Реактивность и движение при помощи этого - довольно широко распространенное явление в природе. Ну а ученые и изобретатели «подсмотрели» и использовали его в своих технических разработках. Примеры можно видеть повсюду. Зачастую мы сами не обращаем внимания на то, что тот или иной объект - живое существо, технический механизм - движется при помощи данного явления.

Что такое реактивное движение?

В живой природе реактивность - движение, которое может возникать в случае отделения от тела его какой-либо частички с определенной скоростью. В технике использует тот же принцип - закон сохранения импульсов. Примеры реактивного движения техники: в ракете, состоящей из оболочки (которая к тому же включает в себя двигатель, приборы управления, полезную площадь для перемещения грузов) и топлива с окислителем, топливо сгорает, превращаясь в газы, которые мощной струей вырываются наружу через сопла, придавая всей конструкции скорость в обратном направлении.

Примеры реактивного движения в природе

Довольно многие живые существа используют данный принцип движения. Он характерен для личинок некоторых видов стрекоз, медуз, моллюсков - морского гребешка, каракатиц, осьминогов, кальмаров. А в растительном мире - флоре Земли - также встречаются виды, использующие такое явление для осеменения.

«Бешеный огурец»

Примеры реактивного движения предоставляет нам флора. Только по внешнему виду это растение со странным прозвищем сходно с привычными нам огурцами. А эпитет «бешеный» оно приобрело из-за не совсем привычного способа распространения своих семян. Созревая, плоды растения отскакивают от плодоножек. В результате образуется отверстие, через которое огурец выстреливает жидкостью, содержащей пригодные для размножения семена, используя реактивность. А сам плод может при этом отлетать на расстояние до 12 метров в противоположную выстрелу сторону.

Как движется каракатица?

Примеры реактивного движения довольно широко представлены в фауне. Каракатица - головоногий моллюск, имеющий особую воронку, которая находится в передней части туловища. Через нее (и еще сквозь дополнительную боковую щель) вода поступает внутрь тела животного, в жаберную полость. Затем жидкость резко выбрасывается через воронку, а специальную трубку каракатица может направлять вбок или назад. Возникающая обратная сила обеспечивает движение в различные стороны.

Сальпа

Данные животные из семейства оболочников - яркие примеры реактивного движения в природе. Они имеют просвечивающиеся цилиндрические тела небольших размеров и обитают в поверхностных водах мирового океана. При движении животное втягивает воду сквозь отверстие, расположенное в передней части туловища. Жидкость помещается в широкой полости его тела, в котором по диагонали располагаются жабры. Сальпа делает глоток воды, и в это же время отверстие плотно закрывается, а мускулы тела - поперечные и продольные - сокращаются. От того все тело сальпы сжимается, а вода резко выталкивается прочь из заднего отверстия. Таким образом, сальпы используют принцип реактивности в своем движении в водной стихии.

Медузы, моллюски, планктон

В море есть еще обитатели, которые передвигаются подобным образом. Все хоть раз наверняка, отдыхая на побережье, встречали в воде различные виды медуз. А ведь они также передвигаются, используя реактивность. Морской планктон, точнее, некоторые его и гребешки - все они передвигаются так.

Примеры реактивного движения тел. Кальмар

Уникальное строение тела имеет кальмар. По сути в его строении природой заложен мощный реактивный двигатель, имеющий отличный КПД. Этот представитель фауны морей и океанов обитает порой на больших глубинах и достигает огромных размеров. Даже тело животного напоминает своими формами ракету. Точнее, это современная придуманная учеными ракета имитирует формы кальмара, сотворенные природой. Причем для неторопливых движений в водной среде используется плавник, а вот если нужен рывок, то принцип реактивности!

Если вас попросят: приведите примеры реактивного движения в природе, то в первую очередь можно говорить об этом моллюске. Его мышечная мантия окружает полость, находящуюся в теле. Вода засасывается туда извне, а затем выбрасывается довольно резко через узкое сопло (напоминающее ракетное). Результат: кальмар движется рывками в обратном направлении. Эта особенность позволяет животному передвигаться с довольно высокими скоростями, настигая свою добычу или уходя от погони. Он может развить скорость под стать хорошо оснащенному современному судну: до 70 километров в час. А некоторые ученые, подробно исследующие феномен, говорят о скорости, достигающей 150 км/ч! К тому же у данного представителя океана имеется неплохая маневренность за счет щупальцев, сложенных пучком, изгибающихся при движении в нужные стороны.

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение Сычевская средняя общеобразовательная школа №1

Творческий проект

в номинации

«Технические науки»

на тему «Реактивное движение»

Проектант: ученица 9 «А» класса Савинова Анна

Руководитель: учитель физики

Гулакова Ирина Александровна

Сычевка 2011

Глава 1. Определение реактивного движения 5

§1. Что такое реактивное движение 5

§ 2. Реактивное движение в животном мире 5

§ 3. Реактивное движение в мире растений 5

Глава 2. Использование реактивного движения 7

§1. Самолеты 7

§2. Дождевальные установки 7

§3. Шланги 7

§4. Фейерверки 8

§5. Снаряды «Катюша» и боевые ракеты 8

§6. Космические ракеты 9

Глава 3. Ракеты 10

§ 1. Принцип действия ракеты 10

§ 2. Устройство ракеты 10

§ 3. История изобретения ракет 11

§ 4. Ракета как средство передвижения 12

§ 5. Применение ракет 12

Глава 4. Уравнение Мещерского 14

§ 1. Иван Всеволодович Мещерский 14

§ 2. Импульс 14

§ 3. Уравнение Мещерского 15

Глава 5. Константин Эдуардович Циолковский. Формула Циолковского 16

§ 1. Константин Эдуардович Циолковский 16

§ 2. Формула Циолковского 16

Глава 6. Реактивные ранцы 18

Глава 7. Интересный факт 20

Заключение 21

Литература 22

Цели и задачи

Изучить основные принципы реактивного движения

Найти информацию о наиболее интересных способах реактивного движения

Углубление и расширение знаний, полученных на уроках, повышение интереса к физике

Формирование научного мировоззрения

Развитие умения получать новые знания с помощью печатных источников и сети Интернет

Введение

Человек всегда хотел научиться летать. Его мечта исполнилась недавно – был построен самолёт. Но человек развивается, и развиваются его мечты. Вместо облаков человек захотел подняться к звёздам. Эта мечта осуществима только благодаря существованию в природе реактивного движения.

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. Реактивное движение помогло конструкторам и инженерам построить ракету. Изучение реактивного движения важно для прогресса науки.

Глава 1. Определение реактивного движения §1. Что такое реактивное движение

Реактивное движение – движение тела, возникающее при отделении от него с какой-либо скоростью некоторой его части, в результате чего само тело приобретает противоположно направленный импульс

§ 2. Реактивное движение в животном мире

Р
еактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно осьминогам, кальмарам, каракатицам, медузам – все они, без исключения, используют для плавания реакцию (отдачу) выбрасываемой струи воды.

Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие - "воронку", и с большой скоростью (около 70 км\час) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой и он приобретает обтекаемую форму.

Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя.

Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед

§ 3. Реактивное движение в мире растений

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений.

В южных странах (и на побережье Черного моря) произрастает растение под названием "бешеный огурец". Стоит только слегка прикоснуться к созревшему плоду, похожему на огурец, как он отскакивает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами.

Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.

Глава 2. Использование реактивного движения §1. Самолеты

С
амолет (он же аэроплан) - летательный аппарат (ЛА) тяжелее воздуха для полетов в атмосфере с помощью двигателей и неподвижным относительно других частей аппарата крылом.

