Научно-исследовательская работа "Невесомость"

Государственное бюджетное образовательное учреждение Пермского края «Школа­интернат для детей с нарушением зрения» Конкурсная работа на тему «НЕВЕСОМОСТЬ» Номинация: «Мир вокруг нас» Выполнена учащимся 8 класса Данилом Любровским Руководитель: учитель физики ГБОУ ПК «Школа­интернат для детей с нарушением зрения» Марина Алексеевна Гостева Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Пермь 2016 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................3 ГЛАВА 1. ВЕС ТЕЛА И НЕВЕСОМОСТЬ.........................................................6 1.1. Вес тела................................................................................................6 1.2. Невесомость.........................................................................................8 ГЛАВА 2. НЕВЕСОМОСТЬ ДОМА.................................................................13 ГЛАВА 3. НЕВЕСОМОСТЬ НА ОРБИТЕ........................................................20 3.1. Космонавт в невесомости..................................................................20 3.2. Технологические процессы в невесомости......................................25 ГЛАВА 4. ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О НЕВЕСОМОСТИ....................................28 ГЛАВА 5. «КРАСИВО» О НЕВЕСОМОСТИ...................................................33 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................34 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................35 2 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского ВВЕДЕНИЕ «Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».  К.Э. Циолковский Люди сумели проникнуть за пределы атмосферы, но ещё пока не завоевали всё околосолнечное пространство. 2016 год является юбилейным для космонавтики, 55 лет назад в космос полетел первый человек Земли Ю.А. Гагарин. Именно с этого момента в нашу жизнь прочно вошёл термин «невесомость».  Явление невесомости всегда вызывало у меня интерес. Ещё бы, каждому человеку хочется летать, а невесомость - это что- то близкое к состоянию полёта. До начала исследования мне было известно лишь то, что невесомость - состояние, которое наблюдается в космосе, на космическом корабле во время его свободного полёта, при этом все предметы летают, а космонавты не могут стоять на ногах, как на Земле. Цель работы - дать ответ на вопрос «Что такое невесомость? Существует ли она в Пермском крае?». Задачи: 1 Изучить механизм возникновения явления с точки зрения физических законов; 2 Понять, как состояние невесомости влияет на здоровье людей, находящихся в космическом корабле, на 3 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского станции и т.д., то есть посмотреть на невесомость с биологической и медицинской точек зрения; 3 Познакомиться с интересными фактами про невесомость; 4 Обработать материал, оформить его согласно общепринятым правилам; 5) Создать презентацию на основе обработанного материала. Источники, которыми я пользовался в процессе написания реферата – это учебные пособия, энциклопедии, Интернет- ресурсы. Объект исследования: явление невесомости. Предмет исследования: сведения о невесомости. Методы исследования: Сбор информации по теме. Анализ использованных источников: литературы и Интернет­ресурсов. Наблюдение   невесомости   в   земных   условиях,   в   частности   в   Пермском крае. Сопоставление:   невесомость   ­   проблема   для   космонавтики   или необычное явление. 4 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского 5 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского ГЛАВА 1. ВЕС ТЕЛА И НЕВЕСОМОСТЬ 1.1. Вес тела В повседневной жизни понятия «масса» и «вес» абсолютно идентичны, хотя смысл их принципиально различный. Спрашивая, «Какой у тебя вес?» мы подразумеваем «Сколько в тебе килограммов?». Однако на вопрос, с помощью которого мы пытаемся выяснить этот факт, ответ даётся не в килограммах, а в ньютонах. С точки зрения физики, неправильно интересоваться у продавца, сколько весит тот или иной продукт. А правильно - спросить, какова его масса! Вес - это векторная величина, сила. Она всегда имеет направление. При неизменной массе тела, его вес можно изменить. Например, положив на весы банан и надавив на него рукой мы получим больший вес, в то время, как масса банана останется прежней или стоя на весах, мы можем изменять их показания, выполняя те или иные действия (поднимая руки или сгибая туловище). Рисунок 1 – Вес тела на опоре и подвесе 6 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Вес тела - это сила, с которой тело, притягиваясь к земле, давит на опору или растягивает подвес. Если масса тела измеряется в килограммах, то вес, как и любая сила - ньютонами. Поэтому неверно говорить, что вес тела равен столько-то килограммов? Вес тела всегда измеряется в ньютонах, в то время как масса тела может измерять в граммах, килограммах и т.