Реактивний рух в техніці і природі

Для більшості людей термін «реактивний рух» подається у вигляді сучасного прогресу в науці і техніці, особливо в області фізики. Реактивний рух в техніці асоціюється у багатьох з космічними кораблями, супутниками і реактивної авіатехнікою. Виявляється, явище реактивного руху існувало набагато раніше, ніж сама людина, і незалежно від нього. Люди лише зуміли зрозуміти, скористатися і розвинути те, що відповідає законам природи і світобудови.

Що таке реактивний рух?

Англійською мовою слово «реактивний» звучить як «jet». Під ним мається на увазі рух тіла, яке утворюється в процесі відокремлення від неї частини з певною швидкістю. Проявляється сила, яка рухає тіло у зворотний бік від напрямку руху, відокремлюючи від нього частину. Кожен раз, коли матерія виривається з предмету, а предмет при цьому рухається у зворотному напрямку, спостерігається реактивне рух. Для того щоб піднімати предмети в повітря, інженери повинні спроектувати потужну реактивну установку. Випускаючи струмені полум’я, двигуни ракети піднімають її на орбіту Землі. Іноді ракети запускають супутники і космічні зонди.

Що стосується авіалайнерів і військових літаків, то принцип їх роботи чимось нагадує зліт ракети: фізичне тіло реагує на выбрасываемую потужний струмінь газу, в результаті чого воно рухається в протилежну сторону. Це і є основний принцип роботи реактивних літаків.

Закони Ньютона в реактивному русі

Інженери засновують свої розробки на принципах пристрої світобудови, вперше докладно описаних в роботах видатного британського вченого Ісаака Ньютона, який жив в кінці 17 століття. Закони Ньютона описують механізми гравітації і розповідають нам про те, що відбувається, коли предмети рухаються. Вони особливо чітко пояснюють рух тіл в просторі.

Другий закон Ньютона визначає, що сила рухомого предмета залежить від того, скільки матерії він вміщує, іншими словами, його маси і зміни швидкості руху (прискорення). Отже, щоб створити потужну ракету, необхідно, щоб вона постійно випускала велику кількість високошвидкісний енергії. Третій закон Ньютона говорить про те, що на кожну дію буде рівна по силі, але протилежна реакція – протидія. Реактивні двигуни в природі і техніці підкоряються цим законам. У випадку з ракетою сила дії – матерія, яка вилітає з вихлопної труби. Протидією є поштовх ракети вперед. Саме сила викидів з неї штовхає ракету. В космосі, де ракета практично не має ваги, навіть незначний поштовх від ракетних двигунів здатний змусити великий корабель швидко летіти вперед.

Техніка, що використовує реактивний рух

Фізика реактивного руху полягає в тому, що прискорення або гальмування тіла відбувається без впливу оточуючих тел. Процес відбувається внаслідок відокремлення частини системи.

Приклади реактивного руху в техніці – це:

явище віддачі від пострілу;
вибухи;
удари під час аварій;
віддача при використанні потужного брандспойта;
катер з водометним рушієм;
реактивний літак і ракета.

Тіла створюють закриту систему, якщо вони взаємодіють лише один з одним. Така взаємодія може призвести до зміни механічного стану тіл, що утворюють систему.

В чому полягає дія закону збереження імпульсу?

Вперше цей закон був оприлюднений французьким філософом і фізиком Р. Декартом. При взаємодії двох або більше тіл утворюється між ними замкнута система. Будь-яке тіло при русі має своїм імпульсом. Це маса тіла, помножена на його швидкість. Загальний імпульс системи дорівнює векторній сумі імпульсів тіл, що знаходяться в ній. Імпульс будь-якого з тіл усередині системи змінюється внаслідок їх взаємного впливу. Загальний імпульс тіл, що знаходяться у замкнутій системі, залишається незмінним при різних переміщеннях і взаємодіях тел. У цьому полягає закон збереження імпульсу.

Прикладами дії цього закону можуть бути будь-які зіткнення тіл (більярдних куль, автомобілів, елементарних частинок), а також розриви тіл і стрілянина. При пострілі з зброї відбувається віддача: снаряд мчить вперед, а сама зброя відштовхується назад. Із-за чого це відбувається? Куля і зброю формують між собою замкнену систему, де працює закон збереження імпульсу. При стрільбі імпульси самого зброї і кулі змінюються. Але сумарний імпульс зброї і знаходиться в ньому кулі перед пострілом буде дорівнює сумарному імпульсу откатывающегося зброї і випущеної кулі після стрілянини. Якби куля й рушниця мали однакову масу, вони б розлетілись в протилежні боки з однаковою швидкістю.

Закон збереження імпульсу має широке практичне застосування. Він дозволяє пояснити реактивний рух, завдяки якому досягаються найвищі швидкості.

