Многотонни космически кораби се реят в небето, а прозрачни, желатинови медузи, сепии и октоподи ловко маневрират в морските води – какво е общото между тях? Оказва се, че и в двата случая за придвижване се използва принципът на реактивното задвижване. Именно на тази тема е посветена днешната ни статия.

Нека надникнем в историята

Повечето Първите достоверни сведения за ракетите датират от 13 век.Използвани са от индийци, китайци, араби и европейци в бойни действия като военни и сигнални оръжия. След това последваха векове на почти пълно забравяне на тези устройства.

В Русия идеята за използване на реактивен двигател беше възродена благодарение на работата на революционера на Народната воля Николай Кибалчич. Седейки в царските тъмници, той разработи руски проект за реактивен двигател и самолет за хора. Кибалчич е екзекутиран и дълги години проектът му събира прах в архивите на царската тайна полиция.

Основните идеи, чертежи и изчисления на този талантлив и смел човек бяха доразвити в произведенията на К. Е. Циолковски, който предложи да ги използва за междупланетни комуникации. От 1903 до 1914 г. той публикува редица трудове, в които убедително доказва възможността за използване на реактивно задвижване за изследване на космоса и обосновава осъществимостта на използването на многостепенни ракети.

Много научни разработки на Циолковски все още се използват в ракетната наука.

биологични ракети

Как се получи идеята да се движите чрез изтласкване на собствената си струя?Може би, наблюдавайки внимателно морския живот, жителите на крайбрежните зони забелязаха как това се случва в животинския свят.

Например, мидасе движи поради реактивната сила на водната струя, изхвърлена от черупката по време на бързото компресиране на нейните клапи. Но той никога няма да се справи с най-бързите плувци - калмарите.

Тяхното тяло с форма на ракета се втурва с опашка напред, изхвърляйки натрупаната вода от специална фуния. се движат по същия принцип, като изстискват вода чрез свиване на прозрачния си купол.

Природата е надарила "реактивен двигател" и растение, наречено "шприцоваща краставица".Когато плодовете му са напълно узрели, в отговор на най-малкото докосване, той изстрелва глутен със семена. Самият плод се изхвърля в обратна посока на разстояние до 12 м!

Нито морският живот, нито растенията познават физическите закони, лежащи в основата на този начин на придвижване. Ще се опитаме да разберем това.

Физически основи на принципа на реактивното задвижване

Нека започнем с един прост експеримент. Надуйте гумена топкаи без да се връзваме, ще го пуснем в свободен полет. Бързото движение на топката ще продължи, докато въздушният поток, изтичащ от нея, е достатъчно силен.

За да обясним резултатите от този опит, трябва да се обърнем към третия закон, който гласи това две тела си взаимодействат с еднакви по големина и противоположни по посока сили.Следователно силата, с която топката действа върху излизащите от нея въздушни струи, е равна на силата, с която въздухът отблъсква топката от себе си.

Нека пренесем това разсъждение върху ракетата. Тези устройства с голяма скорост изхвърлят част от масата си, в резултат на което самите те получават ускорение в обратна посока.

От гледна точка на физиката това процесът е ясно обяснен от закона за запазване на импулса.Импулсът е произведение от масата на тялото и неговата скорост (mv). Докато ракетата е в покой, нейната скорост и импулс са нула. Ако от него се изхвърли струен поток, тогава останалата част, съгласно закона за запазване на импулса, трябва да придобие такава скорост, че общият импулс все още да е равен на нула.

Нека да разгледаме формулите:

m g v g + m p v p =0;

m g v g \u003d - m p v p,

където m g v gимпулсът, създаден от струята газове, m p v p импулсът, получен от ракетата.

Знакът минус показва, че посоката на движение на ракетата и струйната струя са противоположни.

Устройството и принципът на работа на реактивен двигател

В технологията реактивните двигатели задвижват самолети, ракети и извеждат космически кораби в орбита. В зависимост от предназначението те имат различно устройство. Но всеки от тях има запас от гориво, камера за изгарянето му и дюза, която ускорява струйния поток.

Междупланетните автоматични станции са оборудвани и с приборен отсек и кабини с животоподдържаща система за космонавти.

Съвременните космически ракети са сложни, многостепенни летателни апарати, които използват най-новите постижения на инженерството. След изстрелването горивото в долната степен изгаря първо, след което се отделя от ракетата, намалявайки общата й маса и увеличавайки нейната скорост.

След това горивото се изразходва на втория етап и т. н. Накрая самолетът се извежда на зададена траектория и започва самостоятелен полет.

Нека помечтаем малко

Великият мечтател и учен К. Е. Циолковски даде на бъдещите поколения увереността, че реактивните двигатели ще позволят на човечеството да излезе от земната атмосфера и да се втурне в космоса. Предсказанието му се сбъдна. Луната и дори далечните комети се изследват успешно от космически кораби.

В космонавтиката се използват двигатели с течно гориво. Използват петролни продукти като гориво, но скоростите, които могат да се постигнат с тяхна помощ, са недостатъчни за много дълги полети.

Може би вие, скъпи наши читатели, ще станете свидетели на полетите на земляни до други галактики на превозни средства с ядрени, термоядрени или йонни реактивни двигатели.

Ако това съобщение е било полезно за вас, ще се радвам да ви видя

Реактивното задвижване в природата и техниката

РЕЗЮМЕ ПО ФИЗИКА

Реактивно задвижване- движението, което възниква, когато част от него се отдели от тялото с определена скорост.

Реактивната сила възниква без взаимодействие с външни тела.

Приложение на реактивното задвижване в природата

Много от нас в живота си са се срещали, докато плуват в морето с медузи. Така или иначе в Черно море ги има достатъчно. Но малко хора са мислили, че медузите също използват реактивно задвижване, за да се движат. Освен това по този начин се движат ларвите на водните кончета и някои видове морски планктон. И често ефективността на морските безгръбначни при използване на реактивно задвижване е много по-висока от тази на техническите изобретения.

Реактивното задвижване се използва от много мекотели - октоподи, калмари, сепия. Например мекотелото на морски миди се движи напред поради реактивната сила на струя вода, изхвърлена от черупката по време на рязко компресиране на нейните клапи.

