Реферат: Во все времена человек мечтал летать как птицы



Управление образования Верхнесалдинского городского округа


Исследовательский проект


Красота реактивного движения:

что за ней стоит?

(научно-техническое направление)


Исполнитель:

Колесников Александр

учащийся 9 м класса МОУ СОШ № 2


Руководитель:

Шевчук Любовь Александровна,

учитель физики МОУ СОШ № 2,

высшая квалификационная категория


г. Верхняя Салда

2010 г.


Содержание


Стр.

Введение 3

1. Реактивное движение в истории 4

2. Физические основы работы реактивного двигателя 9

3. Экспериментальное доказательство формулы Циолковского 12

4. Ему была ясна звездная книга 14

5. Классификация реактивных двигателей и особенности их использования 16

6. Примеры реактивного движения в природе 16

Заключение 21

Список литературы 22


Введение


Во все времена человек мечтал летать как птицы. И вот его мечта путем проб и ошибок, постоянного и тщательного изучения окружающего мира осуществилась – он построил самолет. Но человеку свойственно мечтать. И теперь его мечты связаны с тем, как полететь к звездам, к планетам, которые кажутся такими близкими, но оказываются далекими, к другим галактикам.

Чтобы осуществить космические полеты писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

Но все предложенные способы не позволяли человеку преодолеть силу земного притяжения, двигаться в безвоздушном пространстве. И как всегда для решения этой сложнейшей задачи человек обращается к природе, которая подсказывает решение – реактивное движение. Именно реактивное движение является основой современной авиации гражданской и военной, космической техники.

При работе над проектом я ставил перед собой цель: рассмотреть принцип реактивного движения и подтвердить экспериментально формулу Циолковского.

Для себя я выделил следующие задачи:

- познакомиться с историей развития реактивного движения;

- выяснить физические основы работы реактивного двигателя;

- экспериментально доказать формулу Циолковского;

-рассмотреть классификацию реактивных двигателей и особенности их использования;


1. Реактивное движение в истории


Знакомство человечества с реактивным движением состоялось достаточно давно, в 1 тысячелетии до нашей эры. Согласно письменным источникам, в 360 году до нашей эры грек Архитос Тарентийский, основатель механики и сторонник математики Пифагора, впервые продемонстрировал возможности реактивного движения.

Глиняная птица, заполненная водой, подвешивалась на специальной планке над огнём. Вода закипала, а вырывающийся через отверстие пар вращал птицу вокруг оси. Греческие механики ещё около 200 лет ставили подобные опыты, пытаясь использовать энергию воды, огня, масляных и других смесей, но технологии того времени не позволяли создать достаточно прочных материалов для изготовления корпуса для таких механизмов. Поэтому дальнейшие исследования в этом направлении практически прекратились.

Первые управляемые ракеты представляли собой простейшие снаряды, использующие энергию сгорания пороха. Это были знаменитые китайские «огненные стрелы», которые стали применяться в период 200-300 годов нашей эры. К стреле привязывался реактивный снаряд в виде бумажной трубки, заполненной порохом. Стрела выпускалась с зажженной ракетой из обычного воинского лука, а ее оперение из плотного шёлка обеспечивало устойчивость в полете. Дальность полета составляла около 300 метров, то есть почти в два раза превышала дистанцию обычной стрелы. При этом точность поражения цели зависела только от подготовки лучника, которому кроме обычных факторов нужно было учитывать ещё и очень высокую скорость полёта стрелы со снарядом. Иногда в головной части бумажной ракеты размещался зажигательный состав, который взрывался после того, как сгорит весь порох.

В течение следующих 10 веков древнее «ракетное» оружие активно совершенствовалось в локальных военных конфликтах китайцами и индусами, а также греческими и арабскими учёными. Исследовались разные зажигательные смеси, носители (средние и тяжёлые стрелы, копья, дротики), изучалось поведение ракеты в воздухе. Значение ракетного оружия в военном деле возросло настолько, что в 1250 году появился первый учебник по подготовке ракетчиков – «Огненная книга или книга об огне, служащем для сжигания врагов», изданная неизвестным учёным под псевдонимом Марк Грек. В этом фолианте описывались различные огненные смеси, методы их использования в военном деле и давались основы реактивного движения. Однако в Европе развитие ракетостроения долго сдерживалось церковным запретом на использование пороха, а также разгулом инквизиции, которая могла объявить еретиком и сжечь любого учёного.

