Báo cáo về động cơ phản lực trong vật lý. Hiện tượng giật lùi, lực đẩy phản lực, Meshchersky, công thức Tsiolkovsky

Tất nhiên, ngày nay hầu hết mọi người chủ yếu liên tưởng động cơ phản lực với những phát triển khoa học và kỹ thuật mới nhất. Từ sách giáo khoa vật lý, chúng ta biết rằng khi nói “phản ứng”, chúng ta muốn nói đến chuyển động xảy ra do sự tách bất kỳ bộ phận nào của nó khỏi một vật thể (cơ thể). Con người muốn bay lên bầu trời để đến các vì sao, anh ta muốn bay, nhưng anh ta chỉ có thể thực hiện được ước mơ của mình với sự ra đời của máy bay phản lực và tàu vũ trụ bước, có khả năng di chuyển trên những khoảng cách rộng lớn, tăng tốc đến tốc độ siêu âm, nhờ vào động cơ phản lực hiện đại được lắp đặt trên chúng. Các nhà thiết kế và kỹ sư đang phát triển khả năng sử dụng động cơ phản lực trong động cơ. Các nhà văn khoa học viễn tưởng cũng không đứng ngoài cuộc, đưa ra những ý tưởng và cách thức đáng kinh ngạc nhất để đạt được mục tiêu này. Điều đáng ngạc nhiên là nguyên tắc chuyển động này lại phổ biến ở động vật hoang dã. Chỉ cần nhìn xung quanh, bạn có thể nhận thấy cư dân của biển và đất liền, trong số đó có thực vật, cơ sở chuyển động của chúng là nguyên lý phản ứng.

Câu chuyện

Ngay từ thời cổ đại, các nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu và phân tích các hiện tượng liên quan đến chuyển động phản lực trong tự nhiên. Một trong những người đầu tiên chứng minh và mô tả bản chất của nó về mặt lý thuyết là Heron, một thợ cơ khí và nhà lý thuyết người Hy Lạp cổ đại, người đã phát minh ra động cơ hơi nước đầu tiên mang tên ông. Người Trung Quốc đã có thể tìm ra những ứng dụng thực tế cho phương pháp phản ứng. Họ là những người đầu tiên, lấy phương pháp di chuyển của mực và bạch tuộc làm cơ sở, để phát minh ra tên lửa vào thế kỷ 13. Chúng được sử dụng trong pháo hoa, gây ấn tượng lớn, cũng như pháo sáng tín hiệu và có thể cả tên lửa quân sự được sử dụng làm pháo tên lửa. Theo thời gian, công nghệ này đã đến châu Âu.

Người tiên phong của thời hiện đại là N. Kibalchich, người đã nghĩ ra thiết kế nguyên mẫu máy bay có động cơ phản lực. Ông là một nhà phát minh xuất sắc và một nhà cách mạng đầy thuyết phục, vì vậy ông đã bị bỏ tù. Chính khi ở trong tù, anh đã làm nên lịch sử khi tạo ra dự án của mình. Sau khi bị xử tử vì hoạt động cách mạng tích cực và lên tiếng chống lại chế độ quân chủ, phát minh của ông đã bị lãng quên trên kệ lưu trữ. Sau một thời gian, K. Tsiolkovsky đã có thể cải tiến ý tưởng của Kibalchich, chứng minh khả năng khám phá không gian bên ngoài thông qua lực đẩy phản lực của tàu vũ trụ.

Sau đó, trong cuộc Chiến tranh Vệ quốc vĩ đại, hệ thống pháo tên lửa dã chiến Katyushas nổi tiếng đã xuất hiện. Đây là cái tên trìu mến được mọi người sử dụng một cách không chính thức để chỉ các cơ sở mạnh mẽ được lực lượng Liên Xô sử dụng. Người ta không biết chắc chắn tại sao vũ khí lại nhận được cái tên này. Lý do cho điều này là do sự phổ biến của bài hát của Blanter hoặc chữ “K” trên thân súng cối. Theo thời gian, những người lính tiền tuyến bắt đầu đặt biệt danh cho các loại vũ khí khác, từ đó tạo nên một truyền thống mới. Người Đức gọi bệ phóng tên lửa chiến đấu này là "cơ quan Stalin" vì hình dáng bên ngoài của nó giống như một nhạc cụ và âm thanh chói tai phát ra từ tên lửa phóng.

Hệ thực vật

Đại diện của hệ động vật cũng sử dụng định luật về lực đẩy phản lực. Hầu hết các loài thực vật có những đặc tính này là cây hàng năm và cây lâu năm non: cá chép có gai, cây thuổng thông thường, tâm gỗ impatiens, pikulnik hai cành, meringia ba gân.

Dưa gai hay còn gọi là dưa điên, thuộc họ bí. Loại cây này đạt kích thước lớn, có rễ dày, thân xù xì và lá to. Nó phát triển ở Trung Á, Địa Trung Hải, Kavkaz và khá phổ biến ở miền nam nước Nga và Ukraine. Bên trong quả, trong thời kỳ hạt chín, nó chuyển thành chất nhầy, dưới tác động của nhiệt độ, bắt đầu lên men và giải phóng khí. Càng gần chín, áp suất bên trong quả có thể đạt tới 8 atm. Sau đó, chỉ cần chạm nhẹ, quả sẽ tách ra khỏi gốc và các hạt chứa chất lỏng bay ra khỏi quả với tốc độ 10 m/s. Do có khả năng bắn xa 12 m nên loài cây này được mệnh danh là “súng lục dành cho phụ nữ”.

Tâm gỗ Impatiens là loài trồng phổ biến hàng năm. Theo quy luật, nó được tìm thấy trong những khu rừng râm mát, dọc theo bờ sông. Khi ở vùng đông bắc Bắc Mỹ và Nam Phi, nó đã bén rễ thành công. Touch-me-not được nhân giống bằng hạt. Hạt của impatiens nhỏ, nặng không quá 5 mg, được ném ra khoảng cách 90 cm, nhờ phương pháp phát tán hạt này mà cây có tên như vậy.

