Фізика. Реактивний рух в природі і в техніці

Реактивний рух в природі і в техніці - дуже поширене явище. У природі воно виникає, коли одна частина тіла відділяється з певною швидкістю від деякої іншої частини. При цьому реактивна сила з`являється без взаємодії даного організму з зовнішніми тілами.

Для того щоб зрозуміти, про що йде мова, найкраще звернутися до прикладів. Приклади реактивного руху в природі і техніці численні. Спочатку ми поговоримо про те, як його використовують тварини, а потім про те, як воно застосовується в техніці.

Медузи, личинки бабок, планктон і молюски

Багато, купаючись в морі, зустрічали медуз. У Чорному морі їх, у всякому разі, вистачає. Однак не всі замислювалися, що пересуваються медузи якраз за допомогою реактивного руху. До цього ж способу вдаються і личинки бабок, а також деякі представники морського планктону. ККД безхребетних морських тварин, які використовують його, часто набагато вище, ніж у технічних винаходів.

Багато молюски пересуваються цікавлять нас способом. Як приклад можна привести каракатиць, кальмарів, восьминогів. Зокрема, морський молюск-гребінець здатний рухатися вперед, використовуючи реактивний струмінь води, яка викидається з раковини, коли її стулки різко стискаються.

І це лише кілька прикладів з життя тваринного світу, які можна привести, розкриваючи тему: "Реактивний рух в побуті, природі і техніці".

Відео: Jet propulsion - Physics in experiments

Як пересувається каракатиця

Вельми цікава в цьому відношенні і каракатиця. Подібно безлічі головоногих молюсків, вона пересувається у воді, використовуючи наступний механізм. Через особливу воронку, що знаходиться попереду тіла, а також через бічну щілину каракатиця забирає воду в свою зяброву порожнину. Потім вона її енергійно викидає через лійку. Трубку воронки каракатиця спрямовує назад або убік. Рух при цьому може здійснюватися в різні боки.

Спосіб, який використовує Сальпа

Цікавий і спосіб, який використовує Сальпа. Так називається морська тварина, що має прозоре тіло. Сальпа при русі втягує воду, використовуючи для цього передній отвір. Вода виявляється в широкій порожнини, а всередині неї по діагоналі розташовані зябра. Отвір закривається тоді, коли Сальпа робить великий ковток води. Її поперечні і поздовжні м`язи скорочуються, стискається все тіло тварини. Крізь заднє отвір вода виштовхується назовні. Тварина рухається вперед завдяки реакції витікає струменя.

кальмари - "живі торпеди"

Найбільший інтерес представляє, мабуть, реактивний двигун, який є у кальмара. Ця тварина вважається найбільш великим представником безхребетних, що мешкають на великих океанських глибинах. У реактивної навігації кальмари досягли справжнього досконалості. Навіть тіло цих тварин нагадує ракету своїми зовнішніми формами. Вірніше сказати, це ракета копіює кальмара, так як саме йому належить безперечну першість в цій справі. Якщо потрібно пересуватися повільно, тварина використовує для цього великий ромбоподібний плавник, який час від часу згинається. Якщо ж Ви хочете отримувати швидкий кидок, на допомогу приходить реактивний двигун.

З усіх боків тіло молюска оточує мантія - м`язова тканина. Практично половина всього обсягу тіла тварини доводиться на обсяг її порожнини. Кальмар використовує мантійну порожнину для руху, засмоктуючи воду всередину неї. Потім він різко викидає набрану струмінь води крізь вузьке сопло. В результаті цього він рухається поштовхами назад з великою швидкістю. При цьому кальмар складає всі свої 10 щупалець в вузол над головою для того, щоб придбати обтічну форму. У складі сопла є особливий клапан, і м`язи тваринного можуть повертати його. Тим самим напрямок руху змінюється.

Вражаюча швидкість руху кальмара

Потрібно сказати, що двигун кальмара дуже економічний. Швидкість, яку він здатний розвивати, може досягати 60-70 км / год. Деякі дослідники навіть вважають, що вона може доходити до 150 км / год. Як ви бачите, кальмар не дарма зветься "живої торпедою". Він може повертати в потрібну сторону, згинаючи вниз, вгору, вліво або вправо щупальця, складені пучком.

