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Strahlantrieb in Natur und Technik

ZUSAMMENFASSUNG ÜBER PHYSIK

Strahlantrieb- Bewegung, die auftritt, wenn ein Teil davon mit einer bestimmten Geschwindigkeit vom Körper getrennt wird.

Reaktionskraft entsteht ohne jegliche Wechselwirkung mit äußeren Körpern.

Anwendung von Strahlantrieben in der Natur

Viele von uns sind in ihrem Leben beim Schwimmen im Meer auf Quallen gestoßen. Auf jeden Fall gibt es im Schwarzen Meer genug davon. Aber nur wenige Menschen dachten, dass Quallen auch einen Strahlantrieb nutzen, um sich fortzubewegen. Darüber hinaus bewegen sich auf diese Weise Libellenlarven und einige Arten von Meeresplankton. Und oft ist die Effizienz wirbelloser Meerestiere beim Einsatz von Jet-Antrieben viel höher als die technischer Erfindungen.

Der Strahlantrieb wird von vielen Weichtieren genutzt – Kraken, Tintenfische, Tintenfische. Beispielsweise bewegt sich eine Jakobsmuschel-Molluske aufgrund der Reaktionskraft eines Wasserstrahls, der aus der Schale geschleudert wird, während eine starke Kompression ihrer Klappen erfolgt, vorwärts.

Oktopus

Tintenfisch

Der Tintenfisch bewegt sich wie die meisten Kopffüßer im Wasser auf die folgende Weise. Durch einen seitlichen Schlitz und einen speziellen Trichter vor dem Körper nimmt sie Wasser in die Kiemenhöhle auf und stößt dann energisch einen Wasserstrahl durch den Trichter aus. Der Tintenfisch richtet das Trichterrohr zur Seite oder nach hinten und kann sich, indem er schnell Wasser herausdrückt, in verschiedene Richtungen bewegen.

Der Salpa ist ein Meerestier mit einem durchsichtigen Körper; bei Bewegung erhält er Wasser durch die vordere Öffnung, und das Wasser gelangt in einen weiten Hohlraum, in dessen Inneren sich die Kiemen diagonal erstrecken. Sobald das Tier einen großen Schluck Wasser trinkt, schließt sich das Loch. Dann ziehen sich die Längs- und Quermuskeln der Salpe zusammen, der ganze Körper zieht sich zusammen und Wasser wird durch die hintere Öffnung herausgedrückt. Die Reaktion des austretenden Strahls treibt den Salpa nach vorne.

Das meiste Interesse stellt ein Tintenfischstrahltriebwerk dar. Der Tintenfisch ist der größte wirbellose Bewohner der Meerestiefen. Tintenfische sind angekommen höchste Vollkommenheit in der reaktiven Navigation. Sogar ihr Körper mit seinen äußeren Formen kopiert die Rakete (oder besser gesagt, die Rakete kopiert den Tintenfisch, da er in dieser Angelegenheit unbestreitbar Vorrang hat). Bei langsamer Bewegung verwendet der Tintenfisch eine große rautenförmige Flosse, die sich regelmäßig biegt. Es verwendet ein Strahltriebwerk, um schnell zu werfen. Muskelgewebe – der Mantel umgibt den Körper der Molluske von allen Seiten; das Volumen seiner Höhle beträgt fast die Hälfte des Volumens des Körpers des Tintenfischs. Das Tier saugt Wasser in die Mantelhöhle, stößt dann einen scharfen Wasserstrahl durch eine schmale Düse aus und bewegt sich mit hohen Geschwindigkeitsstößen rückwärts. Gleichzeitig bündeln sich alle zehn Tentakel des Tintenfischs zu einem Knoten über seinem Kopf und er erwirbt stromlinienförmige Form. Die Düse ist mit einem speziellen Ventil ausgestattet und kann von den Muskeln gedreht und so die Bewegungsrichtung geändert werden. Der Tintenfischmotor ist sehr sparsam und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 60 - 70 km/h. (Einige Forscher glauben sogar bis zu 150 km/h!) Kein Wunder, dass der Tintenfisch als „lebender Torpedo“ bezeichnet wird. Durch Biegen der gebündelten Tentakel nach rechts, links, oben oder unten dreht sich der Tintenfisch in die eine oder andere Richtung. Denn ein solches Lenkrad hat im Vergleich zum Tier selbst eine sehr große Größen, dann reicht seine leichte Bewegung aus, damit der Tintenfisch auch bei voller Geschwindigkeit einer Kollision mit einem Hindernis problemlos ausweichen kann. Eine scharfe Drehung des Lenkrads – und der Schwimmer stürzt hinein Rückseite. Also hat er das Ende des Trichters nach hinten gebogen und rutscht nun mit dem Kopf voran hinein. Er beugte es nach rechts – und der Jetstoß warf ihn nach links. Wenn Sie jedoch schnell schwimmen müssen, ragt der Trichter immer direkt zwischen den Tentakeln hervor, und der Tintenfisch stürmt mit dem Schwanz voran, genau wie ein Flusskrebs rennen würde – ein schneller Läufer, der über die Beweglichkeit eines Rennfahrers verfügt.

Wenn kein Grund zur Eile besteht, schwimmen Tintenfische und Tintenfische mit wellenförmigen Flossen – Miniaturwellen laufen von vorne nach hinten über sie hinweg, und das Tier gleitet anmutig, wobei es sich gelegentlich auch mit einem Wasserstrahl abstößt, der unter dem Mantel hervorgeschleudert wird. Dann sind die einzelnen Stöße, die die Molluske im Moment des Ausbruchs von Wasserstrahlen erhält, deutlich sichtbar. Einige Kopffüßer können Geschwindigkeiten von bis zu fünfundfünfzig Kilometern pro Stunde erreichen. Es scheint, dass niemand direkte Messungen durchgeführt hat, aber dies kann anhand der Geschwindigkeit und Flugreichweite fliegender Tintenfische beurteilt werden. Und es stellt sich heraus, dass Kraken in ihrer Familie solche Talente haben! Der beste Pilot unter den Weichtieren ist der Tintenfisch Stenoteuthis. Englische Seeleute nennen es Flying Squid („fliegender Tintenfisch“). Dies ist ein kleines Tier von der Größe eines Herings. Er jagt Fische mit solcher Geschwindigkeit, dass er oft aus dem Wasser springt und wie ein Pfeil über die Wasseroberfläche huscht. Er greift auf diesen Trick zurück, um sein Leben vor Raubtieren – Thunfisch und Makrele – zu retten. Nachdem der Pilot-Tintenfisch im Wasser den maximalen Strahlschub entwickelt hat, hebt er in die Luft ab und fliegt mehr als fünfzig Meter über die Wellen. Der Höhepunkt des Flugs einer lebenden Rakete liegt so hoch über dem Wasser, dass fliegende Tintenfische oft auf dem Deck von Hochseeschiffen landen. Vier bis fünf Meter sind keine Rekordhöhe, bis zu der Tintenfische in den Himmel ragen. Manchmal fliegen sie sogar noch höher.

Der englische Molluskenforscher Dr. Rees beschrieb in einem wissenschaftlichen Artikel einen Tintenfisch (nur 16 Zentimeter lang), der, nachdem er eine ganze Strecke durch die Luft geflogen war, auf die Brücke einer Yacht fiel, die fast sieben Meter über dem Wasser ragte.

Es kommt vor, dass viele fliegende Tintenfische in einer glitzernden Kaskade auf das Schiff fallen. Der antike Schriftsteller Trebius Niger erzählte es einmal traurige Geschichteüber ein Schiff, das angeblich sogar unter der Last fliegender Tintenfische sank, die auf sein Deck fielen. Tintenfische können ohne Beschleunigung abheben.

Kraken können auch fliegen. Der französische Naturforscher Jean Verani beobachtete, wie ein gewöhnlicher Oktopus in einem Aquarium beschleunigte und plötzlich rückwärts aus dem Wasser sprang. Nachdem er einen etwa fünf Meter langen Bogen in der Luft beschrieben hatte, ließ er sich zurück ins Aquarium fallen. Beim Erhöhen der Sprunggeschwindigkeit bewegte sich der Oktopus nicht nur aufgrund Jet-Schub, aber auch mit Tentakeln gerudert.
Baggy-Oktopusse schwimmen natürlich schlechter als Tintenfische, aber in kritischen Momenten können sie eine Rekordklasse für die besten Sprinter vorweisen. Mitarbeiter des California Aquariums versuchten, einen Oktopus zu fotografieren, der eine Krabbe angreift. Der Oktopus stürmte mit einer solchen Geschwindigkeit auf seine Beute zu, dass sie auf Film zu sehen war, selbst wenn höchstens geschossen wurde hohe Geschwindigkeiten, es gab immer Gleitmittel. Das bedeutet, dass der Wurf Hundertstelsekunden dauerte! Normalerweise schwimmen Oktopusse relativ langsam. Joseph Seinl, der die Wanderungen von Kraken untersuchte, berechnete: Ein Oktopus von einem halben Meter Größe schwimmt mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa fünfzehn Kilometern pro Stunde durch das Meer. Jeder aus dem Trichter geschleuderte Wasserstrahl schiebt ihn zwei bis zweieinhalb Meter vorwärts (oder besser gesagt rückwärts, da der Oktopus rückwärts schwimmt).

