Номер 7, страница 148, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Тепловые двигатели. Параграф 37. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 7, страница 148.

Условие.

• Реактивный двигатель и авиация.

Решение.

Реактивный двигатель — это двигатель, который создаёт тягу (движущую силу) за счёт преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию отбрасываемой с высокой скоростью струи рабочего тела. Появление и развитие реактивных двигателей произвели настоящую революцию в авиации, позволив самолётам летать быстрее, выше и дальше, чем когда-либо прежде.

Принцип работы реактивного двигателя

В основе работы любого реактивного двигателя лежит третий закон Ньютона: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Двигатель с огромной скоростью выбрасывает назад массу раскалённых газов (реактивную струю). В соответствии с законом сохранения импульса, эта отбрасываемая масса создаёт силу, толкающую двигатель и связанный с ним летательный аппарат вперёд. Эта сила называется силой тяги.

В наиболее распространённых воздушно-реактивных двигателях (ВРД) процесс создания тяги выглядит следующим образом:

1. Воздух из атмосферы засасывается через воздухозаборник.
2. Компрессор сжимает этот воздух в десятки раз, повышая его давление и температуру.
3. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания, где в него впрыскивается топливо (авиационный керосин) и поджигается. В результате горения образуется огромное количество раскалённых газов под высоким давлением.
4. Эти газы устремляются из камеры сгорания назад, по пути вращая лопатки турбины. Турбина, в свою очередь, соединена валом с компрессором и приводит его в движение. Таким образом, двигатель сам обеспечивает себя энергией для сжатия новой порции воздуха.
5. Пройдя через турбину, газы с огромной скоростью вырываются наружу через сужающееся сопло, создавая реактивную тягу.

Сила тяги $\text{F}$, создаваемая двигателем, в общем виде описывается формулой: $F = \dot{m} \cdot (v_e - v_0) + (p_e - p_0) \cdot A_e$, где $\dot{m}$ — массовый расход газа, $v_e$ — скорость истечения газов из сопла, $v_0$ — скорость полёта самолёта, $p_e$ — давление газов на срезе сопла, $p_0$ — давление окружающей среды, а $A_e$ — площадь выходного сечения сопла.

Ответ: Принцип работы реактивного двигателя основан на третьем законе Ньютона и законе сохранения импульса, где тяга создается за счет отбрасывания массы рабочего тела (газа) в противоположном направлении.

Основные типы реактивных двигателей в авиации

Существует несколько основных типов воздушно-реактивных двигателей, каждый из которых имеет свои преимущества и используется в разных видах авиации:

• Турбореактивный двигатель (ТРД). Это классическая и исторически первая схема. Весь воздух, проходящий через двигатель, участвует в процессе горения. ТРД эффективны на высоких и сверхзвуковых скоростях, поэтому они до сих пор применяются на многих военных истребителях и сверхзвуковых самолётах. Однако они очень шумные и неэкономичные на малых скоростях.
• Турбовентиляторный двигатель (ТРДД). Самый распространённый тип двигателя в современной гражданской авиации. В его передней части установлен большой вентилятор. Часть воздуха проходит через внутренний контур (компрессор, камеру сгорания, турбину), как в обычном ТРД, а другая, большая, часть воздуха обходит камеру сгорания (внешний контур) и смешивается с горячими газами на выходе. Этот "холодный" поток создаёт значительную часть тяги. Такие двигатели гораздо экономичнее и тише, чем ТРД, что делает их идеальными для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.
• Турбовинтовой двигатель (ТВД). В этом двигателе газовая турбина вращает не только компрессор, но и вынесенный вперёд воздушный винт (пропеллер). Основную часть тяги (около 90%) создаёт именно винт, отбрасывая большую массу воздуха с относительно небольшой скоростью. Реактивная струя газов создаёт лишь малую долю тяги. ТВД очень экономичны на небольших скоростях (до 700–800 км/ч) и высотах, поэтому их широко используют на региональных, транспортных и некоторых военных самолётах.
• Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД). Двигатель простейшей конструкции, в котором нет движущихся частей — компрессора и турбины. Сжатие воздуха происходит за счёт его скоростного напора при полёте на сверхзвуковой скорости. ПВРД не может работать на месте или на малых скоростях, поэтому летательный аппарат с таким двигателем нуждается в предварительном разгоне. Они эффективны на скоростях от 3 до 5 Махов (скоростей звука) и применяются в ракетах и экспериментальных гиперзвуковых аппаратах.

Ответ: Основными типами реактивных двигателей в авиации являются турбореактивный, турбовентиляторный, турбовинтовой и прямоточный, каждый из которых имеет свою область применения в зависимости от требуемых скорости и экономичности.

Влияние реактивного двигателя на развитие авиации

Изобретение реактивного двигателя стало одним из важнейших событий в истории XX века и полностью изменило облик авиации и мира в целом.

• Эра скоростей. Реактивные двигатели позволили преодолеть "звуковой барьер" и достичь скоростей, недоступных для поршневых самолётов. Это привело к созданию сверхзвуковой военной авиации и значительно сократило время путешествий для гражданских рейсов.
• Глобализация и массовые перевозки. Появление в 1950-х годах первых реактивных пассажирских лайнеров, таких как Boeing 707 и Ту-104, положило начало "реактивной эре" в гражданской авиации. Перелёты через океан стали занимать часы, а не дни. Это сделало мир меньше, а международные путешествия, туризм и бизнес стали доступны миллионам людей.
• Новые высоты. Реактивные двигатели эффективно работают на больших высотах (10–12 км и выше), где атмосфера более разрежена. Полёты на этих "эшелонах" позволили избежать плохих погодных условий и повысить топливную эффективность.
• Военная революция. В военной сфере реактивные двигатели привели к смене поколений боевых самолётов. Скорость, высота и скороподъёмность стали ключевыми преимуществами в воздушном бою. Появились стратегические бомбардировщики, способные доставлять ядерное оружие в любую точку планеты.

Таким образом, реактивный двигатель не просто улучшил характеристики самолётов — он создал новую экономическую и геополитическую реальность, связав континенты и изменив способы ведения войны и ведения бизнеса.

Ответ: Реактивный двигатель произвел революцию в авиации, позволив значительно увеличить скорость, высоту и дальность полетов, что привело к созданию современной глобальной системы пассажирских и грузовых авиаперевозок и кардинально изменило военную авиацию.