Первые попытки построить самолёт предпринимались ещё в XIX веке. Первым самолётом, построенным в натуральную величину в 1882 году и запатентованным, является самолёт Можайского А. Ф. Кроме того, самолёты с паровыми двигателями строили Адер и Максим. Однако ни одна из этих конструкций не смогла подняться в воздух. Причинами этого служили: слишком высокая взлётная масса и низкая удельная мощность двигателей - (паровых машин), отсутствие теории полёта и управления, теории прочностных и аэродинамических расчётов. В связи с этим самолёты строились «наобум», «на глазок», несмотря на наличие инженерного опыта у многих пионеров авиации.

Первые успехи русской авиации датируются 1910 годом. 4 июня профессор Киевского политехнического института князь Александр Кудашев пролетел несколько десятков метров на самолёте-биплане собственной конструкции.

16 июня молодой киевский авиаконструктор Игорь Сикорский впервые поднял свой самолёт в воздух, а ещё через три дня состоялся полёт самолёта инженера Якова Гаккеля необычной для того времени схемы биплан с фюзеляжем (бимоноплан).

§2. Дождевальные установки

Д
ождевальные машины и установки, служат для полива дождеванием сельскохозяйственных культур. По дальности полёта капель подразделяются на короткоструйные насадки (5 - 8 м), среднеструйные (15 - 35 м) и дальнеструйные аппараты (40 - 80 м и более). Короткоструйные насадки не имеют движущихся частей и создают веерообразный поток поды. Полив осуществляется в движении с забором воды из открытого канала.

§3. Шланги

Шланг - полая трубка, предназначенная для переноса веществ (обычно жидкости) от одного месторасположения к другому. Шланги также иногда называют трубами (слово труба обычно относится к твердым телам, тогда как шланг - обычно гибкий). Как правило, шланг имеет форму цилиндра (кольцо в поперечном сечении).

Значение шланга сложно переоценить в современном мире, он используется под водой и в космосе, способы его применения столь разнообразны, что охватывают бо́льшую часть человеческой жизнедеятельности.

§4. Фейерверки

Ф
ейерве́рк (нем. Feuerwerk, от Feuer - огонь и Werk - дело, работа) - декоративные огни разнообразных цветов и форм, получаемые при сжигании пиротехнических составов.

Ещё в древние времена придавали огню большое значение. Его использовали и как средство коммуникации, и как предупреждение об опасности, и для оформления различных ритуалов, священнодействий. У многих народов существуют традиции, связанные с использованием костров (в России - это Масленица, праздник Ивана Купалы), свечей, факелов и т. п. Это были прообразы первых фейерверков.

Существует предположение, что первыми фейерверками были куски зелёного бамбука, который взрывался, когда его бросали в костёр. Взрывающимся бамбуком китайцы отпугивали злых духов на все праздники, пока не изобрели порох. В поиске эликсира бессмертия даосские учёные смешали селитру, древесный уголь и серу, получив чёрный порошок, который горел медленно, но очень устойчиво и ярко.

§5. Снаряды «Катюша» и боевые ракеты

Катю́ша - появившееся во время Великой Отечественной войны 1941-45 неофициальное название бесствольных систем полевой реактивной артиллерии. Такие установки активно использовались Вооружёнными Силами СССР во время Второй мировой войны.

Боевая ракета - ракета, доставляющая средства поражения к цели.

По конструктивным признакам боевые ракеты подразделяются на баллистические и крылатые, а также на управляемые и неуправляемые.

По характеру решаемых задач боевые ракеты подразделяются на тактические, оперативно-тактические, стратегические (дальность полета более 1000 км), противолодочные и зенитные.

§6. Космические ракеты

Глава 3. Ракеты

Ракета (от итал. rocchetta - маленькое веретено) аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Полёт ракеты не требует обязательного наличия окружающей воздушной или газовой среды и возможен не только в атмосфере, но и в вакууме. Словом ракета обозначают широкий спектр летающих устройств от праздничной петарды до космической ракеты-носителя.

§ 1. Принцип действия ракеты

Принцип действия ракеты очень прост. Ракета с большой скоростью выбрасывает вещество (газы), воздействуя на него с большой силой. Выбрасываемое вещество с той же, но противоположно направленной силой, в свою очередь, действует на ракету и сообщает ей ускорение в противоположном направлении. Если нет внешних сил, то ракета вместе с выброшенным веществом является замкнутой системой. Импульс такой системы не может меняться во времени. На этом положении и основана теория движения ракет.

§ 2. Устройство ракеты

головная часть (космический корабль, приборный отсек);

бак с окислителем и бак с топливом (в качестве топлива может использоваться, например, жидкий водород, а в качестве окислителя жидкий кислород);

насосы, камера сгорания топлива;

сопло (сужение камеры для увеличения скорости истечения продуктов сгорания)

Многоступе́нчатая раке́та - летательный аппарат, состоящий из двух или более механически соединённых ракет, называемых ступенями, разделяющихся в полёте. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.

Впервые идея использования многоступенчатых ракет была выдвинута американским инженером Робертом Годдардом в 1914 году, и был получен патент на изобретение. В 1929 г. К.Э. Циолковский выпустил в свет свою новую книгу под заглавием «Космические ракетные поезда». Этим термином К. Циолковский назвал составные ракеты или, вернее, агрегат ракет, делающих разбег по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведётся сначала первой - головной ракетой; по использовании её горючего, она отцепляется и сбрасывается на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвёртая и, наконец, пятая, скорость которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы унестись в межпланетное пространство. Последовательность работы с головной ракеты вызвана стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, что позволит облегчить конструкцию. По Циолковскому, длина каждой ракеты - 30 метров. Диаметры - 3 метра. Газы из сопел вырываются косвенно к оси ракет, чтобы не давить на следующие ракеты. Длина разбега по земле - несколько сот километров.

Несмотря на то, что в технических деталях ракетостроение пошло во многом по другому пути (современные ракеты, например, не «разбегаются» по земле, а взлетают вертикально, и порядок работы ступеней современной ракеты - обратный, по отношению к тому, о котором говорил Циолковкий), сама идея многоступенчатой ракеты и сегодня остаётся актуальной.

В 1935 году Циолковский написал работу «Наибольшая скорость ракеты», в которой утверждал, что при уровне технологии того времени достичь первой космической скорости (на Земле) можно только с помощью многоступенчатой ракеты. Это утверждение сохраняет свою справедливость и сегодня: все современные носители космических аппаратов - многоступенчатые.

§ 3. История изобретения ракет

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

Истоки возникновения ракет большинство историков относят ко временам китайской династии Хань (206 год до н. э.-220 н. э.), к открытию пороха и началу его использования для фейерверков и развлечений. Сила, возникающая при взрыве порохового заряда была достаточной, чтобы двигать различные предметы. Позже этот принцип нашёл применение при создании первых пушек и мушкетов. Снаряды порохового оружия могли летать на далёкие расстояния, однако не были ракетами, поскольку не имели собственных запасов топлива. Тем не менее, именно изобретение пороха стало основной предпосылкой возникновения настоящих ракет. Описание летающих "огненных стрел", применявшихся китайцами, показывает, что эти стрелы были ракетами. К ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Такие стрелы применялись в ряде случаев при осаде укреплений, против судов, кавалерии.

