Исследовательская работа "Почему ракеты летают..."

РЕГИОНАЛЬНЫЙ ЭТАП ВСЕРОССИЙСКОГО ДЕТСКОГО КОНКУРСА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ТВОРЧЕСКИХ РАБОТ

«ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКЕ»

Секция: ФИЗИКА

Тема: ПОЧЕМУ РАКЕТЫ ЛЕТАЮТ…

Автор: Зубков Степан Николаевич

Научный руководитель: Касенкова Ирина Николаевна

Место выполнения работы: МОУ «Рождественская СОШ» Валуйского района Белгородской области

2015

Оглавление

1. Выдвижение гипотезы……………………………………………………3

2. Актуальность темы………………………………….…………………….4

3. Цель и задачи исследования…………………………..………………….5

4. Основная часть……………………………………………………………..6

5. Результаты и выводы…………………………………………………….15

6. Литература……………………………………………………………….16

Выдвижение гипотезы

Готовясь к празднованию Дня рождения сестры, я украшал дом воздушными шариками. Когда я надувал шары, то один из них вырвался из рук и с большой скоростью полетел от меня в противоположную сторону. Я задал себе вопрос: что же произошло с шариком? Родители объяснили, что это реактивное движение. Неужели шарик летает так же, как ракета?

Проблема: можно ли создать макет ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы.

Быть может, уже много тысяч лет, глядя в небо, человек думал о полете к звездам. Мерцающие ночные звезды заставляли его уноситься мыслью в огромные дали Вселенной, будоражили воображение, заставляли задуматься над тайнами создания Вселенной. Шли века, человек приобретал все большую власть над природой, но мечта о полете к далеким звездам не оставляла человечество.

Гипотеза, которую я выдвинул в ходе исследования: возможно, реактивное движение встречается в природе и повседневной жизни, и я смогу создать макет ракеты, используя знания об этих явлениях.

Актуальность темы.

Я слышал, что говорят: век пара, век электричества, век радио...  А можно ли говорить о веке ракеты?  Я думаю, можно, потому что этот век наступил.

Ракеты прочно завоевали себе место в современном мире. Ракеты с автоматическими самозаписывающими приборами уже поднялись на огромные высоты и помогают нам раскрыть тайны воздушного океана, простирающегося над Землей.

Проверить и дополнить то, что мы знаем об атмосфере, пополнить наши знания о больших высотах поможет созданная человеком ракета. Ракета поднимает на эти высоты телевизионные передатчики, и мы видим на экранах наших телевизоров Землю с большой высоты, Землю-планету.

Ракета несёт  службу погоды. Метеорологические ракеты забрались туда, куда не поднимается шар-зонд с приборами. Пролетая огромные расстояния с большими скоростями, ракеты могут дать информацию о погоде на большие пространства, передавая по радио сведения о состоянии атмосферы на различных высотах, в разных местах. Так ракеты помогают нам предсказывать погоду, и даже управлять погодой.

Вообще представить жизнь современного общества без достижений в ракетостроении и космонавтике не возможно. Ведь благодаря освоению космоса, в наши дни вокруг Земли движутся всевозможные спутники разного назначения. С помощью научных спутников учёные наблюдают за небесными телами. Всё это, то, что есть сейчас, а в будущем научные станции и установки станут более легкими, а обитаемые жилые станции будущего, вращаясь рядом с планетой, позволят своим обитателям часто возвращаться на родную планету и принимать гостей. А если какая-то часть человечества решит поселиться в далёком космосе, связь можно будет поддерживать, только посылая радиосигналы. Вероятно, нам еще придется подождать пока не появятся межпланетные корабли, способные развивать скорость, превышающую несколько сотен тысяч километров в час, а при современном развитии космических технологий путь на Землю и обратно займёт десятки лет. Конечно же, найдутся люди желающие стать поселенцами колоний, которые на огромных космических кораблях повезут с собой отобранные виды растений, животных. Но не так уж далёк день, когда космические колонии станут новыми мирами. Это и будет веком реактивного движения.

