Реактивная тяга | это… Что такое Реактивная тяга?
Реактивная тяга — сила, возникающая в результате взаимодействия двигательной установки с истекающей из сопла струей расширяющихся жидкости или газа, обладающих кинетической энергией[1].
В основу возникновения реактивной тяги положен закон сохранения импульса. Реактивная тяга обычно рассматривается как сила реакции отделяющихся частиц. Точкой приложения её считают центр истечения — центр среза сопла двигателя, а направление — противоположное вектору скорости истечения продуктов сгорания (или рабочего тела, в случае не химического двигателя) . То есть, реактивная тяга:
- приложена непосредственно к корпусу реактивного двигателя;
- обеспечивает передвижение реактивного двигателя и связанного с ним объекта в сторону, противоположную направлению реактивной струи[2].
Содержание
|
Реактивное движение в природе
Среди растений реактивное движение встречается у созревших плодов бешеного огурца. При созревании растения его плод отцепляется от плодоножки. Под большим давлением из плода выбрасывается жидкость с семенами, которая направлена в противоположное направление движению плода[3].
Среди животного мира реактивное движение встречается у кальмаров, осьминогов, медуз, каракатиц, морских гребешков и других. Перечисленные животные передвигаются, выбрасывая вбираемую ими воду.
Величина реактивной тяги
Формула при отсутствии внешних сил
Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени.
, где
- — масса ракеты
- — её ускорение
- — скорость истечения газов
- — расход массы топлива в единицу времени
Поскольку скорость истечения продуктов сгорания (рабочего тела) определяется физико-химическими свойствами компонентов топлива и конструктивными особенностями двигателя, являясь постоянной величиной при не очень больших изменениях режима работы реактивного двигателя, то величина реактивной силы определяется в основном массовым секундным расходом топлива.[1]
Доказательство
До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения сумма изменений векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю: , где
- — изменение скорости ракеты
Разделим обе части равенства на интервал времени t, в течение которого работали двигатели ракеты:
Произведение массы ракеты m на ускорение ее движения a по определению равно силе, вызывающей это ускорение:
Уравнение Мещерского
Основная статья: Уравнение Мещерского
Если же на ракету, кроме реактивной силы , действует внешняя сила , то уравнение динамики движения примет вид:
Формула Мещерского представляет собой обобщение второго закона Ньютона для движения тел переменной массы.
Ускорение тела переменной массы определяется не только внешними силами , действующими на тело, но и реактивной силой , обусловленной изменением массы движущегося тела:
Формула Циолковского
Основная статья: Формула Циолковского
Применив уравнение Мещерского к движению ракеты, на которую не действуют внешние силы, и проинтегрировав уравнение, получим формулу Циолковского[4]:
Релятивистское обобщение этой формулы имеет вид:
, где — скорость света.
См. также
- Реактивный двигатель
- Ракетный двигатель
- Ракета
Примечания
- ↑ 1 2 Военный энциклопедический словарь ракетных войск стратегического назначения / Министерство обороны РФ.; Гл.ред.: И. Д. Сергеев, В. Н. Яковлев, Н. Е. Соловцов. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 456,476-477. — ISBN 5-85270-315-X
- ↑ Реактивное движение :: Классная физика
- ↑ Двигатели — Реактивное движение ASTROLAB.
ru
ruСсылки
- Реактивное движение
- Реактивное движение
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ Реактивное движение . Юный техник, 2004 № 06
Всегда, когда отталкиваются два тела, возникает реактивная сила. Простейший пример, вы прыгаете из лодки на берег, а лодка получает реактивную силу, толкающую ее на середину реки. То же самое происходит при выстреле из пушки. Сила пороховых газов выталкивает из ствола снаряд, ствол же отдача откатывает в другую сторону.
Реактивной силой пользуются не только люди, но и морские животные. Медузы плавно движутся, выталкивая из-под своего колокола струю воды. Кальмары в минуту опасности с такой силой выбрасывают из себя воду, что пролетают до сорока метров (рис. 1).
Увидеть плывущего кальмара может не каждый, но вот вам его физическая модель. Надуйте воздушный шарик и выпустите из рук, не завязывая. Вы увидите, как упругие стенки шарика сжимаются, выталкивая воздух из отверстия назад.
При этом возникает реактивная сила, толкающая шарик вперед. У медуз и кальмаров выталкивается вода, а у нас воздух. Если к шарику прикрепить хвост из бумажных ленточек, то он сможет, как и кальмар, прямо пролететь несколько десятков метров.
