birlikte acı bir sıvı kuvvetli bir şekilde dışarı atılır; salatalıkların kendisi ters yönde uçar.

Su serbest bırakıldığında oluşan reaktif hareket aşağıdaki deneyde gözlemlenebilir. L şeklinde uçlu kauçuk bir tüpe bağlı bir cam huniye su dökün (Şek. 20). Suyun tüpten dışarı akmaya başladığında tüpün kendisinin hareket etmeye başlayacağını ve suyun akış yönünün tersi yönde sapacağını göreceğiz.

Uçuşlar jet tahrik prensibine dayanmaktadır füzeler. Modern bir uzay roketi, yüzbinlerce ve milyonlarca parçadan oluşan çok karmaşık bir uçaktır. Roketin kütlesi çok büyük. Çalışma sıvısının kütlesinden (yani, yakıtın yanması sonucu oluşan ve jet akışı şeklinde yayılan sıcak gazlar) ve roketin son veya dedikleri gibi "kuru" kütlesinden sonra kalan roketin kütlesinden oluşur. çalışma sıvısı roketten dışarı atılır.

Bir roketin "kuru" kütlesi ise yapının kütlesinden (yani roketin kabuğu, motorları ve kontrol sistemi) ve faydalı yükün kütlesinden (yani bilimsel ekipman, roketin gövdesi) oluşur. uzay aracının yörüngeye fırlatılması, mürettebat ve sistem yaşam desteği gemisi).

Çalışma sıvısının süresi doldukça, serbest bırakılan tanklar, merminin fazla parçaları vb. rokete gereksiz kargo yüklemeye başlar ve hızlanmasını zorlaştırır. Bu nedenle kozmik hızlara ulaşmak için kompozit (veya çok aşamalı) roketler kullanılır (Şekil 21). Bu tür roketlerde ilk etapta sadece birinci aşama 1 bloklar çalışıyor, içlerindeki yakıt rezervleri bittiğinde ayrılarak ikinci aşama 2 devreye giriyor; İçindeki yakıt tükendikten sonra da ayrılır ve üçüncü aşama 3 açılır. Roketin kafasında bulunan uydu veya başka bir uzay aracı, aerodinamik şekli azaltmaya yardımcı olan bir kafa kaplaması (4) ile kaplanır. Roket Dünya atmosferinde uçarken hava direnci.

Bir roketten yüksek hızda bir gaz jeti fırlatıldığında, roketin kendisi ters yönde hareket eder. Bu neden oluyor?

Newton'un üçüncü yasasına göre, roketin çalışma sıvısına etki ettiği F kuvveti, çalışma sıvısının roket gövdesine etki ettiği F" kuvvetine eşit büyüklükte ve zıt yöndedir:

F kuvveti (buna reaktif kuvvet denir) roketi hızlandırır.

Eşitlik (10.1)'den, vücuda verilen dürtünün, kuvvetin ve eylemin zamanının çarpımına eşit olduğu sonucu çıkar. Bu nedenle, aynı anda etki eden eşit kuvvetler cisimlere eşit itmeler verir. Bu durumda, roket tarafından elde edilen m p v p darbesi, fırlatılan gazların m gaz v gaz darbesine karşılık gelmelidir:

m р v р = m gaz v gaz

Bundan roketin hızı anlaşılmaktadır.

Ortaya çıkan ifadeyi analiz edelim. Roketin hızının daha büyük olduğunu, yayılan gazların hızının daha büyük olduğunu ve çalışma sıvısının kütlesinin (yani yakıtın kütlesinin) roketin son (“kuru”) kütlesine oranının daha büyük olduğunu görüyoruz. roket.

Formül (12.2) yaklaşıktır. Yakıt yandıkça uçan roketin kütlesinin giderek azalacağı hesaba katılmıyor. Roket hızının kesin formülü ilk olarak 1897'de K. E. Tsiolkovsky tarafından elde edildi ve bu nedenle onun adını taşıyor.

Tsiolkovsky formülü, belirli bir roket hızını vermek için gereken yakıt rezervlerini hesaplamanıza olanak tanır. Tablo 3, roketin başlangıç ​​kütlesinin m0 nihai kütlesine m oranını gösterir; bu oran, roketin gaz jeti hızında (rokete göre) v = 4 km/s'deki farklı hızlarına karşılık gelir.

Örneğin, bir rokete gaz akış hızını 4 kat aşan bir hız kazandırmak için (v p = 16 km/s), roketin başlangıç ​​kütlesinin (yakıt dahil) son kütlesini (“kuru”) aşması gerekir. roketin kütlesi 55 kat artar (m 0 /m = 55). Bu, fırlatma sırasında roketin toplam kütlesindeki aslan payının yakıt kütlesi olması gerektiği anlamına gelir. Karşılaştırıldığında, yük çok küçük bir kütleye sahip olmalıdır.

