Onde a propulsão a jato é encontrada em dispositivos técnicos. Jato-Propulsão

Entre os grandes técnicos e conquistas científicas Século XX um dos primeiros lugares pertence, sem dúvida, a foguetes e teoria da propulsão a jato. Os anos da Segunda Guerra Mundial (1941-1945) levaram a uma melhoria invulgarmente rápida no design de veículos a jato. Foguetes de pólvora reapareceram nos campos de batalha, mas usando pó TNT sem fumaça de alto teor calórico (“Katyusha”). Aeronaves com respiração aérea, aeronaves não tripuladas com motores respiradores pulsantes ("V-1"), e misseis balísticos com autonomia de vôo de até 300 km (“FAU-2”).

Os foguetes estão agora se tornando uma indústria muito importante e em rápido crescimento. O desenvolvimento da teoria do voo dos veículos a jato é um dos problemas prementes do desenvolvimento científico e tecnológico moderno.

K. E. Tsiolkovsky fez muito pelo conhecimento fundamentos da teoria da propulsão de foguetes. Ele foi o primeiro na história da ciência a formular e estudar o problema de estudar movimentos retilíneos foguetes, baseados nas leis da mecânica teórica. Como indicamos, o princípio da comunicação do movimento com a ajuda das forças de reação das partículas lançadas foi realizado por Tsiolkovsky em 1883, mas sua criação de uma teoria matematicamente rigorosa da propulsão a jato remonta ao final do século XIX.

Em uma de suas obras, Tsiolkovsky escreveu: “Durante muito tempo olhei para o foguete, como todo mundo: do ponto de vista do entretenimento e das pequenas aplicações. Não me lembro bem como me ocorreu fazer cálculos relacionados ao foguete. Parece-me que as primeiras sementes do pensamento foram plantadas pelo famoso sonhador Júlio Verne; ele despertou o trabalho do meu cérebro em uma determinada direção. Os desejos apareceram, por trás dos desejos surgiu a atividade da mente. ...Um antigo pedaço de papel com as fórmulas finais relativas ao aparelho a jato está marcado com a data 25 de agosto de 1898.”

“...Nunca afirmei ter uma solução completa para o problema. Os primeiros vêm inevitavelmente: pensamento, fantasia, conto de fadas. Atrás deles vem o cálculo científico. E no final, a execução coroa o pensamento. Meus trabalhos sobre viagens espaciais pertencem à fase intermediária da criatividade. Mais do que ninguém, compreendo o abismo que separa uma ideia da sua concretização, pois durante a minha vida não só pensei e calculei, mas também executei, trabalhando também com as mãos. Porém, é impossível não ter uma ideia: a execução é precedida pelo pensamento, o cálculo preciso é precedido pela fantasia.”

Em 1903, o primeiro artigo de Konstantin Eduardovich sobre foguetes, que foi chamado de “Exploração de espaços mundiais usando instrumentos a jato”. Neste trabalho, com base nas leis mais simples da mecânica teórica (a lei da conservação do momento e a lei da ação independente das forças), foi apresentada a teoria do voo do foguete e fundamentada a possibilidade de utilização de veículos a jato para comunicações interplanetárias. (Criação teoria geral o movimento de corpos cuja massa muda durante o movimento pertence ao Professor I. V. Meshchersky (1859-1935)).

A ideia de usar um foguete para resolver problemas científicos, o uso de motores a jato para criar o movimento de grandiosas naves interplanetárias pertence inteiramente a Tsiolkovsky. Ele é o fundador dos modernos foguetes de propelente líquido de longo alcance, um dos criadores de um novo capítulo na mecânica teórica.

A mecânica clássica, que estuda as leis do movimento e equilíbrio dos corpos materiais, baseia-se em três leis do movimento, formulado de forma clara e estrita por um cientista inglês em 1687. Essas leis foram utilizadas por muitos pesquisadores para estudar o movimento de corpos cuja massa não mudava durante o movimento. Foram considerados muito casos importantes movimento e uma grande ciência foi criada - a mecânica dos corpos de massa constante. Os axiomas da mecânica dos corpos de massa constante, ou leis do movimento de Newton, foram uma generalização de todo o desenvolvimento anterior da mecânica. Atualmente, as leis básicas do movimento mecânico são estabelecidas em todos os livros didáticos de física para ensino médio. Nós vamos dar aqui resumo As leis do movimento de Newton, desde a etapa subsequente da ciência, que tornou possível estudar o movimento dos foguetes, foram um desenvolvimento posterior dos métodos da mecânica clássica.

