Коротко
Реактивное движение — это движение тела, которое возникает из-за отброса части этого тела с определённой скоростью. Оно основано на законе сохранения импульса: если одна часть системы движется в одну сторону, то оставшаяся часть должна двигаться в противоположную, чтобы суммарный импульс системы оставался неизменным. Это основной принцип полёта ракет, движения осьминогов и кальмаров, а также многих других явлений в природе и технике.
Определение
Реактивное движение — это движение тела, возникающее вследствие отделения от него с некоторой скоростью части его массы, при котором импульс отброшенной части сообщает импульс оставшейся части тела в противоположном направлении.
Формула
m₁·v₁ = m₂·v₂
- m₁ — масса отбрасываемой части (продуктов сгорания, воды)
- v₁ — скорость отбрасываемой части относительно тела
- m₂ — масса оставшейся части тела (ракеты, осьминога)
- v₂ — скорость оставшейся части тела (ракеты, осьминога)
Единицы измерения: килограмм-метр в секунду (кг·м/с) для импульса; килограмм (кг) для массы; метр в секунду (м/с) для скорости
Как возникает реактивное движение
Реактивное движение возникает благодаря третьему закону Ньютона и закону сохранения импульса. Когда тело (например, ракета) выбрасывает часть своей массы (газы от сгорания топлива) в одном направлении с большой скоростью, то по закону сохранения импульса само тело приобретает импульс такой же величины, но направленный в противоположную сторону. Это и приводит тело в движение. Чем больше масса отбрасываемых газов и чем выше их скорость, тем сильнее будет «отдача» и тем быстрее движется тело.
Принцип действия ракеты
Ракета — классический пример применения реактивного движения. Внутри ракеты сгорает топливо, образуя горячие газы высокого давления. Эти газы выбрасываются через сопло с очень большой скоростью в одном направлении. В результате, согласно закону сохранения импульса, сама ракета получает толчок в противоположном направлении и начинает двигаться вперёд. Важно, что для такого движения не нужна опора или отталкивание от воздуха, поэтому реактивные двигатели эффективно работают даже в безвоздушном пространстве.
Реактивное движение в природе
Природа активно использует принцип реактивного движения. Осьминоги, кальмары и медузы передвигаются, выбрасывая струю воды из своей полости. Это позволяет им быстро перемещаться в водной среде. Некоторые насекомые, например, личинки стрекоз, также используют этот принцип для плавания. Даже определённые виды растений могут распространять семена, используя похожий механизм, где выстреливание семян создаёт реактивную отдачу.
Как найти и применять
- Определите массы и скорости всех участвующих тел до начала процесса.
- Определите массы и скорости всех участвующих тел после окончания процесса, учитывая направление движения.
- Примените закон сохранения импульса: суммарный импульс системы до взаимодействия равен суммарному импульсу системы после взаимодействия.
- Если тела движутся в разных направлениях, учитывайте знаки скоростей (например, в одном направлении +, в другом -).
- Решите полученное уравнение относительно неизвестной величины (например, скорости или массы).
Разбор задач
Задача 1
Игрушечная ракета массой 0,5 кг выбрасывает 0,05 кг сгоревшего топлива со скоростью 100 м/с относительно Земли. Какова скорость ракеты после выброса топлива, если она стартовала из состояния покоя?
1. Начальный импульс системы «ракета + топливо» равен нулю, так как ракета покоилась. 2. После выброса топлива, масса ракеты становится m_ракеты = 0,5 кг - 0,05 кг = 0,45 кг. 3. Пусть скорость ракеты после выброса топлива будет v_ракеты, а скорость топлива v_топлива = 100 м/с. 4. По закону сохранения импульса: 0 = m_ракеты · v_ракеты + m_топлива · v_топлива. 5. Подставляем значения: 0 = 0,45 кг · v_ракеты + 0,05 кг · 100 м/с. 6. Решаем уравнение: 0,45 · v_ракеты = -5. v_ракеты = -5 / 0,45 ≈ -11,11 м/с.
Ответ: Скорость ракеты после выброса топлива составит примерно 11,11 м/с в направлении, противоположном выбросу топлива.
Где это встречается
- Ракетная техника (космос) — Ракеты-носители используют реактивное движение для запуска спутников и космических кораблей в космос, выбрасывая продукты сгорания топлива.
