Городской конкурс исследовательских работ

и творческих проектов дошкольников и младших школьников

«Я - исследователь»

Можно ли преодолеть земное притяжение?

секция: «Физика - техника»

Автор: Генералов Ваня,

воспитанник МБОУ СОШ № 2 им. Адмирала Ушакова муниципального образования

город-курорт Геленджик

Руководитель: Простянкина Анна Евгеньевна

учитель начальных классов МБОУ СОШ №2

имени Адмирала Ушакова

Геленджик 2016 г.

Оглавление

Введение (мотив).

В детском саду я проводил исследовательскую работу на тему «Почему мы не падаем с Земли?». Тогда мною были изучены основы закона всемирного тяготения, проведены опыты доказывающие, что Земля притягивает к себе все предметы находящиеся не ее поверхности и даже Луну.

У меня снова возник вопрос: Если Земля обладает такой большой силой притяжения, как же тогда люди летают в космос? Как они сумели преодолеть эту силу тяготения?

И я решил узнать об этом как можно больше.

Цель моего исследования: Можно ли преодолеть силу земного притяжения?

Гипотеза исследования: Я думаю, что для преодоления земного тяготения надо найти силу противоположную силы притяжения.

Для достижения цели я наметил задачи, которые мне необходимо выполнить:

1. C помощью литературы узнать, как люди научились преодолевать силу тяготения.

2. Проверить, как можно самому ее преодолеть.

С древних времен люди мечтали о межпланетных путешествиях. Для этого предлагалось использовать весьма странные средства передвижения. Например, в одном из сочинений Сирано-де Бержерака герой поднимался в воздух, привязав к поясу сосуды с росой, которая, испаряясь под действием солнечных лучей, создавала подъемную силу.

В XVIII в. фантастика становится реальностью благодаря братьям Монгольфье. Их наполненный горячим воздухом шар поднялся в воздух. Почему смог взлететь воздушный шар братьев Монгольфье?

Воздух, которым был наполнен первый воздушный шар, нагревался при помощи горящей соломы. Воздух внутри шара был горячее окружающего воздуха и, следовательно, менее плотным, поэтому создавал подъемную силу. Шар взлетел, поднялся на высоту 600 м и благополучно приземлился в 2 км от места старта. Во время полета первым воздухоплавателям было не до отдыха - приходилось все время поддерживать огонь, сжигая пуки соломы. В дальнейшем вместо горячего воздуха стали использовать водород. Для компенсации утечки газа и управления высотой полета воздухоплаватели сбрасывали за борт балласт - мешки с песком.

Воздушные шары и дирижабли: 1-Аэростат Монгольфье, 2-Аэростат Шарля, 3-Аэростат Бланшара, 4-Аэростат (bal. captif) Жиффара, 5- Аэростат (свободный) Жиффара, 6-Аэростат Дюпюи де Лом, 7-Аэростат Генлейна, 8-Аэростат Ренара и Кребса [2]

Далее аэростатостроение развивалось, увеличивая высоту подъема, дальность перелета, а так же многообразие форм и конструкций.

После войны 1870-71 гг. все воздухоплавательные общества, в особенности парижское, с большим усердием занялись поиском способа управления аэростатом, чтобы сделать его пригодным для практических целей. Первая рациональная попытка в этом направлении была сделана ранее, в 1852 г., Анри Жиффаром, построившим шар сигаровидной формы, длиной 44 метра и диаметром 12 м, снабжённый винтом, приводившимся во вращение паровой машиной.

История зарождения ракетостроения

В конце 9 века китайцы изобрели порох, который поначалу использовали для изготовления петард, которые они прикрепляли к кончикам стрел и пускали в сторону врагов. Взрывы пугали лошадей и сеяли панику. Очень скоро китайские оружейники заметили, что непрочно укрепленные петарды летели сами по себе: так был открыт принцип запуска ракеты. Вскоре порох стал широко применяться в военном деле, гранаты, пушки, ружья. Военные стратеги доверяли пушкам с прямой наводкой больше, чем неуправляемым ракетам, но воздушные снаряды оказались эффективными для поражения крупных целей. Именно изобретение пороха стало основой возникновения настоящих ракет. Ракеты стали совершенствовать. Со временем разные учёные высчитывали, сколько надо пороха, чтоб запустить ракету на луну. А так как с древних времён человек мечтал оторваться от Земли и достичь иные миры, мы пришли к тому, что стали изобретать космическую ракету.

Как ракета поднимается в космос?

