Фізика. Реактивний рух в природі і в техніці

Реактивний рух в природі і в техніці - досить 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, краще всього 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 у морі, зустрічали медуз. У Чорному море їх, у всякому разі, вистачає. Однак не всі замислювалися, що пересуваються медузи як раз з 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. В якості прикладу можна навести каракатиць, кальмарів, восьминогів. В 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".

Як пересувається каракатиця

Дуже 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 у свою зяброву порожнину. Потім вона її енергійно викидає через лійку. Трубку лійки каракатиця направляє назад або убік. Рух при цьому може здійснюватися у різні сторони.

Спосіб, який використовує сальпа

Цікавий і спосіб, який використовує сальпа. Так називається морське тварина, що має прозоре тіло. Сальпа при русі втягує воду, використовуючи для цього переднє 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 живуть на великих океанських глибинах. В реактивної навігації кальмари досягли справжньої досконалості. Навіть тіло цих тварин нагадує ракету своїми зовнішніми формами. Вірніше сказати, це ракета копіює кальмара, так як саме йому належить безперечна першість у цій справі. Якщо потрібно пересуватися повільно, тварина використовує для цього великий ромбоподібний плавець, який час від часу згинається. Якщо ж потрібний швидкий кидок, на допомогу приходить реактивний двигун.
З усіх боків тіло молюска оточує мантія – м'язова тканина. Практично половина всього обсягу тіла тварини припадає на обсяг її порожнини. Кальмар використовує мантийную порожнину для руху, засмоктуючи воду всередину неї. Потім він різко викидає набрану струмінь води крізь вузьке сопло. В результаті цього він рухається поштовхами тому з великою швидкістю. При цьому кальмар складає всі свої 10 щупалець у вузол над головою для того, щоб придбати обтічну форму. В складі сопла є особливий клапан, і м'язи тварини можуть повертати його. Тим самим напрямок руху змінюється.

Вражаюча швидкість руху кальмара

Потрібно сказати, що двигун кальмара досить економічний. Швидкість, яку він здатний розвивати, може досягати 60-70 км/ч. Деякі дослідники навіть вважають, що вона може доходити до 150 км/ч. Як ви бачите, кальмар недарма зветься "живою 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 самого тваринного 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 тому кінець воронки і в внаслідок 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, подібно до бігу раку-скорохода, якщо б він володів жвавістю скакуна. У разі коли поспішати не потрібно, каракатиці і кальмари плавають, ундулируя при цьому плавниками. Спереду назад пробігають по них мініатюрні хвилі. Кальмари і каракатиці граціозно ковзають. Вони лише час від часу підштовхують себе струменем води, яка викидається з-під 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, проте таку цифру ми можемо назвати, грунтуючись на дальності і швидкості польоту літаючих кальмарів. Виявляється, існують й такі. Кальмар стенотевтис є найкращим пілотом з усіх молюсків. Англійські моряки називають його літаючим кальмаром (флайинг-сквід). Це тварина, фото якого наведено вище, має невеликі розміри, приблизно з оселедця. Він так стрімко переслідує риб, що часто вискакує з води, проносячись стрілою над її поверхнею. Такий прийом він використовує і у випадку, коли йому загрожує небезпека від хижаків – макрелей і тунців. Розвинувши максимальну реактивну тягу у воді, кальмар стартує у 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 велику відстань по повітрю, після чого приземлився на місток яхти. А висота цього містка становила майже 7 метрів! Бувають випадки, коли на корабель обрушується відразу безліч літаючих кальмарів. Требиус Нігер, античний письменник, одного разу розповів сумну історію про судні, яке наче б не змогло витримати тягар цих морських тварин і затонуло. Цікаво, що кальмари здатні злітати навіть без розгону.

Літаючі восьминоги

Здатністю літати мають також восьминоги. Жан Верани, французький натураліст, спостерігав, як один з них розігнався у 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 мешковаты, 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 05 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 2-25 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 при найменшому дотику. Потім з утворився в результаті цього отвору з великою силою викидається спеціальна клейка рідина, в якій знаходяться насіння. Сам огірок відлітає у протилежний бік на відстань до 12 м.

Закон збереження імпульсу

Обов'язково слід розповісти і про нього, розглядаючи реактивне рух в природі і в техніці. Знання закону збереження імпульсу дозволяє нам змінювати, зокрема, нашу власну швидкість переміщення, якщо ми перебуваємо 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. 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 дорівнює вазі рушниці. У цьому разі вони б розлетілися в сторони з однією і тією ж швидкістю. Віддача буває тому, що створюється реактивна сила, так як є отбрасываемая маса. Завдяки цій силі забезпечується рух як у 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 вже довгі роки є джерелом нових ідей для вчених. Багато століть людство грезило 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 тому 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 віз. Над цією конструкцією він постійно підкидав сильный магніт. Віз, притягуючись до нього, піднімалася над Землею все вище і вище. Зрештою, вона досягла Місяця. Інший відомий персонаж, барон Мюнхгаузен, виліз на Місяць по стеблу 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 видатному відкриттю

В Китаї наприкінці 1 тисячоліття н. е. винайшли реактивне 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 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, очікуючи виконання смертного вироку, він продовжував вивчати таке цікаве явище, як реактивне 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 настільки 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 в цілях космічних польотів. Його стаття, присвячена цьому питанню, з'явилася в 1903 році. У ній було представлено математичне рівняння, яке стало найважливішим для космонавтики. Воно відоме в наш час як "формула Ціолковського". Це рівняння описувала рух тіла, що має змінну масу. У своїх подальших працях 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 вчений, вивчаючи реактивне рух в природі і техніці. Ракети, як показав Ціолковський, – це єдині апарати, які можуть подолати силу тяжіння. Ракету він визначив як механізм, що має реактивний двигун, який використовує знаходиться на ньому пальне і окислювач. Цей апарат перетворює хімічну енергію палива, яка стає кінетичну енергію газової струї. Сама ракета при цьому починає рухатися в зворотному напрямку. Нарешті, вчені, вивчивши реактивне рух тіл в природі і техніці, перейшли до практики. Чекала масштабна задача реалізації давньої мрії людства. І група радянських вчених, очолювана 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 важлива для світу подія сталася 12 квітня 1961 року. Гагарін на кораблі-супутнику "Восток" облетіла всю земну кулю. СРСР був першою державою, ракети якого досягли Місяця, облетіли навколо неї і сфотографували бік, невидиму із 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 з близької відстані комету Галлея, яка наближається до Сонця всього лише раз у 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 реактивне рух в природі і в техніці

У фізиці в останні кілька століть були зроблені особливо важливі відкриття. В той час як природа залишається практично незмінною, техніка розвивається стрімкими темпами. В 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 напрям своєї швидкості. Саме тому для польотів в безповітряному просторі можна використовувати лише ракети. Сьогодні активно використовується реактивне рух у побуті, в природі та техніці. Воно вже не є загадкою, як раніше. Проте людство не повинне зупинятися на досягнутому. Попереду нові горизонти. Хочеться вірити, що реактивний рух в природі і техніці, коротко охарактеризованное у статті, надихне когось на нові відкриття.