д. В отличие от массы тела, вес тела не является постоянной величиной. Он может увеличиваться или уменьшаться, при этом масса тела останется прежней. Масса тела представляет собой скалярную величину (не имеет направления). Масса тела ранее грубо определялась как «количество вещества», современное определение звучит таким образом: Масса - физическая величина, отражающая способность тела к инерции и являющаяся мерой его гравитационных свойств. Главное отличие веса от массы содержит в себе формула веса P=mg, где P - вес тела (в ньютонах), m - масса в килограммах, а g - ускорение свободного падения (g = 9,8 Н/кг). Формула веса может быть понята на таком примере: Гиря массой 0,1 кг подвешена к неподвижному динамометру. Поскольку тело и динамометр, находятся в покое, то имеем: 0,1 (кг) х 9,8 (Н/кг) = 0,98 Н. Именно с такой силой действует гиря на подвес динамометра. В это случае вес тела равняется силе тяжести. Вывод: вес и масса в физике не одно и тоже. Под весом тела мы понимаем силу, с которой тело вследствие 7 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского притяжения к Земле давит на опору. Вес – это сила, а масса – свойство инертности вещества. 1.2. Невесомость Физика даёт определение весу как силе, с которой любое тело действует на поверхность, опору либо подвес. Возникает вес вследствие гравитационного притяжения Земли. Численно вес равен силе тяжести, но последняя приложена к центру масс тела, вес же приложен к опоре. Формула веса равняется силе формуле тяжести в случаях, когда: тело находится в состояние покоя; на тело не действует сила Архимеда (выталкивающая сила). В воде все тела весят меньше, чем на суше. Иначе мы не могли бы плавать, а шли прямиком ко дну. Слон с массой тела в 1 тонну весит на суше больше, чем в воде. Киты с массой более 30 тонн способны в воде парить как птицы. Если тело вместе с опорой свободно падает, то a = g, то из формулы P = m(g – a) следует, что P = 0. Исчезновение веса при движении опоры с ускорением свободного падения только под действием силы тяжести называется невесомостью. Невесомость - по сути, отсутствие веса. Есть два вида невесомости: статическая и динамическая. 8 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Статической   невесомостью   называется   потеря   веса,   возникающая   на большом расстоянии от небесных тел из­за ослабления притяжения. Динамическая невесомость ­ состояние, в котором находится человек во время полёта по орбите. Проявляются они совершенно одинаково. Ощущения человека одни и те же. Но причины разные. Выражение   «динамическая   невесомость»   означает:   «невесомость, возникающая   при   движении».   Космонавты   в   полётах   имеют   дело   только   с динамической невесомостью. Вот как объясняет состояние динамической невесомости автор книги «Дом на орбите: Рассказы об орбитальных станциях» П. Клушанцев: «…Мы чувствуем притяжение Земли только тогда, когда сопротивляемся ему.   Только   когда   «отказываемся»   падать.   А   как   только   мы   «согласились» падать, ощущение тяжести мгновенно пропадает. Представьте себе - вы гуляете с собакой, держа её на ремешке. Собака куда-то устремилась, натянула ремешок. Вы чувствуете натяжение ремешка – «притяжение» собаки, – только пока сопротивляетесь. А если вы побежите за собакой, ремешок провиснет и ощущение притяжения исчезнет. Также получается и с притяжением Земли. Земля тянет их вниз. Летит самолёт. В кабине приготовились к прыжку два парашютиста. А они пока сопротивляются. Упёрлись ногами в пол самолёта. Чувствуют притяжение Земли – подошвы их ног с силой прижаты к полу. Они ощущают свой вес. «Ремешок натянут». Но вот они согласились следовать туда, куда тянет их Земля. Стали на край люка и прыгнули вниз. «Ремешок 9 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского провис». Ощущение притяжения Земли сразу же пропало. Они стали невесомы. Можно представить продолжение этой истории. Одновременно с парашютистами с самолёта сбросили большой пустой ящик. И вот летят рядом, с одной скоростью, кувыркаясь в воздухе, два человека, не раскрывшие парашютов, и пустой ящик. Один человек протянул руку, схватился за летящий рядом ящик, открыл в нём дверцу и втянулся внутрь. Теперь из двух человек один летит снаружи ящика, а другой летит внутри ящика. У них будут абсолютно разные ощущения. Тот, который летит снаружи, видит и чувствует, что он стремительно летит вниз. В ушах у него свистит ветер. Вдали видна приближающаяся Земля. А тот, который летит внутри ящика, закрыл дверцу и начал, отталкиваясь от стенок, «плавать» по ящику. Ему кажется, что ящик спокойно стоит на Земле, а он, потеряв вес, плавает по воздуху, как рыба в аквариуме. Строго говоря, разницы между обоими парашютистами нет никакой. Оба с одной и той же скоростью камнем летят к Земле. Но один сказал бы: «Я лечу», а другой: «Я плаваю на месте». Всё дело в том, что один ориентируется по Земле, а другой – по ящику, в котором летит. 