Единицы измерения реактивного движения

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение

Импульсом тела называется величина, равная произведению массы тела на его скорость.

Импульс обозначается буквой и имеет такое же направление, как и скорость.

Единица измерения импульса:

Импульс тела вычисляется по формуле: , где

Изменение импульса тела равно импульсу силы, действующей на него:

Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения импульса:

в замкнутой системе векторная сумма импульсов тел до взаимодействия равна векторной сумме импульсов тел после взаимодействия.

, где

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения.

Реактивное движение – это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.

Для вычисления скорости ракеты записывают закон сохранения импульса

и получают формулу скорости ракеты: =, где М – масса ракеты,

10.Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора.

Первая модель атома была предложена английским физиком Томсоном. По Томсону, атом представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого находятся отрицательно заряженные электроны.

Модель атома Томсона была неверной, что подтвердилось в опытах английского физика Резерфорда в 1906 г.

В этих опытах узкий пучок α-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц.

Было обнаружено, что большинство α-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т.е. рассеиваются. А некоторые α-частицы вообще отбрасываются назад.

Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределён равномерно по шару, как предполагал Томсон, а сосредоточен в центральной части атома – атомном ядре. При прохождении около ядра α-частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро – отбрасывается назад.

Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе.

Но Резерфорд не мог объяснить устойчивости (почему электроны не излучают волны и не падают к положительно заряженному ядру).

Новые представления об особых свойствах атома сформулировал датский физик Бор в двух постулатах.

1-й постулат. Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует соя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

2-й постулат. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения.

Энергия излученного фотона равна разности энергий атома в двух состояниях:

постоянная Планка.

Источник

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение в природе и технике

Импульс тела (Количество движения) — векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения и равная произведению массы тела на его скорость. Импульс обозначается буквой p и имеет такое же направление, как и скорость. Единица измерения импульса:[ p ]= кг м/с. Импульс тела вычисляется по формуле: где m — масса тела, — скорость тела.

Изменение импульса тела равно импульсу силы, действующей на него:.

Закон сохранения импульса (абсолютно упругий удар)

До взаимодействия После взаимодействия

Согласно 3 з-ну Ньютона: , следовательно:

Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения импульса: Геометрическая (векторная) сумма импульсов взаимодействующих тел, составляющих замкнутую систему, остается неизменной.

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно осьминогам, кальмарам, каракатицам, медузам – все они, без исключения, используют для плавания реакцию (отдачу) выбрасываемой струи воды.

Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. При этом возникает так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.

Реактивное движение совершает ракета (рис.). Основной частью реактивного двигателя является камера сгорания. В одной из ее стенок имеется отверстие — реактивное сопло, предназначенное для выхода газа, образующегося при сгорании топлива. Высокая температура и давление газа определяют большую скорость истечения его из сопла.

До работы двигателя импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения двигателей геометрическая сумма импульсов ракеты и истекающих газов равна нулю: , где — масса и скорость выбрасываемых газов, — масса и скорость ракеты.

В проекции на ось Oy

— скорость ракеты. Эта формула справедлива при условии небольшого изменения массы ракеты.

Главная особенность реактивного движения состоит в том, что ракета может как ускоряться, так и тормозиться и поворачиваться без какого-либо взаимодействия с другими телами в отличие от всех других транспортных средств.

Источник

Реактивное движение в природе и технике

Содержание:

У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, осьминоги, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.

История реактивного движения

С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.

Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.

Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.

Кто открыл реактивное движение?

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Примеры реактивного движения в природе

Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.

Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).

Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.

Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами

Закон реактивного движения

Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.

Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.

То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.

Закон сохранения импульса и реактивное движение

Физика поясняет процесс реактивного движения законом сохранения импульса. Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.

Формула реактивного движения

где m_sv_s импульс создаваемой струей газов, m_рv_р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

Реактивное движение в технике – принцип работы реактивного двигателя

В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть

• запас топлива,
• камера, для сгорания топлива,
• сопло, задача которого ускорять реактивную струю.