Strahlbewegungen sind auch in der Pflanzenwelt zu finden. Beispielsweise prallen die reifen Früchte der „verrückten Gurke“ bei der geringsten Berührung vom Stiel ab und eine klebrige Flüssigkeit mit Samen wird gewaltsam aus dem entstandenen Loch geschleudert. Die Gurke selbst fliegt bis zu 12 m in die entgegengesetzte Richtung.

Wenn Sie das Gesetz der Impulserhaltung kennen, können Sie Ihre eigene Bewegungsgeschwindigkeit ändern Freifläche. Wenn Sie in einem Boot sitzen und mehrere schwere Steine ​​haben, werden Sie durch das Werfen von Steinen in eine bestimmte Richtung in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Dasselbe wird im Weltraum passieren, aber dort werden dafür Düsentriebwerke eingesetzt.

Jeder weiß, dass ein Schuss aus einer Waffe von einem Rückstoß begleitet wird. Wäre das Gewicht der Kugel gleich dem Gewicht der Waffe, würden sie mit der gleichen Geschwindigkeit auseinanderfliegen. Der Rückstoß entsteht, weil die ausgestoßene Gasmasse eine Reaktionskraft erzeugt, dank derer die Bewegung sowohl in der Luft als auch im luftleeren Raum gewährleistet werden kann. Und je größer die Masse und Geschwindigkeit der strömenden Gase ist, desto größer ist die Rückstoßkraft, die unsere Schulter spürt, desto stärker ist die Reaktion der Waffe, desto größer ist die Reaktionskraft.

Anwendung von Strahlantrieben in der Technik

Seit vielen Jahrhunderten träumt die Menschheit von der Raumfahrt. Science-Fiction-Autoren haben verschiedene Mittel vorgeschlagen, um dieses Ziel zu erreichen. Im 17. Jahrhundert erschien eine Geschichte Französischer Schriftsteller Cyrano de Bergerac über den Flug zum Mond. Der Held dieser Geschichte erreichte den Mond in einem Eisenkarren, über den er ständig einen starken Magneten warf. Von ihm angezogen, stieg der Karren immer höher über die Erde, bis er den Mond erreichte. Und Baron Münchhausen sagte, er sei entlang einer Bohnenstange zum Mond geklettert.

Am Ende des ersten Jahrtausends n. Chr. erfand China Strahlantrieb, die Raketen antreiben – mit Schießpulver gefüllte Bambusrohre – wurden auch als Spaß genutzt. Eines der ersten Autoprojekte war ebenfalls mit einem Düsentriebwerk ausgestattet und dieses Projekt gehörte Newton

Der Autor des weltweit ersten Projekts eines Düsenflugzeugs für den menschlichen Flug war der russische Revolutionär N.I. Kibaltschitsch. Er wurde am 3. April 1881 wegen seiner Beteiligung am Attentat auf Kaiser Alexander II. hingerichtet. Er entwickelte sein Projekt im Gefängnis, nachdem er zum Tode verurteilt worden war. Kibalchich schrieb: „Während ich im Gefängnis war, wenige Tage vor meinem Tod, schreibe ich dieses Projekt. Ich glaube an die Machbarkeit meiner Idee, und dieser Glaube unterstützt mich in meiner schrecklichen Situation ... Ich werde dem Tod ruhig entgegensehen, wohlwissend, dass meine Idee nicht mit mir sterben wird.“

Die Idee, Raketen für Raumflüge einzusetzen, wurde zu Beginn dieses Jahrhunderts vom russischen Wissenschaftler Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky vorgeschlagen. Im Jahr 1903 erschien ein Artikel des Kalugaer Gymnasiallehrers K.E. in gedruckter Form. Tsiolkovsky „Erforschung von Welträumen mit reaktiven Instrumenten.“ Dieses Werk enthielt die wichtigste mathematische Gleichung für die Raumfahrt, heute bekannt als „Ziolkovsky-Formel“, die die Bewegung eines Körpers variabler Masse beschrieb. Anschließend entwickelte er einen Entwurf für ein Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk, schlug einen mehrstufigen Raketenentwurf vor und äußerte die Idee der Möglichkeit, ganze Weltraumstädte in einer erdnahen Umlaufbahn zu errichten. Er zeigte, dass das einzige Gerät, das die Schwerkraft überwinden kann, eine Rakete ist, d. h. ein Gerät mit einem Strahltriebwerk, das Treibstoff und Oxidationsmittel verwendet und sich am Gerät selbst befindet.

Düsentriebwerk ist ein Motor, der die chemische Energie des Kraftstoffs in die kinetische Energie eines Gasstrahls umwandelt, während der Motor in die entgegengesetzte Richtung Geschwindigkeit aufnimmt.

Die Idee von K. E. Ziolkowski wurde von sowjetischen Wissenschaftlern unter der Leitung des Akademiemitglieds Sergej Pawlowitsch Koroljow umgesetzt. Der erste künstliche Erdsatellit der Geschichte wurde am 4. Oktober 1957 in der Sowjetunion per Rakete gestartet.

Das Prinzip des Strahlantriebs ist weit verbreitet praktischer Nutzen in der Luft- und Raumfahrt. Es gibt im Weltraum kein Medium, mit dem ein Körper interagieren und dadurch die Richtung und Größe seiner Geschwindigkeit ändern könnte, also z Raumflüge Es dürfen nur Düsenflugzeuge, also Raketen, eingesetzt werden.

Raketengerät

Die Bewegung einer Rakete basiert auf dem Impulserhaltungssatz. Wenn irgendwann ein Körper von der Rakete weggeschleudert wird, erhält er den gleichen Impuls, jedoch in die entgegengesetzte Richtung

Jede Rakete, unabhängig von ihrer Bauart, hat immer eine Hülle und einen Treibstoff mit einem Oxidationsmittel. Die Raketenhülle umfasst die Nutzlast (in diesem Fall das Raumschiff), den Instrumentenraum und den Motor (Brennkammer, Pumpen usw.).

Die Hauptmasse der Rakete besteht aus Treibstoff mit Oxidationsmittel (das Oxidationsmittel wird benötigt, um die Verbrennung des Treibstoffs aufrechtzuerhalten, da es im Weltraum keinen Sauerstoff gibt).

Über Pumpen werden der Brennkammer Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt. Kraftstoff verwandelt sich bei der Verbrennung in ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck. Aufgrund des großen Druckunterschieds in der Brennkammer und im Weltraum strömen Gase aus der Brennkammer in einem kräftigen Strahl durch einen speziell geformten Stutzen, eine sogenannte Düse. Der Zweck der Düse besteht darin, die Geschwindigkeit des Strahls zu erhöhen.

Bevor die Rakete startet, ist ihr Schwung entscheidend gleich Null. Durch die Wechselwirkung des Gases in der Brennkammer und allen anderen Teilen der Rakete erhält das durch die Düse austretende Gas einen gewissen Impuls. Dann ist die Rakete ein geschlossenes System und ihr Gesamtimpuls muss nach dem Start Null sein. Daher erhält die gesamte Hülle der darin befindlichen Rakete einen Impuls, dessen Größe dem Impuls des Gases entspricht, jedoch eine entgegengesetzte Richtung aufweist.

Der massereichste Teil der Rakete, der für den Start und die Beschleunigung der gesamten Rakete vorgesehen ist, wird als erste Stufe bezeichnet. Wenn die erste massive Stufe einer mehrstufigen Rakete beim Beschleunigen alle Treibstoffreserven erschöpft, trennt sie sich. Die weitere Beschleunigung wird durch die zweite, weniger massive Stufe fortgesetzt und erhöht die Geschwindigkeit, die zuvor mit Hilfe der ersten Stufe erreicht wurde, um etwas mehr Geschwindigkeit, um dann zu trennen. Die dritte Stufe erhöht die Geschwindigkeit weiter auf den erforderlichen Wert und befördert die Nutzlast in die Umlaufbahn.