Надутый шарик неплохой реактивный двигатель. Укрепите его скотчем на крыше игрушечной машинки (рис. 2) и отпустите. Машинка поедет под действием реактивной силы струи воздуха, вытекающего из шарика.
Более тысячи лет назад китайцы изобрели пороховую ракету. Она представляла собою набитую порохом бумажную трубку, закрытую с одного конца. Когда порох горит, он выделяет газы под большим давлением. Вот что при этом происходит. Сила давления газа, действующая на дно трубки, оказывается не уравновешена, она толкает ракету вперед.
Раньше думали, что ракета летит, отталкиваясь от воздуха. Но это, как вы поняли, не так. В безвоздушном пространстве ракета летит быстрее. Об этом, кстати, высказывался Исаак Ньютон, но его слова остались незамечены.
И эту истину пришлось переоткрывать и экспериментально доказывать уже в XX веке.
Вообще пороховые ракеты небезопасны. Каждый год только в Москве попадают в больницы сотни любителей фейерверков. Но ведь ракету можно построить и без пороха. В такой безопасной ракете — ее можно запускать даже в классе — используется «холодная» реакция выделения углекислого газа при смачивании водой «шипучих таблеток» витаминов или минеральной воды. Для изготовления модели ракеты (рис. 3) потребуется футляр от фотопленки или другой пластиковый цилиндр с плотно пригнанной крышкой, лист писчей бумаги и клей.
Оберните футляр листом бумаги, чтобы получился цилиндр, и склейте его. Длина цилиндра должна быть примерно в 2 раза больше футляра. Приклейте к нему снизу четыре стабилизатора, а к верхней части ракеты конус — та готова. Подготовьте «площадку для взлета» — блюдце. Положите в «камеру сгорания» полтаблетки «горючего», залейте на треть водой, плотно закройте коробочку крышкой и вставьте в ракету.
Все надо делать быстро, поскольку реакция образования газов начинается сразу после контакта с водой. Через несколько секунд крышку футляра с грохотом сорвет давление углекислого газа, и ракета взлетит под потолок.
А «топливо» останется на блюдечке, готовое к повторному применению. Поскольку взятые нами таблетки относятся к классу лекарств, экологически более чистого топлива, вероятно, придумать нельзя.
В растительном мире также можно встретить проявление реактивного движения. Вот, например, растение под названием «бешеный огурец», которое произрастает по берегам Средиземного и Черного морей на сухих открытых местах, вдоль дорог. Зрелые плоды величиной с грецкий орех при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки; при этом из отверстия, образующегося на месте отделившейся ножки, с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами.
Чтобы сделать подобие бешеного огурца самому, вам понадобится пластиковая бутылка, насос и резиновая пробка к бутылке с внутренним отверстием, которую можно заменить крышкой с патрубком от моющих средств.
Подберите металлическую трубочку, которая бы плотно вставлялась в это отверстие и в шланг от насоса. Накачайте бутылку воздухом. Наступит момент, и она неожиданно, словно «бешеный огурец», сорвется со шланга насоса и улетит достаточно далеко. Поэтому опыты надо проводить на открытом воздухе. Чем плотнее сидит трубка в пробке, тем до большего давления можно накачать бутылку и тем больше дальность отстрела бутылки.
Поэкспериментировав с воздухом, налейте в бутылку воды примерно на 1/4 и повторите опыт. При «выстреле» за бутылкой потянется водяной шлейф, а высота ее полета достигнет высоты четырехэтажного дома.
Без реактивной силы, конечно, человек до сих пор не поднялся бы в космос. Но небесполезна она и на земле.
Поговорим, например, о канализации.
Долгое время для чистки канализации существовал лишь один способ. Рабочие опускались в колодец и при помощи палок и тросов проталкивали через трубы специальные резиновые мячи.
Это две-три изогнутых трубки, которые могут вращаться под действием реактивной силы подаваемой в них воды. Обратите внимание, трубки изогнуты не только вбок, но еще и назад. Благодаря этому вытекающая из них вода создает еще и дополнительную силу, которая толкает шланг вперед. Рабочий опускает шланг в колодец и заталкивает его в трубу. После этого он включает насос, и в шланг идет вода под большим давлением. Насадка, стоящая на его конце, начинает вращаться с огромной скоростью. Вытекающие из нее струи воды с огромной силой срезают грязь и известь, отложившиеся на стенках трубы. К тому же реактивная сила тянет шланг все дальше и дальше по трубе.