Thế giới động vật

Động cơ phản lực - sự thật thú vị về thế giới động vật. Ở động vật chân đầu, lực đẩy phản lực xảy ra thông qua nước thở ra qua một ống hút, thường thu nhỏ về một lỗ nhỏ để đạt được lưu lượng thở ra tối đa. Nước đi qua mang trước khi thở ra, thực hiện mục đích kép là thở và chuyển động. Thỏ biển hay còn gọi là động vật chân bụng sử dụng phương thức vận động tương tự nhưng không có bộ máy thần kinh phức tạp như động vật chân đầu nên chúng di chuyển vụng về hơn.

Một số loài cá hiệp sĩ cũng đã phát triển lực đẩy phản lực, đẩy nước qua mang của chúng để hỗ trợ cho chuyển động của vây.

Ở ấu trùng chuồn chuồn, lực phản kháng đạt được bằng cách đẩy nước ra khỏi một khoang chuyên biệt trong cơ thể. Sò điệp và cardids, siphonophores, tunics (chẳng hạn như salps) và một số loài sứa cũng sử dụng lực đẩy phản lực.

Hầu hết, sò điệp nằm yên dưới đáy, nhưng nếu gặp nguy hiểm, chúng sẽ nhanh chóng đóng các van của vỏ lại để đẩy nước ra ngoài. Cơ chế hành vi này cũng nói lên việc sử dụng nguyên lý chuyển động phản ứng. Nhờ đó, sò điệp có thể nổi lên và di chuyển đi một quãng đường dài nhờ kỹ thuật đóng mở của vỏ.

Con mực cũng sử dụng phương pháp này, hút nước rồi đẩy nước qua phễu với lực rất lớn và di chuyển với tốc độ ít nhất 70 km/h. Bằng cách thu thập các xúc tu thành một nút, cơ thể mực sẽ tạo thành một hình dạng thuôn gọn. Sử dụng động cơ mực này làm cơ sở, các kỹ sư đã thiết kế ra một khẩu pháo nước. Nước trong đó được hút vào buồng rồi thoát ra ngoài qua vòi. Do đó, con tàu được định hướng theo hướng ngược lại với hướng phản lực được phóng ra.

So với mực, Salps sử dụng động cơ hiệu quả nhất, tiêu tốn ít năng lượng hơn mực. Di chuyển, salpa xả nước vào lỗ ở phía trước, rồi đi vào khoang rộng nơi mang được kéo căng. Sau một ngụm, lỗ này sẽ đóng lại và với sự trợ giúp của các cơ dọc và ngang nén cơ thể, nước sẽ thoát ra qua lỗ ở phía sau.

Cơ chế vận động khác thường nhất là ở loài mèo thông thường. Marcel Despres cho rằng một vật có khả năng chuyển động và thay đổi vị trí ngay cả chỉ với sự trợ giúp của nội lực (không bị đẩy ra hay dựa vào bất cứ thứ gì), từ đó có thể kết luận rằng các định luật Newton có thể sai. Bằng chứng cho giả định của anh ta có thể là một con mèo rơi từ trên cao xuống. Nếu cô ấy bị lộn ngược, cô ấy vẫn sẽ tiếp đất bằng tất cả các bàn chân của mình; điều này đã trở thành một tiên đề. Sau khi chụp ảnh chi tiết chuyển động của con mèo, chúng tôi có thể nhìn thấy từ khung hình mọi thứ nó làm trong không khí. Chúng tôi thấy cô ấy di chuyển bàn chân của mình, điều này gây ra phản ứng từ cơ thể cô ấy, quay sang hướng khác so với chuyển động của bàn chân. Hành động theo định luật Newton, con mèo đã hạ cánh thành công.

Ở động vật, mọi thứ xảy ra ở cấp độ bản năng; đến lượt con người lại làm điều đó một cách có ý thức. Những vận động viên bơi lội chuyên nghiệp, sau khi nhảy khỏi tháp, xoay người ba lần trên không và dừng chuyển động quay, đứng thẳng theo phương thẳng đứng và lặn xuống nước. Nguyên tắc tương tự cũng áp dụng cho các vận động viên xiếc trên không.

Dù con người có cố gắng vượt qua thiên nhiên bằng cách cải tiến những phát minh mà nó đã tạo ra đến đâu, chúng ta vẫn chưa đạt được sự hoàn hảo về mặt công nghệ khi máy bay có thể lặp lại hành động của chuồn chuồn: bay lơ lửng trên không, ngay lập tức lùi lại hoặc di chuyển sang một bên. Và tất cả điều này xảy ra ở tốc độ cao. Có lẽ một thời gian nữa sẽ trôi qua và máy bay, nhờ những điều chỉnh về khí động học và khả năng phản lực của chuồn chuồn, sẽ có thể rẽ ngoặt và trở nên ít nhạy cảm hơn với các điều kiện bên ngoài. Nhìn vào thiên nhiên, con người vẫn có thể cải thiện rất nhiều vì lợi ích của tiến bộ kỹ thuật.

Hiện tượng giật lùi, lực đẩy phản lực, công thức của Meshchersky, Tsiolkovsky.