Der erste Mensch, der in den Weltraum flog, war ein Bürger die Sowjetunion Juri Alexejewitsch Gagarin. 12. April 1961 Es flog herum Erde auf dem Satellitenschiff „Wostok“

Sowjetische Raketen erreichten als erste den Mond, umkreisten ihn und fotografierten seine von der Erde aus unsichtbare Seite und erreichten als erste den Planeten Venus und brachten wissenschaftliche Instrumente auf seine Oberfläche. Im Jahr 1986 untersuchten zwei sowjetische Raumsonden, Vega 1 und Vega 2, den Halleyschen Kometen, der sich alle 76 Jahre der Sonne nähert, genau.

Zu den großen technischen und wissenschaftlichen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts gehört zweifellos einer der ersten Plätze Raketen- und Strahlantriebstheorie. Die Jahre des Zweiten Weltkriegs (1941–1945) führten zu einer ungewöhnlich schnellen Verbesserung der Konstruktion von Düsenfahrzeugen. Auf den Schlachtfeldern tauchten wieder Pulverraketen auf, allerdings mit kalorienreicherem rauchfreiem TNT-Pulver („Katyusha“). Luftatmende Luftfahrzeuge, unbemannte Luftfahrzeuge mit pulsierenden Luftatmungstriebwerken („V-1“) und ballistische Raketen mit einer Flugreichweite von bis zu 300 km („FAU-2“).

Die Raketentechnik entwickelt sich mittlerweile zu einer sehr wichtigen und schnell wachsenden Branche. Die Entwicklung der Theorie des Düsenfluges ist eine davon drängende Probleme moderne wissenschaftliche und technologische Entwicklung.

K. E. Tsiolkovsky hat viel für das Wissen getan Grundlagen der Theorie des Raketenantriebs. Er war der erste in der Geschichte der Wissenschaft, der das Problem der Untersuchung der geradlinigen Bewegungen von Raketen auf der Grundlage der Gesetze formulierte und untersuchte Theoretische Mechanik. Wie wir bereits angedeutet haben, wurde das Prinzip der Bewegungskommunikation mit Hilfe der Reaktionskräfte geschleuderter Teilchen bereits 1883 von Tsiolkovsky erkannt, aber seine Entwicklung einer mathematisch strengen Theorie des Strahlantriebs geht darauf zurück Ende des 19. Jahrhunderts Jahrhunderte.

In einem seiner Werke schrieb Tsiolkovsky: „Ich habe die Rakete lange Zeit wie alle anderen betrachtet: unter dem Gesichtspunkt der Unterhaltung und kleiner Anwendungen. Ich kann mich nicht mehr genau daran erinnern, wie ich auf die Idee gekommen bin, Berechnungen im Zusammenhang mit der Rakete anzustellen. Es scheint mir, dass die ersten Samen des Denkens vom berühmten Träumer Jules Verne gepflanzt wurden; es hat die Arbeit meines Gehirns angeregt bekannte Richtung. Wünsche erschienen, hinter den Wünschen entstand die Aktivität des Geistes. ...Ein altes Blatt Papier mit den endgültigen Formeln zum Strahlgerät ist mit dem Datum 25. August 1898 versehen.“

„...Ich habe nie behauptet, eine vollständige Lösung für das Problem zu haben. Zuerst kommen zwangsläufig: Gedanke, Fantasie, Märchen. Dahinter steckt wissenschaftliches Kalkül. Und am Ende dachten Hinrichtungskronen. Meine Arbeiten zur Raumfahrt gehören zur mittleren Schaffensphase. Mehr als jeder andere verstehe ich den Abgrund, der eine Idee von ihrer Umsetzung trennt, denn in meinem Leben habe ich nicht nur gedacht und berechnet, sondern auch ausgeführt, auch mit meinen Händen gearbeitet. Es ist jedoch unmöglich, keine Idee zu haben: Der Ausführung geht das Denken voraus, der präzisen Berechnung geht die Fantasie voraus.“

Im Jahr 1903 erschien Konstantin Eduardovichs erster Artikel über Raketentechnologie in der Zeitschrift Scientific Review mit dem Titel „Erforschung des Weltraums mithilfe von Raketeninstrumenten“. In dieser Arbeit wurde auf der Grundlage der einfachsten Gesetze der theoretischen Mechanik (dem Gesetz der Impulserhaltung und dem Gesetz der unabhängigen Krafteinwirkung) die Theorie des Raketenflugs dargelegt und die Möglichkeit des Einsatzes von Düsenfahrzeugen für die interplanetare Kommunikation begründet (Schaffung allgemeine Theorie die Bewegung von Körpern, deren Masse sich während der Bewegung ändert, gehört Professor I.V. Meshchersky (1859-1935)).

Die Idee, eine Rakete zur Lösung zu verwenden Wissenschaftliche Probleme Der Einsatz von Strahltriebwerken zur Erzeugung der Bewegung grandioser interplanetarer Schiffe gehört ausschließlich Tsiolkovsky. Er ist der Begründer moderner Flüssigtreibstoffraketen Langstrecken, einer der Schöpfer neues Kapitel Theoretische Mechanik.

Die klassische Mechanik, die die Bewegungs- und Gleichgewichtsgesetze materieller Körper untersucht, basiert auf drei Bewegungsgesetze, klar und streng formuliert von einem englischen Wissenschaftler im Jahr 1687. Diese Gesetze wurden von vielen Forschern verwendet, um die Bewegung von Körpern zu untersuchen, deren Masse sich während der Bewegung nicht änderte. Es wurden sehr wichtige Bewegungsfälle betrachtet und eine große Wissenschaft geschaffen – die Mechanik von Körpern konstanter Masse. Die Axiome der Mechanik von Körpern konstanter Masse oder Newtons Bewegungsgesetze waren eine Verallgemeinerung der gesamten bisherigen Entwicklung der Mechanik. Derzeit sind die Grundgesetze der mechanischen Bewegung in allen Physiklehrbüchern dargelegt weiterführende Schule. Wir werden hier geben Zusammenfassung Newtons Bewegungsgesetze waren als nächster Schritt in der Wissenschaft, der es ermöglichte, die Bewegung von Raketen zu untersuchen, eine Weiterentwicklung der Methoden der klassischen Mechanik.

Mehrere Tonnen steigen in den Himmel Raumschiffe, und in Meerwasser Durchsichtige, gallertartige Quallen, Tintenfische und Kraken manövrieren geschickt – was haben sie gemeinsam? Es stellt sich heraus, dass in beiden Fällen das Prinzip des Strahlantriebs zur Fortbewegung genutzt wird. Diesem Thema widmet sich unser heutiger Artikel.

Werfen wir einen Blick in die Geschichte

Am meisten Die ersten zuverlässigen Informationen über Raketen stammen aus dem 13. Jahrhundert. Sie wurden von Indern, Chinesen, Arabern und Europäern im Kampf als Kampf- und Signalwaffen eingesetzt. Es folgten Jahrhunderte, in denen diese Geräte fast völlig in Vergessenheit gerieten.

In Russland wurde die Idee des Einsatzes eines Strahltriebwerks dank der Arbeit des Revolutionärs Nikolai Kibalchich wiederbelebt. Während er in den königlichen Kerkern saß, entwickelte er ein russisches Projekt eines Düsentriebwerks und eines Flugzeugs für Menschen. Kibalchich und sein Projekt wurden hingerichtet lange Jahre verstaubt in den Archiven der zaristischen Geheimpolizei.

Grundlegende Ideen, Zeichnungen und Berechnungen dieses talentierten und mutiger Mann bekommen weitere Entwicklung in den Werken von K. E. Tsiolkovsky, der vorschlug, sie für die interplanetare Kommunikation zu verwenden. Von 1903 bis 1914 veröffentlichte er eine Reihe von Werken, in denen er überzeugend die Möglichkeit des Einsatzes von Strahlantrieben zur Erforschung des Weltraums bewies und die Machbarkeit des Einsatzes mehrstufiger Raketen begründete.

Viele von Tsiolkovskys wissenschaftlichen Entwicklungen werden bis heute in der Raketenwissenschaft genutzt.

Biologische Raketen

Wie ist es überhaupt entstanden? Die Idee, sich fortzubewegen, indem man seinen eigenen Jetstream abstößt? Vielleicht haben Küstenbewohner durch die genaue Beobachtung des Meereslebens bemerkt, wie dies in der Tierwelt geschieht.

