Biofüüsika: reaktiivmootor eluslooduses. Reaktiivmootor tehnoloogias

Enamiku inimeste jaoks esitletakse terminit "reaktiivjõud" kui kaasaegset teaduse ja tehnoloogia edusamme, eriti füüsika valdkonnas. Paljud seostavad reaktiivjõudu tehnoloogias kosmoselaevade, satelliitide ja reaktiivlennukitega. Selgub, et reaktiivjõu nähtus eksisteeris palju varem kui inimene ise ja temast sõltumatult. Inimesed jõudsid mõista, kasutada ja arendada vaid seda, mis allub loodus- ja universumiseadustele.

Mis on reaktiivjõud?

peal inglise keel sõna "jet" kõlab nagu "jet". See tähendab keha liikumist, mis moodustub osa sellest teatud kiirusel eraldamise protsessis. Ilmub jõud, mis liigutab keha liikumissuunast vastupidises suunas, eraldades sellest osa. Iga kord, kui aine murdub objektist välja ja objekt liigub vastassuunas, toimub reaktiivjõud. Objektide õhku tõstmiseks peavad insenerid konstrueerima võimsa raketiheitja. Leegijoad vabastades tõstavad raketi mootorid selle Maa orbiidile. Mõnikord saadavad raketid satelliite ja kosmosesonde.

Mis puutub reisi- ja sõjalennukitesse, siis nende tööpõhimõte meenutab mõneti raketi õhkutõusmist: füüsiline keha reageerib väljapaisatud võimsale gaasijoale, mille tulemusena liigub see vastaspool. See on reaktiivlennukite põhiprintsiip.

Newtoni seadused reaktiivjõul

Insenerid lähtuvad oma arendustes universumi põhimõtetest, mida on esmakordselt üksikasjalikult kirjeldatud 17. sajandi lõpus elanud väljapaistva Briti teadlase Isaac Newtoni töödes. Newtoni seadused kirjeldavad gravitatsiooni mehaanikat ja räägivad meile, mis juhtub, kui asjad liiguvad. Need selgitavad eriti selgelt kehade liikumist ruumis.

Newtoni teine seadus määrab, et liikuva objekti tugevus sõltub sellest, kui palju ainet see sisaldab ehk teisisõnu selle massist ja liikumiskiiruse (kiirenduse) muutustest. See tähendab, et võimsa raketi loomiseks on vaja, et see pidevalt vabastaks suur hulk suure kiirusega energia. Newtoni kolmas seadus ütleb, et iga tegevuse jaoks on võrdne, kuid vastupidine reaktsioon - reaktsioon. Looduses ja tehnikas kasutatavad reaktiivmootorid järgivad neid seadusi. Raketi puhul on toimejõuks see aine, mis väljalasketorust välja lendab. Reaktsioon on raketi edasilükkamine. Raketti tõukab sellest lähtuvate heitmete jõud. Kosmoses, kus raketi kaal on väike või puudub, võib isegi väike raketimootorite tõuge panna suure laeva kiiresti edasi lendama.

Reaktiivmootori tehnoloogia

Juga liikumise füüsika seisneb selles, et keha kiirendus või aeglustumine toimub ilma ümbritsevate kehade mõjutamiseta. Protsess toimub süsteemi osa eraldamise tõttu.

Tehnoloogia reaktiivjõu näited on järgmised:

tagasilöögi nähtus lasust;
plahvatused;
löögid õnnetuste ajal;
tagasilöök võimsa vooliku kasutamisel;
reaktiivmootoriga paat;
reaktiivlennuk ja rakett.

Kehad loovad suletud süsteemi, kui nad suhtlevad ainult üksteisega. Selline koostoime võib viia süsteemi moodustavate kehade mehaanilise oleku muutumiseni.

Mis on impulsi jäävuse seadus?

Esimest korda kuulutas selle seaduse välja prantsuse filosoof ja füüsik R. Descartes. Kui kaks või enam keha interakteeruvad, moodustub nende vahel suletud süsteem. Igal liikuval kehal on oma impulss. See on keha mass korrutatuna selle kiirusega. Süsteemi koguimpulss on võrdne selles olevate kehade impulsside vektorsummaga. Süsteemi mis tahes keha impulss muutub nende vastastikuse mõju tõttu. Kehade summaarne impulss suletud süsteemis jääb kehade erinevate liikumiste ja vastastikmõjude korral muutumatuks. See on impulsi jäävuse seadus.

Selle seaduse toimimise näideteks võivad olla kõik kehade kokkupõrked (piljardipallid, autod, elementaarosakesed), aga ka keha purunemised ja tulistamine. Relvast tulistades toimub tagasilöök: mürsk tormab ette ja relv ise tõrjutakse tagasi. Miks see juhtub? Kuul ja relv moodustavad omavahel suletud süsteemi, kus töötab impulsi jäävuse seadus. Tulistamisel muutuvad relva enda ja kuuli impulsid. Kuid relva ja selles oleva kuuli koguimment enne tulistamist on võrdne tagasilöögirelva ja väljalastud kuuli koguimpulsiga pärast laskmist. Kui kuulil ja relval oleks sama mass, lendaksid nad sama kiirusega vastassuundades.

Impulsi jäävuse seadusel on lai praktiline rakendus. See võimaldab selgitada reaktiivjõudu, mille tõttu saavutatakse suurimad kiirused.

Reaktiivmootor füüsikas

Impulsi jäävuse seaduse ilmekaim näide on raketi poolt teostatav reaktiivjõud. Mootori kõige olulisem osa on põlemiskamber. Ühes selle seinas on jugaotsik, mis on kohandatud vabastama kütuse põlemisel tekkivat gaasi. Kõrge temperatuuri ja rõhu mõjul väljub gaas mootori düüsist suurel kiirusel. Enne raketi starti on selle impulss Maa suhtes null. Stardihetkel saab rakett ka impulsi, mis on võrdne gaasi impulsiga, kuid suunalt vastupidine.

