РЕГИОНАЛЬНЫЙ ЭТАП ВСЕРОССИЙСКОГО ДЕТСКОГО КОНКУРСА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ТВОРЧЕСКИХ РАБОТ

«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКЕ»

Секция: ФИЗИКА

Тема: ПОЧЕМУ РАКЕТЫ ЛЕТАЮТ…

Научный руководитель: Касенкова Ирина Николаевна

Место выполнения работы: МОУ «Рождественская СОШ» Валуйского района Белгородской области

Оглавление

Выдвижение гипотезы……………………………………………………3

Актуальность темы………………………………….…………………….4

Цель и задачи исследования…………………………..………………….5

Основная часть……………………………………………………………..6

Результаты и выводы…………………………………………………….15

Литература……………………………………………………………….16

Выдвижение гипотезы

Готовясь к празднованию Дня рождения сестры, я украшал дом воздушными шариками. Когда я надувал шары, то один из них вырвался из рук и с большой скоростью полетел от меня в противоположную сторону. Я задал себе вопрос: что же произошло с шариком? Родители объяснили, что это реактивное движение. Неужели шарик летает так же, как ракета?

Проблема: можно ли создать макет ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы.

Быть может, уже много тысяч лет, глядя в небо, человек думал о полете к звездам. Мерцающие ночные звезды заставляли его уноситься мыслью в огромные дали Вселенной, будоражили воображение, заставляли задуматься над тайнами создания Вселенной. Шли века, человек приобретал все большую власть над природой, но мечта о полете к далеким звездам не оставляла человечество.

Гипотеза, которую я выдвинул в ходе исследования: возможно, реактивное движение встречается в природе и повседневной жизни, и я смогу создать макет ракеты, используя знания об этих явлениях.

Актуальность темы.

Я слышал, что говорят: век пара, век электричества, век радио... А можно ли говорить о веке ракеты? Я думаю, можно, потому что этот век наступил.

Ракеты прочно завоевали себе место в современном мире. Ракеты с автоматическими самозаписывающими приборами уже поднялись на огромные высоты и помогают нам раскрыть тайны воздушного океана, простирающегося над Землей.

Проверить и дополнить то, что мы знаем об атмосфере, пополнить наши знания о больших высотах поможет созданная человеком ракета. Ракета поднимает на эти высоты телевизионные передатчики, и мы видим на экранах наших телевизоров Землю с большой высоты, Землю-планету.

Ракета несёт службу погоды. Метеорологические ракеты забрались туда, куда не поднимается шар-зонд с приборами. Пролетая огромные расстояния с большими скоростями, ракеты могут дать информацию о погоде на большие пространства, передавая по радио сведения о состоянии атмосферы на различных высотах, в разных местах. Так ракеты помогают нам предсказывать погоду, и даже управлять погодой.

Вообще представить жизнь современного общества без достижений в ракетостроении и космонавтике не возможно. Ведь благодаря освоению космоса, в наши дни вокруг Земли движутся всевозможные спутники разного назначения. С помощью научных спутников учёные наблюдают за небесными телами. Всё это, то, что есть сейчас, а в будущем научные станции и установки станут более легкими, а обитаемые жилые станции будущего, вращаясь рядом с планетой, позволят своим обитателям часто возвращаться на родную планету и принимать гостей. А если какая-то часть человечества решит поселиться в далёком космосе, связь можно будет поддерживать, только посылая радиосигналы. Вероятно, нам еще придется подождать пока не появятся межпланетные корабли, способные развивать скорость, превышающую несколько сотен тысяч километров в час, а при современном развитии космических технологий путь на Землю и обратно займёт десятки лет. Конечно же, найдутся люди желающие стать поселенцами колоний, которые на огромных космических кораблях повезут с собой отобранные виды растений, животных. Но не так уж далёк день, когда космические колонии станут новыми мирами. Это и будет веком реактивного движения.

