XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Чтобы выполнить проект я поставил перед собой следующие задачи:

1. Изучить историю освоения космоса и пребывания в нем человека;

2. Выяснить, что человеку нужно для выживания в космическом пространстве и выявить проблемы, с которыми сталкивается космонавт;

3. Исследовать физические закономерности, которые справедливы как в космосе, так и на Земле и объяснить их с точки зрения физики;

4. Выполнить эксперименты, которые можно легко воспроизвести в классе;

5. Выбрать самые интересные и разработать сценарий занятия.

Актуальность и практическая значимость работы

Я считаю, что этот проект является актуальным для нашего времени, потому что человек ещё не освоил космическое пространство. Тема космоса всегда вызывает интерес у ребят. А поддержать этот интерес можно, если информация будет доступной, увлекательной и наглядной. Моя работа поможет в изучении простых физических явлений и экспериментально покажет, как они происходят в космосе. Результаты работы можно использовать на уроках физики и во внеурочной деятельности, при изучении космоса.

Объект исследования – физические явления при освоении космоса и пребывании в нем человека.

Предмет исследования – космонавты, их самочувствие в космосе.

Глава 1. Исследование темы проекта

Рано или поздно человечеству придется всерьез задуматься о колонизации космоса. Но даже если будут разработаны технологии, позволяющие беспрепятственно приземляться на другие планеты, нам придется «сражаться» с агрессивной окружающей средой этих планет.

Я выяснил, что для человека космос — предельно враждебная среда. Полет проходит практически в полном вакууме, невесомости, при очень больших перепадах температур и под воздействием ионизирующих излучений. Даже сейчас, когда опыт околоземных полетов исчисляется годами, обеспечение жизнедеятельности в космосе остается чрезвычайно сложной технической и медицинской задачей. Чтобы выжить, нам необходимо предусмотреть всё, что требуется для жизни человека. За это отвечает система жизнеобеспечения космонавтов. Это устройства и запасы для бесперебойного снабжения экипажа воздухом, водой и пищей, для очистки воздуха и воды, регулирования температуры.

1.1.Обеспечение воздухом

На первое место выходит, конечно, обеспечение воздухом. Нет воздуха, нет и жизни. Он не только нужен для дыхания, но и обеспечивает необходимое внешнее давление, а также служит для отвода тепла, непрерывно выделяемого человеческим телом. На МКС специальное оборудование «электролизеры» разлагает техническую воду на кислород, пополняющий атмосферу станции, и водород, который сбрасывается за борт. А вот на американских космических кораблях был применен иной подход к обеспечению кислородом. Его хранят в жидком виде и подают для дыхания через контур газификации.

Для выхода из корабля в открытый космос космонавт надевает, как вы знаете, скафандр и обеспечивает себя воздухом для дыхания. Первый человек, который вышел в открытый космос – Алексей Леонов. Мало кто знает, что это событие могло иметь печальные последствия. Так как в космосе глубокий вакуум,

то когда он покинул космический корабль, его костюм стал раздуваться, размеры скафандра изменились так, что входной люк стал мал и только благодаря упорству и силе воли он преодолел смертельную опасность и попал на борт корабля. Эту ситуацию наглядно демонстрирует опыт, который легко воспроизвести.

Опыт 1. Расширение тел в вакууме

Цель опыта: посмотреть, что происходит с телами, в которых есть воздух при попадании в вакуум.

Материалы и оборудование: резиновый шарик, вакуумный насос.

Надуем немного шарик и положим в камеру. Откачаем воздух из камеры.

Наблюдения: В процессе выкачивания воздуха замечено, что шарик увеличивается в размерах. После открытия клапана, шарик уменьшился в размерах.

Выводы: Шарик надувается, потому что воздух внутри него давит на стенки шарика, а воздух, который раньше уравновешивал это давление, мы откачали. Получается, что изнутри воздух продолжает давить, а снаружи уже нет. Чем больше наружного воздуха мы откачаем, тем больше раздуется шарик. При подаче воздуха, впущенный воздух стал давить на шарик снаружи, сжимая его до первоначального размера.

