Как работает ракета, и что у неё общего с каракатицей?

Давайте посмотрим на старт космической ракеты и вот на этих обитателей морей и морских глубин. Как вы думаете, есть ли между ними что-нибудь общее?

Оказывается, в обоих случаях для перемещения используется принцип реактивного движения.

Реактивным называется движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определённой скоростью относительного него.

Типичным примером реактивного движения может служить движение ракет. Ракеты люди начали строить достаточно давно. Истоки возникновения ракет большинство историков относят ко временам китайской династии Хань (а это, между прочим, 206 год до нашей эры — 220 год нашей эры). Примерно в это время в Китае был изобретён порох, который впоследствии стали использовать для фейерверков и развлечений.

Примерно в XIII веке вместе с монгольскими завоевателями китайские ракеты попали в Европу. И уже в середине того же века английский естествоиспытатель Роджер Бэкон опубликовал труд по их применению. Спустя три века немецкий изобретатель Конрад Хаас и, чуть позже, белорусский военный инженер Казимир Семенович описали первые многоступенчатые ракеты.

Фейерверки и зажигательные ракеты производились в России начиная с XVII века. Однако по-настоящему теория ракетных двигателей в России начала развиваться лишь в XIX веке благодаря трудам генерала артиллерии Константина Константинова и революционера-изобретателя Николая Кибальчича.

Основные идеи, чертежи и расчёты Кибальчича получили дальнейшее развитие в трудах Константина Эдуардовича Циолковского, который предложил использовать их для межпланетных сообщений. В начале ХХ века учёный-самоучка публикует ряд работ, где убедительно доказывает возможность использования реактивного движения для исследования космического пространства и обосновывает целесообразность использования многоступенчатых ракет. Многие научные разработки Циолковского и по сей день применяются в ракетостроении.

— Так как, вообще возникла идея перемещаться, отталкиваясь от собственной реактивной струи?

Возможно, пристально наблюдая за морскими обитателями, жители прибрежных зон заметили, как это происходит в животном мире. Например, морской гребешок перемещается за счёт реактивной силы водной струи, выбрасываемой из раковины при быстром сжатии её створок.

Но ему никогда не угнаться за самыми быстрыми пловцами — кальмарами. Их ракетообразные тела мчатся хвостом вперёд, выбрасывая из специальной воронки, запасённую воду.

Медлительные медузы перемещаются по тому же принципу, выдавливая воду сокращением своего прозрачного купола.

Природа даже одарила «реактивным двигателем» и растения, например, «бешеный огурец». Когда его плоды полностью созревают, в ответ на самое слабое прикосновение, он выстреливает клейковину с семенами. Сам плод при этом способен отлететь в противоположную сторону на расстояние более 6 метров.

Но ни морским обитателям, ни растениям неведомы физические законы, лежащие в основе этого способа передвижения. Мы же с вами попробуем в этом разобраться.

Для начала обратимся к простому опыту. Возьмём игрушечную машинку, на крышу которой прикрепим надутый, но не завязанный воздушный шарик. Отпустим шарик. Из его отверстия тут же начинает вырываться воздух, и автомобиль приходит в движение. И он будет двигаться, пока истекающая из шарика струя воздуха будет достаточно сильной.

Для объяснения результатов этого опыта нам следует обратиться к одному из законов Ньютона, в котором говорится, что два тела взаимодействуют с силами равными по величине и противоположными по направлению. Значит, сила, с которой машинка с шариком воздействуют на вырывающиеся из шарика струи воздуха, равна силе, с которой воздух отталкивает от себя машинку с шариком.

Перенесём эти рассуждения на ракету. Эти устройства на огромной скорости выбрасывают некоторую часть своей массы, вследствие чего сами получают ускорение в противоположном направлении. С точки зрения физики этот процесс чётко объясняется законом сохранения импульса. И вот тут нам с вами необходимо отвлечься и поговорить об этом самом загадочном импульсе. Итак, вам уже известно, что в Средние века философы, в соответствии с учением Аристотеля, полагали, что для поддержания движения непременно требуется некоторая сила. И как только прекращается действие силы прекращается и движение.

Но тогда возникал вопрос: почему же брошенный камень движется и после того, как его связь с силой руки утрачена?

Тогда в XIV веке Жан Буридан выдвинул гипотезу о том, что летящий камень обладает «импетусом» (от латинского импульс, толчок), который сохраняется в отсутствие сопротивления воздуха. При этом «импетус» прямо пропорционален скорости. В другом месте он пишет о том, что тела с бо́льшим весом способны вместить больше импетуса.

В первой половине XVII века Рене Декартом вводит понятие импульса тела или количества движения. Но так как физическое понятие массы в то время было ещё неизвестно, то он определил количество движения как произведение «величины тела на скорость его движения».

И лишь в математических началах натуральной философии Ньютон уточнил понятие импульса: количество движения есть мера токового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе:

Единица измерения импульса в СИ — килограмм-метр в секунду (кг ∙ м/с).

Отметим, что импульс имеет направление, которое совпадает с направлением скорости.

Из формулы видно, что чем быстрее движется тело или чем больше его масса, тем больше будет импульс, направленный в сторону его движения.

Как и всякая сохраняющаяся величина, импульс не может возникнуть ниоткуда и бесследно исчезнуть в никуда. Он может только передаваться от одного тела другому. В этом заключён один из фундаментальных законов природы — закон сохранения импульса.

