Итак «ксерокс», технология производства интегральных схем — два великих изобретения нашей эпохи, в сущности, можно было подсмотреть у молнии. Почему бы нам не присмотреться и к другим ее «причудам»?
А. ИЛЬИН
СДЕЛАЙ ДЛЯ ШКОЛЫ
Реактивное движение
Не каждая тема позволяет показать нечто достойное, чтобы запомнилось на всю жизнь. Но если уж такая возможность появляется — упускать ее грех! Одна из них — законы Ньютона. Их технические применением нет числа. Но одно из них изменило весь ход истории. Речь идет о реактивном движении.
Учащиеся наверняка слышали про космические достижения. Многие сами пускали пороховые ракеты. В школе заниматься этим опасным делом не стоит. Удивить же ребят можно совсем иначе,
На рисунке 1 реактивный маятник Цельнера.
В классическом варианте этот эксперимент ставился с помощью реторты с отогнутым горлом, которую применяли алхимики.
Сегодня подобие реторты придется сделать самим из небольшой колбы из жаропрочного стекла. И при помощи резиновой пробки вставить в нее Г-образную стеклянную трубку. Система подвешивается на обычном штативе на двух параллельных нитях. Прибор готовят к демонстрации заранее. В колбу наливают немного воды. Пробку плотно вставляют в горловину и дополнительно подвязывают проволокой.
Зажгите под колбой газовую горелку или таблетку сухого горючего. Вскоре вода закипит, из трубки с легким шипением вырвется струйка пара, и прибор начнет раскачиваться со все возрастающей амплитудой.
Вообще-то задолго до нас принцип прямой реакции освоили животные, например, кальмары. Выбрасывая порцию воды при движении, они преодолевают за раз до сорока метров. Хорошей моделью кальмара может быть обычный резиновый воздушный шарик с трубочкой (рис. 2).
С таким реактивным двигателем нетрудно сделать множество интересных моделей.
Однако заметим, куда бы ракета ни улетела (хоть в другую галактику!), центр масс системы «ракета плюс продукты сгорания» остается в точке старта. Сей факт, который можно доказать на основе закона сохранения импульса, удивляет не только школьников, но порою и седых инженеров.
В учебниках часто приводится опыт, изображенный на рисунке 3.
Два шарика, различные по массе, связываются нитью со сжатой пружинкою между ними. Их кладут на линейку, которая в свою очередь водружена на ребро призмы, и все уравновешено. Нитку пережигают, шарики разбегаются в стороны, но вся система (пока с линейки не скатится один из шариков) остается в равновесии.
Продемонстрировать такой опыт нелегко, поскольку трудно одеть нитку на шарики. Но если шарики заменить цилиндрами, задача упрощается.
… Итак, парадоксальное утверждение о неизменности положения центра масс доказано. Означает ли это, что всякий раз, придя на стартовую площадку уже улетевшей в космос ракеты, мы оказываемся вблизи ее центра масс? Это наш вопрос на приз номера.
Одна из проблем космонавтики — огромный стартовый вес современных ракет, из которого на долю полезной нагрузки приходится около 5 %. Это если речь идет о выводе спутника на круговую орбиту. В случае же полета к Луне полезная нагрузка, возвращаемая на Землю, составляет лишь 0,1 % стартовой массы. Для полета на Марс с возвращением этот показатель еще в десятки раз хуже. Но выход из положения есть. Его подсказал еще Циолковский. Нужно резко увеличить скорость вещества, вытекающего из реактивных двигателей.
Сегодня в них используется химическая энергия. И скорость истечения не превышает 4,5 км/с.
Применение электрической энергии позволяет повысить ее до 100 км/с. Доля полезной нагрузки в массе ракеты может подняться до 80 %! Электрические реактивные двигатели работают на принципе ускорения заряженных частиц — ионизированных атомов вещества — электрическим полем. В простейшем случае этот процесс можно получить, подсоединив обычную иголку к «минусу» источника тока высокого напряжения.
На острие ее произойдет ионизация воздуха, ионы подхватятся электрическим полем — в результате возникнет ощутимый поток воздуха, способный, например, задуть пламя свечи. А кроме того, на иголку в этом случае действует сила реакции. Насаженный на ось проводник в форме латинской буквы S сможет вращаться за счет реактивной тяги ионных потоков, сбегающих с его концов. Эти силы невелики, и для наблюдения эффекта потребуется уменьшать трение на оси. Можно воспользоваться готовым подшипником от демонстрационной магнитной стрелки. К ней следует лишь припаять пару проводников и насадить на стандартную ось, закрепленную на подставке (рис. 4).