Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип Д20 № 720
i

Ре­ак­тив­ное дви­же­ние

Ре­ак­тив­ным на­зы­ва­ет­ся дви­же­ние, ко­то­рое про­ис­хо­дит под дей­стви­ем силы ре­ак­ции, дей­ству­ю­щей на дви­жу­ще­е­ся тело со сто­ро­ны струи ве­ще­ства, вы­бра­сы­ва­е­мо­го из дви­га­те­ля. По­яс­нить прин­цип ре­ак­тив­но­го дви­же­ния можно на при­ме­ре дви­же­ния ра­ке­ты.

Пусть в дви­га­те­ле, уста­нов­лен­ном на ра­ке­те, про­ис­хо­дит сго­ра­ние топ­ли­ва и про­дук­ты го­ре­ния (го­ря­чие газы) под вы­со­ким дав­ле­ни­ем вы­бра­сы­ва­ют­ся из сопла дви­га­те­ля. На каж­дую пор­цию газов, вы­бро­шен­ных из сопла, со сто­ро­ны дви­га­те­ля дей­ству­ет не­ко­то­рая сила, ко­то­рая при­во­дит эту пор­цию газов в дви­же­ние. В со­от­вет­ствии с тре­тьим за­ко­ном Нью­то­на, на дви­га­тель со сто­ро­ны вы­бра­сы­ва­е­мых газов дей­ству­ет сила, такая же по мо­ду­лю и про­ти­во­по­лож­ная по на­прав­ле­нию. Эта сила на­зы­ва­ет­ся ре­ак­тив­ной. Под ее дей­стви­ем ра­ке­та при­об­ре­та­ет уско­ре­ние и раз­го­ня­ет­ся в на­прав­ле­нии, про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нию вы­бра­сы­ва­ния газов. Мо­дуль F ре­ак­тив­ной силы может быть вы­чис­лен при по­мо­щи про­стой фор­му­лы:

F = \mu u,

где u  — мо­дуль ско­ро­сти ис­те­че­ния газов из сопла дви­га­те­ля от­но­си­тель­но ра­ке­ты, а μ  — ско­рость рас­хо­да топ­ли­ва (масса ве­ще­ства, вы­бра­сы­ва­е­мо­го дви­га­те­лем в еди­ни­цу вре­ме­ни, из­ме­ря­ет­ся в кг/с). На­прав­ле­на ре­ак­тив­ная сила все­гда в на­прав­ле­нии, про­ти­во­по­лож­ном на­прав­ле­нию ис­те­че­ния га­зо­вой струи. Ре­ак­тив­ное дви­же­ние также можно объ­яс­нить и при по­мо­щи за­ко­на со­хра­не­ния им­пуль­са.

Прин­цип ре­ак­тив­но­го дви­же­ния ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в тех­ни­ке. По­ми­мо ракет ре­ак­тив­ные дви­га­те­ли при­во­дят в дви­же­ние са­мо­ле­ты и вод­ные ка­те­ра. На ос­но­ва­нии этого прин­ци­па кон­стру­и­ру­ют раз­лич­ные при­спо­соб­ле­ния  — по­ли­валь­ные устрой­ства с вер­туш­ка­ми, на­зы­ва­е­мы­ми «се­гне­ро­вым» ко­ле­сом, иг­руш­ки и т. п. Ре­ак­тив­ное дви­же­ние встре­ча­ет­ся и в живой при­ро­де. Не­ко­то­рые мор­ские ор­га­низ­мы (каль­ма­ры, ка­ра­ка­ти­цы) дви­га­ют­ся, вы­бра­сы­вая пред­ва­ри­тель­но за­со­сан­ные внутрь себя пор­ции воды. В ка­че­стве лю­бо­пыт­но­го при­ме­ра из мира рас­те­ний можно при­ве­сти так на­зы­ва­е­мый «бе­ше­ный огу­рец». После со­зре­ва­ния семян из плода этого рас­те­ния под боль­шим дав­ле­ни­ем вы­бра­сы­ва­ет­ся жид­кость, в ре­зуль­та­те чего огу­рец от­ле­та­ет на не­ко­то­рое рас­сто­я­ние от места сво­е­го про­из­рас­та­ния.