октопод

Сепия

Сепията, както повечето главоноги, се движи във водата по следния начин. Тя поема вода в хрилната кухина през страничен процеп и специална фуния пред тялото и след това енергично хвърля поток вода през фунията. Сепията насочва тръбата на фунията отстрани или назад и, бързо изстисквайки вода от нея, може да се движи в различни посоки.

Salpa е морско животно с прозрачно тяло, когато се движи, получава вода през предния отвор и водата навлиза в широка кухина, вътре в която хрилете са опънати диагонално. Веднага щом животното отпие голяма глътка вода, дупката се затваря. Тогава надлъжните и напречните мускули на салпата се свиват, цялото тяло се свива и водата се изтласква през задния отвор. Реакцията на изтичащата струя избутва салпата напред.

Най-голям интерес представлява реактивният двигател squid. Калмарът е най-големият безгръбначен обитател на океанските дълбини. Squids са достигнали най-високото ниво на съвършенство в реактивната навигация. Те дори имат тяло с външните си форми, което копира ракета (или по-добре ракетата копира калмар, тъй като има безспорен приоритет в случая). Когато се движи бавно, калмарът използва голяма перка с форма на диамант, която периодично се огъва. За бързо хвърляне той използва реактивен двигател. Мускулна тъкан - мантията обгражда тялото на мекотелото от всички страни, обемът на неговата кухина е почти половината от обема на тялото на калмара. Животното засмуква вода в кухината на мантията, след което рязко изхвърля струя вода през тясна дюза и се движи назад с висока скорост. В този случай всичките десет пипала на калмара се събират във възел над главата и той придобива опростена форма. Дюзата е оборудвана със специален клапан и мускулите могат да го завъртят, променяйки посоката на движение. Двигателят на калмари е много икономичен, той може да достигне скорост до 60 - 70 км / ч. (Някои изследователи смятат, че дори до 150 км / ч!) Не напразно калмарът се нарича „живо торпедо“. Огъвайки пипалата, сгънати в сноп, надясно, наляво, нагоре или надолу, калмарите се обръщат в една или друга посока. Тъй като такъв волан е много голям в сравнение със самото животно, лекото му движение е достатъчно, за да може калмарите, дори при пълна скорост, лесно да избягват сблъсък с препятствие. Рязко завъртане на волана - и плувецът се втурва в обратната посока. Сега той е огънал края на фунията назад и сега се плъзга с главата напред. Той го изви надясно и реактивната тяга го хвърли наляво. Но когато трябва да плувате бързо, фунията винаги стърчи точно между пипалата и калмарът се втурва с опашката си напред, както би тичал рак - бегач, надарен с пъргавината на кон.

Ако няма нужда да бързате, калмарите и сепията плуват, размахвайки перките си - миниатюрни вълни преминават през тях отпред назад и животното грациозно се плъзга, като от време на време се натиска и с струя вода, изхвърлена изпод мантията. Тогава отделните удари, които мекотелото получава по време на изригването на водни струи, са ясно видими. Някои главоноги могат да достигнат скорост до петдесет и пет километра в час. Изглежда никой не е правил директни измервания, но това може да се съди по скоростта и обхвата на летящите калмари. А такива, оказва се, има таланти в роднините на октоподите! Най-добрият пилот сред мекотелите е калмарът stenoteuthis. Английските моряци го наричат ​​- летящ калмар ("летящ калмар"). Това е малко животно с размерите на херинга. Той преследва риба с такава бързина, че често изскача от водата, втурвайки се по повърхността й като стрела. Той също прибягва до този трик, за да спаси живота си от хищници - тон и скумрия. След като е развил максимална реактивна тяга във водата, пилотният калмар излита във въздуха и лети над вълните на повече от петдесет метра. Апогеят на полета на жива ракета е толкова високо над водата, че летящите калмари често падат върху палубите на океанските кораби. Четири-пет метра не е рекордна височина, до която калмарите се издигат в небето. Понякога летят дори по-високо.

Английският изследовател на черупчести д-р Рийс описа в научна статия калмар (дълъг само 16 сантиметра), който, прелетял доста разстояние във въздуха, падна върху моста на яхтата, която се извисяваше почти седем метра над водата.

Случва се много летящи калмари да паднат на кораба в искряща каскада. Древният писател Требиус Нигер веднъж разказа тъжна история за кораб, който уж дори потънал под тежестта на летящи калмари, паднали на палубата му. Калмарите могат да излитат без ускорение.

Октоподите също могат да летят. Френският натуралист Жан Верани видя как обикновен октопод се ускори в аквариум и внезапно изскочи от водата назад. Описвайки във въздуха дъга с дължина около пет метра, той се хвърли обратно в аквариума. Набирайки скорост за скок, октоподът се движеше не само благодарение на реактивната тяга, но и гребеше с пипала.
Торбестите октоподи плуват, разбира се, по-лошо от калмарите, но в критични моменти могат да покажат рекорден клас за най-добрите спринтьори. Служителите на калифорнийския аквариум се опитаха да заснемат октопод, нападащ рак. Октоподът се втурна към плячка с такава скорост, че във филма, дори когато се снима с най-висока скорост, винаги имаше смазки. И така, хвърлянето продължи стотни от секундата! Обикновено октоподите плуват сравнително бавно. Джоузеф Сигнъл, който изучава миграцията на октоподите, изчислява, че половин метър октопод плува през морето със средна скорост от около петнадесет километра в час. Всяка струя вода, изхвърлена от фунията, я тласка напред (или по-скоро назад, тъй като октоподът плува назад) два до два метра и половина.

Реактивното движение може да се открие и в растителния свят. Например, узрелите плодове на „лудата краставица“ при най-малкото докосване отскачат от дръжката, а лепкава течност със семена се изхвърля със сила от образуваната дупка. Самата краставица лети в обратна посока до 12 m.

Познавайки закона за запазване на импулса, можете да промените собствената си скорост на движение в открито пространство. Ако сте в лодка и имате тежки камъни, тогава хвърлянето на камъни в определена посока ще ви премести в обратната посока. Същото ще се случи и в открития космос, но за това се използват реактивни двигатели.

