Bạn có quá quen thuộc với động cơ phản lực không?

32

Những thay đổi về vận tốc, cũng xảy ra theo những hướng ngược nhau, sẽ tỷ lệ nghịch với khối lượng của các vật thể, vì lượng chuyển động nhận được những thay đổi bằng nhau. Isaac Newton

…dưới tác dụng của các lực có tổng tỉ lệ với khối lượng của điểm, một điểm có khối lượng thay đổi… chuyển động giống như một điểm có khối lượng không đổi chuyển động dưới tác dụng của cùng một lực và với cùng dữ liệu ban đầu. Ivan Meshchersky

Tôi đã tìm ra một số khía cạnh của vấn đề nâng lên không gian với sự trợ giúp của một thiết bị phản lực tương tự như tên lửa. Konstantin Tsiolkovsky

Cơ chế hoạt động của động cơ tên lửa hoàn toàn giống với hiện tượng giật của súng; không cần có không khí để đẩy ra khỏi nó. Richard Feynman

Nó có quen thuộc với bạn không?

?

động cơ phản lực

Câu hỏi này khá phù hợp hiện nay, khi chúng ta kỷ niệm 50 năm phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái đất - sự kiện đánh dấu sự khởi đầu một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên khám phá vũ trụ của con người. Việc thực hiện ước mơ bấy lâu nay đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển của công nghệ máy bay phản lực. Lịch sử lâu dài, kéo dài hàng thiên niên kỷ của nó đã có một bước nhảy vọt nhanh chóng bất thường, chuyển từ dự đoán và tính toán sang thực hiện trực tiếp ý tưởng di chuyển không được hỗ trợ ra ngoài Trái đất. Và ở đây, không còn nghi ngờ gì nữa, chúng ta có thể tự hào về sự đóng góp mang tính quyết định vào lý thuyết và thực hành du hành vũ trụ của các nhà khoa học, kỹ sư và nhà thiết kế trong nước. Thời gian trôi qua, và những thành tựu tưởng chừng như kỳ diệu - vệ tinh đầu tiên, chuyến bay có người lái đầu tiên vòng quanh Trái đất, chuyến đi bộ ngoài không gian đầu tiên - đã trở thành thói quen, những giai đoạn lặp đi lặp lại nhiều lần. Bây giờ mọi người đến trạm quỹ đạo để làm việc và thậm chí… để đi du lịch. Tuy nhiên, các kế hoạch mới liên quan đến các chuyến bay liên hành tinh, ngăn ngừa nguy hiểm từ tiểu hành tinh, xây dựng vành đai công nghiệp quanh Trái đất và các căn cứ trên mặt trăng, cải thiện liên lạc vệ tinh và loại bỏ các thiết bị thiên văn ngoài bầu khí quyển dường như đã mở ra làn gió thứ hai cho ngành du hành vũ trụ. Và không một khu vực mới nổi nào của nó có thể làm được nếu không có những cỗ máy đặc biệt này - tên lửa. Bạn không chỉ có thể làm quen với nhiều vấn đề về động cơ phản lực mà còn có thể hiểu chúng một cách nghiêm túc, dựa trên các định luật cơ học nổi tiếng. Đây là những gì chúng tôi mời bạn làm ngày hôm nay.