С середины 13 века ракеты появляются в Аравии, где получают название «воздушные кальмары». Монгольские армии также начинают использовать зажигательные стрелы на порохе. В 1258 году монголы применили их при осаде Багдада, а в 1274 и 1281 годах реактивное оружие широко применялось ими во время нападений на Японию. К концу 13 века Япония, Корея, Индия и остров Ява (Индонезия) тоже осваивают технологию изготовления пороха и военного применения «самоходных стрел», после чего новое оружие начинает быстро распространяться по Азии и Восточной Европе.

Упоминания о первом варианте стационарной ракетной установки встречается в китайских хрониках 1259 года. Она называлась «Копье яростного огня» и представляла собой ракету достаточно большой мощности, привязанную к шесту и располагавшуюся на подставках из бамбука.

Несмотря на приоритет китайских военных в использовании реактивного движения, понятие «ракета» (rochetta) впервые употребляется при описании пороховых зажигательных стрел европейцем, итальянским учёным Маратори в 1379 году. А итальянцы, в свою очередь, узнали о ракетах от своего путешественника Марко Поло, познакомившего Европу с жизнью и бытом Китая, в том числе с порохом, зажигательными смесями и «огненными стрелами». Первые ракеты в Европе появились в 1400 году и сначала использовались только для фейерверков на итальянских праздниках.

В книге другого итальянца, Фонтана, написанной в 1420 году, имеются не только описания боевых ракет, но и рационализаторские предложения, как использовать реактивную струю от выстрела для передвижения на «самобеглой» коляске.

Первенство в массовом использовании ракет во время военных действий в Европе принадлежит французским войскам Жанны д'Арк, применивших их при защите Орлеана в 1429 году. Впоследствии реактивное оружие завоёвывало всё большую популярность, однако оставалось достаточно сложным и ненадёжным в употреблении по сравнению с традиционными методами ведения войн.

Тем не менее, исследования продолжались, и в 1561 году во Франции вышла анонимная публикация «Несколько способов военного применения фейерверков», где впервые был обобщён и проанализирован опыт применения ракет в сражениях. В этом труде давалось также множество рекомендаций, в частности по замене бумажных и бамбуковых ракетных корпусов на кожаные.

Ещё через 30 лет, в 1591 году бельгиец Ян Бив описал и сделал приблизительный чертёж многоступенчатой ракеты, предназначенной для преодоления притяжения земли.

С 1600 года ракеты становятся действенным средством борьбы против кавалерии, которая с древних времён являлась самым эффективным видом войск. С этого периода начался очередной пересмотр тактики ведения сражений в пользу артиллерии и ракетного оружия.

Опыт сражений с применением артиллерии показал, что для нанесения наибольшего урона противнику необходимо всё больше увеличивать калибр орудий, одновременно совершенствуя материалы для их изготовления. Та же тенденция наблюдается и в развитии ракетного оружия, которое по мере повышения надёжности требовало увеличения его разрушительной мощи. В 17 веке такие работы проводились многими странами. В частности в 1668 году немецкий полковник артиллерии Кристоф Фридрих начал экспериментировать с ракетами калибров до 50 кг и с массой пороховой боеголовки до 7 кг.

Значительный вклад в формирование ракетного оружия, сам того не ведая, внёс великий английский учёный, сэр Исаак Ньютон. В 1687 году он опубликовал свою знаменитую книгу «Математические принципы естественной философии», где сформулировал «Универсальные законы движения». Третий закон – «Для каждого действия имеется равная и противоположная реакция», является фундаментальным принципом работы реактивного двигателя. Он и сегодня лежит в основе расчета реактивной тяги. Именно Ньютон впервые определил скорость и высоту подъема, необходимые для вывода ракеты на геостационарную орбиту.

