Сила тяготения и космические полёты Алексей Сапроненко, учащийся 7 А класса Руководитель работы – Алла Евгеньевна Муравлёва, преподаватель физики МОУ «Средняя общеобразовательная школа 16 с углубленным изучением отдельных предметов» г. Сергиев Посад

Введение (тезисы) Я расскажу и продемонстрирую, насколько сложным и важным достижением последних десятилетий являются полёты в космос. Мы используем понятия и формулы из школьного учебника физики для оценки затрат энергии на космический полёт и сравним их с движением транспорта на Земле.

История космических полётов Во второй половине 19 века учёные и писатели задумались о полётах высоко над землёй – в космосе. Уже тогда учёные хорошо знали законы движения, строение атмосферы и умели рассчитать основные параметры такого полёта. Многие формулы и законы, важные для космонавтики, на рубеже 19 и 20 веков сформулировал выдающийся русский учёный Константин Циолковский. Проделаем и мы некоторые расчёты.

Космический полёт - условия Скорость: Для полёта вдоль поверхности Земли, не приближаясь к ней, необходимо сообщить спутнику «первую космическую скорость» - на небольших расстояниях от Земли она примерно равна 8000 м/с

Космический полёт - условия Рассчитаем кинетическую энергию спутника массой 1 кг, летящего со скоростью 8000 м/с: (m*v 2 ) / 2 = (1* ) / 2 = Дж

Космический полёт - условия Высота: Для того, чтобы скорость спутника не уменьшалась из-за сопротивления атмосферы, необходимо поднять спутник на высоту не менее 300 км. При меньшей высоте скорость всего за несколько дней или недель снизится ниже достаточной для продолжения полёта, и спутник начнёт падать к Земле.

Космический полёт - условия Рассчитаем потенциальную энергию спутника массой 1 кг, поднятого на высоту 300 км = м : m*g*h = 1 * 10 * = Дж (здесь g считаем равным 10 м/с 2 )

Космический полёт - условия Полная энергия как сумма предыдущих двух значений: = Дж Видно, что основной вклад вносит кинетическая энергия.

Космический полёт - условия Если учесть преодоление сопротивления атмосферы и другие потери при выводе спутника на орбиту, получим примерно Дж – такую работу надо совершить для запуска спутника в 1 кг. Много это или мало?

Космический полёт – сравнение с разгоном поезда Представим, что Дж - это кинетическая энергия поезда, движущегося со скоростью 20 м/с (72 км/ч). Найдём массу поезда m: (m*20 2 ) / 2 = Дж 200*m = Дж m = кг (или 160 тонн)

Космический полёт – сравнение с разгоном поезда Итак, вывести на орбиту всего лишь килограммовый спутник – непростая задача, сравнимая с разгоном 3-4 неподвижных железнодорожных вагонов до скорости 72 км/ч. А если спутник весит 1 тонну – то разгонять нужно уже вагонов. Поезд такого размера даже представить непросто

Источники энергии на Земле Наземные транспортные средства имеют доступ к разнообразным двигателям и источникам энергии, причём количество необходимого топлива обычно невелико по сравнению с массой груза. Поезда обычно используют электротягу и поэтому вообще могут не возить топливо «на себе».

Источники энергии в полёте Источником тяги для современных ракет остаются реактивные двигатели, использующие реакцию горения топлива (горючего). Топливом обычно является керосин или жидкий водород. Ракета большую часть времени летит в слоях атмосферы с очень малым содержанием кислорода. Поэтому для сгорания топлива необходимо нести и запас окислителя – обычно это жидкий кислород.

Пример – состав ракеты для запуска небольшого спутника Конструкция из нескольких ступеней, каждая ступень имеет двигатели и баки для топлива и окислителя – масса 10 тонн Топливо + окислитель – масса 90 тонн Полезная нагрузка (спутник) – масса 2-3 тонны. Только ради полёта этого спутника в космос и построена вся ракета!

Семейство ракет Р-7 (СССР) Разные варианты Р-7 вывели в космос первый искусственный спутник Земли, первый пилотируемый космический корабль с Юрием Гагариным на борту (ракета «Восток» – её схема справа) и тысячи других космических аппаратов. Современные варианты летают и в 21 веке – спустя 55 лет после создания первого варианта! История этого семейства ракет – замечательный пример эволюционного развития техники, от которой зависят жизни людей.

Семейство ракет Р-7 Слева схема её первого мирного варианта «Спутник», использованного при запуске самых первых искусственных спутников. На орбиту в км от Земли она выводила груз 1,3 тонны при стартовой массе 270 тонн. Справа схема современной ракеты «Союз-ФГ», которая выводит на орбиту пилотируемые космические корабли "Союз-ТМА" и грузовые космические корабли типа "Прогресс-М" для полётов к Международной космической станции. На орбиту в км от Земли она выводит груз 7 тонн при стартовой массе 310 тонн. То есть, по сравнению с ракетой «Спутник», при увеличении стартовой массы всего на 15% масса выводимого груза возросла в 5 раз.

Выводы Всего 50 лет назад человек впервые облетел Землю за пределами атмосферы. Много сделано за эти 50 лет, но ещё больше ожиданий и надежд остаются нереализованными. Современные технологии запуска спутников не позволяют сделать космические полёты дешёвыми. Конструкция даже одноразовой ракеты очень дорога, а для полёта ещё нужно очень много топлива и окислителя. Многоразовые ракеты разрабатываются, но пока не показали экономии в стоимости запуска. Например, пилотируемая транспортная система Space Shuttle (США) в эксплуатации оказалась даже дороже одноразовых ракет.

Источники информации ru.wikipedia.org – Интернет-энциклопедия