Про физику

Историю эту я слышал от нашего профессора по специальности (по какой не скажу, учился я в Ленинградском Механическом Институте - «Военмех» в просторечье).
Так вот собственно история- Было это в 60-е годы в эпоху становления ракетных сил, и на одной конференции, где собрались соответствующие специалисты из числа гражданских и военных, выступал один генерал. Решил этот генерал и сотоварищи на своем полигоне замерить силу (надо было для одного проекта) с какой давит истекающая струя газа из ракетного двигателя на плиту над которой находился пусковой стол вышеуказанного транспортного средства. Ну надеюсь понятно если сила тяги двигателя, например Р=500 кН, то и сила с которой струя давит на плиту 500 кН минус потери на трение, рассеивание струи и т. д.
Каково же было удивление генерала когда датчики показали 900 кН, т. е. в 1,8 раза больше, почти в 2 раза больше!! Генерал с вопросом к научном публике - мол, дорогие вы наши Ньютоны - выручайте. В чем дело? Ну а научная братия, вместо того чтобы вникнуть в суть происходящего, начала крутить у виска, мол, тупой жирный генерал, одна извилина и та от фуражки, правда не очень громко, но достаточно, чтобы тот понял. Третий закон Ньютона - сила действия не может быть меньше силы противодействия, больше да, на худой конец равна (в идеальном случае, а если учесть потери?).
Генерал обиделся, схватил свои бумаги выбежал, получил в гардеробе свою шинель, и умчался в аэропорт.
Через полгода новая конференция (опять подобная, опять закрытая и т. д). Приехал и герой нашего рассказа, привез пленку с кинофильмом. Поставил катушку в проектор, и начался показ. Фильма, прямо скажу, получилась весьма интересная. Куда там «Звездным Войнам»! На белом полотне экрана перед взором научной и военной публики от ракетостроения предстало следующее - - Полигон. Бетонные плиты. Пусковой стол.
А вот на этом пусковом столе ракета. Да не просто ракета, а перевернутая вниз головой. К хвостовой части ракеты, которая теперь была на верху, приварен еще один пусковой стол (внешне просто металлическое кольцо с ножками) а к
этому столу приварена железобетонная плита ! т. е. ракета соплами вверх, головой вниз, да еще и тяжелая плита сверху. Вопрос: куда полетит ракета?
Ответ: естественно к центру земли, разве не понятно? А вот и нет! Ключ на старт, двигатели взревели, струя горячего, в несколько тысяч градусов газа, с воем бьет по плите и … ракета устремляется вверх, т. е. не к центру Земли, а наоборот. У всех отвисли челюсти…
Генерал победно осмотрел аудиторию, а что я говорил! А вы мне сила давления струи никак не может быть больше той силы, с которой струя продуктов сгорания покидает двигатель … Так почему же ракета полетела задом наперед?
Так вот кроме одного закона физики, пусть и главного, найдется пара-тройка других законов, которые испортят идеальную картину любого изико-технического процесса.
Во всем виноват оказался пусковой стол, точнее конструкция кольца на котором стояла ракета. Ракета крепилась к кольцу с помощью выступов, т.е. между хвостовой частью ракеты и кольцом был зазор. Вот в этот зазор и засасывало дополнительный воздух из окружающего пространства ( на Земле как известно есть атмосфера) и отбрасывало вниз вместе со струей газа (как в пылесосе). Далее газ с воздухом отхваченным у окружающей атмосферы летел к плите (вот вам тяга почти в 2 раза больше чем у двигателя), бился об плиту а так как плита была теперь вверху, вниз шло Р(0)=-500 кН (тяга двигателя), а вверх Р(1)=+ 900 кН (сила струи за вычетом потерь + сила увлеченного за счет эффекта инжекции (см. пылесос, отсос и т. д) ). 400 кН полученной суммарной тяги хватило, чтобы поднять саму ракету, дополнительный пусковой стол, плиту и авторитет незаконно обиженного, и общем-то неглупого человека. Вот такая история, прежде чем хаять кого-то подумай, а не упустил ли ты чего из виду.

Анекдот рассказал(a) Алексей (oktava2@solaris.ru)

Ну, я тут самый тупой наверное.
Не понял(или неправильно представил):

... газ с воздухом отхваченным у окружающей атмосферы летел к плите (вот вам тяга почти в 2 раза больше чем у двигателя),...