1.2 Обеспечение водой

Важнейшими после дыхания потребностями человека являются питье и еда. В августе прошлого года астронавты на МКС съели несколько листьев салата, который они вырастили в космосе, впервые. Но крупномасштабное озеленение в нулевой гравитации — это сложно. Вода плавает вокруг в пузырях вместо того, чтобы сочиться через почву, поэтому, инженеры изобрели керамические трубы, чтобы направлять воду вниз к корням растений. Но все это будет зря, если вы исчерпаете всю воду. Поэтому ни одна капля не пропадает зря. Хорошие новости состоят в том, что уже сейчас космические агентства добились весьма неплохих результатов по регенерации воды из... продуктов жизнедеятельности человека. Воду получают в результате работы кислородно-водородных топливных элементов. Но из-за большого количества растворенных газов ее используют только для технических, в частности гигиенических нужд. Питьевую воду доставляют грузовые корабли, а часть добывают практически из воздуха. При дыхании человек не только выдыхает углекислый газ, но и пары воды, которые конденсируются на холодных поверхностях. Этот процесс можно легко смоделировать.

Опыт 2. Конденсация воды

Цель опыта: посмотреть, как происходит конденсация (явление, при котором вещество из газообразного состояния переходит в жидкое)

Материалы и оборудование: небольшое зеркальце

Подышим на холодную поверхность зеркальца.

Наблюдения: На поверхности зеркальца образуются капельки воды.

Выводы: Опыт показывает, что конденсации может проходить при любых температурах, только для этого нужно, чтобы пар в атмосфере (либо в помещении) находился в особом состоянии (был теплее, чем поверхность на которой он конденсируется)

1.3 Защита от космического излучения

Кроме обеспечения относительного комфорта для космонавтов создатели орбитальных станций и кораблей озабочены защитой экипажа от космического излучения. В настоящее время ученые работают в нескольких направлениях: активная защита (суть её состоит в идее отклонять космические лучи магнитным полем); создание вакцины, блокирующей воздействие радиации на живые организмы; разработка пластика, который сможет смягчить радиацию в космических кораблях и скафандрах; использование радиозащитных трансгенов. Наиболее перспективный метод - это использование радиозащитных трансгенов. Например, тихоходки обладают высокой степенью радиорезистентности. При изучении тихоходок японские ученые нашли у них ген, помогающий этому организму чинить ДНК в условиях радиации, и опробовали его работу в человеческих клетках. На вид клетки с этим белком ничем не отличались от обычных, однако прекрасно себя чувствовали после четырех дней нахождения под рентгеновскими лучами, которые почти полностью уничтожили клетки без этого гена. Тихоходки – существа способные выживать в экстремальных условиях. Тихоходки, которых по-английски называют «водными медведями» – тип микроскопических беспозвоночных, родственный членистоногим. Этикрошечные животные, которых легко найти во влажной моховой подстилке, напоминают игрушечных медведей длиной 0,1-1,5 мм с четырьмя парами ножек.

Водяные медведи обладают пищеварительной, выделительной, половой и нервной системами, правда, у них полностью отсутствуют кровеносная и дыхательная системы. Роль крови выполняет заполняющая полость тела жидкость, а дышать тихоходкам помогает кожа. В среднем тихоходки живут около 200 лет, из которых они более 10 лет способны обходиться без пищи и питья. До нескольких недель они могут провести и без воздуха. Может исследование этих существ будет полезно в будущем.

1.4 Космос и перегрузки

Само человеческое тело — это тоже проблема в исследовании космоса. Во время полета на орбиту, а также при возвращении из космического пространства космонавты сталкиваются с сильнейшими перегрузками. Перегрузкой называется отношение веса тела к величине силы тяжести, действующей на это тело у поверхности земли. Как правило, эту величину выражают в ускорениях свободного падения. Говорят, к примеру, что перегрузка равна 2g , имея ввиду, что вес тела вдвое больше силы тяжести. Космонавты испытывают перегрузку от 1g до 7g. Это состояние необычно и опасно для нетренированных людей. Поэтому тренировка космонавтов в центрифуге (центрифуга – специальная установка, напоминающая огромную карусель и вращающаяся со скоростью до 70 оборотов в минуту) входит в обязательнуюподготовку звездного экипажа. Даже космические туристы не смогут попасть на орбиту без подобного испытания.