10 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Вот именно так и возникает состояние динамической невесомости в кабине космического корабля. В первый момент может показаться непонятным вот что. Казалось бы, космический корабль летит параллельно Земле, как самолёт. А в горизонтально летящем самолёте никакой невесомости не бывает. Но мы знаем, что космический корабль- спутник непрерывно падает. Он гораздо больше похож на сброшенный с самолёта ящик, чем на самолёт. Для тренировок космонавтов секунд на тридцать - сорок создают невесомость в самолёте. Для этого лётчик делает «горку». Он разгоняет самолёт, круто взмывает наклонно вверх и выключает мотор. Самолёт начинает полёт по инерции, как брошенный рукой камень. Сперва немного поднимается, потом описывает дугу, заворачивая вниз. Пикирует к Земле. Всё это время самолёт находится в состоянии свободного падения. И всё это время в его кабине царит настоящая невесомость. Затем лётчик снова включает мотор и осторожно выводит самолёт из пикирования на нормальный горизонтальный полёт. При включении мотора невесомость сразу исчезает…» (П. Клушанцев Дом на орбите: Рассказы об орбитальных станциях) Вывод: невесомость – явление отсутствие веса. Существует два вида невесомости: статическая и динамическая. 11 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского 12 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского ГЛАВА 2. НЕВЕСОМОСТЬ ДОМА Невесомость - состояние, при котором сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением, действием других массовых сил, в частности силы инерции, возникающей при ускоренном движении тела, отсутствует. Это определение точно, но слишком сложно для понимания. Поэтому попробуем наглядно разобраться с этим явлением. Все мы на Земле чувствуем силу тяжести - силу притяжения Земли. То, что мы в обиходе называем «вес» предмета - это то, как мы ощущаем давление этого предмета на опору, которая не даёт предмету падать под действием силы тяжести к центру Земли. Рисунок 2 - Рука преграждает книге путь к Земле Кладём книгу на руку - она нам кажется тяжёлой, мы говорим «у неё большой вес». Вес - это то давление, которое чувствует наша рука, преграждая книге путь к Земле. Мы уберём руку - книга упадёт на пол. Пока она будет падать - 13 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского веса у неё практически не будет (будет небольшое из-за давления воздуха), так как она не давит ни на опору и не подвешена к верёвке (подвесу). Когда книга упадёт на пол, она опять станет весить. Потому что частицы книги станут упираться в пол, который загораживает книге путь к центру Земли. В тот момент, когда книга падала, она была в невесомости! Поэтому такое, космическое понятие как «невесомость», нам хорошо знакомо. Мы испытываем её каждый раз, просто подпрыгнув - в момент, когда летим вниз, и наша скорость становится равна ускорению свободного падения (9,8 м/с2). Мы испытываем невесомость качаясь на качелях - в тот момент, когда они на секунду застыли перед тем как поменять направление движения и опуститься вниз, у нас «захватывает дух». Мы испытываем невесомость, двигаясь в ускоренном лифте: при резком ускорении создаётся впечатление «притягивания к потолку». Мы испытываем невесомость на борту корабля, качаясь на волнах - постоянное чередование невесомости и перегрузок вызывает «морскую болезнь». Мы испытываем невесомость в момент, когда наш самолёт падает в воздушную яму. Всем знакомо это ощущение лёгкости в животе. Дольше всего невесомость испытывают лётчики на самолётах, которые выполняют полёт по специальной траектории (почти параболе). Такие полёты проводятся для того, чтобы за 30-40 секунд полной невесомости (пока самолёт как-бы падает на Землю) в нём могли тренироваться будущие космонавты. Также состояние невесомости испытывают: 14 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского пловцы-ныряльщики, летящие в воду с вышки; лыжники во время прыжка с трамплина; парашютисты, пока они не раскрыли парашюты (состояние свободного падения); легкоатлеты, бегущие через