В своем исследовании я попробую создать макет ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования:

Создание макета ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы.

Чтобы подтвердить или опровергнуть мою гипотезу, я поставил перед собой задачи:

1. изучить теоретический материал по данной теме;

2. провести опыты, иллюстрирующие реактивное движение;

3. экспериментально проверить возможность создания макета ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы.

Основная часть.

Изучение теоретического материала по данной теме.

Реактивное движение применялось еще при изготовлении первых пороховых фейерверочных и сигнальных ракет в Китае в X веке. В конце XVIII века индийские войска в борьбе с английскими колонизаторами использовали боевые ракеты на чёрном дымном порохе. В российской армии пороховые ракеты были приняты на вооружение в начале XIX века.

Во время Великой Отечественной войны немецкие войска применяли баллистические ракеты Фау-2, обстреливая английские и бельгийские города. Советские войска с большим успехом использовали установки залпового огня «Катюша».

Первым применить реактивное движение для полетов в космос предложил Н. И. Кибальчич. Дальнейшая теоретическая разработка ракетостроительства принадлежит русскому ученому Циолковскому К.Э. Его труды вдохновили С.П.Королёва на создание летательных аппаратов для полета человека в космос.

Благодаря его идеям впервые в мире 4 октября 1957 года был осуществлен запуск искусственного спутника Земли и первого пилотируемого искусственного спутника Земли с летчиком - космонавтом на борту Ю.А. Гагариным - 12 апреля 1961 г. Запуски космических кораблей положили новую эпоху в освоение космоса.

Современные достижения в космонавтике

17 июня 1992 года Россия и США заключили соглашение о сотрудничестве в исследовании космоса. В соответствии с ним Российское космическое агентство и НАСА разработали совместную программу «Мир - Шаттл». Эта программа предусматривала полёты американских многоразовых кораблей «Шаттл» к российской космической станции «Мир». В ходе реализации программы «Мир- Шаттл» родилась идея объединения национальных программ создания орбитальных станций. Международная космическая станция, парящая сегодня над планетой, стала компромиссом между Россией и США. МКС начало эксплуатацию 20 ноября 1998 года, и эксплуатируется до сих пор.

В январе 2004 года президент США выступил с новой программой космических исследований трёх этапов. Планируется испытать новый космический корабль «Орион», который заменит Шаттлы. В 2015 году «Орион» должен доставить американский экипаж на МКС, а спустя 5 лет на Луну. В будущем такие полёты станут регулярными, а на спутнике Земли будет построена первая постоянная лунная база, которая превратится в центр экспедиций на Марс и к другим планетам Солнечной системы. Пилотируемый полёт к Марсу запланирован на 2037 год. Может в рамках программы человек наконец-то сможет прогуляться по красному марсианскому песку. Учёные посылали автоматические зонды на другие планеты земной группы – к Марсу, Меркурию, и Венере. На Марс и Венеру высаживались спускаемые модули, поэтому мы уже много знаем об этих планетах. Для изучения планет-гигантов тоже запустили космические модули. Космический зонд «Новые горизонты» с 2006 года находится на пути к Плутону. Учёные ожидают, что в 2015 году он достигнет планеты.

Одной из основных целей спутников стало наблюдение и фотографирование иностранных территорий. Американцы вышли на первое место по этому виду шпионажа, их спутники прослушивают и перехватывают сообщения, а бортовые камеры и телескопы улавливают даже незначительное передвижение войск. Радары на спутниках видят, что происходит в океане на глубине до 100 метров. Есть ещё метеорологические спутники, оборудование на них позволяет довольно точно предсказывать погоду на пять дней вперёд и предупреждать население о приближение ненастья. Эти спутники передают сведения о состоянии облачности, температуре почвы или количестве снега в горах. Спутники умеют измерять расстояние и высоту с точностью до сантиметра. Они используются для обустройства территорий, например для прокладывания дорог. Спутниковая картография находит применение и в океанологии, они считывают ландшафт дна, течений, температуры поверхности океана, скорости ветра, нефтяного загрязнения и ледяного покрова. С начала 1960-х годов искусственные спутники Земли используются в качестве трансляций радиоволн, они передают сигналы телевизионного вещания, телефонной связи и цифровой информации. В 1992 году была создана всемирная сеть орбитальных спутников (GPS ), которая позволяет узнать местоположение любого движущегося или неподвижного объекта на земле, в воздухе и под водой.

