Физика в невесомости

Презентация подгото
«Гимназия «Альма-М
«Невесомость – это явление для всех жителей Земли странное. Я
оторвался от кресла, насколько это позволяли привязные ремни, и
как бы повис между потолком и полом кабины, испытывая
исключительную лёгкость во всех членах. Всё вдруг стало делать
легче. И руки, и ноги, и всё тело стали будто не моими. Они ничего
не весили. Не сидишь, не лежишь, а как бы висишь в кабине».
Юрий Гагарин
IV век до н.э. греческий философ Аристотель, обобщив
все имевшиеся в то время знания, заявил:
«Невесомость, а также пустота – неестественны, а
потому невозможны».
Лишь в 1636 году Галилео Галилей в
своей работе «Беседы и математические
доказательства о двух науках» опроверг
ошибочные выводы Аристотеля,
предположив, что невесомость должна
существовать.
1687 год. Великий Ньютон в своей работе
«Математические начала натуральной философии»
выводит фундаментальные законы движения и закон
всемирного тяготения. Впервые явление невесомости
получило научное обоснование.
1883 год. Русский ученый Константин Циолковский
в своей монографии «Свободное пространство»
дал описание и анализ явлений в состоянии
невесомости
По закону всемирного тяготения на Земле на тело массой m действует
Fт, которая равна:
𝟐
Fт = GMm/𝑹
M – масса Земли; R - радиус Земли; G- гравитационная
постоянная.
Если на тело действует только Fт, а все другие силы уравновешены,
то тело совершает свободное падение. По II закону Ньютона модуль
ускорения свободного падения
g= Fт/m = GM/𝑹𝟐 = 9,81 м/с
NB! Т.к. Земля не шар, а эллипс, то ее полярный радиус <
экваториального → g пол > g экв.
Ускорение свободного падения g всегда направлено к центру Земли
не зависит от m падающего тела, т.е. для всех тел одинаково∶
Fт = mg
Силу, c которой вследствие притяжения к Земле тело действует
на свою опору или подвес, называют весом тела ( P ) В отличие от
силы тяжести, являющейся гравитационной силой, приложенной к
телу, вес - это упругая сила, приложенная к опоре или подвесу. По III
закону Ньютона известно, что при взаимодействии оба объекта
испытывают действия сил. Причем эти силы равны по величине и
противоположны по направлению. Если тело и опора (подвес)
относительно Земли покоятся либо
движутся равномерно (т.е. находятся в
состоянии свободного падения), то
a =0
P = - F упр
Fт
Fупр
Р
P = Fт = mg
Fт = - F упр
Если же тело движется ускоренно, то его вес зависит от значения
этого ускорения и от его направления относительно направления
O ускорения свободного падения.
По II закону Ньютона при движении тела
массой m под действием силы тяжести Fт с
ускорением а выполняется равенство:
Fт + Fупр = ma
P = - Fупр
Fт = mg
Fт
a
g
Fупр
Y
Р
P = Fт – ma
P = mg – ma
P = m(g – a)
Если ускорение a сонаправлено с ускорением свободного падения g,
вес тела Р уменьшается: P = m (g - a) - движение вниз; если а
направлено против g, вес тела Р увеличивается: P = m (g + a)
Условия возникновения невесомости
Отсутствие сил взаимодействия тела с опорой (Р -вес/сила
давления на опору) и опоры с телом (F упр – сила реакции
опоры). а= g, P = m(g-a), значит Р = 0
Движение тел происходит только под воздействием
ускорения свободного падения g
Поле силы тяжести должно быть однородно, чтобы все
частицы тела получали одинаковое по модулю и направлению
ускорение
Невесомость – это физическое состояние, при
котором система тело/опора под действием силы
тяготения движутся с одинаковым ускорением
свободного падения, а силы взаимодействия
между телом и опорой отсутствуют
Невесомость на Земле
Каждый из нас, безусловно, знаком с состоянием невесомости. Кто
из петербуржцев не проезжал на машине, двигаясь вдоль
Дворцовой набережной, по Лебяжьему мосту? Все, наверное,
помнят состояние, когда внутри тебя что-то замирает, и ты будто
проваливаешься в яму. Это и есть то самое ощущение невесомости,
вызываемое отсутствием силы реакции опоры (N) в верхней точке
моста. В этом случае равнодействующей центростремительной силы
является только сила тяжести Fт, т.е.
.
mg- N = ma
N=0;
𝑽𝟐
g= , значит,
𝑹
V=√𝒈R, где
V – скорость автомобиля;
R- радиус моста.
