Вопросы.

1. Основываясь на законе сохранения импульса, объясните, почему воздушный шарик движется противоположно струей выходящего из него сжатого воздуха.

2. Приведите примеры реактивного движения тел.

В природе в качестве примера можно привести реактивное движение у растений: созревшие плоды бешеного огурца; и животных: кальмары, осьминоги, медузы, каракатицы и др. (животные передвигаются, выбрасывая всасываемую ими воду). В технике простейшим примером реактивного движения является сегнеровое колесо , более сложными примерами являются: движение ракет (космических, пороховых, военных), водных средств передвижения с водометным двигателем (гидромотоциклов, катеров, теплоходов), воздушных средств передвижения с воздушно- реактивным двигателем (реактивных самолётов).

3. Каково назначение ракет?

Ракеты используются в различных областях науки и техники: в военном деле, в научных исследованиях, в космонавтике, в спорте и развлечениях.

4. Пользуясь рисунком 45, перечислите основные части любой космической ракеты.

Космический корабль, приборный отсек, бак с окислителем, бак с горючим, насосы, камера сгорания, сопло.

5. Опишите принцип действия ракеты.

В соответствии с законом сохранения импульса ракета летит за счет того, что из неё выталкиваются с большой скоростью газы, обладающие определенным импульсом, и ракете сообщается импульс такой же величины, но направленный в противоположную сторону. Газы выбрасываются через сопло, в котором сгорает топливо достигая при этом высокой температуры и давления. В сопло поступают топливо и окислитель, нагнетаемые туда насосами.

6. От чего зависит скорость ракеты?

Скорость ракеты зависит в первую очередь от скорости истечения газов и массы ракеты. Скорость истечения газов зависит от типа топлива и типа окислителя. Масса ракеты зависит например от того какую скорость ей хотят сообщить или от того, как далеко она должна улететь.

7. В чем заключается преимущество многоступенчатых ракет перед одноступенчатыми?

Многоступенчатые ракеты способны развивать большую скорость и лететь дальше одноступенчатых.

8. Как осуществляется посадка космического корабля?

Посадка космического корабля осуществляется таким образом, чтобы его скорость по мере приближения к поверхности снижалась. Это достигается использованием тормозной системы, в роли которой может выступать или парашютная система торможения или торможение может быть осуществлено с помощью ракетного двигателя, при этом сопло направляется вниз (к Земле, Луне и т.д.), за счет чего гасится скорость.

Упражнения.

1. С лодки, движущейся со скоростью 2 м/с, человек бросает весло массой 5 кг с горизонтальной скоростью 8 м/с противоположно движению лодки. С какой скоростью стала двигаться лодка после броска, если её масса вместе с массой человека равна 200 кг?

2. Какую скорость получит модель ракеты, если масса её оболочки равна 300 г, масса пороха в ней 100 г, а газы вырываются из сопла со скоростью 100 м/с? (Считайте истечение газа из сопла мгновенным).

3. На каком оборудовании и как проводится опыт, изображенный на рисунке 47? Какое физическое явление в данном случае демонстрируется, в чем оно заключается и какой физический закон лежит в основе этого явления?
Примечание: резиновая трубка была расположена вертикально до тех пор, пока через неё не начали пропускать воду.

На штатив с помощью держателя прикрепили воронку с присоединенной к ней снизу резиновой трубкой с искревленной насадкой на конце, а снизу разместили лоток. Затем сверху, в воронку из емкости стали лить воду, при этом вода выливалась из трубки в лоток, а сама трубка из вертикального положения сместилась. Этот опыт служит иллюстрацией реактивного движения, основанного на законе сохранения импульса.

4. Проделайте опыт, изображенный на рисунке 47. Когда резиновая трубка максимально отклонится от вертикали, перестаньте лить воду в воронку. Пока оставшаяся в трубке вода вытекает, понаблюдайте, как будет меняться: а) дальность полёта воды в струе (относительно отверстия в стеклянной трубке); б) положение резиновой трубки. Объясните оба изменения.

а) дальность полета воды в струе будет уменьшаться; б) по мере вытекания воды трубка будет приближаться к горизонтальному положению. Эти явления связаны с тем, что давление воды в трубке будет уменьшаться, а следовательно и импульс с которым выбрасывается вода.

