Ракетный двигатель выбрасывает из сопла газы со скоростью 3 км с относительно ракеты

Обновлено: 07.01.2025

Ракетный двигатель выбрасывает из сопла газы со скоростью 3км / с относительно ракеты?

Ракетный двигатель выбрасывает из сопла газы со скоростью 3км / с относительно ракеты.

Можно ли при помощи этого двигатель разогнать ракету до скорости 8 км / с относительно стартового стола?

Насколько я понимаю, по закону сохранения импульса нет, ибо m1v1 = m2v2, а масса ракеты больше массы сгорающих газов.

Ракета с работающим двигателем «зависла» над поверхностью Земли?

Ракета с работающим двигателем «зависла» над поверхностью Земли.

Какова мощность, развиваемая двигателем, если масса ракеты m, а скорость истечения газов из двигателя ракеты равна u?

Изменением массы ракеты за счет истечения газов можно пренебречь.

Сила тяги ракетного двигателя первой отечественной экспериментальной ракеты на жидком топливе равнялась 660Н?

Сила тяги ракетного двигателя первой отечественной экспериментальной ракеты на жидком топливе равнялась 660Н.

Стартовая масса ракеты была равна 30кг.

Какое ускорение приобретала ракета во время старта?

Две ракеты отдаляются друг от друга со скоростями 0, 6 с относительно неподвижного наблюдателя?

Две ракеты отдаляются друг от друга со скоростями 0, 6 с относительно неподвижного наблюдателя.

Докажите, что относительная скорость движения ракет не превышает скорости света с.

Скрость истечения газов из сопла ракеты равна 500м / с относительно ракеты?

Скрость истечения газов из сопла ракеты равна 500м / с относительно ракеты.

Может ли двигатель этой ракеты разогнать ее до скорости 1000 м / с ?

Какую силу тяги развивает реактивный двигатель выбрасывающий каждую секунду 10 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3км / с относительно ракеты?

Какую силу тяги развивает реактивный двигатель выбрасывающий каждую секунду 10 кг продуктов сгорания топлива со скоростью 3км / с относительно ракеты?

Из ракеты массой М = 400 кг, находящейся первоначально в покое, в горизонтальном направлении со скоростью 800 м / с относительно ракеты вылетает порция газа 25 кг?

Из ракеты массой М = 400 кг, находящейся первоначально в покое, в горизонтальном направлении со скоростью 800 м / с относительно ракеты вылетает порция газа 25 кг.

Какой станет скорость ракеты после этого?

Ракетный двигатель выбрасывает из сопла газы со скоростью 3 км \ с относительно ракеты?

Ракетный двигатель выбрасывает из сопла газы со скоростью 3 км \ с относительно ракеты.

Можно ли при помощи этого двигателя разогнать ракету до скорости 8 км \ с относительно стартового стола?

При взлете ракеты её двигатели с большой скоростью выбрасывают газы, которые образуются при сгорании топлива?

При взлете ракеты её двигатели с большой скоростью выбрасывают газы, которые образуются при сгорании топлива.

В результате чего ракета пришла в движение?

Определите силу тяги ракетного двигателя, использующего в качестве горючего водород, а в качестве окислителя – кислород?

Определите силу тяги ракетного двигателя, использующего в качестве горючего водород, а в качестве окислителя – кислород.

За секунду расходуется 24 кг горючего.

Скорость истечения газов из сопла ракеты 5 км / с.

Ответ выразить в килоньютонах.

Ракета массой 1000 т стартует вертикально вверх под действием двигателей, выбрасывающих газы со скоростью 4 км / с, расход топлива 3250 кг / с?

Ракета массой 1000 т стартует вертикально вверх под действием двигателей, выбрасывающих газы со скоростью 4 км / с, расход топлива 3250 кг / с.

С каким ускорением начинает ракета свое движение вверх?

Ответ смотри выше на фотографии.

1) дано : V ж = 0. 0005 м³ Fa = pVg p н = 940 кг / м³ Fa = 940·0. 0005·10 = 4, 7 Н g = 10 Н / кг Fa - ? 3) дано : V т = 7 м³ p т = m т / V т m т = 3 кг p т = 3 / 7 ≈ 0, 429 кг / м³ p б = 730 кг / м³ p т < р б, нет тело не утонет утонет ли тело? 4..

Потенциальная энергия(тело, которое поднято над землёй, но не двигается, то есть не имеет движения) : 1. Мяч поднятый над землёй. 2. Воздушный змей. Кинетическая энергия(тело, которое имеет движение) : 1. Едет машина. 2. Человек катается на лыжа..

Всего их три. Первый - Инерциальные системы отсчета. Второй : Масса тела. Третий связан с массой и силой F.

Дано : R = 24 Ом L = 4, 8 м ρ = 1, 1 Ом·м / мм² - удельное сопротивление нихрома ________________ S - ? Сопротивление провода : R = ρ * L / S Площадь сечения : S = ρ * L / R = 1, 1 * 4, 8 / 24 = 0, 22 мм² Площадь сечения через диаметр провода : S = ..

P = m / V P = 109. 5 / 15 = 7. 31 = &gt ; медь.

1Найдите значение выражения 14( - 5 + 10)2Выберите верные утверждения. 1) Корнем уравнения называется число, которое обращает уравнение в верное равенство. 2) Переменная всегда обозначается буквамиx, yилиz. 3) Решить уравнение – значит найти все е..

1) Тпл олова = 232 С, а свинца = 327 С нельзя температуры 5 С не хватает 2)температура кристализации ртути = - 39 С, а спирта = - 115 С.

T(в квадрате) = 2s / a = 120 * 2 / 10 = 24(примерно) = 5секунд s = at(в квадрате) / 2 = 10 * 9 / 2 = 45метров.

4. дано : I = 0. 5 R1 = 5Ом R2 = 36Ом I1 = I2 = I U1 = I * R1 = 0. 5 * 5 = 2. 5В U2 = I * R2 = 0. 5 * 36 = 18B U = U1 + U2 = 2. 5 + 18 = 20. 5B Ответ : 2. 5В, 18В, 20. 5В.

