Урок из космоса. Физика невесомости.


2 711 0 Опубликовано: 21.04.2015 admin
{attr-title}


Земля.

«- ЦУП МКС один.

- На связи».

Голубая планета, колыбель человечества. Жизнь, основанная на законах физики, единых для всей Вселенной. Везде, куда может распространиться свет или звук, царит физика. Физика в основе всех природных явлений. Без знаний законов физики ракета не полетит, машина не поедет. Весь бескрайний космос - это тоже физика. Как только понимаешь ее законы, решаешь и космические загадки, их во Вселенной очень много.

Международная комическая станция - орбитальный дом на высоте 400 километров от Земли. Сегодня это самая большая научная лаборатория. И именно здесь, благодаря космонавтам, мы попробуем понять основные законы физики.

Путь до орбиты ракета преодолевает за девять минут. Старт и полет ракеты - это проявление законов, открытых физиком Исааком Ньютоном. Тело находится в состоянии покоя, пока на него не подействует какая-нибудь внешняя сила - это первый закон Ньютона. Ракета стоит на старте, она оторвется от земли в тот момент, когда заработают двигатели, то есть подействует реактивная сила. Старт ракеты - первый закон Ньютона.

Ракета уходит в небо с ускорением, двигатели развивают мощность, и скорость увеличиваются. Второй закон Ньютона – сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение. То есть, чтобы рассчитать подъемную силу ракеты, надо умножить массу ракеты на ее ускорение.

«Так как же устроена эта самая реактивная сила, которая позволяет ракете подняться, взлететь сначала в воздух, а потом, вообще, в космос? На этот вопрос дает ответ третий закон Ньютона - сила действия равна силе противодействия».

Земля действует на ракету силой притяжения, а во время старта ракета начинает действовать на Землю, при помощи двигателей – реактивной струи. И эта сила столь мощная, что позволяет оттолкнуть ракету от Земли - это третий закон Ньютона. Сила действия равна силе противодействия. И получается, что реактивное движение - это движение в противоположную, от отбрасываемой массы, сторону. Масса, которую отбрасывает ракета - это реактивная струя, в виде продуктов горения ракетного топлива.

Со временем ракета разгоняется так быстро, что развивает первую космическую скорость – 7,9 км/сек, и выходит на орбиту.

«При запуске любой ракеты-носителя говорится, что аппарат выведен на орбиту с наклонением таким-то. Наклонение орбиты Международной космической станции 51,6 градусов. Что это означает? 51,6 градусов северной, 51,6 градусов южной широт - это ограничение по Земле. Но мы летаем не по спирали, орбита космического аппарата - она постоянна. А за счет вращения Земли, вот, посмотрите, видите? Получается вот такая вот спираль».

Земля, как материальное тело, притягивает все, что вокруг, что крутится по орбите. Ели на орбите спутник или же другой космический аппарат, то Земля своей гравитационной силой притягивает этот объект к себе. У Земли есть сила притяжения – гравитационная сила. На станцию также действует центробежная сила, она направлена от центра Земли к станции, а сила, которая притягивает станцию к Земле, называется центростремительной силой. Она стремится к центру Земли, это сила притяжения. Эти две силы уравновешены.

В невесомости можно хорошо видеть центробежную силу в действии. Космонавт Максим Сураев раскручивает бинокль, который зафиксирован на резинке. Когда бинокль крутится, на него действует центробежная сила, и чем больше скорость раскрутки и масса бинокля, тем сильнее центробежная сила.

«Видите, прекрасно видно, как действует центробежная сила. То есть она действует от центра и оттягивает нашу резинку в сторону. Можно попробовать еще сильнее. Вот в этом заключается функция центробежной силы».

На Земле испытать центробежную силу можно на карусели. На каждого, кто катается по кругу, действует центробежная сила. Она словно уносит вас от центра. Получается, одна сила тянет от центра, вторая - к центру, и эти силы в момент движения уравновешены.

Разные физические шутки устраивают на орбите в невесомости космонавты. На орбите есть вот такие технические детали - металлические шарики. Взрослые дяди - космонавты, будто дети, играют в нескончаемые путешествия шарика по круговой орбите люка. Если бы все это было на Земле, на шарик действовала бы еще одна сила - сила веса, то есть сила притяжения. Вес - это масса, умноженная на ускорение свободного падения. Но и центробежная сила, она тоже есть. И на Земле шарик будет крутиться лишь до тех пор, пока центробежная сила будет намного больше веса, силы притяжения. Но как только скорость падает, центробежная сила тоже падает, и шарик не сможет дойти до верхней точки. Он начнет скатываться обратно под действием силы тяжести, собственного веса, и, в конце концов, остановится.