Câu hỏi và bài toán

1. Liệu bánh xe Segner hiển thị ở hình có thể quay trong chân không (ví dụ: trong không khí rất loãng dưới chuông của máy bơm không khí) không? 2. Từ sàn toa sau của một đoàn tàu đang chuyển động, một người ném một hòn đá cản lại chuyển động của đoàn tàu làm cho hòn đá rơi thẳng đứng xuống đất. Công mà người đó thực hiện trong quá trình ném là bao nhiêu, nếu kết quả là hòn đá mất đi động năng mà nó có khi chuyển động cùng đoàn tàu? 3. Một chiếc xe chở đầy cát lăn dọc theo đường ray theo phương nằm ngang. Thông qua một lỗ ở phía dưới, cát được đổ vào giữa các đường ray. Vận tốc của xe thay đổi như thế nào? 4. Trong khi nhảy qua một đầm lầy, Nam tước Munchausen nhận thấy rằng mình sẽ không thể sang được bờ đối diện nên đã quay ngược ngay trên không “bằng nỗ lực của ý chí” và quay trở lại bờ nơi ông đã nhảy. Tại sao “trường hợp thực sự” này lại không thể xảy ra? 5. Những điều sau đây có thể được coi là do động cơ phản lực: a) súng quay lại khi bắn; b) bong bóng bay lên sau khi thả đá dằn? 6. Trong trường hợp nào một khẩu súng khi bắn có thể đạt được tốc độ lớn hơn viên đạn bắn ra từ nó? 7. Trên sân ga có thể di chuyển dọc theo đường ray, người ta lắp hai khẩu pháo giống hệt nhau, nòng của chúng hướng dọc theo đường ray theo hướng ngược nhau. Khi bắn đồng thời, cả hai viên đạn đều trúng mục tiêu. Liệu đạn có bắn trúng mục tiêu nếu một trong hai khẩu súng bắn sớm hơn khẩu kia một chút không? 8. Khi phóng tên lửa gắn ở đuôi máy bay để bảo vệ khỏi sự tấn công từ phía sau, người ta phát hiện đạn quay vòng và đuổi kịp máy bay. Làm thế nào điều này có thể được giải thích? 9. Phi hành gia đang ở trạng thái không trọng lượng, bị “treo” bên trong cabin của vệ tinh Trái đất. Làm sao nó có thể quay quanh trục dọc của nó? 10. Một phi hành gia đang ở cách xa tàu vũ trụ một khoảng, mang theo hai khẩu súng lục bắn một phát giống hệt nhau. Anh ta có thể bắn hai khẩu súng lục cùng lúc hoặc sử dụng lần lượt chúng. Phi hành gia nên làm gì để quay trở lại tàu nhanh hơn? 11. Tàu vũ trụ di chuyển quanh Trái đất sao cho nó luôn ở điểm mà lực hấp dẫn của Mặt trăng và Trái đất bù trừ cho nhau. Động cơ của tàu có chạy không?

12. Động cơ tên lửa hoạt động ở chế độ xung, phun ra các sản phẩm cháy theo từng phần bằng nhau với tốc độ bằng nhau và từ đó tăng tốc độ của tên lửa theo từng bước. Liệu độ lớn của sự gia tăng vận tốc này có thay đổi khi nhiên liệu cháy không? 13. Nếu tên lửa chuyển động so với người quan sát như trong hình thì khí thải chuyển động theo hướng nào? 14. Tốc độ của dòng khí so với tên lửa phóng không quá bốn km một giây. Làm thế nào một tên lửa có thể đạt được vận tốc thoát thứ nhất, và thậm chí còn hơn thế nữa, vận tốc thoát thứ hai? 15. Liệu có thể biến Trái đất thành một con tàu vũ trụ khổng lồ sử dụng động cơ tên lửa hiện đại cho mục đích này không?

Kinh nghiệm vi mô

Cuộn một sợi dây rất mỏng thành một hình xoắn ốc nhỏ, bôi nhẹ bằng dầu hoặc Vaseline và cẩn thận đặt nó xuống nước bằng nhíp hoặc một cái nĩa thông thường. Sau đó, dùng pipet hoặc ống hút lấy vài giọt dung dịch xà phòng rồi nhỏ từng giọt vào giữa hình xoắn ốc. Hình xoắn ốc sẽ hành xử như thế nào? Tại sao?

Thật thú vị rằng…

…khả năng sử dụng công suất phản kháng của máy bay phản lực hơi nước, ít nhất là dưới dạng một món đồ chơi, đã được Heron của Alexandria phát hiện vào thế kỷ thứ nhất của kỷ nguyên mới. Và vào năm 1750, nhà khoa học người Hungary Janos Segner đã phát minh ra một trong những tuabin phản lực thủy lực đầu tiên dựa trên nguyên lý này - “Bánh xe Segner”. Hiệu quả của nó ngày nay có thể được quan sát thấy trên các bãi cỏ được tưới bằng vòi phun quay trên cột nước. …tên lửa bột, được biết đến ở Trung Quốc từ thế kỷ 11, không chỉ được sử dụng để bắn pháo hoa mà còn được sử dụng trong các vấn đề quân sự - làm đạn gây cháy và nổ, cũng như phương tiện chiếu sáng. Tuy nhiên, tên lửa chiến đấu thực sự được tạo ra vào năm 1817 bởi nhà khoa học pháo binh người Nga, Tướng A.D. Zasyadko và được sử dụng thành công trong việc bảo vệ Sevastopol vào năm 1854–55 trong Chiến tranh Krym. …hiện tượng giật lùi khiến các loại súng cổ xưa quay ngược lại cuối cùng đã được sử dụng để nạp lại súng, chẳng hạn như súng máy, súng lục tự động và đại bác bắn nhanh. …trong lý thuyết tên lửa nhiều tầng được phát triển bởi K.E. Tsiolkovsky vào năm 1926, người ta đã chứng minh rằng giai đoạn cuối của tên lửa có khả năng đạt vận tốc thoát đầu tiên. Nó xuất phát từ lý thuyết cho rằng nên loại bỏ các thùng chứa, đường ống và động cơ của các giai đoạn đã qua sử dụng có mức tiêu thụ nhiên liệu cao và lý tưởng nhất là liên tục loại bỏ khối lượng không cần thiết của tên lửa, điều này vẫn chưa khả thi về mặt cấu trúc. …người khổng lồ trong số các tên lửa nhiều tầng vẫn là Saturn 5, nó đã phóng tàu vũ trụ Apollo 11 lên quỹ đạo, đưa các phi hành gia Mỹ lên Mặt trăng vào ngày 20 tháng 7 năm 1969.

