Mari kita perhatikan beberapa contoh yang mengkonfirmasi keabsahan hukum kekekalan momentum.

Pasti banyak dari Anda telah menyaksikan bagaimana balon yang dipompa dengan udara bergerak jika Anda melepaskan benang yang mengencangkan lubangnya.

Fenomena ini dapat dijelaskan dengan menggunakan hukum kekekalan momentum.

Saat lubang bola diikat, bola dengan udara bertekanan di dalamnya diam, dan momentumnya nol.

Ketika lubang terbuka, semburan udara terkompresi keluar darinya dengan kecepatan yang cukup tinggi. Udara yang bergerak memiliki beberapa momentum yang diarahkan ke arah pergerakannya.

Menurut hukum kekekalan momentum di alam, momentum total suatu sistem yang terdiri dari dua benda - bola dan udara di dalamnya, harus tetap sama seperti sebelum aliran udara keluar, yaitu sama dengan nol. Oleh karena itu, bola mulai bergerak ke arah yang berlawanan dengan pancaran udara dengan kecepatan sedemikian rupa sehingga momentumnya sama dengan nilai mutlak momentum pancaran udara. Vektor momentum bola dan udara diarahkan dalam arah yang berlawanan. Akibatnya, momentum total benda yang berinteraksi tetap sama dengan nol.

Pergerakan bola adalah contoh propulsi jet. Gerakan jet terjadi karena fakta bahwa beberapa bagiannya terpisah dari tubuh dan bergerak, akibatnya tubuh itu sendiri memperoleh momentum yang berlawanan arah.

Rotasi perangkat yang disebut roda seigneur didasarkan pada prinsip propulsi jet (Gbr. 46). Air yang mengalir keluar dari bejana berbentuk kerucut melalui tabung melengkung yang berhubungan dengannya memutar bejana dalam arah yang berlawanan dengan kecepatan air dalam pancaran. Akibatnya, tidak hanya jet gas, tetapi juga jet cair memiliki efek reaktif.

Beras. 46. ​​Demonstrasi propulsi jet menggunakan roda Segner

Gerakan jet juga digunakan oleh beberapa makhluk hidup untuk gerakan mereka, misalnya gurita, cumi-cumi, sotong dan cumi lainnya (Gbr. 47). Mereka bergerak karena fakta bahwa mereka menyedot, dan kemudian dengan paksa mendorong air keluar dari diri mereka sendiri. Bahkan ada spesies cumi-cumi yang, dengan bantuan "mesin jet" mereka, tidak hanya dapat berenang di air, tetapi juga terbang keluar darinya untuk waktu yang singkat untuk dengan cepat menyusul mangsa atau melarikan diri dari musuh.

Beras. 47. Gerakan reaktif untuk gerakan mereka digunakan oleh cumi: a - sotong; b - cumi-cumi; c - gurita

Anda tahu bahwa prinsip penggerak jet menemukan aplikasi praktis yang luas dalam penerbangan dan astronotika. Di luar angkasa tidak ada media yang dengannya tubuh dapat berinteraksi dan dengan demikian mengubah arah dan modulus kecepatannya. Oleh karena itu, hanya pesawat jet, yaitu roket, yang dapat digunakan untuk penerbangan luar angkasa.

Peluncuran kendaraan peluncuran dengan pesawat ruang angkasa Soyuz

Mari kita pertimbangkan pertanyaan tentang desain dan peluncuran yang disebut roket pembawa, yaitu roket yang dirancang untuk meluncurkan satelit Bumi buatan, pesawat ruang angkasa, stasiun antarplanet otomatis, dan muatan lainnya ke luar angkasa.

Dalam roket apa pun, terlepas dari desainnya, selalu ada cangkang dan bahan bakar dengan pengoksidasi. Gambar 48 menunjukkan penampang roket. Kami melihat bahwa cangkang roket mencakup muatan (dalam hal ini, ini adalah pesawat ruang angkasa 1), kompartemen instrumen 2 dan mesin (ruang bakar 6, pompa 5, dll.).