Так выглядит реактивный двигатель.

Реактивное движение, видео

И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.

Источник

Импульс тела. Импульс силы. Реактивное движение. Формула.

Импульс тела это векторная физическая величина, которая равна произведению скорости тела на его массу. Также импульс тела имеет и второе название это количество движения. Направление импульса тела совпадает с направлением вектора скорости. Импульс тела в системе си не имеет собственной единицы измерения. Поэтому он измеряется в единицах входящих в его состав это килограммометр в секунду кгм/с.

v — скорость тела.

Импульс тела, по сути, является новой трактовкой второго закона Ньютона. В котором попросту разложили ускорение. При этом величину Ft назвали импульсом силы, а mv импульсом тела.

Импульс силы это физическая величина векторного характера, которая определяет степень действия силы за промежуток времени в течение, которого она действует.

v1 — начальная скорость тела.

v2 — конечная скорость тела.

a — ускорение тела.

p — импульс тела.

t1 — начальное время

t2 — конечное время.

Сделано это для того чтобы можно было просчитывать задачи связанные с движением тел переменной массы и при скоростях сравнимых со скоростью света.

Новую трактовку второго закона Ньютона нужно понимать так. В результате действия силы F в течение времени t на тело массой m его скорость станет равной V.

В замкнутой системе величина импульса является постоянной, так звучит закон сохранения импульса. Напомним, что замкнутой называется система, на которую не действуют внешние силы. Примером такой системы могут служить два разнородных шарика движущихся по прямолинейной траектории навстречу друг другу, с одинаковой скоростью. Шарики имеют одинаковый диаметр. Силы трения во время движения отсутствуют. Так как шарики выполнены из разных материалов, то они обладают разной массой. Но при этом материал обеспечивает абсолютную упругость тел.

В результате столкновения шаров более легкий отскочит с большей скоростью. А более тяжелый покатится назад медленнее. Так как импульс тела, сообщенный более тяжёлым шаром более легкому больше чем импульс отдаваемым легким шаром тяжелому.

Благодаря закону сохранения импульса можно описать реактивное движение. В отличие от других видов движения, для реактивного не нужно взаимодействие с другими телами. К примеру, автомобиль движется благодаря силе трения, которая способствует его отталкиванию от поверхности земли. При реактивном же движении взаимодействие с другими телами не происходит. Его причиной является отделение от тела части его массы с определенной скоростью. То есть от двигателя отделяется часть топлива, в виде расширяющихся газов, при этом они движутся с огромной скоростью. Соответственно сам двигатель при этом приобретает некоторый импульс, сообщающий ему скорость.

Источник

ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Как сказал.

Если вы студент, значит перед вами стоит тысяча возможностей. Найдите в себе силы, чтобы использовать хотя бы одну из них.

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Список лекций по физике за 1,2 семестр

Урок 04. Лекция 03.Закон сохранения импульса и реактивное движение. Закон сохранения механической энергии. Работа и мощность.

Движение в природе не возникает из ничего и не исчезает – оно передаётся от одного объекта к другому. При определённых условиях, движение в состоянии накапливаться, но, высвобождаясь, обнаруживает своё свойство к сохранению.

Задумывались ли вы когда-нибудь почему:

• Мяч, летящий с большой скоростью, футболист может остановить ногой или головой, а вагон, движущийся по рельсам даже очень медленно, человек не остановит (масса вагона намного больше массы мяча).
• Стакан с водой находится на длинной полоске прочной бумаги. Если тянуть полоску медленно, то стакан движется вместе с бумагой. а если резко дернуть полоску бумаги — стакан остается неподвижный. (стакан останется неподвижным из-за инерции — явления сохранения скорости тела постоянной при отсутствии действия на него других тел)
• Теннисный мяч, попадая в человека, вреда не причиняет, однако пуля, которая меньше по массе, о движется с большой скоростью (600—800 м/с), оказывается смертельно опасной (скорость пули намного болше, чем мяча).

