Naves espaciales de varias toneladas se elevan hacia el cielo y aguas del mar Medusas, sepias y pulpos transparentes y gelatinosos maniobran hábilmente: ¿qué tienen en común? Resulta que en ambos casos se utiliza el principio de propulsión a chorro para moverse. Este es el tema al que está dedicado nuestro artículo de hoy.
Miremos la historia
lo mas La primera información fiable sobre los cohetes se remonta al siglo XIII. Fueron utilizados por indios, chinos, árabes y europeos en combate como armas de combate y señales. Luego siguieron siglos de olvido casi total de estos dispositivos.
En Rusia, la idea de utilizar un motor a reacción revivió gracias al trabajo del revolucionario Nikolai Kibalchich. Sentado en las mazmorras reales, desarrolló proyecto ruso motor a reacción y aviones para personas. Kibalchich fue ejecutado y su proyecto acumuló polvo durante muchos años en los archivos de la policía secreta zarista.
Se recibieron las principales ideas, dibujos y cálculos de este hombre talentoso y valiente. mayor desarrollo en las obras de K. E. Tsiolkovsky, quien propuso utilizarlos para comunicaciones interplanetarias. De 1903 a 1914 publicó una serie de trabajos en los que demostró de manera convincente la posibilidad de utilizar la propulsión a chorro para la exploración espacial y justificó la viabilidad del uso de cohetes de múltiples etapas.
Muchos de los avances científicos de Tsiolkovsky todavía se utilizan en la ciencia espacial hasta el día de hoy.
Misiles biológicos
¿Cómo surgió? ¿La idea de moverte empujando tu propia corriente en chorro? Quizás, al observar de cerca la vida marina, los residentes zonas costeras Noté cómo sucede esto en el mundo animal.
Por ejemplo, Vieira se mueve debido a la fuerza reactiva de un chorro de agua expulsado de la carcasa durante la rápida compresión de sus válvulas. Pero nunca podrá seguir el ritmo de los nadadores más rápidos: los calamares.
Sus cuerpos en forma de cohete se lanzan con la cola por delante, expulsando el agua almacenada desde un embudo especial. se mueven según el mismo principio, exprimiendo el agua contrayendo su cúpula transparente.
La naturaleza ha dotado a una planta llamada “motor a reacción” "chorros de pepino". Cuando sus frutos están completamente maduros, ante el más mínimo contacto, dispara el gluten con semillas. ¡La fruta se lanza en dirección opuesta a una distancia de hasta 12 m!
Ni los habitantes del mar ni las plantas conocen las leyes físicas que subyacen a este método de movimiento. Intentaremos resolver esto.
Base física del principio de propulsión a chorro.
Primero, pasemos a la experiencia más simple. Inflemos una pelota de goma. y, sin parar, te dejaremos volar libremente. El rápido movimiento de la pelota continuará mientras la corriente de aire que sale de ella sea lo suficientemente fuerte.
Para explicar los resultados de este experimento debemos recurrir a la Tercera Ley, que establece que dos cuerpos interactúan con fuerzas iguales en magnitud y de dirección opuesta. En consecuencia, la fuerza con la que la pelota actúa sobre los chorros de aire que escapan de ella es igual a la fuerza con la que el aire empuja la pelota lejos de sí misma.
Transfiramos estos argumentos a un cohete. Estos dispositivos expulsan parte de su masa a una velocidad enorme, por lo que ellos mismos reciben una aceleración en la dirección opuesta.
Desde el punto de vista de la física, esto el proceso se explica claramente por la ley de conservación del impulso. El momento es el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad (mv). Mientras el cohete está en reposo, su velocidad y momento son cero. Si se expulsa una corriente en chorro, entonces la parte restante, de acuerdo con la ley de conservación del impulso, debe adquirir una velocidad tal que el impulso total siga siendo igual a cero.
Veamos las fórmulas:
m g v g + m r v r =0;
m g v g =- m r v r,
Dónde m g v g el impulso creado por el chorro de gases, m p v p el impulso recibido por el cohete.
El signo menos indica que las direcciones de movimiento del cohete y la corriente en chorro son opuestas.
El diseño y principio de funcionamiento de un motor a reacción.
En tecnología, los motores a reacción impulsan aviones y cohetes y los ponen en órbita. astronave. Dependiendo de su finalidad, cuentan con diferentes dispositivos. Pero cada uno de ellos tiene un suministro de combustible, una cámara para su combustión y una boquilla que acelera la corriente en chorro.
Las estaciones automáticas interplanetarias también están equipadas con un compartimento para instrumentos y cabinas con un sistema de soporte vital para los astronautas.
Los cohetes espaciales modernos son aviones complejos de varias etapas que utilizan últimos logros pensamiento de ingeniería. Después del lanzamiento, el combustible de la etapa inferior se quema primero, después de lo cual se separa del cohete, reduciendo su masa total y aumentando su velocidad.
Luego se consume combustible en la segunda etapa, etc. Finalmente, el avión se lanza a una trayectoria determinada y comienza su vuelo independiente.
soñemos un poco
El gran soñador y científico K. E. Tsiolkovsky dio a las generaciones futuras la confianza de que los motores a reacción permitirán a la humanidad escapar más allá de la atmósfera terrestre y lanzarse al espacio. Su predicción se hizo realidad. Las naves espaciales exploran con éxito la Luna e incluso cometas distantes. 
Los motores a reacción de líquido se utilizan en astronáutica. Se utilizan productos derivados del petróleo como combustible, pero las velocidades que se pueden alcanzar con su ayuda son insuficientes para vuelos muy largos.
Quizás tú, nuestro Queridos lectores, serás testigo de los vuelos de los terrícolas a otras galaxias en dispositivos con motores nucleares, termonucleares o a reacción de iones.
Si este mensaje te fue útil, estaré encantado de verte.