Hiện tượng giật lùi được quan sát thấy khi một vật, dưới tác dụng của nội lực, tách thành hai phần bay ra xa nhau.
 Ví dụ đơn giản: Khí bột được đạn đẩy ra khỏi nòng súng. Đạn bay theo một hướng, và súng, nếu không được cố định chắc chắn, sẽ quay trở lại - nó đã bị giật. Trước khi súng khai hỏa, chúng ta đã có một “thân máy” bao gồm chính khẩu súng và viên đạn bên trong nòng súng. Cơ thể ban đầu “tan rã” - dưới tác dụng của nội lực, nó “vỡ” thành hai phần (súng và đạn), di chuyển độc lập.
 Hãy tưởng tượng hình ảnh sau đây. Một người đứng trên mặt băng trơn trượt ném một hòn đá về một hướng nhất định. Sau khi trải qua độ giật, người đó sẽ bắt đầu trượt trên băng theo hướng ngược lại.
  “Cơ thể” của một người đàn ông + một hòn đá, dưới tác động của nỗ lực cơ bắp của một người, đã “gãy” thành hai phần - thành người và đá. Lưu ý rằng người đàn ông với hòn đá được đặt trên băng trơn để giảm đáng kể lực ma sát và giải quyết tình huống tổng các ngoại lực gần bằng 0 và chỉ có nội lực tác dụng - người đàn ông tác dụng lên hòn đá, ném nó , và hòn đá tác dụng theo định luật thứ ba của Newton đối với mỗi người. Kết quả là xuất hiện hiện tượng giật lùi.
  Hiện tượng này có thể được giải thích bằng định luật bảo toàn động lượng. Bất chấp mọi hoàn cảnh sống, chúng ta hãy xét hai vật có khối lượng tôi 1 Và m 2, đứng yên so với một hệ quy chiếu quán tính nào đó (gọi là Trái đất). Chúng ta sẽ giả sử rằng tác dụng lên cơ thể từ các ngoại lực có thể bị bỏ qua. Giả sử rằng do tác dụng của các nội lực mà hệ đã tan rã - một khối vật chất tôi 1đạt được tốc độ v 1, và vật có khối lượng m 2− tốc độ v 2. Trước khi phân rã, động lượng của hệ bằng không ( p = 0); sau khi phân rã nó có thể được biểu diễn dưới dạng

Từ định luật bảo toàn động lượng suy ra rằng

Từ đây chúng tôi nhận được:

Như bạn mong đợi, các vectơ v 1 Và v 2được hướng theo hướng ngược lại. Nếu, ví dụ, v 1− tốc độ mà một người trên băng ném một hòn đá có khối lượng tôi 1, Cái đó v 2− vận tốc của một người có khối lượng m 2, mà anh ta có được nhờ ban tặng. Bởi vì tôi 1<< m 2 , thì từ (1) suy ra rằng

  Bây giờ giả sử rằng một đống vật thể có khối lượng M Và tôi chuyển động đều và thẳng đều với tốc độ so với hệ quy chiếu đứng yên (quán tính). Do tác động của nội lực (trong trường hợp này bản chất của chúng không quan trọng), dây chằng bị đứt; cơ thể có khối lượng tôi tăng tốc độ bạn so với một vật có khối lượng M, sao cho tốc độ của nó so với hệ quy chiếu cố định hóa ra bằng nhau

  Tốc độ của một cơ thể với khối lượng M trong khung tham chiếu này, chúng tôi biểu thị nó như

  Coi hệ các vật là khép kín, ta sẽ sử dụng định luật bảo toàn động lượng, theo đó

Sau khi mở dấu ngoặc đơn và viết tắt các số hạng giống nhau, ta thu được hệ thức

Từ (2) rõ ràng hướng của các vectơ v 1 Và bạnđối diện.
  Một trường hợp đặc biệt thú vị là khi vectơ hướng về vectơ v. Trong trường hợp này, một khối lượng M sẽ tiếp tục chuyển động theo hướng của vectơ sau khi dây chằng tan rã v, trong khi mô đun tốc độ của nó sẽ tăng do độ giật và sẽ bằng v + ừm/M.
  Từ hiện tượng giật lùi, chúng ta chuyển sang xét lực đẩy phản lực bằng ví dụ về chuyển động của tên lửa. Nói một cách tổng quát nhất, chuyển động này được giải thích khá đơn giản. Khi nhiên liệu cháy, khí thoát ra khỏi vòi tên lửa với tốc độ rất cao. Do bị giật, tên lửa di chuyển theo hướng ngược lại với hướng dòng khí thoát ra từ vòi phun.
  Ta kí hiệu v là tốc độ của tên lửa so với Trái đất tại một thời điểm nào đó t. Tốc độ tên lửa lúc này t + Δt biểu thị bằng v + Δv. Sự thay đổi tốc độ của tên lửa xảy ra do một khối khí thoát ra từ nó ∆M với tốc độ bạn liên quan đến tên lửa. Tốc độ bạn gọi là tốc độ xả. Vào cuối khoảng thời gian Δt khối lượng của tên lửa cùng với nhiên liệu giảm đi ∆M. Khoảng thời gian Δt chúng ta giả sử nó đủ nhỏ để có thể cho rằng khối lượng của tên lửa cùng với nhiên liệu không đổi trong một khoảng thời gian nhất định và khi kết thúc khoảng thời gian đó nó thay đổi đột ngột do khối lượng khí giải phóng tức thời ∆M(sau này chúng ta sẽ chuyển sang giới hạn tại Δt → 0 và do đó thay thế việc giải phóng khí bốc đồng bằng dòng khí thoát ra liên tục từ vòi tên lửa). Nếu khối lượng của tên lửa cùng với nhiên liệu ở thời điểm hiện tại t bằng M, thì vào lúc này t + Δt nó sẽ bằng nhau M−ΔM.
  Vì vậy, tại một thời điểm t có một tên lửa chở nhiên liệu có khối lượng M và tốc độ so với Trái đất. Ngay bây giờ t + Δt Có, Trước hết, một tên lửa đẩy có khối lượng M−ΔM và tốc độ v + Δv so với Trái đất, và, thứ hai, một phần khí có khối lượng ∆M và tốc độ v+u so với Trái Đất. Bỏ qua sự tương tác của tên lửa với các vật thể bên ngoài, ta sử dụng định luật bảo toàn động lượng và viết:

Mở rộng dấu ngoặc, chúng ta nhận được

  Tác phẩm MV, và cả ∆Mvđang bị giảm bớt. công việc ΔMΔv có thể bỏ qua vì ở đây hai đại lượng nhỏ được nhân với nhau; như người ta thường nói, tích như vậy là một đại lượng cấp nhỏ thứ hai. Kết quả là quan hệ (4) được chuyển về dạng (so sánh với (3)):

Chúng ta hãy chia cả hai vế của đẳng thức này cho Δt; chúng tôi nhận được

Chúng ta hãy tính đến điều đó

và sau đó chúng ta chuyển cả hai vế đẳng thức (5) tới giới hạn tại Δt → 0.