барьер; спортсмены, прыгающие в высоту с шестом; танцоры, выполняющие прыжки… Эти примеры, ещё раз подтверждают, что вес тела может меняться при неизменной массе. Невесомость можно зафиксировать в домашних условиях. Взять пружинные весы, подвесить на них груз, поднять его на вытянутой руке как можно выше и резко опустить руку с грузом вниз, имитируя падение. Результат: стрелка на весах поднялась вверх, к нулю, фиксируя, что вес груза при падении уменьшился. Мы взяли пластиковую бутылку, разрезали её, проделав отверстие на дне. Заполнили конструкцию подкрашенной жидкостью – вода выливалась через отверстие. Поднявшись на небольшую высоту выпустили ёмкость с раствором из рук. Под действием силы тяжести система бутылка-вода начала двигаться вниз. Оказавшись в свободном падении, другими словами, в невесомости жидкость перестала выливаться. Следовательно, в этом случае вес тела равен нулю, но сила тяжести не равна нулю, она по-прежнему действует на тело и заставляет его падать (см. видеоприложение 1). 15 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Рисунок 3 – Жидкость в невесомости Подобный эксперимент можно сделать с напольными весами. Встать на весы и запомнить свой вес. присесть. В момент приседания весы будут показывать меньший вес, чем в начале. Потому, что хотя ноги и продолжали давить на опору и создавать вес, часть тела летела вниз со скоростью, равной ускорению свободного падения. И эта часть ничего не весила. Поэтому мы стали легче ровно на это значение (см. видеоприложение 2). 16 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Рисунок 4 – До приседания и после Известно, что в кабине космического корабля во время свободного полёта все предметы теряют вес. Карандаши, блокноты плавают в воздухе, словно воздушные шарики. Жидкости в условиях невесомости «не хотят» заполнять стаканы, кастрюли и другую посуду. Они «не желают» принимать форму сосуда, в который налиты, собравшись в аккуратные шаровые капли они «плавают» внутри корабля! Вот почему космонавтам нельзя пить из стаканов и есть суп из тарелок. Увидеть жидкость в условиях невесомости можно и на Земле. Для опыта нужны три жидкости: вода, растительное масло и спирт. Масло легче воды, и, если подлить его в банку с водой, оно соберётся слоем на поверхности. А если налить это же 17 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского масло в спирт, оно соберётся слоем на дне. Значит, спирт легче, чем масло. Если в стакан с водой долить спирта, то масло, добавленное в эту смесь, утонет в спирте, но не утонет в воде. Оно должно плавать на границе воды и спирта. Трудность опыта заключается в том, что надо очень аккуратно, прилить спирт в стакан с водой, чтобы эти жидкости не перемешались. Для этого сначала следует налить воды до половины, а по том потихоньку долить спирт по стенке стакана. Долив стакан почти доверху, осторожно влить чайную ложку растительного масла. Масло оказалось в состоянии невесомости на границе воды и спирта. «Невесомое» масло собирается в шарики, совершенно ровные и гладкие! Если жидкости немного смешались, то шар получится приплюснутым (см. видеоприложение 3). 18 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Рисунок 5 – Капли масла в невесомости на границе воды и спирта (вид сверху и сбоку) Вывод: каждый из нас испытывал на себе состояние невесомости. Невесомость испытывают все тела при падении на Землю, а также тела, плавающие внутри двух разнородных жидкостях. 19 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского ГЛАВА 3. НЕВЕСОМОСТЬ НА ОРБИТЕ 3.1. Космонавт в невесомости Что такое невесомость на орбите? Парящие чашки, возможность летать и ходить по потолку, с лёгкостью перемещать даже самые массивные предметы - таково романтическое представление об этом физическом понятии в космосе. Невесомость появляется в космических аппаратах, когда они движутся с постоянной скоростью в любом направлении и при этом находятся в состоянии свободного падения. Искусственный спутник или космический корабль доставляется на орбиту при помощи ракеты-носителя. Она придаёт им определённую скорость, которая сохраняется после выключения аппаратом собственных двигателей. Корабль при этом начинает перемещаться только под действием силы тяжести и возникает невесомость. Если спросить космонавта, что такое невесомость, он поведает, как сложно бывает в первую неделю на борту станции. «…Оказавшись в невесомости, - у космонавта вся кровь и жидкость приливает в голову. Голова тяжёлая, заложен нос, глаза красные, плохо думается…» и как долго по возвращении приходится восстанавливаться, привыкая к условиям земного притяжения. 