Zum Beispiel, Jakobsmuschel bewegt sich aufgrund der Reaktionskraft eines aus der Hülle ausgestoßenen Wasserstrahls während der schnellen Kompression seiner Ventile. Aber mit den schnellsten Schwimmern – den Tintenfischen – wird er nie mithalten können.

Ihre raketenförmigen Körper rasen mit dem Schwanz voran voran und stoßen gespeichertes Wasser aus einem speziellen Trichter aus. Sie bewegen sich nach dem gleichen Prinzip und drücken Wasser aus, indem sie ihre transparente Kuppel zusammenziehen.

Die Natur hat eine Pflanze namens „Düsentriebwerk“ geschaffen „spritzende Gurke“. Wenn seine Früchte vollreif sind, schießt er bei der geringsten Berührung das Gluten mit Samen heraus. Die Frucht selbst wird aus einer Entfernung von bis zu 12 m in die entgegengesetzte Richtung geworfen!

Weder Meeresbewohner noch Pflanzen kennen die physikalischen Gesetze, die dieser Fortbewegungsweise zugrunde liegen. Wir werden versuchen, das herauszufinden.

Physikalische Grundlagen des Prinzips des Strahlantriebs

Wenden wir uns zunächst der einfachsten Erfahrung zu. Lass uns einen Gummiball aufblasen Und ohne anzuhalten lassen wir Sie frei fliegen. Die schnelle Bewegung des Balls wird so lange fortgesetzt, wie der aus ihm ausströmende Luftstrom stark genug ist.

Um die Ergebnisse dieses Experiments zu erklären, müssen wir uns dem dritten Hauptsatz zuwenden, der dies besagt Zwei Körper interagieren mit Kräften gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung. Folglich ist die Kraft, mit der der Ball auf die aus ihm austretenden Luftstrahlen einwirkt, gleich der Kraft, mit der die Luft den Ball von sich wegdrückt.

Übertragen wir diese Argumente auf eine Rakete. Diese Geräte schleudern einen Teil ihrer Masse mit enormer Geschwindigkeit aus, wodurch sie selbst eine Beschleunigung in die entgegengesetzte Richtung erhalten.

Aus physikalischer Sicht ist dies Der Vorgang lässt sich eindeutig durch das Gesetz der Impulserhaltung erklären. Der Impuls ist das Produkt aus der Masse eines Körpers und seiner Geschwindigkeit (mv). Während die Rakete ruht, sind Geschwindigkeit und Impuls Null. Wird daraus ein Strahlstrahl ausgestoßen, so muss der verbleibende Teil nach dem Impulserhaltungssatz eine solche Geschwindigkeit annehmen, dass der Gesamtimpuls immer noch gleich Null ist.

Schauen wir uns die Formeln an:

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

m g v g =- m r v r,

Wo m g v g der durch den Gasstrahl erzeugte Impuls, m p v p der von der Rakete empfangene Impuls.

Das Minuszeichen zeigt an, dass die Bewegungsrichtung der Rakete und des Jetstreams entgegengesetzt sind.

Aufbau und Funktionsprinzip eines Strahltriebwerks

In der Technik treiben Strahltriebwerke Flugzeuge und Raketen an und befördern Raumfahrzeuge in die Umlaufbahn. Je nach Verwendungszweck verfügen sie über unterschiedliche Geräte. Aber jeder von ihnen verfügt über einen Treibstoffvorrat, eine Kammer für seine Verbrennung und eine Düse, die den Strahlstrom beschleunigt.

Die interplanetaren automatischen Stationen sind außerdem mit einem Instrumentenraum und Kabinen mit einem Lebenserhaltungssystem für Astronauten ausgestattet.

Moderne Weltraumraketen sind komplexe, mehrstufige Flugkörper letzte Errungenschaften Ingenieurgedanke. Nach dem Start verbrennt zunächst der Treibstoff in der unteren Stufe, danach trennt er sich von der Rakete, wodurch sich deren Gesamtmasse verringert und die Geschwindigkeit erhöht.

Dann wird der Treibstoff in der zweiten Stufe verbraucht usw. Schließlich wird das Flugzeug auf eine vorgegebene Flugbahn gebracht und beginnt seinen unabhängigen Flug.

Lasst uns ein wenig träumen

Der große Träumer und Wissenschaftler K. E. Tsiolkovsky gab künftigen Generationen die Zuversicht, dass Düsentriebwerke es der Menschheit ermöglichen würden, aus der Erdatmosphäre herauszukommen und in den Weltraum zu fliegen. Seine Vorhersage wurde wahr. Der Mond und sogar entfernte Kometen werden erfolgreich von Raumfahrzeugen erkundet.

Flüssigkeitsstrahltriebwerke werden in der Raumfahrt eingesetzt. Verwendung von Erdölprodukten als Treibstoff, allerdings reichen die damit erreichbaren Geschwindigkeiten für sehr lange Flüge nicht aus.

Vielleicht werden Sie, unsere lieben Leser, Zeuge von Flügen von Erdbewohnern zu anderen Galaxien auf Geräten mit nuklearen, thermonuklearen oder Ionenstrahltriebwerken.

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Das Phänomen des Rückstoßes, des Strahlantriebs, die Formel von Meshchersky, Tsiolkovsky.

Das Phänomen des Rückstoßes wird beobachtet, wenn der Körper unter Einfluss steht interne Kräfte zerfällt in zwei Teile, die voneinander wegfliegen.
 Einfaches Beispiel: Pulvergase werden durch ein Projektil aus dem Waffenrohr ausgestoßen. Das Projektil fliegt in eine Richtung und die Waffe rollt, wenn sie nicht gesichert ist, zurück – sie hat einen Rückstoß erfahren. Bevor die Waffe abgefeuert wurde, hatten wir einen „Körper“, der aus der Waffe selbst und dem Projektil im Lauf bestand. Der ursprüngliche Körper „zerfiel“ – unter dem Einfluss innerer Kräfte „brach“ er in zwei Teile (eine Waffe und ein Projektil) und bewegte sich unabhängig voneinander.
 Stellen wir uns das folgende Bild vor. stehend auf rutschiges Eis Ein Mann wirft einen Stein in eine bestimmte Richtung. Nachdem die Person den Rückstoß erlebt hat, beginnt sie in die entgegengesetzte Richtung über das Eis zu gleiten.
Der „Körper“ eines Mannes + eines Steins „brach“ unter dem Einfluss der Muskelanstrengung einer Person in zwei Teile – in einen Mann und einen Stein. Beachten Sie, dass der Mann mit dem Stein auf rutschigem Eis platziert wurde, um die Reibungskraft deutlich zu reduzieren und eine Situation zu bewältigen, in der die Summe der äußeren Kräfte nahe Null ist und nur innere Kräfte wirken – der Mann wirkt auf den Stein ein, indem er ihn wirft , und der Stein wirkt nach Newtons drittem Gesetz pro Person. Infolgedessen wird das Phänomen des Rückstoßes beobachtet.
Dieses Phänomen kann mit dem Impulserhaltungssatz erklärt werden. Lassen Sie uns unabhängig von jeder Lebenssituation zwei Körper mit Massen betrachten m 1 Und m 2, in Ruhe relativ zu einem Trägheitsbezugssystem (sei es die Erde). Wir gehen davon aus, dass die Einwirkung äußerer Kräfte auf den Körper vernachlässigt werden kann. Nehmen wir an, dass durch die Einwirkung innerer Kräfte das System zerfiel – ein Massenkörper m 1 an Geschwindigkeit gewonnen v 1, und der Körper hat Masse m 2− Geschwindigkeit v 2. Vor dem Zerfall war der Impuls des Systems Null ( p = 0); nach dem Zerfall kann es dargestellt werden als

Aus dem Impulserhaltungssatz folgt das

Von hier aus erhalten wir:

Wie zu erwarten, die Vektoren v 1 Und v 2 sind in die entgegengesetzte Richtung gerichtet. Wenn zum Beispiel v 1− die Geschwindigkeit, mit der eine Person einen Massenstein auf Eis wirft m 1, Das v 2− Geschwindigkeit einer Person mit Masse m 2, die er durch Schenkung erlangte. Als m 1<< m 2 , dann folgt aus (1) Folgendes

