Питання вікторини. Як поводяться в невагомості пісочний годинник? Пісочний годинник - сторінка №1 / 1
1.Як поводяться в невагомості пісочний годинник?
Пісочний годинник - найпростіший прилад, для відліку проміжків часу складається з двох судин, з'єднаних вузькою горловиною, один з яких частково заповнений піском. Час, за яке пісок через горловину пересипається в іншу посудину, може становити від декількох секунд, до декількох годин.
Пісочний годинник були відомі в далекій давнині. В Європі вони набули поширення в Середні століття. Одним з перших згадок про такому годиннику є виявлене в Парижі повідомлення, в якому міститься вказівка з приготування тонкого піску з порошку чорного мармуру, прокип'ячену у вині і висушеного на сонце. На кораблях застосовувалися чотиригодинні пісочний годинник (час однієї вахти) і 30-секундні для визначення швидкості корабля по лагу.
В даний час пісочний годинник використовуються лише при проведенні деяких лікарських процедур, в фотографії, а також в якості сувенірів.
Точність пісочного годинника залежить від якості піску. Колби заповнювалися відпаленого і просіяний через дрібне сито і ретельно висушеним дрібнозернистим піском. В якості вихідного матеріалу також використовувалися мелена цинкова і свинцева пил.
Точність ходу залежить також від форми колб, якості їх поверхні, рівномірної зернистості і сипучості піску. При тривалому використанні точність пісочного годинника погіршується через пошкодження піском внутрішньої поверхні колби, збільшення діаметра отвору в діафрагмі між колбами і дроблення піщаних зерен на більш дрібні.
В невагомості пісочний годинник, також як і годинник з маятником. працювати не будуть. Чому? Тому, що вони заісят від сили тяжіння, маятник НЕ буде гойдатися, піщинки Не буду падати, так як в космосі немає сили тяжіння.
2. Як виміряти масу тіла в космосі?
Отже ми знаємо, що Маса це фундаментальна фізична величина, яка визначає інерційні та гравітаційні фізичні властивості тіла. З точки зору теорії відносності маса тіла m характеризує його енергію спокою, яка згідно із співвідношенням Ейнштейна:, де - швидкість світла.
У ньютонівської теорії гравітації маса служить джерелом сили всесвітнього тяжіння, що притягує всі тіла один до одного. Сила, з якою тіло маси притягує тіло з масою, визначається законом тяжіння Ньютона:
або якщо бути більш точним. , Де - вектор
Інерційні властивості маси в нерелятивистской (ньютонівської) механіки визначаються співвідношенням. Зі сказаного вище, можна отримати принаймні три способи визначення маси тіла в невагомості.
Можна аннигилировать (перевести всю масу в енергію) досліджуване тіло і виміряти виділилася енергію - по співвідношенню Ейнштейна отримати відповідь. (Годиться для дуже малих тіл - наприклад, так можна дізнатися масу електрона). Але такого рішення не повинен пропонувати навіть поганий теоретик. При анігіляції одного кілограма маси виділяється 2 × 10 17 джоулів тепла у вигляді жорсткого гамма випромінювання
За допомогою пробного тіла виміряти силу тяжіння, що діє на нього з боку досліджуваного об'єкта і, знаючи відстань по співвідношенню Ньютона, знайти масу (аналог досвіду Кавендіша). Це складний експеримент, що вимагає тонкої методики і чутливого обладнання, але в такому вимірі (активної) гравітаційної маси порядку кілограма і більше з цілком пристойною точністю сьогодні нічого неможливого немає. Просто це серйозний і тонкий досвід, підготувати який ви повинні ще до старту вашого корабля. У земних лабораторіях закон Ньютона перевірений з прекрасною точністю для відносно невеликих мас в інтервалі відстаней від одного сантиметра приблизно до 10 метрів.
Подіяти на тіло з будь - якої відомої силою (наприклад причепити до тіла динамометр) і виміряти його прискорення, а по співвідношенню знайти масу тіла (Годиться для тел проміжного розміру).
Можна скористатися законом збереження імпульсу. Для цього треба мати одне тіло відомої маси, і вимірювати швидкості тіл до і після взаємодії.
Кращий спосіб зважування тіла - вимір / порівняння його інертною маси. І саме такий спосіб дуже часто використовується в фізичних вимірах (і не тільки в невагомості). Як ви, мабуть, пам'ятаєте з особистого досвіду і з курсу фізики, грузик, прикріплений до пружинці, коливається з цілком певною частотою: = (k / m) 1/2. де k - жорсткість пружинки, m - маса грузика. Таким чином, вимірюючи частоту коливань грузика на пружинці, можна з потрібною точністю визначити його масу. Причому абсолютно байдуже, є невагомість, або її немає. В невагомості зручно тримач для вимірюваної маси закріпити між двома пружинами, натягнутими в протилежному напрямку. (Можете для розваги визначити, як залежить чутливість ваг від попереднього натягу пружинок).
В реальному житті такі ваги використовуються для визначення вологості і концентрації деяких газів. Як пружинки використовується п'єзоелектричний кристал, частота власних коливань якого визначається його жорсткістю і масою. На кристал наноситься покриття, селективно поглинає вологу (або певні молекули газу або рідини). Концентрація молекул, захоплених покриттям, знаходиться в певній рівновазі з концентрацією їх в газі. Молекули, захоплені покриттям, злегка змінюють масу кристала і, відповідно, частоту його власних коливань, яка визначається електронною схемою (пам'ятаєте, я сказав, що кристал п'єзоелектричний). Такі "ваги" дуже чутливі і дозволяють визначати дуже малі концентрації водяної пари або деяких інших газів в повітрі.