Як кальмар управляє рухом

Так як в порівнянні з розмірами самої тварини кермо дуже великий, для того щоб кальмар міг легко уникнути зіткнення з перешкодою, навіть рухаючись з максимальною швидкістю, досить лише незначного руху керма. Якщо його різко повернути, тварина тут же помчить у зворотний бік. Кальмар згинає назад кінець воронки і в результаті цього може ковзати вже головою вперед. Якщо він вигне її вправо, він буде відкинутий вліво реактивним поштовхом. Однак коли плисти необхідно швидко, воронка завжди знаходиться прямо між щупальцями. Тварина в цьому випадку мчить хвостом вперед, як біг раку-скорохода, якби він мав жвавістю скакуна.

У разі коли поспішати не потрібно, каракатиці і кальмари плавають, ундуліруя при цьому плавниками. Спереду назад пробігають по ним мініатюрні хвилі. Кальмари і каракатиці граціозно ковзають. Вони лише час від часу підштовхують себе струменем води, яка викидається з-під їх мантії. Окремі поштовхи, які молюск отримує при виверженні струменів води, в такі моменти добре помітні.

літаючий кальмар

Деякі головоногі здатні прискорюватися до 55 км / ч. Здається, ніхто не здійснював прямих вимірювань, однак таку цифру ми можемо назвати, грунтуючись на дальності і швидкості польоту літаючих кальмарів. Виявляється, існують і такі. Кальмар стенотевтіс є найкращим пілотом з усіх молюсків. Англійські моряки називають його літаючим кальмаром (Флайінг-сквид). Ця тварина, фото якого представлено вище, має невеликі розміри, приблизно з оселедця. Він так стрімко переслідує риб, що часто вискакує з води, пролітаючи стрілою над її поверхнею. Такий прийом він використовує і в разі, коли йому загрожує небезпека від хижаків - макрелей і тунців. Розгорнувши максимальну реактивну тягу в воді, кальмар стартує в повітря, а потім пролітає понад 50 метрів над хвилями. При цьому апогей його польоту знаходиться так високо, що часто літають кальмари потрапляють на палуби суден. Висота 4-5 метрів для них - аж ніяк не рекорд. Іноді літаючі кальмари злітають навіть вище.

Доктор Рис, дослідник молюсків з Великобританії, у своїй науковій статті описав представника цих тварин, довжина тіла якого становила всього 16 см. Однак при цьому він зміг пролетіти неабияку відстань по повітрю, після чого приземлився на місток яхти. А висота цього містка становила практично 7 метрів!

Відео: Лекція 1 Реактивний рух. Частина 1 Реактивний рух і закон збереження імпульсу

Бувають випадки, коли на корабель обрушується відразу безліч літаючих кальмарів. Требіус Нігер, античний письменник, якось розповів сумну історію про судно, яке нібито не спроможна витримати тягар цих морських тварин і затонуло. Цікаво, що кальмари здатні злітати навіть без розгону.

літаючі восьминоги

Здатністю літати володіють також восьминоги. Жан Верани, французький натураліст, спостерігав, як один з них розігнався в своєму акваріумі, а потім раптово вискочив з води. Тварина описало в повітрі дугу приблизно в 5 метрів, а потім плюхнулось в акваріум. Восьминіг, набираючи необхідну для стрибка швидкість, рухався не тільки завдяки реактивній тязі. Він також гріб своїми щупальцями. Восьминоги мішкуваті, тому вони плавають гірше кальмарів, проте в критичні хвилини і ці тварини здатні дати фору кращим спринтерам. Працівники Каліфорнійського акваріума хотіли зробити фото восьминога, який атакує краба. Однак спрут, кидаючись на свою здобич, розвивав таку швидкість, що фотографії навіть при використанні спеціального режиму виявлялися змазаними. Це означає, що кидок тривав лічені частки секунди!

