Тема 3: Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух (2год.)

Мета: Сформулювати поняття імпульсу тіла. Засвоїти закон збереження імпульсу. Сприяти формуванню пізнавального інтересу до розвитку космонавтики в Україні.

План

1. Поняття імпульсу тіла.

2. Закон збереження імпульсу.

3. Реактивний рух. Ракети.

Література

1. В. Ф. Дмітрієва.Фізика.-К.:Техніка, 2008.-648 с.

2. В.Г. Барахтяр, Ф.Я.Божинова. Фізика.-Х.:Ранок,2010.-256 с.

1. Імпульс тіла. За другим законом Ньютона, важливими характеристиками руху тіла є його маса і швидкість, зміну якої характеризує прискорення. Тіла однієї й тієї самої маси, що мають різні швидкості, рухаються по-різному. Маленька піщинка, що з прискоренням вільного падіння осідає на руку, майже не відчутна. Ця ж піщинка, приведена в рух ураганом, може пошкодити паперову перепону і навіть тонке скло.

Аналогічно по різному рухаються й тіла, що мають однакові швидкості, але різні маси. Куля масою 10 кг, рухаючись з порівняно невеликою швидкістю, досить легко може деформувати чи навіть пробити гіпсокартонну або дерев’яну стіну. Тоді як куля масою 100 г, що рухається з такою самою швидкістю, зупиниться, досягнувши перешкоди, або рухатиметься у зворотний бік. Такі принципові відмінності в русі тіл зумовлені наявністю крім маси та швидкості ще однієї важливої характеристики руху – його кількості, яку у фізиці називають імпульсом.

Імпульс тіла – це векторна фізична величина, що є мірою механічного руху і визначається як добуток маси тіла на його швидкість.

Одиницею імпульсу тіла в СІ є імпульс тіла масою 1 кг, що рухається зі швидкістю 1 м/с: [Р] = 1 кг ∙ 1м/с = 1

Числове значення імпульсу тіла розраховують, використовуючи його масу та швидкість.

2. Закон збереження імпульсу розглядають як один із фундаментальних законів не тільки механіки, фізики, а й природи. Встановити цей закон можна, розглянувши пружну взаємодію двох кульок. За третім законом Ньютона сили, що діють на кульки, будуть рівні за модулем і протилежні за напрямом: . Оскільки взаємодія відбувається деякий час t для обох тіл, то рівними будуть і імпульси сил: , підставивши значення імпульсу сили у вираз для імпульсу тіла, отримаємо:

.

Отже, якщо взаємодія тіл відбувається в замкненій системі, то сума їх імпульсів до взаємодії ( ) дорівнює сумі їх імпульсів після взаємодії ( ).

Повний імпульс замкненої системи (сума імпульсів усіх тіл, що взаємодіють у системі) є величиною сталою:

Закон збереження кількості руху (імпульсу) є одним із фундаментальних, основних законів природи. Він є основою багатьох фізичних явищ, проявляється у живій природі і використовується в науці та техніці.

Застосування закону збереження імпульсу дає можливість розв’язувати досить окремі силові взаємодії, без використання основного закону динаміки (другого закону Ньютона).

3. Р еактивний рух є проявом закону збереження імпульсу( рис.11). Система, що здійснює реактивний рух, не потребує взаємодії з іншими тілами, крім тих, то входять до неї. Тому вона забезпечує можливість переміщення у навколоземному просторі. Важливість реактивного руху визначається можливістю його використання в умовах, коли відсутній вплив інших тіл. Умовою руху, який ми спостерігаємо зазвичай навколо себе, є наявність сили тертя (рух по поверхні Землі) або сили опору повітря (рух у повітрі), і, відповідно, наявність інших тіл, що й дають можливість рухатися певному тілу.

Реактивний рух може відбуватися і за відсутності навколо тіла, що рухається, інших тіл, тобто, в навколоземному, космічному просторі або вакуумі.

І дею реактивного руху реалізовано в ракетах – спеціальних пристроях, призначених для польотів за межі нашої планети та дослідження близького і далекого космосу. Загалом ракета складається з двох основних тіл, що утворюють замкнену систему, в якій виконується закон збереження імпульсу – робоча частина та пальне. Робоча частина складається з оболонки, реактивного двигуна, відсіку для обладнання та космонавтів. При цьому основну частину маси ракети складає маса пального..