Так, якщо вам доведеться побувати в невагомості, то пам'ятайте, що відсутність ваги, це не означає відсутність маси і в разі удару об борт вашого космічного корабля синці і шишки будуть самими справжніми :).
Чим відрізняється молоток, який використовується на орбітальної космічної станції від звичайного молотка?
У космосі не те що складно, а практично неможливо користуватися звичайним молотком. Це відбувається, тому що у нас на землі і в космосі різні гравітаційні умови. Наприклад: в космосі вакуум, в космосі немає ваги, тобто всі однакові, неважливо чи ти гудзик або космічна станція.
У космосі немає поняття верхньої та нижньої частини тому немає орієнтиру, щодо якого можна було б сказати, що там, де він верх а навпаки низ, природно можна за цей орієнтир взяти планету, наприклад сонце, але офіційно таке не прийнято, вважають що немає верхньої та нижньої частини.
Конструкція молотка на землі зроблена за принципом отримання більшої кінетичної енергії, тобто, чим більше швидкість замаху і маса самого молотка, тим сильніше удар.
На землі ми працюємо молотком використовуючи точку опори це - підлогу, підлогу тримається на землі, а земля це - низ, все притягається вниз. У космосі немає точки опори, немає низу, і всі мають нульову вагу, коли космонавт вдарить молотком, це буде виглядати як зіткнення двох тіл, у яких є кінетична енергія, космонавта просто почне крутити з боку в бік, а то чому він вдарив, відлетить в сторону, тому що вони самі по собі вони ні до чого «не прив'язані». З цього потрібно працювати молотком щодо чогось, наприклад можна закріпити молоток на корпусі того, чому треба вдарити, так що б молоток був не сам по собі, а мав точку опори.
Для робіт в космосі радянські фахівці винайшли спеціальний молоток. Більш того - цей молоток надійшов у продаж в 1977 році. Ви його зможете дізнатися за зручною рукоятці. Для того щоб остаточно переконатися, що молоток "космічний", потрібно вдарити по поверхні. На відміну від звичайних молотків він не відскакує після удару. Його ударна частина порожниста, а в порожнину насипані металеві кульки. У момент удару нижні кульки спрямовуються вгору, а верхні продовжують рухатися вниз. Тертя між ними розсіює енергію віддачі. Можна скористатися принципом преса, який прекрасно працює в невагомості, тому що там використовується зусилля, прес працює щодо станини, на яку закріплені циліндри. Саму станину треба закріпити на корпусі того предмета, з якого треба вдарити. Ось що виходить: «Молоток», який діє як прес, закріплений на корпусі космічного корабля. Якщо використовувати такий молоток можна забити або точніше задавити будь-який цвях або заклепку.
Чим відрізняється процес замерзання води на Землі і на космічній орбіті?
Подивіться на фазову діаграму води. Температура кипіння рідин залежить від зовнішнього тиску. При кімнатній температурі вода кипить, якщо тиск знизити приблизно до 0.07 атм. Тобто, якщо температура води кімнатна, то при 0.07 атм вода починає кипіти. При цьому в пароподібний стан переходять молекули води з найвищою енергією. За рахунок цього температура води знижується. Якщо тиск підтримувати постійним, то в кінці кінців вода охолоне до температури, коли вона перестане кипіти.
Однак якщо тиск нижче 610 Па (тиск потрійної точки води), то вода не може перебувати в рідкому стані - або лід, або пар. Тому при дуже низьких тисках велика частина води випаровується, а час, що залишився перетворюється в лід. Наприклад (див. Фазову діаграму) при тиску 100 Па межа розділу між льодом і парою проходить приблизно при 250K. Тут треба дивитися закон розподілу молекул за швидкостями. Припустимо від ліхтаря, що 5% самих повільних молекул води мають середню температуру 250K. Значить при тиску 100 Па випарується 95% води, а 5% перетвориться в лід, причому температура цього льоду буде 250 К.
Ці міркування, звичайно, не враховують будь-яких тонкощів типу прихованої енергії фазових переходів, перерозподіл молекул за швидкостями при охолодженні, однак думаю, що якісно вони правильно описують процес.
У космосі тиск істотно нижче, проте не дорівнює нулю. А крива розділу льоду і пари на фазовій діаграмі при зниженні тиску йде в точку (T = 0; P = 0). Тобто при будь-якому як завгодно малому (але ненулевом) тиску температура сублімації льоду ненульова. Це означає, що переважна частина води випарується, але якась мікроскопічна її частина перетвориться в лід.
Тут є ще один нюанс. Космос пронизаний випромінюванням з температурою приблизно 3 K. Це означає що охолодитися нижче 3 K вода (лід) не зможе. Тому підсумок процесу залежить від тиску сублімації льоду при температурі 3 K. Оскільки межа сублімації прагне до нуля за дуже крутий експоненті
P = A exp (-k / T), причому A порядку 10 ^ 11 Па, а k приблизно 5200,
то тиск сублімації при 3 К експоненціально мало, тому вода повинна випаруватися вся (або лід сублімувати весь, якщо хочете).