20 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского В начале космической эры встал вопрос о реакции тела на отсутствие притяжения. Невесомость в космосе была явлением не до конца понятным, хотя и предсказуемым. Сегодня её влияние на человеческий организм в целом изучено. Тонко настроенный механизм тела испытывает в условиях отсутствия силы тяжести колоссальный стресс. Космическая невесомость приводит к нарушению гидростатического давления жидкости в организме (в первую очередь крови), к исчезновению привычной нагрузки на опорно-двигательный аппарат. Некоторое время после прибытия на корабль или станцию космонавты подвергаются так называемому синдрому адаптации к космосу. Это головокружение, потеря ориентации. Возможно возникновение различных иллюзорных ощущений. Даже во время тренировочного процесса в самолёте люди по- разному переносят кратковременную невесомость и по этому признаку делятся на три группы: В первую группу входят лица без заметного ухудшения общего самочувствия, не теряют работоспособности, лишь испытывают чувство расслабленности или облегчения вследствие потери тяжести собственного тела. Все советские космонавты были отнесены к этой группе. Вот запись, сделанная Ю.А. Гагариным после первого полёта с воспроизведением невесомости на двухместном самолёте: «До выполнения «горок» полёт проходил как обычно, нормально. При вводе в «горку» прижало к сиденью. Затем сиденье отошло, ноги приподнялись с пола. Посмотрел на прибор: показывает невесомость. Ощущение приятной лёгкости. Пробовал двигать руками, головой. Всё получается легко и 21 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского свободно. Поймал плавающий перед лицом карандаш и шланг кислородного прибора. В пространстве ориентировался нормально. Всё время видел небо, землю, красивые кучевые облака». Во вторую группу включаются лица, испытывающие в период невесомости иллюзии падения, переворачивания, вращения тела в неопределённом положении, подвешенности вниз головой и т. д. Указанные явления в первые 2-6 сек. сопровождаются беспокойством, потерей ориентации в пространстве и неправильным восприятием окружающей обстановки и собственного тела. В ряде случаев наблюдается эйфория (смех, игривое настроение, забывание о программе эксперимента и т. д.). при последующих полётах наступает адаптация к условиям невесомости. К третьей группе относятся лица, у которых пространственная дезориентация и иллюзии падения достигают крайней степени, сопровождаются чувством ужаса, непроизвольным криком и резким повышением двигательной активности. При этом наблюдается полная дезориентация в пространстве и потеря контакта с окружающими людьми. На борту орбитальной станции организм начинает приспосабливаться к невесомости постепенно, перестройка занимает около десяти дней. Однако, изменения продолжают происходить и дальше. Из- за отсутствия силы тяжести уменьшается общая нагрузка на организм. В результате космонавты в невесомости теряют массу, у них снижается работоспособность и, наоборот, 22 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского повышается утомляемость. Изменяется соотношение химических элементов в тканях: кости теряют часть необходимых им минералов. Нередко по возвращении на Землю после длительного пребывания на станции космонавт становится выше на несколько сантиметров. Причина кроется в той же невесомости. Результаты такого скачка роста бывают не самые приятные: возможно появление болей, ущемление нервов. Последствия полётов для космонавтов этим не ограничиваются. После возвращения на Землю им приходится в течение некоторого времени адаптироваться обратно к силе тяжести. Сознание космонавта, завершившего полёт, ещё какой-то период действует по привычке. В результате нередки случаи, когда космонавт вместо того, чтобы поставить чашку на стол, просто отпускал её и осознавал ошибку, только услышав звон разбитой об пол посуды. - Одна из непростых и одновременно интересных задач для организаторов пилотируемых полетов обеспечение космонавтов легко усваиваемой организмом под воздействием невесомости едой в удобной форме. Первые опыты не вызывали особого энтузиазма среди членов экипажей. Показателен в этом плане случай, когда американский астронавт Джон Янг вопреки строгим запретам пронёс на борт сэндвич, есть который, не стали, чтобы не нарушать устав ещё больше. На сегодняшний день с разнообразием на орбитальных станциях проблем нет. Перечень блюд, доступных для российских космонавтов, насчитывает 250 пунктов. Основу 23 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского рациона составляют сублимированные продукты. Все жидкие блюда, напитки, а также пюре упаковываются