Jet tahrik teorisinin gelişimine önemli bir katkı, Rus bilim adamı I. V. Meshchersky (1859-1935) K. E. Tsiolkovsky'nin çağdaşı tarafından yapıldı. Kütlesi değişken olan bir cismin hareket denklemine onun adı verilmiştir.

1. Jet tahriki nedir? Örnekler verin. 2. Şekil 22'de gösterilen deneyde, su kavisli borulardan dışarı aktığında kova okla gösterilen yönde dönmektedir. Olayı açıklayın. 3. Bir roketin yakıtın yanmasından sonra elde ettiği hızı ne belirler?

Pek çok kişi için, "jet tahriki" kavramı, bilim ve teknolojideki, özellikle de fizikteki modern başarılarla güçlü bir şekilde ilişkilidir ve kafalarında jet uçaklarının ve hatta süpersonik hızlarda uçan, kötü şöhretli jet motorlarını kullanan uzay gemilerinin görüntüleri belirir. Aslında jet itişi olgusu, insanın kendisinden bile çok daha eskidir, çünkü biz insanlardan çok önce ortaya çıkmıştır. Evet, jet itişi doğada aktif olarak temsil edilmektedir: denizanası ve mürekkep balığı, bugün modern süpersonik jet uçaklarının uçtuğu prensibi kullanarak milyonlarca yıldır denizin derinliklerinde yüzmektedir.

Jet tahrikinin tarihi

Antik çağlardan bu yana, çeşitli bilim adamları doğadaki reaktif hareket olayını gözlemlediler; hiçbir zaman teorinin ötesine geçmese de, bu konuda yazan ilk kişi antik Yunan matematikçisi ve tamircisi Heron oldu.

Jet tahrikinin pratik uygulaması hakkında konuşursak, o zaman yaratıcı Çinliler ilk oldu. 13. yüzyıl civarında, hem havai fişek hem de askeri operasyonlar için (savaş ve sinyal silahı olarak) kullanmaya başladıkları ilk roketleri icat ederken ahtapotların ve mürekkep balıklarının hareket prensibini ödünç almayı anladılar. Bir süre sonra Çinlilerin bu faydalı icadı Araplar ve onlardan Avrupalılar tarafından benimsendi.

Elbette, ilk geleneksel jet roketleri nispeten ilkel bir tasarıma sahipti ve birkaç yüzyıl boyunca pratikte hiç gelişmediler; jet itiş gücünün gelişim tarihi durma noktasına gelmiş gibi görünüyordu. Bu konuda bir atılım ancak 19. yüzyılda meydana geldi.

Jet tahrikini kim keşfetti?

Belki de "yeni çağda" jet tahrikini keşfeden kişinin şöhreti, yalnızca yetenekli bir Rus mucit değil, aynı zamanda yarı zamanlı bir devrimci olan Halk Gönüllüsü olan Nikolai Kibalchich'e de verilebilir. İnsanlara yönelik bir jet motoru ve uçak projesini kraliyet hapishanesinde otururken yarattı. Kibalchich daha sonra devrimci faaliyetleri nedeniyle idam edildi ve projesi Çarlık gizli polisinin arşivlerindeki raflarda toz toplamaya devam etti.

Daha sonra Kibalchich'in bu yöndeki çalışması keşfedildi ve başka bir yetenekli bilim adamı K. E. Tsiolkovsky'nin çalışmaları tarafından desteklendi. 1903'ten 1914'e kadar, uzayı keşfetmek için bir uzay aracı oluşturmak için jet tahrikini kullanma olasılığını ikna edici bir şekilde kanıtladığı bir dizi çalışma yayınladı. Ayrıca çok kademeli roketlerin kullanılması ilkesini de oluşturdu. Bugüne kadar Tsiolkovsky'nin fikirlerinin çoğu roket biliminde kullanılıyor.

Doğadaki jet tahrik örnekleri

Elbette denizde yüzerken denizanası gördünüz, ancak bu şaşırtıcı (ve aynı zamanda yavaş) yaratıkların jet itiş gücü sayesinde hareket ettiğini pek düşünmediniz. Yani şeffaf kubbelerini daraltarak denizanası için bir nevi “jet motoru” görevi gören suyu dışarı doğru sıkıştırırlar.