Всеки знае, че изстрелът от пистолет е придружен от откат. Ако теглото на куршума беше равно на теглото на пистолета, те щяха да се разлетят със същата скорост. Откатът възниква, защото изхвърлената маса от газове създава реактивна сила, благодарение на която може да се осигури движение както във въздушно, така и в безвъздушно пространство. И колкото по-голяма е масата и скоростта на изтичащите газове, толкова по-голяма е силата на отката, която усеща рамото ни, толкова по-силна е реакцията на пистолета, толкова по-голяма е реактивната сила.

Използването на реактивно задвижване в технологиите

От много векове човечеството мечтае за космически полети. Писатели на научна фантастика са предложили различни средства за постигане на тази цел. През 17 век се появява разказ на френския писател Сирано дьо Бержерак за полет до Луната. Героят на тази история стигна до Луната в желязна каруца, върху която постоянно хвърляше силен магнит. Привлечена от него, каруцата се издигаше все по-високо над Земята, докато стигна до Луната. И барон Мюнхаузен каза, че се е изкачил на луната върху стръка на боб.

В края на първото хилядолетие от н. е. Китай изобретява реактивно задвижване, което задвижва ракети - бамбукови тръби, пълни с барут, те се използват и за забавление. Един от първите проекти за автомобили също беше с реактивен двигател и този проект принадлежеше на Нютон

Автор на първия в света проект на реактивен самолет, предназначен за човешки полет, е руският революционер Н.И. Кибълчич. Екзекутиран е на 3 април 1881 г. за участие в атентата срещу император Александър II. Той разработва проекта си в затвора след смъртната присъда. Кибалчич пише: „В затвора, няколко дни преди смъртта си, пиша този проект. Вярвам в осъществимостта на моята идея и тази вяра ме подкрепя в моята ужасна позиция ... Спокойно ще посрещна смъртта, знаейки, че моята идея няма да умре с мен.

Идеята за използване на ракети за космически полети е предложена в началото на нашия век от руския учен Константин Едуардович Циолковски. През 1903 г. статия на учител от Калужката гимназия К.Е. Циолковски "Изследване на световните пространства с реактивни устройства". Тази работа съдържа най-важното математическо уравнение за астронавтиката, сега известно като „формулата на Циолковски“, което описва движението на тяло с променлива маса. Впоследствие той разработи схема за ракетен двигател с течно гориво, предложи многостепенна конструкция на ракета и изрази идеята за възможността за създаване на цели космически градове в околоземна орбита. Той показа, че единственият апарат, способен да преодолее гравитацията, е ракета, т.е. апарат с реактивен двигател, използващ гориво и окислител, разположен върху самия апарат.

Въведение……………………………………………………………………………….3

1. К. Е. Циолковски - основателят на теорията за космическите полети………..4

2. Реактивен двигател………………………………………………………………..5

3. Устройството на балистична ракета………………………………………………7

3.1. Двигател на балистична ракета…………………………………………..8

3.2. Помпи…………………………………………………………………………………9

3.4. Алтернативни газови кормила………………………………………………..10

4. Стартова площадка…………………………………………………………………..11

5. Траектория на полета………………………………………………………………..12

6 . Заключение……………………………………………………………………… 13

7. Списък на използваната литература:……………………………………….14

8. Лист за оценка.……………………………………………………………..15

Въведение

Аз, ученик от 9-ти "Б" клас, Егоров Дмитрий Вячеславович, ви представям моето есе на тема: "Реактивно задвижване. Ракети. Вярвам, че човечеството винаги е мечтало да пътува в космоса. Разнообразие от средства за постигане на тази цел бяха предложени от писатели - фантасти, учени, мечтатели. Но в продължение на много векове нито един учен, нито един писател на научна фантастика не можеше да измисли единственото средство на разположение на човека, с помощта на което е възможно да се преодолее силата на гравитацията и да полети в космоса. Например, героят на историята на френския писател Сирано дьо Бержерак, написана през 17 век, стигна до Луната, като хвърли силен магнит върху желязната количка, в която беше самият той. Количката се издигаше все по-високо и по-високо над Земята, привлечена от магнита, докато стигна до Луната, барон Мюнхаузен каза, че се е изкачил на Луната по стеблото на боба.

Целмоето есе е запознаване с науката, която от своя страна все още се развива и създава по-нови модели на ракетната наука.

Темав момента е много често срещано и интересно за изучаване от студентите.

Вярвам, че резюмето наистина ще заинтересува много хора, тъй като ракетната наука е в услуга на нашата страна и също така е обща защита срещу вражески атаки.

1.K.E. Циолковски - основател на теорията за космическите полети

За първи път мечтата и стремежите на много хора за първи път могат да бъдат доближени до реалността от руския учен Константин Едуардович Циолковски (1857-1935), който показва, че единственият апарат, способен да преодолее гравитацията, е ракета, той за първи път представи научно доказателство за възможността за използване на ракета за полет в открития космос, извън земната атмосфера и до други планети от Слънчевата система. Циолковски нарича ракета апарат с реактивен двигател, който използва горивото и окислителя, разположени върху него.

2. Реактивен двигател

Реактивен двигател е двигател, способен да преобразува химическата енергия на горивото в кинетична енергия на газова струя и в същото време да набира скорост в обратна посока.

На какви принципи и физични закони се основава действието на реактивния двигател?

Както знаете от курса по физика, изстрелът от пистолет е придружен от откат. Според законите на Нютон, куршум и пистолет биха се разпръснали в различни посоки с еднаква скорост, ако имат еднаква маса. Изхвърлената маса от газове създава реактивна сила, поради която може да се осигури движение както във въздушно, така и в безвъздушно пространство, така се получава откат. Колкото по-голяма е силата на отката, която усеща рамото ни, толкова по-голяма е масата и скоростта на изтичащите газове и, следователно, колкото по-силна е реакцията на пистолета, толкова по-голяма е реактивната сила. Тези явления се обясняват със закона за запазване на импулса:

• векторната (геометрична) сума на импулсите на телата, съставляващи затворена система, остава постоянна за всякакви движения и взаимодействия на телата на системата.

