Проект по физике "Эксперимент в космосе на МКС"

Эксперимент в космосе на МКС.

Автор: Дарморезов Вадим, 1996 г.р., Карпов Артем, 1996 г.р., Маликов Мирзабег, 1996 г.р., - обучающиеся 9 класса МБОУ Буденновской СОШ №80.

      Цели проекта: Найти возможность использовать необычное сочетание космических условий для решения полезных для человека задач.

      Задачи проекта:

1. Провести работы по поиску подходящего материала для проведения эксперимента на МКС. 

2. Осуществить эксперимент в условиях МКС.

     Авторы проекта изучили материал по физике, соответствующий данной теме.

На космических аппаратах, совершающих орбитальный полет вокруг Земли, тела не обладают весом, а в жидкостях нет явления плавучести – не действует закон Архимеда. За тонкой переборкой космического корабля нет воздуха – там космический вакуум. И ничто не защищает космический аппарат от солнечного излучения во всем спектральном диапазоне. Возникает вопрос: а нельзя ли использовать столь необычное сочетание условий для решения каких-либо полезных задач?

Эксперимент «Шарики правильной формы».

    В невесомости проявляется ряд физических эффектов, которые в обычных условиях на Земле подавлены или замаскированы из-за наличия у тел веса. Остановимся на оном из них – это резкое возрастание роли поверхностных эффектов.

    Кто в детстве не выдувал мыльные пузыри? Под действием сил поверхностного натяжения пузырь стремится принять правильную сферическую форму. А поскольку мыльная пленка весит очень мало, размеры таких пузырей получаются большими.

    В невесомости, наверное, можно получать устойчивые жидкие зоны больших размеров, используя расплавы проводников, металлов, стекла, в том числе устойчивые жидкие сферы, цилиндры, пленки, зеркальные поверхности… Если затем охладить расплав до температуры затвердевания, то можно получить изделия таких размеров или такого качества, приготовить которые на Земле нельзя.

Известно, что в невесомости жидкость стремится принять форму, соответствующую минимуму свободной энер­гии, — форму идеально правильной сферы. В принципе это открывает возможности производства в космических условиях шариков правильной формы, которые могут най­ти применение в точном машиностроении, например, в качестве шарикоподшипников. Возможно также получение, полых сфер. Сферы, получаемые в неве­сомости при затвердевании жидких металлов, за счет ра­боты сил поверхностного натяжения могут обладать более правильной структурой поверхности с меньшим ко­личеством дефектов.

Эксперимент «Налить жидкость в сосуд без потерь».

Представим задачу: налить жидкость в сосуд без потерь. На космическом корабле вода подается из крана порциями по 25 кубических миллиметров. Предоставлен­ные сами себе, эти порции собираются в шаровидные капли, как и положено в невесомости; эти капли потом в результате случайных воздействий дробятся на мень­шие. Если действовать, как на Земле, и наливать воду из крана в горлышко сосуда, то она станет выталкивать из сосуда воздух, в котором взвешены капли разного размера, — иными словами, будет сама же выталкивать себя.

Если же струю с малой скоростью направить на стен­ку сосуда, то вода, смачивая стенку, прилипает к ней. Тогда взвешенных капель не будет — по крайней мере, до тех пор, пока сосуд не встряхивают. Таким способом можно без потерь налить жидкость в сосуд.

И тут же возникает второй вопрос: а как можно взять жидкость из сосуда? Ведь из-за невесомости жидкость «плавает» в сосуде в виде шаровых капель разного диа­метра.

Конечно, если есть центрифуга, то задача решается просто: при вращении сосуда жидкость будет прижимать­ся к стенке, а оттуда ее можно забирать с помощью шприца. Если нет центрифуги, можно прижать жидкость к стенке, двигая сосуд с небольшим линейным ускоре­нием.

Мы предлагаем другой способ: поместить внутрь сосу­да длинный и узкий предмет, например, черенок ложки, к которому капли прилипают. За счет сил поверхностно­го натяжения жидкость «расползается» по черенку и подходит к краю горловины сосуда. Слегка помешивая черенком, легко добиться того, чтобы жидкость посто­янно находилась на черенке вблизи выходного отверстия сосуда. Задача, стало быть, решена.

Эксперимент «Светящиеся спутники».

Сама по себе мысль о космическом освещении привлекательна. Солнечный свет если и не единственный, то наверняка один из немногих реальных источников «бесплатной» энергии в космосе.

Вполне   возможно   использование   спутников для ночного освещения, в качестве своеобразных  космических прожекторов. Большое металличес­кое или тонкопленочное пластмассовое металлизованное зеркало может быть развернуто или собрано на орбите. При правильном расположении оно сможет осветить ночью отраженными лучами Солнца значительную площадь земной поверх­ности. Например, зеркало диаметром 600 м с суточной орбиты создаст на Земле освещенную зону диаметром примерно 300 км. Космическое зеркало может сиять с неба ярче, чем Луна, при его свете без труда можно будет читать.

Эксперимент «Вишневая косточка».

Представьте себе заурядный случай: вы съели ягоду вишни и теперь находитесь в некотором затруднении, не зная, как поступить с косточкой. Нет, мы вовсе не рекомендуем ее проглотить, косточку нужно выбросить, но как? Можно, конечно, поступить по всем правилам этикета, осторожно перенеся ее с помощью ложечки на блюдце. Возможны десятки промежуточных вариантов. Наконец, можно ее просто выплюнуть, убедившись, что при этом косточка не наделает ка­ких-нибудь незапланированных бед. Но если ту же задачу придется решать космонавту, выбравшемуся, подобно Алексею Леонову, из космического корабля, чтобы «погулять» (или, может быть, «поплавать», «полетать») в открытом космосе, то дело будет обстоять иначе. Мы, конечно, понимаем, что поставленная задача выглядит несколько академи­чески: вряд ли космонавты, даже в более отдаленном будущем, станут забавляться вишнями во время космических прогулок, да и скафандр не очень-то способствует выплевыванию косточек. Но все же?

Если несмотря на все трудности космонавт ухитрится элемен­тарно выплюнуть косточку, то это может обернуться для него серьезными неприятностями. Впрочем, не обязательно, конечно, иметь дело с косточкой. Можно, например, отбросить с силой какой-нибудь предмет, как это уже сделал однажды Леонов с крышечкой от кинокамеры. Все равно, важен лишь факт отброса какой-нибудь массы, пусть и небольшой.

Вот тут-то и проявятся необычные свойства «полусвободы». Даже сравнительно очень слабое усилие (подумаешь, косточка!) может вызвать заметное изменение характера движения неосто­рожного космонавта. Конечно, и при обычном выплевывании ко­сточки на Земле появляется то же самое по величине усилие, и, следовательно, оно тоже изменяет характер движения. Движения чего? Земного шара, почтенная масса которого делает его до­вольно равнодушным к такого рода булавочным уколам, тем более что косточка-то не улетит в космос, а останется на Земле.

А в космосе? Масса космонавта хоть и намного больше, чем косточка, но все-таки уступает массе Земли. Да и собственным тяготением космонавт не может похвастаться. Поэтому даже столь малая сила скажется на крайне неустойчивом, подвижном космонавте (это не свойство его характера, а особенность всех тел в «полусвободном» и тем более полностью свободном косми­ческом пространстве). Его движение заметно изменится.

Ну, а если выплевывать косточки непрерывно, одну за дру­гой, в течение длительного времени? Ясно, что так, чего доброго, можно при желании «разогнать» космонавта до того, что он во­обще окажется в свободном космосе, его «полусвобода» станет свободой настоящей. Вот что значит комариная сила, если она действует в космосе.