фізика 9 клас 17.04.2020

Тема: Фізичні основи ракетної техніки. Досягнення космонавтики

Перегляньте ВІДЕО1 та ВІДЕО2 та вивчіть теоретичний матеріал.

Цікавий і важливий випадок практичного використання закону збереження імпульсу - це реактивний рух. Так називають рух тіла, який виникає під час відділення від тіла з певною швидкістю деякої його частини.

Реактивний рух здійснюють, наприклад, ракети. Будь-яка ракета - це система двох тіл. Вона складається з оболонки і пального, що в ній знаходиться. Оболонка має форму труби, один кінець якої закрито, а другий відкрито і забезпечено трубчастою насадкою з отвором особливої форми - реактивним соплом.

Пальне під час запуску ракети спалюється та перетворюється на газ високого тиску і високої температури. Завдяки високому тиску цей газ з великою швидкістю виривається із сопла ракети. Оболонка ракети рухається при цьому в протилежний бік.

Перед стартом ракети її загальний імпульс (оболонки і пального) в системі координат, пов’язаній із Землею, дорівнює нулю, ракета не рухається відносно Землі. У результаті взаємодії газу й оболонки, яка викидає газ, вона набуває певного імпульсу. Вважатимемо, що сила тяжіння практично не впливає на рух, тому оболонку й пальне можна розглядати як замкнуту систему та їх загальний імпульс повинен і після запуску залишитися рівним нулю. Оболонка, у свою чергу, завдяки взаємодії з газом набуває імпульсу, що дорівнює за модулем імпульсу газу, але протилежного за напрямком. Ось чому в рух приходить не тільки газ, але й оболонка ракети. У ній можуть бути розміщені наукові прилади для досліджень, засоби зв’язку. У ракеті може розміщуватися космічний корабель, у якому перебувають космонавти або астронавти.

Закон збереження імпульсу дає змогу визначити швидкість руху ракети (оболонки).

Припустимо спочатку, що весь газ, що утворюється під час згоряння пального, викидається з ракети одразу, а не витікає поступово.

Позначимо всю масу газу, на який перетворюється пальне в ракеті, через m_г, а швидкість газу - через _г. Масу і швидкість руху оболонки позначимо через m_об і _об. Згідно із законом збереження імпульсу сума імпульсів оболонки і газу після запуску повинна бути такою самою, якою була до запуску ракети, тобто повинна дорівнювати нулю. Отже, m_г(_г)_у + m_об(_об)_у = 0, або m_обоб = m_гг (координатну вісь Оу вибрано в напрямку руху оболонки). Звідси визначимо швидкість руху оболонки:

_об = .

З формули видно: що більша швидкість витікання газу і що більше відношення маси палива до маси оболонки, то швидкість руху оболонки ракети більша. Тому достатньо велику швидкість оболонка отримає в тому випадку, якщо маса палива набагато більша від маси оболонки. Наприклад, щоб швидкість руху оболонки була за абсолютним значенням у 4 рази більша від швидкості витікання газу, потрібно, щоб маса палива була у стільки само разів більша за масу оболонки, тобто оболонка повинна складати одну п’яту від усієї маси ракети на старті. Адже «корисна» частина ракети - це сама оболонка.

Зі створення ракет розпочалося активне освоєння космосу. Український авіаконстуктор Сергій Павлович Корольов і його колеги створили ракету-носій «Восток», і 12 квітня 1962 р. людина вийшла в космічний простір. Це був Юрій Гагарін.

Україна входить до складу космічних держав світу завдяки високому рівню науково-технічного і виробничого потенціалу, здійсненню власних космічних проектів, участі в міжнародній космічній діяльності.

У березні 1999 р. відбувся перший пуск української ракети-носія «Зеніт-SSL» за міжнародною програмою «Морський старт». Україна разом із США, Росією і Норвегією стала учасницею грандіозного проекту запусків з плавучого космодрому у Світовому океані.

У грудні 2004 р. було виведено в космос чергові супутники дистанційного зондування Землі серії «Січ», «Січ-1М» і перший український малогабаритний космічний апарат «МС-1-ТК».

За 15 років роботи Національного космічного агентства України (зараз Державне космічне агентство України) і підприємств української космічної галузі забезпечено більше як 100 пусків ракет-носіїв і виведено в космос понад 180 космічних апаратів.

У жовтні 2016 р. з о. Уоллопс (штат Вірджинія, США) відбувся успішний запуск модернізованої ракети-носія середнього класу Antares-230 із транспортним космічним кораблем Cygnus. Головним розробником ракети-носія є американська компанія Orbital АТК, а основну конструкцію її першого ступеня створили українські держпідприємства космічної галузі КБ «Південне» ім. М.К. Янгеля та ВО «Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова» (м. Дніпро) в кооперації з підприємствами «Хартрон-АРКОС» (м. Харків), «Хартрон-ЮКОМ» (м. Запоріжжя), «ЧЕЗАРА», «РАПІД» (м. Чернігів) та ін.

Українські спеціалісти займалися модернізацією першого ступеня ракети-носія Antares, адаптуючи цей ступінь до нового, більш ефективного двигуна.

Вантажний корабель Cygnus доставив на Міжнародну космічну станцію понад 2 т вантажу (зразки для проведення наукових експериментів, наукові інструменти і продовольство), а також обладнання для виводу в космічний простір мініатюрних супутників. Астронавтка NASA Кейт Рубінс зробила знімки стикування корабля з Міжнародною космічною станцією, які були опубліковані на офіційній сторінці астронавтів агентства в Twitter.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Ракета, як відомо, може отримати прискорення в космічному просторі, де навколо неї немає ніяких тіл. Крім того, для її прискорення потрібна сила, а сила - це дія одного тіла на інше. Чому прискорюється ракета?

2. Від чого залежить швидкість руху ракети?

3. Назвіть основні досягнення України в галузі космонавтики.