ЗАНЯТТЯ 1
Тема: Принцип дії ракети.
Мета:
·
навчальна -
сформувати уявлення про принцип руху в результаті взаємодії з навколишнім
середовищем;
·
розвиваюча –
розвити практичні навички розрахунків за формулою закону збереження імпульсу;
·
виховна –
усвідомити роль вітчизняних вчених у розвитку ракетної техніки.
Тип заняття: комбіноване.
Наочні матеріали та обладнання:
відеопроектор;
електронні носії з фільмами;
калькулятори;
обладнання для досліду;
презентація із схемами, формулами та фотоілюстраціями.
Техніка: розрахунки.
Місце проведення: конференц-зал музею авіації та космонавтики КЮТ
«Кварц».
Хід заняття.
І. Активізація опорних знань гуртківців.
На сьогоднішньому занятті розглянемо
принцип дії ракети і фізичні закони її руху.
Розглянемо дослід.
Демонстрація
досліду
Мозковий штурм
|
Повітряна кулька, що заповнена повітрям, закріплена на шасі іграшкового автомобіля.
Розрізаємо нитку, що утримує повітря в
повітряній кулі.
З кульки починає виходити повітря.
Вся конструкція починає руха-тись в
напрямку, протилежному напрямку повітря, що виходить з кульки.
Завдяки чому конструкція рухається?
Якими відомими законами фізики можна
пояснити рух конструкції?
|
Розвиток
спостережливості, вміння аналізувати фізичні явища.
Створення проблемної ситуації.
|
Обговорення результату досліду.
Постановка проблемного питання
|
Конструкція рухається завдяки дії закону
збереження імпульсу, який випливає з третього закону Ньютона.
Яким чином побачене можна застосувати в
авіаційній і
ракетній
техніці.
Як бачимо, завдяки законам фізики, можливим
є пересу-вання в просторі конструкції (ракети, космічного апарата) за рахунок
взаємодії з масами речовини, які сама (ракета) і викидає. Це дуже важливо для
космічного простору де відсутнє оточуюче середовище.
|
Формування вмінь робити теоретичні узагальнення на
основі практичного досвіду.
Налаштування на розв’язок проблеми.
|
ІІ. Вивчення нового матеріалу.
Ви знаєте (з вашого власного досвіду), що
всі види транспортних засобів, що рухаються по поверхні Землі, в воді, повітрі,
обов’язково взаємодіють із середовищем та з тілами, що знаходяться навкруги
них. Відштовхуючись від інших тіл, або відкидаючи певні маси оточуючого
середовища, вони самі набувають при цьому імпульси для свого власного руху.
Наприклад, автомобіль рухається завдяки
відштовхування колесами від поверхні дороги; корабель своїм гвинтом
відштовхується від води, і т.п.
Всі ці процеси відбуваються завдяки дії
третього закону Ньютона та закону збереження імпульсу.
Закон збереження імпульсу можна
сформулювати таким чином:
Геометрична
сума імпульсів тіл, що складають замкнену систему, залишається постійною при
любих взаємодіях тіл цієї системи між собою.
Одним
з різновидів транспортного засобу є ракета.
Ракета – це літаючий апарат, що рухається
за рахунок реактивної сили, яка виникає під час викидання газу з двигуна.
На такому самому принципі літають і
літаки, які називаються реактивними, а не ракетними. В чому ж вони різняться?
Процес горіння – це окислювальна реакція,
для ходу якої необхідне кисень.
Раніше ми вивчали будову атмосфери Землі
і знаємо, що із збільшенням висоти (над рівнем поверхні Землі), кількість кисню
зменшується. Якщо пам’ятаєте, це експериментально було встановлено першими
аеронавтами під час польотів на повітряних кулях та аеростатах.
Тому, у реактивних літаків є «потолок»,
вище якого вони не здатні піднятися, так як двигуни в розрідженій атмосфері не
здатні створити необхідну силу тяги (не вистачає кисню для процесу горіння
палива).