Поясните, плз., или картинку нарисуйте. Или просто объясните, почему захваченный воздух должен был давать доп. тягу. Его ведь разгонять надо, он как раз поглощать мощность должен был(за счет охлаждения и всяких там завихрений). И за счет чего там происходил подсос воздуха происходил - по закону Бернулли(сифон)?


Чего-то картинка не рисуется совсем. Откуда 900? Откуда 400 мне понятно. Я даже могу себе представить, откуда 900, и даже 1000 , но причем тут захваченный воздух и атмосфера... Где стоял динамометр?

AidarM, 12.03.2004 20:12:58 :

Ну, я тут самый тупой наверное.

 

Не самый
Тупее всех - первые "спецы".
Потом - вторые, сочинившие "объяснение" к генеральскому эксперименту.
Потом - сам генерал. Ну, ему-то простительно.

Хотя цифра 1.8 несколько настораживает - от простой-то плиты. Это если бы стояли на ней всякие наклонные щиты, отражающие горизонтальный поток в небо - тогда канешна...
А может, и стояли.

Причина полета ракеты задом наперед в реактивной тяге, создаваемой отраженной от щита струей. Сила давления газовой струи на стол в 500кН была бы если газы из сопла двигателя тормозились у стартового стола до нулевой скорости. Если же газы отражаются по законам упругого соударения, то сила давления на стол будет 1000кН. В реале - немного меньше, т.к. струя при отражении теряет энергию. Что и подтвердил эксперимент. Спецы просто школьный курс физики подзабывать начали. Классическая, между прочим, задачка для учеников физматшкол на понимание законов сохранения.

U235, 24.03.2004 07:24:33 :

Причина полета ракеты задом наперед в реактивной тяге, создаваемой отраженной от щита струей. Сила давления газовой струи на стол в 500кН была бы если газы из сопла двигателя тормозились у стартового стола до нулевой скорости. Если же газы отражаются по законам упругого соударения, то сила давления на стол будет 1000кН. В реале - немного меньше, т.к. струя при отражении теряет энергию. Что и подтвердил эксперимент. Спецы просто школьный курс физики подзабывать начали. Классическая, между прочим, задачка для учеников физматшкол на понимание законов сохранения.

 

Прикол в том, что газ отражается от плиты практически АБСОЛЮТНО НЕУПРУГО. При упругом отражении энергия газа плите не передается, т.е. плита не нагревается.

И байка эта - байка от начала до конца.

Можно подобрать конфигурацию плиты (при наличии в ней дыры достаточного размера), когда результирующая конструкция будет иметь суммарную тягу как вниз, так и вверх, за счет эжекции. Но ОТРАЖЕНИЕ газовой струи тут ни при чем.

Фактически, при простейшем случае - ламинарное течение, плоская плита, - струя газа будет растекаться радиально вдоль плоскости плиты, и сила, действующая на плиту, будет равна кинетической энергии струи в единицу времени. Если сделать плиту вогнутой, тогда сила, действующая на нее, увеличится, потому что равнодействующая давления растекающегося не будет равна нулю. Если сделать в плите дырку, несколько большую диаметра струи, то за счет эжекции на плиту будет действовать сила, направленная в сторону источника струи. Так устроены большинство стартовых столов.

Картина сильно усложняется из-за того, что струя - сверхзвуковая, и в ней возникают косые скачки. Но, чтобы "перевернутая" система полетела вверх, т.е. как в байке, нужно аккуратно развернуть реактивную струю, для чего, понятно, стартовый стол подходит плохо.

Привет, Андрюша.

Андрей Суворов, 24.03.2004 12:42:26 :

Прикол в том, что газ отражается от плиты практически АБСОЛЮТНО НЕУПРУГО. При упругом отражении энергия газа плите не передается, т.е. плита не нагревается.

 

АБСОЛЮТНО НЕУПРУГО? Это, типа, весь газ прилипает к плите?

Андрей Суворов, 24.03.2004 12:42:26 :

И байка эта - байка от начала до конца.

 

Скорее всего. Не генеральское это дело - такие навороченные опыты ставить.

Андрей Суворов, 24.03.2004 12:42:26 :

Но, чтобы "перевернутая" система полетела вверх, т.е. как в байке, нужно аккуратно развернуть реактивную струю, для чего, понятно, стартовый стол подходит плохо.

 

Так говорю же - наклонные щиты можно поставить - полезная вещь.

Anika, 24.03.2004 14:34:12 :

Привет, Андрюша.

