1. Вы могли слышать или читать такие слова, как «реактивный двигатель», «реактивное движение», «реактивный самолет» и т. п. Выясним, что они означают. Представим, что на гладком льду на коньках стоит человек и бросает в горизонтальном направлении шары. Можно заметить, что при этом человек приходит в движение со скоростью, направленной противоположно скорости шаров.

Объяснить наблюдаемое явление можно, исходя из закона сохранения импульса. Пока человек не бросил шар, импульс системы тел человек—шар был равен нулю. После броска, импульс этой системы в соответствии с законом сохранения импульса не изменился и остался равным нулю. Следовательно, модуль импульса шара равен модулю импульса человека, но направлены импульсы в противоположные стороны.

Значение скорости человека можно найти, если известна скорость шаров, а также масса человека и шаров.

Подобное движение можно наблюдать, если на водопроводный кран надеть резиновую трубку с изогнутым горизонтальным концом и открыть кран. Вода будет вытекать из трубки, а сама трубка отклоняться в сторону противоположную направлению струи. (рис. 61). Движение трубки при вытекании из нее воды является примером реактивного движения.

Реактивное движение можно продемонстрировать с помощью прибора, называемого сегнеровым колесом (рис. 62). Прибор состоит из конусообразного сосуда, насаженного на острие. Дно этого сосуда сделано в виде двух трубок, изогнутых под прямым углом. Вода, налитая в сосуд, выливается из трубок, а сосуд при этом начинает вращаться в сторону, противоположную направлению вытекания воды.

2. Типичным примером реактивного движения является движение ракет. На рисунке 63 приведена схема ракеты. В головной части ракеты находится рабочий отсек, в котором располагается полезный груз. Большую часть ракеты занимают баки с горючим и окислителем. Топливо подается в камеру сгорания, где происходит химическая реакция. Газ, который при этом образуется, имеет высокую температуру и большое давление. Он вырывается наружу с очень большой скоростью через специальный канал — сопло.

Если пренебречь силой притяжения ракеты к Земле, которая много меньше, чем внутренние силы, возникающие при выбросе газа, то можно считать ракету и газ замкнутой системой. Поскольку до старта суммарный импульс ракеты и топлива равен нулю, то по закону сохранения нулю должен быть равен суммарный импульс ракеты и выбрасываемого из нее газа. Следовательно, импульс ракеты и импульс выбрасываемого газа равны по модулю и направлены в противоположные стороны.

Пусть масса газа m_г, скорость истечения газа v_г, масса ракеты m_р, скорость ракеты v_р. Тогда

m₂v₂ – m_рv_р = 0 или m_гv_г = m_рv_р,

откуда

v_р = v_г.

Полученная формула позволяет рассчитать скорость ракеты, если известны масса ракеты и газов, а также скорость истечения газов.

3. Записывая формулу для скорости ракеты, мы считали, что весь газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле газ вытекает постепенно, порциями. Это означает, что топливо какое‑то время находится в ракете. Если учесть силу тяжести и силу сопротивления воздуха, действующие на ракету, то отношение массы топлива к массе ракеты будет значительно больше, чем получено из закона сохранения импульса. Расчеты показывают, что для достижения ракетой скорости, равной первой космической, масса топлива должна быть в 55 раз больше массы ракеты при скорости истечения газов 2000 м/с.

Поскольку большую часть ракеты занимают баки с топливом, то по мере его выгорания баки становятся ненужным балластом, увеличивая общую массу ракеты, для сообщения им ускорения нужно расходовать топливо дополнительно. Для уменьшения массы ракеты и увеличения скорости ее движения ракеты делают многоступенчатыми. По мере выгорания топлива, находящегося в каждой ступени, эти ступени последовательно отделяются, и полет продолжает оставшаяся часть ракеты.

4. Ракеты широко используются для запуска на орбиту искусственных спутников Земли, межпланетных космических станций и других аппаратов для исследования космического пространства. Идея использования ракет для этой цели была предложена в начале XX в. русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским. Она была практически реализована советскими учеными под руководством академика Сергея Павловича Королева. С помощью ракеты 4 октября 1957 г. был выведен на орбиту первый искусственный спутник Земли. Эта ракета (ее называют ракетой‑носителем) имела массу 267 т, длину 29,2 м и состояла из двух ступеней.

12 апреля 1961 г. был совершен первый космический полет с человеком на борту. Юрий Алексеевич Гагарин облетел земной шар на космическом корабле «Восток», который был выведен на околоземную орбиту трехступенчатой ракетой‑носителем стартовой массой 287 т. Масса же космического корабля «Восток» составляла всего 4,73 т. На рисунке 64 приведена схема устройства одноместного космического корабля «Восток» с последней ступенью ракеты‑носителя.

В настоящее время полеты человека в космос стали достаточно привычным явлением. На околоземных орбитах функционируют космические станции, на которых совершаются многодневные полеты со сменными экипажами, ведущими исследовательскую работу.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите примеры реактивного движения.

2. Какой закон лежит в основе объяснения реактивного движения?

3. Почему в опыте с сегнеровым колесом оно вращается в сторону, противоположную направлению вытекания воды?

4. Каковы принцип действия и основные элементы конструкции ракеты?

5. Когда был совершен первый космический полет с человеком на борту?