Горит ли свеча в невесомости. Материалы к уроку:будет ли гореть свеча в невесомости? Взрыв в пекарне

Особенности протекания физических явлений на Земле и в Космосе

Горит ли свеча в невесомости. Материалы к уроку:будет ли гореть свеча в невесомости? Взрыв в пекарне

  • Участник: Терехова Екатерина Александровна
  • Руководитель: Андреева Юлия Вячеславовна

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

У многих стран есть долгосрочные программы по освоению космоса.

В них центральное место занимает создание орбитальных станций, так как именно с них начинается цепочка наиболее крупных этапов овладения человечеством космического пространства.

Уже осуществлен полет на Луну, успешно проходят многомесячные полеты на борту межпланетных станций, автоматические аппараты побывали на Марсе и Венере, с пролетных траекторий исследовали Меркурий, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. За последующие 20—30 лет возможности космонавтики еще более возрастут.

Многие из нас в детстве мечтали стать космонавтами, но потом задумались о более земных профессиях. Неужели отправиться в космос — это несбыточное желание? Ведь уже появились космические туристы, возможно, когда-нибудь в космос сможет полететь любой, и детской мечте суждено будет сбыться?

Но если мы полетим в космический полет, то столкнемся с тем, что длительное время придется находиться в состоянии невесомости.

Известно, что для человека, привыкшего к земной тяжести, пребывание в этом состоянии становится тяжелым испытанием, и не только физическим, ведь многое в невесомости происходит совсем не так, как на Земле. В космосе проводятся уникальные астрономические и астрофизические наблюдения.

Находящиеся на орбите спутники, космические автоматические станции, аппараты требуют специального обслуживания или ремонта, а некоторые отработавшие свой срок спутники необходимо ликвидировать или возвращать с орбиты на Землю для переделки.

Пишет ли в невесомости перьевая ручка? Можно ли в кабине космического корабля измерить вес с помощью пружинных или рычажных весов? Вытекает ли там вода из чайника, если его наклонить? Горит ли в невесомости свеча?

Ответы на подобные вопросы содержатся во многих разделах, изучаемых в школьном курсе физики. Выбирая тему проекта, я решила свести воедино материал по данной теме, который содержится в разных учебниках, и дать сравнительную характеристику протекания физических явлений на Земле и в космосе.

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Задачи:

  • Составить список физических явлений, ход течения которых может отличаться.
  • Изучить источники (книги, интернет)
  • Составить таблицу явлений

Актуальность работы: некоторые физические явления протекают по разному на Земле и в космосе, а некоторые физические явления лучше проявляются в космосе, где нет гравитации. Знание особенностей процессов может быть полезно для уроков физики.

Новизна: подобные исследования не проводились, но в 90-х на станции «Мир» был снят учебные фильм о механических явлениях

Объект: физические явления.

Предмет: сравнение физических явлений на Земле и в космосе.

1. Основные термины

Механические явления — это явления, происходящие с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, качание маятника).

Тепловые явления — это явления, связанные с нагреванием и охлаждением физических тел (кипение чайника, образование тумана, превращение воды в лед).

Электрические явления — это явления, возникающие при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, молния). [1] Показать, как происходят явления на Земле — легко, но как можно продемонстрировать те же явления в невесомости? Для этого я решила использовать фрагменты из серии фильмов «Уроки из космоса». Это очень интересные фильмы, отснятые в свое время еще на орбитальной станции «Мир». Настоящие уроки из космоса ведет летчик-космонавт, герой России Александр Серебров.

Но, к сожалению, мало кто знает про эти фильмы, поэтому еще одной из задач создания проекта была популяризация «Уроков из космоса», созданных при участии ВАКО «Союз», РКК «Энергия», РНПО «Росучприбор».

В невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется.

И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной.

Состояние полного отсутствия веса называется невесомостью. Невесомость, или отсутствие веса у предмета наблюдается в том случае, когда в силу каких-либо причин исчезает сила притяжения между этим предметом и опорой, или когда исчезает сама опора.

простейший пример возникновения невесомости – свободное падение внутри замкнутого пространства, то есть в отсутствии воздействия силы сопротивления воздуха. Скажем падающий самолет сам по себе притягивается землей, но вот в его салоне возникает состояние невесомости, все тела тоже падают с ускорение в одну g, но это не ощущается – ведь сопротивления воздуха нет.

