uzluga.ru
добавить свой файл

12f1046 команда «Ньютон»

Вопрос 1.

Что общего и в чем различия между скафандром космонавта и костюмом водолаза? Какие законы физики должны обязательно соблюдать проектировщики?


Скафандр:

Известно, что с удалением от поверхности Земли барометрическое давление снижается. Если нормальное давление на уровне моря равно 760 мм ртутного столба, то уже на высоте 12 км оно снижается в 5 раз, а на высоте 50 км — в 1000 раз. На высоте полета орбитальных космических кораблей давление равно примерно 10-6—10-8 мм рт. ст., то есть оно в миллиарды раз меньше, чем на Земле.

Кислород, жизненно необходимый человеку, поглощается им из вдыхаемого воздуха и одновременно в процессе дыхания из организма удаляется углекислота. Для этого даже в состоянии покоя человек прокачивает через свои легкие до 450 литров воздуха в час. Содержание кислорода в атмосфере составляет 21% по объему и остается практически постоянным на разных высотах. Поэтому на долю кислорода всегда приходится примерно пятая часть атмосферного давления, у поверхности Земли это составляет 160 мм рт. ст. И все наши сложные физиологические системы миллионами лет эволюции приспособились к поглощению кислорода именно при таком давлении.new_142316

С подъемом на высоту падает общее барометрическое давление, а вместе с ним уменьшается парциальное давление кислорода (часть общего давления смеси газов, обусловленная данным газом или паром). Наступает «кислородное голодание»: чтобы получить необходимое количество кислорода, человек начинает, дышать, более часто, и глубоко, а если и в этом случае кислорода оказывается слишком мало, теряет сознание. В нашем организме практически нет запасов кислорода, поэтому если без пищи человек может прожить месяцы, без воды — до 14 суток, то без кислорода — максимум несколько минут.x_1c928723


Кроме кислородного голодания, есть и другие факторы, затрудняющие или делающие невозможным пребывание человека в условиях пониженного давления. Так, в частности, с понижением атмосферного, то есть внешнего, давления до уровня, соответствующего высоте 7—8 км, растворенный в тканях организма азот, переходит в газообразное состояние. Появившиеся пузырьки газа могут нарушить кровоснабжение жизненно важных органов или вызвать боли, оказывая механическое давление на нервные окончания (декомпрессионные расстройства). На еще больших высотах может произойти закипание жидких сред организма. Вода, содержащаяся в тканях, уже при давлении около 47 мм рт. ст. (это соответствует атмосферному давлению на высоте 19,2 км) закипает при 37°С, то есть при нормальной температуре тела.

Чтобы предотвратить кислородное голодание к вдыхаемому воздуху добавляют кислород, увеличивают его процентное содержание с таким расчетом, чтобы парциальное давление кислорода составляло привычную для человека величину — 160мм рт. ст. Для этого, в частности в авиации, используют кислородно-дыхательную аппаратуру в комплекте с маской или гермошлемом. Однако уже на высоте 12 км, где общее давление составляет всего 145 мм рт. ст., даже чистый кислород не может создать необходимого парциального давления. А на высоте 16 км при дыхании чистым кислородом человек теряет сознание уже через 15 секунд.

Из всего оказанного нужно сделать такой вывод: для полетов на больших высотах необходимо увеличить общее давление газа, в котором находится и которым дышит человек, то есть нужно создать вокруг человека среду с избыточным давлением, превышающим атмосферное давление на данной высоте. Это одна из главных задач, которая решается с помощью скафандра. Герметичная оболочка скафандра изолирует человека от внешней среды, а внутри скафандра создается искусственная атмосфера с избыточным давлением и необходимым газовым составом.


Водолазный костюм:

Свидетельства об использовании дыхательных приспособлений при погружениях под воду восходят к временам Аристотеля (к 4 в. до н.э.), но первый практически пригодный «скафандр» – водонепроницаемая оболочка из кожи с объемом 1,7 м3 воздуха внутри нее, позволяющая водолазу совершать свободные движения, – был изобретен в Англии в начале 18 в. В 1819 А.Зибе предложил то, что, вероятно, оказалось прототипом современного глубоководного водолазного снаряжения.

