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
- ↑ Реактивная тяга Глоссарий.ru
- ↑ Двигатели — Реактивное движение ASTROLAB.
ru
ruСсылки
- Реактивное движение
- Реактивное движение
Сила сопротивления.
Механизм силы сопротивления связан со столкновением молекул жидкости с телом и возникающем при этом перепаде давления между передней и задней частью движущегося тела. Тело при этом тормозится, теряя импульс.
Сила сопротивления зависит от скорости тела и направлена против скорости тела, от плотности жидкости и площади поперечного сечения тела :
,
(проверьте размерность правой части соотношения), где зависит от формы тела.
.
Замечание. При движении
тел в жидкостях (газах) на тело действует
сила вязкого трения (F~)
и сила сопротивления (F~).
В практических задачах в некоторых
случаях можно пренебречь одной из них.
При очень малых скоростях можно пренебречь
силой сопротивления, а при больших –
силой вязкого трения.
Сила Архимеда.
В жидкостях в поле тяжести Земли на тела действует выталкивающая сила, равная силе тяжести вытесненной телом жидкости. Эта сила называется силой Архимеда. Она равна разности сумм статического давления по высоте тела (см. рисунок).
*Архимед (287-212 до н.э.) древнегреческий учёный, родом из Сиракуз (Сицилия), разработал научные основы статики, гидростатики (закон Архимеда)*.
,
,
где плотность жидкости.
.
Если тело плотно лежит на дне, то на
такое тело не действует выталкивающая
сила. Под действием гидростатического
давления тело будет вдавливаться в
грунт. Подводные лодки не должны плотно
садиться на дно океана. Её может раздавить
или она не сможет всплыть, оторваться
от дна.
Реактивная сила.
Используется в ракетной технике (реактивные снаряды, ракеты, реактивные самолёты,…). Как возникает реактивная сила? Давайте сначала рассмотрим следующий идеализированный случай. Человек стоит на гладкой горизонтальной поверхности. Каким образом он может привести себя в движение без посторонней помощи? Взять себя за волосы и потащить. Так бы поступил барон Мюнхаузен, который умудрился вытащить себя за волосы из болота. Это можно сделать, бросив в какую-либо сторону часть своего туалета. Тогда в соответствии с законом сохранения импульса, человек получит импульс в противоположную сторону и придёт в движение. Заметим, что при этом положение центра инерции системы не изменится в соответствии с законом сохранения импульса.
Рассмотрим движение ракеты в пустом пространстве в отсутствие гравитационного поля. Масса ракеты будет уменьшаться за счёт истечения газа и, в соответствии со II законом Ньютона, можно записать:
или
.
Пусть – скорость истечения газов относительно ракеты, – ежесекундный расход массы. Тогда
– называется реактивной силой.
Найдём скорость ракеты, если :
.
После интегрирования получаем:
.
Современная техника обеспечивает скорость истечения газов . Чтобы достичь второй космической скорости при конечной массе ракеты необходимо взять горючего вещества массой:
– масса горючего вещества превышает в 15 раз массу полезного груза. Чтобы долететь до ближайшей звезды, двигаясь с такой скоростью, потребуется время:
Если лететь со скоростью близкой к
скорости света потребуются десятки
лет. Такую скорость нельзя обеспечить,
используя современное топливо. Так что
полёты к другим мирам – это утопия. Но
кто знает? Может человечество откроет
иные возможности.
Например, «академик» Российской АН Борис Васильевич Болотов утверждает, что создал автодвигатель, которому не нужен бензин, а использует он воздух и процесс сгорания азота в кислороде. Кроме того, Болотов, раскручивая воздух в силовом поле, получает подъёмную силу, а также создал опытный вакуумный двигатель, принцип работы которого связан с раскручиванием вакуума.
Сведения о Болотове и его «гениальных» изобретениях можно найти в Интернете.
Лекция 6.
сил и моментов
сил и моментов На тело действуют два вида сил:Нагрузка – вызванная ускорением свободного падения (массы тела)
Сдвиг – вызванная 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, действующая на падающее яблоко из-за ускорения свободного падения (называемая g и равная 9,81 м/с2 или приблизительно 10 м/с2), равна:
Сила = масса тела x ускорение свободного падения
F = мг
, что будет, например, 0,1 x 10 = 1 Н для типичного яблока массой 100 граммов (0,1 кг). Говорят, что Ньютон открыл это уравнение, когда наблюдал, как яблоко падает с дерева.
Силы наземного реагирования
Когда тело не падает свободно, а находится в контакте с землей, эта сила отражается обратно на тело в виде реакции , что на самом деле является другим словом для 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 ступни). 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 опоры 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.
лодыжка. Как вы думаете, в какую сторону он будет вращаться?
Помните, что реакция опоры действует на тело вверх, и, поскольку она действует на подошву в точке перед голеностопным суставом, она заставляет стопу вращаться вверх (дорсифлекс). Как вы думаете, что отвечает за уравновешивание момента из-за реакции земли, удерживающей лодыжку неподвижно?
Должен быть момент, действующий в противоположном направлении, стремящийся к подошвенному сгибанию стопы. Так как лодыжка не находится в конце своего диапазона движения (поэтому связки не растянуты), этот момент может быть вызван только сокращением мышц подошвенного сгибателя.
Фактически, большая часть этого момента производится камбаловидной мышцей , которая является одной из самых сильных и устойчивых к утомлению мышц в теле. Так и должно быть, потому что он должен производить этот момент все время, пока мы стоим, не говоря уже о ходьбе или беге! Вы можете получить представление о том, насколько велик этот момент, если выдержите груз массой 4 кг на расстоянии вытянутой руки, так как это дает момент силы:
Момент = вес x длина руки
= м.
г.д
= 4 x 10 x 1
= 40 Нм
, т.е. то же, что и камбаловидная мышца, которая должна производить при спокойном стоянии. Каково это? Как вы думаете, как долго вы сможете удерживать вес в этом положении?
Хотите узнать больше или покритиковать мои методы? Напиши мне! kirtley@cua.edu
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 и ускорения тела (изменение 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 мышечную активность 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.