4 октября 1957 г. ракета-носитель Р-7 «Спутник» вывела на околоземную орбиту первый искусственный спутник, созданный в СССР. Раздвигая границы доступного пространства, люди вышли за пределы Земли. Этот день стал для человечества началом космической эры, к которой люди последовательно шли от одного технического достижения к другому.

В наше время у большинства людей при слове «ракета» возникают ассоциации с космосом , хотя оно обозначает любой летательный аппарат, который перемещается в пространстве за счет действия реактивной тяги силы, возникающей при взаимодействии тела и исходящего из него вещества с кинетической энергией. Природный аналог реактивной тяги способ передвижения кальмаров и осьминогов, которые выталкивают из себя набранную воду. Маленькая праздничная петарда, баллистическая ракета и космическая ракета по принципу своего действия находятся в близком родстве и имеют общего прародителя.

Первым документально зафиксированным случаем применения реактивной тяги был описанный римским писателем Авлом Геллием «полет» деревянного голубя, изготовленного в 400 г. до н. э. греческим ученым Архитом Тарентским. Голубь двигался вдоль проволоки за счет извержения пара. Появление настоящих ракет, используемых для фейерверков, а затем и в военных целях, историки относят к VIII-IX вв., когда в Китае был изобретен дымный порох . Возникающие при горении пороха газы обладают достаточной энергией, чтобы сообщить движение содержащей его капсуле. В военных целях китайцы использовали «огненные стрелы», прикрепляя обычные стрелы к бумажным трубкам, открытым с одного конца и заполненным горючей смесью. Заряд поджигали, и стрелу выпускали с помощью лука.

От китайцев секрет пороха и ракет узнали арабы, а от них европейцы. В Европе ракеты широкого применения в качестве вооружения не нашли и надолго остались в основном средством развлечения. Впрочем, по некоторым данным, в XVI-XVII вв. ракеты применяли запорожские казаки, а белорусский военный инженер Казимир Семенович даже описал многоступенчатую ракету.

Во время колониальных войн конца XVIII в. с подобным вооружением индийских войск пришлось столкнуться британцам, а в 1805 г. английский изобретатель Уильям Конгрив продемонстрировал пороховую ракету с корпусом из листового железа. Отлично зарекомендовавшие себя в сражениях с французской армией и в англо-американской войне 1812-1815 гг., ракеты стояли на вооружении англичан вплоть до середины XIX в. Ракеты использовались и в российской армии, их усовершенствованием занимались военные инженеры генерал артиллерии Константин Константинов и генерал-лейтенант Александр Засядко, который, в частности, производил расчеты, сколько пороха понадобится для запуска ракеты на Луну.

Во второй половине XIX в., с появлением нарезных орудий, ракетная артиллерия была снята с вооружения. Однако ученые не оставляли попытки математически объяснить реактивное движение и создать более эффективное ракетное вооружение, а также исследовали возможность реактивных двигателей для космических полетов с этого времени военная и космическая ипостаси ракеты выступают «в одной упряжке».

О Запуск ракет-фейерверков. Гравюра начала XVII в.

Ракета (от ит. rocchetto «катушка», «маленькое веретено») летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счет действия реактивной тяги, возникающей при сбросе ракетой части собственной массы.

Огромный вклад в теорию реактивного движения внес Константин Эдуардович Циолковский, который занимался ею с 1896 г. и через семь лет спроектировал ракету для межпланетных сообщений. Основоположник современной космонавтики утверждал, что наиболее эффективным топливом для нее было бы сочетание жидких кислорода и водорода либо кислорода с углеводородами. Многие из его идей в дальнейшем нашли применение в ракетостроении, например газовые рули для управления полетом ракеты и изменения траектории движения ее центра масс; использование компонентов топлива для охлаждения внешней оболочки космического аппарата; оптимальные траектории спуска космического аппарата при возвращении из космоса и др. Циолковский также вывел основное уравнение реактивного движения и пришел к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» прототипов многоступенчатых ракет.

В Германии принципы межпланетных перелетов разрабатывал ученый и инженер Герман Юлиус Оберт. В 1917 г. он создал проект ракеты, работающей на спирте и жидком кислороде, а в 1923 г. издал книгу «Ракета для межпланетного пространства» первую в мировой научной литературе работу, в которой точно и полно обосновывалась возможность создания ракеты на жидком топливе. В США в 1920-х годах над проблемой жидкостных реактивных двигателей трудился Роберт Годдард.