Однак восьминоги зазвичай плавають досить повільно. Вчений Джозеф Сайнл, який досліджував міграції спрутів, з`ясував, що восьминіг, розмір якого становить 0,5 м, пливе з середньою швидкістю приблизно 15 км / год. Кожна струмінь води, яку він викидає з воронки, просуває його вперед (точніше сказати, тому, оскільки він пливе задом наперед) десь на 2-2,5 м.

"скажений огірок"

Реактивний рух в природі і в техніці можна розглядати і використовуючи для його ілюстрації приклади зі світу рослин. Один з найвідоміших - дозрілі плоди так званого скаженого огірка. Вони відскакують від плодоніжки від найменшого дотику. Потім з утворився в результаті цього отвору з великою силою викидається спеціальна клейка рідина, в якій знаходиться насіння. Сам огірок відлітає в протилежну сторону на відстань до 12 м.

Закон збереження імпульсу

Обов`язково слід розповісти і про нього, розглядаючи реактивний рух в природі і в техніці. Знання закону збереження імпульсу дозволяє нам змінювати, зокрема, нашу власну швидкість переміщення, якщо ми знаходимося у відкритому просторі. Наприклад, ви сидите в човні і у вас з собою є кілька каменів. Якщо ви будете кидати їх в певну сторону, рух човна буде здійснюватися в протилежному напрямку. У космічному просторі також діє цей закон. Однак там з цією метою застосовують ракетні двигуни.

Відео: Реактивний рух - експеримент

Які ще можна відзначити приклади реактивного руху в природі і техніці? Дуже добре закон збереження імпульсу ілюструється на прикладі рушниці.

Як відомо, постріл з нього завжди супроводжується віддачею. Припустимо, вага кулі був би рівний вазі гвинтівки. У цьому випадку вони б розлетілися на всі боки з однієї і тієї ж швидкістю. Віддача буває тому, що створюється реактивна сила, так як є відкидна маса. Завдяки цій силі забезпечується рух як в безповітряному просторі, так і в повітрі. Чим більше швидкість і маса стікали газів, тим сила віддачі, яку відчуває наше плече, більше. Відповідно, реактивна сила тим вище, чим сильніша реакція гвинтівки.

Мрії про польоти в космос

Реактивний рух в природі і в техніці ось уже довгі роки є джерелом нових ідей для вчених. Багато століть людство марило про польоти в космос. Застосування реактивного руху в природі і техніці, треба думати, аж ніяк не вичерпало себе.

А почалося все з мрії. Письменники-фантасти кілька століть назад пропонували нам різні засоби, як досягти цієї бажаної мети. У 17 столітті Сірано де Бержерак, французький письменник, створив розповідь про політ на Місяць. Його герой добрався до супутника Землі, використовуючи залізну візок. Над цією конструкцією він постійно підкидав сильний магніт. Віз, притягаючи до нього, піднімалася над Землею все вище і вище. Зрештою, вона досягла Місяця. Інший відомий персонаж, барон Мюнхгаузен, заліз на Місяць по стеблині боба.

Звичайно, в цей час ще було мало відомо про те, як застосування реактивного руху в природі і техніці здатне полегшити життя. Але політ фантазії, безумовно, відкривав нові горизонти.

На шляху до видатного відкриття

У Китаї в кінці 1 тисячоліття н. е. винайшли реактивний рух, що приводить в дію ракети. Останні були просто бамбуковими трубками, які були начинені порохом. Ці ракети запускалися заради забави. Реактивний двигун використовувався в одному з перших проектів автомобілів. Ця ідея належала Ньютону.

Про те, як реактивний рух в природі і в техніці виникає, замислювався і Н.І. Кибальчич. Це російський революціонер, автор першого проекту реактивного літального апарату, який призначений для польоту на ньому людини. Революціонер, на жаль, був страчений 3 квітня 1881 року. Кибальчича звинуватили в тому, що він брав участь у замаху на Олександра II. Вже у в`язниці, в очікуванні виконання смертного вироку, він продовжував вивчати таке цікаве явище, як реактивний рух в природі і в техніці, що виникає при відділенні частини об`єкта. В результаті цих досліджень він розробив свій проект. Кибальчич писав, що ця ідея підтримує його в його становищі. Він готовий спокійно зустріти свою смерть, знаючи, що таке важливе відкриття не загине разом з ним.