Reaktiivmootori füüsika näidet võib näha kõikjal. Sünnipäeva tähistamise ajal õhupall võib väga hästi olla rakett. Kuidas? Täitke õhupall, pigistades avatud auku, et vältida õhu väljapääsu. Nüüd vabastage see. Õhupall sõidab suure kiirusega mööda tuba ringi, ajendatuna sellest välja lennavast õhust.

Reaktiivmootori ajalugu

Reaktiivmootorite ajalugu sai alguse juba 120 eKr, kui Aleksandria Heron konstrueeris esimese reaktiivmootori – aeolipiili. Vesi valatakse metallkuulisse, mis kuumutatakse tulega. Sellest kuulist väljuv aur pöörab seda. See seade näitab reaktiivjõudu. Preestrid kasutasid templi uste avamiseks ja sulgemiseks edukalt Heroni mootorit. Eolipiili modifikatsioon - Segneri ratas, mida meie ajal kasutatakse tõhusalt põllumaade niisutamiseks. 16. sajandil tutvustas Giovani Branca maailmale esimest auruturbiini, mis töötas reaktiivjõu põhimõttel. Isaac Newton pakkus välja ühe esimese auruauto kujunduse.

Esimesed katsed kasutada tehnikas reaktiivjõudu maapinnal liikumiseks pärinevad 15.-17. sajandist. Isegi 1000 aastat tagasi olid hiinlastel raketid, mida nad kasutasid sõjarelvana. Näiteks 1232. aastal kasutasid nad kroonika järgi sõjas mongolitega rakettidega varustatud nooli.

Esimesed katsed reaktiivlennuki ehitamiseks algasid 1910. aastal. Aluseks võeti möödunud sajandite raketiuuringud, mis kirjeldasid üksikasjalikult pulbrivõimendite kasutamist, mis võivad märkimisväärselt vähendada järelpõleti ja stardijooksu pikkust. Peakonstruktoriks oli Rumeenia insener Henri Coanda, kes ehitas kolbmootoriga lennuki. Reaktiivmootori teerajajaks tehnoloogias võib õigustatult nimetada Inglismaalt pärit inseneriks - Frank Whittle'iks, kes pakkus välja esimesed ideed reaktiivmootori loomiseks ja sai nende jaoks patendi aastal. XIX lõpus sajandil.

Esimesed reaktiivmootorid

Esimest korda võeti Venemaal reaktiivmootori väljatöötamine käsile 20. sajandi alguses. Reaktiivsõidukite liikumise ja ülehelikiirust arendava raketitehnoloogia teooria esitas kuulus vene teadlane K. E. Tsiolkovski. Andekas disainer A. M. Lyulka suutis selle idee ellu viia. Just tema lõi NSV Liidu esimese reaktiivlennuki projekti, mis töötas reaktiivturbiini abil. Esimesed reaktiivlennukid lõid Saksa insenerid. Disain ja tootmine viidi läbi salaja maskeeritud tehastes. Oma ideega saada maailmavalitsejaks kaasas Hitler võimsate relvade, sealhulgas kiirlennukite tootmiseks parimad Saksa disainerid. Edukaim neist oli esimene Saksa reaktiivlennuk Messerschmitt-262. See lennuk oli esimene maailmas, mis läbis edukalt kõik testid, tõusis vabalt õhku ja hakkas seejärel masstootma.

Lennukil olid järgmised omadused:

Seadmel oli kaks turboreaktiivmootorit.
Vööris asus radar.
Lennuki maksimaalne kiirus ulatus 900 km/h.

Tänu kõigile neile näitajatele ja disainifunktsioonidele oli esimene reaktiivlennuk Messerschmitt-262 suurepärane vahend teiste lennukite vastu võitlemiseks.

Kaasaegsete lennukite prototüübid

Sõjajärgsel perioodil lõid Vene disainerid reaktiivlennukeid, millest said hiljem kaasaegsete lennukite prototüübid.

I-250, rohkem tuntud kui legendaarne MiG-13, on A. I. Mikoyani välja töötatud hävitaja. Esimene lend tehti 1945. aasta kevadel, toona näitas reaktiivhävitaja rekordkiirust 820 km/h. Tootmisse pandi reaktiivlennukid MiG-9 ja Yak-15.

1945. aasta aprillis tõusis esimest korda taevasse P. O. Sukhoi reaktiivlennuk Su-5, mis tõusis ja lendas konstruktsiooni sabaosas paikneva õhkreaktiivmootor-kompressori ja kolbmootori tõttu.

Pärast sõja lõppu ja fašistliku Saksamaa alistumist sai Nõukogude Liit trofeedeks Saksa lennukid JUMO-004 ja BMW-003 reaktiivmootoritega.

Esimese maailma prototüübid

Uute reisilennukite väljatöötamise, katsetamise ja tootmisega ei tegelenud mitte ainult Saksa ja Nõukogude disainerid. Ka USA, Itaalia, Jaapani, Suurbritannia insenerid lõid palju edukaid projekte, kasutades tehnoloogias reaktiivjõudu. Esimeste arenduste hulgas erinevat tüüpi mootorite hulka kuuluvad:

Non-178 – Saksa turboreaktiivmootoriga lennuk, tõusis õhku 1939. aasta augustis.
GlosterE. 28/39 – Ühendkuningriigist pärit turboreaktiivmootoriga lennuk tõusis esmakordselt taevasse 1941. aastal.
Not-176 - Saksamaal rakettmootori abil loodud hävitaja tegi oma esimese lennu juulis 1939.
BI-2 on esimene Nõukogude lennuk, mida liikus raketielektrijaam.
Campini N.1 on Itaalias loodud reaktiivlennuk, millest sai Itaalia disainerite esimene katse kolbanaloogist eemalduda.
Tsu-11 mootoriga Yokosuka MXY7 Ohka ("Oka") on Jaapani hävitaja-pommitaja, nn ühekordne lennuk, mille pardal on kamikaze-piloot.

