Номер 3, страница 125 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Ответь на вопросы. Параграф 25. Реактивное движение. Ракеты. Глава 1. Законы движения и взаимодействия тел - номер 3, страница 125.

Условие.

3. Каково назначение ракет? Расскажите об устройстве и принципе действия ракеты.

Решение.

Решение 2.

Ракеты имеют широкий спектр назначений, но их основная цель — доставка полезной нагрузки в определённую точку пространства, часто с преодолением силы земного притяжения.

Назначение ракет:

• Научные исследования: вывод на околоземную орбиту и межпланетные траектории автоматических станций, телескопов, спутников для изучения Земли, планет Солнечной системы и дальнего космоса. Запуск метеорологических и геофизических ракет для изучения верхних слоёв атмосферы.
• Коммерческое использование: запуск телекоммуникационных спутников (интернет, телевидение, связь), спутников навигации (GPS, ГЛОНАСС), спутников дистанционного зондирования Земли.
• Пилотируемая космонавтика: доставка космонавтов и грузов на орбитальные станции (например, МКС) и осуществление пилотируемых полётов к другим небесным телам (например, программа "Аполлон" к Луне).
• Военное применение: доставка боевых зарядов (в том числе ядерных) на большие расстояния с помощью межконтинентальных баллистических ракет. Использование в качестве зенитных, противокорабельных и других типов ракет.

Устройство и принцип действия ракеты:

Современная ракета (ракета-носитель) — это сложный летательный аппарат. Её основными частями являются:

• Полезная нагрузка: то, что ракета должна доставить в цель (космический аппарат, спутник, боеголовка). Размещается в головной части под обтекателем, защищающим её во время полёта в атмосфере.
• Система управления: "мозг" ракеты, включающий в себя гироскопы, акселерометры, бортовой компьютер. Она отслеживает положение и скорость ракеты и корректирует траекторию с помощью рулевых механизмов.
• Топливный отсек: содержит баки с компонентами топлива. В жидкостных ракетных двигателях это два раздельных бака — для горючего (например, керосин, жидкий водород) и для окислителя (например, жидкий кислород).
• Двигательная установка: ракетный двигатель, который создаёт тягу. Он состоит из камеры сгорания, куда подаются компоненты топлива, и сопла, через которое выбрасываются продукты сгорания.

Принцип действия ракеты основан на третьем законе Ньютона и законе сохранения импульса.

В камере сгорания двигателя происходит химическая реакция между горючим и окислителем. В результате образуется огромное количество раскалённых газов под высоким давлением. Эти газы устремляются наружу через сужающееся и затем расширяющееся сопло (сопло Лаваля), приобретая сверхзвуковую скорость. Согласно третьему закону Ньютона, сила, с которой ракета отбрасывает газы (действие), равна по величине и противоположна по направлению силе, которая действует на ракету со стороны газов и толкает её вперёд (противодействие). Эта сила называется реактивной тягой. Поскольку ракета отбрасывает массу (газы) в одну сторону, по закону сохранения импульса, сама ракета получает импульс в противоположном направлении, что и приводит к её ускорению.

Ответ: Назначение ракет — доставка полезной нагрузки (спутников, космических аппаратов, боеголовок) в заданную точку. Устройство ракеты включает полезную нагрузку, систему управления, топливный отсек и двигатель. Принцип действия основан на создании реактивной тяги за счёт высокоскоростного выброса продуктов сгорания топлива в соответствии с третьим законом Ньютона и законом сохранения импульса.

4. Скорость, которую может развить ракета, зависит в первую очередь от двух ключевых параметров, которые описываются формулой Циолковского для идеальной ракеты (без учёта сопротивления воздуха и гравитации):

$ \Delta v = u \cdot \ln\frac{M_0}{M_k} $

где:

• $ \Delta v $ — приращение скорости ракеты (её конечная скорость при старте из состояния покоя);
• $ u $ — эффективная скорость истечения газов из сопла двигателя (также связана с удельным импульсом);
• $ M_0 $ — начальная (стартовая) масса ракеты (масса конструкции + масса топлива + масса полезной нагрузки);
• $ M_k $ — конечная масса ракеты (масса конструкции + масса полезной нагрузки, после того как всё топливо сгорело);
• $ \ln $ — натуральный логарифм.

Из этой формулы следует, что скорость ракеты зависит от:

1. Скорости истечения газов ($ u $). Чем выше скорость, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело (газы), тем большую скорость разовьёт ракета. Этот параметр зависит от совершенства конструкции двигателя и от калорийности используемого топлива (например, пара жидкий водород + жидкий кислород даёт большую скорость истечения, чем керосин + жидкий кислород).
2. Отношения начальной массы к конечной ($\frac{M_0}{M_k}$). Это отношение называют числом Циолковского. Чем оно больше, тем выше конечная скорость. Это означает, что для достижения высокой скорости масса топлива должна составлять как можно большую часть от общей массы ракеты. Чтобы увеличить это отношение, конструкторы стараются максимально облегчить конструкцию ракеты (используя лёгкие и прочные композитные материалы) и применяют многоступенчатые ракеты. Каждая ступень, выработав своё топливо, отбрасывается, уменьшая тем самым конечную массу, которую нужно разгонять дальше.

В реальных условиях на конечную скорость также влияют:

• Сила тяжести: часть тяги двигателя расходуется на преодоление притяжения планеты (гравитационные потери).
• Сопротивление атмосферы: при полёте в плотных слоях атмосферы возникает сила сопротивления воздуха, которая тормозит ракету (аэродинамические потери).

Ответ: Скорость ракеты зависит главным образом от скорости истечения газов из сопла двигателя и от отношения стартовой массы ракеты к её конечной массе (после выработки топлива), что описывается формулой Циолковского. Также на неё влияют сила тяжести и сопротивление атмосферы.