РЕАКТИВНИЙ РУХ

«Практичні відносини робляться лише з загальних начал, лише за знайомстві з абстрактами, які до них належать».

Серед великих технічних та наукових досягнень XX століття одне з перших місць, безперечно, належить ракетам та теорії реактивного руху. Роки Другої світової війни (1941-1945) призвели до надзвичайно швидкого вдосконалення конструкцій реактивних апаратів. На полях битв знову з'явилися порохові ракети, але вже на більш калорійному бездимному тротилі - піроксіліновому пороху («катюші»). Було створено літаки з повітряно-реактивними двигунами, безпілотні літаки з пульсуючими повітряно-реактивними двигунами (Фау-1) та балістичні ракети з дальністю польоту до 300 км (Фау-2).

Ракетна техніка стає зараз дуже важливою галуззю промисловості, що швидко зростає. Розвиток теорії польоту реактивних апаратів - одна з нагальних проблем сучасного науково-технічного розвитку.

До. е.. Ціолковський багато зробив для пізнання основ теорії руху ракет. Він був першим в історії науки, хто сформулював та досліджував проблему вивчення прямолінійних рухів ракет, виходячи із законів теоретичної механіки.

Найпростіший реактивний двигун на рідкому паливі є камерою, схожою формою на горщик, в якому жителі сільських місцевостей зберігають молоко. Через форсунки, розташовані на днищі цього горщика, відбувається подача рідкого пального та окислювача в камеру горіння. Подача компонентів палива розраховується таким чином, щоб забезпечити повне згоряння. У камері згоряння (мал.3) відбувається запалення палива, і продукти горіння - гарячі гази - з великою швидкістю викидаються через спеціально профільоване сопло. їх стисненим нейтральним газом (наприклад, азотом). рис. 4 наведено фотографію реактивного двигуна німецької ракети Фау-2.

Струменя гарячих газів, що викидається з сопла реактивного двигуна, створює реактивну силу, що діє на ракету в бік, протилежну швидкості частинок струменя. секундної витрати через вагу частинок у кілограмах, поділених на прискорення сили тяжіння , то реактивна сила буде виходити в кілограмах. Візьмемо, наприклад, реактивний двигун, в якому кожну секунду згорає 4,9 кг палива. , буде рівна

У німецької ракети Фау-2 ваговий секундний витрата становить у середньому 127,4 кг.

Наведені приклади показують, що реактивна сила тим більша, чим більша секундна витрата палива і чим більша відносна швидкість відкидання частинок.

У деяких випадках для спалювання пального в камері реактивного двигуна доводиться забирати повітря з атмосфери.Тоді в процесі руху реактивного апарату відбувається приєднання частинок повітря та викидання нагрітих газів. Ми отримуємо так званий повітряно-реактивний двигун. Найпростішим прикладом повітряно-реактивного двигуна буде звичайна трубка, відкрита з обох кінців, усередині якої розміщений вентилятор. Якщо змусити вентилятор працювати, то він засмоктуватиме повітря з одного кінця трубки і викидатиме його через інший кінець. Якщо в трубку, в простір за вентилятором, впорснути бензин і підпалити його, то швидкість гарячих газів, що виходять з трубки, буде значно більша, ніж вхідних, і трубка отримає тягу в бік, протилежний струменю газів, що викидаються з неї. Роблячи поперечний переріз трубки (радіус трубки) змінним, можна відповідним підбором цих перерізів по довжині трубки досягти дуже великих швидкостей закінчення газів, що викидаються. Щоб не возити з собою двигун для обертання вентилятора, можна змусити струмінь поточних газів по трубці обертати його з потрібним числом оборотів. Деякі труднощі виникатимуть лише під час запуску такого двигуна. Найпростіша схема повітряно-реактивного двигуна була запропонована ще 1887 року російським інженером Гешвендом.

Ідея використання повітряно-реактивного двигуна для сучасних типів літаків була з великою ретельністю самостійно розроблена К.Е. Ціолковським. Він дав перші у світі розрахунки літака з повітряно-реактивним двигуном та турбокомпресорним гвинтовим двигуном.Прямоточного повітряно-реактивного двигуна, у якого рух частинок повітря по осі труби створюється за рахунок початкової швидкості, отриманої ракетою від будь-якого іншого двигуна, а подальший рух підтримується за рахунок реактивної сили, обумовленої збільшеною швидкістю відкидання частинок порівняно зі швидкістю частинок, що входять.