В соответствии со свидетельством древнеримского писателя Авла Геллия (лат. Aulus Gellius) одно из первых реактивных устройств использовалось более 2000 лет назад, ещё в 400 году до н. э., греческим философом-пифагорейцем Архитом Тарентским, заставлявшим деревянного голубя двигаться вдоль проволоки с помощью пара, перед глазами изумлённых жителей своего города. Архит Тарентский использовал принцип «действие-противодействие», который был научно описан только в XVII веке.

Известно, что ракеты применялись запорожскими казаками, начиная с XVI-XVII вв. В XVII веке белорусский военный инженер Казимир Семенович описал многоступенчатую ракету.

§ 4. Ракета как средство передвижения

За несколько дней до казни Кибальчич разработал оригинальный проект летательного аппарата, способного совершать космические перелёты, и передал адвокату не просьбу о помиловании или жалобу, а «Проект воздухоплавательного прибора». Про свой аппарат он написал: «Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов цилиндр должен подняться вверх. Кибальчич был казнен в 1881 году, и только в 1918 конверт с его проектом стал доступен ученым. Его аппарат должен был работать на прессованном порохе

В 1957 г. в СССР под руководством Сергея Королёва как средство доставки ядерного оружия была создана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета Р-7, которая в том же году была использована для запуска первого в мире искусственного спутника Земли. Так началось применение ракет для космических полётов.

§ 5. Применение ракет

Ракеты используются как способ доставки средств поражения к цели. Так как для управления боевой ракетой не нужен пилот, она может нести заряды большой разрушительной силы, в том числе ядерные. Современные системы самонаведения и навигации дают ракетам большую точность и манёвренность.

Самолёты и воздушные шары, запускаемые для изучения атмосферы Земли имеют высотный потолок 30-40 километров. Ракеты такого потолка не имеют и используются для зондирования верхних слоёв атмосферы, главным образом мезосферы и ионосферы.

Ракета пока является единственным транспортным средством, способным вывести космический аппарат в космос.

Используемые для нужд космонавтики ракеты называются ракетами-носителями, так как они несут на себе полезную нагрузку. Чаще всего в качестве ракет-носителей используются многоступенчатые баллистические ракеты. Старт ракеты-носителя происходит с Земли, или, в случае долгого полёта, с орбиты искусственного спутника Земли.

Существуют люди увлекающиеся ракетомодельным спортом, чьё хобби состоит в постройке и запуске моделей ракет. Также ракеты используют в любительских и профессиональных фейерверках.

Ракеты на перекиси водорода применяются в реактивных ранцах, а также ракеты используются как двигатель в ракетных автомобилях. Ракетные автомобили сохраняют рекорд в гонках на максимальное ускорение.

Глава 4. Уравнение Мещерского § 1. Иван Всеволодович Мещерский

Иван Всеволодович Мещерский (1859-1935) - русский учёный, основоположник механики тел переменной массы.

Родился в городе Архангельске в небогатой семье. В 1878 г. поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Это было время расцвета Петербургской математической школы, созданной П. Л. Чебышевым. Здесь Мещерский с интересом слушал лекции как самого Чебышева, так и известных в то время профессоров А. Н. Коркина (1837-1908), К. А. Поссе (1847-1928) и многих других.

В студенческие годы Мещерский с особым интересом занимался механикой. В 1882 г. он окончил университет и был оставлен для подготовки к профессорскому званию. С этого времени начинается его более чем полувековая научно-педагогическая деятельность. В 1891 г. он получил кафедру механики на Петербургских высших женских курсах, которую занимал до 1919 г., то есть до слияния этих курсов с университетом. В 1897 г. Мещерский успешно защитил в Петербургском университете диссертацию на тему «Динамика точки переменной массы», представленную, им для получения степени магистра прикладной математики.

В 1902 г. он был приглашён заведовать кафедрой в Петербургский политехнический институт. Здесь до конца жизни протекала его основная научно-педагогическая работа. И. В. Мещерский 25 лет вёл педагогическую работу в Петербургском университете и 33 года в Политехническом институте. За эти годы он обучил тысячи специалистов. Многие его слушатели стали крупными учёными (академик А. Н. Крылов, профессор Г. В. Колосов и др.).

За выдающиеся заслуги в области науки И. В. Мещерскому в 1928 году было присвоено звание заслуженного деятеля науки. Его именем назван кратер на Луне.

§ 2. Импульс

Каждый знает, что выстрел из ружья сопровождается отдачей. Если бы вес пули равнялся бы весу ружья, они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость истекающих газов, тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Это легко объяснить из закона сохранения импульса, который гласит, что геометрическая (т.е. векторная) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.

§ 3. Уравнение Мещерского

Широко известен его курс теоретической механики и особенно его «Сборник задач по теоретической механике» (1914), выдержавший 36 изданий и принятый в качестве учебного пособия для высших учебных заведений не только в СССР, но и в ряде зарубежных стран. Сборник Мещерского, как и его работа «Преподавание механики и механические коллекции в некоторых высших учебных заведениях Италии, Франции, Швейцарии и Германии» (1895), немало способствовали подъёму научного и педагогического уровня преподавания механики в высших учебных заведениях России.

Во втором выдающемся труде Мещерского «Уравнения движения точки переменной массы в общем случае» (1904) его теория получила окончательное и в высшей степени изящное выражение. Здесь он устанавливает и исследует общее уравнение движения точки, масса которой изменяется от одновременного процесса присоединения и отделения материальных частиц. Это уравнение известно как уравнение Мещерского.

Иван Всеволодович Мещерский в 1904 году получил уравнение для тел переменной массы.

Здесь m – текущая масса ракеты, а - ежесекундный расход массы, V – скорость газовой струи (т.е. скорость истечения газов относительно ракеты), F – внешние силы, действующие на ракету.

Глава 5. Константин Эдуардович Циолковский. Формула Циолковского § 1. Константин Эдуардович Циолковский

Ни один учёный, ни один писатель-фантаст за многие века не смог назвать единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос. Это смог осуществить русский учёный Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

Константи́н Эдуа́рдович Циолко́вский (5 (17) сентября 1857, Ижевское, Рязанская губерния, Российская империя - 19 сентября 1935, Калуга, СССР) - русский и советский учёный-самоучка, исследователь, школьный учитель. Основоположник современной космонавтики. Обосновал вывод уравнения реактивного движения, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» - прототипов многоступенчатых ракет. Автор работ по аэродинамике, воздухоплаванию и другим наукам.

Представитель русского космизма, член Русского общества любителей мироведения. Автор научно-фантастических произведений, сторонник и пропагандист идей освоения космического пространства. Циолковский предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций, выдвинул идеи космического лифта, поездов на воздушной подушке. Считал, что развитие жизни на одной из планет Вселенной достигнет такого могущества и совершенства, что это позволит преодолевать силы тяготения и распространять жизнь по Вселенной.

К. Э. Циолковский утверждал, что теорию ракетостроения он разработал лишь как приложение к своим философским изысканиям. Им написано более 400 работ, большинство которых мало известны широкому читателю.

§ 2. Формула Циолковского

Формула Циолковского определяет скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил. Эта скорость называется характеристической.

К. Э. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета.

Максимально достижимая скорость зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла, которая в свою очередь зависит прежде всего от вида топлива и температуры газовой струи. Чем выше температура, тем больше скорость. Значит, для ракеты нужно подбирать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. Отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя (т.е. по существу к весу пустой ракеты) называется числом Циолковского.

Основной вывод состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.

Выведенная в конце XIХ века, формула Циолковского и сегодня составляет важную часть математического аппарата, используемого при проектировании ракет, в частности, при определении их основных массовых характеристик.