Англичанам пришлось познакомиться с разрушительным действием ракетного оружия и в Азии, и в Северной Америке. В 1792 году, в сражении при Саренгепте, индийские солдаты обстреляли ракетами хорошо подготовленных британских солдат. Несмотря на то, что индийское «секретное оружие» было изготовлено по весьма примитивным технологиям, количество и необычность его воздействия полностью деморализовали английскую армию. То же повторилось и при осаде крупного индийского города Серингапатама в 1799 году. Правитель города Типу-Сагиб имел в рядах своей армии корпус «ракетных стрелков» численностью 1200 человек, который создал его отец, князь Гайдар-Али. Ракеты, за несколько минут практически полностью уничтожившие первые ряды британцев, представляли собой уже достаточно правильные трубки из бамбука с порохом весом 3-6 кг и привязывались к палкам длиной 2,5 метра для стабилизации полёта. Тогда же в качестве корпуса индусы начали применять железную гильзу длиной 30 см, крепившейся на шесте из бамбука длиной 2,5-3 метра.

Во время колонизации англичанами Канады североамериканские индейцы применяли против королевских войск прототипы переносных зенитно-ракетных комплексов – незатейливые ракеты, запускаемые с плеча. Как подтверждают хроники, подвижные краснокожие стрелки поначалу наносили значительно больший урон британцам, чем громоздкая артиллерия европейцев.

Однако Великобритания всегда славилась тем, что не повторяла однажды допущенных ошибок. В 1804 году, чтобы предотвратить наполеоновское вторжение, английское правительство приступило к реализации программы поддержки учёных и изобретателей, работающих в области вооружений. Создавались первые субмарины, новые системы огнестрельного оружия. Тогда же, благодаря полковнику британской армии и военному инженеру, сэру Уильяму Конгреву, появились и первые серьёзные боевые ракеты. После многочисленных экспериментов с реактивными снарядами, захваченными во время индийской кампании, английский изобретатель сформировал теорию проектирования и строительства твердотопливных ракет, включающую технологию поддержания устойчивого процесса горения топлива и методику использования хвостовых стабилизаторов для управления её полетом. Секретная «адская машина» Конгрева представляла собой фугасно-зажигательный заряд на реактивной тяге, который летел на расстояние до 2,7 километров. Боевое применение этого оружия состоялось в 1806 году, когда более 2000 ракет были использованы при обстреле Болоньи. А затем уже индийская армия и североамериканские индейцы испытали на себе боевые качества технологически более совершенных английских ракет.

Примерно в то же время, в 1807 году, состоялось и одно из первых мирных применений ракет. Англичанин Генри Тренгроус предложил закреплять на ракете фал для доставки спасательного троса на терпящее бедствие судно. Этот способ используется и сейчас.

Россия также не осталась в стороне от общемировых тенденций. Первая в Европе отдельная армейская ракетная бригада была сформирована в 1817 году русским артиллерийским офицером, талантливым изобретателем Александром Засядко. Формирование таких же подразделений в Британии и Австрии началось только через год. И вплоть до появления в 1860 году нарезной артиллерии ракеты становятся обязательной и равноправной частью армий всех держав.

Стоит отметить ещё одного русского офицера, «отца русской боевой пороховой ракеты» Константина Константинова, который ознакомился с ракетным делом на Западе, уделив особое внимание производству этого оружия на заводе Конгрева, находящегося в окрестностях Лондона. Заслугой русского учёного, кроме усовершенствования самих ракет и станков для их запуска, является значительное улучшение условий производства ракет, а также создание первого в мире испытательного стенда с баллистическим маятником, с помощью которого определялась реактивная (движущая) сила ракет. В результате этого пороховые ракеты Константинова стали летать дальше, точнее и были намного безопаснее при транспортировке и запуске.

Первый пуск твердотопливной баллистической ракеты длиной 3,7 м с пороховым зарядом массой 4,5 кг состоялся в 1863 году в США. Войска конфедератов собрали и запустили её из Ричмонда на Вашингтон. Ракета успешно стартовала, но куда полетела и где оказалась, так и осталось неизвестным.

После начала перевооружения армий нарезным оружием ракеты потеряли свое военное значение. Почти 40 лет проводились эксперименты по использованию реактивного движения в мирных целях. Так, в начале 20-го века европейские исследователи провели несколько безуспешных опытов по рассеиванию дождевых облаков с помощью метеорологических ракет.