Ensayo
Física
Sobre el tema de:
Completado por un estudiante de la Escuela Secundaria N° 5 de la Institución Educativa Municipal
G. Lobnya, clase 10 "B",
Stepanenko Inna Yurievna
Propulsión a Chorro.
Durante muchos siglos, la humanidad ha soñado con vuelos espaciales. Los escritores de ciencia ficción ofrecieron más diferentes medios para alcanzar esta meta. En el siglo XVII apareció una historia del escritor francés Cyrano de Bergerac sobre un vuelo a la luna. El héroe de esta historia llegó a la Luna en un carro de hierro, sobre el cual lanzaba constantemente un fuerte imán. Atraído por él, el carro se elevó cada vez más sobre la Tierra hasta llegar a la Luna. Y el barón Munchausen dijo que subió a la luna a lo largo de un tallo de frijol.
Pero ni un solo científico, ni un solo escritor de ciencia ficción durante muchos siglos pudo nombrar el único medio de que dispone una persona para superar la fuerza de la gravedad y volar al espacio. Esto lo logró el científico ruso Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935). Demostró que el único dispositivo capaz de vencer la gravedad es un cohete, es decir. un dispositivo con un motor a reacción que utiliza combustible y oxidante ubicado en el propio dispositivo.
Un motor a reacción es un motor que convierte la energía química del combustible en energía cinética de un chorro de gas y el motor adquiere velocidad en la dirección opuesta. ¿Sobre qué principios y leyes fisicas¿En qué se basa su acción?
Todo el mundo sabe que un disparo de arma va acompañado de retroceso. Si el peso de la bala fuera igual al peso del arma, se separarían a la misma velocidad. El retroceso se produce porque la masa de gases expulsada crea una fuerza reactiva, gracias a la cual se puede garantizar el movimiento tanto en el aire como en un espacio sin aire. Y cuanto mayor es la masa y la velocidad de los gases que fluyen, mayor es la fuerza de retroceso que siente nuestro hombro, más fuerte es la reacción del arma, mayor es la fuerza reactiva. Esto es fácil de explicar a partir de la ley de conservación del impulso, que establece que la suma geométrica (es decir, vectorial) del impulso de los cuerpos que componen un sistema cerrado permanece constante para cualquier movimiento e interacción de los cuerpos del sistema, es decir
K. E. Tsiolkovsky derivó una fórmula que permite calcular la velocidad máxima que puede desarrollar un cohete. Aquí está la fórmula:
Aquí v max es la velocidad máxima del cohete, v 0 es la velocidad inicial, v r es la velocidad del flujo de gas desde la boquilla, m es la masa inicial del combustible y M es la masa del cohete vacío. Como puede verse en la fórmula, esta velocidad máxima alcanzable depende principalmente de la velocidad del flujo de gas desde la boquilla, que a su vez depende principalmente del tipo de combustible y de la temperatura del chorro de gas. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la velocidad. Esto significa que para un cohete es necesario seleccionar el combustible más rico en calorías que proporcione la mayor cantidad de calor. También se deduce de la fórmula que esta velocidad depende tanto de la masa inicial como de la final del cohete, es decir Depende de qué parte de su peso es combustible y qué parte son estructuras inútiles (desde el punto de vista de la velocidad de vuelo): cuerpo, mecanismos, etc.
Esta fórmula de Tsiolkovsky es la base sobre la que se basa todo el cálculo de los misiles modernos. La relación entre la masa de combustible y la masa del cohete al final de la operación del motor (es decir, esencialmente con el peso del cohete vacío) se llama número de Tsiolkovsky.
La principal conclusión de esta fórmula es que en un espacio sin aire un cohete se desarrollará cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la velocidad de salida del gas y mayor numero mayor Tsiolkovsky.
Conclusión.
Me gustaría agregar que la descripción que hice del funcionamiento de un misil balístico intercontinental está desactualizada y corresponde al nivel de desarrollo de la ciencia y la tecnología de los años 60, pero debido al acceso limitado a materiales científicos modernos, no puedo dar una descripción precisa del funcionamiento de un moderno misil balístico intercontinental de ultra largo alcance. Sin embargo, destaqué las propiedades generales inherentes a todos los cohetes, por lo que doy por terminada mi tarea.
Lista de literatura usada:
Deryabin V. M. Leyes de conservación en física. – M.: Educación, 1982.
Gelfer Ya. M. Leyes de conservación. – M.: Nauka, 1967.
Cuerpo K. Mundo sin formas. – M.: Mir, 1976.
Enciclopedia infantil. – M.: Editorial de la Academia de Ciencias de la URSS, 1959.
Resumen de física sobre el tema: “Propulsión a chorro” Completado por un estudiante de la escuela secundaria n.° 5 de la institución educativa municipal de Lobnya, grado 10 “B”, Inna Yuryevna Stepanenko, 2006. Propulsión a Chorro. Durante muchos siglos, la humanidad ha soñado con la exploración espacial.El movimiento de los aviones en la naturaleza y la tecnología es un fenómeno muy común. En la naturaleza, ocurre cuando una parte del cuerpo se separa a cierta velocidad de otra parte. En este caso, la fuerza reactiva aparece sin interacción de este organismo con cuerpos externos.
Para entender de qué estamos hablando lo mejor es mirar ejemplos. en la naturaleza y la tecnología son numerosos. Primero hablaremos de cómo lo utilizan los animales y luego de cómo se utiliza en la tecnología.
Medusas, larvas de libélulas, plancton y moluscos.
Muchas personas, mientras nadaban en el mar, se encontraron con medusas. En cualquier caso, en el Mar Negro abundan. Sin embargo, no todo el mundo se dio cuenta de que las medusas se mueven mediante propulsión a chorro. El mismo método lo utilizan las larvas de libélula, así como algunos representantes del plancton marino. La eficiencia de los animales marinos invertebrados que lo utilizan suele ser mucho mayor que la de los inventos técnicos.