Nehmen wir nun an, dass es sich um eine Ansammlung von Körpern mit Massen handelt M Und M bewegt sich gleichmäßig und geradlinig mit Geschwindigkeit relativ zu einem stationären (Trägheits-)Referenzsystem. Durch die Einwirkung innerer Kräfte (deren Art spielt in diesem Fall keine Rolle) zerfällt das Band; Körper mit Masse M gewinnt an Geschwindigkeit u relativ zu einem Körper mit Masse M, so dass seine Geschwindigkeit relativ zum festen Bezugssystem gleich ist

Geschwindigkeit eines Körpers mit Masse M in diesem Bezugsrahmen stellen wir es dar als

Wenn wir das Körpersystem als geschlossen betrachten, verwenden wir das Gesetz der Impulserhaltung, wonach

Nachdem wir die Klammern geöffnet und identische Begriffe abgekürzt haben, erhalten wir die Beziehung

Aus (2) geht hervor, dass die Richtungen der Vektoren v 1 Und u Gegenteil.
Ein interessanter Sonderfall ist, wenn der Vektor auf den Vektor gerichtet ist v. In diesem Fall ein Körper aus Masse M wird sich nach dem Zerfall des Bandes weiter in Richtung des Vektors bewegen v, während der Modul seiner Geschwindigkeit aufgrund des Rückstoßes zunimmt und gleich ist v + um/M.
Vom Phänomen des Rückstoßes gehen wir weiter zur Betrachtung des Strahlantriebs am Beispiel der Bewegung einer Rakete. Ganz allgemein lässt sich diese Bewegung ganz einfach erklären. Beim Verbrennen von Treibstoff entweichen Gase mit sehr hoher Geschwindigkeit aus der Raketendüse. Durch den Rückstoß bewegt sich die Rakete entgegen der Richtung des Gasstroms aus der Düse.
Mit v bezeichnen wir die Geschwindigkeit der Rakete relativ zur Erde zu einem bestimmten Zeitpunkt T. Raketengeschwindigkeit im Moment t + Δt bezeichnen mit v + Δv. Die Geschwindigkeitsänderung der Rakete erfolgte dadurch, dass eine Gasmasse aus ihr ausgestoßen wurde ΔM mit Geschwindigkeit u in Bezug auf die Rakete. Geschwindigkeit u Abgasgeschwindigkeit genannt. Am Ende der Zeitspanne Δt die Masse der Rakete zusammen mit dem Treibstoff verringerte sich um ΔM. Intervall Δt Wir gehen davon aus, dass sie klein genug ist, sodass wir davon ausgehen können, dass die Masse der Rakete mit Treibstoff über einen bestimmten Zeitraum konstant ist und sich am Ende aufgrund einer sofortigen Freisetzung von Gasmasse abrupt ändert ΔM(Später werden wir uns dem Limit nähern Δt → 0 und ersetzen dadurch die impulsive Freisetzung von Gasen durch deren kontinuierlichen Austritt aus der Raketendüse). Wenn die Masse der Rakete im Moment mit Treibstoff gefüllt ist T gleich M, dann im Moment t + Δt es wird gleich sein M − ΔM.
Also zu einem bestimmten Zeitpunkt T Es gibt eine Rakete mit Treibstoff, der Masse hat M und Geschwindigkeit relativ zur Erde. In dem Moment t + Δt Es gibt, Erstens, eine Treibrakete mit Masse M − ΔM und Geschwindigkeit v + Δv relativ zur Erde und Zweitens, ein Teil des Gases mit Masse ΔM und Geschwindigkeit v+u relativ zur Erde. Unter Vernachlässigung der Wechselwirkung der Rakete mit äußeren Körpern nutzen wir den Impulserhaltungssatz und schreiben:

Wenn wir die Klammern erweitern, erhalten wir

Funktioniert Mv, und auch ΔMv werden reduziert. Die Arbeit ΔMΔv kann vernachlässigt werden, da hier zwei kleine Größen multipliziert werden; Wie allgemein gesagt wird, ist ein solches Produkt eine Größe zweiter Ordnung der Kleinheit. Dadurch wird die Beziehung (4) in die Form umgewandelt (vergleiche mit (3)):

Teilen wir beide Seiten dieser Gleichheit durch Δt; wir bekommen

Berücksichtigen wir das

und dann geben wir beide Seiten der Gleichheit (5) bis zum Grenzwert weiter Δt → 0.

Grenze

Es kommt zu einer augenblicklichen Beschleunigung der Rakete.
Größe ΔM/dt Nennen wir es den Durchschnitt über einen bestimmten Zeitraum Δt Kraftstoffverbrauch. Größe

Momentaner Kraftstoffverbrauch zu einem bestimmten Zeitpunkt T. Unter Berücksichtigung der abgegebenen Bemerkungen wird (6) die Form annehmen

Beschleunigung bei) durch Gewalt verursacht

was als Reaktionskraft bezeichnet wird. Sie ist proportional zum Kraftstoffverbrauch und zur Gasdurchflussmenge und ist der Strömungsgeschwindigkeit entgegengesetzt gerichtet.
Wenn eine fliegende Rakete durch etwas anderes als die Reaktionskraft beeinflusst wird Fp(t), eine äußere Kraft F(t), dann folgt Beziehung (7).
Ersetzen Sie durch das Verhältnis:

Diese Beziehung ist eine Verallgemeinerung des zweiten Newtonschen Gesetzes für die Bewegung eines Körpers variabler Masse. Sie wurde Meshchersky-Formel genannt (nach dem russischen Wissenschaftler Ivan Vsevolodovich Meshchersky, der die Mechanik von Körpern variabler Masse untersuchte).

 Herleitung der Formel(Tsiolkovsky-Formel), Beziehung zwischen Masse und Geschwindigkeit der Rakete.
Nehmen wir an, dass der Brennstoff in getrennten Gewichtsportionen verbrennt ΔM = M/N, Wo M− Masse der Rakete, bevor ein Teil davon ausgestoßen wird ΔM, A N− eine recht große Zahl. Nach der Verbrennung der ersten Portion beträgt die Masse der Rakete

Nach der Verbrennung des zweiten Teils verringert sich die Masse erneut um (1/N)–th Teil, aber schon aus der Masse M 1, und wird gleich werden


Wenn wir weiter auf die gleiche Weise argumentieren, ermitteln wir die Masse der Rakete nach der Verbrennung nth Portionen

Betrachten wir nun, wie sich in diesem Fall die Geschwindigkeit der Rakete ändert. Bei einer Verbrennungsproduktströmungsrate gleich u, Gewicht ΔM nimmt Schwung mit Δp = uΔM. Gemäß dem Impulserhaltungssatz erhält die Rakete einen gleich großen, aber entgegengesetzt gerichteten Impuls, wodurch sich ihre Geschwindigkeit erhöht

Wenn also die Rakete zunächst ruhte, dann nach der Verbrennung der ersten Portion mit einer Masse ΔM 1 = M 0 /N, das Schwung hatte Δp 1 = M 0 u/N, wird die Raketengeschwindigkeit gleich

Nach der Verbrennung wird der zweite Teil des Brennstoffs gewogen ΔM 2 = M 1 /N, was den Impuls mitnahm Δp 2 /(M 1 − M 1 /N) und wird betragen

Wenn wir die Überlegungen weiterführen, erhalten wir die Geschwindigkeit der Rakete nach der Verbrennung nth Portionen:

Dann erreicht die Masse der Rakete die Geschwindigkeit v

Index N wird im Folgenden weggelassen, da es nicht mehr benötigt wird.
Tatsächlich verbrennt der Treibstoff einer Rakete nicht in einzelnen Portionen, sondern kontinuierlich. Um zu einer Formel zu gelangen, die den realen Fall genauer beschreibt, müssen Sie Folgendes berücksichtigen N eine extrem große Zahl. In diesem Fall kann die Einheit des Exponenten des letzten Ausdrucks vernachlässigt werden, danach nimmt er die Form an


oder mit unbegrenzter Erhöhung N

Diese Formel wurde abgeleitet K.E. Ziolkowski und trägt seinen Namen. Es zeigt deutlich, dass die Rakete eine hohe Geschwindigkeit erreichen kann, die verbleibende Masse jedoch viel geringer sein wird als die ursprüngliche.

 Problem 1
Von einer Rakete wiegen M, bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit v, wird ein Teil des Kraftstoffs ausgestoßen M mit Geschwindigkeit u bezüglich der Rakete. Wie schnell wird die Rakete sein? Welche Geschwindigkeit wird die Rakete nach dem Abschuss haben? 2, 3, k Portionen?