Максималната скорост, която една ракета може да развие, се изчислява по формулата на Циолковски:

v max е максималната скорост на ракетата,

v 0 - начална скорост,

v r е скоростта на изтичане на газове от дюзата,

m е първоначалната маса на горивото,

M е масата на празната ракета.

Представената формула на Циолковски е основата, на която се основава цялото изчисление на съвременните ракети. Числото на Циолковски е отношението на масата на горивото към масата на ракетата в края на работата на двигателя - към теглото на празна ракета.

Така беше установено, че максималната постижима скорост на ракетата зависи преди всичко от скоростта на изтичане на газове от дюзата. А скоростта на изгорелите газове на дюзата от своя страна зависи от вида на горивото и температурата на газовата струя. Така че колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е скоростта. Тогава за истинска ракета трябва да изберете най-висококалоричното гориво, което дава най-голямо количество топлина. Формулата показва, че наред с други неща скоростта на ракетата зависи от първоначалната и крайната маса на ракетата, от това каква част от нейното тегло пада върху горивото и каква част - върху безполезни (по отношение на скоростта на полета) конструкции: тяло, механизми и др. d.

Основният извод от тази формула на Циолковски за определяне на скоростта на космическа ракета е, че в безвъздушното пространство ракетата ще развива толкова по-голяма скорост, колкото по-голяма е скоростта на изтичане на газове и колкото по-голям е броят на Циолковски.

Нека си представим най-общо съвременна ракета със свръхдалечен обсег.

Такава ракета трябва да бъде многостепенна. В челната му част е поставен боен заряд, зад него са устройствата за управление, резервоари и двигател. Стартовото тегло на ракетата надвишава теглото на полезния товар 100-200 пъти, в зависимост от горивото! По този начин една истинска ракета трябва да тежи няколкостотин тона, а на дължина трябва да достигне височината поне на десететажна сграда. Към конструкцията на ракетата се налагат редица изисквания. Така че е необходимо, например, силата на тягата да преминава през центъра на тежестта на ракетата. Ракетата може да се отклони от планирания курс или дори да започне да се върти, ако определените условия не са изпълнени.

Можете да възстановите правилния курс с помощта на кормила. В разреден въздух работят газови кормила, които отклоняват посоката на газовата струя, предложена от Циолковски. Аеродинамичните кормила работят, когато ракетата лети в плътен въздух.

3. Устройство за балистична ракета

3.1. двигател на балистична ракета

Съвременните балистични ракети се задвижват предимно от двигатели с течно гориво. Като гориво обикновено се използват керосин, алкохол, хидразин, анилин, а като окислители се използват азотна и перхлорна киселина, течен кислород и водороден пероксид. Най-активните окислители са флуорът и течният озон, но те се използват рядко поради изключителната си експлозивност.

Двигателят е най-важният елемент на ракетата. Най-важният елемент на двигателя е горивната камера и дюзата. В горивните камери, поради факта, че температурата на горене на горивото достига 2500-3500 ° C, трябва да се използват особено топлоустойчиви материали и сложни методи за охлаждане. Такива температури не могат да издържат на обикновени материали.

3. Устройство за балистична ракета

3.2. Помпи

Други единици също са много сложни. Например, помпите, които трябва да доставят окислителя и горивото към инжекторите на горивната камера, още в ракетата V-2, една от първите, бяха в състояние да изпомпват 125 kg гориво в секунда.

В някои случаи вместо конвенционалните цилиндри се използват цилиндри със сгъстен въздух или някакъв друг газ, който може да измести горивото от резервоарите и да го закара в горивната камера.

3. Устройство за балистична ракета

3.3. Алтернатива на газовите кормила

Газовите кормила трябва да бъдат направени от графит или керамика, така че те са много крехки и чупливи, така че съвременните дизайнери започват да се отказват от използването на газови кормила, като ги заменят с няколко допълнителни дюзи или завъртат най-важната дюза. Наистина, в началото на полета, при висока плътност на въздуха, скоростта на ракетата е ниска, така че кормилата се контролират лошо, а когато ракетата придобива висока скорост, плътността на въздуха е ниска.

На американската ракета, построена по проекта "Авангард", двигателят е окачен на панти и може да се отклони с 5-7 О.Мощността на всяка следваща степен и времето на нейното действие е по-малко, тъй като всяка степен на ракетата работи в напълно различни условия, които определят нейната структура и следователно конструкцията на самата ракета може да бъде по-проста.

4. Стартова площадка

Балистична ракета се изстрелва от специално изстрелващо устройство. Обикновено това е ажурна метална мачта или дори кула, близо до която ракетата се сглобява част по част с кранове. Секциите на такава кула са разположени срещу инспекционните люкове, необходими за проверка и отстраняване на грешки в оборудването. Кулата се изтегля назад, когато ракетата се зареди с гориво.

5. Маршрут на полета

Ракетата се изстрелва вертикално и след това започва бавно да се накланя и скоро описва почти строго елиптична траектория. По-голямата част от траекторията на полета на такива ракети е на височина над 1000 км над Земята, където практически няма съпротивление на въздуха. Приближавайки се до целта, атмосферата започва рязко да забавя движението на ракетата, докато нейната обвивка става много гореща и ако не се вземат мерки, ракетата може да се срути и зарядът й да експлодира преждевременно.

6. Заключение

Представеното описание на междуконтинентална балистична ракета е остаряло и съответства на нивото на развитие на науката и технологиите през 60-те години, но поради ограничения достъп до съвременни научни материали не е възможно да се даде точно описание на действието на модерна междуконтинентална балистична ракета със свръхголям обсег. Въпреки това, работата подчертава общите свойства, присъщи на всички ракети. Работата може да бъде интересна и за да се запозная с историята на разработването и използването на описаните ракети, също така ми помогна да науча повече за ракетната наука.

7. Списък на използваната литература

Дерябин В. М. Закони за запазване във физиката. – М.: Просвещение, 1982.

Гелфер Я. М. Закони за опазване. – М.: Наука, 1967.

Тяло К. Свят без форми. – М.: Мир, 1976.

