Ruch reaktywny w inżynierii i przyrodzie - przykłady

Dla większości ludzi pojęcie "ruch reaktywny" reprezentowane jest w postaci współczesnego postępu w nauce i technice, zwłaszcza w dziedzinie fizyki. Napęd odrzutowy w technologii jest ona kojarzona przez wiele ze statkami kosmicznymi, satelitami i samolotami odrzutowymi. Okazuje się, że zjawisko napędu odrzutowego istniało dużo wcześniej niż sam człowiek i niezależnie od niego. Ludzie tylko potrafili zrozumieć, używać i rozwijać to, co podlega prawom natury i wszechświata.

Co to jest napęd odrzutowy?

W języku angielskim słowo "jet" brzmi jak "jet". Przez to rozumie się ruch ciała, który powstaje w procesie oddzielania od niego części z pewną prędkością. Istnieje siła, która porusza ciało w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu, oddzielając od niego część. Za każdym razem, gdy materia jest wyciągnięta z obiektu, a obiekt porusza się w przeciwnym kierunku, obserwuje się ruch reaktywny. Aby podnosić obiekty w powietrzu, inżynierowie muszą zaprojektować mocną instalację odrzutową. Uwalniając strumienie ognia, silniki rakietowe podnoszą go na orbitę. Czasami rakiety uruchamiają satelity i sondy kosmiczne.

Jeśli chodzi o samoloty i samoloty wojskowe, zasada ich pracy przypomina nieco start rakiety: ciało fizyczne reaguje na potężny strumień wyrzucanego gazu, w wyniku czego porusza się w przeciwnym kierunku. Jest to podstawowa zasada działania samolotów odrzutowych.

Prawa Newtona w ruchu odrzutowym

Inżynierowie opierają swój rozwój na zasadach tworzenia wszechświata, po raz pierwszy opisanych szczegółowo w pracach wybitnego brytyjskiego naukowca Isaaca Newtona, który żył pod koniec XVII wieku. Prawa Newtona opisują mechanizmy grawitacji i mówią nam, co dzieje się, gdy poruszają się przedmioty. Szczególnie wyraźnie wyjaśniają ruch ciał w przestrzeni.

Drugie prawo Newtona określa, że ​​siła poruszającego się obiektu zależy od tego, ile materii zawiera, innymi słowy, jego masy i zmian prędkości ruchu (przyspieszenia). Aby stworzyć potężną rakietę, konieczne jest, aby stale wydzielała dużą ilość energii o dużej prędkości. Trzecie prawo Newtona mówi, że za każde działanie będzie równa siła, ale przeciwną reakcją jest opozycja. Silniki odrzutowe w naturze i technologii przestrzegaj tych praw. W przypadku rakiety siła działania jest materią, która wylatuje z rury wydechowej. Opozycją jest popychanie rakiety do przodu. Jest to siła emisji z niego popycha rakietę. W kosmosie, gdzie rakieta prawie nie ma ciężaru, nawet lekkie pchnięcie od silników rakietowych może spowodować szybki szybki lot do dużego statku.

Technika z napędem odrzutowym

Fizyka ruchu reaktywnego polega na tym, że przyspieszenie lub spowolnienie ciała następuje bez wpływu otaczających ciał. Proces odbywa się z powodu oddzielenia części systemu.

Przykładami napędu odrzutowego w technologii są:

1. zjawisko odrzutu ze strzału;
2. eksplozje;
3. awarie podczas wypadków;
4. Odrzut podczas używania potężnego działa;
5. łódź z silnikiem odrzutowym;
6. samolot odrzutowy i rakieta.

Ciała tworzą zamknięty system, jeśli współdziałają tylko ze sobą. Taka interakcja może prowadzić do zmiany stanu mechanicznego ciał tworzących układ.

Jaki jest efekt prawa zachowania pędu?

Po raz pierwszy ustawa ta została ogłoszona przez francuskiego filozofa i fizyka R. Descartesa. Kiedy dwa lub więcej ciał oddziałują, powstaje między nimi zamknięty układ. Podczas ruchu każde ciało ma swój własny impuls. Jest to masa ciała pomnożona przez prędkość. Całkowity impuls systemu jest równy sumie wektorowej impulsów ciał w nim. Impuls każdego z ciał wewnątrz układu zmienia się z powodu wzajemnego oddziaływania. Całkowity impuls ciał w zamkniętym układzie pozostaje niezmieniony podczas różnych ruchów i interakcji ciał. Takie jest prawo zachowania pędu.