Глава 6. Реактивные ранцы

Р
еактивный ранец - персональный летательный аппарат, носимый на спине, позволяющий человеку подниматься в воздух посредством реактивной тяги. Тяга создаётся за счёт выбрасываемой двигателем вертикально вниз реактивной струи.

Ракетные ранцы весьма просты по конструкции, поэтому именно они получили распространение. Классический ракетный ранец конструкции Венделла Мура может быть изготовлен в условиях частной мастерской, хотя для этого требуются хорошая инженерная подготовка и высокий уровень слесарного мастерства. Главный недостаток ракетного ранца - малая продолжительность полёта (до 30 секунд) и большой расход дефицитного топлива - перекиси водорода. Эти обстоятельства ограничивают сферу применения ракетных ранцев весьма эффектными публичными демонстрационными полётами. Полёты на ракетных ранцах всегда захватывают внимание зрителей и имеют большой успех. Например, такой полёт был устроен в ходе торжественного открытия летних Олимпийских игр 1984 года в Лос-Анджелесе, США.

Ещё во время Второй мировой войны Германия широко применяла двигатели, работающие на перекиси водорода: в торпедах, подводных лодках, самолётах и ракетах. Например, истребитель-перехватчик Me-163 имел жидкостный ракетный двигатель, в который подавалась 80-процентная перекись водорода и жидкий катализатор (раствор перманганата калия либо смесь метанола, гидразин-гидрата и воды). В камере сгорания перекись водорода разлагалась с образованием большого объёма перегретой парогазовой смеси, создавая мощную реактивную тягу. Серийный самолёт имел скорость до 960 км/ч, мог подниматься на высоту 12 000 метров за 3 минуты, с продолжительностью полёта до 8 минут. Перекись водорода также применялась в ракетах Фау-2, но в качестве вспомогательного топлива - на ней работали турбонасосы, подававшие горючее и окислитель в камеру сгорания главного ракетного двигателя.

После окончания войны немецкие ракетные технологии вместе со знаменитым конструктором Вернером фон Брауном попали в США. Один из работавших с Брауном американских инженеров, Томас Мур придумал индивидуальный летательный аппарат, который он назвал «реактивным жилетом». «Реактивный жилет» работал на перекиси водорода. «Реактивный жилет» был изготовлен и на стендовых испытаниях сумел на несколько секунд приподнять пилота над землёй.

Однако «жилет» Мура имел крайне неудобную систему управления. На груди пилота размещалась коробочка, от которой шли тросики к регулятору тяги и двум управляемым соплам ранца. Справа и слева коробочка имела маховички: правый маховичок управлял тягой, а слева два соосных рулевых маховичка управляли левым и правым соплами. Каждое сопло могло отклоняться вперёд или назад. Если требовалось повернуть в сторону, пилот вращал один из маховичков, отклоняя одно сопло. Для того, чтобы лететь вперёд или назад, пилот вращал оба маховичка одновременно. Так это выглядело в теории. «Реактивный жилет» Томаса Мура так и не смог совершить самостоятельный полет, армия прекратила финансирование, и работы были свёрнуты.

В 1958 году Гарри Бурдетт и Александер Бор, инженеры компании «Тиокол», создали «прыжковый пояс», которому они дали название «Кузнечик». Тяга создавалась сжатым азотом высокого давления. На «поясе» были закреплены два небольших сопла, направленных вертикально вниз. Носитель «пояса» мог открывать клапан, выпуская из баллона сжатый азот через сопла, при этом его подбрасывало вверх на высоту до 7 метров. Наклонившись вперёд, можно было при помощи создаваемой «прыжковым поясом» тяги бежать со скоростью 45-50 км/ч. Затем Бурдетт и Бор опробовали и перекись водорода. «Прыжковый пояс» был продемонстрирован военным в действии, но финансирования не было, и дальше пробных экспериментов дело снова не пошло.

В последние годы ракетный ранец становится популярен у энтузиастов, которые строят его своими силами. Конструкция ранца довольно проста, но секрет пригодного для полётов ранца заключается в двух ключевых узлах: газогенераторе и клапане-регуляторе тяги. Именно их когда-то доводил до ума Венделл Мур в ходе долгих испытаний.

Распространение ранцев сдерживается и дефицитом концентрированной перекиси водорода, которая уже не производится крупными химическими компаниями. Ракетчики-любители строят собственные установки по её производству методом электролиза.

Н
а настоящий день в мире насчитывается не более 5 успешно летающих ракетных ранцев. За сорок с лишним лет со дня первого полёта Гарольда Грэма лишь одиннадцать человек (включая его самого) летали на ранце в свободном полёте (без страховочной привязи). Самым известным из них, как уже упоминалось, является Билл Сьютор, который когда-то жил по соседству с Венделлом Муром и попросил возможности полетать на ранце, который Мур привёз домой в багажнике. Американцы увеличили время полета с реактивным ранцем в 4 раза.

Глава 7. Интересный факт

Интересное применение реактивного движения нашли создатели мультипликационных фильмов. Благодаря реактивному движению создана эффектная анимация. Вот некоторые кадры из мультфильмов:

Заключение

В результате проделанной работы я изучила принципы реактивного движения и нашла информацию по данной теме. Кроме того, я расширила знания по физике. Раньше я думала, что реактивное движение используется только при строительстве ракет, а теперь я узнала, что оно используется и в самолетостроении, и в фейерверках, и даже в ракетных ранцах, позволяющих парить над землей и выполнять разнообразные трюки. Можно сказать, что реактивное движение совершило целый переворот в авиации и переоценить его значение невозможно. Самолеты перевозят тысячи людей, затратив минимум времени, а на ракетах космонавты изучают другие планеты. Кроме того, реактивное движение встречается и в живой природе.

Литература

Билимович Б.Ф. "Физические викторины"

Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.

Гельфер Я. М. Законы сохранения. – М.: Наука, 1967.

Кузов К. Мир без форм. – М.:Мир, 1976.

Детская энциклопедия. – М.: Издательство АН СССР, 1959.

Купов А., Виноградов А. «Реактивное движение в природе и технике»

Большая Российская энциклопедия, 1999 с 456,476-477

Интернет-энциклопедия «Википедия»

Реактивное движение в природе и в технике - весьма распространенное явление. В природе оно возникает, когда одна часть тела отделяется с определенной скоростью от некоторой другой части. При этом реактивная сила появляется без взаимодействия данного организма с внешними телами.

Для того чтобы понять, о чем идет речь, лучше всего обратиться к примерам. в природе и технике многочисленны. Сначала мы поговорим о том, как его используют животные, а затем о том, как оно применяется в технике.

Медузы, личинки стрекоз, планктон и моллюски

Многие, купаясь в море, встречали медуз. В Черном море их, во всяком случае, хватает. Однако не все задумывались, что передвигаются медузы как раз с помощью реактивного движения. К этому же способу прибегают и личинки стрекоз, а также некоторые представители морского планктона. КПД беспозвоночных морских животных, которые используют его, зачастую намного выше, чем у технических изобретений.

Многие моллюски передвигаются интересующим нас способом. В качестве примера можно привести каракатиц, кальмаров, осьминогов. В частности, морской моллюск-гребешок способен двигаться вперед, используя реактивную струю воды, которая выбрасывается из раковины, когда ее створки резко сжимаются.

И это лишь несколько примеров из жизни животного мира, которые можно привести, раскрывая тему: "Реактивное движение в быту, природе и технике".