Muchos moluscos se mueven de una forma que nos interesa. Los ejemplos incluyen sepias, calamares y pulpos. En particular, la almeja es capaz de avanzar gracias a un chorro de agua que sale expulsado de la concha cuando sus válvulas se comprimen bruscamente.
Y estos son sólo algunos ejemplos de la vida del mundo animal que se pueden citar para ampliar el tema: “La propulsión a reacción en la vida cotidiana, la naturaleza y la tecnología”.
¿Cómo se mueve una sepia?
La sepia también resulta muy interesante en este sentido. Como muchos cefalópodos, se mueve en el agua mediante el siguiente mecanismo. A través de un embudo especial ubicado frente al cuerpo, así como a través de una hendidura lateral, la sepia lleva agua a su cavidad branquial. Luego lo arroja vigorosamente por el embudo. La sepia dirige el tubo del embudo hacia atrás o hacia un lado. El movimiento se puede realizar en diferentes direcciones.
El método que utiliza la salpa.
También es curioso el método que utiliza la salpa. Este es el nombre de un animal marino que tiene un cuerpo transparente. Cuando se mueve, la salpa aspira agua por la abertura frontal. El agua termina en una cavidad ancha y en su interior hay branquias ubicadas en diagonal. El agujero se cierra cuando la salpa toma un gran sorbo de agua. Sus músculos transversales y longitudinales se contraen comprimiendo todo el cuerpo del animal. El agua sale por el orificio trasero. El animal avanza debido a la reacción del chorro que fluye.
Calamares: "torpedos vivientes"
Quizás lo más interesante sea el motor a reacción que tiene el calamar. Este animal es considerado el mayor representante de los invertebrados y vive en grandes profundidades oceánicas. En la navegación a reacción, los calamares han alcanzado la verdadera perfección. Incluso el cuerpo de estos animales se parece a un cohete en su forma exterior. O mejor dicho, este cohete copia al calamar, ya que es el calamar el que tiene la primacía indiscutible en esta materia. Si necesita moverse lentamente, el animal utiliza para ello una gran aleta en forma de diamante, que se dobla de vez en cuando. Si es necesario un lanzamiento rápido, un motor a reacción acude al rescate.
El cuerpo del molusco está rodeado por todos lados por un manto: tejido muscular. Casi la mitad del volumen total del cuerpo del animal es el volumen de su cavidad. El calamar utiliza la cavidad del manto para moverse succionando agua en su interior. Luego arroja bruscamente el chorro de agua recogido a través de una boquilla estrecha. Como resultado de esto, empuja hacia atrás a gran velocidad. Al mismo tiempo, el calamar dobla los 10 tentáculos formando un nudo sobre su cabeza para adquirir una forma estilizada. La boquilla contiene una válvula especial y los músculos del animal pueden girarla. Por tanto, la dirección del movimiento cambia.
Impresionante velocidad de calamar
Hay que decir que el motor de calamar es muy económico. La velocidad que es capaz de alcanzar puede alcanzar los 60-70 km/h. Algunos investigadores incluso creen que puede alcanzar hasta 150 km/h. Como puedes ver, no en vano al calamar se le llama el “torpedo viviente”. Puede girar en la dirección deseada, doblando sus tentáculos doblados en un paquete hacia abajo, hacia arriba, hacia la izquierda o hacia la derecha.
¿Cómo controla un calamar el movimiento?
Dado que el volante es muy grande en comparación con el tamaño del propio animal, sólo un ligero movimiento del volante es suficiente para que el calamar evite fácilmente una colisión con un obstáculo, incluso moviéndose a máxima velocidad. Si lo giras bruscamente, el animal inmediatamente se lanzará hacia reverso. El calamar dobla el extremo del embudo hacia atrás y, como resultado, puede deslizarse con la cabeza por delante. Si lo dobla hacia la derecha, el propulsor del jet lo arrojará hacia la izquierda. Sin embargo, cuando es necesario nadar rápidamente, el embudo siempre se sitúa directamente entre los tentáculos. En este caso, el animal corre con la cola primero, como lo haría un cangrejo de río que se mueve rápidamente si tuviera la agilidad de un corredor.
Cuando no hay necesidad de apresurarse, las sepias y los calamares nadan ondulando con sus aletas. Ondas en miniatura las atraviesan de adelante hacia atrás. Los calamares y las sepias se deslizan con gracia. Sólo se impulsan de vez en cuando con un chorro de agua que sale disparado desde debajo de su manto. Los choques individuales que recibe el molusco durante la erupción de chorros de agua son claramente visibles en esos momentos.
calamar volador
Algunos cefalópodos son capaces de acelerar hasta 55 km/h. Parece que nadie ha realizado mediciones directas, pero podemos dar esa cifra basándonos en el alcance y la velocidad de los calamares voladores. Resulta que existen personas así. El calamar Stenoteuthis es el mejor piloto de todos los moluscos. Los marineros ingleses lo llaman calamar volador (calamar volador). Este animal, cuya foto se presenta arriba, no tiene tallas grandes, aproximadamente del tamaño de un arenque. Persigue a los peces con tanta rapidez que a menudo salta fuera del agua, deslizándose como una flecha sobre su superficie. También utiliza este truco cuando está en peligro debido a los depredadores: la caballa y el atún. Habiendo desarrollado el máximo empuje en el agua, el calamar se lanza al aire y luego vuela a más de 50 metros por encima de las olas. Cuando vuela, es tan alto que frecuentes calamares voladores acaban en las cubiertas de los barcos. Una altura de 4 a 5 metros no es en absoluto un récord para ellos. A veces los calamares voladores vuelan incluso más alto.
El Dr. Rees, un investigador de mariscos de Gran Bretaña, en su articulo cientifico describió un representante de estos animales, cuya longitud corporal era de sólo 16 cm, pero logró volar una distancia considerable por el aire, tras lo cual aterrizó en el puente del yate. ¡Y la altura de este puente era de casi 7 metros!
