"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Реактивное движение возникает, когда тело отделяет от себя часть вещества и получает движение в противоположную сторону. На этом принципе работают ракеты: они выбрасывают газы и могут лететь даже в безвоздушном пространстве. Закон сохранения импульса объясняет, почему ракета разгоняется, а космические скорости показывают, сможет ли аппарат обращаться вокруг Земли или покинуть её притяжение. Эти идеи лежат в основе запуска спутников, космических кораблей и межпланетных аппаратов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части вещества. Отделившаяся часть получает импульс в одном направлении, а оставшееся тело — в противоположном. Это прямое следствие закона сохранения импульса: общий импульс системы до и после разделения одинаков.
Ракета — аппарат, движущийся за счёт выброса продуктов сгорания топлива. В двигателе топливо сгорает, газы ускоряются и выходят через сопло с большой скоростью. Такое определение показывает, почему ракете не нужен воздух для отталкивания.
Первая космическая скорость — минимальная скорость, необходимая телу у поверхности Земли для движения по круговой орбите. При такой скорости тело всё время падает к Земле, но из-за искривления её поверхности не достигает земли. Поэтому эта величина нужна для запуска искусственного спутника.
Вторая космическая скорость — минимальная скорость, позволяющая телу преодолеть притяжение Земли и удалиться от неё. При меньшей скорости аппарат останется связанным с Землёй и будет двигаться по замкнутой или вытянутой траектории. Эта скорость характеризует возможность покинуть земное гравитационное поле.
Представим тележку, из которой по очереди вылетают шарики. Пока тележка и шарики покоятся вместе, их общий импульс равен нулю. Если шарик получает импульс вправо, тележка получает импульс влево, чтобы сумма импульсов осталась нулевой.
При запуске ракеты топливо превращается в раскалённые газы и вылетает через сопло. Газы приобретают импульс назад, потому что сопло направляет их струю, а ракета получает импульс вперёд. Рассматривать только ракету нельзя: закон сохранения импульса относится ко всей системе «ракета плюс выброшенное вещество».
В безвоздушном пространстве нет среды, от которой ракете пришлось бы отталкиваться. Тяга появляется из-за действия ракеты на газы и ответного действия газов на ракету. Поэтому двигатель продолжает работать в вакууме, если на борту есть топливо и окислитель.
Спутник, получив первую космическую скорость, движется вперёд по касательной, а земное притяжение постоянно отклоняет его к Земле. Эти два эффекта создают круговую орбиту, поэтому спутник не улетает по прямой и не падает на поверхность. Для полного ухода от Земли нужна вторая космическая скорость, поскольку при ней кинетической энергии достаточно для преодоления притяжения.
Развитие ракетной техники сделало возможным запуск искусственных спутников и получение данных о Земле из космоса. Затем ракеты обеспечили полёты человека, работу орбитальных станций и автоматических межпланетных аппаратов. С их помощью исследуют Луну, планеты, астероиды и далёкие области Солнечной системы.
| Скорость | Что позволяет сделать | Примерное значение у поверхности Земли |
|---|---|---|
| Вторая космическая | Преодолеть притяжение Земли | 11,2 км/с |
В таблице указана вторая космическая скорость — скорость ухода от Земли. Для полного сравнения нужно помнить, что первая космическая скорость примерно равна 7,9 км/с и служит для выхода на орбиту. Сопоставляя значения и назначение скоростей, легко не перепутать орбитальный полёт с покиданием земного притяжения.
Задача 1. Тележка массой 2 кг покоится, а от неё отделяется шар массой 0,5 кг со скоростью 4 м/с относительно Земли. Найдём скорость тележки после отделения, считая поверхность гладкой и пренебрегая внешними силами.
Ответ: скорость тележки равна 0,67 м/с и направлена в сторону, противоположную движению шара.
Задача 2. Ракета массой 500 кг выбрасывает 10 кг газа со скоростью 200 м/с относительно ракеты. Система первоначально покоится, а изменение массы ракеты при оценке считаем небольшим. Нужно определить скорость ракеты после выброса.
Ответ: скорость ракеты после выброса примерно равна 4 м/с и направлена противоположно струе газа.
Задача 3. Первая космическая скорость нужна для круговой орбиты, а вторая — для ухода от Земли. Используем значения 7,9 км/с и 11,2 км/с, чтобы сравнить их не только по назначению, но и численно.
Ответ: вторая космическая скорость примерно в 1,4 раза больше первой; первая выводит на орбиту, а вторая позволяет покинуть Землю.
Ошибка: считать, что ракета отталкивается от воздуха. Так думают из-за сходства с движением лодки или самолёта, но в ракете тягу создаёт выброс газов. Проверка проста: двигатель должен работать и в вакууме.
Ошибка: учитывать импульс только ракеты. Это нарушает условие применения закона сохранения импульса, потому что выброшенное вещество тоже движется. Нужно записывать импульсы всех частей выбранной системы.
Ошибка: ставить скорости ракеты и газов с одинаковыми знаками. Тела разлетаются в противоположных направлениях, поэтому при выбранной оси один импульс положителен, а другой отрицателен. Проверяйте рисунок направлений или смысл знаков в уравнении.
Ошибка: путать первую и вторую космические скорости. Первая нужна для обращения вокруг Земли, а вторая — для преодоления её притяжения. Самопроверка: спросите себя, остаётся ли аппарат на орбите или должен улететь от планеты.
Для понимания реактивного движения нужны понятия импульса тела, импульса системы и закон сохранения импульса. Именно они позволяют объяснить разгон тележки, газа и ракеты без обращения к формуле «ракета отталкивается от воздуха».
Тема связана с законами движения, космическими орбитами и искусственными спутниками. Позже эти знания помогают разбираться в работе реактивных двигателей и в принципах полётов к другим небесным телам.
Почему ракета может двигаться в космосе, где нет воздуха?
Ракета не отталкивается от воздуха, а выбрасывает из сопла горячие газы. Газы получают импульс в одну сторону, а ракета — такой же по модулю импульс в противоположную.
Откуда ракета получает импульс при выбросе газов?
Импульс ракеты появляется при взаимодействии с выбрасываемыми газами. Если рассматривать ракету и газы как единую систему, их суммарный импульс сохраняется.
Почему газы и ракета движутся в противоположные стороны?
До выброса ракета и топливо могут покоиться, поэтому общий импульс равен нулю. После выброса импульсы газа и ракеты должны быть равны по модулю и противоположны по направлению.
Чем первая космическая скорость отличается от второй?
Первая космическая скорость, примерно 7,9 км/с, позволяет телу двигаться по круговой орбите вокруг Земли. Вторая, примерно 11,2 км/с, нужна для преодоления земного притяжения и удаления от Земли.
Как закон сохранения импульса объясняет запуск спутника?
Ракета сообщает газам импульс вниз, а сама получает противоположный импульс вверх. Благодаря этому спутник разгоняется до скорости, при которой может обращаться вокруг Земли.
§ 15. Реактивное движение. Освоение космоса