Para muitas pessoas, o próprio conceito de “propulsão a jato” está fortemente associado às conquistas modernas da ciência e da tecnologia, especialmente da física, e imagens de aviões a jato ou mesmo de naves espaciais voando em velocidades supersônicas usando os notórios motores a jato aparecem em suas cabeças. Na verdade, o fenômeno da propulsão a jato é muito mais antigo do que o próprio homem, porque apareceu muito antes de nós, humanos. Sim, jato-Propulsão ativamente representados na natureza: as águas-vivas e os chocos nadam nas profundezas do mar há milhões de anos, usando o mesmo princípio pelo qual os modernos aviões a jato supersônicos voam hoje.

História da propulsão a jato

Desde os tempos antigos, vários cientistas observaram os fenômenos do movimento reativo na natureza; o antigo matemático e mecânico grego Heron foi o primeiro a escrever sobre isso, embora nunca tenha ido além da teoria.

Se falarmos sobre aplicação prática propulsão a jato, então os inventivos chineses foram os primeiros aqui. Por volta do século XIII, eles descobriram emprestar o princípio do movimento dos polvos e dos chocos ao inventar os primeiros foguetes, que começaram a usar tanto para fogos de artifício quanto para operações militares (como armas de combate e sinalização). Um pouco mais tarde, esta útil invenção dos chineses foi adotada pelos árabes e deles pelos europeus.

Claro, os primeiros são condicionais foguetes tinham um desenho relativamente primitivo e durante vários séculos praticamente não se desenvolveram, parecia que a história do desenvolvimento da propulsão a jato congelou. Um avanço nesta questão ocorreu apenas no século XIX.

Quem descobriu a propulsão a jato?

Talvez os louros do descobridor da propulsão a jacto na “nova era” possam ser atribuídos a Nikolai Kibalchich, não apenas um talentoso inventor russo, mas também um voluntário revolucionário do povo a tempo parcial. Ele criou seu projeto para um motor a jato e uma aeronave para pessoas enquanto estava na prisão real. Kibalchich foi mais tarde executado por sua atividade revolucionária, e o seu projecto continuou a acumular poeira nas prateleiras dos arquivos da polícia secreta czarista.

Mais tarde, o trabalho de Kibalchich nessa direção foi descoberto e complementado pelos trabalhos de outro talentoso cientista K. E. Tsiolkovsky. De 1903 a 1914, publicou uma série de trabalhos nos quais comprovou de forma convincente a possibilidade de usar a propulsão a jato para criar naves espaciais para exploração espacial. Ele também formou o princípio do uso de foguetes de vários estágios. Até hoje, muitas das ideias de Tsiolkovsky são usadas na ciência de foguetes.

Exemplos de propulsão a jato na natureza

Certamente, enquanto nadava no mar, você viu águas-vivas, mas dificilmente pensou que essas criaturas incríveis (e também lentas) se movem graças à propulsão a jato. Ou seja, ao contrair a sua cúpula transparente, espremem a água, que funciona como uma espécie de “motor a jato” para a água-viva.

O choco tem um mecanismo de movimento semelhante - através de um funil especial na frente do corpo e através de uma fenda lateral, ele puxa água para sua cavidade branquial e depois a joga energicamente através de um funil direcionado para trás ou para o lado (dependendo de a direção do movimento necessária ao choco).

Mas o motor a jato mais interessante criado pela natureza é encontrado nas lulas, que podem ser chamadas com razão de “torpedos vivos”. Afinal, até o corpo desses animais lembra um foguete no formato, embora na verdade tudo seja exatamente o contrário - esse foguete, com seu desenho, copia o corpo de uma lula.

Se a lula precisar dar uma corrida rápida, ela usa seu motor a jato natural. Seu corpo é cercado por um manto, um tecido muscular especial, e metade do volume de toda a lula está na cavidade do manto, para onde suga a água. Em seguida, ele lança bruscamente o jato de água coletado através de um bico estreito, enquanto dobra todos os seus dez tentáculos acima da cabeça de modo a adquirir uma forma aerodinâmica. Graças a essa navegação reativa avançada, as lulas podem atingir uma velocidade impressionante de 60 a 70 km por hora.

Entre os proprietários de um motor a jato na natureza também existem plantas, nomeadamente o chamado “pepino louco”. Quando seus frutos amadurecem, ao menor toque, dispara glúten com sementes

Lei da Propulsão a Jato

Lulas, “pepinos loucos”, águas-vivas e outros chocos usam o movimento do jato desde os tempos antigos, sem pensar na sua essência física, mas tentaremos descobrir qual é a essência do movimento do jato, que tipo de movimento é chamado de movimento do jato e dê-lhe uma definição.