Przykładami działania tego prawa są wszelkie kolizje ciał (kule bilardowe, samochody, cząstki elementarne), a także pęknięcia ciała i strzelanie. Kiedy broń jest wystrzeliwana, następuje odrzut: pocisk pędzi do przodu, a sama broń odsuwa się. Dlaczego tak się dzieje? Kula i broń tworzą między sobą zamknięty system, w którym działa prawo zachowania pędu. Podczas strzelania zmieniają się pulsy samej broni i kula. Ale całkowity impuls broni i kuli w nim przed strzałem będzie równy całkowitemu impulsowi odrzuconej broni i wystrzelonej kuli po strzelaninie. Gdyby kula i działo miały tę samą masę, rozleciałyby się w przeciwnych kierunkach z tą samą prędkością.

Prawo zachowania pędu ma szerokie zastosowanie praktyczne. Pozwala wyjaśnić napęd odrzutowy, dzięki któremu osiąga się najwyższe prędkości.

Ruch reaktywny w fizyce

Najbardziej uderzającym przykładem prawa zachowania pędu jest ruch odrzutowy rakiety. Najważniejszą częścią silnika jest komora spalania. W jednej ze ścian znajduje się dysza, dostosowana do uwalniania gazu występującego podczas spalania paliwa. Pod działaniem wysokiej temperatury i ciśnienia gazu z dużą prędkością z dyszy silnika. Przed wystrzeleniem rakiety jego pęd względem Ziemi wynosi zero. W momencie wystrzelenia rakieta otrzymuje również impuls, który jest równy impulsowi gazu, ale przeciwnie do kierunku.

Przykład fizyki napędu odrzutowego widać wszędzie. Podczas przyjęcia urodzinowego balon może stać się rakietą. W jaki sposób? Napełnij balon przez zaciśnięcie otwartego otworu, aby powietrze nie wydostało się z niego. A teraz pozwól mu odejść. Balon z wielką prędkością przejedzie po pokoju, napędzany lecącym z niego powietrzem.

Historia napędu odrzutowego

Historia silników odrzutowych rozpoczęła się już w 120 rpne, kiedy to Heron z Aleksandrii zaprojektował pierwszy silnik odrzutowy, eolipil. Woda wlewa się do metalowej kuli, którą ogrzewa się ogniem. Para, która ucieka z tej kulki, obraca ją. To urządzenie pokazuje napęd odrzutowy. Kapłani silnika Gerony z powodzeniem używali do otwierania i zamykania drzwi świątyni. Modyfikacja eolipilu - koło Segnera, które jest skutecznie wykorzystywane w naszych czasach do nawadniania gruntów rolnych. W XVI wieku Jovani Branca wprowadził na świat pierwszą turbinę parową, która pracowała na zasadzie napędu odrzutowego. Isaac Newton zaproponował jeden z pierwszych projektów samochodów parowych.

Pierwsze próby użycia napędu odrzutowego w technologii do poruszania się po Ziemi należą do 15-17 wieków. 1000 lat temu Chińczycy mieli pociski, które były używane jako broń wojskowa. Na przykład w 1232 roku, zgodnie z kroniką, w wojnie z Mongołami użyli strzał, wyposażonych w pociski.

Pierwsze próby budowy odrzutowca rozpoczęły się w 1910 roku. Jako podstawę przyjęto badania rakietowe z ostatnich stuleci, w których szczegółowo opisano zastosowanie przyspieszaczy proszkowych, które mogą znacznie zmniejszyć dopalacz i długość startu. Głównym projektantem był rumuński inżynier Henri Coanda, który zbudował samolot oparty na silniku tłokowym. Pionierem napędu odrzutowego w tej technice można słusznie nazwać inżyniera z Anglii - Franka Whitle'a, który zaproponował pierwsze pomysły na stworzenie silnika odrzutowego i otrzymał pod koniec XIX wieku swój patent.