Еще в XVII в. Исаак Ньютон сформулировал закон равенства силы действия и силы противодействия. Он лежит в основе принципа работы ракеты. Если воздушный шар надуть и отпустить, не завязав, воздух будет выходить (сила действия) и толкать шар в противоположном направлении (сила противодействия). То же самое происходит с ракетой. Двигатель, где сжигается топливо, выбрасывает назад газ. Газ толкает ракету в противоположном направлении, заставляя ее двигаться вперед.

Теория реактивного движения

Теорию реактивного движения создал Константин Циолковский. Он выдвигал идею использования ракет для космических полетов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода. Ракету для межпланетных сообщений он спроектировал в 1903 г.

«Земля - колыбель человечества. Но нельзя вечно жить в колыбели». Это высказывание принадлежит русскому изобретателю, выдающемуся учёному-самоучке Константину Эдуардовичу Циолковскому.

Циолковского называют отцом космонавтики. Ещё в 1883 г. в своей рукописи "Свободное пространство" он высказывал мысль о том, что в космосе можно передвигаться с помощью ракеты. Но теорию ракетного движения он обосновал гораздо позже. В 1903 г. была опубликована первая часть труда учёного, который назывался «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде он привёл доказательства того, что ракета является аппаратом, способным совершать космический полёт.

Научными разработками в области воздухоплавания и аэродинамики Циолковский занимался и ранее. В 1892 г. в работе «Теория и опыт аэростата» он описал управляемый дирижабль с оболочкой из металла. В те времена оболочки делали из прорезиненной ткани. Понятно, что дирижабль Циолковского мог служить гораздо дольше. Кроме того, он был оснащён системой подогрева газа и имел переменный объём. А это позволяло сохранять постоянную подъёмную силу при различных температурах окружающей среды и на различной высоте.

В 1894 г. учёный опубликовал статью «Аэростат или птицеподобная (авиационная) летательная машина», в которой описал летательный аппарат тяжелее воздуха - аэроплан с металлическим каркасом. В статье были даны расчёты и чертежи цельнометаллического самолёта с одним изогнутым крылом. К сожалению, в то время идеи Циолковского не были поддержаны в научном мире. Многие поколения учёных мечтали о полётах за пределы Земли - на Луну, Марс и другие планеты. Но как будет двигаться летательный аппарат в космосе, где абсолютная пустота и нет опоры, оттолкнувшись от которой он получит ускорение? Циолковский предложил использовать для этой цели ракету, приводимую в движение реактивным двигателем.

Как устроен ракетный двигатель

В космическом пространстве нет ни твёрдой, ни жидкой, ни газообразной опоры. И ускорение космическому кораблю может сообщить только реактивная сила. Для появления этой силы внешние воздействия не нужны. Она возникает, когда продукты сгорания вытекают из сопла ракеты с некоторой скоростью относительно самой ракеты.

Основная часть ракетного двигателя - камера сгорания. В ней и происходит процесс сгорания топлива. В одной из стенок этой камеры есть отверстие, называемое реактивным соплом. Вот через это отверстие и выбрасываются газы, образуемые при сгорании.

Продукты сгорания топлива в двигателях называют рабочим телом. Вообще, рабочее тело - это некое условное материальное тело, расширяющееся при нагреве и сжимающееся при охлаждении. В каждом типе двигателя оно разное. Так, в тепловых двигателях, рабочее тело - это продукты сгорания бензина, дизельного топлива и др. В ракетных - продукты сгорания ракетного топлива. А топливо для ракетных двигателей также бывает разным. И в зависимости от его вида различают ядерные ракетные двигатели, электрические ракетные двигатели, химические ракетные двигатели.

В ядерном ракетном двигателе рабочее тело нагревается за счёт энергии, которая выделяется при ядерных реакциях.

В электрических ракетных двигателях источником энергии служит электрическая энергия.

Химические ракетные двигатели, в которых топливо (горючее и окислитель) состоит из веществ, находящихся в твёрдом состоянии, называются твёрдотопливными (РДТТ). А в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) компоненты топлива хранятся в жидком агрегатном состоянии.

Циолковский предложил использовать для полётов в космосе жидкостные ракетные двигатели. Такие двигатели преобразуют химическую энергию топлива в кинетическую энергию выбрасываемой из сопла струи. В камерах сгорания этих двигателей происходит экзотермическая (с выделением теплоты) реакция горючего и окислителя. В результате этой реакции продукты сгорания нагреваются, расширяются и, разгоняясь в сопле, истекают из двигателя с огромной скоростью. А ракета, согласно закону сохранения импульса, получает ускорение, направленное в другую сторону.

И в наше время для полётов в космосе применяют ракетные двигатели. Конечно, существуют и другие проекты двигателей, например, космический лифт или солнечный парус, но все они находятся в стадии разработки.