В своем исследовании я попробую создать макет ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования:

Создание макета ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы.

Чтобы подтвердить или опровергнуть мою гипотезу, я поставил перед собой задачи:

1. изучить теоретический материал по данной теме;

2. провести опыты, иллюстрирующие реактивное движение;

3. экспериментально проверить возможность создания макета ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы.

Основная часть.

Изучение теоретического материала по данной теме.

Реактивное движение применялось еще при изготовлении первых пороховых фейерверочных и сигнальных ракет в Китае в X веке. В конце XVIII века индийские войска в борьбе с английскими колонизаторами использовали боевые ракеты на чёрном дымном порохе. В российской армии пороховые ракеты были приняты на вооружение в начале XIX века.

Во время Великой Отечественной войны немецкие войска применяли баллистические ракеты Фау-2, обстреливая английские и бельгийские города. Советские войска с большим успехом использовали установки залпового огня «Катюша».

Первым применить реактивное движение для полетов в космос предложил Н. И. Кибальчич. Дальнейшая теоретическая разработка ракетостроительства принадлежит русскому ученому Циолковскому К.Э. Его труды вдохновили С.П.Королёва на создание летательных аппаратов для полета человека в космос.

Благодаря его идеям впервые в мире 4 октября 1957 года был осуществлен запуск искусственного спутника Земли и первого пилотируемого искусственного спутника Земли с летчиком - космонавтом на борту Ю.А. Гагариным - 12 апреля 1961 г. Запуски космических кораблей положили новую эпоху в освоение космоса.

Современные достижения в космонавтике

17 июня 1992 года Россия и США заключили соглашение о сотрудничестве в исследовании космоса. В соответствии с ним Российское космическое агентство и НАСА разработали совместную программу «Мир — Шаттл». Эта программа предусматривала полёты американских многоразовых кораблей «Шаттл» к российской космической станции «Мир». В ходе реализации программы «Мир— Шаттл» родилась идея объединения национальных программ создания орбитальных станций. Международная космическая станция, парящая сегодня над планетой, стала компромиссом между Россией и США. МКС начало эксплуатацию 20 ноября 1998 года, и эксплуатируется до сих пор.

В январе 2004 года президент США выступил с новой программой космических исследований трёх этапов. Планируется испытать новый космический корабль «Орион», который заменит Шаттлы. В 2015 году «Орион» должен доставить американский экипаж на МКС, а спустя 5 лет на Луну. В будущем такие полёты станут регулярными, а на спутнике Земли будет построена первая постоянная лунная база, которая превратится в центр экспедиций на Марс и к другим планетам Солнечной системы. Пилотируемый полёт к Марсу запланирован на 2037 год. Может в рамках программы человек наконец-то сможет прогуляться по красному марсианскому песку. Учёные посылали автоматические зонды на другие планеты земной группы – к Марсу, Меркурию, и Венере. На Марс и Венеру высаживались спускаемые модули, поэтому мы уже много знаем об этих планетах. Для изучения планет-гигантов тоже запустили космические модули. Космический зонд «Новые горизонты» с 2006 года находится на пути к Плутону. Учёные ожидают, что в 2015 году он достигнет планеты.

