Космос у тебя дома

Осуществленная идея

О возможности создать искусственный спутник Земли высказался еще триста лет назад великий физик Исаак Ньютон.

Он доказал, что если вокруг Земли запустить «физическое тело» с достаточно большой скоростью и если это будет происходить в безвоздушном пространстве, то оно никогда не упадет на Землю и будет кружиться вокруг нее.

Бросьте несколько раз камень, и вы увидите, что чем сильнее вы его бросили, то есть чем большую скорость вы ему сообщили, тем дальше он полетит. Падает же он на землю благодаря земному притяжению.

Но если камню придать первую космическую скорость, примерно 7,9 километра в секунду, и сделать это в безвоздушном пространстве, в космосе, чтобы и атмосфера не мешала движению камня, то он уже не упадет на Землю. Он все время будет вращаться вокруг Земли. Это вращение вокруг Земли, по сути дела, тоже падение, но только оно происходит на такой большой скорости, что хотя Земля и притягивает камень к себе, его скорость не позволяет ему упасть.

Сейчас наши искусственные спутники, запущенные с первой космической скоростью, летают в околоземном космическом пространстве. Они выполняют самые разнообразные метеорологические и другие научные наблюдения и сообщают результаты этих наблюдений на Землю. Кроме этого, на искусственных спутниках устанавливают специальную аппаратуру, которая помогает передавать на большие расстояния телевизионную и радиопередачи.

То, что здесь говорилось о движении спутников, конечно, относится и к движению космических кораблей и орбитальных станций, запущенных вокруг Земли. Размеры у них значительно крупнее, да и назначение несколько другое. И приспособлены они для полета людей, которые ведут такие наблюдения и ставят такие эксперименты, которые автоматам не под силу.

Все, что находится на космических кораблях, космических орбитальных станциях и искусственных спутниках Земли, испытывает состояние невесомости, то есть такое состояние, когда предметы не давят на опоры.

В этой главе вы познакомитесь с невесомостью. Но не на себе. Дома такой опыт поставить нельзя. Проделаем несколько опытов, которые дадут представление о том, как пропадает вес и как ведут себя некоторые тела, например жидкости, при невесомости. Сначала вы познакомитесь с явлением частичной потери веса, а затем будете наблюдать и полную невесомость.

Но прежде чем приступить к основным опытам, проделаем ряд вспомогательных экспериментов.

Поиск наименьшей поверхности

Поставим себе задачу отыскать среди геометрических фигур, имеющих одинаковый объем, такую, у которой самая маленькая поверхность. Пользуясь приведенными здесь простыми формулами, вы сможете легко подсчитать поверхности нескольких геометрических фигур.

Возьмите кусок пластилина или глины (глина должна быть достаточно размятой, без комков).

Вылепите сначала куб. Поскольку у куба все стороны равны, измерьте у него одно ребро. Затем подсчитайте величину его поверхности по формуле: S = 6 l², где S — поверхность куба в квадратных сантиметрах, l — длина его ребра в сантиметрах.

Полученный результат запишите. Затем из того же куска пластилина или глины вылепите цилиндр. Объем его будет точно такой же, какой был у куба (количество материала то же самое, только изменилась форма). Подсчитайте, чему равна поверхность цилиндра. Конечно, в эту величину должна входить величина боковой поверхности и площади обоих оснований. Для подсчетов измерьте радиус основания цилиндра и его высоту: S = 6,28 r(h + r), где S — поверхность цилиндра, выраженная в квадратных сантиметрах; r — радиус основания в сантиметрах; h — высота цилиндра в сантиметрах.

Запишите размер поверхности цилиндра и вылепите из того же самого куска пластилина или глины конус. Измерьте его образующую (длину его стороны) и радиус основания.

Поверхность конуса вы подсчитаете по формуле: S = 3,14 r(l + r), где r — радиус основания конуса; l — образующая конуса.

Записав результат, превратите конус в шар. Раскатав его в ладонях, можно добиться, что он будет совсем круглый.