в алюминиевые тубы. Тара и оболочка продуктов продумывается таким образом, чтобы избежать появления крошек, парящих в невесомости и могущих попасть кому-то в глаз. Например, печенье делается достаточно маленьким и покрытым оболочкой, тающей во рту. На станциях, подобных МКС, все условия стараются довести до привычных земных. На станции есть обозначение пола и потолка. Это имеет психологическую значимость. Космонавту в невесомости все равно, в каком положении работать, однако выделение условного пола и потолка снижает риск потери ориентации и способствует более быстрой адаптации. космонавты в невесомости Невесомость - одна из тех причин, почему в космонавты берут далеко не всех. Адаптация по прибытии на станцию и после возвращения на Землю сравнима с акклиматизацией, усиленной в несколько раз. Человек со слабым здоровьем такой нагрузки может не выдержать. Длительное пребывание в невесомости - отрицательно сказывается на здоровье космонавта. На Земле непрерывно идёт естественное перемещение воздушных масс ­ процесс   конвекции   ­   перемешивание   атмосферы.   Ничего   подобного   в невесомости нет.  На станции нет механизма естественной конвекции. Дело в том, что человек выдыхает   углекислый   газ   (СО2),   и   он   весь   остаётся   вокруг   выдыхающего человека.   Поэтому,   если   не   перемешивать   воздух,   можно   задохнуться. Выдохнул,   и   вокруг   космонавта   всё   осталось,   выдохнул   второй   раз   ­ 24 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского концентрация   углекислого   газа   увеличивается,   вдохнул   –   кислорода   нет, кислород не поступает. Поэтому надо двигаться всё время или сдувать этот воздух, обогащая его новой порцией кислорода. «На станции довольно шумно из­за вентиляторов, которые мы используем для того чтобы доставлять воздух одним системам, которые очищают его, и затем распределять по всем отсекам». Вывод:   Несмотря,   на   большой   накопленный   опыт   поведения   человека   в невесомости, её влияние на живой организм так полностью и не разгадано. 3.2. Технологические процессы в невесомости Вследствие значительного отличия условий невесомости от земных условий, в которых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты искусственных спутников Земли, космических кораблей и их ракет – носителей, проблема невесомости занимает важное место среди других проблем космонавтики. Это наиболее существенно для систем, имеющих ёмкости, частично заполненные жидкостью. К ним относятся двигательные установки с ЖРД (жидкостно-реактивными двигателями), рассчитанные на многократное включение в условиях космического полёта. В условиях невесомости жидкость может занимать произвольное положение в ёмкости, нарушая тем самым нормальное функционирование системы (например, подачу компонентов из топливных баков). Поэтому для обеспечения запуска жидкостных двигательных установок в условиях невесомости применяются: разделение жидкой и газообразной фаз в топливных баках с помощью эластичных разделителей; фиксация части жидкости у заборного 25 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского устройства систем сеток (ракетная ступень «Аджена»); создание кратковременных перегрузок (искусственной «тяжести») перед включением основной двигательной установки с помощью вспомогательных ракетных двигателей и др. Использование специальных приёмов необходимо и для разделения жидкой и газообразной фаз в условиях невесомости в ряде агрегатов системы жизнеобеспечения, в топливных элементах системы энергопитания (например, сбор конденсата системой пористых фитилей, отделение жидкой фазы с помощью центрифуги). Механизмы космических аппаратов (для открытия солнечных батарей, антенн, для стыковки и т.п.) рассчитываются на работу в условиях невесомости. Невесомость может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях (например, получение композиционных материалов с однородной структурой во всем объеме, получение тел точной сферической формы из расплавленного материала за счет сил поверхностного натяжения и др.). Впервые эксперимент по сварке различных материалов в условиях невесомости вакуума был осуществлен при полете советского космического корабля «Союз – 6» (1969 г.). Ряд технологических экспериментов (по сварке, исследованию течения и кристаллизации расплавленных материалов и т.п.) был проведён на американской орбитальной станции «Скайлэб» (1973 г.). 