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“祝融”探火,“天和”畅游星海……彰显中国航天的新高度。4月24日是“中国航天日”, 中国航天踏上新征途。神舟十二号、十三号、嫦娥五号、天问一号、我国在轨工作的超过500颗各类卫星,都是靠什么送入太空的?那就是功不可没的运载火箭。火箭起源于中国,是我国古代重大发明之一,早在宋代就发明了火箭。现代火箭主要用来发射探测仪器、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等空间飞行器。我国拥有长征系列运载火箭。2022年4月15日,长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心点火升空,将中星6D卫星送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。这次发射是长征系列运载火箭的第415次发射。火箭是怎么升空的呢?火箭属热机的一种,工作时将燃料的化学能最终转化成火箭机械能。火箭和飞机都能飞上天空,但获得升力的原理却完全不同。异于飞机利用空气动力飞行,火箭是利用发动机喷气获得的反作用力起飞的。火箭携带的燃料燃烧生成炽热气体,气体通过火箭尾部尾喷管向后迅速喷出,后喷的燃气同时对火箭产生反作用力,推动着火箭朝前飞,当推力大于火箭自身重力时,火箭便升空了,这种运动叫做反冲。反冲是静止或运动的物体通过分离排除部分物质,而使自身朝反方向运动的现象。反冲运动中,物体受到的反冲作用通常叫做反冲力。反冲涉及牛顿第三定律:相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。想想滑冰场上你推同伴,发现自己也会后退,这就是同伴给自己的反作用力。划冰时,用力推扶杆,扶杆给人一个反冲力,人就向反方向运动。喷气式飞机是利用发动机喷出的高速气流推动飞机前进的。射击时会有后坐力,这是子弹给枪的反作用力。游泳时把水向后“抛处”而使剩下部分(人)向前进。气垫船利用反冲原理工作的。公园里,自动旋转的喷灌装置是利用水流喷出时的反冲作用而运动的。小时候有一种烟花,俗称“钻天猴”,点火后飞到空中然后爆炸,飞入空中的过程也是利用反冲。导弹也是通过喷射高温高压的燃气来获得巨大推进力的。把气球里的气放出同时松开手,气体给气球一个反冲力让气球反方向飞。
反冲的应用历史悠久。明朝的万户就是世界上第一个尝试利用反冲让自己飞上天的人。他把47根火箭捆绑在座椅背后,把自己绑在座椅上,想借助火箭向前推动的力量使自己飞天,不幸的是飞天过程中火箭爆炸了,万户因此献出了生命。为了纪念世界上第一个想利用火箭飞行的他,后人将月球上的一座环形火山命名为“万户山”。 公元1161年宋军与金兵的“采石之战”中使用的“霹雳炮”,就是一种利用反冲的火箭兵器。在中国民间广为流行的能高飞的“火流星”也是利用反冲腾空的。
反冲原理在生活中有着重要的用途。除了前面所说的,像在汽车行业运用广泛的空气弹簧,是根据空气被压缩后产生的反冲力起到缓冲防震作用的,提高了乘座的柔软性和舒适性,有效保护车上自身和运输的精密仪器,降低了车辆对路面的冲击,同时延长路面的使用寿命。有时人们要减少反冲的影响。如子弹、炮弹出镗,由于反冲会产生后座力。射击时我们要用肩部抵住枪身,就是为了减少反冲的影响,提高射击命中率。无后坐力炮的设计,充分利用反冲原理,减小后坐力影响,提高射击精度的。反冲运动和碰撞、爆炸有相似之处,相互作用力常为变力,且作用力大,一般都满足内力远远大于外力,所以反冲过程往往遵循动量守恒定律:即系统在内力作用下,当一部分向某一方向的动量发生变化时,剩余部分沿相反方向的动量发生同样大小变化的现象。射击产生后坐力的原因是膛底受到火药气体的压力。无后坐力炮与常规大炮不同的是它的炮管不会后退,取而代之的是炮弹的一部分碎片:炮管本身就是一根通管,炮弹在发射时会变为两部分,弹头部分从炮管前端射出攻击目标,剩下的部分以碎片的形式从炮管后部抛出(避免伤及射手),两部分的动量差不多,并且反向,即产生两个反向的后坐力并且相互抵消,射手感到的后坐力就很小了,因而射击精度也提高不少。不仅仅人类,动物也能巧妙地利用反冲运动。乌贼、章鱼在水中前行和转向是靠腹腔中向后喷出高速水流,利用喷出水流的反冲作用实现的。
下面让我们一起动手做有关反冲的小实验吧。
器材:一次性纸杯、带弯头吸管、棉线、气球、空矿泉水瓶、食用小苏打、白醋、脚盆、笔芯、透明胶、羽毛球、剪刀
1、 反冲小船:把2个空矿泉水瓶含瓶口约四分之一剪下,用透明胶粘在一起制成小船,气球套上一个瓶口,从另一个瓶口把气球吹大,捏住气球口,把“小船”放入水中,松开手,发现小船朝喷气的反方向前进。
2、 旋转灌溉:用笔芯尖在一次性纸杯底部正对方向开两个小孔,把两根吸管不带弯头端用剪刀剪成尖端插入小孔中,纸杯上方杯口处正对方向也开两个小孔,穿入棉线提在手上。往纸杯中加满水,注意到随着水流从吸管喷出,吸管纸杯也持续转动起来。
3、 水火箭:往空矿泉水瓶注入约五分之一白醋,单层纸包裹着小苏打放入瓶口中,用羽毛球头堵住瓶口,倒置过来,发现瓶中产生大量气体,随着气体冲开羽毛球,获得反冲的矿泉水瓶冲上天空。(本实验须在室外空旷处进行,注意安全)
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