Найпоширенішими сучасними реактивними двигунами є двигуни, що працюють на рідкому паливі. Такі двигуни мають спеціальну камеру згоряння, до якої закачується рідке пальне із зовнішніх резервуарів. За допомогою окислювачів паливо спалюється, в результаті чого утворюються розжарені гази дуже високої температури. Вони створюють тиск на стінки камери згоряння. Задня стінка має спеціальне сопло, через яке розжарений газ виходить назовні. Оскільки сила тиску на передню стінку значно перевищує тиск на задню стінку, створюється реактивна сила тяги, що рухає ракету вперед.

П ерші в світі ракети, що були використані для подолання сили земного тяжіння і виведення на орбіту Землі першого штучного супутника та польоту першого космонавта, розроблялися під керівництвом нашого співвітчизника С.П.Корольова. Одні з перших рідинних реактивних двигунів були розроблені під керівництвом українського і радянського вченого, академіка В. П. Глушка. Реактивні двигуни його конструкції забезпечували надійну роботу космічних апаратів.

Важливими показниками сучасної ракети є її максимальна швидкість та маса пального. Максимальна швидкість характеризує можливість ракети подолати, наприклад, силу земного тяжіння (перша космічна швидкість) і вийти на орбіту штучного супутника Землі, вийти на орбіту навколо С. П. Корольов Сонця (друга космічна швидкість) або залишити межі Сонячної системи.

Швидкість ракети тим більша, чим більше відношення маси палива до маси корпусу ракети, а також, чим більша швидкість витікання газу із сопла реактивного двигуна. Щоб збільшити корисне співвідношення маса пального-корпус, використовують багатоступінчаті ракети. Кожна ступінь такої ракети має свій реактивний двигун та баки з пальним, що відкидаються після використання пального в цьому бакові.

В елику роль у дослідженні руху ракети відіграв талановитий російський учений К.Е. Ціолковський, який першим запропонував узагальнену формулу для визначення швидкості руху ракети («формула ракети»), ідею багатоступінчатих ракет тощо. Наш співвітчизник Ю.В.Кондратюк (О. Г. Шаргей) незалежно від К. Е. Ціолковського іншими методами отримав рівняння руху ракети, що стало підтвердженням об’єктивного характеру розвитку вчення про реактивні пристрої. В історії світової астронавтики увійшла і «зоряна траса» Ю. В. Кондратюка – схема гравітаційного маневру для польоту на інші тіла нашої планетної системи. Цю схему було вдало використано американськими астронавтами під Ю. В. Кодратюк

час польоту на природний супутник Землі – Місяць.

Нині наша країна є космічною державою, однією з небагатьох, що проектують і виготовляють ракети – носії для виведення на орбіту штучних супутників, космічних кораблів на станції. Вітчизняні реактивні носії «Зеніт» щороку здійснюють польоти з наземних та морських космодромів.

Дай відповідь

1. Чому імпульс називають кількістю руху?

2. Чи матиме тіло імпульс, якщо на нього не діє сила?

3. Чи відрізняються за модулем і напрямом імпульс тіла та імпульс сили?

4. Які природні явища підтверджують закон збереження імпульсу?

5. Яка важлива особливість реактивного руху забезпечує його широке використання в сучасній техніці?

6. Які основні складові сучасної ракети?

7. Які характеристики ракети визначають її максимальну швидкість?

8. Запропонуйте власну схему космічної ракети майбутнього. Розкрийте внесок вітчизняних учених і конструкторів до справи освоєння космосу.

Розв’яжи

1. Рибалка, маса якого 80 кг, стрибає у нерухомий човен зі швидкістю 3 м/с. З якою швидкістю рухатиметься човен, маса якого 150 кг.

2. Кулька, що рухається зі швидкістю 1 м/с, зустрічається з кулькою, що рухається зі швидкістю 0,5 м/с. Вважаючи удар абсолютно пружним (після взаємодії розміри і форма тіл повністю відновлюються). Знайти швидкості кульок після взаємодії, якщо маса кожної становить 100 г.

3. З якою швидкістю рухатиметься спортсмен, який запускає спис масою 5 кг зі швидкістю 10 м/с під кутом 60° до горизонту. Маса спортсмена 70 кг, метання списа він виконував зі стану спокою.