Номер 5, страница 56 - гдз по физике 9 класс учебник Изергин

Глава II. Динамика. Параграф 12. Реактивное движение - номер 5, страница 56.

Условие.

5. Почему для полётов в космос используются только многоступенчатые ракеты?

Решение.

5. Для полётов в космос используются многоступенчатые ракеты, потому что это единственный практически осуществимый способ достичь скоростей, необходимых для выхода на орбиту или преодоления гравитационного поля Земли (первой и второй космических скоростей).

Основная проблема заключается в так называемой «тирании ракетного уравнения», которое было выведено Константином Циолковским. Формула Циолковского связывает приращение скорости ракеты ($\Delta v$) со скоростью истечения газов из сопла ($\text{u}$) и отношением начальной массы ракеты ($m_0$) к её конечной массе ($m_f$):

$\Delta v = u \ln \frac{m_0}{m_f}$

Из этой формулы видно, что для достижения большой скорости ($\Delta v$) необходимо иметь как можно большее отношение начальной массы к конечной. Начальная масса — это масса всей конструкции, полезной нагрузки и топлива. Конечная масса — это масса ракеты после того, как всё топливо израсходовано.

Если бы мы строили одноступенчатую ракету, то для достижения, например, первой космической скорости (~7.9 км/с), масса топлива должна была бы составлять около 90-95% от общей массы ракеты. Это означает, что на саму конструкцию ракеты (двигатели, баки, системы управления) и полезный груз остаётся всего 5-10%. Создать такую лёгкую и одновременно прочную конструкцию, способную выдержать колоссальные нагрузки при старте, технологически чрезвычайно сложно или даже невозможно при современном уровне развития материалов.

Многоступенчатая конструкция решает эту проблему следующим образом:

1. Избавление от лишней массы. Ракета состоит из нескольких частей — ступеней. Каждая ступень имеет свой двигатель и запас топлива. После того как топливо в первой (самой большой) ступени заканчивается, она отделяется от ракеты. Вместе с ней сбрасываются массивные двигатели и пустые топливные баки. Оставшаяся часть ракеты становится значительно легче.

2. Последовательное ускорение. Затем включается двигатель второй ступени, который продолжает разгонять уже облегченную ракету. Этот процесс повторяется для каждой последующей ступени. Каждая ступень добавляет свою долю к итоговой скорости, и суммарное изменение скорости ($\Delta v$) оказывается достаточным для выхода в космос.

3. Оптимизация двигателей. Двигатели разных ступеней можно оптимизировать для работы в разных условиях. Двигатели первой ступени рассчитаны на работу в плотных слоях атмосферы (высокое давление), а двигатели верхних ступеней — на работу в вакууме, что позволяет сделать их более эффективными.

Таким образом, использование многоступенчатых ракет — это инженерное решение, позволяющее эффективно избавляться от бесполезной массы в процессе полёта и, как следствие, достигать огромных скоростей, недостижимых для одноступенчатых систем.

Ответ: Многоступенчатые ракеты используются для полётов в космос, потому что это позволяет последовательно избавляться от массы отработавших ступеней (пустых баков и двигателей), делая оставшуюся часть ракеты легче. Это единственный эффективный способ достичь огромной скорости, необходимой для преодоления земного притяжения, в соответствии с ограничениями, накладываемыми формулой Циолковского.