Значит, результат взаимодействия тел зависит и от массы тел и от их скорости одновременно.

Еще великий французский философ, математик, физик и физиолог, основатель новоевропейского рационализма и один из влиятельнейших метафизиков Нового времени Рене Декарт ввел такое понятие как «количество движения». Он же высказал закон сохранения количества движения, дал понятие импульса силы.

«Я принимаю, что во Вселенной. есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает.» Р. Декарт

Декарт, судя по его высказываниям, понимал фундаментальное значение введенного им в XVII веке понятия количества движения — или импульса тела — как произведения массы тела на величину его скорости. И хотя он совершил ошибку, не рассматривая количество движения как векторную величину, сформулированный им закон сохранения количества движения выдержал с честью проверку временем. В начале XVIII века ошибка была исправлена, и триумфальное шествие этого закона в науке и технике продолжается по сию пору.

Как один из основополагающих законов физики, он дал неоценимое орудие исследования ученым, ставя запрет одним процессам и открывая дорогу другим. Взрыв, реактивное движение, атомные и ядерные превращения — везде превосходно работает этот закон. А в скольких самых обиходных ситуациях помогает разобраться понятие импульса, сегодня, мы надеемся, вы убедитесь сами.

Количество движения — мера механического движения, равная для материальной точки произведению её массыm на скорость v.Количество движения mv — величина векторная, направленная так же, как скорость точки. Иногда Количество движения называют ещёимпульсом. Количество движения, в любой момент времени, характеризуется скоростью объекта определённой массы при перемещении его из одной точки пространства в другую.

Импульсом тела (или количеством движения) называют векторную величину, равную произведению массы тела на его скорость:

Импульс тела направлен в ту же сторону, что и скорость тела.

Единицей измерения импульса в СИ является 1 кг·м/с.

Изменение импульса тела происходит при взаимодействии тел, например, при ударах. (Видео «Бильярдные шары). При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу.

Виды соударений:

Абсолютно неупругий удар — это такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.

Пуля застревает в бруске и далее они движутся как одно целое Кусок пластелина прилипает к стене

Абсолютно упругий удар — это столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел.

Шарики после столкновения отскакивают друг от друга в разные стороны Мяч отскакивает от стены

Пусть на тело массой m в течение некоторого малого промежутка времени Δt действовала сила F.

Под действием этой силы скорость тела изменилась на

Следовательно, в течение времени Δt тело двигалось с ускорением

Из основного закона динамики (второго закона Ньютона) следует:

Физическая величина, равная произведению силы на время ее действия, называется импульсом силы:

Импульс силы также является векторной величиной.

Импульс силы равен изменению импульса тела (II закон Ньютона в импульсной форме):

Обозначив импульс тела буквой p второй закон Ньютона можно записать в виде:

Именно в таком общем виде сформулировал второй закон сам Ньютон. Сила в этом выражении представляет собой равнодействующую всех сил, приложенных к телу.

Для определения изменения импульса удобно использовать диаграмму импульсов, на которой изображаются вектора импульсов, а также вектор суммы импульсов, построенный по правилу параллелограмма.

При рассмотрении любой механической задачи мы интересуемся движением определенного числа тел. Совокупность тел, движение которой мы изучаем, называется механической системой или просто системой.

В механике часто встречаются задачи, когда необходимо одновременно рассматривать несколько тел, движущихся по-разному. Таковы, например, задачи о движении небесных тел, о соударении тел, об отдаче огнестрельного оружия, где и снаряд и пушка начинают двигаться после выстрела, и т. д. В этих случаях говорят о движении системы тел: солнечной системы, системы двух соударяющихся тел, системы «пушка — снаряд» и т. п. Между телами системы действуют некоторые силы. В солнечной системе это силы всемирного тяготения, в системе соударяющихся тел — силы упругости, в системе «пушка — снаряд» — силы, создаваемые пороховыми газами.

Импульс системы тел будет равен сумме импульсов каждого из тел. входящих в систему.