Para começar, você pode recorrer a uma experiência simples - se o habitual balão encha-o com ar e, sem parar, deixe-o voar, ele voará rapidamente até que seu suprimento de ar se esgote. Este fenômeno é explicado pela terceira lei de Newton, que diz que dois corpos interagem com forças iguais em magnitude e opostas em direções.

Ou seja, a força de influência da bola nas correntes de ar que dela escapam é igual à força com que o ar empurra a bola para longe de si mesmo. Um foguete funciona segundo um princípio semelhante ao de uma bola, que ejeta parte de sua massa a uma velocidade enorme, enquanto recebe forte aceleração na direção oposta.

Lei da conservação do momento e propulsão a jato

A física explica o processo de propulsão a jato. O momento é o produto da massa de um corpo e sua velocidade (mv). Quando um foguete está em repouso, seu momento e velocidade são zero. Quando uma corrente de jato começa a ser ejetada dele, o resto, de acordo com a lei da conservação do momento, deve adquirir uma velocidade tal que o momento total ainda seja igual a zero.

Fórmula de propulsão a jato

Em geral, o movimento do jato pode ser descrito pela seguinte fórmula:
m s v s +m р v р =0
m s v s = -m р v р

onde m s v s é o impulso criado pelo jato de gás, m p v p é o impulso recebido pelo foguete.

O sinal negativo mostra que a direção do movimento do foguete e a força do movimento do jato são opostas.

Propulsão a jato em tecnologia - o princípio de operação de um motor a jato

EM tecnologia moderna a propulsão a jato desempenha muito papel importante, é assim que os motores a jato impulsionam os aviões, naves espaciais. O design do motor a jato em si pode variar dependendo de seu tamanho e finalidade. Mas de uma forma ou de outra, cada um deles tem

• abastecimento de combustível,
• câmara para combustão de combustível,
• um bocal cuja tarefa é acelerar o jato.

Esta é a aparência de um motor a jato.

Propulsão a jato, vídeo

E, finalmente, um vídeo divertido sobre experimentos físicos com propulsão a jato.

Naves espaciais de várias toneladas sobem ao céu e águas do marÁguas-vivas, chocos e polvos transparentes e gelatinosos manobram habilmente - o que eles têm em comum? Acontece que em ambos os casos o princípio da propulsão a jato é usado para se mover. Este é o tema ao qual nosso artigo de hoje se dedica.

Vamos olhar para a história

A maioria As primeiras informações confiáveis ​​sobre foguetes datam do século XIII. Eles foram usados ​​por indianos, chineses, árabes e europeus em combate como armas de combate e sinalização. Seguiram-se séculos de esquecimento quase completo desses dispositivos.

Na Rússia, a ideia de usar um motor a jato foi revivida graças ao trabalho do revolucionário Nikolai Kibalchich. Sentado nas masmorras reais, ele desenvolveu Projeto russo motor a jato e aeronave para pessoas. Kibalchich foi executado e o seu projecto acumulou poeira durante muitos anos nos arquivos da polícia secreta czarista.

Foram recebidas as principais ideias, desenhos e cálculos deste homem talentoso e corajoso desenvolvimento adicional nas obras de K. E. Tsiolkovsky, que propôs usá-los para comunicações interplanetárias. De 1903 a 1914, publicou vários trabalhos nos quais comprovou de forma convincente a possibilidade do uso da propulsão a jato para pesquisas. espaço sideral e justifica a viabilidade do uso de foguetes de vários estágios.

Muitos dos desenvolvimentos científicos de Tsiolkovsky ainda são usados ​​na ciência de foguetes até hoje.

Mísseis biológicos

Como isso surgiu? a ideia de se mover impulsionando seu próprio jato? Talvez, observando de perto a vida marinha, os residentes zonas costeiras notei como isso acontece no mundo animal.

Por exemplo, Vieira move-se devido à força reativa de um jato de água ejetado do casco durante a rápida compressão de suas válvulas. Mas ele nunca conseguirá acompanhar os nadadores mais rápidos - as lulas.

Seus corpos em forma de foguete avançam com a cauda primeiro, jogando fora a água armazenada em um funil especial. mova-se de acordo com o mesmo princípio, espremendo a água contraindo sua cúpula transparente.

A natureza dotou uma planta chamada “motor a jato” "esguichando pepino". Quando seus frutos estão totalmente maduros, ao menor toque, dispara o glúten com sementes. A própria fruta é lançada na direção oposta a uma distância de até 12 m!