Reaktiivjõu kasutamine tehnikas andis teravaks tõuke järgnevate reaktiivlennukite kiireks loomiseks ning sõjalise ja tsiviillennukite ehituse edasiseks arenguks.

1943. aastal Suurbritannias toodetud õhku hingav hävituslennuk GlosterMeteor mängis Teises maailmasõjas märkimisväärset rolli, mis pärast selle valmimist täitis Saksa V-1 rakettide pealtkuulamise ülesannet.
Lockheed F-80 on USA-s toodetud AllisonJ tüüpi mootorit kasutav reaktiivlennuk. Need lennukid osalesid Jaapani-Korea sõjas rohkem kui korra.
B-45 Tornado on tänapäevaste Ameerika pommitajate B-52 prototüüp, mis loodi 1947. aastal.
MiG-15 - tunnustatud hävitaja MiG-9 järgija, mis osales aktiivselt Korea sõjalises konfliktis, toodeti 1947. aasta detsembris.
Tu-144 on esimene Nõukogude ülehelikiirusega reaktiivlennuk.

Kaasaegsed reaktiivsõidukid

Igal aastal paranevad lennukid, sest disainerid üle kogu maailma töötavad selle nimel, et luua uue põlvkonna lennukid, mis suudavad lennata helikiirusel ja ülehelikiirusel. Nüüd on liinilaevad, mis on võimelised mahutama suurt hulka reisijaid ja lasti, tohutu suurusega ja kujuteldamatu kiirusega üle 3000 km / h, kaasaegse lahinguvarustusega varustatud sõjalennukid.

Kuid selle sordi hulgas on mitu reaktiivlennuki rekordihoidjate kujundust:

Airbus A380 on ruumikaim lennuk, mis suudab pardale mahutada 853 reisijat, mille tagab kahekorruseline disain. Ta on ka üks meie aja luksuslikumaid ja kallimaid lennureise. Suurim reisilennuk õhus.
Boeing 747 - üle 35 aasta peeti seda kõige ruumikamaks kahekorruseliseks reisilennukiks ja see võis vedada 524 reisijat.
AN-225 "Mriya" on kaubalennuk, mille kandevõime on 250 tonni.
LockheedSR-71 on reaktiivlennuk, mis saavutab lennu ajal kiiruse 3529 km/h.

Lennundusuuringud ei seisa paigal, sest reaktiivlennukid on kiiresti areneva kaasaegse lennunduse aluseks. Nüüd on projekteerimisel mitu Lääne ja Venemaa mehitatud, reisijate ja mehitamata reaktiivmootoriga lennukit, mille väljalaskmine on kavandatud lähiaastatel.

Venemaa uuenduslike tulevikuarenduste hulka kuulub 5. põlvkonna hävitaja PAK FA - T-50, mille esimesed eksemplarid jõuavad vägede hulka arvatavasti 2017. aasta lõpus või 2018. aasta alguses pärast uue reaktiivmootori katsetamist.

Loodus on reaktiivjõu näide

Reaktiivne põhimõte liikumine oli algselt ajendatud loodusest endast. Selle toimet kasutavad mõnede kiilide, meduuside, paljude molluskite vastsed - kammkarbid, seepia, kaheksajalad, kalmaar. Nad rakendavad omamoodi "tõrjumispõhimõtet". Seepia tõmbab vett sisse ja viskab selle nii kiiresti välja, et teeb ise hüppe edasi. Seda meetodit kasutavad kalmaarid võivad saavutada kiiruse kuni 70 kilomeetrit tunnis. Sellepärast võimaldas selline liikumisviis kalmaare nimetada "bioloogilisteks rakettideks". Insenerid on juba leiutanud mootori, mis töötab kalmaari liikumise põhimõttel. Üks näide reaktiivjõu kasutamisest looduses ja tehnoloogias on veekahur.

See on seade, mis tagab liikumise tugeva surve all välja paisatava vee jõu abil. Seadmes pumbatakse vesi kambrisse ja seejärel vabastatakse sealt läbi düüsi ning anum liigub joa väljaviskamisele vastupidises suunas. Vett tõmbab sisse diisli- või bensiinimootoriga mootor.

Taimemaailm pakub meile ka näiteid reaktiivjõust. Nende hulgas on liike, mis kasutavad sellist liikumist seemnete hajutamiseks, näiteks hullukurk. Ainult väliselt sarnaneb see taim meile tuttavate kurkidega. Ja see sai iseloomuliku "hullu" kummalise paljunemisviisi tõttu. Valmides põrkuvad viljad vartelt maha. Selle tulemusena avaneb auk, mille kaudu kurk tulistab idanemiseks sobivaid seemneid sisaldava aine, rakendades reaktsioonivõimet. Ja kurk ise põrkab samal ajal kuni kaksteist meetrit löögile vastupidises suunas.

Reaktiivjõu avaldumise looduses ja tehnoloogias kehtivad samad universumi seadused. Inimkond kasutab neid seadusi üha enam, et saavutada oma eesmärke mitte ainult Maa atmosfääris, vaid ka kosmoses ning reaktiivjõud on selle ehe näide.

Reaktiivmootor looduses ja tehnoloogias

FÜÜSIKA KOKKUVÕTE

Reaktiivmootor - liikumine, mis tekib siis, kui selle osa teatud kiirusega kehast eraldub.

Reaktiivjõud tekib ilma väliste kehadega suhtlemiseta.

Reaktiivjõu rakendamine looduses

Paljud meist on oma elus kohtunud meduusidega meres ujudes. Mustal merel on neid igal juhul piisavalt. Kuid vähesed arvasid, et meduusid kasutavad liikumiseks ka reaktiivjõudu. Lisaks liiguvad nii kiilide vastsed ja teatud tüüpi mereplankton. Ja sageli on mereselgrootute efektiivsus reaktiivjõu kasutamisel palju suurem kui tehnilistel leiutistel.