Измерьте диаметр шара с помощью спицы или прямого кусочка толстой проволоки. Спицей или проволокой проткните шар так, чтобы она прошла через центр шара. Размер диаметра в сантиметрах разделите пополам, получите радиус шара.

Произведя вычисления по формуле S = 12,56r², получите поверхность шара.

Когда вы сравните полученный результат с предыдущими, вы увидите, что наименьшей поверхностью из всех вылепленных из одного и того же куска пластилина или глины фигур обладает шар.

Конечно, при изготовлении геометрических фигур нужно проявлять максимальную аккуратность, чтобы фигуры получались правильные.

Пленка-невидимка

Прежде чем познакомиться с тем, как ведет себя жидкость в состоянии невесомости и проделать опыты с микроракетами, проделаем несколько опытов с явлением поверхностного натяжения.

Как известно из физики, на поверхности любой жидкости действуют так называемые силы поверхностного натяжения. Напомним, что они возникают благодаря взаимному притяжению молекул, расположенных на поверхности, и молекул, находящихся в глубине жидкости. При этом создаются силы, которые стремятся уменьшить поверхность жидкости.

Наполните стакан до краев водой и продолжайте пипеткой осторожно по капле добавлять воду. Вы увидите, как поверхность воды в стакане начнет подниматься над краями и вздуется, как бы удерживаемая незримой пленкой. Вы добавляете воду, «пленка» не выдерживает напора, и вода течет по краю стакана.

Вы, наверное, наблюдали летом, как по поверхности открытых водоемов со стоячей водой, а иногда и просто луж бегают насекомые — водомерки. Поверхность воды под их ножками хотя и вдавливается, но никогда не прорывается.

Даже тяжелые по сравнению с водой предметы, такие, как иголка и лезвие безопасной бритвы, могут лежать на ее поверхности. Нужно только предварительно смазать их очень тонким слоем жира, чтобы вода не могла их смочить. Положите осторожно лезвие на поверхность воды, и оно будет плавать; будет видно, что водная поверхность слегка вдавилась под его тяжестью.

Чтобы проследить, как ведут себя силы поверхностного натяжения, если их в одном каком-то месте ослабить, проделаем такой опыт.

Припудрим поверхность воды в стакане зубным порошком, хорошо перетирая его пальцами. Получится ровная белая поверхность. Наберите в пипетку мыльную воду (она имеет очень слабое поверхностное натяжение) и капните в центр белого круга одну каплю. На ваших глазах в месте падения капли образуется свободное от порошка темное круглое пространство. Мыльная капля ослабила в месте своего падения поверхностное натяжение, покрытой порошком воды, и поверхность воды передвинулась к краям стакана.

Частичная потеря веса

Когда вы купаетесь в бассейне, реке или море, вы чувствуете, что ваше тело стало легче, вы даже можете лежать на спине, затрачивая небольшие усилия, чтобы держаться на поверхности воды.

Проделаем опыт, который покажет, как физическое тело может стать легче.

Возьмите пружинные весы, а если их у вас нет, приспособьте для опыта тугую резиновую полоску, прикрепленную к верхнему концу дощечки, на которой карандашом можно будет сделать отметки при растяжении резины.

Прицепите к весам какой-либо груз, например камень. Допустим, вес его два килограмма. Если вы пользуетесь самодельным прибором, то отметьте карандашом, насколько растянулась резина.

Затем возьмите ведро, наполните его до краев водой и поставьте в таз. В ведро опустите груз, подвешенный к весам. Как только груз полностью опустится в воду, из ведра перестанет вытекать вода. Весы или натяжение резины покажут, что вес груза значительно уменьшился.

Но это уменьшение веса произошло за счет веса той воды, которую вытеснил из ведра груз. Если взвесить вылившуюся из ведра в таз воду, то окажется, что она весит как раз столько, на сколько легче стал груз, когда он очутился в воде.

Как вы уже догадались, этот опыт иллюстрирует закон Архимеда.