Енергія руху повітряного реактивного двигуна виходить за рахунок спалювання пального, як і в простій ракеті. Таким чином, джерелом руху будь-якого реактивного апарату є запасена в цьому апараті енергія, яку можна перетворити на механічне рух викидаються з апарату з великою швидкістю частинок речовини. Як тільки буде створено викидання таких частинок з апарату, він отримує рух у бік, протилежний струменю частинок, що вивергаються.

Спрямований відповідним чином струмінь частинок, що викидаються - основне в конструкціях всіх реактивних апаратів. Методи отримання потужних потоків часток, що вивергаються, дуже різноманітні. Проблема отримання потоків частинок, що відкидаються, найпростішим і найбільш економічним способом, розробка методів регулювання таких потоків - важливе завдання винахідників і конструкторів.

Якщо розглянути рух найпростішої ракети, легко зрозуміти, що її вага змінюється, оскільки частина маси ракети згоряє і відкидається з часом. Ракета є тіло змінної маси. Теорія руху тіл змінної маси створена наприкінці ХІХ століття в Росії І.В. Мещерським та К.Е. Ціолковським.

Чудові роботи Мещерського та Ціолковського чудово доповнюють одна одну.Вивчення прямолінійних рухів ракет, проведене Ціолковським, суттєво збагатило теорію руху тіл змінної маси завдяки постановці нових проблем. На жаль, роботи Мещерського не були відомі Ціолковському, і він у ряді випадків повторював у своїх роботах більш ранні результати Мещерського.

Вивчення руху реактивних апаратів становить великі труднощі, оскільки під час руху вага будь-якого реактивного апарату значно змінюється. Вже зараз існують ракети, у яких під час роботи двигуна вага зменшується у 8-10 разів. Зміна ваги ракети в процесі руху не дозволяє використовувати безпосередньо формули і висновки, які отримані в класичній механіці, що є теоретичною базою розрахунків руху тіл, вага яких постійна під час руху.

Відомо також, що в тих завданнях техніки, де відбувалося мати справу з рухом тіл змінної ваги (наприклад, у літаків з великими запасами пального), завжди передбачалося, що траєкторію руху можна розділити на ділянки і вважати на кожній окремій ділянці вага тіла, що рухається постійним. Таким прийомом важке завдання вивчення руху тіла змінної маси заміняли простішим і вже вивченим завданням про рух тіла постійної маси. Вивчення руху ракет як тіл змінної маси було поставлено на твердий науковий ґрунт До. е.. Ціолковським. Ми називаємо тепер теорію польоту ракет ракетодинамікою. Ціолковський є основоположником сучасної ракетодинаміки. Опубліковані праці К.Е. Ціолковського з ракетодинаміки дозволяють встановити послідовний розвиток його ідей у ​​цій новій галузі людського знання.Які ж основні закони, які керують рухом тіл змінної маси? Як розраховувати швидкість польоту реактивного апарату? Як знайти висоту польоту ракети, випущеної вертикально? Як вибратися на реактивному приладі за межі атмосфери – пробити «панцир» атмосфери? Як подолати тяжіння землі – пробити «панцир» тяжіння? Ось деякі з питань, розглянутих та вирішених Ціолковським.

На наш погляд, найдорожчою ідеєю Ціолковського в теорії ракет є додавання до класичної механіки Ньютона нового розділу - механіки тіл змінної маси. Зробити підвладною людському розуму нову велику групу явищ, пояснити те, що бачили багато хто, але не розуміли, дати людству нову потужну зброю технічних перетворень - ось ті завдання, які ставив перед собою геніальний Ціолковський. Весь талант дослідника, вся оригінальність, творча самобутність та надзвичайний зліт фантазії з особливою силою та продуктивністю виявились у його роботах з реактивного руху. Він на десятиліття наперед передбачив шляхи розвитку реактивних апаратів. Він розглянув ті зміни, яким мала зазнати звичайна феєрверкова ракета, щоб стати потужним знаряддям технічного прогресу в новій галузі людського знання.