Reaktiivjõudu kasutavad paljud molluskid – kaheksajalad, kalmaarid, seepia. Näiteks merikammkarp liigub ettepoole selle ventiilide järsu kokkusurumise käigus kestast välja paiskunud veejoa reaktiivjõu tõttu.

Kaheksajalg

Seepia

Meduusid

Seepia, nagu enamik peajalgseid, liigub vees järgmiselt. Ta võtab vett lõpuseõõnde läbi külgmise pilu ja spetsiaalse lehtri keha ees ning viskab seejärel jõuliselt läbi lehtri veejoa. Seepia suunab lehtritoru küljele või taha ning sealt kiiresti vett välja pigistades võib liikuda eri suundades.

Salpa on läbipaistva kehaga mereloom, kes liikudes võtab vett läbi eesmise avause ja vesi satub laia õõnsusse, mille sees on lõpused diagonaalselt venitatud. Niipea, kui loom võtab suure lonksu vett, sulgub auk. Seejärel tõmbuvad salpa piki- ja põikilihased kokku, kogu keha tõmbub kokku ja tagumise ava kaudu surutakse vesi välja. Väljavoolava joa reaktsioon lükkab salpa ette.

Suurimat huvi pakub kalmaari reaktiivmootor. Kalmaar on ookeani sügavuste suurim selgrootu elanik. Kalmaarid on saavutanud reaktiivlennukite navigeerimise kõrgeima taseme. Neil on isegi keha oma väliste vormidega, mis kopeerib raketti (või parem, rakett kopeerib kalmaari, kuna sellel on selles küsimuses vaieldamatu prioriteet). Aeglaselt liikudes kasutab kalmaar suurt rombikujulist uime, mis perioodiliselt paindub. Kiireks viskeks kasutab ta reaktiivmootorit. Lihaskude - vahevöö ümbritseb molluski keha igast küljest, selle õõnsuse maht on peaaegu pool kalmaari keha mahust. Loom imeb vett mantliõõnde ja paiskab seejärel järsult läbi kitsa düüsi veejoa ja liigub suure kiirusega tagasi. Sel juhul kogutakse kõik kümme kalmaari kombitsat pea kohal asuvasse sõlme ja see omandab voolujoonelise kuju. Düüs on varustatud spetsiaalse ventiiliga ja lihased saavad seda pöörata, muutes liikumissuunda. Kalmaari mootor on väga ökonoomne, see suudab saavutada kiirust kuni 60–70 km / h. (Mõned teadlased usuvad, et isegi kuni 150 km / h!) Pole asjata, et kalmaari nimetatakse "elavaks torpeedoks". Kimbuks volditud kombitsaid paremale, vasakule, üles või alla painutades pöördub kalmaar ühes või teises suunas. Kuna selline rool on looma endaga võrreldes väga suur, siis piisab selle kergest liigutusest, et kalmaar saaks isegi täiskiirusel takistusega kokkupõrkest hõlpsasti kõrvale põigelda. Rooli järsk pööre – ja ujuja tormab vastassuunas. Nüüd on ta lehtri otsa tagasi painutanud ja libiseb nüüd pea ees. Ta kaarutas selle paremale – ja reaktiivlennuk paiskas ta vasakule. Aga kui on vaja kiiresti ujuda, jääb lehter alati otse kombitsate vahele välja ja kalmaar tormab sabaga ette, nagu vähk jookseks – jooksja, kellel on hobuse väledus.

Kui pole vaja kiirustada, ujuvad kalmaarid ja seepia uimed lainetades - miniatuursed lained jooksevad läbi nende eest taha ja loom liugleb graatsiliselt, surudes end aeg-ajalt ka mantli alt välja paisatud veejoaga. Siis on selgelt näha üksikud löögid, mida mollusk veejugade purske ajal saab. Mõned peajalgsed võivad jõuda kiiruseni kuni viiskümmend viis kilomeetrit tunnis. Näib, et keegi pole otse mõõtmisi teinud, kuid seda saab hinnata lendavate kalmaaride kiiruse ja ulatuse järgi. Ja selliseid, tuleb välja, kaheksajalgade sugulastes on andeid! Parim piloot molluskite seas on kalmaar stenoteuthis. Inglise meremehed kutsuvad seda - lendav kalmaar ("flying squid"). See on heeringa suurune väike loom. Ta jälitab kalu nii kiiresti, et hüppab sageli veest välja, tormades noolena üle selle pinna. Seda nippi kasutab ta ka oma elu päästmiseks kiskjate – tuunikala ja makrelli – eest. Olles välja töötanud vees maksimaalse reaktiivtõukejõu, tõuseb pilootkalmaar õhku ja lendab üle lainete rohkem kui viiekümne meetri kaugusele. Elava raketi lennu apogee asub nii kõrgel vee kohal, et lendavad kalmaarid kukuvad sageli ookeanilaevade tekkidele. Neli-viis meetrit pole rekordkõrgus, milleni kalmaarid taevasse tõusevad. Mõnikord lendavad nad veelgi kõrgemale.

Inglise karpide uurija dr Rhys kirjeldas aastal teaduslik artikkel kalmaar (ainult 16 sentimeetrit pikk), mis paraja maa kaugusel läbi õhu lennanud kukkus ligi seitse meetrit veepinnast kõrgemale kõrguvale jahi sillale.

Juhtub, et sädelevas kaskaadis kukub laevale palju lendavaid kalmaare. Vanakirjanik Trebius Niger jutustas kord kurva loo laevast, mis väidetavalt lausa uppus oma tekile kukkunud lendava kalmaari raskuse all. Kalmaar suudab õhku tõusta ilma kiirenduseta.