Beras. 48. Skema roket

Sebagian besar roket adalah bahan bakar 4 dengan pengoksidasi 3 (pengoksidasi diperlukan untuk menjaga bahan bakar tetap menyala, karena tidak ada oksigen di ruang angkasa).

Bahan bakar dan oksidator dipompa ke ruang bakar. Bahan bakar, ketika dibakar, berubah menjadi gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi, yang mengalir keluar dalam pancaran kuat melalui bel berbentuk khusus, yang disebut nosel 7. Tujuan dari nosel adalah untuk meningkatkan kecepatan pancaran.

Apa tujuan meningkatkan kecepatan pancaran gas? Faktanya adalah bahwa kecepatan roket tergantung pada kecepatan ini. Hal ini dapat ditunjukkan dengan menggunakan hukum kekekalan momentum.

Karena momentum roket sama dengan nol sebelum peluncuran, maka, menurut hukum kekekalan, momentum total cangkang yang bergerak dan gas yang dikeluarkan darinya juga harus sama dengan nol. Oleh karena itu, momentum kulit dan momentum pancaran gas yang diarahkan berlawanan dengannya harus sama dalam nilai absolut. Ini berarti bahwa semakin cepat gas keluar dari nosel, semakin besar kecepatan cangkang roket.

Selain kecepatan aliran gas, ada faktor lain yang menjadi dasar kecepatan roket.

Kami memeriksa perangkat dan prinsip pengoperasian roket satu tahap, di mana tahap berarti bagian yang berisi tangki bahan bakar dan pengoksidasi dan mesin. Dalam praktik penerbangan luar angkasa, roket multi-tahap biasanya digunakan, yang mengembangkan kecepatan jauh lebih tinggi dan dimaksudkan untuk penerbangan yang lebih lama daripada yang satu tahap.

Gambar 49 menunjukkan diagram roket tiga tahap. Setelah bahan bakar dan oksidator tahap pertama habis dikonsumsi, tahap ini secara otomatis dibuang dan mesin tahap kedua mengambil alih.

Beras. 49. Skema roket tiga tahap

Mengurangi massa total roket dengan membuang tahap yang sudah tidak perlu memungkinkan Anda menghemat bahan bakar dan oksidator dan meningkatkan kecepatan roket. Kemudian tahap kedua dibuang dengan cara yang sama.

Jika kembalinya pesawat ruang angkasa ke Bumi atau pendaratannya di planet lain tidak direncanakan, maka tahap ketiga, seperti dua yang pertama, digunakan untuk meningkatkan kecepatan roket. Jika kapal harus mendarat, maka digunakan untuk memperlambat kapal sebelum mendarat. Dalam hal ini, roket diputar 180 ° sehingga nosel berada di depan. Kemudian gas yang keluar dari roket memberinya impuls yang diarahkan pada kecepatan gerakannya, yang menyebabkan penurunan kecepatan dan memungkinkan untuk mendarat.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935)
Ilmuwan dan penemu Rusia di bidang aerodinamika, dinamika roket, teori pesawat dan kapal udara. Pendiri astronotika teoretis

Gagasan menggunakan roket untuk penerbangan luar angkasa dikemukakan pada awal abad ke-20. Ilmuwan dan penemu Rusia Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Tsiolkovsky mengembangkan teori gerak roket, mengembangkan formula untuk menghitung kecepatan mereka, dan merupakan orang pertama yang mengusulkan penggunaan roket multi-tahap.

Setengah abad kemudian, ide Tsiolkovsky dikembangkan dan diimplementasikan oleh para ilmuwan Soviet di bawah kepemimpinan Sergei Pavlovich Korolev.

Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
Ilmuwan Soviet, perancang sistem roket dan ruang angkasa. Pendiri astronotika praktis

pertanyaan

1. Berdasarkan hukum kekekalan momentum, jelaskan mengapa balon bergerak berlawanan arah dengan udara bertekanan yang keluar darinya.
2. Berikan contoh gerakan jet tubuh.
3. Apa tujuan dari rudal? Beri tahu kami tentang perangkat dan prinsip pengoperasian roket.
4. Apa yang menentukan kecepatan roket?
5. Apa keuntungan roket multi-tahap dibandingkan roket satu-tahap?
6. Bagaimana pendaratan pesawat luar angkasa?

Latihan 21

1. Dari sebuah perahu yang bergerak dengan kecepatan 2 m/s, seseorang melempar dayung dengan massa 5 kg dengan kecepatan horizontal 8 m/s berlawanan dengan gerakan perahu. Dengan kecepatan berapa perahu bergerak setelah lemparan, jika massanya bersama orang tersebut adalah 200 kg?
2. Berapa kecepatan yang akan diperoleh model roket jika massa cangkangnya 300 g, massa bubuk mesiu di dalamnya adalah 100 g, dan gas keluar dari nosel dengan kecepatan 100 m/s? (Pertimbangkan aliran keluar gas dari nozzle seketika.)
3. Pada peralatan apa dan bagaimana percobaan yang ditunjukkan pada Gambar 50 dilakukan? Fenomena fisik apa yang ditunjukkan dalam kasus ini, apa itu dan hukum fisika apa yang mendasari fenomena ini?

   Catatan: tabung karet ditempatkan secara vertikal sampai air melewatinya.

4. Lakukan percobaan yang ditunjukkan pada Gambar 50. Ketika tabung karet menyimpang sebanyak mungkin dari vertikal, hentikan menuangkan air ke dalam corong. Sementara air yang tersisa di dalam tabung mengalir keluar, amati bagaimana perubahannya: a) jangkauan air dalam pancaran (relatif terhadap lubang di tabung gelas); b) posisi tabung karet. Jelaskan kedua perubahan tersebut.

Beras. lima puluh

pertanyaan.

1. Berdasarkan hukum kekekalan momentum, jelaskan mengapa balon bergerak berlawanan arah dengan udara bertekanan yang keluar darinya.

2. Berikan contoh gerak pancaran benda.

Di alam, sebagai contoh, pendorong jet pada tanaman dapat disebutkan: buah matang dari mentimun gila; dan hewan: cumi-cumi, gurita, ubur-ubur, sotong, dll. (hewan bergerak dengan membuang air yang mereka hisap). Dalam rekayasa, contoh paling sederhana dari propulsi jet adalah roda segner, contoh yang lebih kompleks adalah: pergerakan roket (luar angkasa, bubuk, militer), kendaraan air dengan mesin jet (sepeda motor air, perahu, kapal motor), kendaraan udara dengan mesin jet udara (pesawat jet).

3. Apa tujuan dari rudal?

Roket digunakan dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi: dalam urusan militer, dalam penelitian ilmiah, dalam eksplorasi ruang angkasa, dalam olahraga dan hiburan.

4. Dengan menggunakan Gambar 45, buatlah daftar bagian-bagian utama dari setiap roket luar angkasa.

Pesawat ruang angkasa, kompartemen instrumen, tangki oksidator, tangki bahan bakar, pompa, ruang bakar, nosel.

5. Jelaskan prinsip roket.

Sesuai dengan hukum kekekalan momentum, sebuah roket terbang karena fakta bahwa gas dengan momentum tertentu didorong keluar dengan kecepatan tinggi, dan roket diberi impuls dengan besaran yang sama, tetapi diarahkan ke arah yang berlawanan. . Gas dikeluarkan melalui nozzle di mana bahan bakar terbakar mencapai suhu dan tekanan tinggi. Nosel menerima bahan bakar dan oksidator yang dipompa ke sana oleh pompa.