На відміну від літака, який літає в
атмосфері, ракета несе в собі не тільки паливо, а й кисень для горіння цього
палива. При цьому мати на борту ракети кисень в чистому вигляді не є
обов’язковим. Кисень може знаходитись
і в сполуках
з іншими елементами, наприклад у вигляді азотної
кислоти або перекису водню. Такі продукти, що містять багато кисню і
використовуються для горіння палива, називаються окиснювачами. Різновидам
ракетного палива та окиснювачам присвячена окрема тема курсу.
Наявність на борту ракети палива та окиснювача
надає їй унікальну можливість – повну незалежність від висоти польоту. Ракетні
двигуни не мають обмежень по висоті. Навпаки, в космосі сила тяги ракетного
двигуна суттєво збільшується, так як струмінь газу, що вилітає з сопла двигуна
не зустрічає опору оточуючого середовища.
Тільки один тип транспортного засобу,
для якого не обов’язковим є присутність оточуючого середовища, - ракета.
Розглянемо, яким чином ракета спроможна
пересуватися в космосі без взаємодії з іншими тілами. Для цього розглянемо
схему ракети та проаналізуємо рух продуктів згоряння в ній.
Розглянемо принципову схему ракети (Малюнок.1).
Малюнок 1. Принципова схема ракети:
1- оболонка; 2 – паливо; 3 – гази; 4 – сопло; 5 –
продукти згоряння;
6 – корисне навантаження.
Ракета
складається з корпусу (оболонки) 1, в якому вміщуються всі її складові частини,
агрегати і паливо.
В головній частині розміщується корисне
навантаження 6.
Значну частину ракети займають баки з
паливом та окиснювачем 2.
Паливо, що згоряє в ракеті,
перетворюється в газ з великим тиском і з високою температурою.
Цей газ шукає виходу і знаходячи його у
вигляді отвору в оболонці (сопла), через
який виходить назовні з великою швидкістю U відносно ракети.
Ракета і паливо, яке в ній
знаходилось і поступово згоряючи залишає ракету, складають замкнену систему.
Тоді вступає в силу закон збереження імпульсу.
Позначимо початкову масу ракети з паливом
через M0 і вважаємо,
що продукти згоряння залишають ракету малими однаковими порціями m з постійною
відносно ракети швидкістю U.
На початковий момент ракета знаходилась в
стані покою. Її імпульс в замкнутій системі дорівнював нулю:
M0 V0 = 0.
Таким самим імпульс і повинен залишитись
після викиду першої порції продуктів згоряння.
Однак після викиду першої порції продуктів
згоряння mU не дорівнює 0 .
Маса ракети зменшується: M1 =
M 0 – m і
ракета повинна набути деякої швидкості V1 ,
яку можна визначити виходячи з закону збереження імпульсу:
M1 V1 + mU =0.
Тоді швидкість ракети:
V1 =
- (m/ M1) U.
Знак мінус в цій формулі вказує, що
ракета рухається в протилежний бік від напрямку викиду продуктів згоряння.
Таким чином, для спрямованого руху ракети
в космосі, струю продуктів згоряння, що викидаються, треба спрямовувати в
протилежний заданому напрямку руху бік.
При цьому зовсім не потрібна взаємодія
ракети з оточуючим середовищем: вона рухається за рахунок взаємодії з масами
речовини, які сама і викидає.
ІІІ. Перегляд відео сюжетів.
Завдяки архівним матеріалам можемо
спостерігати процес старту і польоту ракет.
1.
Перегляд відео сюжету пуску ракет, сконструйованих групою вивчення реактивного
руху (ГИРД) – СРСР, 30-і роки ХХ ст.
2.
Перегляд сюжетів запусків ракет ФАУ-2 конструкції Вернера фон Брауна, Германія,
1944-45 р.р.
3.
Відео сюжети ракетних пусків початку космічної ери, 1957-1965 р.р.
4.
Відео сюжети ракетних пусків сучасних ракет.
IV. Постановка практичного
завдання.
Розглянувши принцип дії ракети
та формули для знаходження швидкості ракети, спробуємо практично розрахувати
швидкість ракети при певних її параметрах.
При підстановці числових значень
необхідно пам’ятати, що всі розмірності повинні бути в одній системі одиниць.
V. Виконання
практичного завдання.
Умова.
Нехай маса ракети до заповнення її паливом складає 2 кг. Маса палива – 8 кг.