Ka kaheksajalad oskavad lennata. Prantsuse loodusteadlane Jean Verany nägi, kuidas tavaline kaheksajalg akvaariumis kiirustas ja järsku tagurpidi veest välja hüppas. Kirjeldades õhus umbes viie meetri pikkust kaaret, hüppas ta tagasi akvaariumi. Hüppeks kiirust kogudes ei liikunud kaheksajalg mitte ainult reaktiivtõukejõu tõttu, vaid aerutas ka kombitsatega.
Kottis kaheksajalad ujuvad muidugi hullemini kui kalmaarid, kuid kriitilistel hetkedel suudavad nad näidata parimate sprinterite rekordklassi. California akvaariumi töötajad püüdsid pildistada krabi ründavat kaheksajalga. Kaheksajalg tormas saagiks sellise kiirusega, et filmil, isegi kõige rohkem pildistades suured kiirused, osutusid alati määrdeaineteks. Niisiis, vise kestis sajandiksekundeid! Tavaliselt ujuvad kaheksajalad suhteliselt aeglaselt. Kaheksajalgade rännet uurinud Joseph Signl arvutas välja, et poolemeetrine kaheksajalg ujub läbi mere keskmise kiirusega umbes viisteist kilomeetrit tunnis. Iga lehtrist välja paisatud veejuga surub seda kaks kuni kaks ja pool meetrit edasi (õigemini tagasi, kuna kaheksajalg tagurpidi ujub).

Teades impulsi jäävuse seadust, saate muuta oma liikumiskiirust avatud ruumis. Kui olete paadis ja teil on raskeid kive, siis kivide loopimine teatud suunas liigub teid vastupidises suunas. Sama juhtub avakosmoses, kuid selleks kasutatakse reaktiivmootoreid.

Kõik teavad, et relva lasuga kaasneb tagasilöök. Kui kuuli kaal oleks võrdne relva raskusega, lendaksid need laiali sama kiirusega. Tagasilöök tekib seetõttu, et äravisatud gaaside mass tekitab reaktiivjõu, mille toimel saab tagada liikumise nii õhus kui ka õhuvabas ruumis. Ja mida suurem on väljavoolavate gaaside mass ja kiirus, seda suuremat tagasilöögijõudu tunneb meie õlg, mida tugevam on relva reaktsioon, seda suurem on reaktiivjõud.

Reaktiivjõu kasutamine tehnoloogias

Inimkond on unistanud kosmoselendudest palju sajandeid. Ulmekirjanikud on selle eesmärgi saavutamiseks välja pakkunud mitmesuguseid vahendeid. 17. sajandil ilmus prantsuse kirjaniku Cyrano de Bergeraci lugu lennust Kuule. Selle loo kangelane pääses Kuule raudvankriga, millest ta pidevalt tugeva magnetiga üle viskas. Tema poole meelitades tõusis vagun Maast kõrgemale ja kõrgemale, kuni jõudis Kuule. Ja parun Münchausen ütles, et ronis kuu peale oavarre peal.

Meie ajastu esimese aastatuhande lõpul leiutati Hiinas reaktiivjõud, mis toidab rakette – püssirohuga täidetud bambustorusid, neid kasutati ka lõbuna. Üks esimesi autoprojekte oli ka reaktiivmootoriga ja see projekt kuulus Newtonile

Maailma esimese inimlennuks mõeldud reaktiivlennuki projekti autor oli Vene revolutsionäär N.I. Kibalchich. Ta hukati 3. aprillil 1881 keiser Aleksander II mõrvakatses osalemise eest. Ta arendas oma projekti vanglas pärast surmaotsust. Kibalchich kirjutas: "Vangglas olles, paar päeva enne oma surma, kirjutan seda projekti. Ma usun oma idee teostatavusse ja see usk toetab mind mu kohutavas positsioonis ... Ma lähen rahulikult surmale vastu, teades, et minu idee ei sure koos minuga.

Idee kasutada kosmoselendudeks rakette pakkus meie sajandi alguses välja vene teadlane Konstantin Eduardovitš Tsiolkovski. 1903. aastal ilmus Kaluga gümnaasiumi õpetaja K.E. Tsiolkovski "Maailmaruumide uurimine reaktiivseadmete abil". See töö sisaldas astronautika jaoks kõige olulisemat matemaatilist võrrandit, mida nüüd tuntakse Tsiolkovski valemina, mis kirjeldas muutuva massiga keha liikumist. Seejärel töötas ta välja vedelkütuse rakettmootori skeemi, pakkus välja mitmeastmelise raketiprojekti ja väljendas ideed võimalusest luua Maa-lähedasel orbiidil terveid kosmoselinnasid. Ta näitas, et ainus aparaat, mis suudab gravitatsiooni ületada, on rakett, s.o. reaktiivmootoriga seade, mis kasutab kütust ja seadmel endal asuvat oksüdeerijat.

Reaktiivmootor- see on mootor, mis muudab kütuse keemilise energia gaasijoa kineetiliseks energiaks, samal ajal kui mootor omandab pöördeid vastupidises suunas.

K. E. Tsiolkovski idee viisid ellu Nõukogude teadlased akadeemik Sergei Pavlovitš Korolevi juhendamisel. Kõige esimene tehissatelliit Maad kasutav rakett lasti Nõukogude Liidus välja 4. oktoobril 1957. aastal.

Reaktiivjõu põhimõte leiab laialdast praktilist rakendust lennunduses ja astronautikas. Kosmoses pole keskkonda, millega keha saaks suhelda ja seeläbi oma kiiruse suunda ja moodulit muuta, seetõttu saab kosmoselendudeks kasutada ainult reaktiivlennukeid, st rakette.

Raketi seade

Raketi liikumine põhineb impulsi jäävuse seadusel. Kui mingil ajahetkel visatakse raketist välja keha, omandab see sama hoo, kuid on suunatud vastupidises suunas

Igas raketis, olenemata selle konstruktsioonist, on alati kest ja oksüdeerijaga kütus. Raketi kest sisaldab kasulikku lasti (antud juhul kosmoselaeva), instrumendiruumi ja mootorit (põlemiskamber, pumbad jne).