Невесомость наблюдается в космосе, когда тело движется по орбите вокруг какого-нибудь массивного тела, планеты. Такое круговое движение можно рассматривать как постоянное падение на планету, которое не происходит благодаря круговому вращению по орбите, а сопротивление атмосферы также отсутствует.

Мало того, сама Земля постоянно вращаясь по орбите падает и никак не может упасть на солнце и если бы мы не ощущали притяжение от самой планеты, мы оказались бы в невесомости относительно притяжения солнца.

Часть явлений в космосе протекает точно так же как и на Земле. Для современных технологий невесомость и вакуум не являются помехой… и даже наоборот – это предпочтительно. На Земле нельзя достичь таких высоких степеней вакуума, как в межзвездном пространстве. Вакуум нужен для защиты обрабатываемых металлов от окисления, а металлы не расплавляются, вакуум не вызывает помех движению тел.

2. Сравнение явлений и процессов

 ЗемляКосмос
 1.Измерение масс
А. Рычажные весыИспользовать нельзя
 Б. Пружинные весыИспользовать нельзя
 В. Электронные весыИспользовать нельзя
2.Можно ли натянуть верёвку горизонтально?
 Верёвка всегда провисает из-за силы тяжести. Верёвка всегда свободна
3. Закон Паскаля.Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.
На Земле все капли немного сплющены из-за гравитационной силы.Выполняется хорошо на коротких промежутках времени, либо в подвижном состоянии.
4.Воздушный шарик
летит вверхНе полетит
5. Звуковые явления
В открытом космосе звуки музыки не будут слышны т.к. для распространения звука нужна среда (твёрдая, жидкая, газообразная).
6.Горение свечи
Пламя свечи будет круглым т.к. нет конвекционных потоков
7. Использование часов
А. Солнечные часыДа, работают, если известны скорость и направление космической станции.На других планетах тоже работают
Б. Песочные часы Использовать нельзя
В. Механические часы маятниковыеИспользовать нельзя.Можно использовать часы с заводом, с батарейкой
Г. Электронные часыМожно использовать
8. Можно ли набить шишку
 Можно Можно
9. Термометр работаетработает
Тело съезжает по горке из-за силы тяжестиПредмет останется на месте.Если толкнуть, то можно будет прокатиться до бесконечности, даже если горка закончилась
10. Можно ли вскипятить чайник?
ДаТ.к. нет конвекционных потоков, то нагреется только дно чайника и вода около него.Вывод: необходимо использовать микроволновку
12. Распростронение дыма
Дым не может распространяться, т.к. нет конвекционных потоков, распределение не будет происходить из-за диффузии
Манометр работаетРаботает
Растяжение пружины. Да, растягиваетсяНет, не растягивается
Ручка шариковая пишетРучка не пишет. Пишет карандаш

Вывод

Я сопоставила протекания физических механических явлений на Земле и в космосе. Данная работа может использоваться для составления викторин и конкурсов, для уроков физики при изучении некоторых явлений.

В ходе работы над проектом я убедилась, что в невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести.

Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется.

И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной. Это стало главным выводом нашей работы и таблицы, которая у меня в итоге получилась.

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/osobennosti-protekaniya-fizicheskikh-yavleniy-na-zemle-i-v-kosmose-7276/

Как зажигали в космосе

Горит ли свеча в невесомости. Материалы к уроку:будет ли гореть свеча в невесомости? Взрыв в пекарне

Вечером 11 июня планово сошел с орбиты и сгорел в атмосфере грузовой корабль Cygnus OA-7 «Джон Гленн». После отстыковки от МКС он провел неделю в свободном полете, запустил четыре кубсата и устроил пожар на борту.

Точнее, это был эксперимент SAFFIRE-III — Spacecraft Fire Experiment (Эксперимент «огонь на корабле»). Третий по счету эксперимент был последним в серии и является отличным поводом поговорить об опытах с пламенем в невесомости.

Фотография Everyday Astronaut/Tim Dodd

Пожар на свалке

задача серии экспериментов SAFFIRE — сбор данных для создания компьютерных моделей распространения пламени по материалам, используемым на космических кораблях. Это позволит серьезно уменьшить опасность пожаров на кораблях будущего.