Одной из основных целей спутников стало наблюдение и фотографирование иностранных территорий. Американцы вышли на первое место по этому виду шпионажа, их спутники прослушивают и перехватывают сообщения, а бортовые камеры и телескопы улавливают даже незначительное передвижение войск. Радары на спутниках видят, что происходит в океане на глубине до 100 метров. Есть ещё метеорологические спутники, оборудование на них позволяет довольно точно предсказывать погоду на пять дней вперёд и предупреждать население о приближение ненастья. Эти спутники передают сведения о состоянии облачности, температуре почвы или количестве снега в горах. Спутники умеют измерять расстояние и высоту с точностью до сантиметра. Они используются для обустройства территорий, например для прокладывания дорог. Спутниковая картография находит применение и в океанологии, они считывают ландшафт дна, течений, температуры поверхности океана, скорости ветра, нефтяного загрязнения и ледяного покрова. С начала 1960-х годов искусственные спутники Земли используются в качестве трансляций радиоволн, они передают сигналы телевизионного вещания, телефонной связи и цифровой информации. В 1992 году была создана всемирная сеть орбитальных спутников (GPS), которая позволяет узнать местоположение любого движущегося или неподвижного объекта на земле, в воздухе и под водой.

Физические принципы реактивного движения и устройство.

Реактивное движение основано на принципе действия и противодействия: если одно тело воздействует на другое, то при этом на него самого будет действовать точно такая же сила, но направленная в противоположную сторону.

Современная космическая ракета это очень сложный летательный аппарат, состоящий из сотен тысяч деталей. Она состоит из корпуса, двигателя и отсека с полезным грузом. Большая часть корпуса заполнена топливом. Двигатель состоит из камеры сгорания и сопла. Сопло – это выходное отверстие для газов, образующихся при сгорании топлива. Для достижения больших космических скоростей применяют многоступенчатые ракеты. Когда реактивная газовая струя выбрасывается из ракеты, сама ракета устремляется в противоположную сторону, разгоняясь до 1-й космической скорости: 8 км/с.

Реактивное движение в природе.

Итак, где же в природе встречается реактивное движение? Рыбы плывут, птицы летят, звери бегут. Вроде бы все очень просто. Как бы не так. Охота к перемене мест у животных не каприз, а суровая необходимость. Хочешь есть – умей быстро двигаться. Не хочешь, чтобы тебя съели – умей быстро убежать. Чтобы быстро передвигаться в пространстве, нужно развивать большие скорости.

Для этого, например, морской гребешок – обзавелся реактивным двигателем. Он очень быстро выбрасывает из раковины воду и пролетает расстояние, которое в 10-20 раз больше его собственной длины!

Осьминог развивает скорость до 50 км/час и это благодаря реактивной тяге. Он даже по суше может прогуляться, т.к. есть у него на этот случай запас воды за пазухой. Кальмар – самый большой беспозвоночный обитатель океанских глубин передвигается по принципу реактивного движения.

Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. В южных странах (и у нас на побережье Черного моря тоже) произрастает растение под названием "бешеный огурец". Если только слегка прикоснуться к плоду, похожему на огурец, как он отлетает от плодоножки, а через образовавшееся отверстие из плода фонтаном со скоростью до 10 м/с вылетает жидкость с семенами. Сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец (иначе его называют «дамский пистолет») более чем на 12 м.

Выполнение практической части исследования.

Я провел опыт, который доказывает, что каждому действию есть равное противодействие. Для этого я нагревал воду в сосуде, закрытом пробкой, который был подвешен на нитях, до кипения и увидел как при вылетании пробки сосуд отлетел в противоположную сторону.

Этот опыт доказывает справедливость правила равенства действий и противодействий. Если пар действует на пробку, то и пробка действует на пар в обратную сторону, а пар передает это противодействие пробирке.

Затем, я сделал автомобиль-воздухомет и испытал его в действии. Эта игрушка представляет собой автомобиль, на котором укреплен надутый резиновый шарик.

Поставил игрушку на край стола и отпустил её.

Игрушка приходит в движение за счёт энергии выбрасываемого воздуха. Так же я убедился, что чем больше воздуха закачено в шар, тем дальше движется автомобиль. Таким образом я построил модель простейшего реактивного двигателя.

Но, движение которое я наблюдал, хотя и являлось примером реактивного движения, мало походило на запуск и движение ракеты, которое я видел по телевидению. И тогда я приступил к созданию макета ракеты, для этого я использовал чертежи из детской энциклопедии. Чтобы ракета повыше взлетела, она должна быть максимально легкая. Поэтому, материал для изготовления моделей ракеты – это бумага для принтера.