Физические принципы реактивного движения и устройство.

Реактивное движение основано на принципе действия и противодействия: если одно тело воздействует на другое, то при этом на него самого будет действовать точно такая же сила, но направленная в противоположную сторону.

Современная космическая ракета это очень сложный летательный аппарат, состоящий из сотен тысяч деталей. Она состоит из корпуса, двигателя и отсека с полезным грузом. Большая часть корпуса заполнена топливом. Двигатель состоит из камеры сгорания и сопла. Сопло – это выходное отверстие для газов, образующихся при сгорании топлива. Для достижения больших космических скоростей применяют многоступенчатые ракеты. Когда реактивная газовая струя выбрасывается из ракеты, сама ракета устремляется в противоположную сторону, разгоняясь до 1-й космической скорости: 8 км/с.

Реактивное движение в природе.

Итак, где же в природе встречается реактивное движение? Рыбы плывут, птицы летят, звери бегут. Вроде бы все очень просто. Как бы не так. Охота к перемене мест у животных не каприз, а суровая необходимость. Хочешь есть – умей быстро двигаться. Не хочешь, чтобы тебя съели – умей быстро убежать. Чтобы быстро передвигаться в пространстве, нужно развивать большие скорости.

Для этого, например, морской гребешок – обзавелся реактивным двигателем. Он очень быстро выбрасывает из раковины воду и пролетает расстояние, которое в 10-20 раз больше его собственной длины!

Осьминог развивает скорость до 50 км/час и это благодаря реактивной тяге. Он даже по суше может прогуляться, т.к. есть у него на этот случай запас воды за пазухой. Кальмар – самый большой беспозвоночный обитатель океанских глубин передвигается по принципу реактивного движения.

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец ". Если только слегка прикоснуться к плоду, похожему на огурец, как он отлетает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами. Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.

Выполнение практической части исследования.

Я провел опыт, который доказывает, что каждому действию есть равное противодействие. Для этого я нагревал воду в сосуде, закрытом пробкой, который был подвешен на нитях, до кипения и увидел как при вылетании пробки сосуд отлетел в противоположную сторону.

Этот опыт доказывает справедливость правила равенства действий и противодействий. Если пар действует на пробку, то и пробка действует на пар в обратную сторону, а пар передает это противодействие пробирке.

Затем, я сделал автомобиль-воздухомет и испытал его в действии. Эта игрушка представляет собой автомобиль, на котором укреплен надутый резиновый шарик.

П
оставил игрушку на край стола и отпустил её.

Игрушка приходит в движение за счёт энергии выбрасываемого воздуха. Так же я убедился, что чем больше воздуха закачено в шар, тем дальше движется автомобиль. Таким образом я построил модель простейшего реактивного двигателя.

Но, движение которое я наблюдал, хотя и являлось примером реактивного движения, мало походило на запуск и движение ракеты, которое я видел по телевидению. И тогда я приступил к созданию макета ракеты, для этого я использовал чертежи из детской энциклопедии. Чтобы ракета повыше взлетела, она должна быть максимально легкая. Поэтому, материал для изготовления моделей ракеты – это бумага для принтера.

В
качестве бака для топлива я использовал пластиковую баночку. И макет ракеты был готов!

Наступил момент для запуска ракеты.