Современные центрифуги способны набрать мощность перегрузки в 30 единиц. Этот показатель несовместим с жизнью. В настоящее время космонавты тренируются при перегрузке в 8 единиц. Однако в Советский период требования были жёстче: перегрузка доходила до 12 единиц. Тяжело даже представить, что человек испытывает во время таких занятий. Во время тренировок на центрифуге плохо подготовленные люди могут потерять не только содержимое желудка, но и сознание.

Опыт 3. Центрифуга со стаканами

Цель опыта: понаблюдать за центростремительной силой в действии, а также предугадать результат.

Материалы и оборудование: подставка с возможностью приделать к ней веревку, так чтобы было удобно вращать; стакан - один - два - три (зависит от вашей ловкости) лучше пластиковые, а не стеклянные;

Наблюдения: Если поставить стакан, наполненный наполовину водой, на подставку, а затем быстро ее вращать, то стакан за счет центробежной силы прижмется в подставке. Вода не выльется!

Выводы: На воду в стакане тоже действует центробежная сила, которая прижимает воду ко дну стакана и не дает ей выливаться.

1.5 Космос и невесомость

В космическом путешествии космонавт испытывает не только перегрузку, но и состояние невесомости. Невесомость полностью отменяет понятие «верх» и

«низ». Состояние невесомости это состояние, в котором находится материальное тело, свободно движущееся в поле тяготения Земли (или другого небесного тела) под действием только сил тяготения. Длительное воздействие невесомости отрицательно сказывается на физиологии человека. Год на Земле не убирает последствий полёта, так как в условиях невесомости теряется костная масса, нарушается жировой обмен, мышцы слабеют, и человек вернувшись в обычные условия существования, не может стоять на ногах, а сознание, порой, не выдерживая перепада, попросту отключается.

На Земле невесомость получают, компенсируя силу тяжести выталкивающей силой в воде. Космонавты проходят тренировку в воде, в специальных бассейнах. Безусловно, передвижения в воде любому человеку осуществить довольно сложно. Космонавтам же приходится справляться с этой непростой задачей ещё и в полном обмундировании, надев на себя скафандр, средний вес которого около 110 кг. При погружении в бассейн космонавты испытывают так называемую гидроневесомость. В воде вес человека значительно уменьшается, так как плотность человека близка к плотности воды и космонавт физически ощущает невесомость. Проверить это можно с помощью простого опыта.

Опыт 4. Действие жидкости на погруженное в неё тело

Цель опыта: посмотреть, что происходит с телами, которые находятся в жидкости.

Материалы и оборудование: стакан с водой, динамометр или резинка, груз.

Измеряем вес тела в воздухе и в воде.

Наблюдения: При погружении грузика в воду пружинка сжимается. Вес грузика становиться меньше.

Вывод: тело стало легче, значит кроме силы тяжести на него действует ещё одна сила, направленная вверх, её называют выталкивающей.

Состояние невесомости можно получить во время затяжного прыжка (до раскрытия парашюта) или во время полета самолета по параболической траектории снижения. Физическое и математическое моделирование процессов в невесомости дополняют исследования, проводимые в космосе.

Опыт 5. Естественная форма жидкости

Цель опыта: смоделировать состояние невесомости и посмотреть естественную форму жидкости.

Материалы и оборудование: стакан с водой, масло подсолнечное (касторовое), пипетка.

Капнем каплю воды в стакан с маслом.

Наблюдения: Водяные шарики будут медленно опускаться на дно, а маленькие будут плавать в масле.

Выводы: Дело в том, что естественная форма жидкости – шар. Обычно сила тяжести мешает жидкости принимать эту форму, и жидкость либо растекается тонким слоем, если разлита без сосуда, либо же принимает форму сосуда. Находясь внутри другой жидкости, по закону Архимеда «теряет» свой вес: она словно ничего не весит, тяжесть на неё не действует – и тогда жидкость принимает естественную, шарообразную форму.