Наиболее успешным можно считать опыт немецкого инженера Альфреда Маула, который в 1906 году запустил твердотопливную ракету с аппаратурой для фотосъемки. Это было сразу оценено картографами всего мира, которые безуспешно пытались составить подробные карты труднодоступных регионов, в которых отсутствовали не только аэродромы, но и дороги.

Незадолго до Первой мировой войны офицер французской артиллерии Рене Лорин сформулировал концепцию конструкции и назначения крылатой ракеты (КР). Однако во время военных действий ракеты использовались в основном для постановки дымовых завес и ночного освещения поля боя. Единственным исключением стали небольшие авиационные твердотопливные ракеты, разработанные лейтенантом ВМФ Франции Ле Приером. Их устанавливали на французские и британские бипланы для уничтожения аэростатов наблюдения противника.

В 1914 году основоположник современного реактивного двигателестроения - американский инженер Роберт Годдард получил два патента, предопределившие историю ракетостроения. Он разработал двигатель для ракеты, работающий на жидком топливе, а также для двух-трехступенчатой твердотопливной ракеты. В 1915 году Годдард запустил свою первую ракету на твердом топливе. Этот талантливый учёный является автором 200 патентов в области ракетостроения, его работы легли в основу программы ракетостроения Германии, а многие из открытых им принципов используются и сегодня.

Несмотря на подавляющее превосходство нарезной артиллерии, исследования в области реактивного оружия продолжались. При этом Россия вновь оказалась «впереди планеты всей». В разгар гражданской войны, 3 мая 1919 года, ученый-химик Николай Тихомиров изложил руководству РСФСР идею создания «самодвижущейся мины реактивного действия». К началу 1921 года в Москве уже действовала государственная механическая мастерская по разработке ракет на бездымном порохе, где кроме самого Тихомирова работал талантливый изобретатель Владимир Артемьев. В 1925 году мастерская переехала в Ленинград, где на Главном артиллерийском полигоне можно было проводить испытания. А 3 марта 1928 года был произведён успешный запуск первой в мире ракеты на бездымном порохе, которая стала фундаментом для дальнейших разработок реактивных снарядов.

27 сентября 1933 года приказом маршала Михаила Тухачевского в Москве образован первый в мире «Реактивный научно-исследовательский институт» (РНИИ, в дальнейшем НИИ-3), занимавшийся разработкой и конструированием реактивных снарядов на твёрдом топливе и пусковых установок к ним. Уже в 1935 году проводились опытные стрельбы ракетами с истребителей И-15, которые дали положительные результаты. Благодаря коллективу этого института к концу 1939 года только советская авиация была вооружена ракетным оружием, опередив США и Великобританию на 3, а Германию — на 4 года. Успехи с авиационными ракетами подтолкнули руководство НИИ-3 к созданию аналогичного оружия для сухопутных войск.

К концу Второй мировой войны (1939-1945 гг.) реактивные снаряды РС-82 и РС-132 на пироксилиновых порохах уже стали штатным оружием советской фронтовой авиации, а также реактивного миномета БМ-13 («Катюша»). Такой же принцип использовали в Германии при создании достаточно эффективного аналога «Катюши» - самоходной реактивной установки «Panzerwerfer» 42 auf Sf «Maultier». К концу войны была создана экспериментальная ракета на твёрдом топливе и в США. Разработанная группой учёных Калифорнийского технологического института во главе с доктором Теодором Корманом, она запускалась с танков, самолётов, кораблей-ракетоносцев. Более 40 000 таких ракет были применены во время высадки американцев во Франции в 1944 году, что, однако не очень помогло союзникам при прорыве мощнейшей линии обороны гитлеровских войск.