Изменения давления. На земной поверхности на тело человека действует давление приблизительно в 1 кг/см2 (~0,1 МПа). Чтобы водолаз смог выдерживать повышенное внешнее давление, важно, создать, ему, рабочие условия, подобные в некотором отношении тем, в каких он пребывает на земле. Это достигается подачей дыхательной смеси под тем же давлением, что и давление в окружающей воде. При этом давление в теле водолаза и давление внешней среды оказываются равными.


Атмосферное давление. Объем газа уменьшается пропорционально увеличению давления на него (при постоянной температуре). На глубине в 10 м давление вдвое выше, чем на поверхности, и газ займет там лишь половину своего первоначального объема (если пренебречь разностью температур). Поэтому подавать на такую глубину воздух нужно, не только повышая давление, но и поставляя его в удвоенном количестве, чтобы заполнить воздухом под водой тот же объем, который он занимал при атмосферном давлении.post-3-12730438898461

Важность сохранения достаточного объема воздуха можно отчетливо представить себе на примере выхода водолаза в воду из судна, которое находится на заданной глубине. При этом объем воздуха в мягком водолазном костюме может так уменьшиться, что воздух не заполнит жесткого шлема. Тогда на тело водолаза, общая площадь поверхности которого равна приблизительно 12 900 см2, начнет действовать сила в несколько тонн. В действительности погружения на малых глубинах опаснее погружений на больших глубинах. Так, при погружении с поверхности на глубину 10 м внешнее давление удваивается, и объем воздуха в водолазном костюме становится в два раза меньше, а при погружении с 50-метровой до 60-метровой глубины внешнее давление возрастает лишь на одну седьмую от начального значения и так же уменьшается объем воздуха вокруг водолаза. Когда водолаз говорит, что ему приходится работать «как в тисках», что значит, давление внутри водолазного костюма меньше давления окружающей воды.003

Газовые смеси. При повышении давления следует учитывать воздействие отдельных компонент дыхательной смеси. Закон о парциальных давлениях (закон Дальтона) гласит, что общее давление смеси газов равно сумме тех давлений, которые по отдельности имели бы ее компоненты, если бы каждая из них одна занимала весь объем смеси. При атмосферном давлении воздух представляет собой смесь газов, состоящую (по объему) из 79% азота, 20,96% кислорода и малых долей других газов. Соответственно в общем давлении 0,1 МПа смеси вклад от азота (79%) равен 0,079 МПа, а от кислорода (20,96%) – 0,02096 МПа. На глубине 40 м парциальное давление кислорода таково, каким оно было бы в атмосфере, если бы мы дышали чистым кислородом. Учет парциального давления кислорода очень важен, так как при повышенном давлении кислород токсичен.

Погружение без дыхательного аппарата. При нырянии без снаряжения – как это делают ловцы жемчуга – человек целиком зависит от количества воздуха, которое он набирает в легкие на поверхности, чтобы под водой обеспечить равенство внешнего и внутреннего давлений. Глубина, до которой может погрузиться ныряльщик, определяется разностью максимального объема легких после вдоха и их минимального объема после самого сильного выдоха. Перед погружением с поверхности ныряльщик набирает в легкие как можно больше воздуха; когда он движется вглубь, объем его легких под действием растущего давления воды постепенно уменьшается, пока не дойдет до того минимума, который бывает на поверхности при самом мощном выдохе. Если после этого ныряльщик пойдет еще глубже, то может произойти баротравма легких.

fe14034d4b228e706c783f2bcdc5bd13


Вопрос 2.

Кто и когда придумал батискаф?


БАТИСКАФ – самоходный автономный обитаемый подводный аппарат, рассчитанный на большие глубины погружения, вплоть до предельных глубин океана.