Mürekkep balığı da benzer bir hareket mekanizmasına sahiptir - vücudun önündeki özel bir huni aracılığıyla ve yan yarıktan, suyu solungaç boşluğuna çeker ve ardından onu enerjik bir şekilde geriye veya yana doğru yönlendirilen huniden dışarı atar (bağlı olarak) mürekkep balığının ihtiyaç duyduğu hareket yönü).

Ancak doğanın yarattığı en ilginç jet motoru, haklı olarak "canlı torpido" olarak adlandırılabilecek mürekkep balıklarında bulunur. Sonuçta, bu hayvanların vücudu bile şekil olarak bir rokete benziyor, ancak gerçekte her şey tam tersi - bu roket, tasarımıyla bir kalamarın vücudunu kopyalıyor.

Kalamarın hızlı bir hamle yapması gerekiyorsa doğal jet motorunu kullanır. Vücudu bir manto, özel kas dokusu ile çevrilidir ve tüm kalamarın hacminin yarısı, içine su emdiği manto boşluğundadır. Daha sonra, toplanan su akışını dar bir ağızlıktan keskin bir şekilde dışarı atarken, on dokunaçının tamamını aerodinamik bir şekil elde edecek şekilde başının üzerine katlar. Bu gelişmiş reaktif navigasyon sayesinde kalamarlar saatte 60-70 km gibi etkileyici bir hıza ulaşabilir.

Doğada jet motoru sahipleri arasında "deli salatalık" denilen bitkiler de vardır. Meyveleri olgunlaştığında en ufak bir dokunuşla gluteni tohumlarla birlikte fırlatır.

Jet İtki Kanunu

Kalamarlar, "deli salatalıklar", denizanası ve diğer mürekkep balıkları, jet hareketini eski çağlardan beri fiziksel özünü düşünmeden kullanıyorlar, ancak jet hareketinin özünün ne olduğunu, ne tür bir harekete jet hareketi denildiğini anlamaya çalışacağız. ve ona bir tanım verin.

Başlangıç ​​​​olarak, basit bir deneye başvurabilirsiniz - sıradan bir balonu havayla şişirirseniz ve durmadan uçmasına izin verirseniz, hava kaynağı bitene kadar hızla uçacaktır. Bu fenomen, iki cismin eşit büyüklükte ve zıt yöndeki kuvvetlerle etkileşime girdiğini söyleyen Newton'un üçüncü yasasıyla açıklanmaktadır.

Yani, topun kendisinden kaçan hava akımları üzerindeki etkisinin kuvveti, havanın topu kendisinden uzağa ittiği kuvvete eşittir. Bir roket, kütlesinin bir kısmını muazzam bir hızla fırlatırken, ters yönde güçlü bir ivme alan bir topa benzer bir prensiple çalışır.

Momentumun korunumu kanunu ve jet itişi

Fizik jet itiş sürecini açıklar. Momentum, bir cismin kütlesinin ve hızının (mv) çarpımıdır. Bir roket hareketsiz durumdayken momentumu ve hızı sıfırdır. Bir jet akımı ondan dışarı atılmaya başladığında, momentumun korunumu yasasına göre geri kalanı, toplam momentumun hala sıfıra eşit olacağı bir hız elde etmelidir.

Jet tahrik formülü

Genel olarak jet hareketi aşağıdaki formülle açıklanabilir:
m s v s +m р v р =0
m s v s =-m р v р

burada m s v s gaz jeti tarafından oluşturulan itici güçtür, m p v p ise roket tarafından alınan itici güçtür.

Eksi işareti roketin hareket yönü ile jetin jet hareketinin kuvvetinin zıt olduğunu gösterir.

Teknolojide jet tahriki - jet motorunun çalışma prensibi

Modern teknolojide, jet motorları uçakları ve uzay gemilerini hareket ettirdiğinden, jet tahriki çok önemli bir rol oynamaktadır. Jet motorunun tasarımı, boyutuna ve amacına bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Ama öyle ya da böyle, her biri

  • yakıt temini,
  • yakıtın yanması için oda,
  • görevi jet akımını hızlandırmak olan bir ağızlık.

Bir jet motoru böyle görünüyor.

Jet tahriki, video

Ve son olarak jet tahrikiyle ilgili fiziksel deneylerle ilgili eğlenceli bir video.

Jet hareketi dikkate alındığında momentumun korunumu yasası büyük önem taşımaktadır.
Altında jet tahriki Bir cismin bir kısmı kendisine göre belirli bir hızla ayrıldığında, örneğin yanma ürünleri bir jet uçağının nozulundan dışarı aktığında meydana gelen cismin hareketini anlayabilir. Bu durumda sözde reaksiyon kuvveti vücudu itmek.
Reaktif kuvvetin özelliği, dış cisimlerle herhangi bir etkileşim olmaksızın sistemin kendi parçaları arasındaki etkileşimin bir sonucu olarak ortaya çıkmasıdır.
Örneğin bir yayaya, bir gemiye veya bir uçağa ivme kazandıran kuvvet yalnızca bu cisimlerin yer, su veya hava ile etkileşimi nedeniyle ortaya çıkar.