Ионный двигатель

Технологии

Когда мы смотрим на зрелищные пуски космических кораблей, у многих невольно возникает вопрос — почему двигатели в них до сих пор работают на химическом топливе? Неужели взрывать кучу водорода или керосина — это лучшее, что мы можем сделать?

Преимущества и недостатки обычных двигателей

Принцип работы ракет кажутся очень примитивными — берем тонны жидкого или твердого топлива, поджигаем его с помощью окислителя, а затем используем энергию вырывающихся газов, чтобы получить ускорение.

Несмотря на примитивность, такой тип двигателей вполне подходит для своих задач — струя газа дает ракете достаточное ускорение, чтобы преодолеть земное притяжение и выйти в космос. Кроме того, такому двигателю не нужны атмосфера — окислитель ракета несет на своем борту.

Преимущество химического двигателя заключается в том, что он вырабатывает огромное количество энергии за короткое время — как раз то, что нужно, чтобы поднять большое количество груза в космос. Однако критический недостаток этих двигателей заключается в том, что они невероятно неэффективны.

К примеру, ракета-носитель тяжелого класса «Ангара-А5», при стартовой массе 780 тонн, выводит на низкую опорную орбиту 24 тонны полезного груза или на геостационарную около 4 тонн. К тому времени как ракета выходит на заданную орбиту, все топливо в двигателях заканчивается. Конечно, ни о каких маневрах или ускорениях в течение недель или даже месяцев, речи идти не может.

Вполне предсказуемо, что перечисленные недостатки химических ракет, подтолкнули ученых к поиску других принципов работы двигателей, особенно для аппаратов, уже выведенных в открытый космос. И одним из самых удачных вариантов сегодня, является ионный двигатель.

Ионный двигатель

Одна из важнейших характеристик эффективности космического двигателя — скорость выброса вещества. Самая эффективная химическая ракета может выбрасывать горячие газы из сопла со скоростью 5 км/с. Ионные двигатели, могут выбрасывать отдельные атомы со скоростью 90 км/с — такая скорость выброса дает космическому аппарату гораздо более эффективное ускорение.

Лучшие химические ракеты имеют КПД около 35%, в то время как ионные двигатели имеют коэффициент полезного действия 90%.

Принцип работы ионного двигателя

Глядя на то, как работает ионный двигатель, невольно вспоминаешь научную фантастику. Вместо горячих газов ионные ускорители выбрасывают ионы — заряженные частицы вещества, образованные из атомов или молекул, когда те приобретают или теряют один, или несколько электронов.

В случае с ионным двигателем они испускают положительно заряженные ионы, которые потеряли свой электрон. С помощью магнитного поля, двигатель ускоряет их до невероятных скоростей и выбрасывает из сопла, передавая ускорение космическому аппарату.

Откуда берутся ионы

Двигатели создают их, генерируя плазму внутри аппарата. Нейтральные атомы газа, например, ксенона, бомбардируются электронами. Эти столкновения высвобождают еще больше электронов, превращая их в положительно заряженные ионы. Эта плазменная смесь из электронов и положительно заряженных ионов имеет общий нейтральный заряд.

При этом электроны удерживаются в камере, что приводит к еще большей ионизации, в то время как положительные ионы откачиваются через специальную сетку. Когда они проходят через эту сетку, высокое напряжение ускоряет их до 90 км/с. Каждый вылетевший из сопла ион придает крошечное ускорение аппарату.

Вся система работает от солнечных батарей, поэтому нет необходимости в дополнительной системе питания или аккумуляторах, что значительно увеличивает полезную нагрузку аппарата.

Большая проблема заключается в том, что ускорение от ионов действительно крошечное. Тяга ионных двигателей измеряется в миллиньютонах, то есть в тысячных долях ньютона. Это можно сравнить с удержанием листка бумаги в руке — вот какие силы задействованы.

Однако эти двигатели могут непрерывно работать в течение нескольких дней, недель и даже месяцев, ускоряясь и постепенно набирая скорость. У химических ракет, для сравнения, топливо закончилось бы за несколько минут. Поэтому если космический аппарат уже выведен из гравитационного поля планеты, ионный двигатель становится весьма эффективным.

Некоторые космические агентства уже использовали ионные двигатели в своих миссиях в космосе. И хотя разработки велись на протяжении десятилетий, применить их долгое время не решались из-за большого риска.

Где использовались

1 миссия стартовала в 1998 году. НАСА запустило космический аппарат «Deep Space 1», на борту которого испытывалось 12 новых экспериментальных технологий. Например, электроника с низким энергопотреблением, солнечные концентраторы, различные научные приборы и солнечная электрическая двигательная установка. Ионные двигатели аппарата работали в течение огромного количества времени позволив получить информацию о нескольких астероидах, кометах и даже долететь до Марса.

Космический аппарат «Deep Space 1»

После успеха миссии, НАСА предоставило новый аппарат «Dawn» с тремя дополнительными ионными двигателями. Это позволило космическому аппарату выйти на орбиту астероида Веста, произвести наблюдения, свернуть с орбиты и отправится к карликовой планете Церера. При этом топлива в баке аппарата хватит, чтобы посетить еще несколько космических объектов.

Чтобы лучше понять силу ионных двигателей, представьте, что разгон аппарата «Dawn» от 0 до 100 км/ч. занимает примерно 96 часов непрерывной работы. Не самый быстрый современный автомобиль легко наберет эту скорость за 10 секунд.

Космический аппарат «Dawn»

Ионные двигатели использовались для переноса космического аппарата Европейского Космического Агентства «Smart 1» с околоземной орбиты на лунную, а также на японском космическом аппарате «Хаябуса». Этот тип двигателей испытывался на Земле, и успешно выдержал более 5 лет непрерывной работы.

Поиск решения

Как уже упоминалось, основная проблема ионных двигателей заключается в очень малой тяге, однако у ученых уже есть некоторые идеи для ее увеличения.