В
качестве топлива я взял смесь напитка Кока-кола и конфет «Ментос». «Ментос» имеет пористую поверхность, которая создаёт множество центров высвобождения растворённого в газированых напитках углекислого газа. Другие ингредиенты, которые играют роль в цепной реакции,- аспартам (заменитель сахара), бензонат натрия (консервант) и кофеин в кока-коле, и желатин в «Ментосе». Эти ингредиенты хорошо сочетаются друг с другом, и если их смешать при большом количестве центров высвобождения газа, начинается бурная реакция, которая высвобождает сразу весь углекислый газ, под действием вырывающейся струи которого взлетает наша ракета.

П
роизводим отсчет: 5, 4, 3, 2, 1, пуск!... И наша ракета взлетает вверх. Все получилось. Ракета летит!

И снова я оказался недоволен полученным результатом, ракета взлетела всего на 40-50 см от земли и после запуска стала непригодной для дальнейшего использования.

Я приступил к созданию новой ракеты, способной взлететь еще выше .

Мне пригодились все мои чертежи, я их только увеличил в размере, а материалом для изготовления ракеты стал ватман. Для взлета моей ракеты я купил специальный двигатель МРД – 0,25, который состоит из корпуса и сопла. Внутри корпуса три отсека, в первом находится спрессованный порох, который медленно сгорая дает газ для поднятия ракеты. Второй отсек - замедлитель заполнен смесью пороха и талька, при сгорании пороха в этом отсеке ракета летит еще выше по инерции. И, наконец третий отсек заполнен рассыпчатым порохом, который при сгорании выбивает парашют, который я поместил внутри ракеты.

Парашют я сделал из тонкого полиэтилена, а стропы из обычных швейных нитей. Теперь моя ракета сможет спуститься на землю без аварий.

Внутри сопла я поместил запал к клеммам которого присоединил аккумулятор, для того чтобы двигатель пришел в действие необходим электрический ток. При возгорании пороха клеммы вместе с аккумулятором отсоединятся самостоятельно.

Наступил момент запуска, ракета установлена, клеммы подсоединены.

Производим отсчет: 5, 4, 3, 2, 1. Пуск!..... Ракета взлетает вверх, из сопла вырываются клубы дыма и огонь. За считанные секунды ракета достигает высоты 20-30 метров. Хлопок,…. И парашют вылетает над ракетой. Ракета медленно спускается на землю.

Результаты и выводы.

Вывод:

опытным путем я выяснил, что создание макета ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы вполне возможно;

принцип реактивного движения это - физический закон действия и противодействия;

убедился, что реактивное движение встречается в технике, природе и быту.

Теперь, зная о реактивном движении, я могу избежать многих неприятностей, например, спрыгивая с лодки на берег, стреляя из ружья, включая душ и т. д. я буду учитывать закон действия и противодействия.

Итак, я могу утверждать, что гипотеза, выдвинутая мною подтвердилась: реактивное движение встречается в природе и повседневной жизни, и я создал макет ракеты, используя знания об этих явлениях.

Литература.

Гальперштейн Л. Я. / Забавная физика./ - М.: Детская литература/ 1994 г./ 256 с.

Детская энциклопедия./ - М.: Просвещение. / 2007 г. /405 с.

Чуянов В. А.. / Энциклопедический словарь юного физика./ - М.: Педагогика./ 2003 г. / 324 с.

Шабловский В. / Занимательная физика. Нескучный учебник./ С-П.: Тригон./ 1997г. / 416 с.

http://www.mirpodelki.ru

Взлетом космической ракеты сейчас можно полюбоваться и по телевизору, и в кино. Ракета вертикально стоит на бетонном стартовом столе. По команде из пункта управления включаются двигатели, мы видим загорающееся внизу пламя, мы слышим нарастающий рев. И вот ракета в клубах дыма отрывается от Земли и сначала медленно, а потом все быстрее и быстрее устремляется вверх. Через минуту она уже на такой высоте, куда не могут подняться самолеты, а еще через минуту - Космосе, в околоземном безвоздушном пространстве.

