Наука над земным шаром, часть 1
В июле 2012 года закончилась полугодовая вахта на МКС астронавта Дональда Петтита. На орбите в свободное время Дон записывал научно-популярные видео с экспериментами в невесомости под названием «Наука над земным шаром» (Science off the Sphere). Эксперименты были очень необычные и красивые, помню, с каким удовольствием смотрел их пять лет назад. Может быть, из-за юбилейной даты вспомнив о них снова, с удивлением обратил внимание, насколько мало просмотров на YouTube собрали эти ролики. Что ж, тогда для большего числа читателей они будут новинкой, и напомнить о них будет полезно.
Ролики выходили как научная-популярная передача, с интервалом неделя-две, и в конце каждого ролика Дон задавал зрителям тематический вопрос. Ответы под спойлерами, чтобы вы могли спокойно подумать (есть очень сложные вопросы). Речь в роликах, конечно же, английская, но можно читать автоматический перевод субтитров, и я предварил видео комментариями/пояснениями.
Эпизод первый. Эксперимент с вязальными спицами
На МКС можно взять небольшое количество личных вещей, и вязальные спицы, скорее всего, отправились в космос впервые. Но не для вязания, а для экспериментов с электростатикой. Если потереть спицу, то она приобретет электрический заряд. И имеющая противоположный заряд капля воды будет притягиваться к ней, летая кругами. Сила притяжения подчиняется закону обратных квадратов, и капля будет двигаться как маленький спутник (силы гравитации тоже подчиняются этому закону). За одним исключением — источник гравитации в природе можно представить материальной точкой (звезды, планеты и прочие тяжелые объекты имеют сферическую форму), а здесь силовое поле получилось цилиндрическим, и капля двигается не в плоскости орбиты, а в трехмерной области. Движение капли также можно сравнить с поведением заряженных частиц солнечного ветра, попадающих в магнитное поле Земли.
Вопрос: В конце видео д-р. Петтит размещает нейлоновую спицу около шприца, которым впрыскивает воду около тефлоновой спицы. Зачем Дону нейлоновая спица, и почему вторая спица должна быть тефлоновой?
Тефлон забирает электроны от тех материалов, которыми его натирают, приобретая отрицательный заряд. Нейлон, наоборот, отдает электроны, когда его натирают, и приобретает положительный заряд. Капли воды, пролетая около нейлоновой спицы, приобретают от нее небольшой положительный заряд. Разные заряды притягиваются, и капли воды начинают стремиться к отрицательно заряженной спице.
Эпизод второй. Бистронавты
Об этом не говорится в видео, но чашку для питья в невесомости изобрел тот же самый Дон Петтит еще в 2008 году в своем предыдущем полете. Обычно космонавты и астронавты пьют из пластиковых пакетов с трубочками. В них можно разводить порошковые напитки, заваривать чай или кофе. Но если мы сделаем специальную чашку с углом с одной стороны, капиллярный эффект заставит жидкость подняться в этом месте. И из чашки можно будет потягивать жидкость. На видео космонавты и астронавты впервые чокаются в условиях невесомости. Конструкция Петтита довольно простая, потом разработали красивые фигурные чашки, но эффект они используют тот же самый. Этот же капиллярный эффект применяется в «серьезном» ракетостроении — подобные углы удерживают жидкое топливо около горловин баков, чтобы при запуске в двигатели не попал пузырь газа наддува. Уже потом, когда двигатель начнет набирать тягу, жидкое топливо окажется внизу под собственным весом.
Вопрос: Почему нельзя использовать обычную чашку в невесомости?
Из-за сил смачивания вода будет стремиться растечься по стенкам. А небольшое возмущение вроде отхлебывания может оторвать воду от поверхности. Если силы поверхностного натяжения не смогут удержать воду, она разлетится повсюду. В космической кружке жидкость остается у стенок, а капиллярные силы не позволяют воде отрываться от них, когда пьешь.