Кроме сил, действующих со стороны одних тел системы на другие («внутренние силы»), на тела могут действовать еще силы со стороны тел, не принадлежащих системе («внешние» силы); например, на соударяющиеся бильярдные шары действует еще сила тяжести и упругость стола, на пушку и снаряд также действует сила тяжести и т. п. Однако в ряде случаев всеми внешними силами можно пренебрегать. Так, при изучении соударения катящихся шаров силы тяжести уравновешены для каждого шара в отдельности и потому не влияют на их движение; при выстреле из пушки сила тяжести окажет свое действие на полет снаряда только после вылета его из ствола, что не скажется на величине отдачи. Поэтому часто можно рассматривать движения системы тел, полагая, что внешние силы отсутствуют.

Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, такая система называется замкнутой.

ЗАМКНУТАЯ СИСТЕМА – ЭТО СИСТЕМА ТЕЛ, КОТОРЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮТ ТОЛЬКО ДРУГ С ДРУГОМ.

Закон сохранения импульса.

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Закон сохранения импульса служит основой для объяснения обширного круга явлений природы, применяется в различных науках:

1. Закон строго выполняется в явлениях отдачи при выстреле, явлении реактивного движения, взрывных явлениях и явлениях столкновения тел.
2. Закон сохранения импульса применяют: при расчетах скоростей тел при взрывах и соударениях; при расчетах реактивных аппаратов; в военной промышленности при проектировании оружия; в технике — при забивании свай, ковке металлов и т.д

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы.

Если на тело действует сила и тело под действием этой силы перемещается, то говорят, что сила совершает работу.

Механическая работа – это скалярная величина, равная произведению модуля силы, действующей на тело, на модуль перемещения и на косинус угла между вектором силы и вектором перемещения (или скорости).

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α 3 Дж; 1кВт·ч = 3,6·10 6 Дж

Если тело способно совершить работу, то говорят, что оно обладает энергией.

Механическая энергия тела – это скалярная величина, равная максимальной работе, которая может быть совершена в данных условиях.

Обозначается Е Единица энергии в СИ [1Дж = 1Н*м]

Механическая работа есть мера изменения энергии в различных процессах А = ΔЕ.

Различают два вида механической энергии – кинетическая Ек и потенциальная Еp энергия.

Полная механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергий

Кинетическая энергия – это энергия тела, обусловленная его движением.

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергиейтела:

Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость:

Если тело движется со скоростью , то для его полной остановки необходимо совершить работу

Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятиепотенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия – энергия тела, обусловленная взаимным расположением взаимодействующих между собой тел или частей одного тела.

Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями. Такие силы называются консервативными. Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю.

Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести (потенциальная энергия тела, поднятого над землёй):

Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.

Понятие потенциальной энергии можно ввести и для упругой силы. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.

Можно просто удлинить пружину на величину x, или сначала удлинить ее на 2x, а затем уменьшить удлинение до значения x и т. д. Во всех этих случаях упругая сила совершает одну и ту же работу, которая зависит только от удлинения пружины x в конечном состоянии, если первоначально пружина была недеформирована. Эта работа равна работе внешней силы A, взятой с противоположным знаком :

где k – жесткость пружины.

Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x1, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x2 сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только силами тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком:

По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел:

Следовательно Ek2 – Ek1 = –(Ep2 – Ep1) или Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона.

Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией.

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой только консервативными силами, при любых движениях этих тел не изменяется. Происходят лишь взаимные превращения потенциальной энергии тел в их кинетическую энергию, и наоборот, или переход энергии от одного тела к другому.

Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.

Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

Источник

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение в природе и технике

Импульс тела (Количество движения) — векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения и равная произведению массы тела на его скорость. Импульс обозначается буквой p и имеет такое же направление, как и скорость. Единица измерения импульса:[ p ]= кг м/с. Импульс тела вычисляется по формуле: где m — масса тела, — скорость тела.

Изменение импульса тела равно импульсу силы, действующей на него:.

