"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Реактивное движение возникает, когда тело отделяет от себя часть массы и получает отдачу в противоположную сторону. На этом принципе работают ракеты, реактивные двигатели и космические аппараты. Их движение объясняется законом сохранения импульса: выброшенные газы получают импульс назад, а ракета — вперёд. Поэтому ракета может разгоняться не только в атмосфере, но и в пустом космосе.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Реактивное движение — перемещение тела, возникающее при отделении от него части массы. Оставшаяся часть получает отдачу и движется в сторону, противоположную выброшенному веществу. Это определение нужно, чтобы отличать реактивное движение от обычного разгона внешней силой.
Реактивная сила — сила, возникающая при выбросе телом вещества и сообщающая ему импульс в противоположном направлении. Например, струя газов направляется назад, а двигатель получает толчок вперёд. Она объясняет, откуда берётся тяга без опоры на поверхность.
Реактивный двигатель — устройство, создающее тягу за счёт выброса рабочего тела, то есть вещества, покидающего двигатель. Рабочим телом могут быть горячие газы, вода или другой поток вещества. Двигателю не требуется отталкиваться от воздуха или рельса, поэтому он способен работать в космосе.
Ракета — тело с запасом рабочего тела, которое выбрасывает его для создания тяги и может двигаться в безвоздушном пространстве. В её состав входят корпус, запас топлива, двигатель и сопло. Запас рабочего тела позволяет ракете продолжать разгон без внешней среды.
Рассмотрим тело, из которого выбрасывается часть массы. До выброса обе части движутся вместе, а после него вещество получает скорость в одну сторону, тогда как оставшаяся часть тела — в другую. Это происходит из-за взаимодействия частей при разделении: каждая действует на другую с силой, направленной противоположно.
Для объяснения удобно объединить тело и выбрасываемое вещество в замкнутую систему. Если внешние силы отсутствуют или их действие мало, суммарный импульс системы не меняется: pдо = pпосле. Поэтому импульс выброшенного вещества компенсируется изменением импульса оставшегося тела, а их направления противоположны.
Изменение скорости зависит от того, какой импульс получает выброшенное вещество. При большей массе газа или большей скорости его истечения модуль этого импульса увеличивается, значит, сильнее изменяется скорость ракеты. При прочих равных условиях лёгкое тело разгоняется заметнее тяжёлого, поскольку одна и та же передача импульса приходится на меньшую массу.
В ракетном двигателе топливо сгорает и образует горячие газы высокого давления. Газы расширяются и проходят через сопло, которое направляет их струю и увеличивает скорость истечения. По закону сохранения импульса двигатель получает толчок в противоположную сторону, а тяга разгоняет ракету.
В атмосфере ракета испытывает сопротивление воздуха, но оно не создаёт основную тягу. Движение появляется из-за выброса газов, поэтому после выхода в вакуум принцип работы двигателя сохраняется. В пустом пространстве ракета даже не теряет энергию на сопротивление воздуха, хотя на неё могут действовать другие силы, например притяжение.
Таблица помогает сравнить две части одной замкнутой системы. В каждой строке сначала найдите свойство, а затем сопоставьте поведение газа и оставшейся части тела. Знаки направлений зависят от выбранной оси, но противоположность импульсов сохраняется всегда.
| Свойство | Выбрасываемое вещество | Оставшаяся часть тела |
|---|---|---|
| Направление движения | Назад относительно направления разгона тела | Вперёд, противоположно струе |
| Направление импульса | Противоположно импульсу тела | Противоположно импульсу вещества |
| Изменение импульса при отсутствии внешних сил | Получает импульс в сторону выброса | Получает равный по модулю противоположный импульс |
| Влияние массы и скорости выброса | Большие масса или скорость увеличивают его импульс | При той же передаче импульса меньшая масса получает большее изменение скорости |
Условие: тележка покоится на гладкой поверхности, с неё бросают груз горизонтально. Нужно определить направление движения тележки. Сопротивлением поверхности пренебрегаем, поэтому внешнего горизонтального импульса нет.