Raketi põhimass on oksüdeerijaga kütus (oksüdeerijat on vaja selleks, et kütus põleks, kuna ruumis pole hapnikku).

Kütus ja oksüdeerija pumbatakse põlemiskambrisse. Kütus muutub põlemisel kõrge temperatuuriga gaasiks ja kõrgsurve. Suure rõhkude erinevuse tõttu põlemiskambris ja kosmoses paiskuvad gaasid põlemiskambrist võimsa joana välja spetsiaalse kujuga kella, mida nimetatakse düüsiks. Düüsi eesmärk on suurendada joa kiirust.

Enne raketi starti on selle hoog null. Põlemiskambris oleva gaasi ja raketi kõigi teiste osade vastasmõju tulemusena saab läbi düüsi väljuv gaas mingi impulsi. Siis on rakett suletud süsteem ja selle koguimment peab pärast starti olema võrdne nulliga. Seetõttu saab raketi kest, olenemata sellest, mis selles on, impulsi, mis on absoluutväärtuselt võrdne gaasi impulsiga, kuid vastupidise suunaga.

Raketi kõige massiivsemat osa, mis on mõeldud kogu raketi käivitamiseks ja kiirendamiseks, nimetatakse esimeseks etapiks. Kui mitmeastmelise raketi esimene massiivne aste ammendab kiirendamisel kõik kütusevarud, eraldub see. Edasist kiirendust jätkab teine, vähemmassiivne aste ning varem esimese etapi abil saavutatud kiirusele lisab see veidi kiirust juurde ja siis eraldub. Kolmas etapp jätkab kiiruse suurendamist nõutava väärtuseni ja toimetab kasuliku koorma orbiidile.

Esimene inimene, kes avakosmosesse lendas, oli kodanik Nõukogude Liit Juri Aleksejevitš Gagarin. 12. aprill 1961 tiirutas satelliitlaeval Vostok ümber maakera

Nõukogude raketid jõudsid esimestena Kuule, tiirutasid Kuu ümber ja pildistasid selle nähtamatut külge Maalt, jõudsid esimestena planeedile Veenus ja toimetasid selle pinnale teaduslikke instrumente. 1986. aastal uurisid kaks Nõukogude kosmoselaeva "Vega-1" ja "Vega-2" lähedalt Halley komeeti, lähenedes Päikesele kord 76 aasta jooksul.

Reaktiivmootor looduses ja tehnoloogias

FÜÜSIKA KOKKUVÕTE

Reaktiivmootor- liikumine, mis tekib siis, kui selle osa teatud kiirusega kehast eraldub.

Reaktiivjõud tekib ilma väliste kehadega suhtlemiseta.

Reaktiivjõu rakendamine looduses

Kaheksajalg

Seepia

Inglise karploomade uurija dr Rees kirjeldas ühes teadusartiklis kalmaari (pikkusega vaid 16 sentimeetrit), kes paraja vahemaa läbi õhu lennanud kukkus jahi sillale, mis kõrgus veest ligi seitse meetrit kõrgemal.

Ka kaheksajalad oskavad lennata. Prantsuse loodusteadlane Jean Verany nägi, kuidas tavaline kaheksajalg akvaariumis kiirustas ja järsku tagurpidi veest välja hüppas. Kirjeldades õhus umbes viie meetri pikkust kaaret, hüppas ta tagasi akvaariumi. Hüppeks kiirust kogudes ei liikunud kaheksajalg mitte ainult reaktiivtõukejõu tõttu, vaid aerutas ka kombitsatega.
Kottis kaheksajalad ujuvad muidugi hullemini kui kalmaarid, kuid kriitilistel hetkedel suudavad nad näidata parimate sprinterite rekordklassi. California akvaariumi töötajad püüdsid pildistada krabi ründavat kaheksajalga. Kaheksajalg tormas saagiks sellise kiirusega, et filmil oli isegi kõige suurematel kiirustel pildistades alati määrdeaineid. Niisiis, vise kestis sajandiksekundeid! Tavaliselt ujuvad kaheksajalad suhteliselt aeglaselt. Kaheksajalgade rännet uurinud Joseph Signl arvutas välja, et poolemeetrine kaheksajalg ujub läbi mere keskmise kiirusega umbes viisteist kilomeetrit tunnis. Iga lehtrist välja paisatud veejuga surub seda kaks kuni kaks ja pool meetrit edasi (õigemini tagasi, kuna kaheksajalg tagurpidi ujub).

Jet-liikumist võib leida ka taimemaailmast. Näiteks põrkuvad “hullu kurgi” küpsed viljad vähimagi puudutuse korral varre küljest lahti ja tekkinud august paiskub jõuga välja kleepuv vedelik koos seemnetega. Kurk ise lendab vastassuunas kuni 12 m.

Reaktiivjõu kasutamine tehnoloogias

Reaktiivmootor- see on mootor, mis muudab kütuse keemilise energia gaasijoa kineetiliseks energiaks, samal ajal kui mootor omandab pöördeid vastupidises suunas.

K. E. Tsiolkovski idee viisid ellu Nõukogude teadlased akadeemik Sergei Pavlovitš Korolevi juhendamisel. Ajaloo esimene kunstlik Maa satelliit lendas raketi abil välja Nõukogude Liidus 4. oktoobril 1957. aastal.

Raketi seade

Raketi liikumine põhineb impulsi jäävuse seadusel. Kui mingil ajahetkel visatakse raketist välja keha, omandab see sama hoo, kuid on suunatud vastupidises suunas

Raketi põhimass on oksüdeerijaga kütus (oksüdeerijat on vaja selleks, et kütus põleks, kuna ruumis pole hapnikku).