Giới hạn

tên lửa có gia tốc tức thời.
Kích cỡ ΔM/dt hãy gọi nó là mức trung bình trong một khoảng thời gian Δt tiêu thụ nhiên liệu. Kích cỡ

mức tiêu thụ nhiên liệu tức thời trong một thời điểm t. Có tính đến các ý kiến ​​được đưa ra, (6) sẽ có dạng

Tăng tốc Tại) do lực gây ra

lực đó gọi là lực phản kháng. Nó tỷ lệ thuận với mức tiêu thụ nhiên liệu và tốc độ dòng khí và hướng ngược lại với tốc độ dòng chảy.
  Nếu một tên lửa đang bay bị ảnh hưởng bởi một cái gì đó không phải là phản lực Fp(t), một lực nào đó từ bên ngoài F(t), thì hệ thức (7) theo sau
thay thế bằng tỉ số:

  Mối quan hệ này là sự tổng quát hóa định luật thứ hai của Newton cho chuyển động của một vật có khối lượng thay đổi. Nó được gọi là công thức Meshchersky (theo tên nhà khoa học người Nga Ivan Vsevolodovich Meshchersky, người đã nghiên cứu cơ học của các vật thể có khối lượng thay đổi).

 Đạo hàm của công thức(công thức Tsiolkovsky), liên hệ khối lượng và tốc độ của tên lửa.
Giả sử nhiên liệu cháy thành từng phần riêng biệt có trọng lượng ΔM = M/N, Ở đâu M− khối lượng của tên lửa trước khi phóng một phần ra khỏi nó ∆M, MỘT N- một con số khá lớn. Sau khi đốt cháy phần thứ nhất, khối lượng của tên lửa sẽ bằng

  Sau khi đốt phần thứ hai, khối lượng lại giảm đi một lượng (1/N)–th một phần, nhưng đã từ đại chúng M 1, và sẽ trở nên bằng nhau


  Lập luận tương tự hơn nữa, ta tìm được khối lượng của tên lửa sau khi đốt cháy thứ n phần ăn

  Bây giờ chúng ta hãy xem xét tốc độ của tên lửa thay đổi như thế nào trong trường hợp này. Ở tốc độ dòng sản phẩm cháy bằng bạn, cân nặng ∆M lấy đi động lượng Δp = uΔM. Theo định luật bảo toàn động lượng, tên lửa sẽ nhận được xung lượng có cùng độ lớn nhưng ngược chiều nhau, do đó tốc độ của nó sẽ tăng thêm

  Như vậy, nếu lúc đầu tên lửa đứng yên thì sau khi đốt cháy phần đầu tiên có khối lượng ΔM 1 = M 0 /N, có động lượng Δp 1 = M 0 u/N, tốc độ tên lửa sẽ bằng nhau

  Sau khi đốt xong phần nhiên liệu thứ hai được cân ΔM2 = M1 /N, điều đó đã mang đi sự thôi thúc Δp 2 /(M 1 − M 1 /N) và sẽ lên tới

  Tiếp tục suy luận thêm, ta thu được vận tốc của tên lửa sau khi đốt cháy thứ n phần ăn:

Khi đó khối lượng của tên lửa đạt vận tốc v

chỉ mục Nđược bỏ qua sau đây vì nó không còn cần thiết nữa.
  Trên thực tế, nhiên liệu trong tên lửa không cháy theo từng phần riêng biệt mà cháy liên tục. Để đi đến một công thức mô tả chính xác hơn trường hợp thực tế, bạn cần xem xét N một con số cực kỳ lớn. Trong trường hợp này, đơn vị của số mũ của biểu thức cuối cùng có thể bị bỏ qua, sau đó nó sẽ có dạng


hoặc với mức tăng không giới hạn N

  Công thức này được bắt nguồn K.E. Tsiolkovsky và mang tên anh ấy. Rõ ràng cho thấy tên lửa có thể đạt tốc độ cao nhưng khối lượng còn lại sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với ban đầu.

 Vấn đề 1
  Từ một tên lửa nặng M, chuyển động với tốc độ v, một phần nhiên liệu thoát ra tôi với tốc độ bạn về tên lửa. Tốc độ của tên lửa sẽ là bao nhiêu? Tên lửa sẽ có tốc độ bao nhiêu sau khi phóng? 2, 3, k khẩu phần?

Giải pháp

Hãy sử dụng định luật bảo toàn động lượng. Sẽ thuận tiện hơn khi viết nó vào hệ quy chiếu chuyển động với tốc độ ban đầu của tên lửa v(vì tốc độ phun nhiên liệu u được cho tương ứng với tên lửa). Chiếu lên hướng chuyển động của tên lửa ta có

tốc độ của tên lửa đến từ đâu?

Trong hệ quy chiếu đứng yên, tốc độ của tên lửa sau khi nhả phần nhiên liệu đầu tiên có độ lớn bằng

Chúng ta sẽ xem xét việc giải phóng phần nhiên liệu thứ hai trong một hệ chuyển động với tốc độ v 1. Từ định luật bảo toàn động lượng ta có

và trong một hệ đứng yên


Sau đó k lượng khí thải, tốc độ tên lửa sẽ bằng

  Để so sánh, chúng ta cũng hãy tìm vận tốc của tên lửa vk/ với việc cân xả nhiên liệu một lần k mở cùng tốc độ bạn về tên lửa.
  Để làm điều này, chúng ta sẽ sử dụng định luật bảo toàn động lượng, nhưng chúng ta sẽ viết nó ngay lập tức so với một hệ quy chiếu cố định:

Ở đâu

  Thật dễ dàng để thấy điều đó v k // > v k. Kết quả này gắn liền với giả thiết rằng tốc độ phun nhiên liệu từ tên lửa trong hệ quy chiếu đứng yên là không đổi và bằng v-u. Trên thực tế, khi tên lửa tăng tốc, tốc độ phun nhiên liệu giảm (tốc độ phóng không đổi so với tên lửa). Do đó công thức đầu tiên cho vk mô tả chính xác hơn tình hình thực tế.