Первая — значительно увеличить количество электричества и силу магнитного поля, используемого для ускорения ионов. Для этого, вместо солнечных панелей, НАСА рассматривало возможность создания ионного двигателя, работающего на ядерном реакторе. Агентство планировало миссию по изучению ледяных спутников Юпитера. Новый ионный двигатель «NEXIS», работающий на ядерном реакторе, должен был доставить аппарат по очереди: к Ганимеду, Каллисто и, затем, к Европе.

Ионный двигатель «NEXIS»

Космический аппарат планировалось вывести на орбиту Земли по частям, произвести сборку, после чего запустить к Юпитеру с помощью 8 ионных двигателей. Полет до точки назначения длился бы от 5 до 8 лет. На изучение Каллисто, а затем Ганимеда отводилось 6 месяцев, затем аппарат должен был выйти на орбиту Европы и через 30 дней покинуть место назначения. При удачном течении экспедиции, аппарат мог бы посетить еще орбиту Ио — еще одного спутника Юпитера. Миссия была отменена в 2005 году.

Альтернативные решения

Есть и другие способы увеличения мощности ионных двигателей. НАСА, например, тестирует версию ионных двигателей с высокой тягой, известную как двигатель на эффекте Холла «X3». Этот двигатель способен развивать 5,4 ньютона силы. Это все еще очень мало, но несравнимо больше чем у предыдущих двигателей, развивающих мощность в тысячные доли ньютонов.

Одна из перспективных идей для ионных ускорителей разрабатывается в Европейском Космическом Агентстве. Это прямоточный ионный двигатель, для которого не требуются топливные баки — на низких орбитах, он втягивает молекулы воздуха прямо из атмосферы, ионизирует их и выбрасывает из сопла, создавая тягу. Поскольку электроника будет работать на солнечной энергии, а топливо для двигателей будет забираться прямо из атмосферы, он сможет работать без дозаправки в течение неограниченного количества времени. Такую технологию можно применять не только на орбите Земли — ее можно использовать везде, где есть атмосфера: на Марсе, Венере или Титане.

Российские двигатели

В СССР работы по ионным двигателям велись еще с начала 80-х годов. Сегодня в космических аппаратах для коррекции орбиты спутников используются стационарные плазменные двигатели (СПД) производства ОКБ «Факел». Разработкой ионных двигателей также занимается Конструкторское бюро химавтоматики совместно с Московским авиационным институтом.

Исследовательский центр имени М.В. Келдыша (входит в состав Госкорпорации «Роскосмос») рассчитывает провести летные испытания новых ионных двигателей в 2025-2030 годах. Такие двигатели малой мощности будут использоваться в низкоорбитальных малых космических аппаратах, высокой — в тяжелых транспортных системах. Стандартный срок активного существования современной двигательной установки, как и аппарата в целом, — 15 лет.

Ионные двигатели уже внесли свой вклад в освоение космоса, и в ближайшие годы мы увидим еще больше миссий, оснащенных ими. Они могли бы стать первым шагов в освоении Марса в ближайшие десятилетия.

Kvant. Реактивное движение

Изменения скоростей, происходящие также в противоположные стороны, будут обратно
пропорциональны массам тел, ибо количества движения получают равные изменения.
Исаак Ньютон
. при действии сил, равнодействующая которых пропорциональна массе точки,
точка переменной массы. движется так же, как движется точка постоянной
массы при действии тех же сил и при тех же начальных данных.
Иван Мещерский
Я разработал некоторые стороны вопроса о поднятии в пространство с помощью реактивного прибора, подобного ракете.
Константин Циолковский
Механизм действия ракетного двигателя в точности сходен с явлением отдачи ружья;
здесь не нужен воздух, чтобы отталкиваться от него.
Ричард Фейнман

Содержание

Этот вопрос вполне уместен сейчас, когда отмечается 50-летие запуска первого искусственного спутника Земли — события, ознаменовавшего начало новой эры, эры освоения человеком космического пространства. Осуществление давней мечты стало возможным благодаря развитию реактивной техники. Долгая, насчитывающая тысячелетия ее история совершила необыкновенно быстрый рывок, перейдя от предсказаний и расчетов к прямой реализации идеи безопорного движения за пределами Земли. И здесь, без сомнения, можно гордиться решающим вкладом в теорию и практику космонавтики отечественных ученых, инженеров и конструкторов.

Проходит время, и казавшиеся чудом достижения -первый спутник, первый облет человеком Земли, первый выход в открытый космос — становятся рутинными, многократно повторяемыми эпизодами. Теперь на орбитальную станцию отправляются как на работу и даже. в турпоездку. Однако новые планы, связанные с межпланетными перелетами, с предупреждением астероидной опасности, со строительством индустриального пояса вокруг Земли и лунных баз, с совершенствованием спутниковых средств связи и выводом за атмосферу астрономических приборов, словно открыли второе дыхание космонавтики. И ни одно из возникающих ее направлений не обойдется без этих необычных машин — ракет.

Со многими вопросами реактивного движения можно не только познакомиться, но и всерьез разобраться, опираясь на хорошо знакомые законы механики. К чему мы вас сегодня и приглашаем.

Вопросы и задачи

1. Сможет ли вращаться в пустоте (например, в сильно разреженном воздухе под колоколом воздушного насоса) сегнерово колесо, изображенное на рисунке?

Микроопыт

Сверните из очень тонкой проволоки небольшую спираль, слегка смажьте ее маслом или вазелином и аккуратно положите на воду с помощью пинцета либо обычной вилки. Затем наберите несколько капель мыльного раствора пипеткой или соломинкой для питья и роняйте по капельке раствора в центр спирали. Как станет вести себя спираль? Почему?

Любопытно, что…

. возможность использовать реактивную силу струи пара, хотя бы в виде игрушки, была открыта еще в первом веке новой эры Героном Александрийским. А в 1750 году венгерский ученый Янош Сегнер изобрел на этом принципе одну из первых реактивных гидравлических турбин — «сегнерово колесо». Его действие сегодня можно наблюдать на лужайках, орошаемых с помощью насадок, вращающихся на водопроводных колонках.