Детска енциклопедия. - М .: Издателство на Академията на науките на СССР, 1959 г.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%E0%EA%E5%F2%E0

http://yandex.ru/yandsearch?text=%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0 %B5%20%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%80%D0%B0%D0%BA %D0%B5%D1%82%D1%8B&clid=2071982&lr=240

8. Лист за оценка

1. Най-лесният начин беше да се даде информация за използването на ракети, за да се разбере как и от какво се състоят, беше необходимо да се търсят в книжни материали. Работата беше лесна и забавна.

2. Аз също подкрепям такава наука като физиката. Тя обяснява много явления, а също така това е нашето бъдеще ... Резюмето се оказа отлично и всичко е в разбираема форма, което дори по-нататъшните студенти наистина ще харесат материала.

Логиката на природата е най-достъпната и най-полезна логика за децата.

Константин Дмитриевич Ушински(03/03/1823–01/03/1871) - руски учител, основател на научната педагогика в Русия.

БИОФИЗИКА: НАСЪРЧАВАНЕ НА СТРУИ В ЖИВАТА ПРИРОДА

Предлагам на читателите на зелените страници да разгледат очарователния свят на биофизикатаи се запознайте с основните принципи на реактивното задвижване в дивата природа. Днешната програма: корнерот медуза- най-голямата медуза в Черно море, миди, предприемчив ларва на водно конче, много вкусен squid с неговия ненадминат реактивен двигатели прекрасни илюстрации от съветския биолог и анималист КондаковНиколай Николаевич.

Според принципа на реактивното задвижване в дивата природа се движат редица животни, например медузи, миди, ларви на водно конче, калмари, октопод, сепия ... Нека се запознаем по-добре с някои от тях ;-)

Реактивен начин на придвижване на медуза

Медузите са едни от най-древните и многобройни хищници на нашата планета!Тялото на медузите е 98% вода и до голяма степен се състои от напоена съединителна тъкан - мезоглеяфункционира като скелет. Основата на мезоглеята е протеинът колаген. Желатиновото и прозрачно тяло на медуза е оформено като камбана или чадър (с диаметър от няколко милиметра до 2,5м). Повечето медузи се движат реактивен начинизтласкване на вода от кухината на чадъра.

Медуза Cornerota(Rhizostomae), отряд кишечнополостни от класа на сцифоидите. медуза ( до 65 смв диаметър) са лишени от крайни пипала. Ръбовете на устата са удължени в устни лобове с многобройни гънки, които растат заедно, за да образуват множество вторични устни отвори. Докосването на устните лобове може да причини болезнени изгарянияпоради действието на жилещите клетки. Около 80 вида; Те живеят предимно в тропически, по-рядко в умерени морета. В Русия - 2 вида: Rhizostoma pulmoчесто срещани в Черно и Азовско море, Ропилема асамушинамерени в Японско море.

Jet escape морски миди миди

Морски черупчести миди, обикновено лежащи тихо на дъното, когато основният им враг се приближи до тях - възхитително бавен, но изключително коварен хищник - морски звезди- рязко стиснете клапите на черупката им, изтласквайки водата от нея със сила. По този начин използвайки принцип на реактивно задвижване, те изплуват и, продължавайки да отварят и затварят черупката, могат да плуват на значително разстояние. Ако по някаква причина мидата няма време да избяга със своята реактивен полет, морската звезда го стиска с ръце, отваря черупката и яде ...

Мида(Pecten), род морски безгръбначни от клас двучерупчести (Bivalvia). Черупката на гребена е закръглена с прав шарнир. Повърхността му е покрита с радиални ребра, отклоняващи се от върха. Вентилите на черупката са затворени от един силен мускул. Pecten maximus, Flexopecten glaber живеят в Черно море; в Японско море и Охотско море - Mizuhopecten yessoensis ( до 17смв диаметър).

Rocker dragonfly джет помпа

темперамент ларви на водни кончета, или пепеляв(Aeshna sp.) не по-малко хищни от крилатите си роднини. В продължение на две, а понякога и четири години, тя живее в подводното царство, пълзи по скалистото дъно, проследява малки водни обитатели, с удоволствие включва в диетата си попови лъжички с голям калибър и пържени. В моменти на опасност ларвата на водното конче-кобилица излита и се движи напред, водена от работата на чудесен струйна помпа. Поемайки вода в задното черво и след това рязко я изхвърляйки, ларвата скача напред, водена от силата на отката. По този начин използвайки принцип на реактивно задвижване, ларвата на водното конче се крие от заплахата, която я преследва с уверени шутове и шутове.

Реактивни импулси на нервната "магистрала" на калмари

Във всички горепосочени случаи (принципи на реактивното задвижване на медузи, миди, ларви на водно конче), тласъците и тласъците са разделени един от друг със значителни интервали от време, следователно не се постига висока скорост на движение. За да увеличите скоростта на движение, с други думи, брой реактивни импулси за единица време, необходими повишена нервна проводимосткоито възбуждат мускулната контракция, обслужващ жив реактивен двигател. Такава голяма проводимост е възможна при голям диаметър на нерва.

Известно е, че калмарите имат най-големите нервни влакна в животинското царство. Те достигат средно 1 mm в диаметър - 50 пъти по-големи от повечето бозайници - и провеждат възбуждане със скорост 25 m/s. И триметров калмар dosidicus(той живее край бреговете на Чили) дебелината на нервите е фантастично голяма - 18 мм. Нерви дебели като въжета! Сигналите на мозъка - причинителите на контракциите - се втурват по нервната "магистрала" на калмарите със скоростта на кола - 90 км/ч.

Благодарение на калмарите изследванията върху жизнената активност на нервите напреднаха бързо от началото на 20 век. „И кой знае, пише британският натуралист Франк Лейн, може би сега има хора, които дължат на калмарите, че нервната им система е в нормално състояние ... "

Скоростта и маневреността на калмарите също се обяснява с отличното хидродинамични формиживотинско тяло, защо калмари и наречен "живо торпедо".