Эпизод 3. Физика тонких пленок
На Земле можно получить пленку воды только если серьезно уменьшить ее поверхностное натяжение. Этот эксперимент часто невольно ставят дети, играя с мыльными пузырями. Когда есть тяжесть, из дистиллированной воды пленку не получить, а вот в невесомости появляются удивительные эффекты — капли воды, выброшенные из шприца, могут войти в пленку, отразиться от нее или даже пролететь насквозь. А если мы возьмем паяльник и создадим градиент температуры, то в пленке возникнет эффект Марангони — перемещение вещества из-за разницы поверхностного натяжения. При этом можно получить движение в противоположном направлении. Если пленка воды выпуклая, то есть толще в центре, то конвекция будет в стороны, а если пленка вогнутая, то есть тоньше в центре, чем по краям, то конвекция будет направлена в центр.
Вопрос: Почему форма водяной пленки определяет направление эффекта Марангони?
Нагрев уменьшает поверхностное натяжение, и вода начинает удаляться от источника тепла. Но в каком направлении она пойдет? Вода нагревается быстрее там, где ее слой тоньше, поэтому она стремится уйти по более тонкому пути. В случае выпуклой пленки это края, в случае вогнутой — центр.
Эпизод 4. Вихри и линзы
Продолжаем эксперименты с тонкими пленками. В них сравнительно слабы силы вязкости, поэтому, если закрутить такую пленку, предварительно подкрасив, то будет видно, что она способна вращаться минутами. Капля красителя, попав на пленку, образует грибообразную фигуру, фактически, являющуюся продольным разрезом вихревого кольца. Такой же эффект можно получить, если подуть через трубочку на пленку. Ну и, наконец, водяная пленка работает как линза — выпуклая будет собирающей (положительной), а вогнутая — рассеивающей (отрицательной). Плоская пленка не будет ни увеличивать, ни уменьшать изображение.
Вопрос: Как вязкость влияет на вихрь?
Чем больше вязкость, тем меньше вихрь, потому что, чем больше вязкость, тем больше притяжение молекул, поэтому, например, в меду вихри будут меньше, чем в воде.
Эпизод 5. Развлечение с антипузырями
Благодаря силам поверхностного натяжения в невесомости можно сделать пузырь из воздуха внутри пузыря из воды, а при определенной удаче на какое-то время — пузырь из воздуха внутри пузыря из воды, летающего внутри воздушного пузыря внутри водяного. И все это еще и вращается.
Вопрос: Почему, когда самый большой пузырь вращается, пузыри внутри него выравниваются по центру?
Без тяжести на пузыри может воздействовать только центробежная сила. Вода плотнее воздуха, поэтому она выбрасывается на периферию (но у воды сильнее связь между молекулами, поэтому она не рассыпается), а воздух собирается в центре, поскольку остальное пространство занято водой.
Эпизод 6. Земля в инфракрасном диапазоне
На станции есть камера, снимающая в ближнем инфракрасном диапазоне. Наличие аналогичной камеры, снимающей в видимом диапазоне, позволяет по очереди смотреть на одну и ту же местность в разных диапазонах. ИК-диапазон делает очень заметным растительность, что позволяет не только снимать красивые фотографии, но и использовать полученные данные в науке и народном хозяйстве.
Вопрос: Почему растения в ИК-диапазоне красные, а города — серые?
Растения отражают инфракрасный свет. Фотографии делались на дневной стороне, поэтому растения отражают ИК, а бетонные города — поглощают. На ночной стороне будет наоборот, потому что города будут испускать накопленное тепло.
Эпизод 7. Звуковые волны в космосе
В этом видео Дон нашел старые колонки, капнул на них водой, стал подавать чистые тоны в районе 20–40 Герц и смотреть, что получилось. Получилось очень красиво, и на Земле гравитация не позволит такое увидеть.
Вопрос: Почему используются именно низкие частоты?
Мы думаем это происходит потому, что низкие частоты позволяют формироваться стоячим волнам. Стоячая волна образуется, когда две волны, движущиеся в противоположном направлении, пересекаются, создавая интерференцию, усиливающую и уменьшающую амплитуду. Вероятность этого больше на низких частотах.