В одній зі своїх робіт (1911 р.) Ціолковський висловив глибоку думку про найпростіші застосування ракет, які були відомі людям дуже давно. Такі жалюгідні реактивні явища ми зазвичай і спостерігаємо на землі. Ось чому вони нікого не могли заохотити до мрій та досліджень. Тільки розум і наука могли вказати на перетворення цих явищ на грандіозні, майже незбагненні почуття» 99 До. е.. Ціолковський. Праці з ракетної техніки.Оборонгіз, 1947, стор. 60..

При польоті ракети на порівняно невеликих висотах на неї діятимуть три основні сили: сила тяжіння (сила ньютоновського тяжіння), аеродинамічна сила, обумовлена ​​наявністю атмосфери (зазвичай цю силу розкладають на дві: підйомну і лобового опору), і реактивна сила, обумовлена ​​процесом частинок із сопла реактивного двигуна. Якщо зважати на всі зазначені сили, то завдання вивчення руху ракети виходить досить складним. Природно тому розпочати теорію польоту ракети з найпростіших випадків, коли деякі з сил можна знехтувати. Ціолковський у своїй роботі 1903 року насамперед досліджував, які можливості містить у собі реактивний принцип створення механічного руху, не враховуючи дії аеродинамічної сили та сили тяжіння. Такий випадок руху ракети може бути при міжзоряних перельотах, коли силами тяжіння планет сонячної системи та зірок можна знехтувати (ракета знаходиться досить далеко і від сонячної системи і від зірок – у «вільному просторі» – за термінологією Ціолковського). Це завдання називають зараз першим завданням Ціолковського. Рух ракети у разі обумовлено лише реактивної силою. При математичному формулюванні завдання Ціолковський вводить припущення про сталість відносної швидкості відкидання частинок. При польоті в порожнечі це припущення означає, що реактивний двигун працює при режимі, що встановився, і швидкості витікаючих частинок у вихідному перерізі сопла не залежать від закону руху ракети.

Ось як доводить цю гіпотезу Костянтин Едуардович у своїй роботі «Дослідження світових просторів реактивними приладами».«Щоб снаряд отримав найбільшу швидкість, треба, щоб кожна частка продуктів горіння чи іншого покидька отримала найбільшу відносну швидкість.

Вона ж стала для певних речовин покидька. . Економія енергії тут повинна мати місця: вона неможлива і невигідна. Іншими словами: основою теорії ракети треба прийняти постійну відносну швидкість частинок покидька».

Ціолковський складає та докладно досліджує рівняння руху ракети при постійній швидкості частинок покидьку та отримує дуже важливий математичний результат, відомий зараз як формула Ціолковського.

Якщо позначити буквою швидкість ракети в момент, коли її маса дорівнює а через позначити постійну швидкість частинок, що відкидаються з сопла двигуна, то формула Ціолковського матиме такий вигляд:

де - Маса ракети в момент старту, коли її швидкість дорівнює нулю; - Знак десяткового логарифму.

Ділянку польоту ракети при двигуні називають активним ділянкою польоту.

Швидкість ракети наприкінці активної ділянки буде найбільшою.

Якщо маса ракети при повністю витраченому паливі дорівнюватиме , а найбільша швидкість, то з формули Ціолковського випливає, що

Нехай відношення початкової маси (ваги) ракети до маси (ваги) в кінці горіння дорівнює 10 і нехай відносна швидкість частинок, що відкидаються, дорівнює , тоді максимальна швидкість ракети буде дорівнює

З формули Ціолковського для максимальної швидкості випливає, що:

• а). Швидкість руху ракети в кінці роботи двигуна (наприкінці активної ділянки польоту) буде тим більша, чим більша відносна швидкість частинок, що відкидаються. Якщо відносна швидкість закінчення подвоюється, то швидкість ракети зростає вдвічі.
• б).Швидкість ракети наприкінці активної ділянки зростає, якщо збільшується ставлення початкової маси (ваги) ракети до маси (ваги) ракети наприкінці горіння. Однак тут залежність складніша, вона дається наступною теоремою Ціолковського:

«Коли маса ракети плюс маса вибухових речовин, що є в реактивному приладі, зростає в геометричній прогресії, то швидкість ракети збільшується в арифметичній прогресії». Цей закон можна висловити двома рядами чисел:

Хто створив теорію реактивного руху?