При ре­ак­тив­ном дви­же­нии ра­ке­ты ее масса не­пре­рыв­но умень­ша­ет­ся из-за сго­ра­ния топ­ли­ва и вы­бра­сы­ва­ния на­ру­жу про­дук­тов сго­ра­ния. По этой при­чи­не мо­дуль уско­ре­ния ра­ке­ты все время из­ме­ня­ет­ся, а ско­рость ра­ке­ты не­ли­ней­но за­ви­сит от массы сго­рев­ше­го топ­ли­ва. Впер­вые за­да­ча об отыс­ка­нии мо­ду­ля ко­неч­ной ско­ро­сти v ра­ке­ты, масса ко­то­рой из­ме­ни­лась от зна­че­ния m0 до ве­ли­чи­ны m, была ре­ше­на рус­ским уче­ным, пи­о­не­ром кос­мо­нав­ти­ки К. Э. Циол­ков­ским. Гра­фик за­ви­си­мо­сти, ил­лю­стри­ру­ю­щей по­лу­чен­ную им фор­му­лу, по­ка­зан на ри­сун­ке.

Из гра­фи­ка видно, что по­лу­чен­ная Циол­ков­ским за­ко­но­мер­ность может быть крат­ко сфор­му­ли­ро­ва­на сле­ду­ю­щим об­ра­зом: если ско­рость ис­те­че­ния газов из сопла дви­га­те­ля по­сто­ян­на, то при умень­ше­нии массы ра­ке­ты в гео­мет­ри­че­ской про­грес­сии мо­дуль ско­ро­сти ра­ке­ты воз­рас­та­ет в ариф­ме­ти­че­ской про­грес­сии. Иными сло­ва­ми, если при умень­ше­нии массы ра­ке­ты в 2 раза  левая круг­лая скоб­ка дробь: чис­ли­тель: m_0, зна­ме­на­тель: m конец дроби =2 пра­вая круг­лая скоб­ка мо­дуль ско­ро­сти ра­ке­ты уве­ли­чи­ва­ет­ся на 1 км/с, то при умень­ше­нии массы ра­ке­ты в 4 раза  левая круг­лая скоб­ка дробь: чис­ли­тель: m_0, зна­ме­на­тель: m конец дроби =4 пра­вая круг­лая скоб­ка мо­дуль ско­ро­сти ра­ке­ты воз­рас­тет еще на 1 км/с. Из-за такой за­ко­но­мер­но­сти раз­гон ра­ке­ты до вы­со­кой ско­ро­сти тре­бу­ет очень боль­шо­го рас­хо­да топ­ли­ва.

Ра­ке­та на­чаль­ной мас­сой 800 т, стар­то­вав из не­по­движ­но­го по­ло­же­ния, со­жгла по­ло­ви­ну топ­ли­ва, в ре­зуль­та­те чего ею была до­стиг­ну­та ско­рость 2,5 км/с. Чему будет равна масса ра­ке­ты в мо­мент, когда ее ско­рость до­стиг­нет зна­че­ния 7,5 км/с?

 

1)  400 т

2)  300 т

3)  200 т

4)  100 т

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

В по­след­нем аб­за­це тек­ста ска­за­но, что если при умень­ше­нии массы ра­ке­ты в 2 раза мо­дуль ско­ро­сти ра­ке­ты уве­ли­чи­ва­ет­ся на 1 км/с, то при умень­ше­нии массы ра­ке­ты в 4 раза мо­дуль ско­ро­сти ра­ке­ты воз­рас­тет еще на 1 км/с. Ана­ло­гич­но рас­суж­да­ем в дан­ной за­да­че: умень­ше­ние массы ра­ке­ты в 2 раза при­во­дит к уве­ли­че­нию мо­ду­ля ско­ро­сти ра­ке­ты на 2,5 км/с. Ско­рость уве­ли­чи­лась в три раза, сле­до­ва­тель­но, масса ра­ке­ты умень­ши­лась в 23 = 8 раз. Окон­ча­тель­но по­лу­ча­ем, что ко­неч­ная масса ра­ке­ты стала 100 т.