Как передвигается каракатица

Весьма интересна в этом отношении и каракатица. Подобно множеству головоногих моллюсков, она передвигается в воде, используя следующий механизм. Через особую воронку, находящуюся впереди тела, а также через боковую щель каракатица забирает воду в свою жаберную полость. Затем она ее энергично выбрасывает через воронку. Трубку воронки каракатица направляет назад или вбок. Движение при этом может осуществляться в разные стороны.

Способ, который использует сальпа

Любопытен и способ, который использует сальпа. Так называется морское животное, имеющее прозрачное тело. Сальпа при движении втягивает воду, используя для этого переднее отверстие. Вода оказывается в широкой полости, а внутри нее по диагонали расположены жабры. Отверстие закрывается тогда, когда сальпа делает большой глоток воды. Ее поперечные и продольные мускулы сокращаются, сжимается все тело животного. Сквозь заднее отверстие вода выталкивается наружу. Животное двигается вперед благодаря реакции вытекающей струи.

Кальмары - "живые торпеды"

Самый большой интерес представляет, пожалуй, реактивный двигатель, который есть у кальмара. Это животное считается наиболее крупным представителем беспозвоночных, обитающим на больших океанских глубинах. В реактивной навигации кальмары достигли настоящего совершенства. Даже тело этих животных напоминает ракету своими внешними формами. Вернее сказать, это ракета копирует кальмара, так как именно ему принадлежит бесспорное первенство в этом деле. Если нужно передвигаться медленно, животное использует для этого большой ромбовидный плавник, который время от времени изгибается. Если же необходим быстрый бросок, на помощь приходит реактивный двигатель.

Со всех сторон тело моллюска окружает мантия - мышечная ткань. Практически половина всего объема тела животного приходится на объем ее полости. Кальмар использует мантийную полость для движения, засасывая воду внутрь нее. Затем он резко выбрасывает набранную струю воды сквозь узкое сопло. В результате этого он двигается толчками назад с большой скоростью. При этом кальмар складывает все свои 10 щупалец в узел над головой для того, чтобы приобрести обтекаемую форму. В составе сопла есть особый клапан, и мышцы животного могут поворачивать его. Тем самым направление движения меняется.

Впечатляющая скорость движения кальмара

Нужно сказать, что двигатель кальмара весьма экономичен. Скорость, которую он способен развивать, может достигать 60-70 км/ч. Некоторые исследователи даже полагают, что она может доходить до 150 км/ч. Как вы видите, кальмар не зря зовется "живой торпедой". Он может поворачивать в нужную сторону, изгибая вниз, вверх, влево или вправо щупальца, сложенные пучком.

Как кальмар управляет движением

Так как по сравнению с размерами самого животного руль очень велик, для того чтобы кальмар мог легко избежать столкновения с препятствием, даже двигаясь с максимальной скоростью, достаточно лишь незначительного движения руля. Если его резко повернуть, животное тут же помчится в обратную сторону. Кальмар изгибает назад конец воронки и в результате этого может скользить уже головой вперед. Если он выгнет ее вправо, он будет отброшен влево реактивным толчком. Однако когда плыть необходимо быстро, воронка всегда находится прямо между щупальцами. Животное в этом случае мчится хвостом вперед, подобно бегу рака-скорохода, если бы он обладал резвостью скакуна.

В случае когда спешить не требуется, каракатицы и кальмары плавают, ундулируя при этом плавниками. Спереди назад пробегают по ним миниатюрные волны. Кальмары и каракатицы грациозно скользят. Они лишь время от времени подталкивают себя струей воды, которая выбрасывается из-под их мантии. Отдельные толчки, которые моллюск получает при извержении струй воды, в такие моменты хорошо заметны.

Летающий кальмар

Некоторые головоногие способны ускоряться до 55 км/ч. Кажется, никто не осуществлял прямых измерений, однако такую цифру мы можем назвать, основываясь на дальности и скорости полета летающих кальмаров. Оказывается, существуют и такие. Кальмар стенотевтис является лучшим пилотом из всех моллюсков. Английские моряки именуют его летающим кальмаром (флайинг-сквид). Это животное, фото которого представлено выше, имеет небольшие размеры, примерно с селедку. Он так стремительно преследует рыб, что часто выскакивает из воды, проносясь стрелой над ее поверхностью. Такую уловку он использует и в случае, когда ему угрожает опасность от хищников - макрелей и тунцов. Развив максимальную реактивную тягу в воде, кальмар стартует в воздух, а затем пролетает более 50 метров над волнами. При его полета находится так высоко, что часто летающие кальмары попадают на палубы судов. Высота 4-5 метров для них - отнюдь не рекорд. Иногда летающие кальмары взлетают даже выше.

Доктор Рис, исследователь моллюсков из Великобритании, в своей научной статье описал представителя этих животных, длина тела которого составляла всего 16 см. Однако при этом он смог пролететь изрядное расстояние по воздуху, после чего приземлился на мостик яхты. А высота этого мостика составляла практически 7 метров!

Бывают случаи, когда на корабль обрушивается сразу множество летающих кальмаров. Требиус Нигер, античный писатель, однажды рассказал печальную историю о судне, которое как будто бы не смогло выдержать тяжесть этих морских животных и затонуло. Интересно, что кальмары способны взлетать даже без разгона.

Летающие осьминоги

Способностью летать обладают также осьминоги. Жан Верани, французский натуралист, наблюдал, как один из них разогнался в своем аквариуме, а затем внезапно выскочил из воды. Животное описало в воздухе дугу примерно в 5 метров, а затем плюхнулось в аквариум. Осьминог, набирая необходимую для прыжка скорость, двигался не только благодаря реактивной тяге. Он также греб своими щупальцами. Осьминоги мешковаты, поэтому они плавают хуже кальмаров, однако в критические минуты и эти животные способны дать фору лучшим спринтерам. Работники Калифорнийского аквариума хотели сделать фото осьминога, который атакует краба. Однако спрут, бросаясь на свою добычу, развивал такую скорость, что фотографии даже при использовании специального режима оказывались смазанными. Это означает, что бросок длился считанные доли секунды!

Однако осьминоги обычно плавают довольно медленно. Ученый Джозеф Сайнл, который исследовал миграции спрутов, выяснил, что осьминог, размер которого составляет 0,5 м, плывет со средней скоростью примерно 15 км/ч. Каждая струя воды, которую он выбрасывает из воронки, продвигает его вперед (точнее сказать, назад, поскольку он плывет задом наперед) где-то на 2-2,5 м.

"Бешеный огурец"

Реактивное движение в природе и в технике можно рассматривать и используя для его иллюстрации примеры из мира растений. Один из самых известных - созревшие плоды так называемого Они отскакивают от плодоножки при малейшем прикосновении. Затем из образовавшегося в результате этого отверстия с большой силой выбрасывается специальная клейкая жидкость, в которой находятся семена. Сам огурец отлетает в противоположную сторону на расстояние до 12 м.

Закон сохранения импульса

Обязательно следует рассказать и о нем, рассматривая реактивное движение в природе и в технике. Знание закона сохранения импульса позволяет нам изменять, в частности, нашу собственную скорость перемещения, если мы находимся в открытом пространстве. К примеру, вы сидите в лодке и у вас с собой есть несколько камней. Если вы будете бросать их в определенную сторону, движение лодки будет осуществляться в противоположном направлении. В космическом пространстве также действует этот закон. Однако там с этой целью применяют

Какие еще можно отметить примеры реактивного движения в природе и технике? Очень хорошо иллюстрируется на примере ружья.