После окончания Второй Мировой войны и разделения мира на две политические системы началось существенное ускорение научно-технического прогресса, особое внимание уделялось наукоемким технологиям. Научные, конструкторские и производственные ресурсы использовались державами-победителями, которые получили доступ к уникальным военным разработкам гитлеровской Германии, чтобы выиграть пресловутую «гонку вооружений». Стремительно совершенствовались все виды вооружений, в том числе и твердотопливные ракеты, которые сегодня почти полностью вытеснили ствольную артиллерию и находятся на вооружении всех родов войск, начиная от переносных ракетных установок до ракетных комплексов и межконтинентальных баллистических ракет. К наиболее успешными в мире можно отнести переносной зенитный ракетный комплекс (ПЗРК) «Stinger» (1981, США), реактивная система залпового огня (РСЗО) 9К58 «Смерч» (1987, Россия), межконтинентальная баллистическая ракета «Тополь» (МБР РС-12М, 1988, Россия), ракетный комплекс «Искандер-Э» (1999, Россия), зенитный ракетный комплекс (ЗРК) RBS-23 BAMSE (2002, Швеция), противотанковый ракетный комплекс (ПТРК) «Хризантема» (2002, Россия).

Одним из наиболее «продвинутых» видов современного оружия считаются высокоточные тактические управляемые (крылатые) ракеты, входящие в состав авиационных, корабельных и береговых ракетных комплексов. Они сочетают высокую точность наведения и разрушительную мощь. В оснащении современных крылатых ракет используются различные типы двигателей, но до начала космической эры и стремительного развития жидкостных реактивных двигателей, боевые ракеты в основном использовали твердое топливо.

Первые отечественные ракеты с ТРД относились к классу «воздух-воздух». В 1951 году началось создание первой советской крылатой ракеты РС-1У (реактивный снаряд первый, управляемый) для оснащения истребителей МиГ-15, МиГ-17ПФУ и Як-25П. Она была разработана известным конструктором Дмитрием Томашевичем в ОКБ-2, и запущена в серийное производство на заводе №455 (в настоящее время ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение») в 1956 году. В дальнейшем ракета была усовершенствована и получила индекс РС-2-УС. На её базе вскоре появилась Р-55 (КБ завода №455) с тепловой головкой самонаведения, которой оснащались истребители МиГ-21 бис, Су-9 и Су-15.

В период активных военных действий во Вьетнаме в 1965 году поступил запрос от правительства этой страны на разработку и поставку ракет класса «воздух-поверхность». Этот проект был сначала поручен ОКБ им. Микояна и ГосНИИАС, а затем ОКБ завода № 455. Образец с индексом Х-66 был готов к 1967 году и принят на вооружение в 1968 году.

В конце 1978 года на том же предприятии, которое тогда уже получило название «КПО «Стрела», начались практические работы по созданию первой в мире модульной крылатой ракеты. В конечном счёте, это позволило уменьшить количество типов ракет «воздух-поверхность», просто заменяя боевую часть и головку самонаведения, а также повысить надёжность и упростить их эксплуатацию. На вооружение Х-25М была принята в 1981 году и до сих пор остаётся одной из лучших сверхзвуковых тактических управляемых ракет в мире.

Несмотря на общемировую тенденцию применения в ракетной технике ЖРД, продолжается совершенствование и ракетного оружия с твердотопливным двигателем. Из наиболее известных разработок последнего времени можно отметить противокорабельный ракетный комплекс SLSS (Ship Launched Sea Skua, 1981, Великобритания), а также авиационную ракету средней дальности класса «воздух-воздух» Р-77 (1992, Россия).

2. Физические основы работы реактивного двигателя


Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определённой скоростью относительно тела, например при истечении продуктов сгорания из сопла реактивного летательного аппарата. При этом появляется так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение.

Примером реактивного движения является движение воздушного шарика, из которого вытекает воздух. Оно будет кратковременным, так как реактивная сила действует лишь до тех пор, пока продолжается истечение воздуха.

Главная особенность реактивной силы состоит в том, что она возникает без какого-либо взаимодействия с внешними телами. Происходит лишь взаимодействие между ракетой и вытекающей из неё струёй вещества.

При истечении продуктов сгорания топлива они за счет давления в камере сгорания приобретают некоторую скорость относительно ракеты и, следовательно, некоторый импульс. Поэтому в соответствии с законом сохранения импульса сама ракета получает такой же по модулю импульс, но направленный в противоположную сторону.

Масса ракеты с течением времени убывает. Ракета в полете является телом переменной массы. Для расчета ее движения удобно применить закон сохранения импульса.