В 1930-1940-х годах внимание конструкторов снова сместилось в сторону военного применения ракет. В нашей стране исследования вели Московская группа изучения реактивного движения и Ленинградская газодинамическая лаборатория, на базе которых в 1933 г. был создан Реактивный институт (РНИИ). Именно там была завершена начатая еще в 1929 г. разработка нового вида вооружения реактивных снарядов, установка для запуска которых известна во всем мире под именем «Катюша». В Германии аналогичные проекты осуществлялись Немецким обществом межпланетных сообщений (VfR), которое, несмотря на название, работало преимущественно на военную промышленность.

К. Э. Циолковский.

Р. Годдард перед пуском своей ракеты. 1925 г.

В 1932 г. член конструктор Вернер фон Браун занялся проблемой жидкостных реактивных двигателей для ракетного оружия. В 1942 г. в ракетном центре в Пенемюнде была разработана баллистическая ракета А-4 с дальностью полета 320 км, а в 1944 г. ее поставили на боевую службу под названием V-2. Военное применение V-2 продемонстрировало огромные возможности ракетной техники, и наиболее мощные послевоенные державы США и СССР также начали разработку баллистических ракет. В1957 г. в СССР под руководством Сергея Павловича Королева в качестве средства доставки ядерного заряда была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полетов.

Ракета-носитель является транспортным средством, способным вывести на орбиту и в межпланетное пространство космический аппарат, но сама она космическим аппаратом не является. Однако за автоматическими и пилотируемыми космическими аппаратами в обиходе и в научной фантастике закрепилось все то же название ракета.

Для того чтобы вывести на орбиту Земли космический аппарат, требуется разгон до скорости 7,91 кмс (первая космическая скорость). Однако общий вес снаряженной ракеты настолько велик, что достичь необходимой скорости за приемлемое время невозможно. Для решения этой проблемы используются многоступенчатые ракеты, вес которых равномерно уменьшается при отделении ступеней с отработанным топливом. Конструкторское бюро Королева на базе боевой ракеты разработало семейство трех- и четырехступенчатых космических ракет-носителей, которые могли реализовать пилотируемые полеты и запуск автоматических космических станций.

Р. Небель и В. фон Браун с ракетами «Мирак» на космодроме.

С. П. Королев среди сотрудников Группы изучения реактивного движения (ГИРД). 1932 г.

Первый космический спутник.

В том же 1957 г. был запущен второй спутник с собакой Лайкой на борту. В 1959 г. ракеты-носители «Восток» вывели на траекторию полета три автоматические станции «Луна». В следующем году на орбиту были выведены два корабля-спутника, один из них с собаками на борту. 12 апреля 1961 г. впервые космический корабль с человеком на борту вышел за пределы Земли. Ракета-носитель «Восток» вывела на околоземную орбиту советский космический корабль «Восток», пилотируемый космонавтом Юрием Гагариным. В дальнейшем полеты человека на околоземную орбиту стали регулярными. Ракеты-носители «Молния» запустили автоматические межпланетные станции к Венере и Марсу. В 1965 г. с космодрома «Байконур» был осуществлен запуск ракеты-носителя «Протон», которая в различных модификациях используется и по сей день. В 1988 г. ракета «Энергия-Буран» вывела на орбиту многоразовый космический корабль «Буран».

Главный соперник СССР в освоении космического пространства США буквально наступал нашей стране на пятки. В начале 1958 г. ракета-носитель «Юпитер-С» вывела на околоземную орбиту спутник «Эксплорер-1». В том же году было создано НАСА Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. В 1969 г. американские астронавты с помощью ракеты «Сатурн-5» высадились на поверхность Луны. Десять лет спустя в эксплуатацию была введена многоразовая транспортная ракетная система «Спейс шаттл» (англ. Space Shuttle «космический челнок»). Она включает в себя две твердотопливные ракеты, спускаемые после использования на парашютах.

Собака-космонавт Лайка перед полетом на втором искусственном спутнике Земли.

Работа в космосе: «Мир» и МКС

В 1986 г. на орбиту была выведена российская космическая станция «Мир» своеобразный символ советской космической мощи. Станция представляла собой сложный научно-исследовательский комплекс; в 1986 г. был запущен базовый модуль, в последующие 10 лет к нему были пристыкованы еще шесть модулей: астрофизические, технологические, геофизические... За 15 лет существования «Мира» на нем успели поработать 104 космонавта из 12 стран, было проведено более 20 тыс. разнообразных экспериментов. В 2001 г. из-за многочисленных проблем, связанных с возрастом оборудования, «Мир» был затоплен в Тихом океане.