Lösung

Wenden wir das Gesetz der Impulserhaltung an. Es ist bequemer, es in einem Referenzrahmen zu schreiben, der sich mit der Anfangsgeschwindigkeit der Rakete bewegt v(da die Treibstoffausstoßgeschwindigkeit u relativ zur Rakete angegeben ist). In der Projektion auf die Bewegungsrichtung der Rakete erhalten wir

Woher kommt die Geschwindigkeit der Rakete?

In einem stationären Bezugssystem ist die Geschwindigkeit der Rakete nach der Freisetzung der ersten Treibstoffportion betragsmäßig gleich

Wir betrachten die Freisetzung des zweiten Teils des Kraftstoffs in einem System, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt v 1. Aus dem Impulserhaltungssatz haben wir

und in einem stationären System


Nach k Emissionen, die Raketengeschwindigkeit wird gleich sein

Zum Vergleich ermitteln wir auch die Geschwindigkeit der Rakete vk/ mit einer einmaligen Treibstofffreigabewägung k m mit gleicher Geschwindigkeit u bezüglich der Rakete.
Dazu verwenden wir den Impulserhaltungssatz, schreiben ihn jedoch unmittelbar relativ zu einem festen Bezugsrahmen:

Wo

Das ist leicht zu erkennen v k / > v k. Dieses Ergebnis hängt mit der Annahme zusammen, dass die Geschwindigkeit des Treibstoffausstoßes aus einer Rakete in einem stationären Bezugssystem konstant und gleich ist v−u. In Wirklichkeit nimmt die Geschwindigkeit des Treibstoffausstoßes mit zunehmender Beschleunigung der Rakete ab (konstante Ausstoßgeschwindigkeit relativ zur Rakete). Daher die erste Formel für vk beschreibt die reale Situation genauer.

 Problem 2
Die Rakete hat vor dem Start Masse m 0 = 120 kg. In welcher Höhe wird die Rakete durchkommen? t = 15 s nach dem Start seiner Motoren? Kraftstoffverbrauch berechnen μ = 4 kg/s und die Geschwindigkeit des Gasstroms relativ zur Rakete u = 1000 m/s dauerhaft. 1) Betrachten Sie das Gravitationsfeld der Erde als gleichmäßig. 2) Betrachten Sie das Gravitationsfeld der Erde als inhomogen.

Lösung

1) Achse z senkrecht nach oben gerichtet
Schreiben wir die Meshchersky-Gleichung im gleichmäßigen Gravitationsfeld der Erde in der Form

Wo m = m 0 − μt, A v 0− Raketengeschwindigkeit zum jeweiligen Zeitpunkt T. Wenn wir die Variablen trennen, erhalten wir die Gleichung

Lösung dieser Gleichung, die die Anfangsbedingung erfüllt v 0 = 0 bei t = 0, hat die Form

Trennen Sie die Variablen erneut und berücksichtigen Sie dies ausgangsbedingung z 0 = 0 bei t = 0, wir finden

Wenn wir numerische Werte ersetzen, finden wir das durch 15 s Nach dem Start wird sich die Rakete in einer Höhe von etwa 3500 m befinden und dabei eine Geschwindigkeit haben 540 m/s.

2) Berücksichtigen wir die Tatsache, dass die Inhomogenität des Schwerefeldes der Erde in den betrachteten Höhen gering ist. Um die Bewegung in diesem Fall zu berechnen, ist es daher zweckmäßig, die Methode der sukzessiven Approximationen zu verwenden.
Lassen R− Radius der Erde. Stellen wir die Gravitationskraft in der Form dar

Wo M− Masse der Erde, λ = z/R<< 1 .
Wenn sich eine Rakete in einem ungleichmäßigen Feld mit einem bestimmten Gesetz zur Änderung ihrer Masse bewegt, kann die Geschwindigkeit der Rakete als Summe dargestellt werden: v = v 0 + v /, Wo v/<< v 0 . Wir schreiben ähnlich z = z 0 + z /, Wo z/<< z 0 . Ersetzen Sie diese Ausdrücke durch v, z Und F in die Meshchersky-Gleichung finden wir

In der resultierenden Gleichung belassen wir nur Terme der ersten Ordnung der Kleinheit und verwerfen den letzten Term auf der rechten Seite (nicht kleine Terme addieren sich zu Null). Wir kommen zur Gleichung

Wo z 0 definiert durch Formel (2). Jetzt ist es einfach, die Variablen zu trennen und zu finden

Diese Drehscheibe kann als die erste Dampfstrahlturbine der Welt bezeichnet werden.

Chinesische Rakete

Noch früher, viele Jahre vor Heron von Alexandria, erfand auch China Düsentriebwerk ein etwas anderes Gerät, jetzt genannt Feuerwerksrakete. Feuerwerksraketen sollten nicht mit ihren Namensgebern verwechselt werden – Signalraketen, die im Heer und der Marine eingesetzt werden und auch an Feiertagen unter dem Dröhnen von Artilleriefeuerwerkskörpern abgefeuert werden. Leuchtraketen sind einfach Kugeln, die aus einer Substanz gepresst werden, die mit einer farbigen Flamme brennt. Sie werden mit großkalibrigen Pistolen – Raketenwerfern – abgefeuert.

Leuchtraketen sind Geschosse, die aus einer Substanz gepresst werden, die mit einer farbigen Flamme brennt.

Chinesische Rakete Es handelt sich um eine Papp- oder Metallröhre, die an einem Ende verschlossen und mit einer Pulverzusammensetzung gefüllt ist. Wenn dieses Gemisch gezündet wird, entweicht ein Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit aus dem offenen Ende des Rohrs und veranlasst die Rakete, in die Richtung zu fliegen, die der Richtung des Gasstroms entgegengesetzt ist. Eine solche Rakete kann ohne die Hilfe eines Raketenwerfers starten. Ein am Raketenkörper befestigter Stock sorgt für einen stabileren und geraderen Flug.

Feuerwerk mit chinesischen Raketen

Meeresbewohner

In der Tierwelt:

Auch Strahlantriebe sind hier zu finden. Tintenfische, Kraken und einige andere Kopffüßer haben weder Flossen noch einen kräftigen Schwanz, schwimmen aber nicht schlechter als andere Meeresbewohner. Diese Lebewesen mit weichem Körper haben einen ziemlich großen Sack oder Hohlraum in ihrem Körper. Wasser wird in den Hohlraum gesaugt und das Tier drückt dieses Wasser dann mit großer Kraft heraus. Durch die Reaktion des ausgeschleuderten Wassers schwimmt das Tier entgegen der Strömungsrichtung.

Der Oktopus ist ein Meereslebewesen, das einen Strahlantrieb nutzt

Fallende Katze

Aber die interessanteste Art der Bewegung wurde vom Gewöhnlichen demonstriert Katze.

Vor etwa hundertfünfzig Jahren ein berühmter französischer Physiker Marcel Depres angegeben:

Aber wissen Sie, Newtons Gesetze sind nicht ganz wahr. Der Körper kann sich mit Hilfe innerer Kräfte bewegen, ohne sich auf irgendetwas zu verlassen oder sich von irgendetwas abzustoßen.

Wo sind die Beweise, wo sind die Beispiele? - Die Zuhörer protestierten.

Möchten Sie einen Beweis? Würdest du bitte. Eine Katze, die versehentlich vom Dach fällt, ist der Beweis! Egal wie die Katze fällt, auch mit gesenktem Kopf, sie wird auf jeden Fall mit allen vier Pfoten auf dem Boden stehen. Aber eine fallende Katze verlässt sich auf nichts und stößt nichts weg, sondern dreht sich schnell und geschickt um. (Der Luftwiderstand kann vernachlässigt werden – er ist zu unbedeutend.)

Das kennt tatsächlich jeder: Katzen fallen; schaffen es immer wieder, wieder auf die Beine zu kommen.

Katzen tun dies instinktiv, aber Menschen können das auch bewusst tun. Schwimmer, die von einer Plattform ins Wasser springen, wissen, wie man eine komplexe Figur ausführt – einen dreifachen Salto, d eine gerade Linie.

Die gleichen Bewegungen, ohne Interaktion mit Fremdkörpern, können im Zirkus bei der Aufführung von Akrobaten – Luftturnern – beobachtet werden.

Auftritt von Akrobaten - Luftturnern

Die fallende Katze wurde mit einer Filmkamera fotografiert und dann wurde auf dem Bildschirm Bild für Bild untersucht, was die Katze macht, wenn sie in der Luft fliegt. Es stellte sich heraus, dass die Katze schnell ihre Pfote drehte. Die Drehung der Pfote führt zu einer Reaktionsbewegung des gesamten Körpers und dreht sich in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung der Pfote. Alles geschieht in strikter Übereinstimmung mit den Newtonschen Gesetzen, und ihnen ist es zu verdanken, dass die Katze auf die Beine kommt.