Первая ракета Циолковского

Как же выглядела первая ракета Циолковского? Это был летательный аппарат в виде металлической продолговатой камеры (формы наименьшего сопротивления), внутри которого располагались 2 отсека: жилой и двигательный. Жилой отсек предназначался для экипажа. А в двигательном отсеке находился жидкостный ракетный двигатель, работающий на водородно-кислородном топливе. Жидкий водород служил топливом, а жидкий кислород - окислителем, необходимым для горения водорода. Газы, образующиеся при сгорании топлива, имели очень высокую температуру и текли по трубам, расширяющимся к концу. Разредившись и охладившись, они вырывались из раструбов с огромной относительно ракеты скоростью. На выбрасываемую массу действовала сила со стороны ракеты. А согласно третьему закону Ньютона (закон равенства действия и противодействия) такая же сила, называемая реактивной, действовала и на ракету со стороны выбрасываемой массы. Эта сила сообщала ракете ускорение.

Многоступенчатая ракета

Чтобы преодолеть притяжение Земли, летательный аппарат должен развить горизонтальную скорость около 7,9 км/сек. Эта скорость называется первой космической скоростью. Получив такую скорость, он будет двигаться вокруг Земли по концентрической орбите и станет искусственным спутником Земли. При меньшей скорости он упадёт на Землю.

Чтобы покинуть орбиту Земли, аппарат должен обладать скоростью 11,2 км/сек. Эта скорость называется второй космической скоростью. А космический аппарат, получивший такую скорость, становится спутником Солнца.

Каждое небесное тело имеет свои значения космических скоростей. Например, для Солнца вторая космическая скорость равна 617,7 км/сек.

Вес топлива, необходимого для получения даже первой космической скорости, по расчётам превышает вес самой ракеты. А ведь кроме топлива, она должна нести ещё и полезный груз: экипаж, приборы и т.п. Понятно, что такую ракету построить невозможно. Но Циолковский нашёл решение и этой задачи. А что если механически скрепить вместе несколько ракет? Учёный предложил направлять в космическое пространство целый «ракетный поезд». Каждая ракета в таком «поезде» называлась ступенью, а сам «поезд» - многоступенчатой ракетой.

Двигатель первой, самой большой ступени, включается при старте. Она получает ускорение и сообщает его всем остальным ступеням, которые по отношению к ней являются полезной нагрузкой. Когда всё топливо выгорит, эта ступень отделяется от ракеты и сообщает свою скорость второй ступени. Далее таким же образом разгоняется вторая ступень, которая также отделится от ракеты, когда закончится топливо. И так будет до тех пор, пока не закончится топливо в двигателе последней ступени ракеты. Тогда и эта ступень отделится от космического корабля, а он займёт свое место на космической орбите.

Современные ракетные двигатели

Большинство современных ракет оснащаются химическими ракетными двигателями. Такой двигатель может использовать твёрдое, жидкое или гибридное ракетное топливо. Химическая реакция между топливом и окислителем начинается в камере сгорания, получающиеся в результате горячие газы образуют истекающую реактивную струю, ускоряются в реактивном сопле (или соплах) и выбрасываются из ракеты. Ускорение этих газов в двигателе создаёт тягу - толкающую силу, заставляющую ракету двигаться. Принцип реактивного движения описывается третьим законом Ньютона.

Но не всегда для движения ракет используются химические реакции. Существуют паровые ракеты, в них пере нагретая вода, вытекающая через сопло, превращается в высокоскоростную паровую струю, которая служит движителем. Эффективность паровых ракет относительно низка, однако это окупается их простотой и безопасностью, а также дешевизной и доступностью воды. Работа небольшой паровой ракеты в 2004 году была проверена в космосе на борту спутника UK-DMC. Существуют проекты использования паровых ракет для межпланетной транспортировки грузов, с нагревом воды за счёт ядерной или солнечной энергии.

Ракеты наподобие паровой, в которых нагрев рабочего тела происходит вне рабочей зоны двигателя, иногда описывают как системы с двигателями внешнего сгорания. Примерами ракетных двигателей внешнего сгорания может служить большинство конструкций ядерных ракетных двигателей.

Сейчас разрабатываются альтернативные способы поднимать космические аппараты на орбиту. Среди них «космический лифт», электромагнитные и обычные пушки, но пока они находятся на стадии проектирования.

Я решил имитировать запуск ракеты в домашних условиях.

Опыт №1

Движение вперед происходит за счет того, что часть предмета отбрасывается назад. Классический пример - ракета: чтобы она летела вперед, раскаленные газы выбрасываются назад.