Другой известный орбитальный проект Международная космическая станция, МКС является «детищем» сразу 15 стран, однако самый весомый вклад в функционирование МКС вносят Россия и США. МКС была запущена на орбиту в 1998 г., а в 2000-м на ее борт был доставлен первый экипаж. Управление полетом МКС осуществляется одновременно из двух центров: российским сегментом из ЦУП-М (г. Королев), американским сегментом из ЦУП-Х (г. Хьюстон). За время существования МКС трижды все управление станцией передавалось в ЦУП-М из-за чрезвычайных обстоятельств в США. У российской стороны еще не было причины передавать управление в ЦУП-Х.

На сегодняшний день самыми мощными ракетами-носителями, которые способны доставить на низкую околоземную орбиту (200 км) до 20 т полезного груза, являются «Протон-М» и «Спейс шаттл». Однако система «Спейс шаттл» не может работать без помощи орбитального челнока. Производство более мощных ракет отечественных «Н-1» и «Энергии», американской «Сатурн-5» в настоящее время прекращено. На стадии проектирования находится альтернативный способ подъема космических аппаратов на орбиту, так называемый космический лифт, однако до его реального появления еще очень далеко, а это значит, что в ближайшее время ракеты без работы не останутся.

Краткая история ракет

Общий принцип реактивного полета, который лег в основу всех ракет, прост - от тела отделяется какая-то часть, приводящая все остальное в движение.

Кто первым реализовал этот принцип – неизвестно, но различные догадки и домыслы доводят генеалогию ракетостроения аж до Архимеда. Доподлинно о первых подобных изобретениях известно, что ими активно пользовались китайцы, которые заряжали их порохом и за счет взрыва запускали в небо. Таким образом они создали первые твердотопливные ракеты. Большой интерес к ракетам появился у европейских правительств в начале

Второй ракетный бум

Ракеты ждали своего часа и дождались: в 1920-х годах начался второй ракетный бум, и связан он в первую очередь с двумя именами.

Константин Эдуардович Циолковский - ученый-самоучка из Рязанской губернии, невзирая на трудности и препятствия, сам дошел до многих открытий, без которых невозможно было бы даже говорить о космосе. Идея использования жидкого топлива, формула Циолковского, которая рассчитывает необходимую для полета скорость, исходя из соотношения конечной и начальной масс, многоступенчатая ракета - все это его заслуга. Во многом под влиянием его трудов создавалось и оформлялось отечественное ракетостроение. В Советском Союзе начали стихийно возникать общества и кружки по изучению реактивного движения, в числе которых ГИРД - группа изучения реактивного движения, а в 1933 году под патронажем властей появился Реактивный институт.

Константин Эдуардович Циолковский.
Источник: Wikimedia.org

Второй герой ракетной гонки - немецкий физик Вернер фон Браун. Браун имел отличное образование и живой ум, а после знакомства с другим светилом мирового ракетостроения, Генрихом Обертом, он решил приложить все свои силы к созданию и усовершенствованию ракет. В годы Второй Мировой фон Браун фактически стал отцом «оружия возмездия» Рейха - ракеты «Фау-2», которую немцы начали применять на поле боя в 1944 году. «Крылатый ужас», как называли её в прессе, принес разрушение многим английским городам, но, к счастью, на тот момент крах нацизма был уже делом времени. Вернер фон Браун вместе со своим братом решил сдаться в плен к американцам, и, как показала история, это был счастливый билет не только и не столько для ученых, сколько для самих американцев. С 1955 года Браун работает на американское правительство, и его изобретения ложатся в основу космической программы США.

Но вернемся в 1930-е. Советское правительство по достоинству оценило рвение энтузиастов на пути к космосу и решило употребить его в своих интересах. В годы войны себя отлично показала «Катюша» - система залпового огня, которая стреляла реактивными ракетами. Это было во многом инновационное оружие: «Катюша» на базе легкого грузовика «Студебеккер» приезжала, разворачивалась, обстреливала сектор и уезжала, не давая немцам опомниться.