Описанным способом можно легко определить объем какого-либо предмета, если иначе его объем не определишь. Нужно только полностью погрузить этот предмет в воду (конечно, при условии, что вода его не испортит), а затем замерить объем вылившейся воды. Если предмет небольшой, то вода из сосуда может не выливаться. Измерив уровни воды до погружения предмета и после, можно подсчитать ее объем.

Жидкий шар

Вы знаете, что жидкости всегда принимают форму тех сосудов или водоемов, где они находятся. Большое количество воды под влиянием своего веса моментально растечется, если ее вылить из сосуда.

Ну, а если вода вдруг станет невесомой, какую форму она примет при удалении ее из сосуда, в котором она хранилась?

Рассмотрим сначала маленькие количества воды — капли. Капли очень легкие, вес почти не искажает их шарообразную форму или искажает мало, делая их чуть приплюснутыми. Водяные шарики — капли можно наблюдать на листьях растений или на материи, которая не впитывает воду. Чем меньше по размеру капля, тем она шарообразнее. В воздухе капли дождя почти шарики. Во время свободного падения они находятся в состоянии невесомости, а поверхностное натяжение, стремясь создать наименьшую поверхность, придает им почти шарообразную форму.

Проделаем интересный старинный опыт. Для жидкости будут созданы такие же условия, какие бывают при состоянии невесомости. Во время этого опыта вы сможете наблюдать естественную форму жидкости уже не на маленьких капельках, а на шарике около двух сантиметров в диаметре.

Для этого опыта нам понадобятся: денатурированный спирт, а если его нет, тройной одеколон, вода, немного подсолнечного или хлопкового масла, пипетка и небольшая рюмка.

Накапайте в рюмку несколько капель масла, затем налейте в нее до половины денатурированного спирта или тройного одеколона. Масло тяжелее спирта, поэтому оно соберется на дне рюмки. Теперь понемногу подливайте в рюмку воду, осторожно помешивая спирт палочкой, чтобы он равномерно смешался с водой. Скоро вы увидите, как масляный шарик, оторвавшись от дна, станет медленно подниматься. Теперь прекратите подливать воду и добавьте в рюмку немного спирта или одеколона. Нужно добиться, чтобы масляный шарик немного опустился, «повис» в рюмке на некоторой глубине.

Это произойдет, когда удельные веса масла и смеси спирта с водой станут одинаковыми.

Наберите в пипетку немного масла и введите его в масляный шарик. Проделав это несколько раз, вы увидите, что шарик в рюмке становится все больше и больше. Наблюдать его лучше всего сверху, а не через изогнутое, искажающее форму стекло рюмки.

Если вы попытаетесь палочкой изменить форму шара в рюмке, он через несколько секунд снова примет прежнюю форму.

Под действием силы поверхностного натяжения масло образует самую маленькую поверхность — поверхность шара.

Но давайте немного пофантазируем. Представим себе, что мы находимся в кабине космического корабля или на орбитальной станции, где все находится в состоянии невесомости.

Для этого воображаемого опыта, который собираемся проделать, мы захватили с собой стакан, наполненный водой. Но как бы мы ни переворачивали стакан, вода из него не выльется. Поэтому нам придется слегка тряхнуть стакан, не очень сильно, но чтобы вода «вылезла» из него. Поколыхавшись в воздухе, вода примет форму шара. В состоянии невесомости даже большое количество воды, ну, например, такое, какое помещается в ведре, может принять форму шара. И если нет никакого движения воздуха, в кабине корабля будет плавать большой водяной шар. Вода, освобожденная от веса, наконец примет свою естественную форму.

По телевизору показывали репортаж с космической станции «Салют-4». Летчики-космонавты П. И. Климук и В. И. Севастьянов демонстрировали следующее: они выпускали из резинового шланга воду, и вода выходила из него крупными шариками. Оказывается, и фантазировать не надо…

Простые опыты с невесомостью

Вес и сила тяжести не одно и то же. Сила тяжести приложена к самому телу, а вес — сила, приложенная к опоре, на которой тело лежит, или к подвеске, на которой оно висит. Если тело падает, а падает оно под действием силы тяжести, то оно перестает давить на опору или оттягивать подвеску. А это значит, что вес исчез — наступила невесомость.