Hay ocasiones en las que un barco es atacado por muchos calamares voladores a la vez. Trebius Niger, un escritor antiguo, contó una vez una triste historia sobre un barco que parecía incapaz de soportar el peso de estos animales marinos y se hundió. Curiosamente, los calamares pueden despegar incluso sin aceleración.
Pulpos voladores
Los pulpos también tienen la capacidad de volar. Jean Verani, un naturalista francés, observó a uno de ellos acelerar en su acuario y luego, de repente, saltar fuera del agua. El animal describió un arco de unos 5 metros en el aire y luego se dejó caer en el acuario. El pulpo, ganando la velocidad necesaria para el salto, se movió no sólo gracias al propulsor del jet. También remaba con sus tentáculos. Los pulpos son holgados, por lo que nadan peor que los calamares, pero en momentos críticos estos animales pueden dar ventaja a los mejores velocistas. Los trabajadores del Acuario de California querían tomar una foto de un pulpo atacando a un cangrejo. Sin embargo, el pulpo, corriendo hacia su presa, desarrolló tal velocidad que las fotografías, incluso cuando se utilizó un modo especial, resultaron borrosas. ¡Esto significa que el lanzamiento duró sólo una fracción de segundo!
Sin embargo, los pulpos suelen nadar bastante lentamente. El científico Joseph Seinl, que estudió las migraciones de los pulpos, descubrió que el pulpo, cuyo tamaño es de 0,5 m, nada a una velocidad media de aproximadamente 15 km/h. Cada chorro de agua que arroja por el embudo lo impulsa hacia adelante (más precisamente, hacia atrás, ya que nada hacia atrás) unos 2-2,5 m.
"Pepino chorros"
El movimiento reactivo en la naturaleza y la tecnología se puede considerar utilizando ejemplos del mundo vegetal para ilustrarlo. Uno de los más famosos son los frutos maduros de los llamados. Rebotan en el tallo al menor contacto. Luego, por el agujero resultante, se expulsa con gran fuerza un líquido pegajoso especial que contiene las semillas. El propio pepino vuela en dirección opuesta a una distancia de hasta 12 m.
Ley de conservación del impulso.
Definitivamente deberías hablar de ello cuando consideres el movimiento de los aviones en la naturaleza y la tecnología. El conocimiento de la ley de conservación del impulso nos permite cambiar, en particular, nuestra propia velocidad de movimiento si estamos en un espacio abierto. Por ejemplo, estás sentado en un barco y llevas varias piedras contigo. Si los lanzas en una dirección determinada, el barco se moverá en la dirección opuesta. Esta ley también se aplica en el espacio ultraterrestre. Sin embargo, para ello utilizan
¿Qué otros ejemplos de propulsión a chorro se pueden observar en la naturaleza y la tecnología? Muy bien ilustrado con el ejemplo de una pistola.
Como sabes, un disparo siempre va acompañado de retroceso. Digamos que el peso de la bala es igual al peso del arma. En este caso, se separarían a la misma velocidad. El retroceso se produce porque se crea una fuerza reactiva, ya que hay una masa lanzada. Gracias a esta fuerza, se garantiza el movimiento tanto en espacios sin aire como en el aire. Cuanto mayor es la velocidad y la masa de los gases que fluyen, mayor es la fuerza de retroceso que siente nuestro hombro. En consecuencia, cuanto más fuerte sea la reacción del arma, mayor será la fuerza de reacción.
Sueños con volar al espacio
La propulsión a chorro en la naturaleza y la tecnología es desde hace muchos años fuente de nuevas ideas para los científicos. Durante muchos siglos, la humanidad ha soñado con volar al espacio. Hay que suponer que el uso de la propulsión a chorro en la naturaleza y en la tecnología no se ha agotado en absoluto.
Y todo empezó con un sueño. Los escritores de ciencia ficción de hace varios siglos nos ofrecieron varios medios cómo lograr este objetivo deseado. En el siglo XVII, Cyrano de Bergerac, un escritor francés, creó una historia sobre un vuelo a la luna. Su héroe llegó al satélite de la Tierra utilizando un carro de hierro. Constantemente lanzaba un fuerte imán sobre esta estructura. El carro, atraído por él, se elevó cada vez más por encima de la Tierra. Finalmente llegó a la luna. Otro personaje famoso, el barón Munchausen, subió a la luna utilizando un tallo de frijol.
Por supuesto, en aquel momento se sabía poco sobre cómo el uso de la propulsión a chorro en la naturaleza y la tecnología podría hacer la vida más fácil. Pero el vuelo de la fantasía ciertamente abrió nuevos horizontes.
En camino a un descubrimiento extraordinario
En China a finales del primer milenio d.C. mi. Inventó la propulsión a chorro para impulsar cohetes. Estos últimos eran simplemente tubos de bambú llenos de pólvora. Estos cohetes se lanzaron por diversión. El motor a reacción se utilizó en uno de los primeros diseños de automóviles. Esta idea pertenecía a Newton.
N.I. también pensó en cómo surge el movimiento de los aviones en la naturaleza y la tecnología. Kibalchich. Se trata de un revolucionario ruso, autor del primer proyecto de un avión a reacción destinado al vuelo humano. El revolucionario, lamentablemente, fue ejecutado el 3 de abril de 1881. Kibalchich fue acusado de participar en el intento de asesinato de Alejandro II. Ya en prisión, mientras esperaba la ejecución de la pena de muerte, continuó estudiando en la naturaleza y la tecnología un fenómeno tan interesante como el movimiento de un chorro, que se produce cuando parte de un objeto se separa. Como resultado de estas investigaciones desarrolló su proyecto. Kibalchich escribió que esta idea lo apoya en su posición. Está dispuesto a afrontar con calma su muerte, sabiendo que es tan descubrimiento importante No morirá con él.