Окончание войны подкинуло нашему руководству новую задачу: американцы продемонстрировали миру всю мощь ядерной бомбы, и стало совершенно очевидно, что на статус сверхдержавы может претендовать только тот, у кого есть нечто похожее. Но здесь была проблема. Дело в том, что, помимо самой бомбы, нам нужны были средства доставки, которые бы смогли обойти ПВО США. Самолеты для этого не годились. И СССР решил сделать ставку на ракеты.

Константин Эдуардович Циолковский умер в 1935 году, но ему на смену пришло целое поколение молодых ученых, которое и отправило человека в космос. Среди этих ученых был Сергей Павлович Королев, которому суждено было стать «козырем» Советов в космической гонке.

СССР принялся за создание своей межконтинентальной ракеты со всем усердием: были организованы институты, собраны лучшие ученые, в подмосковных Подлипках создается НИИ по ракетному вооружению, и работа кипит вовсю.

Только колоссальное напряжение сил, средств и умов позволило Советскому Союзу в кратчайшие сроки построить свою ракету, которую назвали Р-7. Именно её модификации вывели в космос «Спутник» и Юрия Гагарина, именно Сергей Королев и его соратники дали старт космической эре человечества. Но из чего состоит космическая ракета?

План урока:

Цели урока:

1. Познавательные :дать понятие реактивного движения; рассмотреть устройство ракеты, показать применение закона сохранения импульса для реактивного движения (на примере движения ракеты).
2. Развивающие :способствовать развитию познавательной деятельности и расширению кругозора; дать представление ореактивном движении в природе и технике.
3. Воспитательные :показать огромный вклад ученых, инженеров в дело создания многоступенчатой ракеты для освоения космического пространства; показать роль предприятий г. Химки в ракетостроении.

Оборудование:

1. Плакаты:многоступенчатая ракета; реактивное движение; живые ракеты.
2. Стенды сегодня на уроке – представлена полная информация о предприятиях г. Химки в области ракетостроения и "Информация для желающих учиться в г. Химки".
3. Демонстрациидвижение воздушного шара, укреплённой на тележке; запуск ракеты, явление "отдачи" при вытекании воды из шланга.
4. Кадры из фильма

ХОД УРОКА

I. Актуализация

Мы продолжаем изучать один из важнейших законов природы – закон сохранения импульса, вспомним некоторые определения:

1. Что такое импульс тела?
2. Что такое замкнутая система тел?
3. Что утверждает закон сохранения импульса?

А теперь проведем тестирование для всех.

Самостоятельная работа на 10 мин.

Вариант I

1. Тележка массой 0,2 кг движется равномерно по горизонтальной поверхности стола со скоростью 2м/с. Чему равен ее импульс?

А. 0,4 кг х м/с
Б. 0,2 кг х м/с
В. 4 кг х м/с

2. На рисунке представлен график зависимости скорости тела от времени. Определите импульс тела через 4 с: после начала движения, если масса этого тела 2 кг

А. 8 кг х м/с
Б. 40 кг х м/с
В. 80 кг х м/с

3. На рисунке изображены два шара, движущиеся с одинаковыми скоростями. Сравните импульс первого шара Р1 с импульсом второго шара Р2.

А. Р1 = Р2
Б. Р1 > P2
В. P1 < P2

4. Чему равно изменения импульса тела, если на него подействовала сила 15Н в течении 5 с?

А. 3 кг х м/с
Б. 75 кг х м/с
В. 1/3 кг х м/с

5. Тележка массой кг движется со скоростью 3 м/с, сталкивается с неподвижной тележкой массой 4 кг и сцепляется с ней. Определить скорости тележек после взаимодействия.

6. Шарик, подвешенный на нити, движется так, как показано на рисунке. При этом, на него действуют сила тяжести и сила упругости нити. Куда направлен импульс шарика?

Вариант 2

1. Мяч массой 0,5 кг летит со скоростью 5 м/с. Чему равен импульс мяча?

А. 0,5 кг х м/с
Б.2,5 кг х м/с
В. 2 кг х м/с

2. На рисунке представлен график зависимости скорости телаот времени. Определите импульс тела через 4 с после начала движения, если масса этого тела 2 кг

3. На рисунке изображены два движущихся шара, имеющиходинаковую массу. Сравните импульс первого шара Р1 с импульсом второго шара Р2

А. Р1= Р2
Б. P1 > P2
В. P < P

4. Чему равно изменения импульса, если в течение 4с на него действовала сила 20Н?