Nenhum criaturas marinhas, nem as plantas conhecem as leis físicas subjacentes a este método de movimento. Vamos tentar descobrir isso.

Base física do princípio da propulsão a jato

Primeiro, vamos passar à experiência mais simples. Vamos inflar uma bola de borracha e, sem parar, deixaremos você voar livremente. O movimento rápido da bola continuará enquanto o fluxo de ar que sai dela for forte o suficiente.

Para explicar os resultados desta experiência devemos recorrer à Terceira Lei, que afirma que dois corpos interagem com forças iguais em magnitude e direções opostas. Conseqüentemente, a força com que a bola atua sobre os jatos de ar que dela escapam é igual à força com que o ar empurra a bola para longe de si mesmo.

Vamos transferir esses argumentos para um foguete. Esses dispositivos ejetam parte de sua massa a uma velocidade enorme, e como resultado eles próprios recebem aceleração na direção oposta.

Do ponto de vista da física, isso o processo é claramente explicado pela lei da conservação do momento. O momento é o produto da massa de um corpo e sua velocidade (mv).Enquanto o foguete está em repouso, sua velocidade e momento são zero. Se uma corrente de jato for ejetada dele, então a parte restante, de acordo com a lei da conservação do momento, deve adquirir uma velocidade tal que o momento total ainda seja igual a zero.

Vejamos as fórmulas:

m g v g + m r v r =0;

m g v g =- m r v r,

Onde m g v g o impulso criado pelo jato de gases, m p v p o impulso recebido pelo foguete.

O sinal negativo indica que a direção do movimento do foguete e da corrente de jato são opostas.

O projeto e o princípio de operação de um motor a jato

Em tecnologia, os motores a jato impulsionam aviões, foguetes e lançam espaçonaves em órbita. Dependendo de sua finalidade, eles possuem dispositivos diferentes. Mas cada um deles possui um suprimento de combustível, uma câmara para sua combustão e um bico que acelera o jato.

As estações automáticas interplanetárias também são equipadas com compartimento de instrumentos e cabines com sistema de suporte de vida para astronautas.

Os foguetes espaciais modernos são aeronaves complexas e de vários estágios que usam últimas conquistas pensamento de engenharia. Após o lançamento, o combustível do estágio inferior queima primeiro, após o que se separa do foguete, reduzindo sua massa total e aumentando a velocidade.

Em seguida, o combustível é consumido no segundo estágio, etc. Por fim, a aeronave é lançada em uma determinada trajetória e inicia seu vôo independente.

Vamos sonhar um pouco

O grande sonhador e cientista K. E. Tsiolkovsky deu às gerações futuras a confiança de que os motores a jato permitirão à humanidade escapar para além da atmosfera da Terra e correr para o espaço. Sua previsão se tornou realidade. A Lua e até cometas distantes são explorados com sucesso por naves espaciais.

Motores a jato líquidos são usados ​​em astronáutica. Utilizam derivados de petróleo como combustível, mas as velocidades que podem ser alcançadas com a ajuda deles são insuficientes para voos muito longos.

Talvez vocês, nossos queridos leitores, testemunhem voos de terráqueos para outras galáxias em dispositivos com motores a jato nucleares, termonucleares ou iônicos.

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As leis de Newton ajudam a explicar um fenômeno mecânico muito importante - jato-Propulsão. Este é o nome dado ao movimento de um corpo que ocorre quando alguma parte dele se separa dele a qualquer velocidade.

Vamos pegar, por exemplo, uma bola de borracha infantil, inflá-la e soltá-la. Veremos que quando o ar começar a sair em uma direção, a própria bola voará na outra. Este é um movimento reativo.

Alguns representantes do mundo animal movem-se segundo o princípio da propulsão a jato, como as lulas e os polvos. Jogando fora periodicamente a água que absorvem, são capazes de atingir velocidades de até 60-70 km/h. Águas-vivas, chocos e alguns outros animais se movem de maneira semelhante.

Exemplos de propulsão a jato também podem ser encontrados no mundo vegetal. Por exemplo, os frutos maduros de um pepino “louco”, ao menor toque, saltam do pedúnculo e um líquido amargo com sementes é jogado com força para fora do buraco formado no local do pedúnculo separado; os próprios pepinos voam na direção oposta.

