Исследование характеристик ракетного двигателя

Это исследовательско-экспериментальная лабораторная работа с использованием компьютерной программы “Физика в картинках”. Я предлагаю изучать на практике принцип работы тепловых двигателей на примере установки Герона, а в компьютерном варианте рассмотреть движение ракеты. Инструкция к проведению лабораторной работы состоит из двух частей: практический и компьютерный эксперимент. Учащиеся выполняют работу по группам. Во время эксперимента заполняется рабочий лист. После выполнения основного задания учащиеся пишут выводы, отвечают на контрольные вопросы и делают дополнительное задание. После экспериментальной работы, учащиеся приступают к компьютерному варианту по методичкам.

Лабораторная работа
“Исследование характеристик ракетного двигателя”.

В первом столетии до нашей эры Герон из Александрии изобрел двигатель, использующий реактивную силу. Паровой котел производит пар, который, истекая из Г-образных трубок, заставляет вращаться сферу в противоположном направлении. Двигатель Герона - великолепная демонстрация третьего закона движения.

Целью нашей работы является изучение отдельных характеристик ракетного двигателя, которые влияют на скорость движения ракеты. К таким характеристикам относятся: скорость истечения газов, секундный расход массы, сила тяги и т.д.

В нашей работе вместо пара в двигателе Герона используется движение воды. Работа заключается в исследовании зависимости скорости вращения двигателя от размера и числа отверстий. Если предположить, что в начальный момент времени давление воды на уровне отверстий равно p = pgh и с течением времени не изменяется из-за действия центробежных сил, то можно считать постоянными секундный расход массы и скорость истечения воды. Скорость истечения можно определить по экспериментальным данным. Для этого нужно измерить массу пустой банки m_к, массу банки с водой m_о и подсчитать число оборотов, которое сделает банка за некоторый промежуток времени после ее опорожнения. В случае движения тела с переменной массой для определения конечной скорости движения нужно воспользоваться формулой Циолковского: v = wln_, где m_o - масса банки с водой, m_k - масса пустой банки, w - скорость истечения. Выразив конечную скорость через частоту вращения v = 2nR, где n - частота

вращения, R - диаметр банки, и преобразовав уравнение относительно w, получим:

w = на число оборотов банки. Для проверки можно измерить время опорожнения банки и силу, создаваемую струей воды. Тогда скорость истечения будет равна w = F/q, где F - сила, q = (mo-mk)/t - секундный расход массы, t - время опорожнения.

1. Недалеко от дна гвоздем проткните четыре отверстия так, чтобы они находились на одной окружности и на расстоянии 90⁰. Перед тем как вынуть гвоздь, поверните его в одну сторону, чтобы изогнуть металл, получится отверстие, изогнутое в том же направлении.
2. Вычислите средний диаметр по формуле:



где d_i - диаметр i-го отверстия, k - число отверстий и для опытов №1 и №2 равно 4.

3. Привяжите к банке нитку длиной 40-50 см.
4. Сделайте вертикальную метку на банке. Она поможет Вам подсчитать обороты банки.
5. Опустите банку в ведро с водой и заполните ее.
6. Осторожно выньте банку из воды за нитку. Засеките время t и отсчитайте число оборотов N.
7. По результатам работы заполните таблицу.
8. Вычислите частоту вращения n, относительную и абсолютную погрешности измерения величины по формулам:



9. Возьмите другую банку и повторите действия с п.1 по п.11, при этом отверстия протыкайте гвоздем №2.
10. Сравните результаты и сделайте вывод, как зависит скорость истечения от диаметра отверстий.

Дополнительное задание:

1. Предложите другие пути изменения вращения банки (сделать отверстия на другом расстоянии выше дна банки, наклонить отверстия в разных направлениях или не делать их наклонными, и т.д.) Результаты сравните с двигателем из предыдущих опытов, имеющим отверстия того же размера.

Ход работы

1. Проведите несколько запусков ракеты, изменяя при этом начальную массу топлива.
2. Проведите наблюдение и установите зависимости конечной скорости ракеты от начальной массы топлива.
3. Результаты наблюдений внесите в таблицу:

Таблица №1

№	Скорость газа, Vотн, км/с	Масса оболочки, Mполезн, кг	Начальная масса топлива,	Конечная скорость ракеты, V, км/с
1
2
3
4

4. Выполнить задание, данное в компьютере по этой теме, и ответить на вопросы.