Реактивний рух у фізиці

Найяскравішим зразком закону збереження імпульсу служить реактивне рух, здійснюване ракетою. Найважливішою частиною двигуна виступає камера згорання. В одній з її стінок знаходиться реактивне сопло, пристосоване для випуску газу, що виникають при спалюванні палива. Під дією високої температури і тиску газу на величезній швидкості виходить з сопла двигуна. Перед стартом ракети її імпульс відносно Землі дорівнює нулю. У момент запуску ракета також отримує імпульс, який дорівнює імпульсу газу, але протилежну за напрямом.

Приклад фізики реактивного руху можна побачити скрізь. Під час святкування дня народження повітряна кулька цілком може стати ракетою. Яким чином? Надуйте повітряна куля, затискаючи відкритий отвір, щоб повітря не виходив з нього. Тепер відпустіть його. Повітряна куля з величезною швидкістю буде ганяти по кімнаті, підганяли повітрям, що вилітають з нього.

Історія реактивного руху

Історія реактивних двигунів почалася ще за 120 років до н. е.., коли Герон Олександрійський сконструював перший реактивний двигун – еоліпіл. В металевий кулю наливають воду, яка нагрівається вогнем. Пар, який виривається з цієї кулі, обертає її. Це пристрій показує реактивний рух. Двигун Герона жерці успішно застосовували для відкривання і закривання дверей храму. Модифікація еоліпіла – Сегнерово колесо, яке ефективно використовується в наш час для поливу сільськогосподарських угідь. У 16-му столітті Джовані Бранка представив світові першу парову турбіну, яка працювала на принципі реактивного руху. Ісаак Ньютон запропонував один з перших проектів парового автомобіля.

Перші спроби використання реактивного руху в техніці для переміщення по землі відносять до 15-17 столетиям. Ще 1000 років тому китайці мали ракети, які використовували як військову зброю. Наприклад, в 1232 році, згідно хроніці, в війні з монголами вони використовували стріли, обладнані ракетами.

Перші спроби побудови реактивного літака почалися ще в 1910 році. За основу були взяті ракетні дослідження минулих століть, де докладно розповідалося про використання порохових прискорювачів, здатних істотно скоротити довжину форсажу з розбігу. Головним конструктором став румунський інженер Анрі Коанда, що збудував літальний апарат, що працює на основі поршневого двигуна. Першовідкривачем реактивного руху в техніці по праву можна назвати інженера з Англії – Френка Уитла, який запропонував перші ідеї щодо створення реактивного двигуна і отримав на них свій патент в кінці XIX століття.

Перші реактивні двигуни

Вперше розробкою реактивного двигуна в Росії зайнялися на початку 20 століття. Теорію руху реактивних апаратів і ракетної техніки, здатних розвинути надзвукову швидкість, висунув відомий російський вчений К. Е. Ціолковський. Втілити цю задумку в життя вдалося талановитому конструктору А. М. Люльці. Саме він створив проект першого в СРСР реактивного літака, що працює з допомогою реактивної турбіни. Перші реактивні літаки були створені німецькими інженерами. Створення проектів та виробництво проводилися таємно на замаскованих заводах. Гітлер зі своєю ідеєю стати світовим правителем, підключав кращих конструкторів Німеччини для виробництва найпотужнішого зброї, в тому числі і високошвидкісних літаків. Найбільш успішним з них став перший німецький реактивний літак «Мессершмітт-262». Цей літальний апарат став першим у світі, який успішно витримав всі випробування, вільно піднявся в повітря і став після цього випускатися серійно.

Літак володів такими особливостями:

Апарат мав два турбореактивних двигуна.
У носовій частині розташовувався радіолокатор.
Максимальна швидкість літака сягала 900 км/год.

Завдяки всім цим показникам і конструктивним особливостям перший реактивний літальний апарат «Мессершмітт-262» був грізним засобом боротьби проти інших літаків.

Прототипи сучасних авіалайнерів

У повоєнний час російськими конструкторами були створені реактивні літаки, які стали в подальшому прототипами сучасних авіалайнерів.

І-250, більш відомий як легендарний Мить-13, – винищувач, над яким трудився А. В. Мікоян. Перший політ був проведений навесні 1945 року, на той час реактивний винищувач показав рекордну швидкість, яка досягла 820 км/год. Запущені були у виробництво реактивні літаки Міг-9 і Як-15 .

У квітні 1945 року вперше в небо піднявся реактивний літак П. О. Сухого Су-5, піднімається і літає за рахунок повітряно-реактивного мотокомпрессорного і поршневого двигуна, розташованого в хвостовій частині конструкції.

Після закінчення війни і капітуляції фашистської Німеччини Радянському Союзу як трофеї дісталися німецькі літаки з реактивними двигунами JUMO-004 і BMW 003.

