Вес и невесомость: физика явления, технологические применения и влияние на организм человека

Тип работы: Реферат
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 17 страниц
В избранное:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КАРАГАНДИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Е. А. БУКЕТОВА

ФАКУЛЬТЕТ МАТЕМАТИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ФИЗИКИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

РЕФЕРАТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ: ФИЗИКА

«ВЕС И НЕВЕСОМОСТЬ»

ВЫПОЛНИЛ: СТУДЕНТ ГРУППЫ

ДСМиИ 20-2 КАЛАШНИКОВ Е. Г.

ПРОВЕРИЛА:

КАРАГАНДА-2022 Г.

Содержание

Введение

3

Введение:

Глава 1. Вес тела и невесомость

4

Введение:

1. 1. Вес тела

4

Введение:

1. 2. Вес тела, движущегося с ускорением

5

Введение:

1. 3. Невесомость

7

Введение:

1. 4. Это интересно

9

Введение:

1. 4. 1. Пламя в невесомости

9

Введение:

1. 4. 2. Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости

10

Введение:

Глава 2. Человек и невесомость

12

Введение:

2. 1. Исследование проблем жизнедеятельности в космосе

13

Введение:

2. 2. Операция в невесомости

14

Введение:

2. 3. Применение космических разработок на Земле

14

Введение:

Заключение

16

Введение:

Литература

17

Введение

У меня явление невесомости вызывало интерес всегдa. Еще бы, кaждому человеку хочется летaть, a невесомость - это что-то близкое к состоянию полетa. Мне до нaчaлa исследования было известно лишь то, что невесомость - это состояние, которое можно нaблюдaть в космосе, нa космическом корaбле, когда все предметы летaют, а космонaвты не могут стоять нa ногaх, как на Земле.

Невесомость является скорее проблемой для космонaвтики, чем необычным явлением. Во время полетa в космическом корабле могут возникнуть проблемы со здоровьем, a после приземления космонaвтов необходимо зaново учить ходить, стоять. Тaким обрaзом, очень вaжно знaть, что тaкое невесомость и кaк онa влияет нa сaмочувствие людей, путешествующих в космическом прострaнстве. Кaк следствие, необходимо решить эту проблему, создaвaя прогрaммы по уменьшению рискa неблaгоприятного влияния невесомости нa оргaнизм.

Цель моей рaботы - дaть понятие невесомости в комплексном виде, отметить aктуaльность дaнного понятия не только в рaмкaх изучения космического прострaнствa, отрицaтельного воздействия нa человекa, но и в рaмкaх возможности использовaния нa Земле технологии, изобретенных для уменьшения этого воздействия; проведения некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реaлизовaть в земных условиях.

Зaдaчи этого реферaтa:

1) Рaзобрaться в мехaнизме возникновения этого явления;

2) Описaть этот мехaнизм мaтемaтически и физически;

3) Рaсскaзaть интересные фaкты про невесомость;

4) Понять, кaк состояние невесомости влияет нa здоровье людей, нaходящихся в космическом корaбле, нa стaнции и т. д., то есть посмотреть нa невесомость с биологической и медицинской точек зрения;

5) Обрaботaть мaтериaл, оформить его соглaсно общепринятым прaвилaм;

6) Создaть презентaцию нa основе обрaботaнного мaтериaлa.

Источники, которыми я пользовaлся в процессе нaписaния реферaтa - это учебные пособия, энциклопедии, интернет.

Глава 1. Вес тела и невесомость

1. 1. Вес тела

В технике и быту широко применяется понятие веса тела.

Весом тела называют суммарную силу упругости, действующую при наличии силы тяжести на все опоры, подвесы.

Вес тела P, то есть сила, с которой тело действует на опору, и сила упругости FУ, с которой опора действует на тело (рис. 1), в соответствии с третьим законом Ньютона равны по модулю и противоположны по направлению: P = - Fу

Если тело находится в покое на горизонтальной поверхности или равномерно двигается и на него действуют только сила тяжести FТ и сила упругости FУ со стороны опоры, то из равенства нулю векторной суммы этих сил следует равенство: FТ=- FУ.

Сопоставив выражения P = - Fу и FТ = - FУ, получим P = FТ, то есть вес P тела на неподвижной горизонтальной опоре равен силе тяжести FТ, но эти силы приложены к разным телам.

При ускоренном движении тела и опоры вес P будет отличаться от силы тяжести FТ.

Из второго закона Ньютона при движении тела массой m под действием силы тяжести FТ и силы упругости Fу с ускорением a выполняется равенство FТ + FУ = ma.

Из уравнений P = - Fу и FТ + FУ = ma получаем: P = FТ - ma = mg - ma, или P = m( g - a ) .

