Номер 8.31, страница 47 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Тепловые явления. 8. Тепловые двигатели - номер 8.31, страница 47.

Условие.

8.31. Почему высота полета самолетов, двигатели которых работают на смеси горючего и воздуха, ограничена?

Решение.

Высота полета самолетов с двигателями, работающими на смеси горючего и воздуха (так называемыми воздушно-реактивными или поршневыми двигателями), ограничена, поскольку их работа напрямую зависит от характеристик окружающей атмосферы, которые существенно изменяются с высотой.

С увеличением высоты плотность и давление воздуха экспоненциально уменьшаются. Это означает, что в одном и том же объеме воздуха на большой высоте содержится значительно меньше молекул, в том числе и молекул кислорода, который является окислителем и необходим для процесса горения топлива.

Эта зависимость от атмосферного воздуха создает два основных ограничения для двигателя:

1. Недостаток кислорода для горения. Для эффективного сжигания топлива и получения энергии требуется определенное соотношение массы горючего и массы воздуха. На большой высоте разреженный воздух не может обеспечить достаточное количество кислорода для поддержания стабильного и мощного горения в камере сгорания. Это приводит к падению мощности и тяги двигателя, а на определенной высоте горение может стать невозможным.

2. Снижение тяги из-за уменьшения массы воздуха. Реактивные двигатели создают тягу, всасывая воздух, сжимая его, смешивая с топливом, поджигая смесь и выбрасывая назад с большой скоростью массу раскаленных газов. Согласно второму закону Ньютона, сила тяги пропорциональна массе воздуха, проходящего через двигатель в единицу времени. Чем меньше плотность воздуха на входе, тем меньшую массу воздуха двигатель может "захватить" и ускорить, что напрямую снижает создаваемую им тягу.

Кроме того, на полет самолета в целом влияет и аэродинамический фактор. Подъемная сила крыла, которая удерживает самолет в воздухе, описывается формулой: $L = \frac{1}{2} \rho v^2 S C_L$, где $\rho$ – плотность воздуха, $\text{v}$ – скорость полета, $\text{S}$ – площадь крыла, а $C_L$ – коэффициент подъемной силы. Из формулы видно, что при уменьшении плотности воздуха $\rho$ для сохранения той же подъемной силы $\text{L}$ (равной весу самолета) необходимо увеличить скорость полета $\text{v}$.

Таким образом, с набором высоты возникает критическая ситуация: с одной стороны, доступная тяга двигателя падает из-за нехватки воздуха, а с другой — требуемая тяга для поддержания полета растет, так как самолету нужна все большая скорость для создания достаточной подъемной силы в разреженной атмосфере. Высота, на которой максимальная тяга, которую может развить двигатель, становится равной минимальной тяге, необходимой для горизонтального полета, и является практическим "потолком" для данного самолета.

В отличие от самолетов, ракетные двигатели не используют атмосферный воздух, так как несут на борту не только горючее, но и окислитель (например, жидкий кислород). Поэтому их работа не зависит от наличия атмосферы, и они могут эффективно функционировать и в безвоздушном пространстве.

Ответ: Высота полета самолетов с двигателями, работающими на смеси горючего и воздуха, ограничена, так как с увеличением высоты падает плотность атмосферного воздуха. Это приводит к нехватке кислорода, необходимого для сжигания топлива, и к уменьшению массы воздуха, проходящего через двигатель. В результате мощность и тяга двигателя снижаются до такой степени, что он больше не может обеспечивать силу, достаточную для преодоления сопротивления воздуха и поддержания подъемной силы, необходимой для полета в разреженной атмосфере.