А теперь рассмотрим такой пример. Пусть у нас есть два одинаковых шарика, подвешенных на нерастяжимых нитях. Давайте отклоним один из шариков на небольшой угол и отпустим его. Как видим, вернувшись в своё первоначальное положение, он ударяет по второму шарику и останавливается. При этом второй шарик приходит в движение и отклоняется примерно на тот же угол, на который мы отклонили первый шарик. И дальше такое движение шариков будет продолжаться очень долго (особенно при незначительных силах сопротивления).

Так что мы здесь видим? А видим мы то, что в результате взаимодействия шаров импульс каждого из них постоянно меняется. Но на сколько уменьшается импульс одного шара, на столько же увеличивается импульс другого. Вот он — закон сохранения импульса в деле.

Но почему же импульс — сохраняющаяся величина? Потому что работает третий закон Ньютона. Если одно тело воздействует на другое с некоторой силой в течение какого-то времени, то второе тело в течение ровно такого же времени действует на первое с точно такой же по величине, но противоположно направленной силой. А поскольку силы равны и направлены навстречу друг другу, столкнувшиеся тела получают импульсы, равные по модулю, но направленные в противоположные стороны. Так как импульс, полученный одним телом, равен импульсу, потерянному другим, мы говорим, что импульс передаётся от одного тела к другому. При этом, чем больше масса тела, тем меньше меняется его скорость в результате передачи импульса.

Разобравшись с импульсом, давайте вернёмся к нашим ракетам и попробуем разобраться, как же они извлекают реактивную силу из запаса топлива. Для этого представьте, что вы ранней весной сидите на льду посреди замёрзшего озера и ваши скорость и импульс равны нулю. Солнышко уже ощутимо греете, и лёд, слегка подтаяв, стал очень скользким. Похоже, как ни старайся, вам не удастся сдвинуться с места. Как же добраться до берега?

Поскольку вы обладаете инертностью, то единственная надежда сдвинуться — это получить какой-нибудь толчок извне. Например, можно заказать пиццу по телефону, а когда её доставят, оттолкнуться от доставщика. А можно вспомнить закон сохранения импульса: снимаете кроссовку и бросаете её изо всех сил в сторону дальнего берега. Бросая кроссовку, вы своей рукой прикладываете к ней силу. Кроссовка получает ускорение и летит надо льдом.

А что происходит с вами? Правильно, вы начинаете двигаться в противоположную сторону. Вы двигаетесь, потому что, когда вы толкнули кроссовку, например, в западном направлении, она с такой же силой толкнула вас к востоку. При этом вы передали импульс кроссовке — и она тоже передала вам импульс, но направленный в противоположную сторону. Не забываем, что импульс не может возникнуть из ниоткуда и исчезнуть в никуда, он может быть лишь перераспределён. Поэтому, даже после того, как вы бросили кроссовку, ваш суммарный импульс остался равен нулю, так как величина импульса кроссовки равна величине вашего противоположно направленного импульса.

Конечно, вы гораздо тяжелее кроссовка. Поэтому и двигаться вы будете гораздо медленнее, чем она. Ведь импульс равен произведению массы на скорость. Поэтому, чем больше масса тела, тем меньшая скорость ему нужна для получения такого же импульса. Но так или иначе вы достигли поставленной цели — вы медленно скользите к берегу.

Если бы вам удалось метнуть кроссовку с более высокой скоростью или запустить в воздух целый ящик с обувью, ваш импульс был бы куда больше, и вы начали бы скользить быстрее.

Однако швыряться кроссовками не слишком эффективно. Куда лучше было бы выпустить в сторону западного берега быстрый поток газа.

Ведь даже при комнатной температуре скорость молекул в воздухе равна примерно 500 м/с (а это, на минуточку, 1800 км/ч). А если нагреть газ до 2800 ̊С — именно такова температура газа в жидкостном ракетном двигателе, — его молекулы будут двигаться в три раза быстрее. То есть бросив что-либо с такой скоростью, вы получите изрядный по величине импульс, направленный в противоположную броску сторону.

Этот процесс и реализуется в ракете. Вы видели, что большинство ракет имеют трубчатый корпус, закрытый с одного конца. Там, чаще всего, располагают полезный груз (например, космический корабль). А вот большую часть ракеты занимают баки, в которых находится горючее и окислитель в жидком состоянии.

По трубопроводу горючее и окислитель подаются в камеру сгорания, где они смешиваются. В результате химических реакций образуются газы высокой температуры и высокого давления. Они образуют истекающую реактивную струю, которая ускоряется в реактивном сопле́, имеющим форму песочных часов (такую конструкцию сопла изобрёл ещё в 1890 году шведский инженер Карл Густав де Лаваль).

Итак, ракета выбрасывает из сопла реактивную струю назад и сообщает ей направленный назад импульс. А реактивная газовая струя посылает ракету вперёд и тем самым замыкает процесс передачи импульса.

Таким образом, всё, что требуется для получения реактивной движущей силы, — это собственно выброс газов (подобно выбросам струй воды кальмарами или каракатицами). То есть ракете не нужно отталкиваться от какого-либо другого тела, и она отлично летит даже в полной пустоте.

Современные космические ракеты — это сложные, многоступенчатые летательные аппараты, которые используют новейшие достижения инженерии.

После старта вначале сгорает топливо в нижней ступени. Она отделяется, что приводит к уменьшению массы ракеты и облегчает её дальнейший разгон. Затем расходуется топливо во второй ступени и так далее. Наконец, летательный аппарат выводится на заданную траекторию и начинает свой самостоятельный полёт. При этом последняя ступень может использоваться как для увеличения скорости ракеты, так и для её торможения.