Гравитационное поле, неизменный природный фактор нашего существования, притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. Да и как можно заметить силу, которая действует всегда и практически постоянна по величине? Тем не менее, гравитация "учтена" практически во всех функциональных системах организма, на всех уровнях, от клеток до скелета. В условиях космоса - искусственная гравитация исправила бы все это. А пока космонавты постоянно тренируются для поддержания физической формы, как на Земле, так и в космосе. В ходе работы я собрал интересные факты о том, какие физиологические изменения происходят с телом человека в космосе (см. приложение 1)

1.6 Средства связи, строительные и производственные мощности

Недавно на МКС провели испытания специального 3D-принтера, предназначенного для работы в условиях невесомости. С его помощью космонавты напечатали несколько инструментов, которые были отправлены назад на Землю для тщательной проверки их качества. Если будущие испытанияпройдут успешно, то эта технология позволит экипажу станции самостоятельно производить нужные запчасти для ремонта МКС и избавит от необходимости брать с собой в полёт тяжелые детали — всё необходимое можно будет распечатать в космосе, имея на борту принтер и запас материалов. То же касается строительства и производства – всё, что может быть произведено in situ (на месте) сберегает огромное количество денег, времени и энергии. Огромное значение имеет возможность не брать с собой 50 запасных частей, а иметь возможность 3D печати необходимого инструмента и оборудования из подручного материала.

Еще один фактор, который нужно учитывать – это время. Самой быстрой вещью, которую когда-либо строили люди, является зонд по имени «Гелиос 2». Он уже не функционирует, но если бы в космосе был звук, то вы услышали бы его крик, поскольку он до сих пор вращается вокруг солнца на скоростях больше чем 252 000 км в час. Это почти в 100 раз быстрее, чем пуля. Но даже при такой скорости потребовалось бы приблизительно 19 000 лет, чтобы достигнуть ближайшую к нам звезду — Альфа Центавра. Во время такого длительного полета сменилось бы тысячи поколений. И вряд ли кто-то мечтает умереть от старости в космическом корабле. Для освоения дальнего космоса ученые проводят исследования вопросов приведения экипажа в состояние гибернации («зимняя спячка») во время длительных космических путешествий — в этом состоянии, как показывают опыты с животными, повышается устойчивость к экстремальным факторам: понижению температуры, смертельным дозам облучения, перегрузкам и т. д.

Пара десятилетий назад, научно-фантастический автор Ким Стэнли Робинсон изобразил схематически будущую утопию на Марсе, построенном учеными из перенаселенной, перенапрягшей Земли. Его «Марсианская трилогия» сделала мощный толчок для колонизации Солнечной системы. Но, если задуматься, помимо научного интереса, почему мы стремимся в космос?

Потребность исследовать заложена в наши гены, это единственный аргумент — дух первопроходца и желание узнать свое предназначение.

«Несколько лет назад мечты о покорении космоса занимали наше воображение»,

— вспоминает сотрудник NASA, астроном Хайди Хаммел. «Мы говорили на языке отважных покорителей космоса, но всё изменилось после того, как станция

«Новые горизонты» пролетела мимо Плутона в июле 2015 года. Перед нами открылось всё многообразие миров Солнечной системы. Мы знаем, что Земля — единственное пригодное для жилья место в известной нам Вселенной. И если мы собираемся покинуть эту планету, то это должно быть нашим желанием, а не следствием безвыходного положения.

Глава 2. Практическая часть

Тема проекта, которую я выбрал, заинтересовала меня больше всего своей масштабностью, увлекательными экспериментами и занимательной информацией с которой хотелось бы поделиться. Как это сделать?

ИДЕЯ №1 Разработка и проведение занятия, который включал бы в себя не только теоретический материал, но и увлекательную программу для учеников.

ИДЕЯ №2 Выпустить маленькую книгу, в которой поместить самые интересные эксперименты и их красочные фотографии.