Pierwsze silniki odrzutowe

Po raz pierwszy rozwój silnika odrzutowego w Rosji rozpoczął się na początku XX wieku. Teorię ruchu aparatu odrzutowego i technologii rakietowej zdolnej do rozwoju prędkości naddźwiękowych poprowadził znany rosyjski naukowiec K. E. Ciołkowski. Utalentowanemu projektantowi A. M. Lyulce udało się ożywić ten pomysł. To on stworzył projekt pierwszego w samolocie odrzutowym ZSRR działającym przy pomocy turbiny odrzutowej. Pierwszy samolot odrzutowy został stworzony przez niemieckich inżynierów. Tworzenie projektów i produkcji odbywało się potajemnie w ukrytych fabrykach. Hitler, ze swoim pomysłem na zostanie władcą światowym, połączył najlepszych niemieckich projektantów, aby produkować najpotężniejszą broń, w tym samoloty o dużej prędkości. Najbardziej udanym z nich był pierwszy niemiecki odrzutowiec Messerschmitt-262. To samolot Stał się pierwszym na świecie, który z powodzeniem zniosł wszystkie testy, swobodnie wzniósł się w powietrze i po tym zaczął masowo produkować.

Samolot miał następujące cechy:

• Urządzenie miało dwa silniki turboodrzutowe.
• Radar znajdował się na dziobie.
• Maksymalna prędkość samolotu osiągnęła 900 km / h.

Dzięki tym wszystkim wskaźnikom i cechom konstrukcyjnym pierwszy odrzutowiec Messerschmitt-262 był potężną bronią w walce z innymi samolotami.

Prototypy nowoczesnych samolotów

W okresie powojennym rosyjscy projektanci stworzyli samoloty odrzutowe, które później stały się prototypami nowoczesnych samolotów.

I-250, lepiej znany jako legendarny MiG-13, jest wojownikiem, nad którym pracowała AI Mikoyan. Pierwszy lot odbył się wiosną 1945 roku, w tym czasie myśliwiec wykazał rekordową prędkość, która osiągnęła 820 km / h. Uruchomiono samoloty odrzutowe MiG-9 i Yak-15.

W kwietniu 1945 roku, po raz pierwszy, P.O. Suchoj - Su-5 wzleciał w niebo, wznosząc się i lecąc ze względu na powietrzny silnik-sprężarkę i silnik tłokowy umieszczony w tylnej części konstrukcji.

Po zakończeniu wojny i kapitulacji faszystowskich Niemiec, Związek Radziecki wziął niemieckie samoloty z JUMO-004 i BMW-003 jako trofea.

Pierwsze światowe prototypy

Nie tylko niemieccy i radzieccy projektanci byli zaangażowani w rozwój, testowanie nowych samolotów i ich produkcję. Inżynierowie z USA, Włoch, Japonii i Wielkiej Brytanii stworzyli także kilka udanych projektów, wykorzystując napęd odrzutowy w inżynierii. Wśród pierwszych osiągnięć z różnymi typami silników są:

• Not-178 - niemiecka elektrownia atomowa, podnoszona do góry w sierpniu 1939 r.
• GlosterE. 28/39 - samolot pochodzący z Wielkiej Brytanii, z silnikiem turboodrzutowym, po raz pierwszy wystrzelił w niebo w 1941 roku.
• Not-176 - myśliwiec stworzony w Niemczech przy użyciu silnika rakietowego, odbył swój pierwszy lot w lipcu 1939 roku.
• BI-2 - pierwszy radziecki samolot, który został wprawiony w ruch przez elektrownię rakietową.
• CampiniN.1 - samolot odrzutowy stworzony we Włoszech, który stał się pierwszą próbą odejścia włoskich projektantów od tłokowego odpowiednika.
• Yokosuka MXY7 Ohka ("Oka") z silnikiem Tsu-11 to japoński bombowiec myśliwski, tak zwany jednorazowy samolot z pilotem kamikaze na pokładzie.

Zastosowanie napędu odrzutowego dało ostry impuls do szybkiego stworzenia następujących samolotów odrzutowych i dalszego rozwoju wojskowych i cywilnych samolotów.

1. GlosterMeteor - myśliwiec lotniczy, wyprodukowany w Wielkiej Brytanii w 1943 r., Odegrał znaczącą rolę w drugiej wojnie światowej, a po jego zakończeniu wykonał zadanie przechwytujących niemieckich pocisków V-1.
2. LockheedF-80 to samolot odrzutowy wyprodukowany w USA z silnikiem AllisonJ. Samoloty te niejednokrotnie uczestniczyły w wojnie japońsko-koreańskiej.
3. B-45 Tornado to prototyp nowoczesnych amerykańskich bombowców B-52, stworzonych w 1947 roku.
4. MiG-15 - wyznawca uznanego myśliwca odrzutowego MiG-9, który aktywnie uczestniczył w konflikcie zbrojnym w Korei, został wyprodukowany w grudniu 1947 r.
5. Tu-144 to pierwszy radziecki naddźwiękowy samolot pasażerski.