Разберем случай движения лифта, когда ускорение a направлено вертикально вниз. Если координатную ось OY(рис. 2) направить вертикально вниз, то векторы P, g и a оказываются параллельными оси OY, а их проекции положительными; тогда уравнение P = m(g - a) примет вид: Py = m(gУ - aУ) .

Так как проекции положительны и параллельны координатной оси, их можно заменить модулями векторов: P = m(g - a) .

Вес тела, у которого направление ускорения свободного падения и ускорения совпадают, меньше веса покоящегося тела. [2]

1. 2. Вес тела, движущегося с ускорением

Говоря о весе тела в ускоренно движущемся лифте, рассматривается три случая (кроме случая покоя или равномерного движения) :

1) Лифт движется с ускорением, направленным вверх (перегрузки, вес тела больше силы тяжести, P=mg+ma) ;

2) Лифт движется с ускорением, направленным вниз (вес уменьшается, вес тела меньше силы тяжести, P=mg-ma) ;

3) Лифт падает (невесомость, вес тела равен нулю, P=0) .

Эти три случая не исчерпывают качественно все ситуации. Имеет смысл рассмотреть и 4-ый случай, чтобы анализ был полным. (Действительно, во втором случае подразумевается, что a < g. Третий случай есть частный для второго при a = g. Случай a > g остался нерассмотренным. ) Для этого можно ученикам задать вопрос: “Как должен двигаться лифт, чтобы человек мог ходить по потолку?” Ученики быстро “догадываются”, что лифт должен двигаться вниз с ускорением большим g. Действительно: при увеличении ускорения движения лифта вниз, по формуле P=mg-ma, вес тела будет уменьшаться. Когда ускорение a станет равным g, вес станет равным нулю. Если и дальше увеличивать ускорение, то можно предположить, что вес тела изменит направление.

Лифт движется вниз с ускорением направленным вниз

После этого можно изобразить на рисунке вектор веса тела: Вес тела направлен вверх.

Эту задачу можно решить и в обратной формулировке: “Какой будет вес тела в лифте, двигающемся вниз с ускорением a > g?” Эта немного труднее задача, потому что ученикам нужно преодолеть инерцию мышления и поменять местами “верх” и “низ”.

Может существовать возражение, что четвертый случай не рассматривается в учебниках, т. к. он не встречается на практике. Но и падение лифта встречается также только в задачах, но его рассматривают, потому что это удобно и полезно.

Движение с ускорением, направленным вниз или вверх, наблюдается не только в ракете или лифте, но и при движении самолёта, производящего фигуры высшего пилотажа, а также при движении тела по вогнутому или выпуклому мосту. Рассмотренному 4-му случаю соответствует движение по “мёртвой петле”. В верхней её точке ускорение (центростремительное) направлено вниз, сила реакции опоры - вниз, вес тела - вверх. [2]

Представим ситуацию: космонавт из корабля вышел в космос и при помощи индивидуального ракетного двигателя производит прогулку по окрестностям. Возвращаясь, он немного передержал двигатель включенным, приблизился к кораблю с избытком скорости и стукнулся о него коленом. Будет ли ему больно?

- Не будет: ведь в невесомости космонавт легче перышка, - такой можно услышать ответ.

Ответ неверен. Когда вы на Земле падали с забора, вы тоже были в состоянии невесомости. Поскольку при ударе о земную поверхность вы испытали заметную перегрузку, тем большую, чем тверже то место, на которое вы упали, и чем выше была ваша скорость в момент контакта с землей.

Невесомость и весомость не имеют отношения к удару. Здесь важны масса и скорость, а не вес.

И все-таки космонавту при ударе о корабль будет не так больно, как вам при ударе о землю (при прочих равных условиях: одинаковых массах, относительных скоростях и одинаковой твердости препятствий) . Масса корабля значительно меньше массы Земли. Поэтому при ударе о корабль большая часть кинетической энергий космонавта будет превращена в кинетическую энергию корабля, а на долю деформаций останется меньше. Корабль приобретет дополнительную скорость, а болевое ощущение космонавта будет не таким сильно большим. [4]

1. 3. Невесомость

Если тело вместе с опорой свободно падает, то a = g, то из формулы

P = m(g - a) следует, что P = 0.

Исчезновение веса при движении опоры с ускорением свободного падения только под действием силы тяжести называется невесомостью. [2]

Есть два вида невесомости.

Потеря веса, возникающая на большом расстоянии от небесных тел из-за ослабления притяжения, называется статической невесомостью. А состояние, в котором человек находится во время полёта по орбите, - динамической невесомостью. Они проявляются совершенно одинаково. У человека одни и те же ощущения. Только причины разные. В полётах космонавты имеют дело только с динамической невесомостью.