Закон сохранения импульса (абсолютно упругий удар)

До взаимодействия После взаимодействия

Согласно 3 з-ну Ньютона: , следовательно:

Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения импульса: Геометрическая (векторная) сумма импульсов взаимодействующих тел, составляющих замкнутую систему, остается неизменной.

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно осьминогам, кальмарам, каракатицам, медузам – все они, без исключения, используют для плавания реакцию (отдачу) выбрасываемой струи воды.

Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. При этом возникает так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.

Реактивное движение совершает ракета (рис.). Основной частью реактивного двигателя является камера сгорания. В одной из ее стенок имеется отверстие — реактивное сопло, предназначенное для выхода газа, образующегося при сгорании топлива. Высокая температура и давление газа определяют большую скорость истечения его из сопла.

До работы двигателя импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения двигателей геометрическая сумма импульсов ракеты и истекающих газов равна нулю: , где — масса и скорость выбрасываемых газов, — масса и скорость ракеты.

В проекции на ось Oy

— скорость ракеты. Эта формула справедлива при условии небольшого изменения массы ракеты.

Главная особенность реактивного движения состоит в том, что ракета может как ускоряться, так и тормозиться и поворачиваться без какого-либо взаимодействия с другими телами в отличие от всех других транспортных средств.

Источник

Реактивное движение в природе и технике

Содержание:

У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, осьминоги, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.

История реактивного движения

С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.

Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.

Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.

Кто открыл реактивное движение?

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Примеры реактивного движения в природе

Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.

Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).

Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.

Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами

Закон реактивного движения

Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.

Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.

То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.

Закон сохранения импульса и реактивное движение

Физика поясняет процесс реактивного движения законом сохранения импульса. Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.

Формула реактивного движения

где m_sv_s импульс создаваемой струей газов, m_рv_р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

Реактивное движение в технике – принцип работы реактивного двигателя

В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть

• запас топлива,
• камера, для сгорания топлива,
• сопло, задача которого ускорять реактивную струю.

Так выглядит реактивный двигатель.

Реактивное движение, видео

И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.

Источник

Реактивное движение — определение в физике, история открытия, суть, формула

Историческая справка

Различные механизмы на основе рассматриваемого физического явления начали возникать давно. Стоит выделить некоторые моменты:

1. С древних времен среди ученых наблюдалось реактивное движение в природе и технике. Наиболее ранними считаются записи древнегреческого математика и механика Герона, который при этом не смог пойти дальше теоретических изысканий.
2. Что касается истории того, как появились примеры реактивного движения на практике, то здесь первенство держат представители Китая. Еще в XII веке они решили заимствовать у каракатиц и осьминогов принцип такого движения для первых ракет. Их применяли как для развлечений, так и боевого оружия. Позднее оно перешло к арабам и европейцам.
3. Естественно, что первые ракеты условно реактивного вида были сравнительно простыми по конструкции и несколько столетий пребывали в стагнации.

Тогда казалось, что работы по развитию теории и практики движения замерли. Но в XIX веке случился настоящий прорыв, который связывают с общим развитием физики как науки в практическом и теоретическом плане.

Явление в новейшем времени

Лавры открывателя реактивного движения в природе и технике иногда присваивают талантливому изобретателю и революционеру Николаю Кибальчичу. Собственный проект двигателя и летательного аппарата, предшествующего появлению самолета, он смог основать, когда отбывал тюремное заключение. В итоге Кибальчич был казнен за революционные действия, а проект осел на полках царских охранных органов.

Работы Кибальчича, какие могли использоваться в указанном направлении, открыты и дополнены с помощью трудов великого ученого Константина Циолковского.

В период с 1903 по 1914 год он опубликовал значительную часть работ с доказательствами реальной возможности применения реактивного передвижения для постройки космических устройств по исследованию межзвездных пространств.

Также Циолковским сформулирован принцип создания ракет. В настоящее время ряд идей Циолковского применяется для решения задач в плане ракетостроения.