Implementación de la idea del vuelo espacial.
K. E. Tsiolkovsky continuó estudiando la manifestación de la propulsión a chorro en la naturaleza y la tecnología (su foto se presenta arriba). A principios del siglo XX, este gran científico ruso propuso la idea de utilizar cohetes para vuelos espaciales. Su artículo sobre este tema apareció en 1903. Presentó una ecuación matemática que se convirtió en la más importante para la astronáutica. Hoy en día se la conoce como la “fórmula Tsiolkovsky”. Esta ecuación describe el movimiento de un cuerpo que tiene masa variable. En sus trabajos posteriores, presentó un diagrama de un motor de cohete que funciona con combustible líquido. Tsiolkovsky, al estudiar el uso de la propulsión a chorro en la naturaleza y la tecnología, desarrolló un diseño de cohete de varias etapas. También se le ocurrió la idea de la posibilidad de crear ciudades espaciales enteras en órbita terrestre baja. Estos son los descubrimientos que hizo el científico mientras estudiaba la propulsión a chorro en la naturaleza y la tecnología. Los cohetes, como demostró Tsiolkovsky, son los únicos dispositivos capaces de superar a un misil y lo definió como un mecanismo con un motor a reacción que utiliza el combustible y el oxidante que se encuentran en él. Este dispositivo transforma la energía química del combustible, que se convierte en energía cinética del chorro de gas. El propio cohete comienza a moverse en la dirección opuesta.
Finalmente, los científicos, después de haber estudiado el movimiento reactivo de los cuerpos en la naturaleza y la tecnología, pasaron a la práctica. Quedaba por delante una tarea en gran escala para hacer realidad el sueño de larga data de la humanidad. Y un grupo de científicos soviéticos, liderados por el académico S.P. Korolev, se las arregló. Ella se dio cuenta de la idea de Tsiolkovsky. El primer satélite artificial de nuestro planeta fue lanzado en la URSS el 4 de octubre de 1957. Naturalmente, se utilizó un cohete.
Yu. A. Gagarin (en la foto de arriba) fue el hombre que tuvo el honor de ser el primero en volar al espacio exterior. Este importante acontecimiento para el mundo tuvo lugar el 12 de abril de 1961. Gagarin voló alrededor del mundo en el satélite Vostok. La URSS fue el primer país cuyos cohetes alcanzaron la Luna, la rodearon y fotografiaron la cara invisible desde la Tierra. Además, fueron los rusos quienes visitaron Venus por primera vez. Trajeron instrumentos científicos a la superficie de este planeta. El astronauta estadounidense Neil Armstrong es la primera persona en caminar sobre la superficie de la Luna. Aterrizó en él el 20 de julio de 1969. En 1986, Vega 1 y Vega 2 (barcos pertenecientes a la URSS) exploraron de cerca el cometa Halley, que se acerca al Sol sólo una vez cada 76 años. La exploración espacial continúa...
Como puede ver, la física es una ciencia muy importante y útil. La propulsión a reacción en la naturaleza y la tecnología es sólo uno de los temas interesantes que se tratan en él. Y los logros de esta ciencia son muy, muy significativos.
Cómo se utiliza la propulsión a chorro en la naturaleza y la tecnología hoy en día
En física se han realizado descubrimientos especialmente importantes en los últimos siglos. Si bien la naturaleza permanece prácticamente sin cambios, la tecnología se desarrolla a un ritmo rápido. Hoy en día, el principio de propulsión a chorro se utiliza ampliamente no sólo en diversos animales y plantas, sino también en astronáutica y aviación. En el espacio exterior no existe ningún medio que un cuerpo pueda utilizar para interactuar y cambiar la magnitud y dirección de su velocidad. Por eso sólo se pueden utilizar cohetes para volar en un espacio sin aire.
Hoy en día, la propulsión a chorro se utiliza activamente en la vida cotidiana, la naturaleza y la tecnología. Ya no es un misterio como antes. Sin embargo, la humanidad no debería detenerse ahí. Hay nuevos horizontes por delante. Me gustaría creer que el movimiento de los aviones en la naturaleza y la tecnología, descrito brevemente en el artículo, inspirará a alguien a hacer nuevos descubrimientos.
Propulsión a chorro en la naturaleza y la tecnología.
RESUMEN DE FÍSICA
Propulsión a Chorro- movimiento que se produce cuando cualquier parte del mismo se separa del cuerpo a una determinada velocidad.
La fuerza reactiva ocurre sin ninguna interacción con cuerpos externos.
Aplicación de la propulsión a chorro en la naturaleza.
Muchos de nosotros en nuestra vida nos hemos encontrado con medusas mientras nadamos en el mar. En cualquier caso, hay suficientes en el Mar Negro. Pero pocas personas pensaban que las medusas también utilizan la propulsión a chorro para moverse. Además, así se mueven las larvas de libélulas y algunos tipos de plancton marino. Y, a menudo, la eficiencia de los animales invertebrados marinos cuando utilizan propulsión a chorro es mucho mayor que la de los inventos tecnológicos.
Muchos moluscos utilizan la propulsión a chorro: pulpos, calamares y sepias. Por ejemplo, un molusco de vieira avanza debido a la fuerza reactiva de una corriente de agua expulsada de su caparazón durante una fuerte compresión de sus válvulas.
Pulpo
Calamar
La sepia, como la mayoría de los cefalópodos, se mueve en el agua de la siguiente manera. Ella lleva agua a la cavidad branquial a través de una hendidura lateral y un embudo especial frente al cuerpo, y luego arroja enérgicamente un chorro de agua a través del embudo. La sepia dirige el tubo del embudo hacia un lado o hacia atrás y, exprimiendo rápidamente el agua, puede moverse en diferentes direcciones.
