Реактивное движение. Освоение космоса

Определение

Реактивное движение — это движение, возникающее за счёт отбрасывания телом части своей массы с определённой скоростью, при котором образующаяся реактивная сила толкает тело в противоположном направлении.

Формула

F = - d(mv)/dt

• F — реактивная сила
• m — масса тела
• v — скорость тела
• t — время
• d(mv)/dt — скорость изменения импульса системы

Единицы измерения: ньютон (Н)

Как возникает реактивное движение

Реактивное движение возникает благодаря третьему закону Ньютона и закону сохранения импульса. Когда тело выбрасывает часть своей массы (например, газы из сопла ракеты) в одном направлении, это отброшенное вещество действует на тело с такой же по модулю, но противоположно направленной силой. Эта сила и есть реактивная тяга, которая заставляет тело двигаться. Чем больше масса выбрасываемого вещества и выше скорость его истечения, тем больше создаётся реактивная сила.

Принцип действия и закон сохранения импульса

Представим закрытую систему, состоящую из ракеты и топлива внутри неё. До запуска суммарный импульс этой системы равен нулю. При сгорании топлива продукты сгорания (горячие газы) с большой скоростью выбрасываются из сопла ракеты в одном направлении. Чтобы общий импульс системы остался нулевым (или постоянным, если система уже двигалась), сама ракета должна получить импульс в противоположном направлении. Это похоже на отдачу при выстреле из ружья: пуля летит вперёд, а ружьё отталкивается назад.

Освоение космоса с помощью реактивного движения

Реактивное движение является единственным способом передвижения в космическом вакууме, где нет опоры для колёс, крыльев или винтов. Ракеты, использующие этот принцип, могут развивать огромные скорости и покидать гравитационное поле Земли. С помощью реактивных двигателей были запущены первые искусственные спутники Земли, отправлены корабли с космонавтами, исследованы Луна и другие планеты Солнечной системы, а также выведены на орбиту космические телескопы и станции. Это открыло человечеству путь к познанию Вселенной.

Как найти и применять

1. Определите общую массу системы до начала движения.
2. Определите скорость и массу отбрасываемой части вещества.
3. Используйте закон сохранения импульса: импульс системы до взаимодействия равен импульсу системы после взаимодействия.
4. Вычислите скорость оставшейся части тела, вызванную отбрасыванием массы.

Разбор задач

Задача 1

Космонавт массой 80 кг находится в открытом космосе и неподвижен относительно корабля. Чтобы вернуться к кораблю, он выбрасывает гаечный ключ массой 0.5 кг со скоростью 10 м/с относительно себя. С какой скоростью космонавт начнёт двигаться?

1. Обозначим массу космонавта как M (80 кг), массу ключа как m (0.5 кг), скорость ключа как v_ключ (10 м/с). Искомую скорость космонавта обозначим как v_космонавт. 2. До выбрасывания ключа суммарный импульс системы «космонавт + ключ» равен нулю, так как они неподвижны. 3. По закону сохранения импульса, после выбрасывания ключа суммарный импульс также должен быть равен нулю: M * v_космонавт + m * v_ключ = 0. 4. Выражаем v_космонавт: v_космонавт = - (m * v_ключ) / M. 5. Подставляем значения: v_космонавт = - (0.5 кг * 10 м/с) / 80 кг = - 5 / 80 м/с = - 0.0625 м/с.

Ответ: Космонавт начнёт двигаться со скоростью 0.0625 м/с в направлении, противоположном выбросу ключа.

Где это встречается

• Ракетные двигатели — Сжигают топливо и выбрасывают горячие газы с высокой скоростью, создавая тягу для полёта ракет в космос.
• Двигатели самолётов (турбореактивные, турбовентиляторные) — Захватывают воздух, сжимают его, смешивают с топливом и сжигают, выбрасывая нагретые газы назад, что создаёт реактивную тягу для движения самолёта.
• Водные реактивные двигатели (водомёты) — Забирают воду спереди судна и выбрасывают её с большой скоростью назад через сопло, толкая судно вперёд.
• Огнетушители — При срабатывании выбрасывают огнетушащее вещество под давлением, что создаёт небольшую, но заметную отдачу.
• Кальмары и осьминоги — Выбрасывают струю воды из мантийной полости, чтобы быстро перемещаться в воде, спасаясь от хищников или преследуя добычу.

Типичные ошибки

Не путать

• Движение за счёт силы тяги (например, автомобиль, самолёт с пропеллером) — Реактивное движение не требует внешней опоры, оно создаётся за счёт отбрасывания собственной массы. Обычная сила тяги возникает при взаимодействии с внешней средой (колёса с дорогой, пропеллер с воздухом).
• Инерция — Инерция — это свойство тела сохранять свою скорость при отсутствии внешних сил. Реактивное движение — это способ изменения скорости тела за счёт внутренних сил (выброса массы).

Откуда взялось понятие

Основные принципы реактивного движения были описаны ещё в XVII веке, но систематические исследования и идеи применения для космических полётов развивались в конце XIX — начале XX века Константином Циолковским, Робертом Годдардом и Германом Обертом.

Как запомнить

Реактивное движение — это когда что-то выбрасываешь, а оно толкает тебя в ответ.