Андрей Суворов, 24.03.2004 12:42:26 :

Прикол в том, что газ отражается от плиты практически АБСОЛЮТНО НЕУПРУГО. При упругом отражении энергия газа плите не передается, т.е. плита не нагревается.

 

АБСОЛЮТНО НЕУПРУГО? Это, типа, весь газ прилипает к плите?

 

Точно. Если бы плита имела бесконечную теплоемкость, прилипал бы нафиг. Я в ТКС когда-то - на пятом курсе - даже задачку такую решал.
Но, теплоемкость и теплопроводность плиты конечна, поэтому молекулы газа остаются при равновесной кинетической энергии.

Тем не менее, в случае жидкости, когда молекулы взаимодействуют, жидкость прилипает к стенке, а не отражается назад. Правда, растекается вдоль стенки.

Здравствуй, брат Коля!

Собственно, поэтому и делают наклонные газоотводные лотки - чем плавнее мы поворачиваем газовую струю, тем меньше ее энергии передается стенке. И все равно им приходится делать водяное охлаждение.

Андрей Суворов, 24.03.2004 14:47:59 :

Точно. Если бы плита имела бесконечную теплоемкость, прилипал бы нафиг. Я в ТКС когда-то - на пятом курсе - даже задачку такую решал.

 

Хрен его знает, товарищ генералиссимус. Но в нашем случае это неважно - коснуться плиты успевает очень малая часть молекул.

Андрей Суворов, 24.03.2004 14:47:59 :

Тем не менее, в случае жидкости, когда молекулы взаимодействуют, жидкость прилипает к стенке, а не отражается назад. Правда, растекается вдоль стенки.

 

Гм... при неправильном пользовании писсуаром - можно и забрызгаться

А вот картинка. Зеленая стрелочка известна. Чему равна синяя стрелочка?

Ориентировочно - 1.1-1.4 тяги двигателя на пике. Дело в том, что истекающая струя тормозится до дозвукового состояния зачастую еще в воздухе, до газоотражателя. Если скорость струи падает вдвое, то ее кинетическая энергия - вчетверо. А скорость звука, как известно, 0,3 км/с примерно (в воздухе, при НУ).

В общем, у моей любимой ракеты при стартовой тяге в восемьдесят тонн эта сила была около ста. А тип старта - в точности такой.

А насчет забрызгаться - да, но масса брызг очень мала по сравнению с массой струи. Скорости молекул в газе тоже распределены неравномерно.

Мда, Андрей... Может подумаете еще немного?

Не могли бы вы пояснить, что вы имеете в виду? А то я сначала попытался подумать еще, а потом понял, что думаю, возможно, совсем не о том.

2 All
Газы удерживаются у плиты атмосферным давлением, верно?
И все же, при чем тут дополнительно захваченный воздух?

А тут была лажа.

Андрей Суворов:

В общем, у моей любимой ракеты при стартовой тяге в восемьдесят тонн эта сила была около ста.

 

Цифра "80" знакома. А вот цифру "100" мы вроде как не проходили.

AidarM:

Газы удерживаются у плиты атмосферным давлением, верно?

 

???

AidarM:

И все же, при чем тут дополнительно захваченный воздух?

 

Эжекция здесь - явная лапша на уши.


Кстати, на многих пепелацах есть такая штука, как реверс тяги, отражение струи вперед. Наверняка кто-нибудь здесь знает - каково отношение реверсной тяги к нормальной?

Anika>???

Ну, это я так пытаюсь понять, почему струя не отражается, а стелется по плите. Думаю, что в самой струе давление меньше, чем в атмосфере(из-за скорости), вот ее и удерживает. Если плиту сделать очень широкой, тогда с некоторого расстояния от ракеты скорость струи окажется настолько маленькой, что газы начнут отходить от плиты (они горячие - легче окр. воздуха). Это я так, домысливаю... Сам себе пытаюсь объяснить.

>>>При упругом отражении энергия газа плите не передается, т.е. плита не нагревается.



Не соглашусь: сверхзвуковая струя, натекая на преграду, во-первых тормозится через скачок уплотнения - газ нагревается, далее идет изэнтропическое торможение, во-вторых, если натекает перпендикулярно, то существует критическая точка, в которой газ тормозится и нагревается - идет восстановление температуры. Реально - это некоторая область. Так что передача тепла плите обязательно будет.
Если было бы так, как представляете вы, то и обшивка самолета, по идее, не должна нагреваться. А оба эти явления, натекание струи на преграду и полет самолета на сверхзвуке - практически одно и то же.

.