калмари(Teuthoidea), подразред главоноги от разред десетоноги. Размерът обикновено е 0,25-0,5 м, но някои видове са най-големите безгръбначни(калмари от род Architeuthis достигат 18 м, включително дължината на пипалата).
Тялото на калмарите е удължено, заострено на гърба, торпедообразно, което определя високата скорост на движението им, както във вода ( до 70 км/ч), и във въздуха (калмарите могат да изскочат от водата на височина до 7м).

Реактивен двигател Squid

Реактивно задвижване, който сега се използва в торпеда, самолети, ракети и космически снаряди, също е характерен главоноги - октопод, сепия, калмари. Най-голям интерес за техниците и биофизиците представлява калмар реактивен двигател. Обърнете внимание колко просто, с какъв минимален разход на материали природата реши тази сложна и все още ненадмината задача ;-)

По същество калмарите имат два фундаментално различни двигателя ( ориз. 1а). Когато се движи бавно, използва голяма перка с форма на диамант, периодично огъваща се под формата на пътуваща вълна по тялото. Калмарът използва реактивен двигател, за да се хвърли бързо.. Основата на този двигател е мантията - мускулна тъкан. Той обгражда тялото на мекотелото от всички страни, съставлявайки почти половината от обема на тялото му и образува един вид резервоар - мантийна кухина - "горивната камера" на жива ракетав които периодично се засмуква вода. Мантийната кухина съдържа хрилете и вътрешните органи на калмара ( ориз. 1б).

С джетов начин на плуванеживотното засмуква вода през широко отворената пукнатина на мантията в мантийната кухина от граничния слой. Пролуката на мантията е плътно „закопчана“ със специални „копчета за ръкавели с копчета“, след като „горивната камера“ на жив двигател се напълни с морска вода. Пролуката на мантията се намира близо до средата на тялото на калмара, където има най-голяма дебелина. Силата, която предизвиква движението на животното, се създава чрез изхвърляне на струя вода през тясна фуния, която се намира на коремната повърхност на калмара. Тази фуния или сифон, - "дюза" на жив реактивен двигател.

"Дюзата" на двигателя е оборудвана със специален клапани мускулите могат да го обърнат. Чрез промяна на ъгъла на монтаж на фунията-дюза ( ориз. 1в), калмарът плува еднакво добре както напред, така и назад (ако плува назад, фунията се простира по тялото, а клапата се притиска към стената му и не пречи на водната струя, изтичаща от кухината на мантията; когато калмарът трябва да се придвижи напред, свободният край на фунията донякъде се удължава и се огъва във вертикалната равнина, изходът му е сгънат и клапата заема огъната позиция). Реактивните тласъци и всмукването на вода в мантийната кухина следват едно след друго с незабележима скорост, а калмарът се носи из синевата на океана като ракета.

Калмар и неговият реактивен двигател - фигура 1

1а) калмари - живо торпедо; 1б) калмар реактивен двигател; 1c) позицията на дюзата и нейния клапан, когато калмарът се движи напред-назад.

Животното изразходва части от секундата за приемане на вода и нейното изхвърляне. Чрез засмукване на вода в кухината на мантията в задната част на тялото по време на периоди на бавно инерционно движение, калмарът изсмуква граничния слой, като по този начин предотвратява разделянето на потока по време на нестабилен поток наоколо. Чрез увеличаване на порциите изхвърлена вода и увеличаване на свиването на мантията, калмарите лесно увеличават скоростта на движение.

Реактивният двигател squid е много икономичен, за да може да достигне скоростта 70 км/ч; някои изследователи смятат, че дори 150 км/ч!

Инженерите вече са създали двигател, подобен на калмар реактивен двигател: това е водно оръдиеработещ с конвенционален бензинов или дизелов двигател. Защо калмар реактивен двигателвсе още привлича вниманието на инженерите и е обект на внимателно изследване от страна на биофизиците? За работа под вода е удобно да имате устройство, което работи без достъп до атмосферен въздух. Творческото търсене на инженерите е насочено към създаване на дизайн хидрореактивен двигател, подобен въздушна струя…

Въз основа на страхотни книги:
"Биофизика в уроците по физика"Сесилия Бунимовна Кац,
и "Примати на морето"Игор Иванович Акимушкина

Кондаков Николай Николаевич (1908–1999) – Съветски биолог, художник на животни, кандидат на биологичните науки. Основният му принос към биологичната наука са неговите рисунки на различни представители на фауната. Тези илюстрации са включени в много публикации, като напр Велика съветска енциклопедия, Червена книга на СССР, в атласи на животни и учебни помагала.

Акимушкин Игор Иванович (01.05.1929–01.01.1993) – Съветски биолог, писател - популяризатор на биологията, автор на научно-популярни книги за живота на животните. Лауреат на наградата на Всесъюзното общество "Знание". Член на Съюза на писателите на СССР. Най-известната публикация на Игор Акимушкин е книга от шест тома "животински свят".

Материалите на тази статия ще бъдат полезни не само за прилагане в уроците по физикаи биологияно и в извънкласните дейности.
Биофизичен материале изключително полезен за мобилизиране на вниманието на учениците, за превръщане на абстрактните формулировки в нещо конкретно и близко, засягащо не само интелектуалната, но и емоционалната сфера.

Литература:
§ Кац Ц.Б. Биофизика в уроците по физика

§ § Акимушкин И.И. Примати на морето
Москва: издателство "Мисъл", 1974 г
§ Тарасов Л.В. Физика в природата
Москва: издателство "Просвещение", 1988 г

Реактивното задвижване в природата и техниката

РЕЗЮМЕ ПО ФИЗИКА

Реактивно задвижване- движението, което възниква, когато част от него се отдели от тялото с определена скорост.

Реактивната сила възниква без взаимодействие с външни тела.

Приложение на реактивното задвижване в природата

Много от нас в живота си са се срещали, докато плуват в морето с медузи. Така или иначе в Черно море ги има достатъчно. Но малко хора са мислили, че медузите също използват реактивно задвижване, за да се движат. Освен това по този начин се движат ларвите на водните кончета и някои видове морски планктон. И често ефективността на морските безгръбначни при използване на реактивно задвижване е много по-висока от тази на техническите изобретения.