Батискаф, созданный американской компанией Triton Submarines


Конструктивной особенностью Батискафа является наличие "поплавка" с легковесным заполнителем, служащего для создания требуемой плавучести. Необходимость "поплавка" вызвана большой относительной массой прочности корпуса (отношением массы корпуса к его водоизмещающему объему), которая при современных прочностных характеристиках конструкционных материалов близка к плотности воды или превышает ее; поэтому плавучесть прочного корпуса либо недостаточна, либо отрицательна.

Из-за больших объемов "поплавка" водоизмещение Батискафа достигает 200 — 300 т, хотя объем прочного корпуса составляет 5 — 8 куб. м.



Батискаф. Рисунок из Словаря Академиан


К точке погружения Батискаф буксируется судном обеспечения подводно-технических работ. Погружение и всплытие Батискафа, а также регулирование скорости погружения осуществляются изменением плавучести Батискафа: выпуском части жидкого легковесного заполнителя из маневровой цистерны или порционным сбрасыванием расходного твердого балласта (стальная дробь) из специальных бункеров, снабженных электромагнитными клапанами.


Идея создания Б. и его практическая реализация принадлежат О. Пикару (Батискаф "FNRS-2", 1948). Впоследствии были созданы и неоднократно модернизировались Батискафы "FNRS-З" (1953), "Триест" (1953), "Архимед" (1961). При погружении в Марианской впадине 23 января 1960 г. на Батискафе "Триест" была достигнута рекордная глубина 10919 м.



Огюст Пикар – изобретатель батискафа


В начале 1930-х годов мир взволновало событие, равного которому не знало человечество: исследователь в гондоле воздушного шара поднялся на высоту 17 километров, а потом вошел в кабину батискафа и опустился в нем на три километра под воду. Это был швейцарский ученый и инженер Огюст Пикар, снискавший славу профессора "Вверх и вниз".

«Мой сын подхватил эстафету», - говорил профессор друзьям, отрываясь от чертежей нового батискафа. Но сын не только участвовал в конструкторских разработках отца, но и занял место рядом с ним в гондоле батискафа. Вместе они опустились на три километра под воду, а затем эстафета рекордов перешла от отца к сыну: 5 и 7 километров и, наконец, - предельная глубина Мирового океана - больше 11 километров!

Новому батискафу дали "имя" «Триест». Он представлял собой стальную сферу на два-три человека, собранную на особом клею из трех фрагментов подвешенную к громадному поплавку длиной 15 метров. Поплавок заполнялся сотней тысяч литров авиационного бензина, удерживающего прочную сферу на поверхности. Для погружения надо было принимать в балластные цистерны воду и в особые бункеры - свинцовую дробь. Перед всплытием следовало удалять из цистерн забортную воду, а из бункеров - сбрасывать дробь.



Батискаф «Триест-2»: б — продольный разрез: 1 — отсеки плавучести с бензином; 2 — носовая балластная цистерна; 3 — кормовая балластная цистерна; 4 — контейнеры аккумуляторной батареи; 5 — электродвигатель; 6 — обтекатель входной шахты; 7 — люк; 8 — шахта научного оборудования; 9 — гидролокатор; 10 — носовой контейнер с дробью; 11 — светильники; 12 — съёмочная камера; 13 — прочная сфера; 14 — иллюминатор; 15 — люк; 16 — маневровая цистерна; 17 — подводный телефон; 18 — телевизионная камера; 19 — эхолот; 20 — гайдроп; 21 — кормовой контейнер с дробью.1


Изобретение заинтересовало Соединённые штаты Америки, и в 8.23 утра 23 января 1960 года "Триест" начал погружение.

Через полчаса, на глубине 170 метров, аппарат пошел вниз ровнее, а перед этим он четыре раза подскакивал, раскачиваемый внутренними волнами. Время от времени черная мгла за иллюминаторами освещалась скоплениями фосфоресцирующего планктона. Давление на корпус росло лавинообразно и на глубине 7 тысяч метров достигло 700 килограммов на квадратный сантиметр!

