Реактивное движение

Давайте рассмотрим несколько примеров, которые подтверждают справедливость закона сохранения импульса.

На экране представлен горизонтальный рельсовый путь, на котором находится платформа с закреплённым на ней артиллерийским орудием. Ствол орудия горизонтален. Если орудие выстрелит, то платформа начинает катиться в сторону, противоположную направлению выстрела. Как объяснить это явление?

Давайте разбираться. Сила тяжести, действующая на платформу с орудием, компенсирована силой нормальной реакции рельсов. Трением качения можно пренебречь. Значит, результирующая внешних сил равна нулю. Поэтому к системе (платформа с орудием и снаряд) можно применить закон сохранения импульса.

Почему платформа пришла в движение? Из-за «отдачи» при выстреле, то есть из-за того, что пороховые газы действовали как на снаряд, так и на орудие. Хотя мы не знаем, чему равна эта сила, но с помощью закона сохранения импульса мы смогли найти скорость движения платформы.

Явление «отдачи» можно показать на простом опыте. Прикрепим к игрушечному автомобилю надутый воздушный шарик и проколем его иглой. Из отверстия в шарике начинает вырываться струя воздуха, и автомобиль приходит в движение. Мы знаем, что как правило для набора скорости тело отталкивается от окружающих тел: дорожного покрытия, водной или воздушной среды и тому подобного. В нашем же опыте автомобиль вместе с шариком «отталкивался» от воздуха, запасённого внутри системы.

Движение автомобиля с шариком является примером реактивного движения. Так называют движение, которое возникает, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть.

Реактивное движение — это наиболее яркое проявление практического применения закона сохранения импульса. В живой природе оно наблюдается у осьминогов, кальмаров, каракатиц и медуз. Все они используют для плавания отдачу выбрасываемой струи воды.

Выдающуюся роль реактивные технологии приобрели во второй половине 20 века. Они находят широкое практическое применение в авиации и космонавтике. Типичным примером реактивного движения может служить движение ракет. Так как в космосе нет среды, от которой можно «отталкиваться», единственная возможность достичь космических скоростей и управлять движением космических аппаратов — это использование реактивных двигателей.

Чаще всего ракета имеет трубчатый корпус, закрытый с одного конца. В нём, как правило, располагается полезный груз (например, космический корабль). И приборный отсек. Большую часть ракеты занимают баки с топливом и окислителем. По трубопроводу топливо подаётся в камеру сгорания, где оно сгорает и превращается в газ высокой температуры и высокого давления. Через реактивное сопло, расположенное снизу ракеты, газ вырывается наружу и образует реактивную струю.

Систему «ракета-газ» можно считать замкнутой, так как сила притяжения к Земле намного меньше внутренних сил, возникающих при сгорании топлива. Значит к данной системе применим закон сохранения импульса. Когда ракета на стартовой площадке неподвижна, то её суммарный импульс равен нулю: неподвижно топливо и неподвижен корпус. Для простоты расчётов будем считать, что топливо сгорает мгновенно и горячие газы под большим давлением выбрасываются через сопло́ наружу. При этом корпус ракеты станет двигаться в сторону, противоположную движению газов.

Из полученной формулы видно, что скорость ракеты можно увеличить двумя путями: увеличив скорость вытекающих газов из сопла́ ракеты и увеличив массу сгораемого топлива. Но второй путь приведёт к уменьшению доли полезной массы — массы корпуса, а также перевозимого груза.

Отсюда понятна выгода использования многоступенчатых ракет. По мере выгорания топлива в ступенях их отделяют. Уменьшение массы ракеты облегчает её дальнейший разгон. При этом последняя ступень может использоваться как для увеличения скорости ракеты, так и для её торможения. Так при возвращении корабля на Землю ракету разворачивают на сто восемьдесят градусов, чтобы сопло́ оказалось впереди. Тогда вырывающийся газ сообщает ракете импульс, направленный против скорости её движения, что приводит к уменьшению скорости и даёт возможность осуществить посадку.

Ракеты известны давно. Впервые о них упоминается в китайских хрониках тысяча сто пятидесятого года, где описывались запуски фейерверков.

Естественно, что такое интересное явление, как движение ракет, изучалось многими учёными. Так, в 1650 году в Амстердаме вышла книга «Великое искусство артиллерии» генерал-лейтенанта польской армии Казимира Семеновича. В ней была глава, посвящённая описанию движения ракет и их конструкций. Эта книга практически одновременно была переведена на основные европейские языки того времени.

Большой вклад в теорию движения ракет внесли русские учёные. Так идея использования многоступенчатых ракет для запуска на орбиту искусственных спутников была предложена в начале двадцатого века русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. Им была получена формула, сейчас носящая его имя, позволяющая оценить запас топлива, который должен быть в ракете, чтобы она стала искусственным спутником Земли.

Идея Циолковского была осуществлена советскими учёными под руководством Сергея Павловича Королева. Мы уже говорили о том, что первый в истории искусственный спутник Земли был запущен с помощью ракеты в Советском Союзе 4 октября 1957 года. А первым человеком, который совершил космический полет, был гражданин СССР Юрий Алексеевич Гагарин. Двенадцатого апреля тысяча девятьсот шестьдесят первого года он облетел земной шар за 108 минут на корабле-спутнике «Восток».

Советские ракеты первыми достигли Луны, первыми облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, и первыми достигли планеты Венера.

В 1969 году американский астронавт Нил Армстронг впервые в истории человечества ступил на поверхность другого небесного тела — Луны. Американские астронавты совершили несколько полётов на Луну с выходом на её поверхность и длительным (до трёх земных суток) сроком пребывании на ней.

Были созданы и запушены на околоземную орбиту станции-спутники, идея использования которых также принадлежит Циолковскому Константину Эдуардовичу.