Двигатели ракеты называются реактивными. Почему? Потому что в таких двигателях сила тяги является силой реакции (противодействия) силе, которая отбрасывает в противоположную сторону струю раскаленных газов, получаемых от сгорания топлива в специальной камере. Как известно, согласно третьему закону Ньютона сила этого противодействия равна силе действия. То есть, сила, поднимающая ракету в космическое пространство равна силе, которую развивают раскаленные газы, вырывающиеся из сопла ракеты. Если Вам кажется невероятным, что газ, которому положено быть бесплотным, забрасывает на космическую орбиту тяжеленную ракету, вспомните о том, что сжатый в резиновых баллонах воздух успешно поддерживает не только велосипедиста, но и тяжелые самосвалы. Раскаленный добела газ, вырывающийся из сопла ракеты - тоже полон силы и энергии. Настолько, что после каждого старта ракеты стартовый стол ремонтируют, добавляя выбитый огненным вихрем бетон.

Третий закон Ньютона можно сформулировать иначе, как закон сохранения импульса. Импульсом называется произведение массы на скорость. В терминах закона сохранения импульса старт ракеты можно описать так.
Первоначально импульс космической ракеты, покоящейся на стартовой площадке, был равен нулю (Большая масса ракеты, умноженная на нулевую ее скорость). Но вот включен двигатель. Топливо сгорает, образуя огромное количество газообразных продуктов сгорания. Они имеют высокую температуру и с высокой скоростью истекают из сопла ракеты в одну сторону, вниз. Это создает вектор импульса, направленный вниз, величина которого равна массе истекающего газа, умноженного на скорость этого газа. Однако, в силу закона сохранения импульса, суммарный импульс космической ракеты относительно стартовой площадки должен быть по-прежнему равен нулю. Поэтому тут же возникает вектор импульса, направленный вверх, уравновешивающий систему «ракета - отбрасываемые газы». За счет чего возникнет этот вектор? За счет того, что стоящая до тех пор неподвижно ракета начнет движение вверх. Импульс, направленный вверх, будет равен массе ракеты, умноженной на ее скорость.

Если двигатели ракеты мощные, ракета очень быстро набирает скорость, достаточную для того, чтобы вывести космический корабль на околоземную орбиту. Эта скорость называется первой космической скоростью и равна приблизительно 8 километрам в секунду.

Мощность двигателя ракеты определяется в первую очередь тем, какое топливо сгорает в двигателях ракеты. Чем выше температура сгорания топлива, тем мощнее двигатель. В самых ранних советских ракетных двигателях топливом был керосин, а окислителем - азотная кислота. Сейчас в ракетах используется более активные (и более ядовитые) смеси. Топливом в современных американских ракетных двигателях является смесь кислорода и водорода. Кислородно-водородная смесь очень взрывоопасна, но при сгорании выделяет огромное количество энергии.

А мы знаем, что чтобы происходило движение, необходимо воздействие некоторой силы. Тело либо само должно оттолкнуться от чего-нибудь, либо стороннее тело должно толкнуть данное. Это хорошо известно и понятно нам из жизненного опыта.

От чего оттолкнуться в космосе?

У поверхности Земли можно оттолкнуться от поверхности либо от находящихся на ней предметов. Для передвижения по поверхности используют ноги, колеса, гусеницы и так далее. В воде и воздухе можно отталкиваться от самих воды и воздуха, имеющих определенную плотность, и потому позволяющих взаимодействовать с ними. Природа для этого приспособила плавники и крылья.

Человек создал двигатели на основе пропеллеров, которые во много раз увеличивают площадь контакта со средой за счет вращения и позволяют отталкиваться от воды и воздуха. А как быть в случае безвоздушного пространства? От чего отталкиваться в космосе? Там нет воздуха, там ничего нет. Как осуществлять полеты в космосе? Вот тут-то и приходит на помощь закон сохранения импульса и принцип реактивного движения. Разберем подробнее.