Перші світові прототипи

Розробкою, тестуванням нових авіалайнерів і їх виробництвом займалися не тільки німецькі та радянські конструктори. Інженерами США, Італії, Японії, Великобританії також було створено чимало успішних проектів, застосовуваних реактивне рух в техніці. До числа перших розробок з різними типами двигунів можна віднести:

Не-178 – німецький літак з турбореактивного силовою установкою, що піднявся в повітря в серпні 1939 року.
GlosterE. 28/39 – літальний апарат родом з Великобританії, з мотором турбореактивного типу, вперше піднявся в небо в 1941 році.
Не-176 – винищувач, створений у Німеччині з застосуванням ракетного двигуна, здійснив свій перший політ у липні 1939 року.
БІ-2 – перший радянський літальний апарат, який приводився в рух за допомогою ракетної силової установки.
CampiniN.1 – реактивний літак, створений в Італії, став першою спробою італійських конструкторів відійти від поршневого аналога.
Yokosuka MXY7 Ohka («Мить») з мотором Tsu-11 – японський винищувач-бомбардувальник, так званий одноразовий літальний апарат з пілотом-камікадзе на борту.

Використання реактивного руху в техніці стало різким поштовхом для швидкого створення таких реактивних літальних апаратів та подальшого розвитку військового і цивільного літакобудування.

GlosterMeteor – повітряно-реактивний винищувач, виготовлений у Великобританії в 1943 році, зіграв істотну роль у Другій Світовій війні, а після її завершення виконував завдання перехоплювача німецьких ракет «Фау-1».
LockheedF-80 – реактивний літальний апарат, вироблений у США з застосуванням мотора типу AllisonJ. Ці літаки не раз брали участь у японсько-корейській війні.
B-45 Tornado – прототип сучасних американських бомбардувальників B-52, створений у 1947 році.
Міг-15 – послідовник визнаного реактивного винищувача Міг-9, який активно брав участь у військовому конфлікті в Кореї, був проведений у грудні 1947 р.
Ту-144 – перший радянський надзвуковий повітряно-реактивний пасажирський літак.

Сучасні реактивні апарати

З кожним роком авіалайнери удосконалюються, адже конструктори зі всього світу працюють над тим, щоб створювати апарати нового покоління, здатні літати зі швидкістю звуку і на надзвукових швидкостях. Зараз існують лайнери, здатні вміщати велику кількість пасажирів і вантажів, що володіють величезними розмірами і неймовірною швидкістю понад 3000 км/год, військова авіатехніка, обладнана сучасною бойовою екіпіровкою.

Але серед цього різноманіття є кілька конструкцій реактивних літаків-рекордсменів:

Airbus A380 – самий місткий апарат, здатний прийняти на своєму борту 853 пасажири, що забезпечено двухпалубной конструкцією. Він же за сумісництвом один з розкішних і дорогих авіалайнерів сучасності. Найбільший пасажирський лайнер в повітрі.
Boeing 747 – понад 35 років вважався самим містким двоповерховим лайнером і міг перевозити 524 пасажира.
АН-225 «Мрія» – вантажний літальний апарат, який може похвалитися вантажопідйомністю 250 тонн.
LockheedSR-71 – реактивний літак, що досягає під час польоту швидкості 3529 км/год.

Авіаційні дослідження не стоять на місці, тому як реактивні літаки – це основа стрімко розвивається сучасної авіації. Зараз проектується кілька західних і російських пілотованих, пасажирських, безпілотних авіалайнерів з реактивними двигунами, випуск яких запланований на найближчі кілька років.

До російським інноваційним розробкам майбутнього можна віднести винищувач 5-го покоління ПАК ФА – Т-50, перші примірники якого надійдуть у війська імовірно в кінці 2017 або початку 2018 року після випробування нового реактивного двигуна.

Природа – приклад реактивного руху

Реактивний принцип руху спочатку був підказаний самою природою. Його дією користуються личинки деяких видів бабок, медузи, багато молюски морські гребінці, каракатиці, восьминоги, кальмари. Вони застосовують своєрідний «принцип відштовхування». Каракатиці втягують воду і викидають її так стрімко, що самі при цьому роблять ривок вперед. Кальмари, використовуючи цей спосіб, можуть досягати швидкості до 70 кілометрів на годину. Саме тому такий спосіб пересування дозволив назвати кальмарів “біологічними ракетами”. Інженери вже винайшли двигун, що працює за принципом рухів кальмара. Одним із прикладів застосування реактивного руху в природі і техніці є водомет.

Це пристрій, який забезпечує рух з допомогою сили води, що викидається під сильним напором. Пристрій вода закачується в камеру, а потім випускається з неї через сопло, а судно рухається у зворотному викиду струменя напрямку. Вода затягується з допомогою двигуна, що працює на дизелі або бензині.

Приклади реактивного руху пропонує нам і світ рослин. Серед них трапляються види, які використовують такий рух для поширення насіння, наприклад, скажений огірок. Тільки зовні ця рослина подібно звичним для нас огірків. А характеристику «скажений» воно отримало з-за дивного способу розмноження. Дозревая, плоди відскакують від плодоніжок. У результаті відкривається отвір, через яке огірок стріляє речовиною, що містить відповідні для проростання насіння, застосовуючи реактивність. А сам огірок при цьому відскакує до дванадцяти метрів в бік, зворотний пострілу.

Прояв у природі і техніці реактивного руху підвладне одним і тим же законам світобудови. Людство все більше використовує ці закони для досягнення своїх цілей не тільки в атмосфері Землі, але і на просторах космосу, і реактивне рух є цьому яскравим прикладом.