Nowoczesny aparat odrzutowy

Każdego roku samoloty poprawiają się, ponieważ projektanci z całego świata pracują nad stworzeniem pojazdów nowej generacji zdolnych do latania z prędkością dźwięku i prędkościami naddźwiękowymi. Teraz są tu wkłady, które mogą pomieścić dużą liczbę pasażerów i ładunków, o ogromnych rozmiarach i niewyobrażalnej prędkości ponad 3000 km / h, wojskowe samoloty wyposażone w nowoczesny sprzęt bojowy.

Ale wśród tej odmiany znajduje się kilka projektów uchwytów odrzutowych:

1. Airbus A380 jest najbardziej pojemnym urządzeniem mogącym pomieścić na pokładzie 853 pasażerów, wyposażonych w podwójną konstrukcję pokładową. Jest także jednym z najbardziej luksusowych i drogich samolotów naszych czasów. Największy pasażerski liniowiec w powietrzu.
2. Boeing 747 - ponad 35 lat uważany był za najbardziej pojemny dwupiętrowy liniowiec i mógł pomieścić 524 pasażerów.
3. AN-225 "Mriya" - samolot transportowy, który może pochwalić się ładownością 250 ton.
4. LockheedSR-71 to samolot odrzutowy osiągający prędkość 3529 km / h podczas lotu.

Badania lotnicze nie stoją w miejscu, ponieważ samoloty odrzutowe są podstawą dynamicznie rozwijającego się nowoczesnego lotnictwa. Obecnie projektuje się kilka zachodnich i rosyjskich załogowych, pasażerskich, bezzałogowych samolotów z silnikami odrzutowymi, których wydanie planowane jest na najbliższe kilka lat.

Rosyjskie innowacyjne rozwiązania przyszłości obejmują myśliwca piątej generacji PAK FA-T-50, którego pierwsze egzemplarze trafią do oddziałów rzekomo pod koniec 2017 lub na początku 2018 roku po przetestowaniu nowego silnika odrzutowego.

Natura jest przykładem napędu odrzutowego.

Reaktywna zasada ruchu została pierwotnie zasugerowana przez samą naturę. Jego działanie wykorzystuje niektóre larwy. gatunki ważek, meduzy, wiele mięczaków - przegrzebki, mątwy, ośmiornice, kalmary. Stosują rodzaj "zasady odpychania". Mątwy czerpią wodę i wyrzucają ją tak szybko, że same wykonują skok do przodu. Kalmary, używając tej metody, mogą osiągać prędkość do 70 kilometrów na godzinę. Dlatego ta metoda transportu pozwoliła nazwać kalmary "rakietami biologicznymi". Inżynierowie już wynaleźli silnik, który działa na zasadzie ruchów kałamarnicy. Jednym z przykładów użycia napędu odrzutowego w przyrodzie i technologii jest odrzutowiec.

Jest to urządzenie, które zapewnia ruch przez moc wody odprowadzanej pod silnym naciskiem. Do urządzenia woda jest pompowana do komory, a następnie wyprowadzana z niej przez dyszę, a naczynie porusza się w kierunku przeciwnym do wylotu strumienia. Woda jest zasysana z silnikiem pracującym na oleju napędowym lub benzynie.

Przykłady napędu odrzutowego oferują nam i świat roślin. Są wśród nich gatunki, które wykorzystują taki ruch do rozprzestrzeniania się nasion, na przykład szaleńczego ogórka. Tylko na zewnątrz ta roślina jest dla nas jak zwykłe ogórki. I charakterystyczny "szalony", jaki otrzymał ze względu na dziwną metodę reprodukcji. Dojrzewa, owoce odbijają się od łodygi. W wyniku tego otwiera się otwór, przez który ogórek strzela z substancją zawierającą nasiona odpowiednie do kiełkowania z wykorzystaniem reaktywności. Ogórek w tym samym czasie odbija się do dwunastu metrów w kierunku przeciwnym do strzału.

Manifestacja w naturze i technika napędu odrzutowego podlegają tym samym prawom wszechświata. Ludzkość coraz częściej używa tych praw, aby osiągnąć swoje cele nie tylko w atmosferze Ziemi, ale także w ogromnej przestrzeni kosmicznej, a napęd odrzutowy jest żywym przykładem.