Что произойдет с пружинными весами, которыми измеряют вес, если они падают вместе с подвешенным к ним грузом? Они будут показывать отсутствие веса, их стрелка будет стоять на нуле.

Возьмите пружинные весы, приделайте на шкале над стрелкой хомутик из узкой полоски жести, чтобы он мог скользить по шкале, подвесьте на крючок весов какой-нибудь груз весом в два килограмма и передвиньте хомутик вниз до стрелки. Держа весы в руке, быстро опустите их вместе с подвешенным к ним грузом.

Движение вниз должно быть быстрым, ускоренным, оно должно имитировать падение весов и груза. После опускания весов стрелка будет показывать тот же самый вес. Но хомутик окажется сдвинутым на нулевое деление шкалы. Это значит, что во время быстрого опускания весов и груза груз ничего не весил, был в состоянии невесомости, и стрелка, поднявшись до нуля, сдвинула хомутик к нулю, где он и остался.

Если у вас нет пружинных весов, вы можете соорудить их подобие, укрепив на дощечке тугую резину, приделав к ней указывающую стрелку и жестяной хомутик над ней. Деления могут быть произвольные, важно, чтобы они начинались от нуля, когда на резине никакой груз не висит.

Проделайте другой опыт. Возьмите две нераспечатанные металлические банки консервов разных размеров. Поставьте одну банку на другую, чтобы донышко одной вошло в донышко другой. Между банками положите полоску бумаги так, чтобы наружу торчал ее конец. Если вы потянете за этот конец, то не сможете легко вытянуть плотно зажатую между банками бумагу, чтобы ее вытянуть, надо затратить некоторое усилие.

А теперь расстелите на полу тряпки, чтобы не повредить ни пол, ни банки, и проделайте следующее. Одной рукой держите за конец бумаги, которая зажата между банками, а другой рукой обе банки, поставленные одна на другую. Отпустите банки. Падая, они становятся невесомыми, и бумага легко выскальзывает из них.

Невесомость с сигнализацией

Если вы хотите сделать подарок школьному физическому кабинету, смастерите прибор, который будет показывать состояние невесомости во время свободного падения.

Для этой работы понадобятся столярные, слесарные и электромонтерские навыки, а также умение вырезать и клеить из картона.

Приступим к изготовлению прибора.

Его корпус нужно склеить из толстой бумаги, свернув из нее в несколько слоев трубку, в которой свободно могут перемещаться две цилиндрические батарейки, какие употребляются для транзисторных приемников. Трубка должна быть достаточно жесткой. Для ее склеивания используйте шаблон — круглую, разборную (разрезанную вдоль) деревянную палочку на сантиметр толще батареи. Длина трубки должна равняться двойной длине батарейки плюс пять сантиметров.

Из картона и бумаги нужно склеить две крышечки, чтобы их можно было плотно надевать и снимать с трубки. К одной из крышечек (будем считать ее верхней) сверху приклейте маленький фанерный кружок (диаметр его должен равняться внешнему диаметру трубки) и смонтируйте на нем контакты для крепления лампочки от карманного фонаря. К нижнему контакту (это может быть вырезанная из латуни пластинка) присоедините конец пружины, изготовленной из медной или железной проволоки. Пружину делают, навивая проволоку на какой-нибудь стержень. Пружина должна получиться такая, чтобы от веса двух батареек она растягивалась бы на половину своей длины. Сложите батарейки одну на другую (они будут соединены последовательно) и, убедившись с помощью лампочки, что между ними хороший контакт, обклейте их бумагой. Затем с помощью проволоки присоедините к концу пружины верхний контакт батарейки и пропаяйте место соединения.