Как известно, выстрел из него всегда сопровождается отдачей. Допустим, вес пули был бы равен весу ружья. В этом случае они бы разлетелись в стороны с одной и той же скоростью. Отдача бывает потому, что создается реактивная сила, так как имеется отбрасываемая масса. Благодаря этой силе обеспечивается движение как в безвоздушном пространстве, так и в воздухе. Чем больше скорость и масса истекающих газов, тем сила отдачи, которую ощущает наше плечо, больше. Соответственно, реактивная сила тем выше, чем сильнее реакция ружья.

Мечты о полетах в космос

Реактивное движение в природе и в технике вот уже долгие годы является источником новых идей для ученых. Много столетий человечество грезило о полетах в космос. Применение реактивного движения в природе и технике, нужно полагать, отнюдь не исчерпало себя.

А началось все с мечты. Писатели-фантасты несколько веков назад предлагали нам различные средства, как достигнуть этой желанной цели. В 17 веке Сирано де Бержерак, французский писатель, создал рассказ о полете на Луну. Его герой добрался до спутника Земли, используя железную повозку. Над этой конструкцией он постоянно подбрасывал сильный магнит. Повозка, притягиваясь к нему, поднималась над Землей все выше и выше. В конце концов, она достигла Луны. Другой известный персонаж, барон Мюнхгаузен, залез на Луну по стеблю боба.

Конечно, в это время еще было мало известно о том, как применение реактивного движения в природе и технике способно облегчить жизнь. Но полет фантазии, безусловно, открывал новые горизонты.

На пути к выдающемуся открытию

В Китае в конце 1 тысячелетия н. э. изобрели реактивное движение, приводящее в действие ракеты. Последние были просто бамбуковыми трубками, которые были начинены порохом. Эти ракеты запускались ради забавы. Реактивный двигатель использовался в одном из первых проектов автомобилей. Эта идея принадлежала Ньютону.

О том, как реактивное движение в природе и в технике возникает, задумывался и Н.И. Кибальчич. Это русский революционер, автор первого проекта реактивного летательного аппарата, который предназначен для полета на нем человека. Революционер, к сожалению, был казнен 3 апреля 1881 года. Кибальчича обвинили в том, что он участвовал в покушении на Александра II. Уже в тюрьме, в ожидании исполнения смертного приговора, он продолжал изучать такое интересное явление, как реактивное движение в природе и в технике, возникающее при отделении части объекта. В результате этих изысканий он разработал свой проект. Кибальчич писал, что эта идея поддерживает его в его положении. Он готов спокойно встретить свою смерть, зная, что столь важное открытие не погибнет вместе с ним.

Реализация идеи полета в космос

Проявление реактивного движения в природе и технике продолжил изучать К. Э. Циолковский (фото его представлено выше). Еще в начале 20 века этот великий русский ученый предложил идею использования ракет в целях космических полетов. Его статья, посвященная этому вопросу, появилась в 1903 году. В ней было представлено математическое уравнение, ставшее важнейшим для космонавтики. Оно известно в наше время как "формула Циолковского". Это уравнение описывало движение тела, имеющего переменную массу. В своих дальнейших трудах он представил схему ракетного двигателя, работающего на жидком топливе. Циолковский, изучая использование реактивного движения в природе и технике, разработал многоступенчатую конструкцию ракеты. Ему также принадлежит идея о возможности создания на околоземной орбите целых космических городов. Вот к каким открытиям пришел ученый, изучая реактивное движение в природе и технике. Ракеты, как показал Циолковский, - это единственные аппараты, которые могут преодолеть Ракету он определил как механизм, имеющий реактивный двигатель, который использует находящееся на нем горючее и окислитель. Этот аппарат трансформирует химическую энергию топлива, которая становится кинетической энергией газовой струи. Сама ракета при этом начинает двигаться в обратном направлении.

Наконец, ученые, изучив реактивное движение тел в природе и технике, перешли к практике. Предстояла масштабная задача реализации давней мечты человечества. И группа советских ученых, возглавляемая академиком С. П. Королевым, справилась с ней. Она осуществила идею Циолковского. Первый искусственный спутник нашей планеты был запущен в СССР 4 октября 1957 г. Естественно, при этом использовалась ракета.

Ю. А. Гагарин (на фото выше) был человеком, которому выпала честь первым осуществить полет в космическом пространстве. Это важное для мира событие произошло 12 апреля 1961 года. Гагарин на корабле-спутнике "Восток" облетел весь земной шар. СССР был первым государством, ракеты которого достигли Луны, облетели вокруг нее и сфотографировали сторону, невидимую с Земли. Кроме того, и на Венере впервые побывали именно русские. Они доставили на поверхность этой планеты научные приборы. Американский астронавт Нил Армстронг - первый человек, побывавший на поверхности Луны. Он высадился на нее 20 июля 1969 года. В 1986 году "Вега-1" и "Вега-2" (корабли, принадлежащие СССР) исследовали с близкого расстояния комету Галлея, которая приближается к Солнцу всего лишь раз в 76 лет. Изучение космоса продолжается…

Как вы видите, очень важной и полезной наукой является физика. Реактивное движение в природе и технике - это лишь один из интересных вопросов, которые рассматриваются в ней. А достижения этой науки весьма и весьма значительны.

Как в наши дни используется реактивное движение в природе и в технике

В физике в последние несколько столетий были сделаны особенно важные октрытия. В то время как природа остается практически неизменной, техника развивается стремительными темпами. В наше время принцип реактивного движения широко применяется не только различными животными и растениями, но также в космонавтике и в авиации. В космическом пространстве отсутствует среда, которую тело могло бы использовать для взаимодействия, чтобы изменить модуль и направление своей скорости. Именно поэтому для полетов в безвоздушном пространстве можно использовать лишь ракеты.

Сегодня активно используется реактивное движение в быту, природе и технике. Оно уже не является загадкой, как раньше. Однако человечество не должно останавливаться на достигнутом. Впереди новые горизонты. Хочется верить, что реактивное движение в природе и технике, кратко охарактеризованное в статье, вдохновит кого-то на новые открытия.

Логика природы есть самая доступная и самая полезная логика для детей.

Константин Дмитриевич Ушинский (03.03.1823–03.01.1871) – русский педагог, основоположник научной педагогики в России.

БИОФИЗИКА: РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Предлагаю читателям зелёных страничек заглянуть в увлекательный мир биофизики и познакомиться с основными принципами реактивного движения в живой природе . Сегодня в программе: медуза корнерот – самая крупная медуза Чёрного моря, морские гребешки , предприимчивая личинка стрекозы-коромысла , восхитительный кальмар с его непревзойдённым реактивным двигателем и замечательные иллюстрации в исполнении советского биолога и художника-анималиста Кондакова Николая Николаевича.

По принципу реактивного движения в живой природе передвигается целый ряд животных, например медузы, морские моллюски гребешки, личинки стрекозы-коромысла, кальмары, осьминоги, каракатицы… Познакомимся с некоторыми из них поближе;-)

Реактивный способ движения медуз

Медузы – одни из самых древних и многочисленных хищников на нашей планете! Тело медузы на 98% состоит из воды и в значительной части составлено из обводнённой соединительной ткани – мезоглеи , функционирующей как скелет. Основу мезоглеи составляет белок коллаген. Студенистое и прозрачное тело медузы по форме напоминает колокол или зонтик (в диаметре от нескольких миллиметров до 2,5 м ). Большинство медуз двигаются реактивным способом , выталкивая воду из полости зонтика.