Пикар и Уолш зашли за черту, за которой еще никогда не был человек.

За мгновение до касания дна в светлый круг прожектора вплыла... рыба! Длиной сантиметров 30. Это была подлинная сенсация! Ведь жизнь, вездесущая жизнь, и здесь - в бездне! Значит, и сюда, в эту мрачную, страшную пропасть попадает кислород. Значит, течения перемешивают весь океан и потому океанские глубины не должны быть превращены в свалку радиоактивных отходов!

Рыба медленно плыла по дну. И тут к ней присоединилась... темно-красная креветка! Кто еще живет в этой кошмарной пучине?

Пикар и Уолш ощутили мягкий толчок о дно. "Триест" замер. Люди внутри сферы еще не верили, что путешествие по вертикали, длившееся почти 6 часов, завершено! Жак Пикар взял микрофон звукоподводной связи и возвестил миру о победном финише. Ответ пришел через 13 секунд: «Слышим вас хорошо. Поздравляем с успехом!»

Манометры показывали давление 1156 атмосфер. Однако поправки на соленость, сжимаемость воды, температуру и силу тяжести на данной широте уменьшили эту цифру до 10 916 атмосфер плюс-минус 50 метров. Несомненно,батискаф покоился в самой глубокой точке котловины Челленджер!



Марианская впадина

Всего 20 минут отвела судьба спокойному самочувствию экипажа в этом уникальном месте. Легкий треск снаружи сферы вызвал мгновенную реакцию Пикара: он моментально отключил ток от электромагнитных замков на бункерах с балластной дробью. Тысячи шариков ссыпались на дно. Батискаф ринулся кверху и в 13.30 оказался в ста метрах от грунта! Легкий треск, о котором упоминалось выше, произошел от разрушения плексигласового иллюминатора, что не представило никакой опасности для людей.

Их путь наверх занял 3 часа 27 минут. У самой поверхности Жак выпустил солидную порцию бензина из поплавка - и не напрасно: "Триест" набрал такую скорость всплытия, что мог бы вылететь из воды и грохнуться о ее поверхность! С эскадренного миноносца «Льюис» уже заметили аппарат. Быстро спустили шлюпку. Но только через час отважные путешественники поднялись на палубу корабля.

В 2010 году было ровно 50 лет, когда человечество бросило вызов природе, совершив воистину Великое погружение в батискафе «Триест» в самую глубокую точку Мирового океана, удаленную от поверхности более чем на 11 километров!

31 мая 2009 года на дно Марианской впадины погрузился автоматический подводный аппарат Nereus. Аппарат опустился на глубину 10 902 метра, где снимал видео, сделал несколько фотографий, а также собрал образцы отложений на дне.

26 марта 2012 года режиссёр Джеймс Кэмерон стал третьим человеком в истории, достигшим самой глубокой точки Мирового океана — дна Марианской впадины — на одноместном аппарате Deepsea Challenger, оборудованном всем необходимым для фото- и видео съёмки, киносъёмка велась в формате 3D, для этого батискаф был оснащён специальным световым оборудованием. Кэмерон добрался до «Бездны Челленджера» — участка впадины на глубине 10 898 метров. Кэмерон взял образцы пород, живых организмов и провёл киносъёмку, используя 3D-камеры. Отснятые им кадры лягут в основу научно-документального фильма канала «National Geographic Channel».

Вопрос 3.

Каким образом подводные лодки погружаются на дно и всплывают? Объясните с физической точки зрения.


Подводная лодка

Как и всякое физическое тело, подводная лодка подчиняется закону Архимеда, который гласит, что на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной телом жидкости. Можно для упрощения сформулировать этот закон так: «Тело, погруженное в воду, теряет в своем весе столько же, сколько весит вытесненный телом объем воды». Именно на этом законе основано одно из главных свойств любого корабля — его плавучесть, то есть способность удерживаться на поверхности воды. Это возможно тогда, когда вес воды, вытесненной погруженной в воду частью корпуса, равен весу судна. При таком положении корабль обладает положительной плавучестью. Если же вес вытесненной воды меньше веса корабля, то корабль будет тонуть. В этом случае считают, что корабль обладает отрицательной плавучестью.