Напоследок еще один эксперимент, который можно поставить в школе или дома. Автор его — древнегреческий ученый и изобретатель Герон. Две тысячи лет назад он изготовил реактивную паровую турбину «эолипил».
Проделайте с противоположных сторон яйца два небольших отверстия. Через них вылейте содержимое и промойте скорлупку. В отверстия вставьте две изогнутые буквой «Г» трубочки. Скотчем прикрепите к скорлупе нить, на которой ваш эолипил будет вращаться (рис. 5).
Залейте в яйцо через трубочку небольшую порцию воды. Подвесьте модель над школьной газовой горелкой или свечой. Вода закипит, и яйцо начнет вращаться. Если вы побываете на современной электростанции, то ничего внешне похожего на эолипил там не найдете. И все же почти на каждой электростанции есть реактивная турбина, действующая на принципе, открытом Героном.
Г.ТУРКИНА, А.ИЛЬИН
Рисунки А.
ИЛЬИНА
СИЛА РЕАКЦИИ НА ОСНОВЕ
СИЛА РЕАКЦИИ НА ОСНОВЕСилы наземного реагирования
Сила реакции земли равна по модулю и противоположна по направлению силы, с которой тело действует на опору поверхность через стопу.
Вектор силы реакции опоры (GRFV) проходит вверх от стопы и вызывает движение в каждом суставе нижней конечности. Мы можем визуализировать GRFV, изучая лабораторные исследования нормальной походки, в которых используются силовые пластины для измерения трехмерной ориентации GRFV. |
|---|
GRFV отличается от «линии гравитации», которая представляет собой вектор, проходящий вертикально от центра тяжести неподвижного тела. Вместо этого GRFV является «отражением произведения общей массы на ускорение всех сегментов тела и, следовательно, представляет собой сумму всех чистых мышечных и гравитационных сил, действующих в каждый момент времени в течение периода опоры» (Winter, 1984, p.
.51).
F=mg обозначает вектор, представляющий силу тяжести, действующую на объект.F=ma обозначает вектор, представляющий мгновенную сила инерции, действующая на объект. На этой диаграмме силы инерции ускоряют тело вниз и вправо. Вектор (F r ) равнодействующая или сумма сил гравитации и инерции. |
|---|
При контакте с устойчивой поверхностью, такой как земля, вектор F r представляет собой силу, которой противодействует сила реакции земли равной величины. Поскольку сила реакции земли равна и противоположна, линия приложения ее вектора такая же, как у F r , и он оказывает такое же влияние на тело и его суставы.
GRFV сочетает в себе как действие гравитации на тело, так и эффекты движения тела и ускорения (изменения скорости) в трех плоскостях отсчета. Это делает GRFV особенно подходящим для изучения походки, во время которой различные массы тела подвергаются сложным ускорениям.
Сложное оборудование для анализа походки может генерировать видимый вектор силы на экране осциллографа и одновременно накладывать его на фотографию субъекта походки. Визуализация сил реакции опоры помогает нам понять их влияние на тело во время ходьбы и позволяет прогнозировать активность мышц с помощью простой модели:
Мы можем довольно точно предсказать активность мышц, если примем точку зрения, что сила реакции опоры (GRF) и мышцы (mm) создают равные и противоположные моменты (M) вокруг каждого сустава.
ВНИМАНИЕ: Реакция опоры — не единственная сила, действующая на суставы во время ходьбы. Вес и инерция движущегося сегмента влияет на дистальные и проксимальные сегменты. Движение верхней части ноги влияет на движение нижней части ноги. Эти совместные силы реакции могут иметь важное значение. Однако силы реакции суставов относительно невелики в нижних конечностях, по крайней мере, в фазе опоры.
Поэтому клиницисты могут использовать положение GRFV само по себе, чтобы понять силы, которые человеческие мышцы должны контролировать во время фазы опоры при ходьбе.
Ссылки
Гронли, Дж. К., и Перри, Дж. (1984). Методы анализа походки. Физиотерапия, 63 , 1831-1838.Winter, D. (1984) Кинематические и кинетические модели походки человека. Наука о движении человека, 3, 51-76.)