Получим уравнение движения ракеты и найдём выражение для реактивной силы. Будем считать, что скорость вытекающих из ракеты газов относительно ракеты постоянна и равна . Внешние силы на ракету не действуют: она находится в космическом пространстве вдали от звезд и планет.

Пусть в некоторый момент времени скорость относительно инерциальной системы, связанной со звездами, равна , а масса ракеты равна . Через малый интервал времени масса ракеты станет равной

, где - расход топлива (отношение массы сгоревшего топлива ко времени его сгорания).

За этот промежуток времени скорость ракеты изменится на и станет равной . Скорость истечения газов относительно выбранной инерциальной системы отсчета равна , так как до начала сгорания топливо имело ту же скорость, что и ракета.

Тогда закон сохранения импульса для системы ракета-газ:

Раскрыв скобки, получим:

Слагаемым можно пренебречь по сравнению с остальными, так как оно содержит произведение двух малых величин (это величина, как говорят, второго порядка малости). После приведения подобных членов будем иметь: , или


Это одно из уравнений Мещерского для движения тела переменной массы, полученное им в 1987 г.

Если ввести обозначение , то уравнение совпадёт по форме со вторым законом ньютона. Однако масса тела здесь не постоянна, а убывает со временем из-за потери вещества.

Величина носит название реактивной силы. Она появляется вследствие истечения газов из ракеты, приложена к ракете и направлена противоположно скорости газов относительно ракеты. Реактивная сила определяется лишь скоростью истечения газов относительно ракеты и расходом топлива. Существенно, что она не зависит от деталей устройства двигателя. Важно лишь, что бы двигатель обеспечивал истечения газов из ракеты со скоростью при расходе топлива . Реактивная сила космических ракет достигает 1000 кН.

Если на ракету действуют внешние силы, то её движение определяется реактивной силой и суммой внешних сил. В этом случае уравнение запишется так: .

Решил уравнение Мещерского, то есть получил в явном виде формулу, позволяющую в любой момент времени полета ракеты определить ее скорость по известным начальным условиям, великий русский ученый, основоположник отечественной космонавтики К.Э. Циолковский в 1903 году. Выведенная им формула получила название формулы Циолковского:




Здесь - скорость ракеты, когда ее масса стала равна m, - скорость ракеты на старте, - скорость продуктов сгорания относительно ракеты, ln – символ натурального логарифма, m0 – масса ракеты на старте,m – масса ракеты в момент, когда ее скорость стала равна .

Из формулы Циолковского следует, что чем больше топлива сгорит, то есть чем меньше будет оставшаяся масса m, тем большую скорость разовьет ракета. Для увеличения полезной массы ракеты увеличивают скорость истечения газов, подбирая соответствующие виды топлива. Газы, выходящие из ракеты, должны иметь по возможности меньшую молекулярную массу (чем меньше молекулярная масса топлива, тем больше объём газов, образующихся при его сгорании, и, следовательно, скорость их истечения) и быть нагреты до возможно более высокой температуры.

Кроме того, используют несколько последовательно работающих, а затем отбрасываемых ступеней, входящих в состав многоступенчатой ракеты, что позволяет наращивать скорость ракеты в полете. Идея многоступенчатой ракеты была высказана Циолковским.

Для того, чтобы определить от чего сила тяги ракеты, я провел серию опытов с пластиковой бутылкой, подвешенной на нитях, в которой сделаны отверстия. Я попробовал повторить опыт венгерского физика Я.А.Сегнера, который в 1750 году продемонстрировал свой прибор - "сегнерово колесо". В литровой бутылке я менял количество отверстий и температуру налитой воды (холодная вода имела температуру 21 0С, горячая вода 95 0С). В результате проделанных мною опытов я получил следующие результаты.

№ опыта

Количество отверстий

Холодная вода

Горячая вода

Количество оборотов

Количество оборотов

1

3

1

2,5

2

6

2,5

3,5

3

9

3,5

4,5


Я убедился, что сила тяги увеличивается с ростом внутренней энергии топлива (воды), с увеличением скорости истечения топлива.