Швидкість витікання продуктів згоряння – 2 км/с.
Розрахувати швидкість
ракети, якщо паливо згорає миттєво.
Рішення.
Виходячи з умови задачі, маса ракети після згорання палива дорівнює масі
ракети до заповнення її паливом, тобто M1 =2 кг. Маса палива, що пішла
на утворення імпульсу m=8 кг., швидкість витікання U=2 км/с.
Тоді, використовуючи формулу
V1 =
- (m/ M1) U,
і
підставляючи замість буквених позначень числові значення, отримуємо швидкість
руху ракети.
V1 = - (8 кг. / 2 кг.) 2км/с. = - 8 км/с.
При підстановці числових значень
необхідно пам’ятати, що всі розмірності повинні бути в одній системі одиниць.
VI. Завдання
для самостійної роботи.
Виконайте розрахунки швидкості ракети для:
1)
мас незаправленої ракети 4 кг, 6 кг, 8
кг, маси палива – 8 кг., швидкості витікання продуктів згоряння – 2 км/с.;
2)
мас палива – 8 кг, 16 кг, маси незаправленої ракети 2 кг, швидкості витікання
продуктів згоряння – 2 км/с.
3)
швидкостей витікання продуктів згоряння – 2 км/с, 4 км/с, 8 км/с, маси
незаправленої ракети 2 кг, маси палива – 8 кг.
VII. Завершення
заняття.
Існує багато легенд про появу ракет.
Однак ім’я першого винахідника ракети залишається невідомим.
Перші відомі ракети створені в Китаї
приблизно в 969 році.
Перше історичне повідомлення про
використання бойових ракет датовано 1232 роком.
Свій внесок в розвиток конструкції ракет
зробили (в стародавні віки) винахідники з Кореї, Індії, в середні віки –
венеціанці, німці.
Відродження інтересу до ракет почалося в
кінці XVIII століття в Європі – роботи французьких інженерів
Руджері, Бєльєра, Шевал’є, реальні результати отримав англійський полковник
Уільям Конгрев (Малюнки 2, 3).
Малюнок 2. Ракета У.Конгрева
|
Малюнок 3.
Обстріл Копенгагена ракетами У.Конгрева.
1807 р.
|
О.Д.Засядько
|
В розвиток ракетної техніки в цей період
зробили свій внесок і наші співвітчизники.
Найбільш відомі конструкції ракет вченого
– артилериста Олександра Дмитровича Засядька.
Його ракети знаходились на озброєнні
російської армії та використовувались під час бойових дій на Кавказі, а також
в Російсько-турецьку війну 1828-1829 р.р. (Малюнок 4).
|
Засядько Олександр Дмитрович народився в 1779 році в
с.Лютенка (тепер Гадяцький район Полтавської області, помер 27.05.1837 року в
м.Харкові.
Артилерист,
фахівець в галузі ракетної справи, генерал лейтенант (1827 р.).
В 1797 році закінчив
Артилерійський та Інженерний шляхетний кадетський корпус.
Брав участь у
італійському поході російської армії (1799 р.) під командуванням
О.В.Суворова, в російсько-турецькій війні 1806-1812 рр., у Вітчизняній війні
1812 р.
В 1815 р. розпочав
роботи по створенню бойових порохових ракет. Сконструював пускові пристрої
для залпового вогню (6 ракет) та пристрої наведення, розробив тактику
використання ракетної зброї.
З 1820 р.
О.Д.Засядько - начальник
Петербурського арсеналу, Охтинського порохового заводу та піротехнічної
лабораторії, а також першого в Росії вищого артилерійського училища.
В 1927 р. очолив
штаб артилерії російської армії. Брав участь у російсько-турецькій війні
1828-1829 рр., організував виробництво ракет в спеціальній «ракетній
установі», сформував першу в російській армії ракетну батарею.
У 1834 р. вийшов у відставку з причини хвороби.
В 1976р. ім’ям
Засядька названо кратер на зворотному
боці Місяця.
|
Малюнок 4.
Конструкція ракет О.Д.Засядька
|
Малюнок 5.
Макети ракет О.Засядька
|
Немає коментарів:
Дописати коментар