Ответ: тележка начнёт двигаться в сторону, противоположную движению груза.
Условие: ракета массой 2 кг выбрасывает газ массой 0,1 кг со скоростью 40 м/с относительно Земли. До выброса система покоилась. Считаем, что 2 кг — масса ракеты до выброса, поэтому после отделения её масса равна 1,9 кг.
Ответ: ракета получит скорость примерно 2,1 м/с в направлении, противоположном движению газа.
Условие: ракета выбрасывает одинаковую массу газа за равные промежутки времени, а её тяга считается постоянной. Нужно сравнить ускорение в начале полёта и позднее, когда масса ракеты уменьшилась. Сопротивление и изменение тяги не учитываем.
Ответ: позднее ракета имеет большее ускорение, чем в начале полёта.
Считать, что ракета отталкивается от воздуха. Такую ошибку допускают, потому что самолёт взаимодействует с воздухом, а ракета часто видна в атмосфере. Проверьте себя вопросом: сможет ли двигатель выбрасывать газы в вакууме; если да, тяга сохранится.
Приравнивать импульсы ракеты и газов по направлению. Импульс — векторная величина, поэтому при сохранении импульса направления противоположны, а равенство относится к модулям. Нарисуйте стрелки скоростей или выберите ось и поставьте перед одним из импульсов знак «минус».
Применять закон сохранения импульса только к ракете. Ракета взаимодействует с выбрасываемым веществом, поэтому одна ракета не является замкнутой системой. Включите в систему и корпус, и газ, а затем проверьте, что внешним горизонтальным воздействием можно пренебречь.
Считать массу ракеты неизменной при длительном движении. Топливо покидает ракету, и её текущая масса уменьшается. Для проверки запишите a = F/m и используйте массу, соответствующую рассматриваемому моменту полёта.
Для понимания реактивного движения нужны импульс тела и закон сохранения импульса. Эти понятия позволяют связать скорость ракеты со скоростью и массой выброшенного газа. Без учёта направлений импульсов получить правильный ответ нельзя.
Реактивное движение применяют при запуске ракет, маневрировании космических аппаратов и движении реактивных самолётов. В атмосфере дополнительно учитывают сопротивление воздуха, а в космосе — притяжение небесных тел и работу двигателей ориентации.
Дальше эта тема понадобится при изучении движения тел переменной массы и космонавтики. В таких задачах масса ракеты меняется непрерывно, поэтому рассматривают не один выброс, а целый поток рабочего тела. Это приводит к более подробному описанию ракетного разгона.
Почему ракета может лететь в вакууме?
Ракета движется не потому, что отталкивается от воздуха, а потому, что выбрасывает газы. Импульсы газов и ракеты направлены противоположно, поэтому ракета получает разгон даже в полном вакууме.
От чего зависит скорость ракеты после выброса газа?
Изменение скорости зависит от массы и скорости выброшенного газа, а также от текущей массы ракеты. Чем больше импульс газов и чем меньше масса ракеты, тем сильнее изменится её скорость.
Почему ракета и выброшенные газы движутся в разные стороны?
До выброса суммарный импульс системы «ракета — газ» сохраняется. Поэтому газ получает импульс в одну сторону, а ракета — равный по модулю импульс в противоположную.
Что именно создаёт тягу реактивного двигателя?
Тягу создаёт выброс рабочего тела — обычно горячих газов — с большой скоростью. Сопло ускоряет истечение газов, а возникающее изменение импульса сообщает двигателю и ракете импульс в обратном направлении.
Почему при расчётах полёта ракеты учитывают изменение её массы?
Топливо постепенно сгорает и покидает ракету в виде газа, поэтому масса ракеты уменьшается. При одной и той же тяге ускорение a = F/m становится больше по мере уменьшения массы.
1. Реактивное движение