 Vấn đề 2
  Tên lửa có khối lượng trước khi phóng m 0 = 120 kg. Tên lửa sẽ đi qua độ cao bao nhiêu t = 15 giây sau khi khởi động động cơ của nó? Tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu μ = 4 kg/s và tốc độ của dòng khí so với tên lửa u = 1000 m/s Vĩnh viễn. 1) Coi trường hấp dẫn của Trái đất là đồng nhất, 2) Coi trường hấp dẫn của Trái đất là không đồng nhất.

Giải pháp

1) Trục z hướng thẳng đứng lên trên
Chúng ta hãy viết phương trình Meshchersky trong trường hấp dẫn đều của Trái Đất dưới dạng

Ở đâu m = m 0 − μt, MỘT v 0- tốc độ tên lửa tại thời điểm đó t. Tách các biến, ta được phương trình

Giải phương trình này thỏa mãn điều kiện ban đầu v 0 = 0 Tại t = 0, có dạng

Tách các biến lại và coi điều kiện ban đầu z 0 = 0 Tại t = 0, chúng tôi tìm thấy

  Thay thế các giá trị bằng số, chúng ta thấy rằng thông qua 15 giây sau khi phóng, tên lửa sẽ ở độ cao khoảng 3500 m, đồng thời có tốc độ 540 m/s.

2) Chúng ta hãy tính đến thực tế là độ không đồng nhất của trường hấp dẫn của Trái đất ở các độ cao đang xét là nhỏ. Vì vậy, để tính toán chuyển động trong trường hợp này, thuận tiện nhất là sử dụng phương pháp xấp xỉ liên tiếp.
Cho phép R- bán kính Trái Đất. Hãy biểu diễn lực hấp dẫn dưới dạng

Ở đâu M− khối lượng của Trái đất, λ = z/R<< 1 .
  Khi một tên lửa chuyển động trong một trường không đều với một định luật biến đổi khối lượng cho trước, tốc độ của tên lửa có thể được biểu diễn dưới dạng tổng: v = v 0 + v /, Ở đâu v/<< v 0 . Chúng tôi viết tương tự z = z 0 + z /, Ở đâu z/<< z 0 . Thay thế các biểu thức này cho v, z Và F vào phương trình Meshchersky, chúng ta tìm thấy

  Trong phương trình kết quả, chúng ta chỉ để lại các số hạng có bậc nhỏ đầu tiên, loại bỏ số hạng cuối cùng ở vế phải (các số hạng không nhỏ cộng lại bằng 0). Chúng ta đi đến phương trình

Ở đâu z 0được xác định bởi công thức (2). Bây giờ thật dễ dàng để tách các biến và tìm

Định luật Newton giúp giải thích một hiện tượng cơ học rất quan trọng - động cơ phản lực. Đây là tên được đặt cho chuyển động của một vật thể xảy ra khi một phần nào đó của nó bị tách ra khỏi nó ở bất kỳ tốc độ nào.

Ví dụ, hãy lấy một quả bóng cao su của trẻ em, thổi phồng nó lên và thả nó ra. Chúng ta sẽ thấy rằng khi không khí bắt đầu rời khỏi nó theo một hướng, quả bóng sẽ bay theo hướng khác. Đây là chuyển động phản ứng.

Một số đại diện của thế giới động vật di chuyển theo nguyên lý phản lực, chẳng hạn như mực và bạch tuộc. Định kỳ loại bỏ lượng nước mà chúng hấp thụ, chúng có thể đạt tốc độ lên tới 60-70 km/h. Sứa, mực nang và một số loài động vật khác cũng di chuyển theo cách tương tự.

Ví dụ về động cơ phản lực cũng có thể được tìm thấy trong thế giới thực vật. Ví dụ, quả chín của một quả dưa chuột “điên”, chỉ cần chạm nhẹ nhất, sẽ bật ra khỏi cuống và chất lỏng có vị đắng kèm theo hạt bị đẩy mạnh ra khỏi lỗ hình thành ở vị trí của cuống tách ra; dưa chuột tự bay đi theo hướng ngược lại.

Chuyển động phản lực xảy ra khi nước thoát ra có thể được quan sát trong thí nghiệm sau. Đổ nước vào phễu thủy tinh nối với ống cao su có đầu hình chữ L (Hình 20). Chúng ta sẽ thấy khi nước bắt đầu chảy ra khỏi ống thì bản thân ống sẽ bắt đầu chuyển động và lệch theo hướng ngược lại với hướng chảy của nước.

Chuyến bay được thực hiện dựa trên nguyên lý động cơ phản lực tên lửa. Tên lửa vũ trụ hiện đại là một loại máy bay rất phức tạp bao gồm hàng trăm nghìn và hàng triệu bộ phận. Khối lượng của tên lửa rất lớn. Nó bao gồm khối lượng của chất lỏng hoạt động (tức là khí nóng được hình thành do quá trình đốt cháy nhiên liệu và phát ra dưới dạng dòng phản lực) và khối lượng cuối cùng hoặc, như người ta nói, khối lượng “khô” của tên lửa còn lại sau khi phóng. chất lỏng hoạt động được đẩy ra khỏi tên lửa.

Khối lượng “khô” của tên lửa lần lượt bao gồm khối lượng của kết cấu (tức là vỏ tên lửa, động cơ và hệ thống điều khiển của nó) và khối lượng của tải trọng (tức là thiết bị khoa học, thân tàu vũ trụ được phóng lên quỹ đạo). , thuyền viên và hệ thống cứu sinh tàu).

Khi chất lỏng làm việc hết hạn, các thùng chứa được giải phóng, các bộ phận dư thừa của vỏ, v.v. bắt đầu tạo gánh nặng cho tên lửa với những hàng hóa không cần thiết, gây khó khăn cho việc tăng tốc. Do đó, để đạt được tốc độ vũ trụ, người ta sử dụng tên lửa composite (hoặc nhiều tầng) (Hình 21). Lúc đầu, chỉ có khối giai đoạn 1 đầu tiên hoạt động trong những tên lửa như vậy. Khi lượng nhiên liệu dự trữ trong chúng cạn kiệt, chúng sẽ được tách ra và giai đoạn 2 thứ hai được bật lên; sau khi nhiên liệu trong nó cạn kiệt, nó cũng được tách ra và giai đoạn 3 thứ ba được bật lên. Vệ tinh hoặc bất kỳ tàu vũ trụ nào khác nằm ở đầu tên lửa được bao phủ bởi một tấm chắn đầu 4, hình dạng thuôn gọn giúp giảm bớt. sức cản của không khí khi tên lửa bay trong bầu khí quyển của Trái đất.

