§ 72. РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Интересный и важный случай проявления закона сохранения импульса и его практического использования — это реактивное движение. Так называют движение тела, возникающее при отделении от тела с какой-то скоростью некоторой его чаети.

Реактивное движение совершают, например, ракеты. Всякая ракета — это система двух тел. Она состоит из оболочки и содержащегося в ней топлива. Оболочка имеет форму трубы, один конец которой закрыт, а другой открыт и снабжен трубчатой насадкой с отверстием особой формы — реактивным соплом.

Топливо при запуске ракеты сжигается и превращается в газ высокого давления и высокой температуры. Благодаря высокому давлению этот газ с большой скоростью вырывается из сопла ракеты. Оболочка ракеты устремляется при этом в противоположную сторону (рис. 185).

Перед стартом ракеты ее общий импульс (оболочки и топлива) в системе координат, связанной с Землей, равен нулю, вся ракета покоится относительно Земли. В результате взаимодействия газа и оболочки выбрасываемый газ приобретает некоторый импульс. Будем считать, что влияние силы тяжести пренебрежимо мало, тогда оболочку и топливо можно рассматривать как замкнутую систему и их общий импульс должен и после запуска остаться равным нулю. Поэтому оболочка из-за взаимодействия с газом приобретает импульс, равный по величине

Рис. 185

импульсу газа, но противоположный по направлению. Вот почему в движение приходит не только газ, но и оболочка ракеты. В ней могут быть помещены научные приборы для исследований, всевозможные средства связи и т. д. С ракетой может быть связан и космический корабль, в котором путешествуют космонавты.

Закон сохранения импульса позволяет определить скорость ракеты (оболочки).

Действительно, предположим сначала, что весь газ, образующийся при сгорании топлива, выбрасывается из ракеты сразу, а не вытекает постепенно.

Обозначим всю массу газа, в который превращается топливо в ракете, через а скорость вылетающего газа через Массу и скорость оболочки обозначим через Согласно закону сохранения импульса сумма импульсов оболочки и газа после запуска должна быть такой же, какой была до запуска ракеты, т. е. должна быть равной нулю. Следовательно,

(координатная ось выбрана в направлении движения оболочки). Отсюда находим скорость оболочки:

Из этой формулы видно, что скорость оболочки ракеты тем больше, чем больше скорость выбрасываемого газа и чем больше отношение массы топлива к массе оболочки. Поэтому достаточно большую скорость оболочка получит в том случае, если масса топлива намного больше массы оболочки. Например, для того чтобы скорость оболочки была по абсолютному значению в 4 раза больше скорости выбрасываемого газа, нужно, чтобы масса топлива была во столько же раз больше массы оболочки, т. е. оболочка должна составлять одну пятую всей массы ракеты на старте. А ведь «полезной» частью ракеты является именно оболочка.

Мы считали, что весь газ выбрасывается из ракеты мгновенно. На самом деле он вытекает не сразу, хотя и достаточно быстро. Это значит, что после выброса какой-то части газа оболочке приходится «возить» с собой еще не сгоревшую и не вылетевшую часть топлива. Это значительно увеличивает необходимую для достижения данной скорости массу топлива. Расчет показывает, что, для того чтобы скорость оболочки была в 4 раза больше скорости газа, масса топлива на старте должна быть не в 4, а в несколько десятков раз больше массы оболочки. Если же учесть, что при запуске с Земли на ракету действуют и сила сопротивления воздуха, сквозь который она должна лететь, и притяжение к Земле, то можно будет сделать вывод, что это отношение должно быть еще больше.

В отличие от всех других транспортных средств ракета может двигаться, не взаимодействуя ни с какими другими телами, кроме

как с продуктами сгорания содержащегося в ней самой топлива. Именно поэтому ракеты используются для запуска искусственных спутников Земли и космических кораблей и для их передвижения в космическом пространстве, где им не на что опираться и не от чего отталкиваться, как это делают обычные земные средства транспорта.

При необходимости ракету можно тормозить. Именно так поступают космонавты, когда, закончив космический полет, они должны уменьшить скорость своего корабля, чтобы вернуться на Землю. Понятно, что ракета уменьшит свою скорость, если газ из сопла ракеты будет вылетать в ту же сторону, куда движется ракета.

Идея использования ракет для космических полетов была предложена еще в начале нашего века знаменитым русским ученым К. Э. Циолковским. Эта замечательная идея успешно осуществляется. Уже многие сотни искусственных спутников Земли и космических кораблей выводились в космическое пространство с помощью ракет. Благодаря применению ракет люди побывали и на Луне. С их помощью на Луну доставлены космические лаборатории, созданы искусственные спутники Луны.

Первый в истории искусственный спутник Земли был с помощью ракеты запущен в Советском Союзе 4 октября 1957 г.

Первым человеком, который на искусственном спутнике совершил полет в космическом пространстве, был гражданин Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. 12 апреля 1961 г. он облетел земной шар на корабле-спутнике «Восток».

Советские ракеты первыми достигли Луны, первыми совершили облет Луны и сфотографировали ее невидимую, «обратную» сторону, первыми достигли планеты Венера. СССР занимает ведущее положение в исследовании космического пространства.