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

2021 року людство відзначало 60 років з моменту першого польоту Ю.А. Гагаріна в просторі. Я подивився з батьками велику кількість документальних фільмів та передач на цю тему, зокрема передачі про перший вихід людини у відкритий космос.

Тоді я запитав, що робити космонавту, який для обслуговування космічного корабля, з ящиком інструментів вийшов у відкритий космос, а трос, що зв'язує його з кораблем, несподівано відчепився і людина почала повільно відлітати геть. Для відповіді на це запитання та взагалі для повного розуміння того, як стало можливим вирушити до космосу, батьки порадили мені вивчити тему «Реактивний рух».

Нині всім закоми такі поняття як «реактивний рух», «реактивний двигун», «ракета». Ми вже давно звикли до того, що літають літаки, людина підкорила космічний простір, в автомобілях ми використовуємо навігатори, які отримують сигнали з космічних супутників, а на свята ми запускаємо феєрверки.

Щоб сьогодні все це було звичайним, працювали багато вчених та інженерів, ставилися численні досліди та експерименти.

Мета роботи: вивчити принципи реактивного руху та основи роботи реактивного двигуна.

Завдання моєї дослідницької роботи:

1. вивчити історію розвитку наукових знань про реактивний рух
2. вивчити технічні розробки та пристрій реактивного двигуна
3. у домашніх умовах повторити модель механізму Герона для наочного вивчення принципу реактивного руху
4. поставити експеримент із запуску моделі ракети
5. виявити перспективні напрями розвитку науки та техніки у галузі ракетобудування

Предмет та об'єкт дослідження: реактивний рух, його механіка, схеми реактивного двигуна та ракет.

Методи дослідження: збір, аналіз та узагальнення інформації, експеримент, досвід-конструювання.

Отримані результати:

- вивчено приклади реактивного руху в живій природі

- вивчено використання здобутих наукових знань людиною у техніці

- сконструйовано модель першого реактивного двигуна Герона

- поставлено експеримент із запуску моделі ракети на базі сучасного порохового реактивного двигуна.

Висновки: Вивчення принципів реактивного руху ведеться людиною вже понад 2000 років. Як і багато інших наукових відкриттів, реактивний рух бере початок у спостереженнях за живою природою. транспорту та ін.

Провівши свою дослідницьку роботу, я дізнався, що технології, які є зараз, не дають людству можливості для подальшого розвитку. Поліпшуються лише окремі показники. Тому очевидною є необхідність удосконалення розробок та створення механізмів на нових фізичних засадах.

На початку мого дослідження я вирішив знайти визначення реактивного руху. Що це таке? Наукове розуміння цього вперше сформулювали вчені у 17-18 столітті Рене Декарт та Ісаак Ньютон.

Так, третій закон Ньютона каже, що й два предмети взаємодіють друг з одним, то сила, з якою перший предмет діє другий, дорівнює силі, з якою другий, діє перший. Таким чином, футболіст при ударі по м'ячу отримує удар по нозі тієї ж сили, що й м'яч.

А Рене Декарт сформулював закон збереження імпульсу (кількість руху = маса * швидкість), який говорить про те, що якщо цілісний предмет поділяється на 2 частини за допомогою внутрішньої сили, то кожна частина отримає рівну кількість руху, і воно буде направлено в різні боки .

Таким чином, РЕАКТИВНИЙ РУХ – це особливий вид руху тіл, що виникає за рахунок відокремлення від нього будь-якої його частини з певною швидкістю. Для виникнення реактивного руху не потрібно взаємодії з іншими предметами та зовнішнім середовищемпри цьому необхідне внутрішнє джерело енергії (сили).

Чим більша маса частини, що відокремлюється, і її швидкість, тим більша реактивна сила.

