§ 29. Реактивное движение

Определения и обозначения

Реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части вещества в противоположном направлении. Например, если воздух выходит из шарика назад, сам шарик перемещается вперёд. Это определение помогает отличать реактивное движение от движения, при котором тело отталкивается от поверхности.

Реактивная сила — сила, с которой отделяющееся вещество действует на тело и сообщает ему движение. Когда вещество вылетает, оно взаимодействует с телом, от которого отделилось. Понятие силы помогает объяснить, почему тело не просто теряет вещество, а меняет скорость или направление движения.

Ракета — летательный аппарат, который движется благодаря выбрасыванию продуктов сгорания топлива. Продукты сгорания — это горячие газы, образующиеся при горении топлива. Определение показывает, за счёт чего ракета получает тягу и почему её движение не зависит от наличия воздуха вокруг.

Реактивный двигатель — устройство, создающее тягу за счёт выброса вещества. Тяга — сила, которая разгоняет аппарат или поддерживает его движение. В ракетном двигателе выбрасываемое вещество — горячие газы, а направление их струи противоположно направлению движения ракеты.

Как это устроено

Реактивное движение начинается, когда тело отделяет и выбрасывает часть своего вещества. Выброшенная часть получает движение в одном направлении, а оставшееся тело — в противоположном. Причина в том, что тело и отделяющееся вещество взаимодействуют друг с другом: вещество действует на тело силой. Чем заметнее выброс, тем нагляднее проявляется изменение движения самого тела.

Надутый шарик хорошо показывает этот принцип. Пока отверстие закрыто, воздух остаётся внутри и шарик не летит. Когда отверстие открывают, воздух устремляется наружу: он действует на шарик, и тот движется в сторону, противоположную струе. Шарик может менять направление, потому что он крутится, а отверстие направлено не строго в одну сторону.

Ракете не требуется воздух, от которого можно было бы оттолкнуться. Она несёт с собой топливо и окислитель — вещество, необходимое для его сгорания; благодаря этому горение возможно и без окружающего воздуха. При сгорании образуются газы, которые выталкиваются из двигателя. Их выброс и создаёт реактивную силу, поэтому ракета может двигаться в космосе.

В двигателе ракеты топливо сгорает внутри камеры сгорания, где образуются горячие газы. Давление газов заставляет их быстро двигаться к выходу и вылетать через сопло — суженную или особым образом устроенную часть двигателя, направляющую струю. Газы летят в одну сторону, а ракета получает тягу в противоположную. Пока двигатель выбрасывает газы, эта тяга разгоняет ракету или помогает ей продолжать движение.

Тот же принцип встречается в природе и технике, хотя выбрасываемое вещество бывает разным. Шарик выпускает воздух, ракета — горячие газы, а кальмар резко выбрасывает воду из тела. Во всех случаях тело движется против направления струи. Это сходство позволяет понять общее устройство реактивного движения, даже если внешне объекты совсем не похожи.

Примеры реактивного движения

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите объект и посмотрите, какое вещество он выбрасывает. Затем сравните два последних столбца: направление движения всегда противоположно направлению выброса. Если струя направлена не назад, а в сторону, объект движется в противоположную сторону от неё.

Разбор задач

Задача 1

Из открытого надутого шарика выходит воздух. В какую сторону перемещается шарик? Чтобы ответить, важно не просто увидеть, что шарик теряет воздух, а определить направление струи и связать его с направлением движения самого тела.

1. Определяем направление выброса: воздух выходит из отверстия шарика наружу.
2. Вспоминаем правило реактивного движения: тело перемещается противоположно выбрасываемому веществу.
3. Сравниваем направления: если воздух летит назад, шарик движется вперёд; если отверстие направлено иначе, шарик летит в противоположную сторону.

Ответ: шарик перемещается в сторону, противоположную струе выходящего воздуха.

Задача 2

Ракета выбрасывает газы назад. Объясните, почему она может двигаться вперёд и в безвоздушном пространстве. В этой задаче нужно отделить две возможные причины движения: взаимодействие с воздухом снаружи и взаимодействие с газами, которые образуются внутри ракеты.

1. Устанавливаем, что газы образуются при сгорании топлива в ракетном двигателе, а не берутся из окружающего воздуха.
2. Газы вылетают назад через сопло и действуют на ракету; силы действия направлены противоположно.
3. Ракета получает тягу вперёд. Поскольку для этого ей не нужно отталкиваться от внешнего воздуха, отсутствие воздуха не мешает движению.

Ответ: ракета движется вперёд благодаря выбросу газов назад и может лететь в вакууме.

Задача 3

Кальмар выбрасывает воду назад и перемещается вперёд. Сравните этот способ движения с полётом ракеты. Нужно найти, что общего у этих случаев, и отдельно назвать различие, чтобы не спутать принцип с конкретным устройством.

1. Для кальмара определяем пару направлений: вода выбрасывается назад, кальмар движется вперёд.
2. Для ракеты рассматриваем то же соотношение: горячие газы вылетают назад, аппарат движется вперёд.
3. Сравниваем выбрасываемое вещество: кальмар выпускает воду, ракета — горячие газы, полученные при сгорании топлива.

Ответ: общий принцип — движение против выбрасываемого вещества; различается вещество и способ его выброса.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ракета движется, отталкиваясь от воздуха. Так думают, потому что привычно связывают движение с опорой или окружающей средой. Но в двигателе образуются и выбрасываются собственные горячие газы ракеты, поэтому она может лететь без воздуха. Проверьте себя: если бы тяга зависела от воздуха снаружи, ракета не смогла бы двигаться в космосе.

Ошибка: полагать, что тело движется туда же, куда выбрасывает вещество. Это может показаться естественным, ведь струя и тело начинают двигаться одновременно. Однако их направления противоположны: например, при выбросе газов назад ракета движется вперёд. Для проверки нарисуйте стрелку струи, а затем укажите движение тела в обратную сторону.

Ошибка: смешивать реактивное движение с отталкиванием от опоры. В обоих случаях тело взаимодействует с чем-то и получает движение, поэтому причины легко перепутать. При реактивном движении от тела отделяется часть вещества, а при обычном отталкивании тело действует на поверхность и получает ответное действие. Проверьте, нужно ли для описанного движения касаться опоры: если нет, ищите выброс вещества.

Ошибка: считать, что реактивное движение возможно только у ракет. Возможно, так кажется потому, что слово «реактивный» часто связывают с двигателями и космосом. Но тот же принцип используют надувной шарик и кальмар, выбрасывающие воздух и воду соответственно. Чтобы проверить себя, достаточно спросить, отделяет ли объект часть вещества и движется ли в противоположную сторону.

Связь с другими темами

Для понимания реактивного движения нужно знать, что сила может изменить скорость тела или направление его движения. Связь с третьим законом Ньютона объясняет, почему отделяющееся вещество и тело действуют друг на друга силами, направленными противоположно. В ракетной технике этот принцип используют для создания тяги, а при изучении космических аппаратов он помогает понять, как двигаться вдали от Земли и атмосферы.

Что запомнить

• Реактивное движение возникает при отделении от тела части вещества.
• Тело движется в сторону, противоположную выбросу вещества.
• Выбрасываемое вещество действует на тело и сообщает ему движение.
• Ракета создаёт тягу, выбрасывая горячие газы.
• Ракете не нужен окружающий воздух для создания тяги.
• Реактивное движение встречается и в природе, и в технике.