На МКС по соображениям безопасности нельзя проводить большие эксперименты с горением, поэтому SAFFIRE зажигали в заполненном мусором грузовом корабле, который и так должен был скоро прекратить свое существование. Конструктивно SAFFIRE представляет из себя большой ящик, в котором в потоке воздуха от вентиляторов поджигаются образцы.

Внешний вид SAFFIRE, фото NASA
Схема эксперимента, рисунок NASA В июне 2016, во время первого эксперимента серии, SAFFIRE-I, подожгли отрез ткани из смеси хлопка и стеклопластика размером 0,4х1 метр. Чтобы было понятно, насколько это много, предыдущий рекорд составлял 10 см.

Для того, чтобы посмотреть на поведение огня в различных условиях, вентиляторы в процессе эксперимента меняли направление движения воздуха.

А выглядело горение так:

В ноябре 2016, во втором эксперименте серии, SAFFIRE-II, сожгли девять небольших «карточек» из различных материалов, чтобы определить степень их огнестойкости и влияние толщины материала на распространение огня. На видео ниже показано горение оргстекла, из которого собираются делать иллюминаторы космических кораблей и термостойкого материала Nomex, использующегося и в земной спецодежде.

Ну и, наконец, в третьем эксперименте, прошедшем в начале июня, сожгли такое же полотно ткани, что и в первом, но при другой скорости воздушного потока. После первого эксперимента данные были введены в компьютерную модель, получены определенные результаты, и в третьем эксперименте проверялась предсказательная способность этой модели. Если скорость горения такого же материала при другой интенсивности обдува совпала с предсказанной компьютером, значит модель построили правильно. В целом же было обнаружено, что пламя распространяется медленнее, чем ожидалось. Оценка скорости пламени по маленьким образцам, которые сжигались в других экспериментах раньше, оказалась завышенной в три раза. И это не является однозначно хорошим открытием — такое медленное пламя может производить меньше дыма, из-за чего пожар могут обнаружить и начать устранять позже.

Почему образцы сжигались в условиях обдува воздухом? Дело в том, что в пилотируемых кораблях обязательно работают вентиляторы, чтобы в воздухе, который не перемешивается в невесомости из-за отсутствия конвекции, не возникли потенциально опасные для человека локальные концентрации углекислого газа.

Программа SAFFIRE не закончена, в процессе разработки находятся эксперименты IV-VI.

Порежь басы с пряностями

Несмотря на серьезные ограничения безопасности, на МКС хватает того, что можно зажечь с одобрения ЦУПа. Для того, чтобы ситуация не вышла из под контроля, на станцию еще в 2002 году привезли специальную перчаточную камеру MSG — Microgravity Science Glovebox.

Наземный аналог для тренировки, фото ЕКА В MSG есть немаленький изолированный объем, который используют для безопасной работы с жидкостями, опасными веществами и огнем. При необходимости в камере можно даже создать пониженное давление, чтобы в случае аварийной разгерметизации содержимое не стало разлетаться.

И в ней проводятся несколько экспериментов, связанных с огнем.

BASS — The Burning and Suppression of Solids («Горение и тушение твердых тел») занимается вопросами горения различных материалов. Исследуются плоские образцы 10 см х 1 или 2 см, стержни и части сферы.

Именно в этом эксперименте жгли оргстекло и хлопок со стеклопластиком, данные по горению которых уточняет SAFFIRE. Удается получить не только интересную информацию о поведении горящих материалов в невесомости, но и просто восхитительные фотографии:

Здесь и далее фото NASA

SPICE — Smoke Point in Coflow Experiment («Эксперимент максимальной высоты некоптящего пламени в спутной струе») исследует момент, когда газовое пламя начинает образовывать сажу. Это должно быть полезным для изучения распространения огня и механизмов образования сажи при горении материалов в невесомости. Развитием SPICE является эксперимент SLICE.

Эксперименты SAME и SAME-R изучают распространение дыма и проверяют работу датчиков дыма.

В целом за несколько лет количество проведенных экспериментов исчисляется сотнями.

Медуза из пламени

Оборудование эксперимента FLEX

Отдельная установка была доставлена на МКС для эксперимента FLEX — FLame Extinguishment Experiment (Эксперимент «Тушение огня»).

