Большинство перемещений в Природе происходит при наличии опоры. Однако, существует одна возможность перемещаться без опоры – это реактивное движение. Рассмотрим эту тему подробнее.
А что если опоры нет ? Например, тело находится в свободном падении в безвоздушном пространстве или в открытом космосе вне гравитационных полей планет или звезд ?
Единственная возможность начать направленное движение при отсутствии внешней опоры – создать эту опору, отделить от тела некоторую часть и оттолкнуться от нее. В результате – эта часть начнет движение по направлению воздействия, а оставшаяся часть, в соответствии с Третьим Законом Ньютона – в противоположную сторону. Движение, совершаемое по такому принципу, называется реактивным.
Закон сохранения импульса
Итак, в реактивном движении всегда участвуют две части исходного тела – одна часть, которую необходимо двигать и другая часть, которая нужна для создания реактивной силы. Эти две части всегда будут двигаться в противоположных направлениях. Возникает вопрос – с какими скоростями ?
Чтобы получить формулу реактивного движения, необходимо использовать один из законов сохранения – закон сохранения импульса. Теория законов сохранения гласит, что в замкнутой системе сумма импульсов всех материальных точек остается постоянной.
Представим себе ракету в глубоком космосе. Скорость ракеты в нашей системе отсчета примем нулевой $(v=0)$, ее полная начальная масса $М$. Импульс ракеты, следовательно, равен нулю, и он не может измениться:
$$p=Mv=0=const$$
Теперь пусть некоторая масса газа $m_г$ будет выброшена из сопел ракеты со скоростью $v_г$. Согласно закону сохранения, сумма импульсов выброшенного топлива и оставшейся ракеты по-прежнему будет нулевой:
$$(M-m_г)v+m_гv_г=0$$
Откуда:
$$v=-{m_гover {M-m_г}}v_г$$
Особенности реактивного движения
Из приведенной формулы можно сделать важные выводы.
- Во-первых, результирующая скорость ракеты направлена в противоположную сторону относительно скорости выброшенных газов.
- Во-вторых, скорость ракеты будет тем больше, чем большая масса газов будет выброшена, и чем больше будет скорость их истечения. Именно поэтому сопло ракеты стараются сделать по возможности небольшим – это увеличивает скорость истечения газов из него.
- В-третьих, полезная масса, то есть, масса, которую требуется двигать без опоры – всегда меньше первоначальной полной массы тела (ракеты).
- В-четвертых, по мере выброса топлива масса ракеты становится меньше. А значит, одно и то же количество выброшенных газов даст разную скорость вначале и в конце разгона.
Природе тоже встречается реактивное движение. Пример неуправляемого реактивного движения – это плоды некоторых растений, в том числе обычный огурец. Если не снимать урожай, то в спелых плодах огурца начинаются процессы брожения, поднимается давление, в конце концов плодоножка обламывается, и содержимое огурца вместе с семенами «выстреливает» из образовавшегося «сопла», сам же огурец отбрасывается в другую сторону. Пример управляемого реактивного движения в Природе – это стрекающие (медузы) и головоногие (кальмары). Они выбрасывают воду резким сокращением мантийной полости и движутся в противоположном направлении.
Что мы узнали?
Реактивное движение – это движение, состоящее в отбрасывании телом своей части, и движение остальной части в противоположном направлении. В основе реактивного движения лежат Третий Закон Ньютона и Закон сохранения импульса.