А. 8 кг х м/с
Б. 40 кг х м/с
В. 80 кг х м/с

5. На неподвижную тележку массой 10 кг прыгает мальчик массой 40 кг. Скорость движения мальчика равна 2 м/с и направлена горизонтально. Определите скорость движения тележки с мальчиком.

А. 80 кг х м/с
Б. 5 кг х м/с
В. 1/5 кг х м/с

6. Шарик катится по гладкой горизонтальной поверхности. На него действуют сила тяжести сила упругости. Куда направлен импульс шарика?

II. Сегодня мы познакомимся с явлением, в основе которого лежит закон сохранения импульса

Откройте рабочие тетради, запишите число и тему урока: "Реактивное движение. Ракеты."

Для начала рассмотрим несколько примеров, подтверждающих справедливость закона сохранения импульса. (Опыт с шариками на доске, напомнить про шарики в Политех. музее. Ученики до урока посетили лекцию в политехническом музее на тему: "Законы механики и закон сохранения импульса").

На нитях подвешиваются два шарика (см. рис. 1 а и б).
Правый шарик отклоняют и отпускают. Вернувшись в прежнее положение и ударившись о неподвижный шарик, он останавливается. При этом левый шарик приходит в движение и отклоняется практически на тот же угол, что и отклоняли правый шар.

Наверняка многие из вас наблюдали, как приходит в движение надутый воздухом воздушный шарик, если развязать нить, стягивающую его отверстие. (демонстрация).

Объяснить это явление можно с помощью закона сохранения импульса. Пока отверстие шарика завязано, шарик с находящимся внутри сжатым воздухом покоится, и его импульс равен нулю.

При открытом отверстии из него с довольно большой скоростью вырывается струя сжатого воздуха. Движущийся воздух обладает некоторым импульсом, направленным в сторону движения воздуха.

Согласно действующему в природе закону сохранения импульса суммарный импульс системы, состоящей из двух тел – шарика и воздуха в нем, – должен остаться таким же каким был до начала истечения воздуха, т. е. равным нулю. Поэтому шарик начинает двигаться в противоположную струе сторону с такой скоростью, что его импульс равен по модулю импульсу воздушной струи. Векторы импульсов шарика и воздуха направлены в противоположные стороны. В результате суммарный импульс взаимодействующих тел остается равным нулю. Движение шарика является примером реактивного движения.

Обратимся к опыту с Г-образной трубкой, где мы можем наблюдать как трубка отклоняется в сторону, противоположную направлению струи.

Все эти опыты являются примерами реактивного движения.

Запишем определение: Движение, которое возникает как результат отделения от тела какой-либо части, либо как результат присоединения к телу другой части, называется реактивным движением.

Вы знаете, что принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости. Поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т.е. ракеты.

Рассмотрим вопрос об устройстве и запуске так называемых ракет-носителей, т.е. ракет, предназначенных для вывода в космос искусственных спутников Земли, космических кораблей, автоматических межпланетных станций и других полезных грузов.

В любой ракете, независимо от ее конструкции, всегда имеется оболочка и топливо с окислителем.

На рисунке 2 изображена ракета в разрезе. Мы видим, что оболочка ракеты включает в себя полезный груз (в данном случае это космический корабль), приборный отсек и двигатель (камера сгорания, насосы и пр.).

Основную массу ракеты составляет топливо с окислителем (окислитель нужен для поддержания горения топлива, поскольку в космосе нет кислорода).

Топливо и окислитель с помощью насосов подаются в камеру сгорания. Топливо, сгорая, превращается в газ высокой температуры и высокого давления, который мощной струей устремляется наружу через раструб специальной формы называемый соплом. Назначение сопла состоит в том, чтобы повысить скорость струи газов.

С какой целью увеличивают скорость выхода струи газа? Дело в том, что от этой скорости зависит скорость ракеты. Это можно показать с помощью закона сохранения импульса.

Поскольку до старта импульс ракеты был равен нулю, то по закону сохранения суммарный импульс движущейся оболочки и выбрасываемого из нее газа тоже должен быть равен нулю. Отсюда следует, что импульс оболочки и направленный противоположно ему импульс струи газа должны быть равны друг другу по модулю. Значит, чем с большей скоростью вырывается газ из сопла, тем больше будет скорость оболочки ракеты.