Параболические полеты
Состояние невесомости
можно создать на борту
самолета, который совершает
полет по специальной
траектории, параболе Кеплера:
На высоте около 6000 м
начинается резкий набор
высоты до 7600 м. Затем пилот
уменьшает тягу двигателя
практически до нуля и
направляет самолет по
по параболической траектории. На высоте 8000 м самолет достигает
максимума параболы и начинается его свободное падение, тяга
двигателей при этом компенсирует только сопротивление воздуха. В
течение почти 20 секунд в самолете
наблюдается невесомость. Затем пилот выравнивает самолет, снова
включает двигатель, и самолет опять летит горизонтально.
Чтобы преодолеть силу земного притяжения и
вывести космический аппарат на орбиту Земли, ракета
должна лететь со скоростью не менее 7,9 км/сек, т.е.
c первой космической скоростью. Она высчитывается
по формуле:
V= √Rg,
где R – радиус Земли, g –ускорение свободного
падения.
Аппарат, которому сообщается первая космическая
скорость, после отрыва от Земли становится
искусственным спутником, то есть двигается вокруг
планеты по круговой орбите.
После выключения двигателей ракеты давление на
опору и реакция опоры полностью исчезают. Исчезают
и привычные для человека направления верха и низа,
а незакрепленные предметы свободно плавают в
воздухе.
В пределах ракеты поле тяготения практически
однородно, а это значит, что на все частицы ракеты
одновременно действуют равные силы.
Невесомость
Статическая
Динамическая
Вызвана движением (скоростью).
Длительная невесомость
возникает во время космических
полетов, кратковременную
можно наблюдать на Земле:
параболические полеты
самолетов, парашютные прыжки,
прыжки на «Таранки».
Вызвана большим удалением
от небесных тел из-за
ослабления притяжения
Физика в невесомости
*I закон Ньютона (закон инерции).Количественная мера инертности
тела – масса тела. Инерция - это сила, равная произведению массы
на ускорение. Пока не будет приложена иная сила тело,
находящееся в покое, будет оставаться в покое, а движущееся тело
будет продолжать двигаться (скорость V не меняется). Опыты,
проведенные во время космических полетов это подтверждают:
если толкнуть парящий в невесомости предмет, он начнет
двигаться с большей скоростью.
*II закон Ньютона гласит, что ускорение, приобретаемое телом
прямо пропорционально действующей силе и обратно
пропорционально массе: a =
𝑭
𝒎
F = ma. Действие этого
закона подтверждает тот факт, что космонавты, разгружая
полученные грузы, устают не меньше, чем на Земле.
*III закон гласит, что сила действия равна силе противодействия:
F1 = - F2. И это совершенно справедливо. Доказательством этому
служат синяки космонавтов, полученные при столкновениях с
тяжелыми предметами.
Советский космонавт Владимир Джанибеков во
время полета на корабле «Союз Т-13» (1985)
обратил внимание на эффект, необъяснимый с
точки зрения современной механики и
аэродинамики. Наблюдая за полетом гайки в
кабине, космонавт заметил странные
особенности ее поведения. Оказалось, что при
движении в невесомости вращающееся тело
через строго определенные промежутки времени меняет ось
вращения, совершая переворот на 180°. При этом тело продолжает
равномерное и прямолинейное движение. Джанибеков предположил,
что подобные “странности поведения” реальны и для всей нашей
планеты. Это значит, что можно по-новому представить трагедии
прошлых и предстоящих глобальных катастроф на Земле. Ученые
теоретически доказали закономерность «эффекта Джанибекова», и
открытие космонавта обрело свое практическое значение. Было
доказано, что изменения оси вращения Земли являются
закономерными событиями в истории планеты. Стала более понятной
природа таких катаклизмов, как тайфуны, ураганы, потопы и
наводнения, связанные с глобальными смещениями атмосферы и
гидросферы планеты.
Влияние невесомости на вещества
Твердые вещества
В твердых телах атомы и
молекулы располагаются в
строго определенном
порядке, и сила тяжести
(вес) не может оказать
существенного влияние на
процессы, но позволяет
создавать надежные
конструкции больших
габаритов.
Жидкости и газы
При отсутствии силы тяжести и
Архимедовой силы наблюдается:
*Отсутствие конвекции и возрастание
роли диффузии: например, отсутствие
конвекции способствует
формированию менее горячего
пламени с округлой формой. В
отличие от земных условий,
разогретый и менее плотный воздух
не поднимается вверх.
