Космические исследования

Тема  «Космические исследования. Сварка в космосе».

Считаю тему актуальной,  потому что проводимые мною исследования направлены на установление логических связей  между  экспериментами по сварке в космосе  с закономерностями и процессами, изучаемыми в школьном курсе физики.

Цель работы: выяснить,  почему малые количества жидкости принимают сферическую форму, как на земле, так и в космосе.

Задачи:

·        определить опытным путем какую форму приобретает под действием гравитационных сил малое количество жидкости в сосуде;

·        установить связь между строением жидкости и эффектом поверхностного натяжения;

·        обосновать, как будет вести себя жидкость в условиях космоса.

Мы привыкли думать, что жидкости не имеют никакой собственной формы. Это неверно. Естественная форма всякой жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда, если налита в него. Находясь внутри другой жидкости такого же удельного веса, жидкость по закону Архимеда “теряет” свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на нее не действует – и тогда жидкость принимает свою естественную, шарообразную форму.

В основе моей работы - опыты бельгийского физика Жозефа Плато. Научная сфера деятельности ученого – теоретическая физика. Сформулировал проблему, носящую его имя - проблему Плато: «найти поверхность наименьшей площади, ограниченную данным замкнутым пространственным контуром».

(Включить видеофрагмент) В рамках исследовательской работы проведем опыт. Наливаем в прозрачный стакан  масло  на достаточную высоту.
Не торопясь, капаем  в масло каплю подкрашенной обыкновенными акварельными красками воды. Плотность растительного масла и чистой воды практически одинакова. Капля будет медленно оседать на дно. Мы использовали растворы нескольких цветов, и  в стакане с маслом возникла картина, напоминающая висящие разноцветные шары. (Пауза)

 Обратим внимание еще на один интересный факт. Силы поверхностного натяжения стремятся сократить площадь поверхности жидкости. Поэтому, если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, то жидкость приобретает сферическую форму. Шар при заданном объеме имеет наименьшую из всех возможных площадь поверхности. Например, масло внутри сосуда с разбавленным спиртом собирается в шар, который не тонет и не всплывает. Проверяем вышесказанное на опыте.

В пробирке налита вода и сверху давит слой масла. Доливаем внутрь пробирки небольшое количество спирта. При этом плотность смеси становится меньше, поскольку плотность спирта меньше плотности воды. Наблюдаем, что капля  плавает уже не возле поверхности жидкости, а ниже. Но она не тонет. Почему? Объяснение такое: внизу в пробирке вода плотность воды больше плотности масла, вверху смесь, у которой плотность меньше плотности масла. Сверху вниз плотность увеличивается. Поэтому капля плавает в том слое, где плотность смеси примерно равна плотности масла. (Конец видеофрагмента)

Работая с дополнительной литературой, выясняем, что в  состоянии невесомости можно получить большие капли-шары различных жидкостей, что и наблюдалось во время проведения опытов по электросварке в космосе.
Капли эти были из расплавленного металла.

Впервые мысль о выполнения работ по сварке и резке в космосе высказал Сергей Павлович Королев в 1965 г. Предполагалось, что сварка в космосе будет использоваться при ремонте различных космических аппаратов, сборке металлоконструкций.

В июле 1984 года космонавтами Светланой Евгеньевной Савицкой и Владимиром Николаевичем Джанибековым были впервые проведены эксперименты по электронно-лучевой сварке с выходом в открытый космос.

При таком виде сварки  давление пучка и реактивное давление паров металла стремятся вытеснить жидкую ванночку из зоны плавления. Поэтому очень важно было установить, сможет ли расплавленный металл удерживаться в шве или в полости реза при работе в невесомости. Эксперименты показали, что величина силы поверхностного натяжения при электронно-лучевой сварке вполне достаточна для надежного удержания металла и нормального формирования шва. Так же надежно выполнялась и резка. Причем расплавленный металл не удалялся из полости реза в виде капель, чего можно было опасаться, а локализовался на кромках разрезаемых листов. Такое свойство жидкости объясняется поверхностным натяжением: взаимодействием молекул воды между собой и с молекулами контактирующей с ними веществ (масла).  

Все сказанное позволяет сделать следующие выводы, что малое количество жидкости в сосуде под действием гравитационных сил приобретает форму сферы. В космосе любая масса жидкости стремится принять такую форму, при которой ее поверхностная энергия будет наименьшей, т.е. сферическую, так как в невесомости влияние гравитационных сил исчезает, поэтому возрастает роль межмолекулярных взаимодействий.

Результаты исследований могут быть использованы на уроках физики, как дополнительный материал. Данное исследование можно продолжить в направлениях изучения проявления поверхностного натяжения жидкости, например, способность металлических предметов плавать на поверхности жидкостей за счёт силы поверхностного натяжения.