26 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Учёные проводят в космосе различные эксперименты, ставят опыты, иной раз слабо представляя себе конечный результат. Но если определённый результат получен, ещё долгое время приходится его проверять, чтобы в конечном итоге объяснить и применить полученные знания на практике. Вывод: Вследствие значительного отличия условий невесомости от земных, в которых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты искусственных спутников Земли, космических кораблей и их ракет – носителей, проблема невесомости занимает важное место среди других проблем космонавтики. 27 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского ГЛАВА 4. ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О НЕВЕСОМОСТИ Ниже приведены описания некоторых экспериментов и интересных новостей про невесомость, над которыми ещё предстоит работать учёным. Пламя в невесомости Рисунок 6 – Форма пламени на Земле и в невесомости На Земле благодаря гравитации возникают конвекционные потоки, которые определяют   форму   пламени.   Они   поднимают   раскалённые   частички   сажи, которые   излучают   видимый   свет.   Благодаря   этому   мы   видим   пламя.   В невесомости   конвекционные   потоки   отсутствуют,   частички   сажи   не поднимаются, а пламя свечи принимает сферическую форму. Так как материал свечи представляет собой смесь предельных углеводородов, они при сгорании выделяют  водород,   который   горит   голубым   пламенем.   Учёные   стараются понять, как и почему огонь распространяется в невесомости. Изучение пламени в   условиях   невесомости   необходимо   для   оценки   пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения. Так можно обеспечить безопасность космонавтов и транспортных средств. Ускорение кипения жидкости в невесомости 28 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Каждый из нас не раз наблюдал процесс кипения - фазовый переход жидкости в газ под действием высокой температуры. Пузырьки пара устремляются вверх, а на их место поступает новая порция жидкости. В результате кипение сопровождается активным перемешиванием жидкости, что многократно увеличивает скорость её превращения в пар. Ключевую роль в этом процессе играет сила Архимеда, действующая на пузырёк. В условиях невесомости нет веса, нет понятия «тяжелее» и «легче», потому пузырьки нагретого пара не будут никуда всплывать. Вокруг нагревательного элемента образуется прослойка пара, которая препятствует передаче тепла всему объёму жидкости. По этой причине кипение жидкостей в невесомости (но при том же давлении, а вовсе не в вакууме!) будет протекать иначе, чем на Земле. Детальное понимание этого процесса крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива. В статье французских физиков описываются результаты экспериментального исследования того, как высокочастотные вибрации влияют на скорость кипения. В качестве рабочего вещества был выбран жидкий водород - самое лёгкое ракетное топливо. Состояние невесомости создавалось искусственно с помощью сильного неоднородного магнитного поля. Температура и давление образца были подобраны так, чтобы фазовый переход происходил как можно медленнее и можно было бы заметить все его особенности. 29 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Результат: в невесомости кипение становится гораздо более медленным процессом. Однако, вибрация жидкости может привести к резкому её вскипанию. Этот результат имеет значение для космической индустрии. Возможные причины: 1. Вязкость жидкости «удерживает» мелкие пузырьки пара на месте, не давая им сближаться. 2. Внешние вибрации не только заставляют жидкость «мелко трястись», но и порождают в ней крупномасштабные течения, которые разогнавшись, эффективно перемешивают рабочий объём и приводят к убыстрению процесса. Авторы   работы   подчёркивают,   что   обнаруженное   ими   явление   имеет   не только прикладной, но и чисто научный интерес. В их экспериментах сложные гидродинамические течения, сопровождающие эволюцию сети пузырьков, идут параллельно с самим фазовым переходом. Оба этих явления поддерживают и усиливают   друг   друга,   приводя   к   крайней   нестабильности   жидкости   даже   в невесомости. Рисунок 7 ­ Кипение воды на Земле и в условиях невесомости (изображение с сайта nasa. gov) Шесть интересных фактов о невесомости 30 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского  Когда астронавт оказывается в невесомости, вся жидкость, которая находится в организме, поднимается вверх и вызывает закупорку носоглотки и отёки на лице;  «Бонус» от невесомости – увеличение роста из-за низкого давления. Оно воздействует на позвоночник и человек вырастает как минимум на 5 см;  Учёные провели опыты на крысах: что будет, если крыса вынашивает плод в космосе. Беременных крыс отправляли именно тогда, когда у плода начинало развиваться внутреннее ухо. Всё потомство имело проблемы с вестибулярным аппаратом;  Космонавты, которые храпели, в космосе совершенно от этого избавлялись.  