6. Apa yang menentukan kecepatan roket?

Kecepatan roket tergantung terutama pada kecepatan aliran gas dan massa roket. Laju aliran keluar gas tergantung pada jenis bahan bakar dan jenis oksidator. Massa roket tergantung, misalnya, pada kecepatan apa yang ingin mereka katakan atau seberapa jauh roket itu harus terbang.

7. Apa keuntungan roket multi-tahap dibandingkan roket satu-tahap?

Roket multi-tahap mampu mengembangkan kecepatan lebih besar dan terbang lebih jauh daripada roket satu tahap.

8. Bagaimana pendaratan pesawat luar angkasa?

Pendaratan pesawat ruang angkasa dilakukan sedemikian rupa sehingga kecepatannya berkurang saat mendekati permukaan. Hal ini dicapai dengan menggunakan sistem pengereman, yang dapat berupa sistem pengereman parasut atau pengereman dapat dilakukan menggunakan mesin roket, sedangkan nosel diarahkan ke bawah (menuju Bumi, Bulan, dll.), yang menyebabkan kecepatan padam.

Latihan.

1. Dari perahu yang bergerak dengan kecepatan 2 m/s, seseorang melempar dayung bermassa 5 kg dengan kecepatan mendatar 8 m/s berlawanan dengan arah gerak perahu. Dengan kecepatan berapa perahu bergerak setelah lemparan, jika massanya bersama dengan massa seseorang adalah 200 kg?

2. Berapa kecepatan yang akan diperoleh model roket jika massa cangkangnya 300 g, massa bubuk mesiu di dalamnya adalah 100 g, dan gas keluar dari nosel dengan kecepatan 100 m/s? (Pertimbangkan aliran keluar gas dari nozzle seketika).

3. Pada peralatan apa dan bagaimana percobaan yang ditunjukkan pada Gambar 47 dilakukan? Fenomena fisik apa yang ditunjukkan dalam kasus ini, apa itu dan hukum fisika apa yang mendasari fenomena ini?
Catatan: tabung karet ditempatkan secara vertikal sampai air melewatinya.

Corong dengan tabung karet terpasang dari bawah dengan nosel bengkok di ujungnya dipasang ke tripod menggunakan dudukan, dan nampan ditempatkan di bawah. Kemudian, dari atas, air dituangkan ke dalam corong dari wadah, sedangkan air dituangkan dari tabung ke dalam baki, dan tabung itu sendiri bergeser dari posisi vertikal. Pengalaman ini menjadi ilustrasi propulsi jet berdasarkan hukum kekekalan momentum.

4. Lakukan percobaan yang ditunjukkan pada Gambar 47. Ketika tabung karet menyimpang sebanyak mungkin dari vertikal, hentikan menuangkan air ke dalam corong. Sementara air yang tersisa di dalam tabung mengalir keluar, amati bagaimana perubahannya: a) jangkauan air dalam pancaran (relatif terhadap lubang di tabung gelas); b) posisi tabung karet. Jelaskan kedua perubahan tersebut.

a) jarak terbang air dalam jet akan berkurang; b) saat air mengalir keluar, tabung akan mendekati posisi horizontal. Fenomena ini disebabkan oleh fakta bahwa tekanan air di dalam tabung akan berkurang, dan karenanya momentum dengan mana air dikeluarkan.

Mari kita perhatikan beberapa contoh yang mengkonfirmasi keabsahan hukum kekekalan momentum.

Pasti banyak dari Anda telah menyaksikan bagaimana balon yang dipompa dengan udara bergerak jika Anda melepaskan benang yang mengencangkan lubangnya.

Fenomena ini dapat dijelaskan dengan menggunakan hukum kekekalan momentum.

Saat lubang bola diikat, bola dengan udara bertekanan di dalamnya diam, dan momentumnya nol.

Ketika lubang terbuka, semburan udara terkompresi keluar darinya dengan kecepatan yang cukup tinggi. Udara yang bergerak memiliki beberapa momentum yang diarahkan ke arah pergerakannya.