Внутри нижней крышечки приклейте фанерный кружок, а на нем смонтируйте латунный контакт. В него упрется донышко нижней батарейки, когда наш прибор будет собран. Провод от этого контакта выведите наружу и подсоедините к боковому контакту лампочки на верхней крышечке. Сбоку корпуса прибора, вдоль него с двух сторон прикрепите по две петельки из проволоки.

Соберите прибор. Батарейки нужно подвесить на пружине под верхней крышечкой. Дно нижней батарейки должно находиться на нижнем контакте. Вверните лампочку — она будет гореть. Держа прибор вертикально, лампочкой вверх, быстро опустите его, не выпуская из рук. Если лампочка в момент опускания на мгновение погаснет и снова загорится, значит, все в порядке. Иначе придется сделать другую пружину: изменить ее диаметр или толщину проволоки, из которой она изготовлена.

После проверки прибора смонтируйте его на предварительно обработанной доске длиной два метра и шириной пятнадцать сантиметров. Наверху доски сделайте петлю, чтобы доску можно было вертикально повесить на стену, а внизу прикрепите небольшую полочку, к которой приклейте резиновый мячик. Снизу вверх вдоль доски, обогнув резиновый мячик, натяните две капроновые рыболовные лески.

Лески должны быть расположены на расстоянии диаметра изготовленного прибора и проходить в его проволочные петли с обеих сторон. Лески хорошо натяните и закрепите наверху. Когда прибор будет поднят, он не должен касаться доски.

Приступим к опыту. Прибор с горящей наверху лампочкой вы поднимаете до самого верха. Горящая лампочка сигнализирует, что висящий на пружине груз (батарейки) имеет вес. Отпустите прибор. В момент падения наступает состояние невесомости. Груз (батарейки) перестает оттягивать пружину. Нижний контакт размыкается, и лампочка гаснет. Когда прибор упадет на амортизатор-мячик, состояние невесомости прекращается, и лампочка загорается вновь. Чтобы лампочка не горела зря, сбоку цилиндра — корпуса прибора — сделайте выключатель. Тогда можно будет зажигать лампочку только во время опытов.

Состояние невесомости у нашего прибора символически выражается тем, что лампочка гаснет. Но если вы хотите, можно сделать наоборот: лампочка будет загораться тогда, когда невесомость наступает.

Невесомость вокруг нас

На Земле очень часто приходится встречаться с явлением если не полной невесомости, то частичной потери веса. В земных условиях она продолжается очень недолго.

Вам, конечно, приходилось спускаться в лифте. Особенно заметна частичная потеря веса в момент начала опускания лифта.

А на качелях? Когда качели опускаются, происходит тоже частичная потеря веса.

При занятиях водным спортом, при прыжках с вышки в воду или при прыжках на батуте, когда гимнаст парит в воздухе, наступает состояние полной потери веса, полной невесомости.

Вы, наверное, наблюдали полеты акробатов под куполом цирка, прыжки из-под купола в натянутую сетку. Каждый прыжок — это несколько секунд невесомости.

Затяжные прыжки парашютистов, когда они летят еще с ускорением, тоже пример состояния невесомости.

Но самое продолжительное состояние периодической потери веса наступает во время шторма на море. Когда палуба «уходит из-под ног», наступает потеря веса, многие переносят это с трудом и заболевают так называемой морской болезнью.

Итак, невесомость проявляется во время свободного падения.

Космический корабль, летящий вокруг Земли, находится в состоянии свободного падения. На него действует сила притяжения Земли, и он все время падает.

Но ему сообщена такая скорость, что он упасть не может и летит по своей орбите, описывая вокруг Земли виток за витком.

И все, что находится в космическом корабле, когда он движется по своей орбите вокруг Земли, тоже притягивается Землей, но на опоры не давит, находится в состоянии невесомости. Поэтому космонавту безразлично — сидеть ли в кресле или летать в кабине. Опоры-то нет все равно. Вы часто видели по телевидению, как в кабине летают ручки, блокноты и другие незакрепленные предметы.

Но нужна большая предварительная тренировка, чтобы привыкнуть к состоянию невесомости. И не только привыкнуть, но и работать много дней подряд.