3. Экспериментальное доказательство формулы Циолковского


При реактивном движении горячие газы, образующиеся при сгорании топлива в двигателе ракеты, с большой скоростью выбрасываются через сопло в хвосте ракеты. Сила реакции вытекающей струи газов сообщает ракете ускорение. Поскольку масса ракеты постепенно уменьшается (выгорает топливо), модуль ускорения ракеты со временем изменяется. Циолковский теоретически вывел формулу, по которой можно определить скорость ракеты в любой момент работы ее двигателей.

Например, к моменту полного сгорания топлива модуль скорости ракеты вычисляется по формуле


где - скорость вытекания продуктов сгорания относительно ракеты, m1 – масса самой ракеты (без топлива), m2 – масса сгоревшего топлива, ln – символ натурального логарифма.

Экспериментальную проверку этой формулы я проводил с помощью модели ракеты. Для пуска ракеты мною было изготовлено пусковое устройство. В качестве стартовой площадки был использован деревянный брусок, на котором жестко закреплены непосредственно пусковое устройство и система нагнетания воздуха, состоящая из сантехнического шланга и ввернутого в него автомобильного золотника, через который посредством ножного насоса нагнетался воздух в корпус ракеты.



Рисунок 1.

Опыт производился несколько раз для достижения максимально вертикального взлета ракеты, с целью получения более точных результатов при проведении расчетов.

Начальную скорость ракеты при строго вертикальном полете находим по высоте подъема ракеты, которая была определена способом масштабирования, по кадрам видеосъемки. . Максимальная высота вертикального полета ракеты составила 7 метров.

Подставив, значения я получил:

Так как запуск ракеты, производился при низких температурах (-250С) я использовал в качестве топлива смесь чистой воды и спирта, плотность смеси составила 900 кг/м3.

Для определения скорости истечения воды относительно ракеты найдём сначала объём воды, потом массу и выразим скорость. Скорость воды относительно ракеты я возьму постоянной, как и Циолковский, и рассчитаю её через всю массу воды и время её вытекания из ракеты.

Здесь - плотность воды, ^ S – площадь сечения сопла, m2 – масса выброшенной воды, - время выброса воды (вычислено по видеозаписи).



Подставив числовые значения, получим:

Проверю формулу Циолковского:

Подставлю числовые значения, получим:

Относительная погрешность измерений вычислена по формуле:



Погрешность измерения составила:



Таким образом я доказал формулу Циолковского.

4. Ему была ясна звездная книга


Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857г. В селе Ижевском Спасского уезда Рязанской губернии в семье лесничего. О своих родителях Циолковский писал: «Отец всегда был холоден, сдержан. Среди знакомых он слыл умным человеком и оратором. Среди чиновников – красным и нетерпимым по своей идеальной честности…У него была страсть к изобретательству и строительству. Меня ещё не было на свете, когда он придумал и устроил молотилку. Увы, неудачно! Мать была же совсем другого характера – натура сангвиническая, горячка, хохотунья, насмешница и даровитая. В отце преобладал характер, сила воли, в матери – талантливость».

Циолковскому было восемь лет, когда мать подарила ему игрушечный воздушный шар (аэростат), выдутый из коллодиума и наполненный водородом. Будущий создатель теории цельнометаллического дирижабля с удовольствием занимался этой игрушкой.

На десятом году жизни – в начале зимы – Циолковский, катаясь на санках, простудился и заболел скарлатиной. Болезнь была тяжелой, и вследствие ее осложнения мальчик почти совершенно, но потерял слух. Глухота не позволила продолжать учебу в школе. «Глухота делает мою биографию малоинтересной, - пишет позднее Циолковский, - ибо лишает меня общения с людьми, наблюдения и заимствования. Моя биография бедная лицами и столкновениями». С 10 до 14 лет жизнь Циолковского была «самым грустным, самым темным временем… Я стараюсь восстановить его в памяти, но ничего сейчас не могу вспомнить. Нечем помянуть это время.

С 14 лет Константин Эдуардович начал заниматься самостоятельно, пользуясь небольшой библиотекой своего отца, в которой были книги по естественным наукам и по математике. Тогда же в нем пробуждается страсть к изобретательству. Он строит воздушные шары из тонкой папиросной бумаги, делает маленький токарный станок и конструирует коляску, которая должна была двигаться при помощи ветра. Модель коляски прекрасно удалась и двигалась на крыше дома по доске, даже против ветра.