«Вот такая у нас развлекалочка есть».

Сила притяжения Земли равна произведению массы спутника на массу Земли, и деленную на квадрат расстояния между ними. То есть, чем дальше от Земли объект, тем сила меньше, потому что расстояние между ними растет. Так почему же орбитальная станция не падает, если на нее тоже действует сила притяжения?

«Дело в том, что мы постоянно падаем на Землю, но наша скорость настолько высока, что наш корабль постоянно промахивается за счет того, что Земля круглая».

Орбитальная станция летит с первой космической скоростью – 7,9 км/сек. Это скорость, чтобы оторваться от земли и вырваться на орбиту. Однако для полета к Луне необходимо набрать вторую космическую скорость – это 11,2 км/сек. А чтобы улететь еще дальше и выйти за пределы Солнечной системы, должна быть третья комическая скорость – 16,67 км/сек.

«Ну, надеюсь, лет через 10-15, возможно, новый российский корабль обязательно посетит не только околоземную орбиту, но и Луну, астероиды, и полетит дальше».

К помощи центробежной силы космонавты прибегают, чтобы перелить воду из одной емкости в другую. Просто так на орбите в невесомости жидкость не перельешь, приходится крутиться, создавая эффект центрифуги, чтобы чай из пакетика перетек в бутылку.

«Самое главное, кстати, между прочим, опять же, используя центробежную силу, я пытаюсь вытеснить воду в бутылку. Иначе она у меня разлетится по всему объему».

«Сила гравитации, которую мы ощущаем на Земле, она в космосе компенсируется силой центробежной. Поэтому все предметы находятся в состоянии невесомости. Вести себя будут так же, как и капля воды, вот я вам сейчас продемонстрирую. Совершенно нейтрально».

«Если мы обычно на Земле выпускаем воду, то она у нас в виде капли падает на землю. Как вы думаете, что произойдет, если выпустить воду в невесомости? Какую форму она приобретет? Наверное, вы догадались, наверно вы правы, это будет просто шар. Ну, давайте посмотрим. Форму шара примет вода, потому что действует сила поверхностного натяжения. Слушайте, классно, давайте еще раз».

Итак, любая жидкость в виде шарика - это поверхность минимальной площади. Маленькие молекулы воды, взаимодействуя друг с другом, образуют силу поверхностного натяжения. Каждая молекула тянет вою соседку к себе слева и справа таким образом, чтобы они были как можно ближе друг к другу. Так они выстраиваются в шарик.

«Получился у нас такой шарик. Видите? Никакие силы не действуют, поэтому вода на молекулы не разлетается. И за счет силы поверхностного натяжения наша водичка превратилась в шар».

В невесомости хорошо видно, что вода работает как линза, изображение, будто в линзе, преломляется, то есть переворачивается. Вот так. И уже в этой самой капле воды можно увидеть космонавта Олега Котова, только вниз головой.

Наш глаз, глаз человека, тоже работает как линза, к нам поступает вот такое же перевернутое изображение, как в этой капле. Однако, потом наш мозг преобразует его в нормальное. Лучи света, потоки информации, проходя через хрусталик глаза, отражаются на сетчатке. Нервные окончания посылают сигнал в мозг, который и воспринимает изображение в правильном виде.

Вселенная бесконечна, но за полвека полетов в ближний космос люди успели его замусорить. Поэтому на пути движения станции могут оказаться различные обломки, старые спутники, ступени ракет. Возникает необходимость уклоняться, обходить эти объекты. Периодически из-за торможения в верхней атмосфере станция опускается. Тогда корректируют орбиту, поднимая станцию выше.

«Проблема засорения мусором космоса в последние годы становится более острой. С каждым годом все больше фрагментов космических аппаратов вращается на околоземной орбите, тем самым иногда угрожая и Международной космической станции. За нашу экспедицию мы уже дважды уклонялись от фрагментов комических аппаратов».

Чтобы скорректировать орбиту, поднять ее и обойти препятствия, включают двигатели станции. В двигателе сгорает топливо, которое толкает станцию. Когда включают двигатель, получается импульс M на V. М - масса топлива, которая сгорит, V - скорость истечения этого топлива. Этот импульс передается станции, увеличивается скорость и станция поднимается выше.

«Все модули российского сегмента прилетели к МКС сами, на своих собственных двигателях. На каждом из российских модулей есть маршевые двигатели, которые используются для подъема, коррекции орбиты, а так же двигатели малой тяги, которые используются в основном для ориентации, стабилизации и для причаливания на ближнем участке».