Khối lượng phóng của hệ thống là 2950 tấn, chiều cao của nó là 111 mét. …ngoài động cơ đẩy mạnh mẽ, công nghệ tên lửa và vũ trụ còn sử dụng cái gọi là tự động kích nổ, với sự trợ giúp của thuốc nổ bài toán “được trang sức” về khối lượng và kích thước, ngay lập tức tách rời các thành phần cấu trúc, cắt dây cáp điện, bắn dù và phóng các thiết bị khác nhau. …bầu không khí giúp giảm tốc độ khi hạ cánh tàu vũ trụ xuống Trái đất: phanh trong đó cho phép bạn sử dụng dù ở giai đoạn hạ cánh cuối cùng. Khả năng này hoàn toàn biến mất khi hạ xuống Mặt trăng - việc không có bầu khí quyển trên đó buộc tốc độ chỉ bị giảm bởi các xung phản ứng và những mét cuối cùng của hành trình, thiết bị sẽ đáp xuống dòng khí từ vòi phun. …để được vận chuyển từ lục địa này sang lục địa khác với tốc độ hơn mười nghìn km một giờ trong các tầng khí quyển loãng, để phóng tải trọng từ các sân bay thông thường vào quỹ đạo Trái đất thấp phải là máy bay thế hệ mới với động cơ thở không khí siêu thanh, ngày nay được tạo ra bởi các chuyên gia trong và ngoài nước. …câu trả lời cho tốc độ cao bất ngờ của các sao neutron siêu đậm đặc mới sinh, đạt tới 1500 km/giây, có thể là một động cơ phản lực tự nhiên - bức xạ của neutrino, mang đi năng lượng khổng lồ và có khả năng tạo ra xung giật cần thiết. …lý tưởng cho các chuyến bay giữa các vì sao sẽ là một tên lửa giả định, vai trò của một luồng khí trong đó sẽ được thực hiện bởi một chùm photon, nói cách khác, tốc độ của “máy bay phản lực” sẽ bằng tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, sức mạnh của một tên lửa chỉ nặng một tấn như vậy khi di chuyển với gia tốc bằng g sẽ phải vượt quá sức mạnh của một nhà máy điện lớn như nhà máy thủy điện Bratsk khoảng 1000 lần. …tất cả các cường quốc không gian đang chuẩn bị cho bước đột phá tiếp theo vào không gian trong mười lăm năm tới. Trước hết, đây là một loạt các cuộc thám hiểm mặt trăng. Hàng xóm của chúng ta đã được coi là nơi thử nghiệm các công nghệ cần thiết để chinh phục sao Hỏa, làm căn cứ trên đường đến các hành tinh khác, làm đài quan sát thiên văn mới, và thậm chí… là bảo tàng ngoài trời cho khách du lịch vũ trụ đến tham quan.

Những gì cần đọc trong «Kvant» về động cơ phản lực

(xuất bản những năm gần đây)

1. “Tại sao chong chóng quay?” – 2002, Phụ lục số 4, tr. 121; 2. “Phóng một vệ tinh tốn bao nhiêu tiền?” – 2002, số 5, tr. 30; 3. “Phương trình lớn của cơ học” – 2003, số 5, tr. 35; 4. “Thí nghiệm với chai nhựa” – 2004, số 4, tr. 20; 5. “Kính vạn hoa” Kvant” – 2004, Số 5, trang 32, 6. “Bulava” – 2005, Số 1, trang 29, 7. “Tại sao chính xác là tên lửa” - 2005, Phụ lục số 6, trang 142, 8. “Một học sinh nghĩ đến việc dừng Trái đất như thế nào” - 2006, Số 5, trang 28.

Ấn phẩm được chuẩn bị bởi A. Leonovich