. известные в Китае еще с XI века пороховые ракеты применялись не только для фейерверков, но и в военном деле — как зажигательные и разрывные снаряды, а также как осветительные средства. Однако по-настоящему боевые реактивные снаряды были созданы в 1817 году русским ученым-артиллеристом, генералом А.Д.Засядко и успешно применены при обороне Севастополя в 1854-55 годах во время Крымской войны.

. явление отдачи, вызывавшее откатывание назад старинных пушек, со временем научились использовать для перезарядки огнестрельного оружия, например в пулеметах, автоматических пистолетах и скорострельных пушках.

. в теории многоступенчатых ракет, разработанной К.Э.Циолковским в 1926 году, было показано, что последняя ступень ракеты способна достичь первой космической скорости. Из теории следовало, что целесообразно с расходом топлива отбрасывать баки, трубопроводы и двигатели отработавших ступеней, а в идеале — непрерывно избавляться от ненужной уже массы ракеты, что пока, увы, конструктивно неосуществимо.

. гигантом среди многоступенчатых ракет и сейчас остается «Сатурн-5», который вывел на орбиту космический корабль «Аполлон-11», доставивший 20 июля 1969 года на Луну американских астронавтов. Стартовая масса системы 2950 тонн, ее высота 111 метров.

. помимо мощных маршевых двигателей в ракетно-космической технике используется так называемая детонационная автоматика, решающая с помощью «ювелирных» по массе и габаритам зарядов взрывчатых веществ задачи мгновенного разделения элементов конструкций, разрезание электрических кабелей, отстрел парашютов и запуск различных приборов.

. погасить скорость при посадке космического аппарата на Землю помогает атмосфера: торможение в ней позволяет использовать на конечном этапе снижения парашют. Такая возможность полностью отпадает при спуске на Луну — отсутствие атмосферы на ней заставляет гасить скорость лишь реактивными импульсами, а последние метры пути аппарат садится на струе газа из сопла.

. переноситься с континента на континент со скоростью свыше десяти тысяч километров в час в разреженных слоях атмосферы, выводить на околоземную орбиту полезные грузы с обычных аэродромов должны летательные аппараты нового поколения с гиперзвуковыми воздушно-реактивными двигателями, создаваемыми сегодня зарубежными и отечественными специалистами.

. разгадкой неожиданно больших скоростей у новорожденных сверхплотных нейтронных звезд, достигающих 1500 километров в секунду, вероятно, может быть природный реактивный двигатель — излучение нейтрино, уносящих огромную энергию и способных создать необходимый импульс отдачи.

. идеальной для межзвездных полетов была бы гипотетическая ракета, роль газовой струи в которой играл бы пучок фотонов, иначе говоря, скорость истечения «струи» равнялась бы скорости света. Однако мощность подобной ракеты массой всего лишь в одну тонну при движении с ускорением, равным д, должна была бы превосходить мощность крупной электростанции типа Братской ГЭС примерно в 1000 раз.

. очередной прорыв в космос готовят в ближайшие пятнадцать лет все космические державы. Это, прежде всего, череда лунных экспедиций. Наша соседка уже рассматривается как полигон для испытания технологий, необходимых для покорения Марса, как база на пути к другим планетам, как новая астрономическая обсерватория и даже. как музей под открытым небом для посещения космическими туристами.

Что читать в «Кванте» о реактивном движении

1. «Почему вращается вертушка?» — 2002, Приложение № 4, с. 121;
2. «Сколько стоит запуск спутника?» — 2002, № 5, с. 30;
3. «Великое уравнение механики» — 2003, № 5, с. 35;
4. «Опыты с пластиковыми бутылками» — 2004, № 4, с. 20;
5. «Калейдоскоп» Кванта» — 2004, № 5, с. 32;
6. «Булава» — 2005, № 1, с. 29;
7. «Почему именно ракета» — 2005, Приложение № 6, с. 142;
8. «Как Студент думал Землю остановить» — 2006, № 5, с. 28.

Ответы

1. Не только сможет, но даже будет вращаться быстрее (из-за уменьшения сопротивления воздуха).
2. Работа, совершенная человеком, и кинетическая энергия, потерянная камнем, идут на увеличение энергии поезда.
3. Высыпающийся песок не влияет на изменение скорости тележки.
4. Чтобы изменить скорость, а значит и импульс барона, на него должна подействовать внешняя сила либо он должен «поделиться» частью своей массы, отбросив ее вперед по ходу прыжка.
5. а) Да; б) если груз сбрасывается без начальной скорости, то нет.
6. Если бы масса орудия была меньше, чем масса снаряда.
7. Нет, не попадут. При одновременной стрельбе платформа остается неподвижной, что является условием попадания снарядов в цель. Если одна из пушек выстрелит раньше, ее снаряд вылетит из ствола с меньшей начальной скоростью относительно земли и не долетит до цели. Второй снаряд вылетит из уже движущейся вместе с платформой пушки и будет обладать большей начальной скоростью относительно земли, значит, он перелетит цель.
8. После пуска снаряд, разгоняясь, некоторое время движется еще в том же направлении, что и самолет, т.е. стабилизаторами вперед. Это приводит к развороту снаряда. Затем за счет реактивной силы тяги скорость снаряда увеличивается, и он догоняет самолет.
9. Для этого достаточно поднять вытянутую руку и двигать ею вокруг головы. При этом космонавт будет разворачиваться вокруг своей продольной оси в направлении, противоположном вращению руки.
10. Сначала нужно выстрелить из первого пистолета в сторону, противоположную кораблю, и бросить туда же первый пистолет. Затем то же самое и в том же порядке проделать со вторым пистолетом.
11. Да, при этом они должны выбрасывать газы в сторону Луны.
12. Если топливо расходуется частями, то в начале работы двигателя ему приходится разгонять ракету с массой еще оставшегося на данный момент топлива. Поэтому приращения скорости по мере расхода топлива будут увеличиваться.
13. В начале ускорения газы отбрасываются влево. Но когда скорость ракеты станет больше скорости истечения из нее газов, они относительно наблюдателя станут двигаться также вправо, однако со скоростью, всегда меньшей скорости ракеты.
14. Масса топлива должна в несколько раз превышать массу ракеты с полезным грузом, и тогда даже при сравнительно медленном процессе сгорания топлива ракета наберет необходимую скорость.
15. Нет, нельзя. Скорость истечения газов из ракетных двигателей значительно меньше второй космической скорости у поверхности Земли, поэтому эти газы не покинут Землю и не сообщат ей движение.