Это Гомановский переход, названный в честь немецкого инженера Вальтера Гомана. Если увеличить скорость станции на 10 м/сек, через пол витка станция поднимется на 34 км. Правда, в орбитальной механике есть свои секреты - орбита замкнута, в первоначальной точке высота снова будет прежней - 400 км. Вальтер Гоман также установил, что по таким эллиптическим орбитам можно перелетать от одной планеты к другой, тратя минимум топлива. Такие перелеты получили название Гомановские. А что же происходит с космонавтами внутри станции, когда ее разгоняют, толкают?

«Мы находимся на МКС, и сейчас проведем эксперимент, показывающий, что при ускорении станции мы остаемся на месте относительно Земли».

Здесь царствует закон относительности Эйнштейна. Относительно Земли космонавт не ускоряется, а вот относительно камеры, которая его снимает внутри станции, космонавт улетает назад. А если он будет держаться за поручни, то вместе со станцией будет ускоряться относительно Земли.

«Начинаем. Все готовы? Камера зафиксирована. Камера показывает, как ускоряясь, МКС уносится в противоположную сторону от нас».

«И снова добрый вечер».

Для жизни и работы космонавтов внутри станции необходимы кислород и давление.

«Как известно, в космосе у нас воздуха нет, там вакуум. В станции по необходимости поддерживается то же давление и тот же состав атмосферы, что и на Земле, чтобы организму человеческому не надо было тут ни к чему привыкать. Каким образом осуществляется, вообще, вот такая возможность того, что здесь у нас такой же воздух, с такими же параметрами, с таким же давлением, как и на Земле. Ну, первое, конечно, и самое главное условие, это то, что корпус станции должен быть полностью герметичным. То есть воздух не должен выходить наружу. То есть дырочек, щелочек и всяких прочих нарушений герметичности быть не должно».

В космосе летает немало мусора, если что-то подлетит к станции и ударит по ней - может пробить обшивку. Поэтому для большей надежности оболочка станции покрыта специальной микрометеоритной защитой. Однако вероятность разгерметизации станции существует. Аварийная ситуация, в буквальном смысле, утечка воздуха. Воздух за считанные минуты уходит в безвоздушное пространство и космонавтам нечем дышать. Так что, чем раньше они обнаружат утечку воздуха, тем лучше.

Космонавты могут найти место утечки воздуха по звуку. Оказывается, любая дырка, любое отверстие, из которого выходит газ в безвоздушное пространство, образует звук. Если с одной стороны атмосфера, а с другой - вакуум, какое бы отверстие ни было, большое или маленькое, - это истечение атмосферы происходит со звуковой скоростью, 250- 300 м/сек. Скорость, с которой выходит газ в открытый космос.

«Кроме того, у экипажа, конечно же, есть и ручные средства, которые мы используем обязательно каждый день. Два раза в день мы контролируем по ним давление и докладываем обязательно, ведем запись и докладываем на Землю. Вот такие замечательные приборы называются мановакуумметр. По сути дела, это физически, это то же самое, что и барометр, вот, в физической лаборатории в каждой школе есть, но только более точный, более такой аккуратный и более правильный прибор. Вот здесь вот у него есть отверстие, через которое он сообщается с атмосферой, от того объема, в котором меряется давление. И вот эта стрелочка показывает давление, которое имеется. То есть, вот с помощью этого прибора экипаж тоже имеет возможность контролировать текущее давление, а так же судить о его изменении, если таковое возникнет».

Когда космонавты находят брешь в оболочке, самую микроскопическую трещинку, они ставят заплатку. Такая пробоина на станции «Мир» была, когда от столкновения с грузовым кораблем «Прогресс» произошла разгерметизация модуля «Спектр». Однако к этому космонавты готовятся еще на специальных земных тренировках, здесь главное - во время такую утечку устранить.

«Итак, давление по мновакуумметру в миллиметрах ртутного столба составляет на российском сегменте 745».

«Так, это мы двигаемся внутрь грузового корабля «Прогресс». Вот, примерно вот так он выглядит».

Вот в таких шарах-баллонах хранится и доставляется кислород, воздушные смеси, одним словом то, без чего нельзя жить на орбите. Объем станции так велик, что поддувать ее необходимо постоянно, пополнять воздушную среду отсеков из корабля «Прогресс».

«Вы тут летаете, а мы тут плюшками балуемся».