Khi một luồng khí được phóng ra từ tên lửa ở tốc độ cao, tên lửa sẽ lao theo hướng ngược lại. Tại sao điều này lại xảy ra?

Theo định luật thứ ba của Newton, lực F mà tên lửa tác dụng lên chất lỏng công tác có độ lớn bằng và ngược hướng với lực F mà chất lỏng công tác tác dụng lên thân tên lửa:

Lực F" (được gọi là lực phản kháng) làm tăng tốc tên lửa.

Từ đẳng thức (10.1), suy ra rằng xung truyền tới cơ thể bằng tích của lực và thời gian tác dụng của nó. Do đó, các lực bằng nhau tác dụng trong cùng một thời điểm sẽ truyền những xung động bằng nhau cho các vật thể. Trong trường hợp này, xung m p v p mà tên lửa thu được phải tương ứng với xung m gas v gas của các khí phóng ra:

m р v р = m khí v khí

Từ đó suy ra vận tốc của tên lửa

Hãy phân tích biểu thức kết quả. Chúng ta thấy rằng tốc độ của tên lửa càng lớn thì tốc độ của khí thải ra càng lớn và tỷ số giữa khối lượng của chất lỏng làm việc (tức là khối lượng của nhiên liệu) và khối lượng cuối cùng (“khô”) của nó càng lớn. tên lửa.

Công thức (12.2) là gần đúng. Người ta chưa tính đến việc khi nhiên liệu cháy, khối lượng của tên lửa đang bay ngày càng nhỏ đi. Công thức chính xác về tốc độ tên lửa lần đầu tiên được K. E. Tsiolkovsky thu được vào năm 1897 và do đó mang tên ông.

Công thức Tsiolkovsky cho phép bạn tính toán lượng nhiên liệu dự trữ cần thiết để đạt được tốc độ tên lửa nhất định. Bảng 3 cho thấy tỷ số giữa khối lượng ban đầu của tên lửa m0 và khối lượng cuối cùng của nó m, tương ứng với các vận tốc khác nhau của tên lửa ở tốc độ phản lực khí (so với tên lửa) v = 4 km/s.

Ví dụ, để truyền cho tên lửa tốc độ vượt quá tốc độ dòng khí gấp 4 lần (v p = 16 km/s), khối lượng ban đầu của tên lửa (bao gồm cả nhiên liệu) phải vượt quá khối lượng cuối cùng ("khô") khối lượng của tên lửa gấp 55 lần (m 0 /m = 55). Điều này có nghĩa là phần lớn nhất trong tổng khối lượng của tên lửa khi phóng sẽ là khối lượng nhiên liệu. Để so sánh, tải trọng phải có khối lượng rất nhỏ.

Một đóng góp quan trọng cho sự phát triển lý thuyết về động cơ phản lực được thực hiện bởi nhà khoa học người Nga cùng thời với K. E. Tsiolkovsky, I. V. Meshchersky (1859-1935). Phương trình chuyển động của một vật có khối lượng thay đổi được đặt theo tên ông.

1. Động cơ phản lực là gì? Cho ví dụ. 2. Trong thí nghiệm trên Hình 22, khi nước chảy qua các ống cong, thùng sẽ quay theo hướng mũi tên chỉ. Giải thích hiện tượng đó. 3. Điều gì quyết định tốc độ của tên lửa sau khi đốt cháy nhiên liệu?

Đối với nhiều người, khái niệm “động cơ phản lực” gắn liền với những thành tựu hiện đại của khoa học công nghệ, đặc biệt là vật lý, và hình ảnh những chiếc máy bay phản lực hay thậm chí là tàu vũ trụ bay với tốc độ siêu thanh sử dụng động cơ phản lực khét tiếng hiện lên trong đầu họ. Trên thực tế, hiện tượng động cơ phản lực còn cổ xưa hơn rất nhiều so với chính con người, bởi nó đã xuất hiện rất lâu trước con người chúng ta. Đúng vậy, lực đẩy phản lực được thể hiện tích cực trong tự nhiên: sứa và mực nang đã bơi dưới đáy biển hàng triệu năm theo nguyên tắc tương tự mà máy bay phản lực siêu thanh hiện đại bay ngày nay.

Lịch sử của động cơ phản lực

Từ thời cổ đại, nhiều nhà khoa học đã quan sát hiện tượng chuyển động phản kháng trong tự nhiên; nhà toán học và thợ máy Hy Lạp cổ đại Heron là người đầu tiên viết về nó, mặc dù ông chưa bao giờ đi xa hơn lý thuyết.

Nếu chúng ta nói về ứng dụng thực tế của động cơ phản lực, thì người sáng chế ra nó là người đầu tiên ở Trung Quốc. Vào khoảng thế kỷ 13, họ đã tìm ra cách mượn nguyên lý chuyển động của bạch tuộc và mực nang khi phát minh ra những tên lửa đầu tiên mà họ bắt đầu sử dụng cho cả pháo hoa và các hoạt động quân sự (làm vũ khí chiến đấu và tín hiệu). Một lát sau, phát minh hữu ích này của người Trung Quốc đã được người Ả Rập áp dụng và người châu Âu áp dụng từ họ.

Tất nhiên, những tên lửa phản lực thông thường đầu tiên có thiết kế tương đối thô sơ và trong vài thế kỷ, chúng thực tế không hề phát triển chút nào, có vẻ như lịch sử phát triển động cơ phản lực đã đi vào bế tắc. Một bước đột phá trong vấn đề này chỉ xảy ra vào thế kỷ 19.

Ai đã phát hiện ra động cơ phản lực?