Микроопыт

Спираль станет «реактивной» - начнет вращаться, причем в сторону, обратную той, куда устремится из нее мыльный раствор, пытающийся растечься по поверхности воды.

1. Двигатель ракеты выбрасывает каждую секунду со скоростью 3 км/с относительно корпуса продукты сгорания топлива массой 10 кг. Определите силу тяги, развиваемую двигателем.
а) 3,3 кН
б) 10 кН
в) 30 кН +

2. На каком законе основано реактивное движение?
а) Закон сохранения энергии
б) Закон сохранения импульса +
в) Закон сохранения массы

3. Пороховая ракеты, летит со скоростью 16 м/с. Движение ракеты вызвано вылетевшими продуктами сгорания массой 24 г со скоростью 600 м/с. чему равна масса ракеты?
а) 0,9 кг +
б) 1,1 кг
в) 1,9 кг

5. Выберите движение, которое является реактивным.
а) Ракета, выбрасывая клубы газа, взлетает с поверхности Земли +
б) Санки, соскользнув с горы и проехав несколько метров, останавливаются
в) Мяч, лежащий на столе вагона, катится вперёд при торможении поезда

6. С неподвижного плота массой 100 кг на берег прыгнул человек массой 60 кг со скоростью 2 м/с, направленной горизонтально. Определить, какую скорость относительно берега приобрёл плот.
а) 3,3 м/с
б) 1,2 м/с +
в) 0,6 м/с

7. Почему ракета увеличивает скорость быстрее в конце разгона?
а) так как скорость газов становится больше
б) так как она уже имеет большую скорость
в) ее масса становится меньше +

8. По льду движется игрок в керлинг вместе с глыбой льда. Их общая скорость 6 м/с. Затем игрок толкает глыбу в направлении своего движения. После этого скорость глыбы становится 9 м/с. Определите скорость игрока после толчка глыбы, если Масса игрока 80 кг, а глыбы 20 кг. Трением коньков о лед пренебречь.
а) 5,25 м/с +
б) 6,5 м/с
в) 8,75 м/с

9. Масса пули в 100 раз меньше массы пистолета. Производится выстрел из пистолета. Модуль
импульса пули, вылетающей из пистолета, равен p. Чему равен модуль импульса пистолета сразу после выстрела?
а) 100p
б) p/100
в) p +

11. Лодка массой 400 кг и баркас массой 1600 кг покоились, а расстояние между ними было 50 м. Затем с лодки стали равномерно подтягивать канат, поданный на баркас. Чему равен путь, пройденный баркасом до встречи с лодкой, если не учитывать сопротивление воды?
а) 10 м +
б) 11 м
в) 40 м

12. Что нужно сделать для того, чтобы увеличить результирующую скорость ракеты при том же количестве выброшенных газов?
а) уменьшить время разгона ракеты
б) увеличить общую начальную массу ракеты
в) уменьшить общую начальную массу ракеты +

13. От чего зависит модуль реактивной силы ракетного двигателя?
а) только от скорости расхода топлива
б) от скорости расхода топлива и от скорости истечения газов из сопла двигателя +
в) только от скорости истечения газов из сопла двигателя

14. Как называется движение, которое совершается за счет опоры от отброшенной части тела?
а) реактивным +
б) отбрасываемым
в) разделяемым

16. Чему равна результирующая скорость ракеты V, если начальная масса ракеты равна М, а масса отброшенных со скоростью v газов равна m?
а) V= -Mv/(M-m)
б) V= -mv/(M-m) +
в) V= -(M-m)v/M

17. Как реактивное движение используют для своего перемещение используют некоторые живые существа: кальмары, осьминоги, каракатицы, медузы?
а) Они резко изменяют форму своего тела
б) Они совершают мощные движения своими щупальцами
в) Они всасывают, а затем с силой выталкивают из себя воду +

18. Почему при включаем воды, конец резинового шланга, свободно лежащего на земле совершает резкое движение в сторону, противоположную направлению струи воды?
а) происходит смещение центра тяжести шланга
б) из-за трения воды о воздух
в) возникает реактивное движение шланга в следствии закона сохранения импульса +

19. Как изменится результирующая скорость ракеты, если скорость истечения газов увеличится вдвое?
а) увеличится вдвое +
б) останется прежней
в) уменьшится вдвое

20. На тележку с песком, равномерно движущуюся без трения по горизонтальной поверхности свободно падает вдоль вертикали свинцовый шар и застревает в песке. Как изменится скорость тележки после падения в неё свинцового шара?
а) увеличится
б) уменьшится +
в) не изменится

21. В соответствии с третьим законом Ньютона, взаимодействия двух тел друг на друга …
а) отличаются в соответствии с импульсами тел
б) равны между собой и направлены в одну сторону
в) равны между собой и направлены в противоположные стороны +

22. Две тележки стоят неподвижно на гладкой горизонтальной поверхности. Между ними находится пружина. Нить, стягивающую пластину, пережигают. Первая тележка приобрела скорость 0,4 м/с, а вторая- 0,8 м/с. Чему равна масса второй тележки, если масса первой тележки 0,6 кг?
а) 0,3 кг +
б) 0,4 кг
в) 1,2 кг

23. Ракета состоит из двух ступеней, и движется со скоростью 9 км/с. Затем первая ступень была отделена, и её скорость стала равной 3 км/с. Чему равна скорость второй ступени после отделения первой, если масса первой ступени 1 т, а масса второй 2 т?
а) 6 км/с
б) 12 км/с +
в) 9 км/с

24. Примером реактивного движения в природе является движение …
а) рыбы
б) бабочки
в) медузы +

25. Находящийся в неподвижной лодке охотник выстрелил из охотничьего карабина в горизонтальном направлении. Определить скорость лодка после выстрела, если её масса вместе с охотником 240 кг, масса пули 9 г, а скорость пули при вылете равна 800 м/с.
а) 3 см/с +
б) 0.3 м/с
в) 3 м/с

26. Максимальная скорость истечения газов из сопла ракетного двигателя равна 4 км/с относительно корпуса ракеты. Возможно ли таким двигателя разогнать ракету до скорости 9 км/с относительно места её запуска?
а) нельзя, так как скорость истечения газов меньше необходимой скорости ракеты
б) можно, так как скорость ракеты зависит только от массы сожжённого топлива +
в) нельзя, так как импульс газов с такой скоростью недостаточен для разгона ракеты.