 

Пра­виль­ный ответ ука­зан под но­ме­ром 4.

 

При­ме­ча­ние.

Во­об­ще го­во­ря, масса ра­ке­ты не равна массе топ­ли­ва, но ав­то­ры за­да­чи, по всей ви­ди­мо­сти, счи­та­ют, что в дан­ном слу­чае этим раз­ли­чи­ем можно пре­не­бречь.

Раздел кодификатора ФИПИ: 1.15 Закон со­хра­не­ния им­пуль­са для за­мкну­той си­сте­мы тел.
1
Тип 18 № 725
i

Ра­кет­ный дви­га­тель вы­бра­сы­ва­ет из сопла газы со ско­ро­стью 3 км/с от­но­си­тель­но ра­ке­ты. Можно ли при по­мо­щи этого дви­га­те­ля разо­гнать ра­ке­ту до ско­ро­сти 8 км/с от­но­си­тель­но стар­то­во­го стола? Ответ по­яс­ни­те.


Аналоги к заданию № 725: 2214 Все


2
Тип Д19 № 719
i

Мо­дуль ре­ак­тив­ной силы за­ви­сит

 

1)  толь­ко от ско­ро­сти ис­те­че­ния газов из сопла дви­га­те­ля

2)  толь­ко от ско­ро­сти рас­хо­да топ­ли­ва

3)  от ско­ро­сти ис­те­че­ния газов из сопла дви­га­те­ля и от ско­ро­сти рас­хо­да топ­ли­ва

4)  от на­прав­ле­ния ис­те­че­ния га­зо­вой струи из сопла дви­га­те­ля


3
Тип Д22 № 14498
i

Вы­бе­ри­те два вер­ных утвер­жде­ния, ко­то­рые со­от­вет­ству­ют со­дер­жа­нию тек­ста. За­пи­ши­те в ответ их но­ме­ра.

 

1.  Мо­дуль ре­ак­тив­ной силы за­ви­сит толь­ко от ско­ро­сти рас­хо­да топ­ли­ва.

2.  Мо­дуль ре­ак­тив­ной силы за­ви­сит от ско­ро­сти ис­те­че­ния газов из сопла дви­га­те­ля и от ско­ро­сти рас­хо­да топ­ли­ва.

3.  Ра­ке­та на­чаль­ной мас­сой 800 т, стар­то­вав из не­по­движ­но­го по­ло­же­ния, со­жгла по­ло­ви­ну топ­ли­ва, в ре­зуль­та­те чего ею была до­стиг­ну­та ско­рость 2,5 км/с. Когда ее ско­рость до­стиг­нет зна­че­ния 7,5 км/с ее масса будет равна 300 т.

4.  Ра­ке­та на­чаль­ной мас­сой 800 т, стар­то­вав из не­по­движ­но­го по­ло­же­ния, со­жгла по­ло­ви­ну топ­ли­ва, в ре­зуль­та­те чего ею была до­стиг­ну­та ско­рость 2,5 км/с. Когда ее ско­рость до­стиг­нет зна­че­ния 7,5 км/с ее масса будет равна 200 т.

5.  Ра­ке­та на­чаль­ной мас­сой 800 т, стар­то­вав из не­по­движ­но­го по­ло­же­ния, со­жгла по­ло­ви­ну топ­ли­ва, в ре­зуль­та­те чего ею была до­стиг­ну­та ско­рость 2,5 км/с. Когда ее ско­рость до­стиг­нет зна­че­ния 7,5 км/с ее масса будет равна 100 т.