Có lẽ vòng nguyệt quế của người phát hiện ra động cơ phản lực trong “kỷ nguyên mới” có thể được trao cho Nikolai Kibalchich, không chỉ là một nhà phát minh tài năng người Nga mà còn là một người tình nguyện cách mạng bán thời gian. Ông đã tạo ra dự án của mình về động cơ phản lực và máy bay dành cho những người đang ngồi trong nhà tù hoàng gia. Kibalchich sau đó đã bị xử tử vì các hoạt động cách mạng của mình, và dự án của ông vẫn nằm đầy bụi trên kệ trong kho lưu trữ của cảnh sát mật Sa hoàng.

Sau đó, công trình của Kibalchich theo hướng này đã được phát hiện và bổ sung bởi công trình của một nhà khoa học tài năng khác K. E. Tsiolkovsky. Từ năm 1903 đến năm 1914, ông đã xuất bản một số tác phẩm trong đó ông chứng minh một cách thuyết phục khả năng sử dụng động cơ phản lực để chế tạo tàu vũ trụ khám phá không gian vũ trụ. Ông cũng hình thành nên nguyên tắc sử dụng tên lửa nhiều tầng. Cho đến ngày nay, nhiều ý tưởng của Tsiolkovsky vẫn được sử dụng trong khoa học tên lửa.

Ví dụ về động cơ phản lực trong tự nhiên

Chắc chắn, khi bơi ở biển, bạn đã nhìn thấy sứa, nhưng bạn khó có thể nghĩ rằng những sinh vật tuyệt vời (và cũng chậm) này di chuyển nhờ lực đẩy phản lực. Cụ thể là, bằng cách co lại mái vòm trong suốt của mình, chúng ép ra nước, chất này đóng vai trò như một loại “động cơ phản lực” cho sứa.

Mực nang có cơ chế di chuyển tương tự - thông qua một cái phễu đặc biệt ở phía trước cơ thể và qua một khe bên, nó hút nước vào khoang mang, sau đó phun ra một cách mạnh mẽ qua phễu hướng về phía sau hoặc sang một bên (tùy thuộc vào hướng di chuyển mà mực nang cần).

Nhưng động cơ phản lực thú vị nhất do thiên nhiên tạo ra được tìm thấy ở mực, loài này hoàn toàn có thể được gọi là “ngư lôi sống”. Xét cho cùng, ngay cả cơ thể của những loài động vật này cũng giống như một tên lửa về hình dạng, mặc dù trên thực tế thì mọi thứ hoàn toàn ngược lại - tên lửa này, với thiết kế của nó, sao chép cơ thể của một con mực.

Nếu con mực cần lao nhanh, nó sẽ sử dụng động cơ phản lực tự nhiên. Cơ thể của nó được bao quanh bởi một lớp áo, mô cơ đặc biệt và một nửa thể tích của toàn bộ con mực nằm trong khoang áo, nơi nó hút nước vào. Sau đó, anh ta mạnh mẽ ném dòng nước thu được qua một vòi hẹp, đồng thời gấp tất cả mười xúc tu của mình lên trên đầu để có được hình dạng thuôn gọn. Nhờ khả năng điều hướng phản ứng tiên tiến như vậy, mực có thể đạt tốc độ ấn tượng 60-70 km/h.

Trong số những người sở hữu động cơ phản lực, trong tự nhiên cũng có những loài thực vật được gọi là “dưa chuột điên”. Khi quả của nó chín, chỉ cần chạm nhẹ, nó sẽ bắn ra gluten bằng hạt

Định luật về lực đẩy phản lực

Mực ống, “dưa chuột điên”, sứa và các loài mực nang khác đã sử dụng chuyển động phản lực từ thời cổ đại mà không nghĩ đến bản chất vật lý của nó, nhưng chúng ta sẽ cố gắng tìm hiểu bản chất của chuyển động phản lực là gì, loại chuyển động nào được gọi là chuyển động phản lực , và đưa ra định nghĩa.

Để bắt đầu, bạn có thể sử dụng một thí nghiệm đơn giản - nếu bạn thổi phồng một quả bóng bay thông thường bằng không khí và không dừng lại, để nó bay, nó sẽ bay nhanh cho đến khi cạn kiệt nguồn cung cấp không khí. Hiện tượng này được giải thích bằng định luật thứ ba của Newton, trong đó nói rằng hai vật thể tương tác với các lực có độ lớn bằng nhau và ngược chiều nhau.

Nghĩa là, lực tác dụng của quả bóng lên các luồng không khí thoát ra khỏi nó bằng lực mà không khí đẩy quả bóng ra xa chính nó. Tên lửa hoạt động theo nguyên lý tương tự như một quả bóng, phóng ra một phần khối lượng của nó với tốc độ cực lớn, đồng thời nhận được gia tốc mạnh theo hướng ngược lại.

Định luật bảo toàn động lượng và chuyển động phản lực

Vật lý giải thích quá trình đẩy phản lực. Động lượng là tích số của khối lượng của vật thể và tốc độ của nó (mv). Khi tên lửa đứng yên, động lượng và vận tốc của nó bằng không. Khi một dòng phản lực bắt đầu bị đẩy ra khỏi nó thì phần còn lại, theo định luật bảo toàn động lượng, phải đạt được tốc độ sao cho tổng động lượng vẫn bằng 0.

Công thức động cơ phản lực

Nói chung, chuyển động phản lực có thể được mô tả bằng công thức sau:
m s v s +m р v р =0
m s v s =-m р v р

trong đó m sv s là xung do tia khí tạo ra, m p v p là xung mà tên lửa nhận được.

Dấu trừ cho thấy hướng chuyển động của tên lửa và lực chuyển động phản lực của máy bay phản lực ngược nhau.

Động cơ phản lực trong công nghệ - nguyên lý hoạt động của động cơ phản lực

Trong công nghệ hiện đại, động cơ phản lực đóng vai trò rất quan trọng, giống như động cơ phản lực đẩy máy bay và tàu vũ trụ. Bản thân thiết kế của động cơ phản lực có thể khác nhau tùy thuộc vào kích thước và mục đích của nó. Nhưng bằng cách này hay cách khác, mỗi người trong số họ đều có

• cung cấp nhiên liệu,
• buồng đốt nhiên liệu,
• một vòi phun có nhiệm vụ tăng tốc dòng phản lực.

