Квант
Лаборатория «Кванта»

Опыты для изучения реактивного движения

Пономарёв Е.

Опыты для изучения реактивного движения

В прошлом учебном году ученик 8 класса средней школы № 82 поселка Черноголовка Московской области Евгений Пономарев под руководством учитель физики В. А. Орлова проделал очень интересную работу по экспериментальной изучению реактивного движения. В публикуемой статье автор рассказывает о проделанной работе.

Reактивным движением принято называть движение, вызваемое реакцией вытекающей струп жидкости или газа. Так движутся, например, ракеты. Горячие газы, образующиеся при сторании топлива в двигатель ракеты, с большой скоростью выбратьсяются через отверстие (сопло) в хвосте ракеты. Сила реакции вытекающей струп газов сообщает ракете ускорение. Поскольку масса ракеты постепенно уменьшается (выгорает топливо), модель ускорения ракеты со временем изменяется. Как же в таком случае рассчитать скорость ракеты?

Известный советский ученый К. Э. Циolkовский теоретически вывел формулу (ее теперь называют формулой Циolkовского), по которой можно определить скорость ракеты в любой момент работы ее двигатель. В частности, к моменту полного сторания топлива модель скорости v⃗1\vec{v}_1 ракеты вычисляется по формуле

v⃗1=v⃗2ln⁡(1+m2m1).\vec{v}_1 = \vec{v}_2 \ln \left( 1 + \frac{m_2}{m_1} \right).

Здесь v⃗2\vec{v}_2 — скорость вытекания продуктов сторания относительно ракеты, m1m_1 — масса самой ракеты (без топлива), m2m_2 — масса скоревшего топлива, ln⁡\ln — натуральный логарифм *).

Экспериментально проверку этой формулы можно проведити с помощью прибора для демонстрации реактивного движения. Он представляет собой модель ракеты, которая продается в магазинах как игрушка и имеет в школьных кабинетах физики. Кроме того, для опытов потребуется весь рычажные лабораторные иружинные бытовые, секундомер, мензурка и велосипедный насос (рис. 1).

Экспериментальная задача заключается в том, чтобы определить на опите ∣v⃗1∣|\vec{v}_1| и сравнить его со значением, расчитанным по формуле Циolkовского.

Прежде всего в корпус ракеты заливается некоторое количество воды, а в сопло ракеты всталяется пусковое устройство со скобой, удерживающей ракету. Затем в вертикальном строяшую ракету через пусковое устройство насосом накачается воздуха. При следующии скобы сжатый воздушы выбрасывают воду, и ракета, отделяясь от пускового устройства, взлетает.

Начальную скорость ракеты при строгого вертикальном полете можно

*) Для вычисления натурального логарифма некоторого числа aa можно воспользоваться формулой ln⁡a=lg⁡alg⁡e\ln a = \frac{\lg a}{\lg e}, где e≈2.71e \approx 2.71 (см., например, «Алгебра и начала анализа — 10»).

Рис. 1.

найти по времене ее полета tt:

v⃗1=∣g⃗∣t/2.\vec{v}_1 = |\vec{g}| t/2.
Если же пакета взлетела под некоторым углом к горизонту и приземиллась на расстоянии ss от места запуска, то

v⃗1=(∣g⃗∣t/2)2+(s/t)2.\vec{v}_1 = \sqrt{(|\vec{g}| t/2)^2 + (s/t)^2}.

Заметим, что высота пакета в наших опытах достигала 30 м, так что запуск следует производить на открытом пространстве.

Тепер задача сводится, по существу, к определению скорости v⃗2\vec{v}_2 истечения воды относительно пакеты.

Для этого измеряется сила F⃗\vec{F}, с которой водная струя из сопла пакеты ударяется в подставленную цашку пружинных весов. При ударе вода передает весь свой импульс чашке весов, поэтому F⃗∣Δt=m2∣v⃗2∣\vec{F} |\Delta t = m_2 |\vec{v}_2|, где Δt\Delta t — время выброса воды, а масса выбросенной воды m2=ρS∣v⃗2∣Δtm_2 = \rho S |\vec{v}_2| \Delta t (ρ — плотность воды, S — площадь секции сопла). Таким образом,

v⃗2=∣F⃗∣/(ρS).\vec{v}_2 = \sqrt{|\vec{F}| / (\rho S)}.

Для измерения силы удобно на весы поставить дополнительную стрелку, которая не возвращается в первоначальное положение после удара воды и фиксирует максимальную силу удара.

Поскольку измерения v⃗1\vec{v}_1 и v⃗2\vec{v}_2 нельзя проводить в одном и том же опите, важно быть уверенным в том, что давление воздуха в пакете всегда одно и то же. Проще всего добиться одинаковости давления, взвешивая ракету до накачивания ее воздействия, что скорость пакеты расет с увеличением массы воды («сторевшего топлива»). На опите получается, что, начиная с некоторого значения m2m_2, скорость пакеты уменышается при увеличении массы воды (рис. 2). Это каждоеся противоречное можно объяснить тем, что скорость вытекания воды (∣v⃗2∣|\vec{v}_2|) зависит от ее массы. Так, при большом количестве воды объем скатного воздействия в пакете заметно увеличивается по мере выброса воды. Это приводит к уменьшению давления воздействия на воду, а значит, и скорости вытекания воды. Оптимальное значение m2m_2 можно найти экспериментально. В наших опытах объем воды составляет 30 cm³ при объеме пакеты 140 cm³.

В заключение приведем результаты одного из опитов: масса пакеты m1=53,15m_1 = 53,15 e, масса воды m2=30m_2 = 30 e, масса нагнетаемого воздействия на воду mB=0,53m_B = 0,53 e, сечение сопла пакеты S=3,1⋅10−5S = 3,1 \cdot 10^{-5} m², сила удара струпи F⃗=29\vec{F} = 29 n, экспериментально измеренная скорость пакеты v⃗13=14,7\vec{v}_{13} = 14,7 m/сек, а расчитанная по формуле Циолковского v⃗1p=13,9\vec{v}_{1p} = 13,9 m/сек. Отсюда

∣v⃗13∣−∣v⃗1p∣∣v⃗13∣⋅100%≈5,4%\frac{|\vec{v}_{13}| - |\vec{v}_{1p}|}{|\vec{v}_{13}|} \cdot 100\% \approx 5,4\%

то есть формула Циолковского проверена с вполне допустимой погрешностью измерения.