Импульс и принцип реактивного движения

Импульс это произведение массы тела на его скорость. Когда тело неподвижно, его скорость равна нулю. Однако тело обладает некоторой массой. При отсутствии сторонних воздействий, если часть массы отделится от тела с некоторой скоростью, то по закону сохранения импульса, остальная часть тела тоже должна приобрести некоторую скорость, чтобы суммарный импульс остался по-прежнему равным нулю.

Причем скорость оставшейся основной части тела будет зависеть от того, с какой скоростью отделится меньшая часть. Чем эта скорость будет выше, тем выше будет и скорость основного тела. Это понятно, если вспомнить поведение тел на льду или в воде.

Если два человека будут находиться рядом, а потом один из них толкнет другого, то он не только придаст тому ускорение, но и сам отлетит назад. И чем сильнее он толкнет кого-либо, тем с большей скоростью отлетит сам.

Наверняка, вам приходилось бывать в подобной ситуации, и вы можете представить себе, как это происходит. Так вот, именно на этом и основано реактивное движение .

Ракеты, в которых реализован этот принцип, выбрасывают некоторую часть своей массы на большой скорости, вследствие чего сами приобретают некоторое ускорение в противоположном направлении.

Потоки раскаленных газов, возникающие в результате сгорания топлива, выбрасываются через узкие сопла для придания им максимально большой скорости. При этом, на величину массы этих газов уменьшается масса ракеты, и она приобретает некую скорость. Таким образом реализован принцип реактивного движения в физике.

Принцип полета ракеты

В ракетах применяют многоступенчатую систему. Во время полета нижняя ступень, израсходовав весь свой запас топлива, отделяется от ракеты, чтобы уменьшить ее общую массу и облегчить полет.

Количество ступеней уменьшается, пока не остается рабочая часть в виде спутника или иного космического аппарата. Топливо рассчитывают таким образом, чтобы его хватило как раз для выхода на орбиту.

Как известно, ракета пока самый быстрый транспорт на планете Земля. У ракеты необычный двигатель, который называется – реактивным. Прежде чем ракета отправится в полет, ее огромные баки заправляют ракетным топливом. При старте происходит возгорание топлива, которое при сгорании превращается в раскаленный газ. Этот газ через сопло (сопло это такое узкое отверстие, расположенное на дне ракеты), с большой скоростью и силой вырывается наружу.

Мощная струя газа бьет в одну сторону, а ракета за счет ее отталкивающего действия летит в противоположную.

Весь груз расположен в самой верхней части этой многоступенчатой ракеты. Верхняя часть закрывается специальной обтекающей шапкой, которая так и называется – головной обтекатель. Каждая ступень – это самостоятельная ракета, внутри которой помещены баки с горючим, а в хвосте двигатели.

При старте включается самая нижняя и очень мощная , в обязанности которой входит поднять всю тяжесть через слои атмосферы. Когда топливо в ней полностью сгорает, нижняя ступень автоматически отсоединяется, как уже больше ненужный элемент и начинает работать двигатель второй ступени – ракеты. Ракета разгоняется все быстрее.

И когда кончается во второй средней ступени, включается двигатель самой верхней ракеты – носителя, а нижняя ступень тоже отсоединяется. Наконец разгоняется до первой космической скорости и выходит на орбиту земли, где он уже движется самостоятельно.

Отвалившиеся ступени не , от трения с атмосферой они раскаляются до такой степени, что полностью сгорают. Сама ракета носитель – космический корабль, разделяется на две части: спускаемый аппарат и приборный отсек. В спускаемом аппарате находятся космонавты, которые там работают, отдыхают и спят.

А в приборном отсеке находится тормозная двигательная установка, с помощью которой корабль возвращается на землю. Там же находятся приборы, с помощью которых космонавты проводят исследования.