В космосе о полноценном сне и речи быть не может. Восходы случаются 16 раз, из-за чего, происходят изменения в восприятии ритма жизни;  Те, кто прибыл из космоса, рассказывают, что сразу после прилёта очень трудно двигать руками и ногами. Поэтому приземление многие называют вторым рождением. Вывод: в данной главе показано различие между физическими процессами, протекающими в обычных условиях и условиях невесомости, а также влияние на организм человека. Хочется привести строки из стихотворения О. Апенченко «Труден путь до тебя, небо» «…- Всё можно предвидеть: 31 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского перегрузки как будут действовать - знаем. Радиация… В принципе тоже знаем. Невесомость? Нет, не знаем! За-гад-ка!...» 32 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского ГЛАВА 5. «КРАСИВО» О НЕВЕСОМОСТИ Невесомость Эта невесомость Может только сниться, Головою в пропасть Сильной смелой птицей, Руки словно крылья, Ноги как пружины – Грёзы стали былью, Мягко, без нажима. Лёгкий шаг – паренье В вольной ипостаси А прыжок – забвенье В жарком заэкстазье. Прочь наук химеру И границы рамок, Нет предела вере В явь воздушных замков, Выше всех законов Лишь малютка совесть... Плачет как икона В сердце невесомость! Михаил Дурнев муха! так между *** Невесомость, нами, Это - если вверх ногами К потолку летишь как Или так - в стакане сухо, А вода весит отдельно! Пить очень канительно. если хочешь Нужно, пить, Воду в воздухе ловить, Рот по шире распахнуть, Шар воды в себя втянуть, А потом ловить другой… Ужас, а не водопой! Не зря еда на станции Вся в баночках и в Чтоб не ловить в Ни шариков, ни кубиков. тюбиках, пространстве Р. Алдонина 33 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского ЗАКЛЮЧЕНИЕ Начало космической эры поставило перед учёными задачу изучения проблемы невесомости, в частности влияния невесомости на человеческий организм, для чего необходимо было разработать соответствующую методику исследований и необходимое оборудование. Все мы слышали о невесомости. При этом слове мы представляем себе космонавтов, свободно плавающих внутри космической станции. Мы живём в век освоения космоса, в век полётов космических кораблей на Луну и на другие планеты Солнечной системы. Полёт в космическое пространство 55 лет тому назад был чудом. А сегодня реальность. В ходе проекта я познакомился с понятием «невесомость», изучил невесомость как физическое явление, влияние невесомости на здоровье человека, проделал опыт с невесомостью и точно знаю, что невесомость можно наблюдать и у нас в Пермском крае. 34 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Литература 1 Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. А.М.Прохоров. Изд.3. М., «Советская Энциклопедия», 1974. 2 Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы: Учебное пособие для уч-ся.-3 изд.- М.: Просвещение, 1991. – 367с. 3 Колесников Ю.В., Глазков Ю.Н. На орбите – космический корабль.- М.: Педагогика, 1980 4 Маковецкий П.В. Смотри в корень! Сборник любопытных задач и вопросов. – М.: Наука, 1979 5 Чандаева С.А. Физика и человек. –М.: АО «Аспект Пресс», 1994 35 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Интернет-ресурсы 6 Э. БэльюЛ., Стулингер Орбитальная станция«Скайлэб». США, 1973. (Сокр. пер. с англ.). Под ред. д- ра физ.-мат. наук Г. Л. Гродзовского. М., «Машиностроение», 1977 - Режим доступа: http://epizodsspace.airbase.ru/bibl /skylab/obl.html 7 Дюбанкова О. Космическая медицина не долетает до Земли Сайт издательского дома «Аргументы и факты» - Режим доступа: http://gazeta.aif.ru/online/health/511/03_01 8 Иванов И. Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости. Сайт: Элементы. Новости науки. Режим доступа - http://elementy.ru/news/164820?page 9 Клушанцев П. Дом на орбите: Рассказы об орбитальных станциях. - Л.: Дет. лит.,1975. - С.25-28. Пер. в эл. вид. Ю. Зубакин, 2007- Режим доступа: (http://www.google.ru, http://epizodsspace.testpilot.ru/bibl/Klusantsev/dom-na- orb75/Klushantsev_04. htm) 10 Людей можно оперировать в космосе. Французские медики сделали первую хирургическую операцию в условиях невесомости. Сайт Российской газеты. РИА Новости. – Режим доступа: http://www.rg.ru/2006/09/28/nevesomost-anons.html 11 Пламя в невесомости. Библиотека Мошкова. – Режим доступа: http://n-t.ru/tp/nr/pn.htm 36 Конкурсная работа на тему «Невесомость», учащегося 8 класса Д.Любровского Ученые определили чем опасна невесомость. Газета- – Новости доступа: РИА 12 24. http://24.ua/news/show/id/66415.htm Режим 37