Выражение «динамическая невесомость» означает: «невесомость, возникающая при движении».

Мы чувствуем притяжение Земли только тогда, когда сопротивляемся ему. Только когда «отказываемся» падать. А как только мы «согласились» падать, ощущение тяжести мгновенно пропадает.

Летит самолёт. В кабине два парашютиста приготовились к прыжку. Земля их тянет вниз. А они пока сопротивляются. Упёрлись в пол самолёта ногами. Чувствуют притяжение Земли - подошвы их ног с силой прижаты к полу. Они ощущают свой вес. «Ремешок натянут». Но вот они согласились следовать туда, куда тянет их Земля и прыгнули вниз. Сразу же пропало ощущение притяжения Земли. Они стали невесомы. Можно представить продолжение этой истории. С самолёта одновременно с парашютистами сбросили большой пустой ящик. И вот летят рядом, с одной скоростью, кувыркаясь в воздухе, два человека, не раскрывшие парашютов, и пустой ящик. Один протянул руку, схватился за летящий рядом ящик, открыл в нём дверцу и втянулся внутрь. Теперь из двух человек один летит внутри ящика, а другой летит снаружи ящика.

У них будут разные ощущения. Который летит снаружи, видит и чувствует, что он стремительно летит вниз. А тот, который летит внутри ящика, закрыл дверцу и начал, отталкиваясь от стенок, «плавать» по ящику. Ему кажется, что ящик стоит на Земле, а он, потеряв вес, плавает по воздуху. Строго говоря, разницы между обоими парашютистами нет никакой. Оба с одной и той же скоростью камнем летят к Земле. Но один сказал бы: «Я лечу», а другой: «Я плаваю на месте». Всё дело в том, что один ориентируется по Земле, а другой - по ящику, в котором летит.

Вот так и возникает в кабине космического корабля состояние динамической невесомости.

В первый момент непонятным может показаться что, космический корабль летит параллельно Земле, как самолёт. А в горизонтально летящем самолёте не бывает никакой невесомости. Но мы знаем, что космический корабль-спутник непрерывно падает. Он больше похож на сброшенный с самолёта ящик, чем на самолёт.

Динамическая невесомость иногда возникает и на Земле. Невесомы, например, в течение нескольких секунд лыжники во время прыжка с трамплина. Невесомы, пловцы-ныряльщики, летящие в воду с вышки. Невесомы падающие камнем вниз парашютисты, пока они не раскрыли парашюты. Для тренировок космонавтов секунд на тридцать - сорок создают невесомость в самолёте. Для этого лётчик делает «горку». Он разгоняет самолёт, круто взмывает наклонно вверх и выключает мотор. Самолёт начинает полёт по инерции, как брошенный рукой камень. Сперва немного поднимается, потом описывает дугу, заворачивая вниз, пикирует к Земле. Всё это время самолёт находится в состоянии свободного падения. И всё это время в его кабине царит настоящая невесомость. Затем лётчик снова включает мотор и осторожно выводит самолёт из пикирования на нормальный горизонтальный полёт. При включении мотора невесомость сразу исчезает. [9]

Тело под действием внешних сил будет в состоянии невесомости, если: а) действующие внешние силы являются только массовыми (силы тяготения) ; б) поле этих массовых сил локально однородно, то есть силы поля сообщают всем частицам тела в каждом его положении одинаковые по модулю и направлению ускорения; в) начальные скорости всех частиц тела по модулю и направлению одинаковы (тело движется поступательно) . Таким образом, любое тело, размеры которого малы по сравнению с земным радиусом, совершающее свободное поступательное движение в поле тяготения Земли, будет, при отсутствии других внешних сил, находиться в состоянии невесомости. Аналогичным будет результат для движения в поле тяготения любых других небесных тел.

Вследствие значительного отличия условий невесомости от земных условий, в которых создаются и отлаживаются приборы и агрегаты искусственных спутников Земли, космических кораблей и их ракет - носителей, проблема невесомости занимает важное место среди других проблем космонавтики. Это наиболее существенно для систем, имеющих емкости, частично заполненные жидкостью. К ним относятся двигательные установки с ЖРД (жидкостно - реактивными двигателями), рассчитанные на многократное включение в условиях космического полета. В условиях невесомости жидкость может занимать произвольное положение в емкости, нарушая тем самым нормальное функционирование системы (например, подачу компонентов из топливных баков) . Поэтому для обеспечения запуска жидкостных двигательных установок в условиях невесомости применяются: разделение жидкой и газообразной фаз в топливных баках с помощью эластичных разделителей; фиксация части жидкости у заборного устройства систем сеток (ракетная ступень «Аджена») ; создание кратковременных перегрузок (искусственной «тяжести») перед включением основной двигательной установки с помощью вспомогательных ракетных двигателей и др. Использование специальных приемов необходимо и для разделения жидкой и газообразной фаз в условиях невесомости в ряде агрегатов системы жизнеобеспечения, в топливных элементах системы энергопитания (например, сбор конденсата системой пористых фитилей, отделение жидкой фазы с помощью центрифуги) . Механизмы космических аппаратов рассчитываются на работу в условиях невесомости.