Последнее обновление 4 марта 2002 г. © Дэйв Томпсон PT
Силы и моменты
Силы и моменты На тело действуют два вида сил:Загрузка – вызвано ускорением свободного падения (массы тела)
Сдвиг – вызвано трением между телом и землей
Нагрузка
Единицей силы является Ньютон (Н), названный в честь английского ученого, открывшего в 1667 году известное соотношение:
Сила = масса x ускорение
F = m.a … (1)
Это очень важное уравнение говорит нам, что сила пропорциональна ускорению.
Таким образом, направленная вниз сила на падающее яблоко из-за ускорения свободного падения (называется g и равна 90,81 м/с2, или приблизительно 10 м/с2):
Сила = масса тела x ускорение свободного падения
F = мг
что будет, например, 0,1 x 10 = 1 Н для типичного яблока массой 100 грамм (0,1 кг). Говорят, что Ньютон открыл это уравнение, когда наблюдал, как яблоко падает с дерева.
Наземные силы реагирования
Когда тело не падает свободно, а находится в контакте с землей, эта сила отражается обратно на тело в виде реакции 9.0071 , что на самом деле является другим словом для обозначения веса. Таким образом, типичное яблоко испытывает реакцию в 1 Н. Когда человек стоит на месте, эта сила реакции земли равна массе человека, умноженной на ускорение свободного падения (F = мг). Для типичного человека массой 80 кг эта реакция будет равна (80 x 10) 800 Н. Весы для ванной комнаты измеряют эту реакцию, и циферблат действительно должен показывать в ньютонах, но поскольку гравитация почти постоянна во всем мире, они измеряют массу разделив все показания на 90,81 мс-2.
Обратите внимание, что весы не были бы точными, если бы они использовались на Луне, где гравитация составляет около 1,6 мс-2!Центр давления
Эта сила реакции действует вверх по направлению к телу от всех частей тела, соприкасающихся с землей (обычно ступней). Распределение этой силы (давления) по подошвам стоп неравномерно, и одни части подошвы воспринимают большее усилие, чем другие.Когда все силы, воздействующие на каждую часть подошвы, усредняются вместе, сила реакции грунта может быть представлена одной силой, действующей на точку, называемую центр давления (ЦП).
Эксперимент
Станьте неподвижно и попытайтесь почувствовать, где находится центр давления на подошвах ваших ног. Это под пальцами? Под каблуками? Где-нибудь еще? С обеих сторон одинаково? Попробуйте переместить центр давления под пальцы ног, наклонившись вперед, и под пятки, наклонившись назад (это сложнее!). Затем снова встаньте нормально и попытайтесь почувствовать, где оно находится.
Вопрос : Почему труднее наклоняться назад?
Центр давления должен оставаться в пределах стопы, иначе тело опрокинется. На самом деле, нормальное положение центра давления во время стояния — примерно 5-6 см перед лодыжкой или примерно посередине стопы от пятки до пальцев ног. Он почти никогда не заходит за лодыжки, потому что ступня имеет форму буквы «L», а не формы «T» — большая часть ступни соприкасается с землей перед лодыжкой, но лишь небольшая часть (пятка) сзади. Вот почему вы теряете равновесие, когда пытаетесь отклониться назад.
Момент силы
Тот факт, что опорная реакция обычно действует на 5-6 см впереди лодыжки, имеет большое значение. Представьте себе двух человек на качелях, каждый из которых весит мг ньютонов:Чтобы сбалансировать качели, вес каждого человека (мг) должен быть равен. Что происходит, когда один человек приближается к точке опоры или оси вращения?
Очевидно, качели опрокинутся на зеленый конец.
Причина этого в том, что поворотный эффект силы зависит от расстояния силы от оси вращения. Этот поворотный эффект называется моментом силы (часто сокращенно «моментом»), а расстояние называется плечом момента (или плечом рычага) силы.
Момент силы (в ньютон-метрах, Нм) рассчитывается путем умножения силы (в ньютонах) на плечо момента (в метрах).
Момент голеностопного сустава при стоянии
Возвращаясь к стопе во время стояния, теперь мы можем оценить момент силы вокруг голеностопного сустава из-за реакции опоры. Мы видели, что его величина была (масса тела x ускорение свободного падения, мг) 800 Н для типичного человека массой 80 кг. Мы также знаем, что он действует в точке примерно в 5 см (0,05 м) впереди голеностопного сустава. Таким образом, мы имеем:
Момент реакции земли = сила x плечо силы момента
= 800 x 0,05
= 40 Нм
Теперь должно быть что-то, чтобы уравновесить этот момент, если человек стоит на месте, иначе стопа будет вращаться.