Đây là hình dáng của một động cơ phản lực.

Động cơ phản lực, video

Và cuối cùng là một video giải trí về các thí nghiệm vật lý với động cơ phản lực.

Định luật bảo toàn động lượng có tầm quan trọng lớn khi xét chuyển động phản lực.
Dưới động cơ phản lực hiểu chuyển động của một vật thể xảy ra khi một phần nào đó của nó tách ra với một tốc độ nhất định so với nó, chẳng hạn như khi các sản phẩm đốt cháy chảy ra khỏi vòi của máy bay phản lực. Trong trường hợp này, cái gọi là lực phản ứngđẩy cơ thể.
Điểm đặc biệt của phản lực là nó phát sinh do sự tương tác giữa các bộ phận của hệ thống mà không có bất kỳ tương tác nào với các vật thể bên ngoài.
Trong khi lực truyền gia tốc, ví dụ, cho người đi bộ, tàu thủy hoặc máy bay, chỉ phát sinh do sự tương tác của các vật thể này với mặt đất, nước hoặc không khí.

Do đó, chuyển động của vật thể có thể thu được nhờ dòng chảy của một dòng chất lỏng hoặc khí.

Chuyển động phản lực trong tự nhiên vốn có chủ yếu ở các sinh vật sống trong môi trường nước.

Trong công nghệ, động cơ phản lực được sử dụng trong vận tải đường sông (động cơ phản lực nước), trong ngành công nghiệp ô tô (xe đua), trong quân sự, hàng không và du hành vũ trụ.
Tất cả các máy bay tốc độ cao hiện đại đều được trang bị động cơ phản lực, bởi vì... họ có thể cung cấp tốc độ bay cần thiết.
Không thể sử dụng các động cơ khác ngoài động cơ phản lực trong không gian vũ trụ, vì ở đó không có sự hỗ trợ nào để có thể đạt được khả năng tăng tốc.

Lịch sử phát triển của công nghệ máy bay phản lực

Người tạo ra tên lửa chiến đấu của Nga là nhà khoa học pháo binh K.I. Konstantinov. Với trọng lượng 80 kg, tầm bay của tên lửa Konstantinov đạt tới 4 km.

Ý tưởng sử dụng động cơ phản lực trong máy bay, dự án thiết bị hàng không phản lực, được N.I. Kibalchich.

Năm 1903, nhà vật lý nổi tiếng K.E. Tsiolkovsky đã chứng minh khả năng bay trong không gian liên hành tinh và phát triển thiết kế cho máy bay tên lửa đầu tiên có động cơ đẩy chất lỏng.

K.E. Tsiolkovsky đã thiết kế một đoàn tàu tên lửa không gian được tạo thành từ một số tên lửa hoạt động luân phiên và rơi ra khi nhiên liệu cạn kiệt.

Nguyên lý của động cơ phản lực

Cơ sở của bất kỳ động cơ phản lực nào là buồng đốt, trong đó quá trình đốt cháy nhiên liệu tạo ra khí có nhiệt độ rất cao và tạo áp suất lên thành buồng. Khí thoát ra từ vòi tên lửa hẹp ở tốc độ cao và tạo ra lực đẩy phản lực. Theo định luật bảo toàn động lượng, tên lửa đạt được tốc độ theo hướng ngược lại.

Động lượng của hệ (sản phẩm đốt tên lửa) vẫn bằng không. Vì khối lượng của tên lửa giảm nên ngay cả khi tốc độ dòng khí không đổi, tốc độ của nó sẽ tăng lên, dần dần đạt giá trị cực đại.
Chuyển động của tên lửa là một ví dụ về chuyển động của một vật có khối lượng thay đổi. Để tính tốc độ của nó, định luật bảo toàn động lượng được sử dụng.

Động cơ phản lực được chia thành động cơ tên lửa và động cơ thở bằng không khí.

Động cơ tên lửa Có sẵn với nhiên liệu rắn hoặc lỏng.
Trong động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu rắn, nhiên liệu bao gồm cả nhiên liệu và chất oxy hóa được đưa vào buồng đốt của động cơ.
TRONG động cơ phản lực chất lỏngĐược thiết kế để phóng tàu vũ trụ, nhiên liệu và chất oxy hóa được lưu trữ riêng biệt trong các thùng đặc biệt và cung cấp cho buồng đốt bằng máy bơm. Họ có thể sử dụng dầu hỏa, xăng, rượu, hydro lỏng, v.v. làm nhiên liệu và oxy lỏng, axit nitric, v.v. làm chất oxy hóa cần thiết cho quá trình đốt cháy.

Tên lửa không gian ba tầng hiện đại được phóng theo phương thẳng đứng, và sau khi đi qua các lớp khí quyển dày đặc, chúng sẽ được chuyển sang bay theo một hướng nhất định. Mỗi tầng tên lửa đều có thùng nhiên liệu và thùng oxy hóa riêng cũng như động cơ phản lực riêng. Khi nhiên liệu cháy, các tầng tên lửa đã qua sử dụng sẽ bị loại bỏ.

Động cơ phản lực hiện nay được sử dụng chủ yếu trên máy bay. Sự khác biệt chính của chúng so với động cơ tên lửa là chất oxy hóa để đốt cháy nhiên liệu là oxy từ không khí đi vào động cơ từ khí quyển.
Động cơ thở bằng không khí bao gồm động cơ tuốc bin có cả máy nén hướng trục và máy nén ly tâm.
Không khí trong các động cơ như vậy được hút vào và nén bởi máy nén dẫn động bằng tuabin khí. Khí thoát ra khỏi buồng đốt tạo ra lực đẩy phản ứng và làm quay rôto tuabin.

Ở tốc độ bay rất cao, có thể đạt được khả năng nén khí trong buồng đốt nhờ luồng không khí đang tới. Không cần máy nén.