Böylece bir cismin hareketi, bir sıvı veya gaz akışının akışı sonucunda elde edilebilir.

Doğada jet hareketi esas olarak su ortamında yaşayan canlı organizmaların doğasında vardır.



Teknolojide, jet tahriki nehir taşımacılığında (su jeti motorları), otomotiv endüstrisinde (yarış arabaları), askeri işlerde, havacılık ve uzay bilimlerinde kullanılmaktadır.
Tüm modern yüksek hızlı uçaklar jet motorlarıyla donatılmıştır, çünkü... gerekli uçuş hızını sağlayabilirler.
Uzayda jet motorlarından başka motorların kullanılması mümkün değildir, çünkü orada hızlanmayı sağlayacak bir destek yoktur.

Jet teknolojisinin gelişim tarihi

Rus savaş füzesinin yaratıcısı topçu bilimcisi K.I. Konstantinov. 80 kg ağırlığındaki Konstantinov roketinin uçuş menzili 4 km'ye ulaştı.




Bir jet havacılık cihazının projesi olan bir uçakta jet tahrikinin kullanılması fikri, 1881 yılında N.I. Kibalchich.




1903 yılında ünlü fizikçi K.E. Tsiolkovsky, gezegenler arası uzayda uçuş olasılığını kanıtladı ve sıvı yakıtlı motora sahip ilk roket uçağı için bir tasarım geliştirdi.




K.E. Tsiolkovsky, dönüşümlü olarak çalışan ve yakıt tükendiğinde düşen bir dizi roketten oluşan bir uzay roketi treni tasarladı.


Jet motorlarının çalışma prensipleri

Herhangi bir jet motorunun temeli, yakıtın yanmasının çok yüksek sıcaklığa sahip gazlar ürettiği ve odanın duvarlarına basınç uyguladığı yanma odasıdır. Gazlar dar bir roket nozulundan yüksek hızda kaçar ve jet itme kuvveti oluşturur. Momentumun korunumu yasasına göre roket ters yönde hız kazanır.

Sistemin momentumu (roket yanma ürünleri) sıfır kalır. Roketin kütlesi azaldığı için sabit gaz akışında bile hızı artacak ve yavaş yavaş maksimum değerine ulaşacaktır.
Roketin hareketi değişken kütleli bir cismin hareketine bir örnektir. Hızını hesaplamak için momentumun korunumu yasası kullanılır.



Jet motorları roket motorları ve hava soluyan motorlar olarak ikiye ayrılır.

Roket motorları Katı veya sıvı yakıtla kullanılabilir.
Katı yakıtlı roket motorlarında hem yakıt hem de oksitleyici içeren yakıt, motorun yanma odasında sıkışıp kalır.
İÇİNDE sıvı jet motorları Uzay aracını fırlatmak için tasarlanan yakıt ve oksitleyici, özel tanklarda ayrı ayrı depolanır ve pompalar kullanılarak yanma odasına verilir. Yakıt olarak gazyağı, benzin, alkol, sıvı hidrojen vb. ve yanma için gerekli oksitleyici madde olarak sıvı oksijen, nitrik asit vb. kullanabilirler.




Modern üç aşamalı uzay roketleri dikey olarak fırlatılır ve atmosferin yoğun katmanlarını geçtikten sonra belirli bir yönde uçuşa aktarılır. Her roket aşamasının kendine ait yakıt tankı ve oksitleyici tankının yanı sıra kendi jet motoru da bulunmaktadır. Yakıt yandıkça harcanan roket aşamaları atılır.




Jet motorlarışu anda esas olarak uçaklarda kullanılmaktadır. Roket motorlarından temel farkı, yakıtın yanması için kullanılan oksitleyicinin, atmosferden motora giren havadaki oksijen olmasıdır.
Hava soluyan motorlar, hem eksenel hem de santrifüj kompresörlü turbo kompresörlü motorları içerir.
Bu tür motorlardaki hava, bir gaz türbini tarafından çalıştırılan bir kompresör tarafından emilir ve sıkıştırılır. Yanma odasından çıkan gazlar reaktif bir itme kuvveti oluşturur ve türbin rotorunu döndürür.




Çok yüksek uçuş hızlarında, yaklaşmakta olan hava akışı nedeniyle yanma odasındaki gazların sıkıştırılması sağlanabilir. Kompresöre gerek yoktur.