28. Ракета имеет массу 600 г. Продукты горения массой 15 г вылетели из неё скоростью 800 м/с. Какую скорость приобрела ракета?
а) 100 м/с
б) 200 м/с +
в) 400 м/с

29. Благодаря реактивному движению перемещаются
а) осьминоги, кальмары, ракеты +
б) только ракеты
в) кальмары, ракеты

30. Где ракета полетит быстрее при прочих равных условиях – в воздухе или в космосе?
а) скорость будет одинаковой, воздух не влияет на полет
б) в космосе, где ей не мешает воздух +
в) в воздухе, она опирается о воздух

Асламазов Л.Г. Закон сохранения импульса. Реактивная сила // Квант

Асламазов Л. Закон сохранения импульса. Реактивная сила // Квант. — 1979. — № 10. — С. 49-53.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Одна из возможных формулировок второго закона Ньютона утверждает, что изменение импульса (количества движения) механической системы равно импульсу внешних сил:

где — полный импульс системы, — векторная сумма внешних сил, действующих на систему.

Для замкнутой (изолированной) системы и, следовательно,

— суммарный импульс системы есть величина постоянная. Это — закон сохранения импульса. Он позволяет найти конечные скорости взаимодействующих тел, образующих изолированную систему, не вдаваясь в детали взаимодействия.

Следует помнить, что уравнение (2) — векторное, и ответ может существенно зависеть от направления начальных скоростей тел.

Задача 1. По гладкой горизонтальной поверхности движется тележка массой M со скоростью (рис. 1). В нее стреляют из ружья, причем пуля массой m, летящая со скоростью , застревает в тележке. Какой станет скорость тележки после попадания в нее пули в случае: а) когда скорость пули направлена горизонтально, так же как скорость тележки, б) когда скорость пули направлена вертикально вниз?

Воспользуемся законом сохранения импульса в проекции на направление первоначального движения тележки.

В случае а) получим:

откуда конечная скорость тележки

Как видно, после попадания пули скорость тележки увеличилась.

В случае б) начальный импульс пули не дает проекции на горизонтальное направление, следовательно,

— конечная скорость тележки уменьшилась.

Векторный характер закона сохранения импульса в ряде случаев приводит к неожиданным результатам.

Задача 2. Две одинаковые лодки, в которых находятся два одинаковых спортсмена, движутся по инерции (почти без трения) с одинаковыми скоростями параллельно друг другу пи поверхности озера (рис. 2). Начинает идти дождь. Спортсмен, сидящий в первой лодке, вычерпывает воду из лодки и выливает ее в сторону, а спортсмен во второй лодке спит. Какая из лодок быстрее пройдет одно и то же расстояние? В направлении, перпендикулярном к килю, лодки двигаться не могут.

Как следует из решения задачи 1, при попадании в лодку воды массой m, начальная скорость которой направлена вертикально (дождь!), скорость лодки уменьшается и становится равной по модулю

где M — масса лодки, υ — модуль ее начальной скорости. Отсюда видно, что изменение скорости лодки

тем меньше, чем больше отношение M/m. Поскольку масса дождя, попавшего в лодки, одна и та же, уменьшение скорости будет большим у той лодки, из которой спортсмен вычерпывает воду. Заметим также, что при выбросе воды в сторону скорость лодки не меняется, так как киль не дает ей двигаться в перпендикулярном направлении.

Таким образом, вторая лодка, в которой спортсмен спит, быстрее пройдет заданное расстояние и первой окажется у финиша.

Если система незамкнутая, изменение ее импульса всегда связано с действием внешних сил.

Задача 3. Пучок частиц, имеющих скорость и массу m, падает на пластину площадью S; при этом он частично поглощается, а частично упруго отражается (рис. 3). Какая сила действует на пластину, если концентрация частиц в пучке равна n, а доля поглощенных частиц α? Рассмотреть также случай, когда пластина сама движется со скоростью : а) навстречу пучку, б) в том же направлении, что и налетающие частицы.

Вначале рассмотрим случай неподвижной пластины. Каждая частица, поглощаемая пластиной, передает ей импульс . За время Δt до пластины долетают те частицы, которые находятся в объеме (υ — модуль скорости частиц), то есть

Из них поглощается

и, следовательно, пластине передается импульс

В соответствии с формулой (1) на пластину действует сила , модуль которой равен

При упругом отражении частицы модуль ее скорости, а значит, и модуль импульса частицы не меняются, однако направление вектора импульса меняется на противоположное. Поэтому изменение импульса частицы

Число частиц, отраженных от пластины за время Δt, равно

Следовательно, при отражении частиц пластине передается импульс

что приводит к появлению силы , действующей на пластину. Ее модуль

Полная сила, действующая на пластину, равна по модулю

Для того чтобы найти силу, действующую на движущуюся пластину, перейдем в систему координат, движущуюся со скоростью . В этой системе скорость частиц увеличивается при движении пластины навстречу пучку: и уменьшается при движении пластины в обратном направлении: (здесь υ, u, υ₁ и υ₂ — модули соответствующих скоростей). В остальном все остается таким же, как в случае неподвижной пластины. Следовательно, сила, действующая на пластину, находится по формуле (3), в которой следует υ заменить на υ₁ или υ₂:

В первом случае сила возрастает, во втором—уменьшается.