La salpa es un animal marino de cuerpo transparente, al moverse recibe agua por la abertura frontal, y el agua ingresa a una amplia cavidad, en cuyo interior se extienden branquias en diagonal. Tan pronto como el animal toma un gran sorbo de agua, el agujero se cierra. Luego, los músculos longitudinales y transversales de la salpa se contraen, todo el cuerpo se contrae y el agua sale a través de la abertura posterior. La reacción del chorro que escapa empuja la salpa hacia adelante.
El mayor interés es el motor a reacción del calamar. El calamar es el habitante invertebrado más grande de las profundidades del océano. Los calamares han llegado perfección suprema en navegación reactiva. Incluso su cuerpo, con sus formas externas, copia el cohete (o mejor dicho, el cohete copia al calamar, ya que tiene una prioridad indiscutible en esta materia). Cuando se mueve lentamente, el calamar utiliza una gran aleta en forma de diamante que se dobla periódicamente. Utiliza un motor a reacción para lanzar rápidamente. Músculo– el manto rodea el cuerpo del molusco por todos lados, el volumen de su cavidad es casi la mitad del volumen del cuerpo del calamar. El animal succiona agua dentro de la cavidad del manto y luego arroja bruscamente un chorro de agua a través de una boquilla estrecha y retrocede con empujones a gran velocidad. Al mismo tiempo, los diez tentáculos del calamar se juntan formando un nudo sobre su cabeza y adquiere una forma estilizada. La boquilla está equipada con una válvula especial y los músculos pueden girarla cambiando la dirección del movimiento. El motor de calamar es muy económico, es capaz de alcanzar velocidades de hasta 60 - 70 km/h. (¡Algunos investigadores creen que incluso hasta 150 km/h!) No es de extrañar que al calamar se le llame “torpedo viviente”. Al doblar los tentáculos agrupados hacia la derecha, izquierda, arriba o abajo, el calamar gira en una dirección u otra. Dado que dicho volante es muy grande en comparación con el propio animal, su ligero movimiento es suficiente para que el calamar, incluso a toda velocidad, esquive fácilmente una colisión con un obstáculo. Un giro brusco del volante y el nadador corre en la dirección opuesta. Entonces dobló el extremo del embudo hacia atrás y ahora se desliza de cabeza. Lo dobló hacia la derecha y el empujón del jet lo arrojó hacia la izquierda. Pero cuando es necesario nadar rápido, el embudo siempre sobresale justo entre los tentáculos, y el calamar corre con la cola primero, como lo haría un cangrejo de río: un caminante rápido dotado de la agilidad de un corredor.
Si no hay necesidad de apresurarse, los calamares y las sepias nadan con aletas ondulantes: ondas en miniatura los recorren de adelante hacia atrás y el animal se desliza con gracia, empujándose ocasionalmente también con un chorro de agua que sale de debajo del manto. Entonces son claramente visibles los impactos individuales que recibe el molusco en el momento de la erupción de los chorros de agua. Algunos cefalópodos pueden alcanzar velocidades de hasta cincuenta y cinco kilómetros por hora. Parece que nadie ha realizado mediciones directas, pero esto se puede juzgar por la velocidad y el rango de vuelo de los calamares voladores. ¡Y resulta que los pulpos tienen esos talentos en su familia! El mejor piloto entre los moluscos es el calamar Stenoteuthis. Los marineros ingleses lo llaman calamar volador (“flying squid”). Este es un animal pequeño del tamaño de un arenque. Persigue a los peces con tal velocidad que a menudo salta fuera del agua, rozando su superficie como una flecha. Recurre a este truco para salvar su vida de los depredadores: el atún y la caballa. Habiendo desarrollado el máximo empuje en el agua, el calamar piloto despega en el aire y vuela sobre las olas a lo largo de más de cincuenta metros. El apogeo del vuelo de un cohete viviente se encuentra tan alto sobre el agua que los calamares voladores a menudo terminan en las cubiertas de los barcos que navegan por el océano. De cuatro a cinco metros no es una altura récord a la que los calamares se elevan hacia el cielo. A veces vuelan incluso más alto.
El investigador inglés de moluscos Dr. Rees describió en un artículo científico un calamar (de sólo 16 centímetros de largo) que, después de volar una distancia considerable por el aire, cayó sobre el puente de un yate, que se elevaba casi siete metros sobre el agua.
Sucede que muchos calamares voladores caen sobre el barco en una cascada brillante. El antiguo escritor Trebius Niger contó una vez una triste historia sobre un barco que supuestamente se hundió bajo el peso de los calamares voladores que cayeron sobre su cubierta. Los calamares pueden despegar sin aceleración.
Los pulpos también pueden volar. El naturalista francés Jean Verani vio cómo un pulpo común y corriente aceleraba en un acuario y de repente saltaba del agua hacia atrás. Después de describir un arco de unos cinco metros de largo en el aire, se dejó caer nuevamente en el acuario. Al coger velocidad para saltar, el pulpo se movía no sólo gracias al empuje del jet, sino que también remaba con sus tentáculos.
Los pulpos holgados nadan, por supuesto, peor que los calamares, pero en momentos críticos pueden mostrar una clase récord para los mejores velocistas. El personal del Acuario de California intentó fotografiar a un pulpo atacando a un cangrejo. El pulpo se abalanzó sobre su presa con tal velocidad que la película, incluso cuando se filmaba a máxima velocidad, siempre contenía grasa. ¡Esto significa que el lanzamiento duró centésimas de segundo! Normalmente, los pulpos nadan relativamente lento. Joseph Seinl, que estudió las migraciones de los pulpos, calculó: un pulpo de medio metro nada por el mar a una velocidad media de unos quince kilómetros por hora. Cada chorro de agua que sale del embudo lo empuja hacia adelante (o mejor dicho, hacia atrás, ya que el pulpo nada hacia atrás) de dos a dos metros y medio.