Он изучает горение жидкого топлива в условиях различного атмосферного давления и с возможным присутствием в воздухе углекислоты или гелия.

Именно в этом эксперименте были получены своеобразные «огненные медузы», которые по принципу функционирования скорее всего близки к пульсирующему воздушно-реактивному двигателю.
Наглядная схема работы установки и «медуза».

Также интересно отметить, что в некоторых случаях во время эксперимента появлялось холодное пламя. Обычное пламя при горении углеводородов производит сажу, диоксид углерода и воду. В холодном же пламени образуются угарный газ и формальдегид. Теоретически, полученные знания о холодном пламени могут помочь создать в будущем более эффективные двигатели внутреннего сгорания.

Свечи перед пультом

Справа — свеча, горящая в земных условиях По данным энциклопедии «Мировая пилотируемая космонавтика» первую свечу в невесомости попробовали зажечь в 1992 году в миссии шаттла STS-50. Свеча загорелась, но из-за отсутствия конвекции пламя получилось круглым и другого цвета. Примерно 80 свечей сожгли на станции «Мир».

Без притока воздуха из-за конвекции пламя может получать кислород только благодаря диффузии и обычно гаснет достаточно быстро из-за обеднения кислородом воздуха в непосредственной близости. Но, по некоторым источникам, рекорд длительности горения составил 45 минут вместо 10 в земных условиях. Пламя получалось настолько бледным, что 35-мм камере пришлось делать фотографии вместо видео.

Хорошо, что фото- и видеотехника с тех пор сильно шагнули вперед.

Секс, НЛО и пиромания

Про миссию шаттла STS-75 я рассказывал уже три раза. Им «повезло» еще за много лет до старта — в фейке про якобы эксперименты с сексом в космосе был именно их номер. Именно они запускали «спутник на веревочке», и кадры съемок этого спутника были приняты за НЛО. И один из экспериментов с пламенем в невесомости был проведен как раз в этом полете.

Член экипажа Джеффри Хоффман пошутил: Еще в бойскаутах я отличался пироманией. Я люблю пламя, а в невесомости оно ведет себя поразительно, совсем иначе [чем на Земле] В распоряжении экипажа была небольшая перчаточная камера, в которой зажгли обычную свечку для праздничного торта и сожгли несколько бумажных образцов.

На послеполетной пресс-конференции об экспериментах с пламенем начинают рассказывать с 8:17. Любопытно, что, когда поток воздуха шел справа налево, кусок бумаги вправо горел быстрее, чем влево, что противоречит земному опыту.

На 11 минуте очень красиво выглядят расходящиеся участки тления бумаги, один из астронавтов даже пошутил «не позволяйте этому вырваться из клетки».

В боевых условиях

Единственный настоящий пожар в невесомости произошел 23 февраля 1997 года на станции «Мир» — загорелась шашка регенерации кислорода.

Шашки регенерации, фото NASA
Обгоревшая шашка Огонь горел примерно 90 секунд, не нанес критических повреждений, но большие проблемы доставило задымление — не было понятно, насколько безопасно находиться на станции.

Космонавты сначала надели изолирующие противогазы, но у них был ограничен ресурс, и вскоре пришлось рискнуть и снова начать дышать воздухом станции. Уже потом на земле сожгли десятки шашек из этой партии, но не смогли повторить проблему, похоже, к пожару привел единичный дефект. Об аварии был снят очень неплохой фильм.

Заключение

Чем больше образцов сожгут на орбите во имя науки, тем меньше вероятность возникновения реального пожара и больше шансов, что его вовремя заметят и быстро ликвидируют. А бонусом к научным данным идут потенциально полезные на Земле знания и шикарные фотографии и видео.

Источник: https://habr.com/post/404609/

Как пламя горит в невесомости?

Горит ли свеча в невесомости. Материалы к уроку:будет ли гореть свеча в невесомости? Взрыв в пекарне

Как пламя горит в невесомости?

Многие естественные процессы в состоянии невесомости происходят совсем иначе. Одним из них является горение. В условиях отсутствия гравитации меняется поведение огня. Как и почему так происходит, стоит разобраться.

Как происходит горение в условиях гравитации?