Для подводной лодки плавучесть определяется ее способностью находиться как в подводном, так и в надводном положении. Очевидно, лодка будет находиться на поверхности, если она имеет положительную плавучесть. Получая отрицательную плавучесть, лодка будет погружаться, пока не ляжет на дно. Чтобы она не стремилась ни всплыть, ни тонуть, необходимо уравнять вес подводной лодки и вес вытесняемого ею объема воды. В этом случае лодка без хода займет в воде неустойчивое безразличное положение и будет «висеть» на любой глубине. Это значит, что лодка получила нулевую плавучесть.

Чтобы подводная лодка могла погружаться, всплывать или держаться под водой, она должна обладать способностью менять свою плавучесть. Это достигается очень простым способом — принятием на лодку водяного балласта: специальные цистерны, устроенные в корпусе лодки, то заполняются забортной водой, то вновь опорожняются. При их полном заполнении лодка обретает нулевую плавучесть. Чтобы подводная лодка всплыла, надо освободить цистерны от воды.

подводная лодка


Вопрос 4.

Кто сделал первый воздушный шар? Чем современные воздушные шары отличаются от первых?

Первые шары были сделаны из животного мочевого пузыря (свиней).

Современные воздушные шары появились на свет в 1824 году. Они были изобретены английским ученым Майклом Фарадеем, во время его экспериментов с водородом (который позже стали заменять гелием).http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8d/boysblowingbladder_by_peter_perez_burdett.jpg/220px-boysblowingbladder_by_peter_perez_burdett.jpg

Первые дошедшие до нас упоминания об изготовлении летящих в воздухе шаров встречаются в карельских рукописях. В них описывается создание такого шара, сделанного из… кожи кита и быка! А летописи XII века рассказывают нам о том, что в карельских поселках воздушный шар имела практически каждая семья. Причем именно с помощью таких шаров древние карелы частично решали проблему бездорожья - шары помогали людям преодолевать расстояния между населенными пунктами. Но такие путешествия, увы, были достаточно опасными: оболочка из шкур животных не могла выдерживать давление воздуха долгое время – то есть, говоря другими словами, эти воздушные шары были взрывоопасными. И вот, в итоге, остались от них одни легенды, которым можно то ли верить, то ли не верить…

Но не прошло и 7 столетий с той полумифической эпохи, как в Лондоне профессором Майклом Фарадеем были изобретены резиновые воздушные шары. Ученый изучил эластические свойства каучука – и соорудил из этого материала две «лепешки». Для того, чтобы «лепешки» не слипались, Фарадей обработал их внутренние стороны мукой. И после этого пальцами склеил их необработанные, оставшиеся липкими края. В итоге получилось нечто вроде мешочка – который можно было использовать для опытов с водородом.

Лет через 80 после этого научный мешочек для водорода превратился в популярную забаву: каучуковые шары широко использовалась в Европе во время городских праздников. За счет наполнявшего их газа они могли подниматься вверх – и это очень нравилось публике, еще не избалованной ни воздушными полетами, ни другими чудесами техники.

Но эти воздушные шарики чем-то походили на своих легендарных предшественников: в них применялся водород (а он, как известно, газ взрывоопасный). Но, тем не менее, к водороду все привыкли – благо, что особых бед от шариков с этим газом не было вплоть до 1922 года. Тогда в США на одном из городских праздников некий шутник ради забавы взорвал художественное оформление праздника – то есть воздушные шарики. В результате этого взрыва пострадал чиновник, и поэтому органы правопорядка отреагировали достаточно оперативно. Забаву, оказавшуюся достаточно опасной, наконец-то прекратили, запретив наполнять воздушные шарики водородом. От этого решения никто не пострадал – место водорода в шариках моментально занял гораздо более безопасный гелий. Этот новый газ поднимал шарики вверх ничуть не хуже, чем это делал водород.