Природные примеры движения

Наглядно формулы реактивного движения на практике можно увидеть в природе. Наиболее ярко в этом плане выделяют некоторых морских обитателей:

• Многие во время купания в море встречали медуз. Но мало кто знает, что их движение зависит от реактивной тяги. За счет того, что их строение включает прозрачный купол, они могут вылавливать воду. Этот процесс можно назвать реактивным передвижением.
• Схожую механику имеет каракатица, благодаря особой воронке впереди. С ее помощью вода набирается в полость жабер, после чего все быстро выбрасывается из воронки взад или вбок, исходя из необходимого направления движения.
• Наиболее интересным случаем является кальмар, нередко сравниваемый с живой торпедой. Ракета полностью воспроизводит тело кальмара. Для стремительного броска он применяет природный реактивный двигатель. Окруженный мантией и специальной мышечной тканью, полость внутри всасывает всю воду. Затем струя резко вылетает через узковатое сопло. Притом все десять щупалец складываются так, чтобы была приобретена обтекаемая форма. Столь совершенная реактивная навигация помогает достичь особо высокой скорости до 70 километров в час.

В природе также встречаются обладатели естественных реактивных двигателей. Одним из таких является бешеный огурец. При созревании плодов даже при легком касании он стреляет клейковиной с семенами.

Закон и уравнение

Важно разобрать суть такого движения и дать ему грамотное определение, так как от этого зависит дальнейшее рассмотрение физических явлений в науке.

Есть достаточно простой способ, с помощью которого можно наглядно продемонстрировать это явление. Обычный шарик надувают воздухом и сразу выпускают. Действие будет развиваться стремительно до момента, когда полностью уйдет запас воздуха. Объяснение кроется в третьем законе Ньютона. Согласно ему, два тела взаимодействуют между собой с равными по значению и противоположными по направлению силами.

Сила, действующая на выходящие потоки воздуха, и сила отталкивания шарика равняются между собой. Аналогично действует ракета, выбрасывая на высокой скорости часть собственной массы. Притом наблюдается сильное ускорение в другом направлении.

С помощью физики можно объяснить реактивное движение законом о сохранении импульса (произведение массы тела и скорости). Ракета в покое имеет импульс и скорость в нулевых значениях. При выбросе реактивной струи оставшаяся часть по закону сохранения импульса приобретает ту скорость, когда суммарный импульс равняется нулю.

В целом такое движение возможно описывать следующим уравнением: m s v s +m р v р =0 m s v s =-m р v s, где m s v s — импульс воссоздаваемой струей газов, m р v р — импульс, создающийся ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила движения струи лежат в разных плоскостях.

Техническая область

Для новейшей техники указанное движение играет значительную роль, поскольку реактивные двигатели способны привести в движение различные конструкции, от самолетов до кораблей. Хотя непосредственно конструкция двигателя может значительно отличаться по сравнению с конкурентами, в каждом должен лежать один из элементов:

1. запас топлива, предназначение которого — в обеспечении поднятия аппарата;
2. камера для сжигания топлива, позволяющая отделить нужную часть ракеты;
3. сопло, задача которого — ускорить реактивную струю и продолжать движение вверх.

По схеме космический аппарат должен был напоминать реактивный снаряд. Но впереди должна была быть кабина для приборов и людей, а в остальной части — запас топлива и двигатель. Для придания необходимой скорости было важно подобрать правильное топливо. Слишком опасно и ненадежно было применение взрывчатых веществ по типу пороха.

Циолковским было рекомендовано задействовать спирт, бензин или водород. Они горят в чистом кислороде или ином окислителе. Это приняли все, поскольку лучшего варианта на тот момент не было. Первая ракета весом в 16 килограммов испытана в 1929 году в Германии. Опытный образец улетел в воздух и скрылся из вида до того, как можно было бы отследить траекторию: поиски были безуспешны. Нужно было думать над доработкой модели.