Коли ми говоримо «реактивний рух», то відразу уявляємо собі ракету чи літак.Однак, коли я працював над своїм дослідженням, я був здивований тим, що явище реактивного руху насправді набагато давніше за саму людину, адже воно з'явилося задовго до нас. Воно не є винаходом людини, а відноситься до основних законів фізики у нашій природі. У живій природі цей принцип використовується вже мільйони років. Яскравим прикладом використання реактивного руху у рослин є «шалений огірок», стиглі плоди якого під тиском від'єднуються від стебла, і сам плід і насіння розлітаються в різних напрямках.

Медузи, каракатиці, восьминоги та кальмари також використовують реактивні сили, тільки замість відділення частин вони виштовхують під великим тиском воду, за рахунок чого набувають прискорення. Коли я читав про це під час підготовки свого дослідження, я справді згадав, як спостерігав, за незвичайним рухом медуз під час свого відпочинку на морі.

У кальмара, мабуть, найцікавіший реактивний двигун, створений природою, цілком справедливо їх називають живими торпедами. Адже навіть тіло цих тварин за своєю формою нагадує ракету, оптимальну з погляду зменшення опору під час руху.

Якщо кальмару необхідно зробити швидкий кидок, він використовує свій природний реактивний двигун - його тіло оточене мантією, особливою м'язовою тканиною і половина об'єму всього кальмара становить порожнину, в яку він всмоктує воду. Потім він різко викидає набраний струмінь води через вузький отвір, при цьому складаючи всі свої шість щупалець над головою таким чином, щоб набути найбільш обтічної форми. Виявляється, що завдяки досконалій реактивній навігації кальмари можуть досягати вражаючої швидкості - 60-70 км на годину.Відомий також вид кальмара, що літає, схема польоту якого представлена ​​на малюнку вище.

Спостерігаючи за живою природою, багато вчених замислювалися над механікою реактивного руху ще в стародавньому світі. подивився дуже цікавий документальний фільм про цю людину і був дуже здивований тим, що до його заслуг відносяться такі винаходи, як автоматичні двері, автоматичний театр ляльок, автомат для продажу питної води, швидкострільний арбалет, що самозаряджається, автоматичні декорації для театру, прилад для вимірювання протяжності доріг і багато іншого Уявіть собі, і все це 2000 років тому! першого прототипу реактивного двигуна – Еоліпіл, у перекладі з грецької «куля Бога вітрів Еола».

У своїй роботі він використав енергію пари і побудував макет, представлений на малюнку. Прилад являв собою бронзовий котел на опорах, в якому кипіла вода. сферу і далі через відвідні трубки виривався назовні. Таким чином, при відділенні пари з силою від конструкції виникала обернена сила, що приводить у обертальний рух саму сферу.

На жаль, далі теорії і перших дослідів Герон не просунувся, хоча був досить близьким до створення повноцінного двигуна, у тому числі на паровій тязі, що на багато століть міг би прискорити настання промислової революції 19-20 століть н.е.

Також є документально підтверджені розробки китайських інженерів наприкінці першого тисячоліття н.е. зі створення перших ракет. Китайці, як першовідкривачі пороху, придумали начиняти їм бамбукові трубки. Дуже цікаво, що на першому етапі це були феєрверки для забави, згодом винахід знайшов застосування у військовій справі як сигнальна зброя.

Пізніше в 17 столітті згадуваний мною Ісаак Ньютон, вивчаючи роботи Герона, замислювався про створення реактивного транспорту і робив ескізні малюнки автомобіля на реактивній тязі, розробки так і залишилися в теорії.

Досліджуючи тему далі, дізнався, що наступним етапом розвитку ідеї використання реактивного руху вважатимуться ідеї Миколи Івановича Кибальчича (1853-1881г.). Він описував уже пілотований людиною літальний апарат у вигляді платформи з отвором у центрі. Над цим отвором він пропонував встановити циліндричну вибухову камеру, в якій містився пороховий заряд. Після старту машина спочатку мала набрати висоту, а потім перейти в горизонтальний політ. Стійкість апарату при польоті та м'яка посадка забезпечувалася продуманим розміщенням центру ваги та «регуляторами руху у вигляді крил».