- Реактивные самолёты — Турбореактивные двигатели самолётов засасывают воздух, сжимают его, смешивают с топливом и сжигают, а затем выбрасывают раскалённые газы назад с высокой скоростью, создавая тягу.
- Пожаротушение (пожарные шланги) — Мощная струя воды, вырывающаяся из брандспойта, создаёт реактивную силу, которая может быть настолько велика, что пожарным приходится удерживать шланг вдвоём или втроём.
- Водный транспорт (водомётные движители) — Некоторые суда, особенно быстроходные катера и гидроциклы, используют водомёты, которые забирают воду спереди и выбрасывают её сзади, создавая реактивную тягу.
Типичные ошибки
| Неверно | Верно | Почему |
|---|---|---|
| Реактивное движение возможно только в вакууме, так как нужно отталкиваться от воздуха. | Реактивное движение не требует опоры или отталкивания от окружающей среды (воздуха, воды). | Путают с пропеллерным движением или движением автомобилей, где нужна опора. Реактивное движение основано на внутреннем взаимодействии частей системы (выброс массы). |
| Чем больше масса ракеты, тем быстрее она будет двигаться при выбросе газов. | При одной и той же скорости истечения газов, чем меньше масса самой ракеты, тем большую скорость она наберёт. | Забывают, что по закону сохранения импульса, импульс ракеты равен импульсу отброшенных газов. При равном импульсе, меньшая масса получает большую скорость. |
Не путать
- Движение пропеллерного самолёта — Пропеллерный самолёт движется, отбрасывая воздух назад, то есть взаимодействует с внешней средой. Реактивное движение происходит за счёт отброса части собственной массы тела, без опоры на внешнюю среду.
- Движение автомобиля — Автомобиль движется, отталкиваясь колёсами от дороги (взаимодействие с внешней опорой). Реактивное движение не требует внешней опоры, оно основано на внутреннем взаимодействии.
Откуда взялось понятие
Принцип реактивного движения был описан ещё Героном Александрийским в I веке нашей эры (его «Эолипил»). Теоретические основы для создания современных реактивных аппаратов были заложены в конце XIX — начале XX века К. Э. Циолковским, который вывел основное уравнение движения ракеты.
Как запомнить
Реактивное движение: отбросим часть — полетим сами.
Проверь себя
3 задания-
Почему космическая ракета может двигаться в вакууме?
Ответ
Потому что реактивное движение не требует опоры на внешнюю среду. Ракета движется за счёт отброса собственной массы (продуктов сгорания топлива). -
Назовите природный пример реактивного движения.
Ответ
Передвижение осьминога или кальмара, которые выбрасывают струю воды. -
Увеличится ли скорость ракеты, если она будет выбрасывать ту же массу топлива, но с меньшей скоростью?
Ответ
Нет, скорость ракеты уменьшится, так как импульс отбрасываемых газов станет меньше, а значит, и импульс, приобретаемый ракетой, тоже уменьшится.
Частые вопросы
Почему реактивное движение называют так?
Название «реактивное» происходит от слова «реакция» или «отдача». Движение возникает как ответная реакция на выброс массы в противоположном направлении. Это прямое следствие третьего закона Ньютона, который гласит, что действие всегда равно противодействию.
Можно ли создать реактивный двигатель, выбрасывающий воздух?
Да, турбореактивные двигатели самолётов именно так и работают: они забирают воздух из атмосферы, сжимают его, смешивают с топливом, сжигают и выбрасывают раскалённые газы назад. Однако для работы такого двигателя необходим атмосферный воздух.
Как реактивное движение связано с законом сохранения импульса?
Реактивное движение — это прямое проявление закона сохранения импульса. Изначально суммарный импульс системы (тело + отделяемая часть) равен нулю (если тело покоится). После отделения части массы импульс этой части направлен в одну сторону, а импульс оставшейся части тела — в противоположную, и их сумма по-прежнему равна нулю. Так тело и приходит в движение.
Почему ракета не может двигаться за счёт отталкивания от Земли?
Ракета использует внутренние силы для движения. Для отталкивания от Земли ей понадобились бы внешние опоры, например, как при прыжке. Принцип реактивного движения позволяет ракете набирать скорость, выбрасывая массу, а не отталкиваясь от чего-либо.
Спросить про это понятие
Реактивное движение
Где это изучается
13 параграфовОдна и та же тема разложена по разным учебникам — можно сравнить формулировки и выбрать более понятную.