С какой скоростью движется оболочка ракеты? Запишем закон сохранения импульса для замкнутой системы двух тел: газа и оболочки.

Помимо скорости истечения газа существуют и другие факторы, от которых зависит скорость движения ракеты.
Ясно, что выведенная формула справедлива только для случая мгновенного сгорания топлива. Мгновенное сгорание – это взрыв, такого быть не может. На практике масса топлива уменьшается постепенно, поэтому точного расчета используются более сложные расчеты.

Мы рассмотрели устройство и принцип действия одноступенчатой ракеты, где под ступенью подразумевается та часть, которая содержит баки с горючим и окислителем и двигатель.

Современные технологии производства ракетоносителей не могут позволить превысить скорости 8-12 км/с. Для третьей космической скорости (16,4 км/с) необходимо, чтобы масса топлива превосходила массу оболочки носителя почти в 55 раз, что на практике невозможно. Для этого используют многоступенчатые ракеты, развивающие гораздо большие скорости и предназначенные для более дальних полетов, чем одноступенчатые.

На рисунке 3 показана схема трехступенчатой ракеты. После того как топливо и окислитель первой ступени будут полностью израсходованы, эта ступень автоматически отбрасывается и в действие вступает двигатель второй ступени.

Уменьшение общей массы ракеты путем отбрасывания уже ненужной ступени позволяет
сэкономить топливо и окислитель и увеличить скорость ракеты. Затем таким же образом отбрасывается вторая ступень.
Если возвращение космического корабля на Землю или его посадка на какую-либо другую планету не планируется, то третья ступень, как и две первых, используется для увеличения скорости ракеты. Если же корабль должен совершить посадку, то она используется для торможения корабля перед посадкой. При этом ракету разворачивают на 180°, чтобы сопло оказалось впереди. Тогда вырывающийся из ракеты газ сообщает ей импульс, направленный против скорости ее движения, что приводит к уменьшению скорости и дает возможность осуществить посадку.
Идея использования ракет для космических полетов была выдвинута в начале XX в. русским ученым, изобретателем и учителем Константином Эдуардовичем Циолковским. Циолковский разработал теорию движения ракет, вывел формулу для расчета их скорости, был первым, кто предложил использовать многоступенчатые ракеты.
Полвека спустя идея Циолковского была развита и реализована советскими учеными под руководством Сергея Павловича Королева.
А теперь мы попытаемся запустить свою ракету. С помощью учеников учитель собирает модель ракеты. В лабораторную модель ракеты закачивается воздух с помощью насоса и нажимая на спусковой механизм ракета пролетает более двух метров.
Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире животных и растений. Например, созревшие плоды "бешеного" огурца при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки и из образовавшегося отверстия выбрасывается фонтаном со скоростью 10 м/с горькая жидкость с семенами сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении (см. рис. 4). Стреляет "бешеный" огурец (иначе его называют "дамский пистолет") более чем на 12 м.

Запишем домашнее задание: §22, упр. 21 (1, 2)

– А теперь на ваших партах находятся файлы с текстом "Живые ракеты" примеры реактивного движения в водной среде (Приложение 2 ).
Прочитайте текст и ответьте на поставленные вопросы. (7-9 мин.).

– На нашем уроке мы обязательно должны затронуть тему о роли предприятий г.Химки в развитии ракетостроении. В кабинете на стенде "Сегодня на уроке" подробно специально к уроку представлена информация о предприятиях.

НПО ЭНЕРГОМАШ имени академика Валентина Петровича Глушко – ведущее российское предприятие по разработке мощных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Ученики девятых классов в рамке профориентации посетили "НПО Энергомаш" и подробно изучили историю создания НПО и сферу деятельности предприятия. К информации на стенде учитель добавил сообщение о сотрудничестве НПО и американской компании ULA

Поставка новых двигателей РД-180 ОАО «НПО Энергомаш имени академика В.П.Глушко» осуществило в ночь на 17 ноября 2009 г поставку трех жидкостных ракетных двигателей РД-180. Партия двигателей доставлена в аэропорт «Шереметьево», откуда на самолете АН-124 «Руслан» они были доставлены в США. Как известно, эти российские двигатели используются в составе первой ступени американской РН «Атлас 5». Первая поставка этих ЖРД в США была осуществлена в январе 1999 года, с тех пор в США поставлено 46 товарных двигателей российского производства, с помощью которых на сегодняшний день успешно выполнено 24 запуска американских ракет-носителей «Атлас 3» и «Атлас 5». Американская компания ULA после приемки двигателей и их установки в состав новых РН, осуществит очередные космические запуски с использованием российских двигателей. (Показ кадров из фильм "Энергомаш" Приложение 1 ).