O movimento reativo que ocorre quando a água é liberada pode ser observado no experimento a seguir. Despeje a água em um funil de vidro conectado a um tubo de borracha com ponta em forma de L (Fig. 20). Veremos que quando a água começar a fluir para fora do tubo, o próprio tubo começará a se mover e a se desviar na direção oposta à direção do fluxo da água.

Os voos são baseados no princípio da propulsão a jato mísseis. Moderno foguete espacialé uma aeronave muito complexa que consiste em centenas de milhares e milhões de peças. A massa do foguete é enorme. Consiste na massa do fluido de trabalho (ou seja, gases quentes formados como resultado da combustão do combustível e emitidos na forma de jato) e na massa final ou, como se costuma dizer, “seca” do foguete remanescente após o fluido de trabalho é ejetado do foguete.

A massa “seca” de um foguete, por sua vez, consiste na massa da estrutura (ou seja, o casco do foguete, seus motores e sistema de controle) e a massa da carga útil (ou seja, equipamento científico, o corpo da espaçonave sendo lançada em órbita, a tripulação e o sistema de suporte de vida da nave).

À medida que o fluido de trabalho expira, os tanques liberados, partes excedentes do casco, etc. começam a sobrecarregar o foguete com carga desnecessária, dificultando a aceleração. Portanto, para alcançar velocidades cósmicas são usados ​​​​foguetes compostos (ou de vários estágios) (Fig. 21). A princípio, nesses foguetes funcionam apenas os blocos do primeiro estágio 1. Quando as reservas de combustível neles se esgotam, eles são separados e o segundo estágio 2 é ligado; depois que o combustível se esgota, ele também é separado e é ligado o terceiro estágio 3. O satélite ou qualquer outra espaçonave localizada na cabeça do foguete é coberto por uma carenagem de cabeça 4, cujo formato aerodinâmico ajuda a reduzir resistência do ar quando o foguete voa na atmosfera da Terra.

Quando um jato de gás é ejetado de um foguete em alta velocidade, o próprio foguete avança na direção oposta. Por que isso está acontecendo?

De acordo com a terceira lei de Newton, a força F com a qual o foguete atua sobre o fluido de trabalho é igual em magnitude e oposta em direção à força F" com a qual o fluido de trabalho atua sobre o corpo do foguete:

Força F" (que é chamada de força reativa) acelera o foguete.

Da igualdade (10.1) segue-se que o impulso transmitido ao corpo é igual ao produto da força pelo tempo de sua ação. Portanto, forças iguais agindo ao mesmo tempo transmitem impulsos iguais aos corpos. Neste caso, o pulso m p v p adquirido pelo foguete deve corresponder ao pulso m gás v gás dos gases ejetados:

m р v р = m gás v gás

Segue-se que a velocidade do foguete

Vamos analisar a expressão resultante. Vemos que a velocidade do foguete é maior, quanto maior a velocidade dos gases emitidos e maior a razão entre a massa do fluido de trabalho (ou seja, a massa do combustível) e a massa final (“seca”) do o foguete.

A fórmula (12.2) é aproximada. Não leva em conta que à medida que o combustível queima, a massa do foguete voador diminui cada vez mais. A fórmula exata para a velocidade do foguete foi obtida pela primeira vez em 1897 por K. E. Tsiolkovsky e, portanto, leva seu nome.

A fórmula de Tsiolkovsky permite calcular as reservas de combustível necessárias para transmitir uma determinada velocidade do foguete. A Tabela 3 mostra a relação entre a massa inicial do foguete m0 e sua massa final m, correspondendo a diferentes velocidades do foguete a uma velocidade de jato de gás (em relação ao foguete) v = 4 km/s.

Por exemplo, para transmitir a um foguete uma velocidade que exceda a velocidade do fluxo de gás em 4 vezes (v p = 16 km/s), é necessário que a massa inicial do foguete (incluindo combustível) exceda a massa final (“seca”). massa do foguete em 55 vezes (m 0 /m = 55). Significa que a parte do leão De toda a massa do foguete no lançamento, deve ser precisamente a massa do combustível. A carga útil, em comparação, deveria ter uma massa muito pequena.

Uma importante contribuição para o desenvolvimento da teoria da propulsão a jato foi feita por um contemporâneo de K. E. Tsiolkovsky, o cientista russo I. V. Meshchersky (1859-1935). A equação do movimento de um corpo com massa variável leva seu nome.

1. O que é propulsão a jato? Dar exemplos. 2. No experimento mostrado na Figura 22, quando a água flui através de tubos curvos, o balde gira na direção indicada pela seta. Explique o fenômeno. 3. O que determina a velocidade adquirida por um foguete após a combustão do combustível?