Menurut hukum kekekalan momentum yang berlaku di alam, momentum total suatu sistem yang terdiri dari dua benda - bola dan udara di dalamnya, harus tetap sama seperti sebelum aliran udara keluar, yaitu sama dengan nol. Oleh karena itu, bola mulai bergerak ke arah yang berlawanan dengan pancaran udara dengan kecepatan sedemikian rupa sehingga momentumnya sama dengan nilai mutlak momentum pancaran udara. Vektor momentum bola dan udara diarahkan dalam arah yang berlawanan. Akibatnya, momentum total benda yang berinteraksi tetap sama dengan nol.

Pergerakan bola adalah contoh propulsi jet. Gerakan jet terjadi karena fakta bahwa beberapa bagiannya terpisah dari tubuh dan bergerak, akibatnya tubuh itu sendiri memperoleh momentum yang berlawanan arah.

Rotasi perangkat yang disebut roda Seigneur didasarkan pada prinsip propulsi jet (Gbr.). Air yang mengalir keluar dari bejana berbentuk kerucut melalui tabung melengkung yang berhubungan dengannya memutar bejana dalam arah yang berlawanan dengan kecepatan air dalam pancaran. Akibatnya, tidak hanya jet gas, tetapi juga jet cair memiliki efek reaktif.

Beras. Demonstrasi propulsi jet menggunakan roda Segner

Gerakan jet juga digunakan oleh beberapa makhluk hidup untuk gerakan mereka, seperti gurita, cumi-cumi, sotong dan cumi lainnya (Gbr.). Mereka bergerak karena fakta bahwa mereka menyedot, dan kemudian dengan paksa mendorong air keluar dari diri mereka sendiri. Bahkan ada spesies cumi-cumi yang, dengan bantuan "mesin jet" mereka, tidak hanya dapat berenang di air, tetapi juga terbang keluar darinya untuk waktu yang singkat untuk dengan cepat menyusul mangsa atau melarikan diri dari musuh.

Beras. Gerakan reaktif untuk gerakan mereka digunakan oleh cumi: a - sotong; b - cumi-cumi; c - gurita

Anda tahu bahwa prinsip penggerak jet menemukan aplikasi praktis yang luas dalam penerbangan dan astronotika. Di luar angkasa tidak ada media yang dengannya tubuh dapat berinteraksi dan dengan demikian mengubah arah dan modulus kecepatannya. Oleh karena itu, hanya pesawat jet, yaitu roket, yang dapat digunakan untuk penerbangan luar angkasa.

Peluncuran kendaraan peluncuran dengan pesawat ruang angkasa Soyuz

Mari kita pertimbangkan pertanyaan tentang desain dan peluncuran yang disebut roket pembawa, yaitu roket yang dirancang untuk meluncurkan satelit Bumi buatan, pesawat ruang angkasa, stasiun antarplanet otomatis, dan muatan lainnya ke luar angkasa.

Dalam roket apa pun, terlepas dari desainnya, selalu ada cangkang dan bahan bakar dengan pengoksidasi. Gambar tersebut menunjukkan penampang roket. Kami melihat bahwa cangkang roket mencakup muatan (dalam hal ini, itu adalah pesawat ruang angkasa 1), kompartemen instrumen 2 dan mesin (ruang bakar 6, pompa 5, dll.).

Beras. skema roket

Sebagian besar roket adalah bahan bakar 4 dengan pengoksidasi 3 (pengoksidasi diperlukan untuk menjaga bahan bakar tetap menyala, karena tidak ada oksigen di ruang angkasa).

Bahan bakar dan oksidator dipompa ke ruang bakar. Bahan bakar, ketika dibakar, berubah menjadi gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi, yang mengalir keluar dalam pancaran kuat melalui bel berbentuk khusus, yang disebut nosel 7. Tujuan dari nosel adalah untuk meningkatkan kecepatan pancaran.

Apa tujuan meningkatkan kecepatan pancaran gas? Faktanya adalah bahwa kecepatan roket tergantung pada kecepatan ini. Hal ini dapat ditunjukkan dengan menggunakan hukum kekekalan momentum.