Я знаю, что некоторые ученики приготовили интересные факты из истории реактивного движения. (Первые пороховые ракеты, доклад о Кибальчиче и т.д. На нашем уроке ученики сами подбирали информацию и предоставили краткие сообщения).

– Спасибо за внимание, урок окончен, до свидания.

Закон сохранения импульса во многих случаях позволяет находить скорости взаимодействующих тел даже тогда, когда значения действующих сил неизвестны. Примером может служить реактивное движение.
На принципе отдачи основано реактивное движение. В ракете при сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла с большой скоростью относительно ракеты. Обозначим массу выброшенных газов через m, а массу ракеты после истечения газов через M. Тогда для замкнутой системы «ракета + газы» на основании закона сохранения импульса (по аналогии с задачей о выстреле из орудия) можно записать:

где V – скорость ракеты после истечения газов. В данном случае предполагается, что начальная скорость ракеты равнялась нулю.
Полученная формула для скорости ракеты справедлива лишь при условии, что вся масса сгоревшего топлива выбрасывается из ракеты одновременно. На самом деле истечение происходит постепенно в течение всего времени ускоренного движения ракеты. Каждая последующая порция газа выбрасывается из ракеты, которая уже приобрела некоторую скорость.
Для получения точной формулы процесс истечения газа из сопла ракеты нужно рассмотреть более детально. Пусть ракета в момент времени t имеет массу M и движется со скоростью (рис. 1.17.3 (1)). В течение малого промежутка времени Δt из ракеты будет выброшена некоторая порция газа с относительной скоростью Ракета в момент t + Δt будет иметь скорость а ее масса станет равной M + ΔM, где ΔM < 0 (рис. 1.17.3 (2)). Масса выброшенных газов будет, очевидно, равна –ΔM > 0. Скорость газов в инерциальной системе OX будет равна Применим закон сохранения импульса. В момент времени t + Δt импульс ракеты равен а импульс испущенных газов равен В момент времени t импульс всей системы был равен Предполагая систему «ракета + газы» замкнутой, можно записать:

Величиной можно пренебречь, так как |ΔM| << M. Разделив обе части последнего соотношения на Δt и перейдя к пределу при Δt → 0, получим

Рисунок 1.17.3.
Ракета, движущаяся в свободном пространстве (без гравитации). 1 – в момент времени t. Масса ракеты М, ее скорость 2 – Ракета в момент времени t + Δt. Масса ракеты M + ΔM, где ΔM < 0, ее скорость масса выброшенных газов –ΔM > 0, относительная скорость газов скорость газов в инерциальной системе
Величина есть расход топлива в единицу времени. Величина называется реактивной силой тяги Реактивная сила тяги действует на ракету со стороны истекающих газов, она направлена в сторону, противоположную относительной скорости. Соотношение

выражает второй закон Ньютона для тела переменной массы. Если газы выбрасываются из сопла ракеты строго назад (рис. 1.17.3), то в скалярной форме это соотношение принимает вид:
Ma = μu,
где u – модуль относительной скорости. С помощью математической операции интегрирования из этого соотношения можно получить формулу для конечной скорости υ ракеты:

где – отношение начальной и конечной масс ракеты. Эта формула называется формулой Циолковского. Из нее следует, что конечная скорость ракеты может превышать относительную скорость истечения газов. Следовательно, ракета может быть разогнана до больших скоростей, необходимых для космических полетов. Но это может быть достигнуто только путем расхода значительной массы топлива, составляющей большую долю первоначальной массы ракеты. Например, для достижения первой космической скорости υ = υ1 = 7,9·103 м/с при u = 3·103 м/с (скорости истечения газов при сгорании топлива бывают порядка 2–4 км/с) стартовая масса одноступенчатой ракеты должна примерно в 14 раз превышать конечную массу. Для достижения конечной скорости υ = 4u отношение должно быть равно 50.

Модель. Реактивное движение
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.