Вторая попытка сопровождалась небольшой хитростью. К ракете привязали веревку длиной в 4 километра. Взвившись, ракета вытянула половину веревки и улетела в неизвестном направлении. Поиски также оказались безрезультатны. Первая успешная попытка запуска ракеты на жидком топливе осуществилась 17 августа 1933 года. После запуска ракета она пролетела положенные километры и успешно села. В действии подтвердились законы Ньютона. В дальнейшем успешное применение летательных объектов продолжилось.

Рассматриваемое движение успешно применяется в ракетостроении и физике в целом. Даже природа показывает, насколько обширно его применение.

Источник

Реактивное движение

Физические основы реактивного движения

Третий Закон Ньютона

Как правило, для начала движения телу необходима опора. Теперь если приложить силу со стороны тела к опоре – то в соответствии с Третьим Законом Ньютона со стороны опоры на тело возникнет сила, равная по модулю первой, и направленная в противоположную сторону. Благодаря этой возникающей силе (реакции опоры) тело начнет движение. Именно так происходят прыжки в физкультуре.

Рис. 1. Прыжок в физкультуре схема.

А что если опоры нет ? Например, тело находится в свободном падении в безвоздушном пространстве или в открытом космосе вне гравитационных полей планет или звезд ?

Единственная возможность начать направленное движение при отсутствии внешней опоры – создать эту опору, отделить от тела некоторую часть и оттолкнуться от нее. В результате – эта часть начнет движение по направлению воздействия, а оставшаяся часть, в соответствии с Третьим Законом Ньютона – в противоположную сторону. Движение, совершаемое по такому принципу, называется реактивным.

Рис. 2. Принцип реактивного движения.

Закон сохранения импульса

Итак, в реактивном движении всегда участвуют две части исходного тела – одна часть, которую необходимо двигать и другая часть, которая нужна для создания реактивной силы. Эти две части всегда будут двигаться в противоположных направлениях. Возникает вопрос – с какими скоростями ?

Чтобы получить формулу реактивного движения, необходимо использовать один из законов сохранения – закон сохранения импульса. Теория законов сохранения гласит, что в замкнутой системе сумма импульсов всех материальных точек остается постоянной.

Представим себе ракету в глубоком космосе. Скорость ракеты в нашей системе отсчета примем нулевой $(v=0)$, ее полная начальная масса $М$.

Теперь пусть некоторая масса газа $m_г$ будет выброшена из сопел ракеты со скоростью $v_г$. Согласно закону сохранения, сумма импульсов выброшенного топлива и оставшейся ракеты по-прежнему будет нулевой:

Особенности реактивного движения

Из приведенной формулы можно сделать важные выводы.

• Во-первых, результирующая скорость ракеты направлена в противоположную сторону относительно скорости выброшенных газов.
• Во-вторых, скорость ракеты будет тем больше, чем большая масса газов будет выброшена, и чем больше будет скорость их истечения. Именно поэтому сопло ракеты стараются сделать по возможности небольшим – это увеличивает скорость истечения газов из него.
• В-третьих, полезная масса, то есть, масса, которую требуется двигать без опоры – всегда меньше первоначальной полной массы тела (ракеты).
• В-четвертых, по мере выброса топлива масса ракеты становится меньше. А значит, одно и то же количество выброшенных газов даст разную скорость вначале и в конце разгона.

Природе тоже встречается реактивное движение. Пример неуправляемого реактивного движения – это плоды некоторых растений, в том числе обычный огурец. Если не снимать урожай, то в спелых плодах огурца начинаются процессы брожения, поднимается давление, в конце концов плодоножка обламывается, и содержимое огурца вместе с семенами «выстреливает» из образовавшегося «сопла», сам же огурец отбрасывается в другую сторону. Пример управляемого реактивного движения в Природе – это стрекающие (медузы) и головоногие (кальмары). Они выбрасывают воду резким сокращением мантийной полости и движутся в противоположном направлении.

Что мы узнали?

Реактивное движение – это движение, состоящее в отбрасывании телом своей части, и движение остальной части в противоположном направлении. В основе реактивного движения лежат Третий Закон Ньютона и Закон сохранения импульса.

Источник