В 1931 году Нейлом Тайлотсоном был выпущен первый современный, латексный воздушный шарик (полимер латекс получают из водных дисперсий каучуков). И с тех пор воздушные шарики наконец-то смогли измениться! До этого они могли быть только круглыми – а с приходом латекса впервые появилась возможность создавать длинные, узкие шарики. Это новшество немедленно нашло применение: дизайнеры, оформляющие праздники, стали создавать из шаров композиции в виде собак, жирафов, самолетов, шляп… Компания Нейла Тайлотсона процветала, она продавала через почту миллионы комплектов шаров, предназначенных для создания смешных фигурок.

Конечно, качество воздушных шариков в то время было далеко не таким, как сейчас: при надувании шарики теряли часть своей яркости, они были непрочными и быстро лопалось. Поэтому воздушные шарики медленно утрачивали свою популярность – то, что они могут летать в воздухе, в двадцатом веке уже не казалось таким чудесным, привлекательным...


220px-m_faraday_th_phillips_oil_1842.jpg

Майкл Фарадей


Вопрос 5.

Для демонстрации этого открытия понадобилось 8 пар лошадей и 2 полушария. На демонстрации опыта присутствовал император Фердинанд III. В этом году 410 лет со дня рождения ученого, сделавшего это открытие. Что это за открытие и кто его сделал?


ОПЫТ ОТТО ФОН ГЕРИКЕ

gerike.jpg


Много и плодотворно изучением атмосферного давления занимался Отто фон Г е р и к е — бургомистр города Магдебурга. Он был образованным человеком: прошел курс наук в Иене и Лейпциге, изучал физику, математику, юридические науки.

В мае 1654 г. Отто фон Герике поставил опыт, который явился важным этапом в деле изучения атмосферы.

Для опыта подготовили два металлических полушария, одно из которых с трубкой для откачивания воздуха. Полушария сложили вместе, между ними поместили кожаное кольцо, пропитанное расплавленным воском. С помощью насоса откачали воздух" из полости, образовавшейся между полушариями. На каждом из полушарий имелось прочное железное кольцо. Две восьмерки лошадей, впряженных в эти кольца, потянули в разные стороны, пытаясь разъединить полушария, но это им не удалось. Когда же в полость между полушариями впустили воздух, полушария распались безо всякого внешнего усилия.

1 октября 1963 г. в городе Магдебурге, на родине великого естествоиспытателя, в связи с десятилетием со дня основания Магдебургской Высшей технической школы имени Отто фон Герике на площади перед ратушей был полностью повторен исторический опыт с полушариями.

Изготовили медные полушария, кожаное кольцо, древний насос — все, как в 1654 г. Все действующие лица надели костюмы XVII столетия. «Конюхи», облаченные в старинные одежды, вывели на площадь лошадей. Сперва четыре, потом восемь и, наконец, шестнадцать лошадей пытались разорвать полушария — и все напрасно! Только после того, как девочка-школьница повернула кран и впустила внутрь полушарий воздух, они сами собой распались.

Так благодарные потомки магдебургского бургомистра отметили дату создания технической школы, носящей его имя.

Какая же сила сжимала полушария в мае 1654 г. и в октябре 1963 г.? Какие «обручи» сдавливали шар, противодействуя силе коней?

Этой силой было давление атмосферного воздуха. Чем больше воздуха выкачивали из полого шара, тем сильнее сжимались снаружи полушария атмосферным давлением, которое, оставаясь постоянным, тем больше превышало давление внутри шара, чем меньше там оставалось воздуха. Проникнуть внутрь шара воздуху мешало пропитанное воском кожаное кольцо.

Любопытно, что «магдебургские полушария» имеются у каждого человека: головки бедренных костей удерживаются в тазовом суставе атмосферным давлением.

1 Большая Советская энциклопедия