El movimiento del chorro también se puede encontrar en el mundo vegetal. Por ejemplo, los frutos maduros del "pepino loco", al menor contacto, rebotan en el tallo y por el agujero resultante se arroja con fuerza un líquido pegajoso con semillas. El propio pepino sale volando en dirección opuesta hasta 12 m.
Conociendo la ley de conservación del impulso, puedes cambiar tu propia velocidad de movimiento en el espacio abierto. Si estás en un bote y tienes varias piedras pesadas, lanzar piedras en una dirección determinada te moverá en la dirección opuesta. Lo mismo sucederá en el espacio exterior, pero allí se utilizan motores a reacción para ello.
Todo el mundo sabe que un disparo de arma va acompañado de retroceso. Si el peso de la bala fuera igual al peso del arma, se separarían a la misma velocidad. El retroceso se produce porque la masa de gases expulsada crea una fuerza reactiva, gracias a la cual se puede garantizar el movimiento tanto en el aire como en un espacio sin aire. Y cuanto mayor es la masa y la velocidad de los gases que fluyen, mayor es la fuerza de retroceso que siente nuestro hombro, más fuerte es la reacción del arma, mayor es la fuerza reactiva.
Aplicación de la propulsión a chorro en la tecnología.
Durante muchos siglos, la humanidad ha soñado con vuelos espaciales. Los escritores de ciencia ficción han propuesto una variedad de medios para lograr este objetivo. En el siglo XVII apareció una historia del escritor francés Cyrano de Bergerac sobre un vuelo a la luna. El héroe de esta historia llegó a la Luna en un carro de hierro, sobre el cual lanzaba constantemente un fuerte imán. Atraído por él, el carro se elevó cada vez más sobre la Tierra hasta llegar a la Luna. Y el barón Munchausen dijo que subió a la luna a lo largo de un tallo de frijol.
A finales del primer milenio d.C., China inventó la propulsión a chorro, que impulsaba cohetes: tubos de bambú llenos de pólvora, que también se utilizaban como diversión. Uno de los primeros proyectos de automóviles también fue con motor a reacción y este proyecto perteneció a Newton.
El autor del primer proyecto mundial de un avión a reacción destinado al vuelo humano fue el revolucionario ruso N.I. Kibalchich. Fue ejecutado el 3 de abril de 1881 por su participación en el intento de asesinato del emperador Alejandro II. Desarrolló su proyecto en prisión tras ser condenado a muerte. Kibalchich escribió: “Estando en prisión, unos días antes de mi muerte, estoy escribiendo este proyecto. Creo en la viabilidad de mi idea, y esta fe me sostiene en mi terrible situación... Enfrentaré la muerte con calma, sabiendo que mi idea no morirá conmigo”.
La idea de utilizar cohetes para vuelos espaciales fue propuesta a principios de este siglo por el científico ruso Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. En 1903 apareció impreso un artículo del profesor del gimnasio de Kaluga, K.E. Tsiolkovsky "Exploración de los espacios del mundo utilizando instrumentos reactivos". Este trabajo contenía la ecuación matemática más importante para la astronáutica, ahora conocida como “fórmula de Tsiolkovsky”, que describía el movimiento de un cuerpo de masa variable. Posteriormente, desarrolló un diseño para un motor de cohete de combustible líquido, propuso un diseño de cohete de múltiples etapas y expresó la idea de la posibilidad de crear ciudades espaciales enteras en órbita terrestre baja. Demostró que el único dispositivo capaz de vencer la gravedad es un cohete, es decir. un dispositivo con un motor a reacción que utiliza combustible y oxidante ubicado en el propio dispositivo.
motor a reacción Es un motor que convierte la energía química del combustible en energía cinética de un chorro de gas, mientras el motor adquiere velocidad en sentido contrario.
La idea de K.E. Tsiolkovsky fue implementada por científicos soviéticos bajo el liderazgo del académico Sergei Pavlovich Korolev. El primer satélite terrestre artificial de la historia fue lanzado mediante un cohete en la Unión Soviética el 4 de octubre de 1957.
El principio de propulsión a chorro encuentra una amplia aplicación práctica en la aviación y la astronáutica. En el espacio exterior no existe ningún medio con el que un cuerpo pueda interactuar y así cambiar la dirección y la magnitud de su velocidad, por lo que para vuelos espaciales sólo se pueden utilizar aviones a reacción, es decir, cohetes.
Dispositivo cohete
El movimiento de un cohete se basa en la ley de conservación del impulso. Si en algún momento cualquier cuerpo es arrojado desde el cohete, adquirirá el mismo impulso, pero dirigido en sentido contrario.
Cualquier cohete, independientemente de su diseño, siempre tiene un proyectil y combustible con un oxidante. El proyectil del cohete incluye la carga útil (en en este caso se trata de una nave espacial), el compartimento de instrumentos y el motor (cámara de combustión, bombas, etc.).
La masa principal del cohete es combustible con un oxidante (el oxidante es necesario para mantener la combustión del combustible, ya que no hay oxígeno en el espacio).
El combustible y el oxidante se suministran a la cámara de combustión mediante bombas. Cuando el combustible se quema, se convierte en gas a alta temperatura y alta presión. Debido a la gran diferencia de presión entre la cámara de combustión y el espacio exterior, los gases de la cámara de combustión salen en un potente chorro a través de un casquillo de forma especial llamado boquilla. El objetivo de la boquilla es aumentar la velocidad del chorro.
Antes del lanzamiento del cohete, su impulso es cero. Como resultado de la interacción del gas en la cámara de combustión y todas las demás partes del cohete, el gas que se escapa a través de la boquilla recibe algún impulso. Entonces el cohete es un sistema cerrado y su impulso total debe ser cero después del lanzamiento. Por tanto, toda la carcasa del cohete que se encuentra en él recibe un impulso igual en magnitud al impulso del gas, pero de dirección opuesta.