Karena momentum roket sama dengan nol sebelum peluncuran, maka, menurut hukum kekekalan, momentum total cangkang yang bergerak dan gas yang dikeluarkan darinya juga harus sama dengan nol. Oleh karena itu, momentum kulit dan momentum pancaran gas yang diarahkan berlawanan dengannya harus sama dalam nilai absolut. Ini berarti bahwa semakin cepat gas keluar dari nosel, semakin besar kecepatan cangkang roket.

Selain kecepatan aliran gas, ada faktor lain yang menjadi dasar kecepatan roket.

Kami memeriksa perangkat dan prinsip pengoperasian roket satu tahap, di mana tahap berarti bagian yang berisi tangki bahan bakar dan pengoksidasi dan mesin. Dalam praktik penerbangan luar angkasa, roket multi-tahap biasanya digunakan, yang mengembangkan kecepatan jauh lebih tinggi dan dimaksudkan untuk penerbangan yang lebih lama daripada yang satu tahap.

Gambar tersebut menunjukkan diagram roket tiga tahap. Setelah bahan bakar dan oksidator tahap pertama habis dikonsumsi, tahap ini secara otomatis dibuang dan mesin tahap kedua mengambil alih.

Beras. Diagram roket tiga tingkat

Mengurangi massa total roket dengan membuang tahap yang sudah tidak perlu memungkinkan Anda menghemat bahan bakar dan oksidator dan meningkatkan kecepatan roket. Kemudian tahap kedua dibuang dengan cara yang sama.

Jika kembalinya pesawat ruang angkasa ke Bumi atau pendaratannya di planet lain tidak direncanakan, maka tahap ketiga, seperti dua yang pertama, digunakan untuk meningkatkan kecepatan roket. Jika kapal harus mendarat, maka digunakan untuk memperlambat kapal sebelum mendarat. Dalam hal ini, roket diputar 180 ° sehingga nosel berada di depan. Kemudian gas yang keluar dari roket memberinya impuls yang diarahkan pada kecepatan gerakannya, yang menyebabkan penurunan kecepatan dan memungkinkan untuk mendarat.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935)
Ilmuwan dan penemu Rusia di bidang aerodinamika, dinamika roket, teori pesawat dan kapal udara. Pendiri astronotika teoretis

Gagasan menggunakan roket untuk penerbangan luar angkasa dikemukakan pada awal abad ke-20. Ilmuwan dan penemu Rusia Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Tsiolkovsky mengembangkan teori gerak roket, mengembangkan formula untuk menghitung kecepatan mereka, dan merupakan orang pertama yang mengusulkan penggunaan roket multi-tahap.

Setengah abad kemudian, ide Tsiolkovsky dikembangkan dan diimplementasikan oleh para ilmuwan Soviet di bawah kepemimpinan Sergei Pavlovich Korolev.

Sergei Pavlovich Korolev (1907-1966)
Ilmuwan Soviet, perancang sistem roket dan ruang angkasa. Pendiri astronotika praktis

Pekerjaan rumah.

Tugas 1. Menjawab pertanyaan.

1. Berdasarkan hukum kekekalan momentum, jelaskan mengapa balon bergerak berlawanan arah dengan udara bertekanan yang keluar darinya.
2. Berikan contoh gerakan jet tubuh.
3. Apa tujuan dari rudal? Beri tahu kami tentang perangkat dan prinsip pengoperasian roket.
4. Apa yang menentukan kecepatan roket?
5. Apa keuntungan roket multi-tahap dibandingkan roket satu-tahap?
6. Bagaimana pendaratan pesawat luar angkasa?

Tugas 2. Memecahkan rebus.

File "Menarik!" dilampirkan pada pelajaran. Anda dapat mengunduh file kapan saja sesuai keinginan Anda.

Sumber yang digunakan: http://www.tepka.ru/fizika_9/21.html