Медузы Корнероты (Rhizostomae), отряд кишечнополостных животных класса сцифоидных. Медузы (до 65 см в диаметре) лишены краевых щупалец. Края рта вытянуты в ротовые лопасти с многочисленными складками, срастающимися между собой с образованием множества вторичных ротовых отверстий. Прикосновение к ротовым лопастям может вызвать болезненные ожоги , обусловленные действием стрекательных клеток. Около 80 видов; обитают преимущественно в тропических, реже в умеренных морях. В России – 2 вида : Rhizostoma pulmo обычен в Чёрном и Азовском морях, Rhopilema asamushi встречается в Японском море.

Реактивное бегство морских моллюсков гребешков

Морские моллюски гребешки , обычно спокойно лежащие на дне, при приближении к ним их главного врага – восхитительно медлительной, но чрезвычайно коварной хищницы – морской звезды – резко сжимают створки своей раковины, с силой выталкивая из неё воду. Используя, таким образом, принцип реактивного движения , они всплывают и, продолжая открывать и захлопывать раковину, могут отплывать на значительное расстояние. Если же гребешок по какой-то причине не успевает спастись своим реактивным бегством , морская звезда обхватывает его своими руками, вскрывает раковину и поедает…

Морской Гребешок (Pecten), род морских беспозвоночных животных класса двустворчатых моллюсков (Bivalvia). Раковина гребешка округлая с прямым замочным краем. Поверхность её покрыта расходящимися от вершины радиальными ребрами. Створки раковины смыкаются одним сильным мускулом. В Чёрном море обитают Pecten maximus, Flexopecten glaber; в Японском и Охотском морях – Mizuhopecten yessoensis (до 17 см в диаметре).

Реактивный насос личинки стрекозы-коромысла

Нрав у личинки стрекозы-коромысла , или эшны (Aeshna sp.) не менее хищный, чем у её крылатых сородичей. Два, а иногда и четыре года живёт она в подводном царстве, ползает по каменистому дну, выслеживая мелких водных обитателей, с удовольствием включая в свой рацион довольно-таки крупнокалиберных головастиков и мальков. В минуты опасности личинка стрекозы-коромысла срывается с места и рывками плывёт вперёд, движимая работой замечательного реактивного насоса . Набирая воду в заднюю кишку, а затем резко выбрасывая её, личинка прыгает вперёд, подгоняемая силой отдачи. Используя, таким образом, принцип реактивного движения , личинка стрекозы-коромысла уверенными толчками-рывками скрывается от преследующей её угрозы.

Реактивные импульсы нервной «автострады» кальмаров

Во всех, приведённых выше случаях (принципах реактивного движения медуз, гребешков, личинок стрекозы-коромысла), толчки и рывки отделены друг от друга значительными промежутками времени, следовательно большая скорость движения не достигается. Чтобы увеличилась скорость движения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени , необходима повышенная проводимость нервов , которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих живой реактивный двигатель . Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва.

Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна . В среднем они достигают в диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих – и проводят возбуждение они со скоростью 25 м/с . А у трёхметрового кальмара дозидикуса (он обитает у берегов Чили) толщина нервов фантастически велика – 18 мм . Нервы толстые, как верёвки! Сигналы мозга – возбудители сокращений – мчатся по нервной «автостраде» кальмара со скоростью легкового автомобиля – 90 км/ч .

Благодаря кальмарам, исследования жизнедеятельности нервов ещё в начале 20 века стремительно продвинулись вперёд. «И кто знает , – пишет британский натуралист Фрэнк Лейн, – может быть, есть сейчас люди, обязанные кальмару тем, что их нервная система находится в нормальном состоянии…»

Быстроходность и манёвренность кальмара объясняется также прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что кальмара и прозвали «живой торпедой» .

Кальмары (Teuthoidea), подотряд головоногих моллюсков отряда десятиногих. Размером обычно 0,25-0,5 м, но некоторые виды являются самыми крупными беспозвоночными животными (кальмары рода Architeuthis достигают 18 м , включая длину щупалец).
Тело у кальмаров удлинённое, заострённое сзади, торпедообразное, что определяет большую скорость их движения как в воде (до 70 км/ч ), так и в воздухе (кальмары могут выскакивать из воды на высоту до 7 м ).

Реактивный двигатель кальмара

Реактивное движение , используемое ныне в торпедах, самолётах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам – осьминогам, каракатицам, кальмарам . Наибольший интерес для техников и биофизиков представляет реактивный двигатель кальмаров . Обратите внимание, как просто, с какой минимальной затратой материала решила природа эту сложную и до сих пор непревзойдённую задачу;-)

В сущности, кальмар располагает двумя принципиально различными двигателями (рис. 1а ). При медленном перемещении он пользуется большим ромбовидным плавником, периодически изгибающимся в виде бегущей волны вдоль корпуса тела. Для быстрого броска кальмар использует реактивный двигатель . Основой этого двигателя является мантия – мышечная ткань. Она окружает тело моллюска со всех сторон, составляя почти половину объёма его тела, и образует своеобразный резервуар – мантийную полость – «камеру сгорания» живой ракеты , в которую периодически засасывается вода. В мантийной полости находятся жабры и внутренние органы кальмара (рис. 1б ).

При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель внутрь мантийной полости из пограничного слоя. Мантийная щель плотно «застёгивается» на специальные «запонки-кнопки» после того как «камера сгорания» живого двигателя наполнится забортной водой. Расположена мантийная щель вблизи середины тела кальмара, где оно имеет наибольшую толщину. Сила, вызывающая движение животного, создаётся за счёт выбрасывания струи воды через узкую воронку, которая расположена на брюшной поверхности кальмара. Эта воронка, или сифон, – «сопло» живого реактивного двигателя .

«Сопло» двигателя снабжено специальным клапаном и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки-сопла (рис. 1в ), кальмар плывёт одинаково хорошо, как вперёд, так и назад (если он плывет назад, – воронка вытягивается вдоль тела, а клапан прижат к её стенке и не мешает вытекающей из мантийной полости водяной струе; когда кальмару нужно двигаться вперёд, свободный конец воронки несколько удлиняется и изгибается в вертикальной плоскости, её выходное отверстие сворачивается и клапан принимает изогнутое положение). Реактивные толчки и всасывание воды в мантийную полость с неуловимой быстротой следуют одно за другим, и кальмар ракетой проносится в синеве океана.

Кальмар и его реактивный двигатель – рисунок 1

1а) кальмар – живая торпеда; 1б) реактивный двигатель кальмара; 1в) положение сопла и его клапана при движении кальмара назад и вперёд.

На забор воды и её выталкивание животное затрачивает доли секунды. Засасывая воду в мантийную полость в кормовой части тела в периоды замедленных движений по инерции, кальмар тем самым осуществляет отсос пограничного слоя, предотвращая таким образом срыв потока при нестационарном режиме обтекания. Увеличивая порции выбрасываемой воды и учащая сокращения мантии, кальмар легко увеличивает скорость движения.

Реактивный двигатель кальмара очень экономичен , благодаря чему он может достигать скорости 70 км/ч ; некоторые исследователи считают, что даже 150 км/ч !