Реактивното задвижване се използва от много мекотели - октоподи, калмари, сепия. Например мекотелото на морски миди се движи напред поради реактивната сила на струя вода, изхвърлена от черупката по време на рязко компресиране на нейните клапи.

октопод

Сепия

Сепията, както повечето главоноги, се движи във водата по следния начин. Тя поема вода в хрилната кухина през страничен процеп и специална фуния пред тялото и след това енергично хвърля поток вода през фунията. Сепията насочва тръбата на фунията отстрани или назад и, бързо изстисквайки вода от нея, може да се движи в различни посоки.

Salpa е морско животно с прозрачно тяло, когато се движи, получава вода през предния отвор и водата навлиза в широка кухина, вътре в която хрилете са опънати диагонално. Веднага щом животното отпие голяма глътка вода, дупката се затваря. Тогава надлъжните и напречните мускули на салпата се свиват, цялото тяло се свива и водата се изтласква през задния отвор. Реакцията на изтичащата струя избутва салпата напред.

Най-голям интерес представлява реактивният двигател squid. Калмарът е най-големият безгръбначен обитател на океанските дълбини. Squids са достигнали най-високото ниво на съвършенство в реактивната навигация. Те дори имат тяло с външните си форми, което копира ракета (или по-добре ракетата копира калмар, тъй като има безспорен приоритет в случая). Когато се движи бавно, калмарът използва голяма перка с форма на диамант, която периодично се огъва. За бързо хвърляне той използва реактивен двигател. Мускулна тъкан - мантията обгражда тялото на мекотелото от всички страни, обемът на неговата кухина е почти половината от обема на тялото на калмара. Животното засмуква вода в кухината на мантията, след което рязко изхвърля струя вода през тясна дюза и се движи назад с висока скорост. В този случай всичките десет пипала на калмара се събират във възел над главата и той придобива опростена форма. Дюзата е оборудвана със специален клапан и мускулите могат да го завъртят, променяйки посоката на движение. Двигателят на калмари е много икономичен, той може да достигне скорост до 60 - 70 км / ч. (Някои изследователи смятат, че дори до 150 км / ч!) Не напразно калмарът се нарича „живо торпедо“. Огъвайки пипалата, сгънати в сноп, надясно, наляво, нагоре или надолу, калмарите се обръщат в една или друга посока. Тъй като такъв волан е много голям в сравнение със самото животно, лекото му движение е достатъчно, за да може калмарите, дори при пълна скорост, лесно да избягват сблъсък с препятствие. Рязко завъртане на волана - и плувецът се втурва в обратната посока. Сега той е огънал края на фунията назад и сега се плъзга с главата напред. Той го изви надясно и реактивната тяга го хвърли наляво. Но когато трябва да плувате бързо, фунията винаги стърчи точно между пипалата и калмарът се втурва с опашката си напред, както би тичал рак - бегач, надарен с пъргавината на кон.

Ако няма нужда да бързате, калмарите и сепията плуват, размахвайки перките си - миниатюрни вълни преминават през тях отпред назад и животното грациозно се плъзга, като от време на време се натиска и с струя вода, изхвърлена изпод мантията. Тогава отделните удари, които мекотелото получава по време на изригването на водни струи, са ясно видими. Някои главоноги могат да достигнат скорост до петдесет и пет километра в час. Изглежда никой не е правил директни измервания, но това може да се съди по скоростта и обхвата на летящите калмари. А такива, оказва се, има таланти в роднините на октоподите! Най-добрият пилот сред мекотелите е калмарът stenoteuthis. Английските моряци го наричат ​​- летящ калмар ("летящ калмар"). Това е малко животно с размерите на херинга. Той преследва риба с такава бързина, че често изскача от водата, втурвайки се по повърхността й като стрела. Той също прибягва до този трик, за да спаси живота си от хищници - тон и скумрия. След като е развил максимална реактивна тяга във водата, пилотният калмар излита във въздуха и лети над вълните на повече от петдесет метра. Апогеят на полета на жива ракета е толкова високо над водата, че летящите калмари често падат върху палубите на океанските кораби. Четири-пет метра не е рекордна височина, до която калмарите се издигат в небето. Понякога летят дори по-високо.

Английският изследовател на черупчести д-р Рийс описа в научна статия калмар (дълъг само 16 сантиметра), който, прелетял доста разстояние във въздуха, падна върху моста на яхтата, която се извисяваше почти седем метра над водата.

Случва се много летящи калмари да паднат на кораба в искряща каскада. Древният писател Требиус Нигер веднъж разказа тъжна история за кораб, който уж дори потънал под тежестта на летящи калмари, паднали на палубата му. Калмарите могат да излитат без ускорение.

Октоподите също могат да летят. Френският натуралист Жан Верани видя как обикновен октопод се ускори в аквариум и внезапно изскочи от водата назад. Описвайки във въздуха дъга с дължина около пет метра, той се хвърли обратно в аквариума. Набирайки скорост за скок, октоподът се движеше не само благодарение на реактивната тяга, но и гребеше с пипала.
Торбестите октоподи плуват, разбира се, по-лошо от калмарите, но в критични моменти могат да покажат рекорден клас за най-добрите спринтьори. Служителите на калифорнийския аквариум се опитаха да заснемат октопод, нападащ рак. Октоподът се втурна към плячка с такава скорост, че във филма, дори когато се снима с най-висока скорост, винаги имаше смазки. И така, хвърлянето продължи стотни от секундата! Обикновено октоподите плуват сравнително бавно. Джоузеф Сигнъл, който изучава миграцията на октоподите, изчислява, че половин метър октопод плува през морето със средна скорост от около петнадесет километра в час. Всяка струя вода, изхвърлена от фунията, я тласка напред (или по-скоро назад, тъй като октоподът плува назад) два до два метра и половина.

Реактивното движение може да се открие и в растителния свят. Например, узрелите плодове на „лудата краставица“ при най-малкото докосване отскачат от дръжката, а лепкава течност със семена се изхвърля със сила от образуваната дупка. Самата краставица лети в обратна посока до 12 m.