На Земле непрерывно идет естественное перемещение воздушных масс, процесс конвекции – перемешивания воздуха, то есть более теплые нагретые частицы поднимаются вверх. Это гравитационное взаимодействие. Горячий воздух легче холодного, он поднимается. За счет конвекции на Земле все время идет перемешивание атмосферы. Ничего подобного в невесомости нет.

«На станции довольно шумно из-за вентиляторов, которые мы используем для того чтобы доставлять воздух одним системам, которые очищают его, и затем распределять по всем отсекам».

На станции нет механизма конвекции. Дело в том, что человек выдыхает СО2, углекислый газ, и он весь остается вокруг выдыхающего человека. Поэтому, если не перемешивать воздух, можно задохнуться. Выдохнул, и вокруг космонавта все осталось, выдохнул второй раз - концентрация углекислого газа увеличивается, вдохнул – кислорода нет, кислород не поступает. Поэтому надо двигаться все время или сдувать этот воздух, обогащая его новой порцией кислорода.

«- ЦУП Москвы на связи. Выходим из тени.

- Хорошо. Не замерзли?

- Нет, комфортно».

А за пределами станции кислорода и вовсе нет. В открытом космосе человек не может жить без специальных устройств – скафандров. Однако работать на внешней стороне станции приходится часто. Космонавты устанавливают противометеоритные панели - защитную броню станции, проводят эксперименты в условиях вакуума, и выходят в открытый космос в специальных скафандрах «Орлан».

«Когда вы идете гулять на улицу, если за окном холодно, то вы одеваете куртку. А если на улице жара, то вы бежите в одной футболке или рубашке. А вы знаете, что за бортом Международной космической станции температура изменяется от +100 градусов на солнце, до -100 градусов в тени? И скафандр «Орлан» защищает нас и от таких больших перепадов температуры. Итак, вы думаете, а как же попасть внутрь? Мы не одеваем скафандр как куртку или пальто, или шубу. Мы входим в него. На ранце скафандра есть дверь, вот ее мы открываем и через нее входим внутрь скафандра».

Скафандр, словно миниатюрный космический корабль, в котором космонавт живет во время работы в открытом космосе. В скафандре на солнечной стороне космонавту не жарко, а в тени - не холодно. В космосе, в невесомости тяжелый скафандр, как пушинка, работать в нем нелегко, а вот поднимать тяжести проще простого. В невесомости веса нет, однако не надо забывать - масса остается. Поэтому переносят космонавты тяжелые предметы одним прикосновением, но помнят, если ударятся, будет больно.

«- Зеленый огонек горит.

- Принято».

Внутри скафандра поддерживается необходимое давление. Дышат космонавты более насыщенной кислородом смесью, потому что работа сложная и требует больше кислорода для питания организма.

«Подготовка к выходу в открытый космос занимает много времени. Необходимо проверить исправность систем скафандра, его герметичность. Герметичность люков станции, провести десатурацию. Это процесс дыхания чистым кислородом, предназначенным для выдыхания азота, накопившегося в нашей крови. Это необходимо, чтобы сохранить здоровье в процессе тяжелой работы. Ну и, наконец, нужно сбросить давление из шлюзового отсека и открыть выходной люк. И на все это мы тратим примерно два часа».

Внутри скафандра все та же физика - закон сохранения энергии. Когда космонавт работает - он выделяет энергию, повышается температура тела. Чтобы космонавт не вспотел, приходится снимать излишки тепла, то есть охлаждать космонавта. Поэтому для работы в открытом космосе надевают вот такие синие костюмы водяного охлаждения. Через костюм происходит терморегуляция в невесомости, контроль температуры за пределами станции. На станции - давление, за пределами ее - вакуум. Просто так открыть и выйти не возможно, тоже физика, поэтому давление создается в скафандре, при этом закрывается люк станции, а в переходном отсеке создаются условия открытого космоса. Только потом открывают люки для выхода.

«Люк один, и здесь вот еще есть люк второй. И вот эти люки, они открываются, и мы через них выходим. Почему, может быть, я так подробно рассказываю? Потому что буквально неделю назад я выполнил свой первый выход в открытый космос вот в этом скафандре, и он меня не подвел. А в этом скафандре выходил мой друг Сергей, мы с ним вместе. Но у Сергея это был уже третий выход, и вот мы вместе делали эту большую работу».

Все мы в нашем техногенном и технотронном мире должны быть немного физиками. Космос и невесомость позволяют глубже понять законы этой науки. То, что на Земле звучит в книжных формулировках, в космонавтике получает яркое воплощение. Единые физические законы верны и для Земли, и для Юпитера, и для всей Вселенной.