Реалізація ідеї польоту в космос

Прояв реактивного руху в природі і техніці продовжив вивчати К. Е. Ціолковський (фото його представлено вище). Ще на початку 20 століття цей великий російський вчений запропонував ідею використання ракет з метою космічних польотів. Його стаття, присвячена цьому питанню, з`явилася в 1903 році. У ній було представлено математичне рівняння, що стало найважливішим для космонавтики. Воно відоме в наш час як "формула Ціолковського". Це рівняння описувало рух тіла, що має змінну масу. У своїх подальших трудах він представив схему ракетного двигуна, що працює на рідкому паливі. Ціолковський, вивчаючи використання реактивного руху в природі і техніці, розробив багатоступеневу конструкцію ракети. Йому також належить ідея про можливість створення на навколоземній орбіті цілих космічних міст. Ось до яких відкриттів прийшов учений, вивчаючи реактивний рух в природі і техніці. Ракети, як показав Ціолковський, - це єдині апарати, які можуть подолати силу тяжіння. Ракету він визначив як механізм, який має реактивний двигун, який використовує знаходиться на ньому пальне і окислювач. Цей апарат трансформує хімічну енергію палива, яка стає кінетичної енергією газового струменя. Сама ракета при цьому починає рухатися в зворотному напрямку.

Нарешті, вчені, вивчивши реактивне рух тіл в природі і техніці, перейшли до практики. Мала відбутися масштабна задача реалізації давньої мрії людства. І група радянських вчених на чолі з академіком С. П. Корольовим, впоралася з нею. Вона здійснила ідею Ціолковського. Перший штучний супутник нашої планети був запущений в СРСР 4 жовтня 1957 р Природно, при цьому використовувалася ракета.

Ю. А. Гагарін (на фото вище) був людиною, якій випала честь першим здійснити політ у космічному просторі. Це важливе для світу подія сталася 12 квітня 1961 року. Гагарін на кораблі-супутнику "Схід" облетів всю земну кулю. СРСР був першою державою, ракети якого досягли Місяця, облетіли навколо неї і сфотографували сторону, невидиму з Землі. Крім того, і на Венері вперше побували саме росіяни. Вони доставили на поверхню цієї планети наукові прилади. Американський астронавт Ніл Армстронг - перша людина, що побувала на поверхні Місяця. Він висадився на неї 20 липня 1969 року. У 1986 році "Вега-1" і "Вега-2" (Кораблі, що належать СРСР) досліджували зблизька комету Галлея, яка наближається до Сонця всього лише раз в 76 років. Вивчення космосу триває…

Як ви бачите, дуже важливою і корисною наукою є фізика. Реактивний рух в природі і техніці - це лише один з цікавих питань, які розглядаються в ній. А досягнення цієї науки вельми і вельми значні.

Як в наші дні використовується реактивний рух в природі і в техніці

У фізиці в останні кілька століть були зроблені особливо важливі у відкритих. У той час як природа залишається практично незмінною, техніка розвивається стрімкими темпами. У наш час принцип реактивного руху широко застосовується не тільки різними тваринами і рослинами, але також в космонавтиці і в авіації. У космічному просторі відсутнє середовище, яку тіло могло б використовувати для взаємодії, щоб змінити модуль і напрямок своєї швидкості. Саме тому для польотів в безповітряному просторі можна використовувати лише ракети.

Сьогодні активно використовується реактивний рух в побуті, природі і техніці. Воно вже не є загадкою, як раніше. Однак людство не повинно зупинятися на досягнутому. Попереду нові горизонти. Хочеться вірити, що реактивний рух в природі і техніці, коротко охарактеризовані в статті, надихне когось на нові відкриття.