Kütus ja oksüdeerija pumbatakse põlemiskambrisse. Kütus, põledes, muutub kõrge temperatuuri ja kõrge rõhuga gaasiks. Suure rõhkude erinevuse tõttu põlemiskambris ja kosmoses paiskuvad gaasid põlemiskambrist võimsa joana välja spetsiaalse kujuga kella, mida nimetatakse düüsiks. Düüsi eesmärk on suurendada joa kiirust.

Esimene inimene, kes avakosmosesse lendas, oli Nõukogude Liidu kodanik Juri Aleksejevitš Gagarin. 12. aprill 1961 tiirutas satelliitlaeval Vostok ümber maakera

Mitmetonnised kosmoselaevad hõljuvad taevasse ning merevetes manööverdavad osavalt läbipaistvad želatiinsed meduusid, seepiad ja kaheksajalad – mis on neil ühist? Selgub, et mõlemal juhul kasutatakse liikumiseks reaktiivjõu põhimõtet. Just sellele teemale on meie tänane artikkel pühendatud.

Vaatame ajalukku

Enamik Esimesed usaldusväärsed andmed rakettide kohta pärinevad 13. sajandist. Indiaanlased, hiinlased, araablased ja eurooplased kasutasid neid lahingutegevuses sõjaliste ja signaalrelvadena. Seejärel järgnes nende seadmete sajandeid peaaegu täielik unustus.

Venemaal taastati reaktiivmootori kasutamise idee tänu Narodnaja Volja revolutsionääri Nikolai Kibaltšichi tööle. Kuninglikes koopasse istudes töötas ta välja Venemaa reaktiivmootori ja inimestele mõeldud lennuki projekti. Kibalchich hukati ja tema projekt kogus aastaid tolmu tsaariaegse salapolitsei arhiivis.

Selle andeka ja julge inimese peamisi ideid, jooniseid ja arvutusi arendati edasi K. E. Tsiolkovski töödes, kes tegi ettepaneku kasutada neid planeetidevaheliseks suhtluseks. Aastatel 1903–1914 avaldas ta mitmeid töid, kus ta veenvalt tõestab reaktiivjõu kasutamise võimalust kosmoseuuringutes ja põhjendab mitmeastmeliste rakettide kasutamise otstarbekust.

Paljusid Tsiolkovski teaduslikke arendusi kasutatakse raketiteaduses siiani.

bioloogilised raketid

Kuidas see tekkis idee liikuda oma reaktiivvoogu ära lükates? Võib-olla märkasid rannikualade elanikud mereelu tähelepanelikult jälgides, kuidas see loomamaailmas juhtub.

Näiteks, kammkarp liigub selle ventiilide kiirel kokkusurumisel kestast väljuva veejoa reaktiivjõu tõttu. Kuid ta ei saa kunagi sammu kiireimate ujujatega - kalmaaridega.

Nende raketilaadsed kehad tormavad saba ettepoole, paiskades spetsiaalsest lehtrist välja hoiustatud vett. liiguvad samal põhimõttel, pigistades vett välja, tõmmates kokku nende läbipaistva kupli.

Loodus andis "reaktiivmootori" ja taime nn "kurgi pritsimine". Kui selle viljad on täielikult küpsed, eraldab see vastuseks vähimalegi puudutusele gluteeni koos seemnetega. Loode ise visatakse vastassuunas kuni 12 m kaugusele!

Ei mereelustik ega taimed ei tunne selle liikumisviisi aluseks olevaid füüsilisi seadusi. Püüame selle välja mõelda.

Reaktiivjõu põhimõtte füüsilised alused

Alustame lihtsa katsega. Täitke kummipall täis ja ilma sidumata laseme vabale lennule. Palli kiire liikumine jätkub seni, kuni sellest välja voolav õhuvool on piisavalt tugev.

Selle kogemuse tulemuste selgitamiseks peaksime pöörduma kolmanda seaduse poole, mis seda ütleb kaks keha interakteeruvad jõududega, mis on võrdse suurusega ja vastassuunalised. Seetõttu on jõud, millega pall mõjub sellest väljuvatele õhujugadele, võrdne jõuga, millega õhk palli endast eemale tõrjub.

Viime selle mõttekäigu üle raketile. Need seadmed viskavad suurel kiirusel osa oma massist välja, mille tulemusena saavad nad ise kiirenduse vastupidises suunas.

Füüsika seisukohalt on see protsess on selgelt seletatav impulsi jäävuse seadusega. Impulss on keha massi ja selle kiiruse (mv) korrutis Raketi puhkeolekus on selle kiirus ja impulss null. Kui sellest väljutatakse juga, siis ülejäänud osa peab impulsi jäävuse seaduse kohaselt saavutama sellise kiiruse, et koguimpulss oleks ikkagi võrdne nulliga.

Vaatame valemeid:

m g v g + m p v p =0;

m g v g \u003d - m p v p,

kus m g v g gaaside joa tekitatud hoog, m p v p raketi poolt vastuvõetud hoog.

Miinusmärk näitab, et raketi liikumissuund ja joa joa on vastupidised.

Reaktiivmootori seade ja tööpõhimõte

Tehnoloogias suunavad reaktiivmootorid lennukeid, rakette, orbiidile kosmoselaev. Sõltuvalt eesmärgist on neil erinev seade. Kuid igal neist on kütusevaru, põlemiskamber ja düüs, mis kiirendab jugavoolu.

Planeetidevahelised automaatjaamad on varustatud ka instrumendiruumi ja kajutitega, kus on astronautide elu toetav süsteem.

Kaasaegsed kosmoseraketid on keerulised mitmeastmelised lennukid, mis kasutavad inseneriteaduse uusimaid saavutusi. Pärast starti põleb kõigepealt alumises astmes olev kütus, misjärel see raketist eraldub, vähendades selle kogumassi ja suurendades kiirust.

Seejärel kulub kütus teises etapis jne Lõpuks viiakse lennuk etteantud trajektoorile ja alustab iseseisvat lendu.