Познавайки закона за запазване на импулса, можете да промените собствената си скорост на движение в открито пространство. Ако сте в лодка и имате тежки камъни, тогава хвърлянето на камъни в определена посока ще ви премести в обратната посока. Същото ще се случи и в открития космос, но за това се използват реактивни двигатели.

Всеки знае, че изстрелът от пистолет е придружен от откат. Ако теглото на куршума беше равно на теглото на пистолета, те щяха да се разлетят със същата скорост. Откатът възниква, защото изхвърлената маса от газове създава реактивна сила, благодарение на която може да се осигури движение както във въздушно, така и в безвъздушно пространство. И колкото по-голяма е масата и скоростта на изтичащите газове, толкова по-голяма е силата на отката, която усеща рамото ни, толкова по-силна е реакцията на пистолета, толкова по-голяма е реактивната сила.

Използването на реактивно задвижване в технологиите

От много векове човечеството мечтае за космически полети. Писатели на научна фантастика са предложили различни средства за постигане на тази цел. През 17 век се появява разказ на френския писател Сирано дьо Бержерак за полет до Луната. Героят на тази история стигна до Луната в желязна каруца, върху която постоянно хвърляше силен магнит. Привлечена от него, каруцата се издигаше все по-високо над Земята, докато стигна до Луната. И барон Мюнхаузен каза, че се е изкачил на луната върху стръка на боб.

В края на първото хилядолетие от н. е. Китай изобретява реактивно задвижване, което задвижва ракети - бамбукови тръби, пълни с барут, те се използват и за забавление. Един от първите проекти за автомобили също беше с реактивен двигател и този проект принадлежеше на Нютон

Автор на първия в света проект на реактивен самолет, предназначен за човешки полет, е руският революционер Н.И. Кибълчич. Екзекутиран е на 3 април 1881 г. за участие в атентата срещу император Александър II. Той разработва проекта си в затвора след смъртната присъда. Кибалчич пише: „В затвора, няколко дни преди смъртта си, пиша този проект. Вярвам в осъществимостта на моята идея и тази вяра ме подкрепя в моята ужасна позиция ... Спокойно ще посрещна смъртта, знаейки, че моята идея няма да умре с мен.

Идеята за използване на ракети за космически полети е предложена в началото на нашия век от руския учен Константин Едуардович Циолковски. През 1903 г. статия на учител от Калужката гимназия К.Е. Циолковски "Изследване на световните пространства с реактивни устройства". Тази работа съдържа най-важното математическо уравнение за астронавтиката, сега известно като „формулата на Циолковски“, което описва движението на тяло с променлива маса. Впоследствие той разработи схема за ракетен двигател с течно гориво, предложи многостепенна конструкция на ракета и изрази идеята за възможността за създаване на цели космически градове в околоземна орбита. Той показа, че единственият апарат, способен да преодолее гравитацията, е ракета, т.е. апарат с реактивен двигател, използващ гориво и окислител, разположен върху самия апарат.

Реактивен двигател- това е двигател, който преобразува химическата енергия на горивото в кинетична енергия на газовата струя, докато двигателят придобива скорост в обратна посока.

Идеята на К. Е. Циолковски е осъществена от съветски учени под ръководството на академик Сергей Павлович Королев. Първият в историята изкуствен спътник на Земята е изстрелян с ракета в Съветския съюз на 4 октомври 1957 г.

Принципът на реактивното задвижване намира широко практическо приложение в авиацията и космонавтиката. В космоса няма среда, с която тялото да взаимодейства и по този начин да променя посоката и модула на скоростта си, поради което само реактивни самолети, т.е. ракети, могат да се използват за космически полети.

Ракетно устройство

Движението на ракетата се основава на закона за запазване на импулса. Ако в даден момент от времето тялото бъде хвърлено от ракетата, то ще придобие същия импулс, но насочен в обратна посока

Във всяка ракета, независимо от нейния дизайн, винаги има черупка и гориво с окислител. Обвивката на ракетата включва полезен товар (в този случай космически кораб), инструментално отделение и двигател (горивна камера, помпи и др.).

Основната маса на ракетата е гориво с окислител (окислителят е необходим, за да поддържа горивото да гори, тъй като в космоса няма кислород).

Горивото и окислителят се изпомпват в горивната камера. Горивото се превръща в газ с висока температура и високо налягане. Поради голямата разлика в налягането в горивната камера и в космическото пространство, газовете от горивната камера излизат в мощна струя през специално оформена камбана, наречена дюза. Целта на дюзата е да увеличи скоростта на струята.

Преди изстрелването на ракета, нейният импулс е нула. В резултат на взаимодействието на газа в горивната камера и всички други части на ракетата, газът, излизащ през дюзата, получава някакъв импулс. Тогава ракетата е затворена система и общият й импулс трябва да е равен на нула след изстрелването. Следователно обвивката на ракетата, каквото и да е в нея, получава импулс, равен по абсолютна стойност на импулса на газа, но противоположен по посока.

Най-масивната част от ракетата, предназначена да изстреля и ускори цялата ракета, се нарича първа степен. Когато първата масивна степен на многостепенна ракета изчерпи всички резерви от гориво по време на ускорението, тя се отделя. По-нататъшното ускорение продължава от втория, по-малко масивен етап и към скоростта, постигната преди това с помощта на първия етап, добавя още малко скорост и след това се разделя. Третата степен продължава да увеличава скоростта си до необходимата стойност и доставя полезния товар в орбита.

Първият човек, летял в открития космос, е гражданинът на Съветския съюз Юрий Алексеевич Гагарин. 12 април 1961 г. Той обиколи земното кълбо на сателитния кораб "Восток".

Съветските ракети първи достигнаха Луната, обиколиха Луната и снимаха невидимата й страна от Земята, първи достигнаха планетата Венера и доставиха научни инструменти на нейната повърхност. През 1986 г. два съветски космически апарата "Вега-1" и "Вега-2" изследваха от близко разстояние Халеевата комета, приближаваща се до Слънцето веднъж на 76 години.

системи. Техникафизически упражнения. Целеви резултат движениязависи не... Лечебни сили природаЛечебни сили природаимат значително въздействие ... комбинация от инерционни сили, реактивени концентрирани мускулни контракции...