Инженеры уже создали двигатель, подобный реактивному двигателю кальмара : это водомёт , действующий при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Почему же реактивный двигатель кальмара по-прежнему привлекает внимание инженеров и является объектом тщательных исследований биофизиков? Для работы под водой удобно иметь устройство, работающее без доступа атмосферного воздуха. Творческие поиски инженеров направлены на создание конструкции гидрореактивного двигателя , подобного воздушно-реактивному …

По материалам замечательных книг:
«Биофизика на уроках физики» Цецилии Бунимовны Кац ,
и «Приматы моря» Игоря Ивановича Акимушкина

Кондаков Николай Николаевич (1908–1999) – советский биолог, художник-анималист , кандидат биологических наук. Основным вкладом в биологическую науку стали выполненные им рисунки различных представителей фауны. Эти иллюстрации вошли во многие издания, такие как Большая Советская Энциклопедия, Красная книга СССР , в атласы животных и в учебные пособия.

Акимушкин Игорь Иванович (01.05.1929–01.01.1993) – советский биолог, писатель – популяризатор биологии , автор научно-популярных книг о жизни животных. Лауреат премии Всесоюзного общества «Знание». Член Союза писателей СССР. Наиболее известной публикацией Игоря Акимушкина является шеститомная книга «Мир Животных» .

Материалы этой статьи полезно будет применить не только на уроках физики и биологии , но и во внеклассной работе.
Биофизический материал является чрезвычайно благодатным для мобилизации внимания учащихся, для превращения абстрактных формулировок в нечто конкретное и близкое, затрагивающее не только интеллектуальную, но и эмоциональную сферу.

Литература:
§ Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики

§ § Акимушкин И.И. Приматы моря
Москва: издательство «Мысль», 1974
§ Тарасов Л.В. Физика в природе
Москва: издательство «Просвещение», 1988

У многих людей само понятие «реактивного движения» крепко ассоциируется с современными достижениями науки и техники, в особенности физики, а в голове появляются образы реактивных самолетов или даже космических кораблей, летающих на сверхзвуковых скоростях с помощью пресловутых реактивных двигателей. На самом же деле явление реактивного движения намного более древнее, чем даже сам человек, ведь оно появилось задолго до нас, людей. Да, реактивное движение активно представлено в природе: медузы, каракатицы вот уже миллионы лет плавают в морских пучинах по тому же самому принципу, по которому сегодня летают современные сверхзвуковые реактивные самолеты.

История реактивного движения

С древних времен различные ученые наблюдали явления реактивного движения в природе, так раньше всех о нем писал древнегреческий математик и механик Герон, правда, дальше теории он так и не зашел.

Если же говорить о практическом применении реактивного движения, то первыми здесь были изобретательные китайцы. Примерно в XIII веке они догадались позаимствовать принцип движения осьминогов и каракатиц при изобретении первых ракет, которые они начали использовать, как для фейерверков, так и для боевых действий (в качестве боевого и сигнального оружия). Чуть позднее это полезное изобретение китайцев переняли арабы, а от них уже и европейцы.

Разумеется, первые условно реактивные ракеты имели сравнительно примитивную конструкцию и на протяжении нескольких веков они практически никак не развивались, казалось, что история развития реактивного движения замерла. Прорыв в этом деле произошел только в XIX веке.

Кто открыл реактивное движение?

Пожалуй, лавры первооткрывателя реактивного движения в «новом времени» можно присудить Николаю Кибальчичу, не только талантливому российскому изобретателю, но и по совместительству революционеру-народовольцу. Свой проект реактивного двигателя и летательного аппарата для людей он создал сидя в царской тюрьме. Позднее Кибальчич был казнен за свою революционную деятельность, а его проект так и остался пылиться на полках в архивах царской охранки.

Позднее работы Кибальчича в этом направлении были открыты и дополнены трудами еще одного талантливого ученого К. Э. Циолковского. С 1903 по 1914 год им было опубликовано ряд работ, в которых убедительно доказывалась возможность использования реактивного движения при создании космических кораблей для исследования космического пространство. Им же был сформирован принцип использования многоступенчатых ракет. И по сей день многие идеи Циолковского применяются в ракетостроении.

Примеры реактивного движения в природе

Наверняка купаясь в море, Вы видели медуз, но вряд ли задумывались, что передвигаются эти удивительные (и к тому же медлительные) существа как раз таки с благодаря реактивному движению. А именно с помощью сокращения своего прозрачного купола они выдавливают воду, которая служит своего рода «реактивных двигателем» медуз.

Похожий механизм движения имеет и каракатица – через особую воронку впереди тела и через боковую щель она набирает воду в свою жаберную полость, а затем энергично выбрасывает ее через воронку, направленную взад либо в бок (в зависимости от направления движения нужного каракатице).

Но самый интересный реактивный двигатель созданный природой имеется у кальмаров, которых вполне справедливо можно назвать «живыми торпедами». Ведь даже тело этих животных по своей форме напоминает ракету, хотя по правде все как раз с точностью наоборот – это ракета своей конструкцией копирует тело кальмара.

Если кальмару необходимо совершить быстрый бросок, он использует свой природный реактивный двигатель. Тело его окружено мантией, особой мышечной тканью и половина объема всего кальмара приходится на мантийную полость, в которую тот всасывает воду. Потом он резко выбрасывает набранную струю воды через узкое сопло, при этом складывая все свои десть щупалец над головой таким образом, чтобы приобрести обтекаемую форму. Благодаря столь совершенной реактивной навигации кальмары могут достигать впечатляющей скорости – 60-70 км в час.

Среди обладателей реактивного двигателя в природе есть и растения, а именно так званный «бешеный огурец». Когда его плоды созревают, в ответ на самое легкое прикосновение он выстреливает клейковиной с семенами

Закон реактивного движения

Кальмары, «бешеные огурцы», медузы и прочие каракатицы издревле пользуются реактивным движением, не задумываясь о его физической сути, мы же попробуем разобрать, в чем суть реактивного движения, какое движение называют реактивным, дать ему определение.

Для начала можно прибегнуть к простому опыту – если обычный воздушный шарик надуть воздухом и, не завязывая отпустить в полет, он будет стремительно лететь, пока у него не израсходуется запас воздуха. Такое явление поясняет третий закон Ньютона, говорящий, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению.

То есть сила воздействия шарика на вырывающиеся из него потоки воздуха равна силе, которой воздух отталкивает от себя шарик. По схожему с шариком принципу работает и ракета, которая на огромной скорости выбрасывает часть своей массы, при этом получая сильное ускорение в противоположном направлении.

Закон сохранения импульса и реактивное движение

Физика поясняет процесс реактивного движения . Импульс это произведение массы тела на его скорость (mv). Когда ракета находится в состоянии покоя ее импульс и скорость равны нулю. Когда же из нее начинает выбрасываться реактивная струя, то остальная часть согласно закону сохранения импульса, должна приобрести такую скорость, при которой суммарный импульс будет по прежнему равен нулю.

Формула реактивного движения

В целом реактивное движение можно описать следующей формулой:
m s v s +m р v р =0
m s v s =-m р v р

где m s v s импульс создаваемой струей газов, m р v р импульс, полученный ракетой.

Знак минус показывает, что направление движения ракеты и сила реактивного движения струи противоположны.

Реактивное движение в технике – принцип работы реактивного двигателя

В современной технике реактивное движение играет очень важную роль, так реактивные двигатели приводят в движение самолеты, космические корабли. Само устройство реактивного двигателя может отличаться в зависимости от его размера и назначения. Но так или иначе в каждом из них есть

• запас топлива,
• камера, для сгорания топлива,
• сопло, задача которого ускорять реактивную струю.

Так выглядит реактивный двигатель.

Реактивное движение, видео

И в завершение занимательное видео о физических экспериментах с реактивным движением.