Особый интерес представляет случай возникновения так называемой реактивной силы , когда из системы с некоторой скоростью выбрасывается часть Δm ее массы. В соответствии с формулой (2)

Величину , равную массе вещества, выбрасываемого за единицу времени, называют обычно расходом вещества.

Задача 4. В воздушном шарике, удерживаемом нитью, в том месте, где крепится нить, появилось отверстие сечением S (рис. 4). Как изменилось натяжение нити, если скорость истечения газа из шарика равна υ? Плотность газа ρ.

Изменение натяжения нити равно по модулю реактивной силе, возникающей при вытекании газа из шарика (изменением выталкивающей силы и веса шарика в начальный момент, пока изменение объема шарика мало, можно пренебречь). За время Δt вытекает объем газа , его масса . Следовательно, расход газа и реактивная сила

Задача 5. Закрепленный воздушный вентилятор потребляет мощность N, его КПД равен η. Какая реактивная сила действует на вентилятор во время его работы? Диаметр лопастей вентилятора D, плотность воздуха ρ.

Обозначим через υ модуль скорости воздушного потока, создаваемого вентилятором. Тогда масса воздуха, приводимого в движение за время Δt, равна , где — площадь сечения воздушного потока (рис. 5), а его кинетическая энергия —

Следовательно, мощность вентилятора

Отсюда можно найти скорость потока воздуха:

и реактивную силу, действующую на вентилятор:

Если механическая система движется с постоянной скоростью, так что изменение ее импульса происходит только вследствие выброса массы, для нахождения реактивной силы удобнее перейти в систему отсчета, связанную с движущимся телом.

Задача 6. На горизонтальной поверхности стоит сосуд с водой, закрытый легким подвижным поршнем, на котором лежит тяжелый груз массой M (рис. 6). У дна сосуда имеется отверстие сечением s, через которое вытекает вода. Какова установившаяся скорость движения сосуда, если сила трения между сосудом и поверхностью пропорциональна скорости сосуда, причем коэффициент пропорциональности равен k. Площадь сечения сосуда S.

Искомая скорость (точнее, ее модуль υ) определяется из условия равенства модулей силы трения и реактивной силы, действующей на сосуд:

Чтобы найти реактивную силу, перейдем в систему отсчета, движущуюся со скоростью . В этом системе сосуд неподвижен. Для определения модуля u скорости истечения воды воспользуемся законом сохранения энергии.

При вытекании небольшого количества воды массой Δm изменение кинетической энергии воды равно изменению потенциальной энергии воды Δm·g·h (h — высота уровня воды в сосуде) и груза M·g·Δh (Δh — перемещение груза, равное изменению уровня воды):

Изменение уровня воды в сосуде Δh выражается через массу Δm вытекающей воды: . Подставляя это выражение в закон сохранения энергии и сокращая на Δm, для скорости u истечения воды получим

Если груз достаточно тяжелый (то есть его масса много больше массы воды в сосуде: ), первым слагаемым под корнем можно пренебречь. В таком случае скорость истечения воды практически постоянна, и равна

Теперь можно найти реактивную силу, действующую на сосуд:

и скорость движения сосуда:

Задача 7. Из ракеты массой М, движущейся со скоростью , выбрасывается порция топлива m со скоростью относительно ракеты. Какой станет скорость ракеты? Какую скорость будет иметь ракета после выброса двух таких порций, трех порций, k порций (рис. 7)?

Воспользуемся законом сохранения импульса. Удобнее написать его в системе отсчета, движущейся с первоначальной скоростью ракеты (так как скорость выброса топлива задана относительно ракеты). В проекции на направление движения ракеты получим

откуда скорость ракеты

В неподвижной системе отсчета скорость ракеты после выброса первой порции топлива равна по модулю

Выброс второй порции топлива будем рассматривать в системе, движущейся со скоростью (на рисунке 7 выброс топлива показан в неподвижной системе отсчета). Из закона сохранения импульса имеем

а в неподвижной системе

Легко видеть, что после k выбросов скорость ракеты будет равна

Для сравнения найдем также скорость ракеты при одноразовом выбросе топлива массой k·m с той же скоростью относительно ракеты. Для этого опять воспользуемся законом сохранения импульса, только запишем его сразу относительно неподвижной системы отсчета:

Легко видеть, что . Такой результат связан с предположением, что скорость выброса топлива из ракеты в неподвижной системе отсчета постоянна и равна υ – u. В действительности по мере ускорения ракеты скорость выброса топлива уменьшается (постоянна скорость выброса относительно ракеты). Поэтому первая формула для υ_k более точно описывает реальную ситуацию.

1. Нейтрон массой m₀ поглощается ядром неподвижного атома массой m. Известно, что энергия возбужденного атома может отличаться от энергии основного состояния только на определенное значение Е₀. С какой скоростью двигался нейтрон?

2. Ракета, запущенная вертикально вверх, взрывается в высшей точке своего подъема. При взрыве образуются три осколка равной массой. Один осколок падает в месте старта ракеты. Два других падают на Землю в один и тот же момент. Показать, что эти осколки приземляются на одном и том же расстоянии от места старта ракеты.

3. С какой силой давит на землю кобра, когда она, готовясь к прыжку, поднимается вертикально со скоростью ? Масса змеи М, ее длина L.

4. Лестница, на которой находится человек, уравновешена противовесом на веревке, перекинутой через блок. Масса человека равна массе лестницы, а масса блока и трение пренебрежимо малы. Человек, находящийся вначале на высоте h от пола, поднимается по лестнице на n ступенек. На какой высоте от пола он окажется после этого, если расстояние между ступеньками равно l?

5. На конце соломинки, лежащей на гладком столе, сидит кузнечик. С какой наименьшей скоростью он должен прыгнуть, чтобы попасть на другой конец соломинки? Трение между столом и соломинкой отсутствует. Масса соломинки М, ее длина l. Масса кузнечика m.