Unistame natuke

Suur unistaja ja teadlane K. E. Tsiolkovski andis tulevastele põlvedele kindlustunde, et reaktiivmootorid võimaldavad inimkonnal maakera atmosfäärist välja murda ja kosmosesse tormata. Tema ennustus läks tõeks. Kosmoselaevad uurivad edukalt Kuud ja isegi kaugeid komeete.

Astronautikas kasutatakse vedelkütusega mootoreid. Kasutades kütusena naftasaadusi, kuid nende abil saavutatavad kiirused on väga pikkadeks lendudeks ebapiisavad.

Võib-olla olete teie, meie kallid lugejad, tunnistajaks maalaste lendudele tuuma-, termotuuma- või ioonreaktiivmootoriga sõidukitel teistesse galaktikatesse.

Kui see sõnum oli teile kasulik, oleks mul hea meel teid näha

Impulsi jäävuse seadus on reaktiivmootori tõukejõu kaalumisel väga oluline.
Under reaktiivjõud mõistma keha liikumist, mis tekib selle osa eraldamisel tema suhtes teatud kiirusel, näiteks põlemisproduktide väljavoolamisel reaktiivlennuki düüsist. Sellest tekivad nn Reaktiivjõud keha surudes.
Reaktiivjõu iseärasus seisneb selles, et see tekib süsteemi enda osade omavahelise interaktsiooni tulemusena ilma väliste kehadega suhtlemiseta.
Kui näiteks jalakäijale, laevale või lennukile kiirendust avaldav jõud tekib ainult nende kehade koosmõjul maa, vee või õhuga.

Nii et keha liikumist saab saavutada vedeliku või gaasi joa väljavoolu tulemusena.

Looduses reaktiivjõud omane peamiselt veekeskkonnas elavatele elusorganismidele.

Tehnoloogias kasutatakse reaktiivjõudu jõetranspordis (reaktiivmootorid), autotööstuses (võidusõiduautod), sõjanduses, lennunduses ja astronautikas.
Kõik kaasaegsed kiired lennukid on varustatud reaktiivmootoritega, sest. nad suudavad tagada vajaliku lennukiiruse.
Kosmoses on võimatu kasutada muid mootoreid, välja arvatud reaktiivmootorid, kuna puudub tugi, millest alates saaks kiirenduse.

Reaktiivtehnoloogia arengu ajalugu

Vene lahinguraketi looja oli suurtükiväeteadlane K.I. Konstantinov. 80 kg kaaluva Konstantinovi raketi laskeulatus ulatus 4 km-ni.

Idee kasutada lennukis reaktiivmootorit, reaktiivlennuki instrumendi projekti, esitas 1881. aastal N.I. Kibalchich.

1903. aastal kuulus füüsik K.E. Tsiolkovski tõestas planeetidevahelises ruumis lendamise võimalust ja töötas välja esimese vedelkütuselise mootoriga rakettlennuki projekti.

K.E. Tsiolkovski kavandas kosmoserakettrongi, mis koosneb mitmest raketist, mis töötavad kordamööda ja kukuvad kütuse kulumisel maha.

Reaktiivmootorite kasutamise põhimõtted

Iga reaktiivmootori aluseks on põlemiskamber, milles kütuse põlemisel tekivad gaasid, millel on väga kõrge temperatuur ja surve avaldamine kambri seintele. Gaasid väljuvad suurel kiirusel raketi kitsast otsikust ja tekitavad joa tõukejõu. Impulsi jäävuse seaduse järgi kogub rakett kiirust vastupidises suunas.

Süsteemi impulss (raketi põlemisproduktid) jääb võrdseks nulliga. Kuna raketi mass väheneb, isegi koos püsikiirus gaaside väljavoolu korral suureneb selle kiirus, saavutades järk-järgult maksimumväärtuse.
Raketi liikumine on näide muutuva massiga keha liikumisest. Selle kiiruse arvutamiseks kasutatakse impulsi jäävuse seadust.

Reaktiivmootorid jagunevad rakettmootoriteks ja reaktiivmootoriteks.

rakettmootorid saadaval tahke- või vedelkütusena.
Tahkekütusega rakettmootorites asetatakse mootori põlemiskambrisse nii kütust kui ka oksüdeerijat sisaldav raketikütus.
AT vedelkütusega mootorid, mis on mõeldud kosmoselaevade käivitamiseks, hoitakse kütust ja oksüdeerijat eraldi spetsiaalsetes mahutites ja pumbatakse põlemiskambrisse. Kütusena saab neis kasutada petrooleumi, bensiini, piiritust, vedelat vesinikku jne ning põlemiseks vajaliku oksüdeeriva ainena vedelat hapnikku, lämmastikhapet jm.

Tänapäevased kolmeastmelised kosmoseraketid lastakse välja vertikaalselt ja pärast atmosfääri tihedate kihtide läbimist kantakse need etteantud suunas lennule. Igal raketiastmel on oma kütusepaak ja oksüdeerija paak, samuti oma reaktiivmootor. Kütuse põlemisel visatakse kasutatud raketi astmed kõrvale.

Õhureaktiivmootorid kasutatakse praegu peamiselt lennukites. Nende peamine erinevus rakettmootoritest seisneb selles, et kütuse põlemisel on oksüdeerijaks atmosfäärist mootorisse siseneva õhu hapnik.
Reaktiivmootorite hulka kuuluvad nii aksiaal- kui ka tsentrifugaalkompressoriga turbokompressormootorid.
Selliste mootorite õhk imetakse sisse ja surutakse kokku kompressoriga, mida käitab gaasiturbiin. Põlemiskambrist väljuvad gaasid tekitavad tõukejõu ja pööravad turbiini rootorit.

Väga suure lennukiiruse korral saab gaaside kokkusurumine põlemiskambris toimuda vastutuleva õhuvoolu tõttu. Kompressori vajadus on välistatud.