В качестве бака для топлива я использовал пластиковую баночку. И макет ракеты был готов!

Наступил момент для запуска ракеты.

В качестве топлива я взял смесь напитка Кока-кола и конфет «Ментос». «Ментос» имеет пористую поверхность, которая создаёт множество центров высвобождения растворённого в газированых напитках углекислого газа. Другие ингредиенты, которые играют роль в цепной реакции,— аспартам (заменитель сахара), бензонат натрия (консервант) и кофеин в кока-коле, и желатин в «Ментосе». Эти ингредиенты хорошо сочетаются друг с другом, и если их смешать при большом количестве центров высвобождения газа, начинается бурная реакция, которая высвобождает сразу весь углекислый газ, под действием вырывающейся струи которого взлетает наша ракета.

Производим отсчет: 5, 4, 3, 2, 1, пуск!... И наша ракета взлетает вверх. Все получилось. Ракета летит!

И снова я оказался недоволен полученным результатом, ракета взлетела всего на 40-50 см от земли и после запуска стала непригодной для дальнейшего использования.

Я приступил к созданию новой ракеты, способной взлететь еще выше.

Мне пригодились все мои чертежи, я их только увеличил в размере, а материалом для изготовления ракеты стал ватман. Для взлета моей ракеты я купил специальный двигатель МРД – 0,25, который состоит из корпуса и сопла. Внутри корпуса три отсека, в первом находится спрессованный порох, который медленно сгорая дает газ для поднятия ракеты. Второй отсек - замедлитель заполнен смесью пороха и талька, при сгорании пороха в этом отсеке ракета летит еще выше по инерции. И, наконец третий отсек заполнен рассыпчатым порохом, который при сгорании выбивает парашют, который я поместил внутри ракеты.

Парашют я сделал из тонкого полиэтилена, а стропы из обычных швейных нитей. Теперь моя ракета сможет спуститься на землю без аварий.

Внутри сопла я поместил запал к клеммам которого присоединил аккумулятор, для того чтобы двигатель пришел в действие необходим электрический ток. При возгорании пороха клеммы вместе с аккумулятором отсоединятся самостоятельно.

Наступил момент запуска, ракета установлена, клеммы подсоединены.

Производим отсчет: 5, 4, 3, 2, 1. Пуск!..... Ракета взлетает вверх, из сопла вырываются клубы дыма и огонь. За считанные секунды ракета достигает высоты 20-30 метров. Хлопок,…. И парашют вылетает над ракетой. Ракета медленно спускается на землю.

Результаты и выводы.

Вывод:

опытным путем я выяснил, что создание макета ракеты, которая сможет взлететь, используя подручные материалы вполне возможно;

принцип реактивного движения это - физический закон действия и противодействия;

убедился, что реактивное движение встречается в технике, природе и быту.

Теперь, зная о реактивном движении, я могу избежать многих неприятностей, например, спрыгивая с лодки на берег, стреляя из ружья, включая душ и т. д. я буду учитывать закон действия и противодействия.

Итак, я могу утверждать, что гипотеза, выдвинутая мною подтвердилась: реактивное движение встречается в природе и повседневной жизни, и я создал макет ракеты, используя знания об этих явлениях.

Литература.

1. Гальперштейн Л. Я. / Забавная физика./ - М.: Детская литература/ 1994 г./ 256 с.

2. Детская энциклопедия./ - М.: Просвещение. / 2007 г. /405 с.

3. Чуянов В. А.. / Энциклопедический словарь юного физика./ - М.: Педагогика./ 2003 г. / 324 с.

4. Шабловский В. / Занимательная физика. Нескучный учебник./ С-П.: Тригон./ 1997г. / 416 с.

5. http://www.mirpodelki.ru