6. Скорость истечения газов из сопла ракеты равна 300 м/с относительно ракеты. Может ли такой двигатель разогнать ракету до скорости 600 м/с?

7. При испытании реактивного снаряда, установленного в хвосте самолета для защиты его от нападения сзади, был обнаружен удивительный факт: при пуске снаряд разворачивался и догонял самолет. Как можно объяснить это явление?

2. Указание. Воспользуйтесь законом сохранения импульса.

6. Может (реактивная сила определяется значением скорости истечения газов относительно ракеты).

7. Непосредственно после вылета из ракеты снаряд движется в ту же сторону, что и ракета, то есть вперед. Через некоторое время стабилизаторы разворачивают снаряд, затем под действием реактивной силы он разгоняется и может догнать самолет.

Расчёт сопел современных ракетных двигателей

Сопло ракетного двигателя- техническое приспособление, которое служит для ускорения газового потока, проходящего по нему до скоростей, превышающих скорость звука. Основные виды профилей сопел приведены на рисунке:

По причине высокой эффективности ускорения газового потока, нашли практическое применение сопла Лаваля. Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами:

В ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано генералом М. М. Поморцевым в 1915 году. В ноябре 1915 года в Аэродинамический институт обратился генерал М. М. Поморцев с проектом боевой пневматической ракеты.

Ракета Поморцева приводилась в движение сжатым воздухом, что существенно ограничивало ее дальность, но зато делало ее бесшумной. Ракета предназначалась для стрельбы из окопов по вражеским позициям. Боеголовка оснащалась тротилом.

В ракете Поморцева было применено два интересных конструктивных решения: в двигателе имелось сопло Лаваля, а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор. Подобные конструкции используются и в настоящее время, но уже с твёрдотопливным двигателем и системой автоматического наведения:

Однако проблемы остались старые, но уже в современном исполнении: ограниченная дальность до 3 км., наведение и удержание цели в условиях хорошей видимости, что для настоящего боя не реально, не защищённость от электромагнитных заградительных помех и, наконец, но не в последнюю очередь, высокая стоимость.

Теоретические основы

Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчётов. Основное уравнение, связывающее градиент площади сечения, градиент скорости и число Маха, следующее:

где: S – площадь сечения сопла; v – скорость газа; M – число Маха (отношение скорости газа в какой-либо точке потока к скорости звука в этой же точке).

Анализируя это соотношение, получаем, что в сопле Лаваля могут осуществляться следующие режимы течения:

1) M <1 – поток на входе дозвуковой: [1]
а) <0, тогда >0 (из уравнения). Дозвуковой поток в сужающемся канале ускоряется.
б) >0, тогда <0. Дозвуковой поток в расширяющемся канале тормозится.
2) M>1 – поток на входе сверхзвуковой:
а) <0, тогда <0. Сверхзвуковой поток в сужающемся канале тормозится.
б) >0, тогда >0. Сверхзвуковой поток в расширяющемся канале ускоряется.
3) = 0 – самое узкое место сопла, минимальное сечение.
Тогда возможно либо М = 1 (поток переходит через скорость звука), либо = 0 (экстремум скорости).

Какой из режимов реализуется на практике, зависит от перепада давлений между входом в сопло и окружающей средой.

Если давление, достигаемое в критическом сечении, превышает наружное давление, то поток на выходе из сопла будет сверхзвуковым. В противном случае он остается дозвуковым. [2]

— условие сверхзвукового истечения.

где: p* – давление торможения (давление в камере); pкр – давление в критическом сечении сопла; pнар – давление в окружающей среде; k – показатель адиабаты.

Если известны параметры в камере сгорания, то параметры в любом сечении сопла можно узнать по следующим соотношениям:

или ;

температуру:

/>или ;

или ;

или .

В этих формулах – λ – приведенная скорость, отношение скорости газа в данном сечении сопла к скорости звука в критическом сечении, R – удельная газовая постоянная. Индексом «*» обозначены параметры торможения (в данном случае – параметры в камере сгорания).

Постановка задачи

1. Рассчитать параметры течения потока газов в сопле Лаваля: для этого профиль сопла Лаваля разбивается на 150 контрольных точек – . Разбиение осуществляем таким образом, чтобы минимальное сечение располагалось в точке . Определяются значения газодинамических функций давления, плотности и температуры в каждом сечении.

2. Расчёты выполнить средствами высокоуровневого свободно распространяемого языка программирования Python по следующей расчётной схеме и исходным данным:

Рисунок 1-Профиль сопла Лаваля

Таблица 1-Исходные данные

Приведенные исходные данные носят демонстрационный характер.

Расчёт сопла Лаваля средствами Python

Для продолжения решения задачи на Python, нужно связать λ – приведенную скорость газа с координатой x вдоль продольной оси. Для этого я воспользовался функцией fsolve из библиотеки SciPy со следующей инструкцией:

fsolve(<функция>,<стартовая точка>,xtol=1.5 · 10^8)

Привожу фрагмент программы для управления решателем с одной стартовой точкой:

Это единственно возможное на Python решение сложного алгебраического уравнения со степенной функцией от показателя адиабаты k. Например, даже для упрощённого уравнения с использованием библиотеки SymPy, получим недопустимое время расчёта только одной точки:

Время работы решателя: 195.675
0.16
1.95

Время работы программы: 0.222

Полученная эпюра распределения скоростей газового потока полностью соответствует изложенной выше теории. При этом, по предложенному алгоритму и библиотеке, время расчёта в 150 точках в 1000 раз меньше, чем для одной точки с использованием solve sympy.

Время работы программы: 0.203

Вывод

Температура на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое -0.203.

Время работы программы: 0.203

Вывод

Давление на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое -0.203.

Возникновение силы тяги от действия давления газа схематично показано на рисунке:

Время работы программы: 0.203

Вывод

Плотность газа на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое.

Читайте также:

  
• 406 двигатель газель плюсы и минусы
  
• Ремонт двигателя шевроле орландо
  
• Сколько масла заливается в двигатель рено флюенс
  
• Форд транзит клапан подачи топлива
  
• Замена ремня грм ауди 100 v6