Das Gleiche geschieht in allen Fällen, in denen ein Lebewesen ohne ersichtlichen Grund seine Bewegung in der Luft ändert.

Jet-Boot

Die Erfinder hatten eine Idee, warum sie ihre Schwimmmethode nicht von Tintenfischen übernehmen sollten. Sie beschlossen, ein selbstfahrendes Schiff zu bauen Düsentriebwerk. Die Idee ist auf jeden Fall umsetzbar. Zwar gab es kein Vertrauen in den Erfolg: Die Erfinder bezweifelten, dass so etwas gelingen würde Jet-Boot Besser als eine normale Schraube. Es war notwendig, ein Experiment durchzuführen.

Jetboot – ein selbstfahrendes Schiff mit einem Strahltriebwerk

Sie wählten einen alten Schleppdampfer aus, reparierten seinen Rumpf, entfernten die Propeller und installierten eine Wasserstrahlpumpe im Maschinenraum. Diese Pumpe pumpte Meerwasser und schob es durch ein Rohr mit einem starken Strahl hinter das Heck. Der Dampfer schwamm, aber er bewegte sich immer noch langsamer als der Schraubendampfer. Und das lässt sich einfach erklären: Ein gewöhnlicher Propeller dreht sich ungehindert hinter dem Heck, nur um ihn herum ist Wasser; Das Wasser in der Wasserstrahlpumpe wurde von fast genau der gleichen Schraube angetrieben, allerdings rotierte diese nicht mehr auf dem Wasser, sondern in einem dichten Rohr. Es kam zu Reibung des Wasserstrahls an den Wänden. Durch die Reibung wurde der Druck des Strahls geschwächt. Ein Dampfschiff mit Wasserstrahlantrieb fuhr langsamer als ein Schiff mit Schraubenantrieb und verbrauchte mehr Treibstoff.

Sie gaben den Bau solcher Dampfer jedoch nicht auf: Sie hatten wichtige Vorteile. Ein mit einem Propeller ausgestattetes Boot muss tief im Wasser liegen, sonst schäumt der Propeller das Wasser nutzlos auf oder dreht sich in der Luft. Daher haben Schraubendampfer Angst vor Untiefen und Rillen; sie können nicht in seichtem Wasser fahren. Und Wasserstrahldampfer können mit geringem Tiefgang und flachem Boden gebaut werden: Sie brauchen keine Tiefe – wohin das Boot fährt, fährt auch der Wasserstrahldampfer.

Die ersten Wasserstrahlboote der Sowjetunion wurden 1953 auf der Krasnojarsker Werft gebaut. Sie sind für kleine Flüsse konzipiert, auf denen normale Dampfschiffe nicht fahren können.

Damals begannen Ingenieure, Erfinder und Wissenschaftler, sich besonders intensiv mit dem Antrieb von Strahltriebwerken zu beschäftigen Feuerarme. Die ersten Waffen – alle Arten von Pistolen, Musketen und selbstfahrenden Waffen – trafen eine Person mit jedem Schuss hart in die Schulter. Nach mehreren Dutzend Schüssen begann die Schulter so stark zu schmerzen, dass der Soldat nicht mehr zielen konnte. Die ersten Kanonen – Quietschen, Einhörner, Culverins und Bombarden – sprangen beim Abfeuern zurück, so dass es dazu kam, dass die Kanoniere-Artilleristen verkrüppelt waren, wenn sie keine Zeit hatten, auszuweichen und zur Seite zu springen.

Der Rückstoß der Waffe beeinträchtigte das genaue Schießen, da die Waffe zuckte, bevor die Kanonenkugel oder Granate den Lauf verließ. Dadurch wurde die Führung verspielt. Die Schießerei erwies sich als ziellos.

Schießen mit Schusswaffen

Waffeningenieure begannen vor mehr als 450 Jahren mit der Bekämpfung des Rückstoßes. Zunächst wurde die Lafette mit einer Schar ausgestattet, die in den Boden krachte und als starke Stütze für das Geschütz diente. Dann dachten sie, dass der Rückstoß verschwinden würde, wenn die Waffe von hinten richtig abgestützt würde, so dass sie nirgendwo wegrollen konnte. Aber es war ein Fehler. Der Impulserhaltungssatz wurde nicht berücksichtigt. Die Geschütze brachen alle Stützen und die Lafetten lockerten sich so sehr, dass das Geschütz für den Kampfeinsatz unbrauchbar wurde. Dann erkannten die Erfinder, dass die Bewegungsgesetze, wie alle Naturgesetze, nicht auf ihre eigene Weise neu gemacht werden können, sondern nur mit Hilfe der Wissenschaft – der Mechanik – „überlistet“ werden können.

Sie ließen zur Unterstützung einen relativ kleinen Öffner an der Lafette und platzierten das Kanonenrohr auf einem „Schlitten“, so dass nur ein Rohr wegrollte und nicht das gesamte Geschütz. Das Fass war mit einem Kompressorkolben verbunden, der sich in seinem Zylinder wie der Kolben einer Dampfmaschine bewegte. Aber im Zylinder einer Dampfmaschine gibt es Dampf, und in einem Pistolenkompressor gibt es Öl und eine Feder (oder Druckluft).

Beim Zurückrollen des Waffenrohrs drückt der Kolben die Feder zusammen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Öl durch kleine Löcher im Kolben auf die andere Seite des Kolbens gedrückt. Es entsteht eine starke Reibung, die die Bewegung des rollenden Fasses teilweise auffängt und so langsamer und gleichmäßiger macht. Dann richtet sich die komprimierte Feder auf und bringt den Kolben und mit ihm den Waffenlauf an seinen ursprünglichen Platz zurück. Das Öl drückt auf das Ventil, öffnet es und fließt ungehindert unter den Kolben zurück. Beim Schnellfeuer bewegt sich das Geschützrohr fast ununterbrochen hin und her.

Bei einem Pistolenkompressor wird der Rückstoß durch Reibung absorbiert.

Mündungsbremse

Als die Leistung und Reichweite der Geschütze zunahm, reichte der Kompressor nicht mehr aus, um den Rückstoß zu neutralisieren. Es wurde erfunden, um ihm zu helfen Mündungsbremse.

Die Mündungsbremse ist lediglich ein kurzes Stahlrohr, das am Ende des Laufs montiert ist und als dessen Fortsetzung dient. Sein Durchmesser ist größer als der Durchmesser des Laufs und beeinträchtigt daher in keiner Weise das aus dem Lauf fliegende Projektil. Am Umfang der Rohrwände sind mehrere Langlöcher eingeschnitten.

Mündungsbremse – reduziert den Rückstoß der Schusswaffe

Aus dem Geschützrohr fliegende Pulvergase, die dem Projektil folgen, weichen sofort zu den Seiten aus und fallen teilweise in die Löcher der Mündungsbremse. Diese Gase treffen mit großer Kraft auf die Wände der Löcher, werden von ihnen abgestoßen und fliegen heraus, jedoch nicht nach vorne, sondern leicht schräg und nach hinten. Gleichzeitig drücken sie gegen die Wände und schieben diese und mit ihnen den gesamten Lauf der Waffe. Sie helfen dem Feuerwächter, weil sie dazu neigen, den Lauf nach vorne zu rollen. Und während sie im Lauf waren, schoben sie die Waffe zurück. Die Mündungsbremse reduziert und dämpft den Rückstoß deutlich.

Andere Erfinder gingen einen anderen Weg. Anstatt zu kämpfen reaktive Bewegung des Laufs und versuchten, es zu löschen, beschlossen sie, den Rollback der Waffe wirkungsvoll zu nutzen. Diese Erfinder schufen viele Arten automatischer Waffen: Gewehre, Pistolen, Maschinengewehre und Kanonen, bei denen der Rückstoß dazu dient, die verbrauchte Patronenhülse auszuwerfen und die Waffe nachzuladen.

Raketenartillerie

Sie müssen den Rückstoß überhaupt nicht bekämpfen, aber nutzen Sie ihn: Schließlich sind Aktion und Reaktion (Rückstoß) gleichwertig, gleich an Rechten, gleich in der Größe, also lassen Sie es reaktive Wirkung von Pulvergasen Anstatt den Lauf der Waffe nach hinten zu drücken, wird das Projektil nach vorne in Richtung des Ziels gelenkt. So ist es entstanden Raketenartillerie. Darin trifft ein Gasstrahl nicht nach vorne, sondern nach hinten und erzeugt im Projektil eine nach vorne gerichtete Reaktion.