Відомий своїми роботами видатний учений Костянтин Едуардович Ціолковський (1857-1935). Він був захоплений питаннями підкорення космосу та можливістю міжпланетних польотів людини. 1903 року К.Е. Ціолковський опублікував свою класичну працю «Дослідження світових просторів реактивними приладами». Я дізнався, що саме в ньому вперше була науково обґрунтовано можливість здійснення космічних польотів за допомогою ракети та дано основні розрахункові формули її польоту та необхідної швидкості.Ціолковський показав, що для ракет дальньої дії найбільш ефективним є двигун, що працює на рідкому паливі з окислювачем (забезпечують горіння/вибух), і дав принципову схему такого двигуна, а також обґрунтував ідею ракетного поїзда, який складався з комплексу ракет (східців). , що працюють по черзі. Таким чином, була створена база для початку промислових експериментів та розробок потужних реактивних двигунів на принципі - чим більше маса частини (згоряючого палива), що відокремлюється, і її швидкість викиду, при найменшій масі інших систем, тим більше реактивна сила.

Сьогодні через 2000 років після першого прототипу Герона за допомогою батьків я повторив цей експеримент. У будівельному магазині ми закупили необхідні деталі та сконструювали установку. На фото в Додаток №1 представлені основні етапи експерименту та конструкторські рішення, а як джерело енергії ми використовували не нагріту пару, а сучасний пневматичний компресор, основний принцип роботи реактивної сили при цьому не змінюється.

В результаті нам удалося отримати працюючу модель установки Герона. Навіть з урахуванням того, що ми використовували підручні засоби і не робили детальних розрахунків, сфера досить швидко починає рухатися і стабільно обертається. При цьому добре відчувається реактивний струмінь повітря на виході.

У рамках проекту ми з батьками вирішили провести ще один експеримент, детально описаний у Додаток №2. Для проведення експерименту ми зібрали ракету найпростішої конструкції з компонентів авіамоделювання. Її загальна схема представлена ​​малюнку.Схема запуску ракети передбачена багаторазова, за рахунок використання малого ракетного двигуна (МРД) з двома пороховими зарядами – один безпосередньо наводить ракету в рух, другий – спрацьовує із затримкою за часом та викидає парашут, ракета м'яко повертається на землю. Для старту двигуна використовували електричний детонатор, який спалахує паливо ракети при замиканні електричного ланцюга.

Основні етапи експерименту:

1. Беремо 2 предмети – тенісний м'яч і зібрану модель ракети (для цього конкретного експерименту модель ракети була запущена без парашута для того, щоб не спотворювати показники падіння предмета на землю);
2. Проводимо зважування 2 предметів;
3. Виконуємо запуск 2 предметів вертикально догори: тенісний м'яч запускаємо м'язової силою мого тата, ракету – використовуючи пороховий заряд;
4. Вимірюємо час падіння від найвищої точки польоту до землі;
5. Проводимо розрахунок досягнутої висоти (за допомогою батьків).

Звичайно, умови вимірювань не є досить точними, але загальне уявлення про те, яка велика енергія може бути найпростішою конструкції саморобної ракети, можна отримати з таблиці.

Джерело сили запуску

Час вільного падіння, секунд

Реактивний рух

Закони Ньютона дозволяють пояснити дуже важливе механічне явище. реактивний рух. Так називають рух тіла, що виникає при відокремленні від нього з якоюсь швидкістю деякої його частини.

Візьмемо, наприклад, дитячу гумову кульку, надуємо її і відпустимо. Ми побачимо, що коли повітря почне виходити з нього в один бік, сама кулька полетить в інший. Це і є реактивний рух.

За принципом реактивного руху пересуваються деякі представники тваринного світу, наприклад кальмари та восьминоги. Періодично викидаючи воду, що вбирається в себе, вони здатні розвивати швидкість до 60—70 км/год. Аналогічним чином переміщуються медузи, каракатиці та деякі інші тварини.

Приклади реактивного руху можна знайти й у світі рослин. Наприклад, дозрілі плоди «шаленого» огірка при найлегшому дотику відскакують від плодоніжки і з отвору, що утворився на місці ніжки, що звільнилася, з силою викидається гірка рідина з насінням; самі огірки при цьому відлітають у протилежному напрямку.