La parte más masiva del cohete, destinada al lanzamiento y la aceleración de todo el cohete, se denomina primera etapa. Cuando la primera etapa masiva de un cohete de múltiples etapas agota todas sus reservas de combustible durante la aceleración, se separa. La segunda etapa, menos masiva, continúa la aceleración y agrega algo más de velocidad a la velocidad alcanzada anteriormente con la ayuda de la primera etapa, y luego se separa. La tercera etapa continúa aumentando la velocidad hasta el valor requerido y coloca la carga útil en órbita.
La primera persona en volar al espacio exterior fue un ciudadano Unión Soviética Yuri Alekséyevich Gagarin. 12 de abril de 1961 Dio la vuelta al mundo en el satélite Vostok.
Los cohetes soviéticos fueron los primeros en llegar a la Luna, rodearon la Luna y fotografiaron su lado invisible desde la Tierra, y fueron los primeros en llegar al planeta Venus y llevar instrumentos científicos a su superficie. En 1986, dos naves espaciales soviéticas, Vega 1 y Vega 2, examinaron de cerca el cometa Halley, que se acerca al Sol una vez cada 76 años.
La ley de conservación del impulso es de gran importancia al considerar el movimiento de un chorro.
Bajo propulsión a Chorro Comprenda el movimiento de un cuerpo que se produce cuando una parte de él se separa con una determinada velocidad con respecto a él, por ejemplo, cuando los productos de combustión salen de la boquilla de un avión a reacción. En este caso, el llamado Fuerza reactiva empujando el cuerpo.
La peculiaridad de la fuerza reactiva es que surge como resultado de la interacción entre partes del propio sistema sin ninguna interacción con cuerpos externos.
Mientras que la fuerza que acelera, por ejemplo, a un peatón, un barco o un avión, surge únicamente de la interacción de estos cuerpos con el suelo, el agua o el aire.
Así, el movimiento de un cuerpo se puede obtener como resultado del flujo de una corriente de líquido o gas.
Movimiento de chorro en la naturaleza. inherente principalmente a los organismos vivos que viven en un ambiente acuático.
En tecnología, la propulsión a chorro se utiliza en el transporte fluvial (motores a reacción de agua), en la industria del automóvil (coches de carreras), en asuntos militares, en aviación y astronáutica.
Todos los aviones modernos de alta velocidad están equipados con motores a reacción, porque... son capaces de proporcionar la velocidad de vuelo requerida.
Es imposible utilizar otros motores que no sean los motores a reacción en el espacio ultraterrestre, ya que allí no existe ningún soporte con el que se pueda lograr la aceleración.
Historia del desarrollo de la tecnología a reacción.
El creador del misil de combate ruso fue el científico de artillería K.I. Konstantinov. Con un peso de 80 kg, el alcance de vuelo del cohete de Konstantinov alcanzó los 4 km.
La idea de utilizar propulsión a chorro en un avión, el proyecto de un dispositivo aeronáutico a reacción, fue propuesto en 1881 por N.I. Kibalchich.
En 1903, el famoso físico K.E. Tsiolkovsky demostró la posibilidad de volar en el espacio interplanetario y desarrolló un diseño para el primer avión cohete con motor de propulsor líquido.
K.E. Tsiolkovsky diseñó un tren de cohetes espaciales compuesto por varios cohetes que funcionan alternativamente y se caen a medida que se agota el combustible.
Principios de los motores a reacción.
La base de cualquier motor a reacción es la cámara de combustión, en la que la combustión del combustible produce gases que tienen muy alta temperatura y ejercer presión sobre las paredes de la cámara. Los gases escapan de una estrecha tobera de cohete a gran velocidad y crean un empuje en chorro. De acuerdo con la ley de conservación del impulso, el cohete adquiere velocidad en la dirección opuesta.
El impulso del sistema (productos de la combustión de los cohetes) sigue siendo cero. Dado que la masa del cohete disminuye, incluso con velocidad constante A medida que los gases salen, su velocidad aumentará, alcanzando gradualmente su valor máximo.
El movimiento de un cohete es un ejemplo del movimiento de un cuerpo de masa variable. Para calcular su velocidad se utiliza la ley de conservación del momento.
Los motores a reacción se dividen en motores de cohetes y motores de respiración de aire.
Motores de cohetes Disponible con combustible sólido o líquido.
En los motores de cohetes de combustible sólido, el combustible, que contiene tanto combustible como oxidante, es forzado a entrar en la cámara de combustión del motor.
EN motores a reacción líquidos, destinado a ejecutar naves espaciales, el combustible y el oxidante se almacenan por separado en tanques especiales y se suministran a la cámara de combustión mediante bombas. Pueden utilizar queroseno, gasolina, alcohol, hidrógeno líquido, etc. como combustible, y oxígeno líquido, ácido nítrico, etc. como agente oxidante necesario para la combustión.
Los cohetes espaciales modernos de tres etapas se lanzan verticalmente y, después de atravesar las densas capas de la atmósfera, se ponen en vuelo en una dirección determinada. Cada etapa del cohete tiene su propio tanque de combustible y tanque de oxidante, así como su propio motor a reacción. A medida que se quema el combustible, las etapas gastadas del cohete se desechan.
Motores de jet Actualmente se utiliza principalmente en aviones. Su principal diferencia con los motores de cohetes es que el oxidante para la combustión del combustible es el oxígeno del aire que ingresa al motor desde la atmósfera.
Los motores de respiración de aire incluyen motores turbocompresores con compresor tanto axial como centrífugo.
El aire de estos motores es aspirado y comprimido por un compresor accionado por una turbina de gas. Los gases que salen de la cámara de combustión crean un empuje reactivo y hacen girar el rotor de la turbina.
A velocidades de vuelo muy altas, se puede lograr la compresión de los gases en la cámara de combustión debido al aire que entra. flujo de aire. No es necesario un compresor.