Невесомость может быть использована для осуществления некоторых технологических процессов, которые трудно или невозможно реализовать в земных условиях (например, получение композиционных материалов с однородной структурой во всем объеме, получение тел точной сферической формы из расплавленного материала за счет сил поверхностного натяжения и др. ) . Впервые эксперимент по сварке различных материалов в условиях невесомости вакуума был осуществлен при полете советского космического корабля «Союз - 6» (1969) . Ряд технологических экспериментов (по сварке, исследованию течения и кристаллизации расплавленных материалов и т. п. ) был проведен на американской орбитальной станции «Скайлэб» (1973) .

Ученые проводят в космосе различные эксперименты, ставят опыты, но они слабо представляют себе конечный результат этих действий. Но если какой - либо эксперимент дал определенный результат, то еще долгое время приходится его проверять, чтобы в конечном итоге объяснить и применить полученные знания на практике. [1]

1. 4. Это интересно

1. 4. 1. Пламя в невесомости

На Земле благодаря гравитации возникают конвекционные потоки, которые и определяют форму пламени. Они поднимают раскалённые частички сажи, которые излучают видимый свет. Благодаря этому мы видим пламя. В невесомости конвекционные потоки отсутствуют, частички сажи не поднимаются, а пламя свечи принимает сферическую форму. Так как материал свечи представляет собой смесь предельных углеводородов, они при сгорании выделяют водород, который горит голубым пламенем. Учёные стараются понять, как и почему огонь распространяется в невесомости. Изучение пламени в условиях невесомости необходимо для оценки пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения. Так можно обеспечить безопасность космонавтов и транспортных средств. [11]

1. 4. 2. Вибрация жидкости ускоряет ее кипение в невесомости

В невесомости кипение становится гораздо более медленным процессом. Однако, как обнаружили французские физики, вибрация жидкости может привести к резкому ее вскипанию. Этот результат имеет значение для космической индустрии.

Каждый из нас не раз наблюдал фазовый переход жидкости в газ под действием высокой температуры, т. е., проще говоря, процесс кипения. Пузырьки пара, отрываясь от источника тепла, устремляются вверх, а на их место поступает новая порция жидкости. В результате кипение сопровождается активным перемешиванием жидкости, что многократно увеличивает скорость ее превращения в пар.

Ключевую роль в этом бурном процессе играет сила Архимеда, действующая на пузырек, которая, в свою очередь, существует благодаря силе тяжести. В условиях же невесомости нет веса, нет понятия «тяжелее» и «легче», и потому пузырьки нагретого пара не будут никуда всплывать. Вокруг нагревательного элемента образуется прослойка пара, которая препятствует передаче тепла всему объему жидкости. По этой причине кипение жидкостей в невесомости (но при том же давлении, а вовсе не в вакууме!) будет протекать совершенно иначе, чем на Земле. Детальное понимание этого процесса крайне важно для успешного функционирования космических аппаратов, несущих на борту тонны жидкого топлива.

Чтобы разобраться в этом процессе, очень важно понять, какие физические явления могут ускорять кипение в невесомости. В недавней статье французских физиков описываются результаты экспериментального исследования того, как высокочастотные вибрации влияют на скорость кипения.

В качестве рабочего вещества исследователи выбрали жидкий водород - самое легкое ракетное топливо. Состояние невесомости создавалось искусственно, с помощью сильного неоднородного магнитного поля, которое как раз компенсировало силу тяжести. Температура и давление образца были подобраны так, чтобы фазовый переход происходил как можно медленнее и можно было бы заметить все его особенности.

Основной результат экспериментов французских физиков состоит в том, что в условиях невесомости вибрация ускоряет превращение жидкости в пар. Под действием вибрации внутри слегка перегретой жидкости появляется «объемная рябь»: сеть мелких, размером доли миллиметра, пузырьков пара в жидкости. Вначале эти пузырьки растут медленно, но спустя 1-2 секунды от начала воздействия весь процесс резко убыстряется: жидкость в буквальном смысле слова вскипает.

... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.