Für Raketenkanone das teure und schwere Fass erweist sich als unnötig. Ein billigeres, einfaches Eisenrohr funktioniert perfekt, um den Flug des Projektils zu steuern. Sie können ganz auf ein Rohr verzichten und das Projektil entlang zweier Metalllatten gleiten lassen.

Vom Design her ähnelt ein Raketengeschoss einer Feuerwerksrakete, es ist nur größer. In seinem Kopfteil ist anstelle einer Komposition für eine farbige Wunderkerze eine Sprengladung mit großer Zerstörungskraft platziert. Die Mitte des Projektils ist mit Schießpulver gefüllt, das beim Verbrennen einen starken Strom heißer Gase erzeugt, der das Projektil nach vorne treibt. In diesem Fall kann die Verbrennung von Schießpulver einen erheblichen Teil der Flugzeit dauern und nicht nur die kurze Zeitspanne, während der ein gewöhnliches Projektil im Lauf einer gewöhnlichen Waffe voranschreitet. Der Schuss wird nicht von einem so lauten Geräusch begleitet.

Raketenartillerie ist nicht jünger als gewöhnliche Artillerie und vielleicht sogar älter: Alte chinesische und arabische Bücher, die vor mehr als tausend Jahren geschrieben wurden, berichten über den Kampfeinsatz von Raketen.

In Beschreibungen von Schlachten späterer Zeiten nein, nein, und es wird auch von Kampfraketen die Rede sein. Als britische Truppen Indien eroberten, versetzten indische Raketenkrieger mit ihren feuerbewehrten Pfeilen den britischen Invasoren, die ihr Heimatland versklavten, Angst und Schrecken. Für die Briten waren Strahlwaffen damals ein Novum.

Vom General erfundene Raketengranaten K. I. Konstantinov, die mutigen Verteidiger von Sewastopol in den Jahren 1854-1855, wehrten die Angriffe der englisch-französischen Truppen ab.

Rakete

Der große Vorteil gegenüber der konventionellen Artillerie – es war nicht nötig, schwere Geschütze mitzuführen – lenkte die Aufmerksamkeit der Militärführer auf die Raketenartillerie. Doch ein ebenso großer Nachteil verhinderte eine Verbesserung.

Tatsache ist, dass die Treibladung, oder wie man früher sagte, die Kraftladung, nur aus Schwarzpulver hergestellt werden konnte. Und der Umgang mit Schwarzpulver ist gefährlich. Das ist während der Produktion passiert Raketen Der Treibstoff explodierte und die Arbeiter starben. Manchmal explodierte die Rakete beim Abschuss und tötete die Kanoniere. Die Herstellung und Verwendung solcher Waffen war gefährlich. Deshalb hat es keine Verbreitung gefunden.

Die erfolgreich begonnenen Arbeiten führten jedoch nicht zum Bau eines interplanetaren Raumschiffs. Die deutschen Faschisten bereiteten einen blutigen Weltkrieg vor und lösten ihn aus.

Rakete

Die Mängel bei der Herstellung von Raketen wurden von sowjetischen Designern und Erfindern behoben. Während des Großen Vaterländischen Krieges gaben sie unserer Armee hervorragende Raketenwaffen. Es wurden Wachmörser gebaut - „Katyusha“ und RS („Eres“) wurden erfunden – Raketen.

Rakete

In puncto Qualität übertraf die sowjetische Raketenartillerie alle ausländischen Modelle und verursachte enormen Schaden bei den Feinden.

Zur Verteidigung des Vaterlandes war das sowjetische Volk gezwungen, alle Errungenschaften der Raketentechnologie in den Dienst der Verteidigung zu stellen.

In faschistischen Staaten entwickelten viele Wissenschaftler und Ingenieure bereits vor dem Krieg intensiv Projekte für unmenschliche Vernichtungswaffen und Massenmord. Dies betrachteten sie als den Zweck der Wissenschaft.

Selbstfahrende Flugzeuge

Während des Krieges bauten Hitlers Ingenieure mehrere Hundert selbstfahrende Flugzeuge: V-1-Projektile und V-2-Raketen. Dabei handelte es sich um zigarrenförmige Muscheln mit einer Länge von 14 Metern und einem Durchmesser von 165 Zentimetern. Die tödliche Zigarre wog 12 Tonnen; Davon sind 9 Tonnen Treibstoff, 2 Tonnen Hüllen und 1 Tonne Sprengstoff. „V-2“ flog mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5.500 Kilometern pro Stunde und konnte eine Höhe von 170 bis 180 Kilometern erreichen.

Diese Zerstörungsmittel unterschieden sich nicht in der Treffergenauigkeit und waren nur zum Beschießen so großer Ziele wie großer und dicht besiedelter Städte geeignet. Die deutschen Faschisten produzierten die V-2 200–300 Kilometer von London entfernt in dem Glauben, dass die Stadt groß sei – sie würde irgendwo einschlagen!

Es ist unwahrscheinlich, dass Newton sich vorstellen konnte, dass seine witzige Erfahrung und die von ihm entdeckten Bewegungsgesetze die Grundlage für Waffen bilden würden, die durch bestialische Wut auf Menschen geschaffen wurden, und dass ganze Häuserblöcke Londons in Ruinen verwandelt und zu Gräbern von Menschen werden würden, die von ihnen gefangen genommen wurden Razzia der Blinden „FAU“.

Raumschiff

Seit vielen Jahrhunderten hegen die Menschen den Traum, im interplanetaren Raum zu fliegen, den Mond, den geheimnisvollen Mars und die wolkige Venus zu besuchen. Zu diesem Thema wurden viele Science-Fiction-Romane, Novellen und Kurzgeschichten geschrieben. Schriftsteller schickten ihre Helden auf dressierten Schwänen, in Heißluftballons, in Kanonengeschossen oder auf andere unglaubliche Weise in den Himmel. Alle diese Flugmethoden basierten jedoch auf Erfindungen, die keine wissenschaftliche Unterstützung fanden. Die Menschen glaubten nur, dass sie eines Tages unseren Planeten verlassen könnten, wussten aber nicht, wie ihnen das gelingen sollte.

Wundervoller Wissenschaftler Konstantin Eduardowitsch Ziolkowski 1903 zum ersten Mal gab der Idee der Raumfahrt die wissenschaftliche Grundlage. Er bewies, dass Menschen den Globus verlassen können und eine Rakete als Vehikel dafür dienen wird, denn eine Rakete ist der einzige Motor, der für seine Bewegung keine äußere Unterstützung benötigt. Deshalb Rakete fähig, im luftleeren Raum zu fliegen.

Der Wissenschaftler Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky hat bewiesen, dass Menschen den Globus mit einer Rakete verlassen können

Vom Aufbau her soll das Raumschiff einer Rakete ähneln, nur dass sich in seinem Kopf eine Kabine für Passagiere und Instrumente befindet und der Rest des Raumes von einem Vorrat an brennbarem Gemisch und einem Motor eingenommen wird.

Um dem Schiff die erforderliche Geschwindigkeit zu verleihen, ist der richtige Treibstoff erforderlich. Schießpulver und andere Sprengstoffe sind auf keinen Fall geeignet: Sie sind gefährlich, brennen zu schnell und sorgen nicht für eine dauerhafte Bewegung. K. E. Tsiolkovsky empfahl die Verwendung von flüssigem Brennstoff: Alkohol, Benzin oder verflüssigter Wasserstoff, der in einem Strom aus reinem Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel verbrannt wird. Jeder erkannte die Richtigkeit dieses Ratschlags, da er zu diesem Zeitpunkt noch nicht wusste, welcher Kraftstoff der beste war.

Die erste 16 Kilogramm schwere Rakete mit flüssigem Treibstoff wurde am 10. April 1929 in Deutschland getestet. Die Versuchsrakete hob in die Luft ab und verschwand aus dem Blickfeld, bevor der Erfinder und alle Anwesenden verfolgen konnten, wohin sie flog. Es war nicht möglich, die Rakete nach dem Experiment zu finden. Das nächste Mal beschloss der Erfinder, die Rakete zu „überlisten“ und band ein vier Kilometer langes Seil daran fest. Die Rakete hob ab und zog ihr Seilende hinter sich her. Sie zog ein zwei Kilometer langes Seil heraus, zerriss es und folgte ihrem Vorgänger in unbekannte Richtung. Und auch dieser Flüchtling konnte nicht gefunden werden.