Горение представляет собой химическую реакцию, во время которой происходит окисление, выделяется большое количество тепла, а также возникают продукты сгорания. Чтобы эта реакция состоялась, необходимо выполнение нескольких условий. Огню требуется кислород, горючее вещество, а также возможность отвода продуктов окисления из зоны возгорания.

Чтобы понять, как происходит данный процесс в привычных условиях, можно рассмотреть горение на примере свечи. Это поможет в дальнейшем сравнить пламя в невесомости.

Горение свечи на Земле

Итак, свечка состоит из хлопчатобумажного фитиля, а также воска, парафина или стеарина. Считается, что пламя образуется за счет возгорания фитиля, но на самом деле это не так. Горят непосредственно пары вещества, окружающие этот фитиль. Сама же нить требуется для того, чтобы направить горючее вещество вверх – в зону горения.

Материалы по теме:

Как спят космонавты в космосе?

Таким образом, соблюдаются все условия: кислород есть в воздухе, горючее вещество (воск) имеется, продукты сгорания (углекислый газ и водяной пар) выводятся из зоны.

Последний процесс объясняется тем, что нагретый и от этого менее плотный воздух поднимается вверх, выше холодного, а заодно уносит с собой и продукты сгорания.

Если, к примеру, поместить свечу в высокую емкость, то она перестанет гореть – воздух будет везде одинаково нагреваться.

Горение в невесомости

Наличие гравитации способствует образованию конвекционных потоков – разницы между теплым и холодным воздухом. Раскаленные частицы сажи, поднимаясь вверх, излучают свечение. Поэтому пламя имеет такую вытянутую форму и его можно рассмотреть.

В невесомости подобные конвекционные потоки не возникают. Так как частицы сажи не поднимаются вверх, пламя свечи имеет форму сферы. Спустя короткое время кислород в зоне горения свечи закончится. Вместо этого образуется большое количество угарного газа – окиси углерода. Горение пламени будет продолжаться в течение нескольких минут.

Материалы по теме:

Как невесомость влияет на здоровье космонавтов?

Горение свечи в невесомости

Также вызывает интерес изменение цвета пламени. В условиях действия гравитации свеча горит преимущественно желтым цветом за счет раскаленной сажи. При этом температура горения составляет 1227 – 1721 градусов Цельсия.

А в невесомости огню не хватает кислорода, поэтому наблюдается так называемое «холодное» горение, температура которого равна 227 – 527 градусов Цельсия. Сажа образуется в малом количестве, поскольку для этого требуется не меньше 1000 градусов. При этом выделяется водород, за счет которого пламя обретает голубой оттенок.

Интересный факт: если зажечь свечу и постоянно фиксировать на фото стадии ее горения, то можно заметить необычное явление. Сперва она загорится привычным ярко-желтым цветом, затем пламя станет наполовину голубым, а потом и полностью посинеет. Таким образом, чем меньше становится кислорода, тем сильнее меняет оттенок пламя.

Изучение поведения пламени в невесомости имеет огромное значение для космонавтики. Ученые и исследователи проводят различные опыты с этой целью. Они помогают повысить уровень безопасности космических аппаратов и космонавтов.

Материалы по теме:

Есть ли тень у пламени?

Например, на борту Международной космической станции в специальном отсеке проводятся опыты. Исследователи поджигают небольшие капли топлива и наблюдают за их поведением. Горение продолжается около 20 секунд. Топливный шарик окружает огненная сфера диаметром 2-4 мм.

Примечательно, что когда заканчивается видимое горение, наступает то самое «холодное», которое очень сложно рассмотреть. Но если обеспечить подачу кислорода или добавить топливо, пламя тут же вспыхивает снова.

Короткий ответ

В условиях невесомости пламя обретает форму сферы, поскольку из-за отсутствия гравитации не появляются конвекционные потоки (в нормальных условиях горячий воздух поднимается над холодным). Горение наблюдается в течение короткого времени.

Изначально пламя имеет желтый цвет, но вскоре оно обретает голубоватый оттенок, а затем становится полностью синим. Это связано с тем, что заканчивается кислород и существенно снижается температура горения – до 227 – 527 градусов Цельсия. Такое горение называют «холодным».

При этом образуется мало раскаленной сажи и выделяется водород, что и вызывает смену цвета огня.

Источник: https://kipmu.ru/kak-plamya-gorit-v-nevesomosti/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.