Исследователь творчества К.Э. Циолковского Сергей Иванович Самойлович (1891-1974) пишет об этом периоде жизни ученого следующее: «Эдуард Игнатьевич (отец К.Э. Циолковского), заметив большие изобретательские наклонности сына, решил дать ему техническое образование и снарядил в Москву для поступления в техническое училище, которое готовило ремесленников. Это было в 1873 г. Но к этому времени технические училище преобразовали в выше учебное заведение (известное нам как МВТУ), чего не знал отец». Константин Эдуардович не мог, конечно, поступить в Высшее техническое училище и решил заниматься самообразованием.

Из дома Циолковский получал 10-15 рублей в месяц. Питался одним черным хлебом, не имел даже картошки и чая. Зато покупал книги, реторты, ртуть, серную кислоту и прочее для различных опытов и самодельных приборов. «Я помню, - пишет Циолковский в своей биографии, - что, кроме воды и черного хлеба, у меня тогда ничего не было. Каждые три дня я ходил в булочную и покупал там на 9 копеек хлеба. Таким образом я проживал в месяц 90 копеек… Все же я был счастлив своими идеями, и черный хлеб меня нисколько не огорчал».

Тяжёлая жизнь в Москве подорвала здоровье юноши. Пришлось возвратиться домой и, чтобы заработать средства на жизнь, заняться частными уроками Огромная сила воли и выдающиеся способности Циолковского привели к цели − экстерном он сдал экзамены на звание учителя. С 1880 г. началась его многолетняя педагогическая работа в училищах небольших городов Центральной России − сначала Боровска, потом Калуги.

Одновременно К. Э. Циолковский с увлечением отдался научной и изобретательской деятельности, которая продолжалась более полувека. Ученый внес ощутимый вклад в решение многих задач науки и техники. Но важнейшим делом его жизни стали труды в области ракетно-космической техники, подчиненные целям исследования и освоения межпланетного пространства. Решение этих проблем красной нитью проходит через все его полувековое научное творчество.

Идея использования ракет в космосе зародилась в сознании Циолковского еще в самом начале его научной деятельности. В работе «Свободное пространство», относящейся к 1883 г., отчетливо сформулирована мысль об использовании реакции истекающей струи для механического движения. В последние годы XIX в. К. Э. Циолковский создает математическую теорию реактивного движения, а в 1903 г. выходит в свет его знаменитая статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами». «Эта классическая работа, − сказал С. П. Королев, − по праву считается первой в мире научной работой, посвященной вопросам теории реактивного движения и ряду важнейших технических предложений в области ракетной техники». Каждое последующее издание своего замечательного труда (1911 − 1912, 1914 и 1926 гг.) ученый дополнял новыми разработками не только теоретического, но уже и практического характера. Обладая в высокой мере чувством научного предвидения, он ощущал приближение космической эры и как бы готовил человечество достойно встретить новый период в истории общества.

В указанной работе и в других трудах послеоктябрьского периода, посвященных ракетно-космической технике, К. Э. Циолковский разработал важнейшие проблемы, относящиеся к организации полетов человека за пределы земной атмосферы. К их числу относятся вопросы создания теории многоступенчатых ракет («ракетных поездов», по выражению Циолковского), достижения космических скоростей летательным аппаратом, определения условий посадки космических аппаратов на поверхность планет, лишенных атмосферы, и т. д. Циолковский был первым среди тех ученых, кто поставил задачу создания искусственных спутников Земли, а также орбитальных космических станций, обеспечивающих длительную работу человека в космическом пространстве. Он рассмотрел и основные медико-биологические проблемы космического полета.

Я рассмотрю более подробно два важнейших результата Циолковского, полученные им в теории ракет. При исследовании законов движения ракет Циолковский идет последовательно строго научным путем, вводя в рассмотрение («шаг за шагом») основные силы, от которых зависит движение ракеты. Сначала он желает выяснить, какие максимальные возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения, и ставит простейшую задачу о прямолинейном движении ракеты в предположении, что сила тяжести я сопротивление воздуха отсутствуют. Эту задачу называют сейчас первой задачей Циолковского.

С качественной стороны эта задача была рассмотрена Циолковским еще в
еще рефераты
Еще работы по разное