*Возрастание роли силы
поверхностного натяжения
(капиллярной силы)
Невесомость в практических целях люди стали
использовать относительно недавно. Первым это
сделал в 1782 году купец из Бристоля Уильям
Уоттс. Он взял патент на производство свинцовой
дроби путём сбрасывания капель расплавленного
свинца с высокой башни. Падая, капли будут,
подобно градинам, становиться круглыми и
застывать. Рабочим надо будет только подбирать с
пола твёрдую дробь. Через три года, в 1785 году,
он построил башню высотой 27 метров, где открыл
новую мастерскую. Дела Уоттса пошли хорошо, и
он разбогател. А его изобретение до сих пор
используют для производства круглых шариков.
Дроболитейная башня Сверхприбыльная технология Уоттса имеет чисто
Уоттса. Бристоль
физическое объяснение. Любая жидкость
ограничена поверхностью раздела, который отделяет ее от других
сред. Поверхностная энергия вызывает появление сил поверхностного
натяжения, стремящихся сократить поверхность раздела и,
соответственно, свою потенциальную энергию. Поэтому жидкость,
находящаяся в невесомости, будет принимать форму шара, поскольку
поверхность шара минимальна среди всех поверхностей,
ограничивающих заданный объем.
Выращивание кристаллов в невесомости
*Отсутствие силы тяжести позволило
вырастить монокристаллы полупроводник ( селенид
германия и теллурид германия) размером в 10 раз
больше, чем на Земле. К тому же эти кристаллы
имели гораздо меньше дефектов кристаллической
решетки.
*При отсутствии конвекции кристаллы, выращенные из
растворов, не испытывают колебаний в скорости роста. Это приводит
к отсутствию полосчатости и высокой однородности кристаллов.
Такие кристаллы обладают высокой прочностью и структурным
совершенством.
Монокристаллы полупроводников и диэлектриков широко
используются в таких важных отраслях как электроника,
магнитооптика, лазерная техника, и во многих других приложениях.
В настоящее время миниатюризации всех видов электронной техники
к кристаллам предъявляются все более высокие требования, а
невесомость позволяет их удовлетворить.
Производство сплавов металлов
В условиях невесомости становится
возможно создание однородных
сплавов, состоящих из компонентов с
разной плотностью и с различными
t°плавления. На Земле такие смеси не
могут быть устойчивы из-за силы
Архимеда. Особый класс сплавов такого
типа – это магнитные материалы, в том
числе новые сверхпроводники.
В эксперименте на станции «Скайлэб» были получены сплавы из
компонентов, которые плохо смешиваются в земных условиях. В трех
ампулах были размещены заготовки из сплавов золото–германий,
свинец–цинк–сурьма, свинец–олово–индий. В космических условиях
образцы подвергались переплавке несколько часов, выдерживались
при температуре выше точки плавления, а затем охлаждались.
Доставленные на Землю образцы обладают уникальными свойствами:
однородность материалов оказалась выше, чем у контрольных
образцов, полученных на Земле, а сплав золота с германием оказался
сверхпроводящим.
Производство сверхпрочного стекла и граданов
1. Благодаря отсутствию свободной конвекции при производстве
стекла стало возможным:
* Обеспечить стабильность жидких смесей, компоненты которых
сильно различаются по плотности, например: стекло (𝝆 = 2500
кг/м𝟑 ) и золото (𝝆= 19300 кг/м𝟑 ).
*Уменьшить вероятность появления случайных центров
кристаллизации и улучшить однородность.
2. Благодаря преобладающей роли капиллярных сил в невесомости
стало возможным:
*Придать жидкому расплаву перед затвердеванием необходимую
форму (волокна, пленки).
*Осуществлять бесконтейнерное плавление, таким образом
уменьшив поступление со стенок тигля нежелательных примесей.
Граданы используются в оптических приборах с повышенными
требованиями к качеству изображения.
Сверхпрочное стело используется для изготовления
твердотельных лазеров, устойчивых к химически активным
средам.
Производство композиционных материалов и
пенометаллов
Композиционными материалами или композитами, называют
искусственно созданные материалы, которые состоят из основного
связующего материала и прочного армирующего наполнителя.
Сюда же относятся и пенометаллы, т. е. металлы, в объеме
которых содержится большое количество равномерно
распределенных газовых пузырьков. По сравнению с
образующими их компонентами композиционные материалы
обладают новыми свойствами – повышенной прочностью при
меньшем удельном весе. Попытка получить в наземных условиях
композиты с основой, находящейся в жидком состоянии, приводит
к расслоению материала. Приготовление композитов в
космических условиях может обеспечить более однородное
распределение армирующего наполнителя.
Выводы
Изучение физики невесомости крайне важно как в
теоретическом, так и в прикладном отношении:
*Подтверждает универсальность законов механики, открытых
Ньютоном;
*Дает экспериментальное основание для теоретического развития
физики;
* Дает возможность использовать невесомость в практических целях
(для производства новых материалов и разработки новейших
технологий).