Реактивний рух, що виникає під час викиду води, можна спостерігати на наступному досвіді. Наллємо воду у скляну лійку, з'єднану з гумовою трубкою, що має Г-подібний наконечник (рис. 20). Ми побачимо, що коли вода почне виливатися з трубки, сама трубка почне рухатися і відхилиться у бік, протилежний напряму витікання води.

На принципі реактивного руху засновані польоти ракет. Сучасна космічна ракета є дуже складним літальним апаратом, що складається з сотень тисяч і мільйонів деталей. Маса ракети величезна. Вона складається з маси робочого тіла (тобто розпечених газів, що утворюються в результаті згоряння палива і викидаються у вигляді реактивного струменя) і кінцевої або, як кажуть, «сухої» маси ракети, що залишається після викиду з ракети робочого тіла.

«Суха» маса ракети, у свою чергу, складається з маси конструкції (тобто оболонки ракети, її двигунів та системи керування) та маси корисного навантаження (тобто наукової апаратури, корпусу, що виводиться на орбіту космічного апарату, екіпажу та системи життєзабезпечення корабля).

Принаймні закінчення робочого тіла звільнені баки, зайві частини оболонки тощо. буд. починають обтяжувати ракету непотрібним вантажем, ускладнюючи її розгін. Тому для досягнення космічних швидкостей застосовують складові (або багатоступінчасті) ракети (рис. 21). Спочатку в таких ракетах працюють лише блоки першого ступеня 1. Коли запаси палива в них закінчуються, вони відокремлюються і включається другий ступінь 2; після вичерпання в ній палива вона також відокремлюється і включається третій ступінь 3. Супутник або який-небудь інший космічний апарат, що знаходиться в головній частині ракети, прихований головним обтічником 4, обтічна форма якого сприяє зменшенню опору повітря при польоті ракети в атмосфері Землі.

Коли реактивний газовий струмінь з великою швидкістю викидається з ракети, сама ракета прямує у протилежний бік. Чому це відбувається?

Згідно з третім законом Ньютона, сила F, з якою ракета діє на робоче тіло, дорівнює за величиною і протилежна за напрямом силі F', з якою робоче тіло діє на корпус ракети:

Сила F' (яку називають реактивною силою) і розганяє ракету.

З рівності (10.1) випливає, що імпульс, що повідомляється тілу, дорівнює добутку сили на час її дії. Тому однакові сили, що діють протягом того самого часу, повідомляють тілам рівні імпульси. В даному випадку імпульс m_рv_р, що купується ракетою, повинен пульсу m_газv_газ викинутих газів:

Звідси випливає, що швидкість ракети

Проаналізуємо отриманий вираз. Ми бачимо, що швидкість ракети тим більша, чим більша швидкість газів, що викидаються, і чим більше відношення маси робочого тіла (тобто маси палива) до кінцевої («сухої») маси ракети.

Формула (12.2) є наближеною.У ній не враховується, що в міру згоряння палива маса ракети, що летить, стає все менше і менше. Точна формула для швидкості ракети вперше була отримана в 1897 р. К. Е. Ціолковським і тому носить його ім'я.

Формула Ціолковського дозволяє розрахувати запаси палива, необхідні для повідомлення ракеті заданої швидкості.

Наприклад, для повідомлення ракеті швидкості, що перевищує швидкість витікання газів у 4 рази (v_р=16 км/с), необхідно, щоб початкова маса ракети (разом з паливом) перевищувала кінцеву («суху») масу ракети в 55 разів (m₀/m = 55). Це означає, що левову частку від усієї маси ракети на старті повинна становити саме маса палива.

Важливий внесок у розвиток теорії реактивного руху зробив сучасник К. Е. Ціолковського російський учений І. В. Мещерський (1859-1935). Його ім'ям названо рівняння руху тіла зі змінною масою.

1. Що таке реактивний рух? Наведіть приклади 2. У досліді, зображеному на малюнку 22, при витіканні води через вигнуті трубки обертається в напрямку, вказаному стрілкою.