Номер 2, страница 439 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Электродинамика. Глава 10. Электростатика. Задания по проектной и исследовательской деятельности. Задания к главе 4 «Законы сохранения в механике» - номер 2, страница 439.

Условие.

2. Через систему поиска сайта http://gotourl.ru/7148 найдите материалы по теме «Движитель». Изучите работу различных устройств, обеспечивающих механическое движение на основе закона сохранения импульса.

Решение.

Ракетный двигатель

Работа ракетного двигателя основана на законе сохранения импульса. Система «ракета + топливо» рассматривается как замкнутая. При сгорании топлива образуются газы, которые с огромной скоростью выбрасываются из сопла. Пусть ракета массой $M_р$ выбрасывает порцию газа массой $m_г$ со скоростью $\vec{v}_г$ относительно Земли. Ракета при этом приобретает скорость $\vec{v}_р$. До старта суммарный импульс системы равен нулю. Согласно закону сохранения импульса, после выброса газа суммарный импульс системы также должен оставаться равным нулю (в отсутствие внешних сил):

$M_р\vec{v}_р + m_г\vec{v}_г = 0$

Из этого следует, что импульс, полученный ракетой, равен по модулю и противоположен по направлению импульсу, полученному газами:

$M_р\vec{v}_р = -m_г\vec{v}_г$

Таким образом, отбрасывая раскалённые газы в одну сторону, ракета движется в противоположную. Эта сила, толкающая ракету, называется реактивной тягой. Важнейшей особенностью ракетного двигателя является то, что он не нуждается во внешней среде для отталкивания и может работать в вакууме.

Ответ: Ракетный двигатель работает за счёт отбрасывания части своей массы (продуктов сгорания топлива), что, согласно закону сохранения импульса, приводит к движению оставшейся части (ракеты) в противоположном направлении.

Реактивный двигатель (воздушно-реактивный)

Воздушно-реактивный двигатель, в отличие от ракетного, использует для своей работы атмосферный воздух в качестве основного компонента рабочего тела и окислителя. Двигатель забирает воздух из атмосферы, сжимает его, смешивает с топливом, поджигает и выбрасывает продукты сгорания с высокой скоростью через сопло. Рассмотрим систему «самолёт + проходящий через двигатель воздух». Воздух массой $m_в$ входит в двигатель со скоростью самолёта $\vec{v}_{вх}$, а выходит (вместе с продуктами сгорания топлива массой $m_т$) со значительно большей скоростью $\vec{v}_{вых}$. Изменение импульса рабочего тела (воздуха и продуктов сгорания) создаёт силу тяги. Согласно второму закону Ньютона, сила тяги равна скорости изменения импульса:

$\vec{F} = \frac{\Delta \vec{p}}{\Delta t} = \frac{(m_в + m_т)\vec{v}_{вых} - m_в\vec{v}_{вх}}{\Delta t}$

По третьему закону Ньютона (который является следствием закона сохранения импульса для взаимодействующих тел), на сам двигатель и, следовательно, на самолёт действует равная по модулю и противоположная по направлению сила, которая и обеспечивает движение.

Ответ: Реактивный двигатель создаёт тягу, забирая воздух, ускоряя его внутри за счёт сгорания топлива и выбрасывая с большей скоростью. Увеличение импульса воздуха создаёт равную по величине и противоположную по направлению силу, движущую летательный аппарат вперёд.

Винтовой движитель (пропеллер)

Винтовой движитель (воздушный винт самолёта или гребной винт корабля) представляет собой лопасти, которые при вращении отбрасывают массу среды (воздуха или воды) в направлении, противоположном движению. Рассмотрим систему «транспортное средство + окружающая среда». Вращающийся винт сообщает массе среды $m_с$ импульс $\vec{p}_с = m_с \vec{v}_с$. Согласно закону сохранения импульса, чтобы суммарный импульс замкнутой системы оставался неизменным, транспортное средство должно получить равный по модулю и противоположный по направлению импульс $\vec{p}_{тс}$:

$\vec{p}_{тс} = -\vec{p}_с$

Это изменение импульса транспортного средства и означает действие на него силы тяги, которая заставляет его двигаться вперёд. Чем большую массу среды и с большей скоростью отбрасывает винт, тем больше создаваемая им сила тяги.

Ответ: Винт (пропеллер) отбрасывает массу жидкости или газа (воды или воздуха) в направлении, противоположном движению. В соответствии с законом сохранения импульса, это создаёт силу тяги, которая толкает транспортное средство вперёд.

Водомётный движитель

Водомётный движитель используется на некоторых судах, например, на гидроциклах. Принцип его действия схож с реактивным двигателем, но в качестве рабочего тела используется вода. Вода забирается из-под днища судна, ускоряется внутри движителя с помощью насоса (импеллера) и с большой скоростью выбрасывается через сопло в кормовой части. Система «судно + проходящая через движитель вода» подчиняется закону сохранения импульса. Вода массой $m_в$ входит в систему с небольшой скоростью и выбрасывается со скоростью $\vec{v}_{вых}$, приобретая значительный импульс. Скорость изменения импульса воды равна силе, действующей на воду:

$\vec{F} = \frac{\Delta \vec{p}}{\Delta t} = \frac{m_в (\vec{v}_{вых} - \vec{v}_{вх})}{\Delta t}$

В соответствии с законом сохранения импульса (или третьим законом Ньютона), на судно действует равная по модулю и противоположная по направлению сила тяги $\vec{F}_{тяги} = -\vec{F}$, которая и приводит его в движение.

Ответ: Водомётный движитель создаёт тягу, засасывая воду и выбрасывая её с высокой скоростью назад. Изменение импульса воды создаёт равную по модулю и противоположную по направлению силу, которая движет судно вперёд.