Однако ракеты у нас нет, зато легко можно купить воздушный шарик. По своему принципу действия он во многом схож с ракетой: если его надуть, а потом отпустить, то он, под действием выходящей струи воздуха, будет хаотично летать по комнате. Здесь работает тот же принцип реактивного движения: воздух - назад, шарик - вперед.

Опыт 2

Для опыта я использовал пакетик из -под чая, смастерив из него ракету.

Поджог его спичкой и он взлетел к потолку.

Поток теплого воздуха поднимает пакетик, и он летает - долго, высоко и красиво.

Опыт №3

Так как мы имитируем запуск ракеты в домашних условиях, в первую очередь, он должен быть безопасным. Поэтому я выбрал из нескольких вариантов способ, основанный на запуске с помощью реакции между уксусной кислотой и пищевой содой.

Для стартовой площадки нам понадобятся:

Бутылка из-под минеральной воды, уксус, сода, бумажная салфетка.

Для изготовления ракеты:

Лист плотного картона, линейка, карандаш, ножницы, клей.

Предварительно начертив на картоне контуры элементов будущей ракеты, я аккуратно вырезал ее ножницами и склеил соответственно задуманному макету. Так же я приклеил крылья стабилизаторов, как на настоящей ракете. Хочется, чтоб все было правдоподобно.

Реактивная смесь из уксуса и воды готова, опускаем внутрь бутылки соду, завернутую в бумажную салфетку. Теперь нужно быстро установить ракету на стартовую площадку. Важно успеть это сделать до того, как промокнет салфетка и начнется реакция соды с уксусом.

К сожалению, из-за неправильных расчетов концентрации и пропорций горючего для нашего запуска, а так же не достаточной герметичности соединения пусковой установки и ракеты нас ждал провал. Ракета, не получив достаточного импульса для взлета, накренилась на бок и вскоре была залита топливной смесью из пусковой установки.

Приняв во внимание все недочеты первого опыта, я решил осуществить повторный запуск. Все системы в норме, к пуску готов.

УРА запуск удался! Если не брать во внимание, далекую от идеала, траекторию полета, все прошло по плану. Восторг от происходящего на моей кухне сложно передать словами.

Я увидел, как созданная мной ракета взлетела под потолок и устремилась к «звездам далеких галактик».

Вывод из проведенного опыта:

Для осуществления любой технической задумки, а особенно в такой важной отрасли как ракетостроение, крайне необходимо проводить тщательный расчет всех параметров, способных оказать влияние на проводимый запуск. Ведь от этого может зависеть не только судьба самой ракеты, но и жизни космонавтов. Но главный опыт заключается в том, что потерпев неудачу, не стоит отчаиваться. Нужно понять причины ее повлекшие, исправить их и снова пробовать достичь поставленной цели. Ведь и у настоящих конструкторов и испытателей получалось не сразу и не все, но благодаря их упорству и труду мы живем в мире высоких космических технологий, а впереди нас ждет познание непознанного и необъятного космоса

</ Заключение

Вообще представить современную жизнь без достижений в ракетостроении и космонавтике не возможно. Ведь благодаря освоению ближнего космоса, в наши дни вокруг Земли вращаются всевозможные спутники разного назначения. С помощью научных спутников учёные наблюдают за небесными телами. Всё это, то, что есть сейчас, а в будущем научные станции и установки станут более легкими, а обитаемые жилые станции будущего, вращаясь рядом с Землей, позволят своим обитателям часто возвращаться на родную планету и принимать гостей. А если какая-то часть человечества решит поселиться в далёком космосе, связь можно будет поддерживать, только посылая радиосигналы. Вероятно, ещё долго не появятся межпланетные корабли, способные развивать скорость, превышающую несколько сотен тысяч километров в час, а при современном развитии космических технологий путь на Землю и обратно займёт десятки лет. Конечно же, найдутся добровольцы желающие стать поселенцами колоний, которые на огромных космических кораблях повезут с собой отобранные виды растений, животных. Но не так уж далёк день, когда космические колонии станут новыми мирами. И всё это уже будет не воображение писателей-фантастов.

Список используемых источников:

1. Инна Светлова. «Атлас Земли» - Издательство Эскимо, Москва, 2005.

2. Энциклопедия Знатока. «Космос» - Издательство «Махаон», Москва, 2012.

3. Энциклопедия тайн и загадок «Звезды и планеты. Занимательная астрономия»: М., Издательство «Белый город», 2001.

4. Справочник школьника. Физика: М.; Филологическое общество «Слово», Компания «Ключ-С», 1995.

5. Гордиенко Н.И. « Космонавтика. Иллюстрированная энциклопедия» М., «Эксмо», 2010

6. Майкл Горн «НАСА: Полная иллюстрированная история» М. «Эксмо», 2010