Мне всегда нравились оригинальные идеи, поэтому я остановился на идеи №1. Мероприятия по физике всегда очень привлекают внимание обучающихся, с помощью простых опытов можно просто и незамысловато рассказать ребятам о физических процессах, происходящих на Земле и объяснения их протекания в условиях космоса и космического корабля. Я разработал сценарий занятия для ребят начальной школы (см. приложение 2) Мы знаем, что в 2021 году исполняется 60 лет первому полёту человека в космос. Полет Ю.Гагарина – это выдающееся событие, которое в XX веке смогло объединить всех жителейстраны в едином чувстве радости от победы в мирном освоении космического пространства.

Заключение

Я считаю, что проект выполнен, так как реализованы все поставленные цели и задачи. При исследовании темы проекта я узнал много нового и интересного о космосе. Я приобрёл практические навыки: научился проектировать и ставить небольшие эксперименты, в зависимости от выдвинутых гипотез и предположений, работая над определенной задачей. Итогом моего проекта стало занимательное занятие для учеников нашей школы. А самое главное я получил большое удовольствие от выполнения работы, а также удовлетворение от результата.

Список интернет ресурсов:

1. Жизнь с гравитацией и без неё // URL: https://www.nkj.ru/archive/articles/1808/ (дата обращения: 09.12.2020).

2. Как выжить в космосе // URL: http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6501/ (дата обращения: 17.01.2021).

3. Класс!ная физика // URL: http://class-fizika.ru/op15-8.html (дата обращения: 09.12.2020).

4. Тихоходки — сверхэкстремалы Земли // URL: http://sci- dig.ru/statyi/tihohodki-sverhekstremalyi-zemli/ (дата обращения: 15.12.2020).

5. Человек-тихоходка: от устойчивости к радиации до выживания в космосе

// URL: https://indicator.ru/biology/chelovek-tihohodka-ot-ustojchivosti-k- radiacii-do-vyzhivaniya-v-kosmose.htm (дата обращения: 08.12.2020).

Приложение 1

Физиологические изменения, которые происходят с телом человека в космосе:

· Мы растем. Из-за отсутствия нагрузок на опорно-двигательный аппарат, позвоночник расслабляется и вытягивается. Так рост человека увеличивается на 3-5 сантиметров. Спустя несколько месяцев после возвращения на Землю рост космонавта вновь возвращается к прежним значениям.

· Исчезает отрыжка. Отрыжка возникает благодаря подъемной силе, которая отсутствует в условиях невесомости. Поэтому отрыжка в космосе невозможна.

· Потеря костной массы. В условиях микрогравитации человек теряет до 2% костной массы. Это явление известно как космическая остеопения.

· Непрерывное потоотделение. В невесомости нарушаются процессы естественной теплоотдачи, что приводит к постоянному перегреванию глубоких слоев тканей. Из-за такого эффекта организм постоянно вырабатывает пот, который не выделяется, а накапливается.

· Космическая адаптация. Более половины всех космонавтов в начале своих путешествий в космос испытывают синдром космической адаптации, основными симптомами которой являются тошнота, головокружение, дезориентация и зрительные иллюзии.

· Головная боль. Многие космонавты жалуются на головную боль, которая часто возникает в условиях микрогравитации.

· Невозможность заплакать. Космонавтам достаточно сложно дать волю чувствам в космосе и всплакнуть. Слезы будут выделяться, но не течь, и удалить их можно будет только с помощью специальных приспособлений.

· Круглое сердце. В условиях невесомости, когда жидкость в организме

распределена иначе, сердце прокачивает меньший объем крови, что можетпривести к его атрофии. Из-за изменения давления в камерах сердца, оно становится округлым.

· Ухудшение зрения. В невесомости ухудшается зрения. У многих космонавтов возникают проблемы, связанные с появлением близорукости или дальнозоркости. В космосе повышается внутричерепное давление, что негативно отражается на состоянии оптического нерва.

· Изменение вкуса. Понять точную причину ухудшения вкуса в космосе сложно. Почти все космонавты отмечают, что в космосе еда становится более пресной и невкусной. Это может быть связано как с ухудшением качества самой пищи, так и с гиперемией, которая наблюдается в космосе.

Приложение 2

Сценарий занятия «Как выжить в космосе?»

В этом году наша страна, весь мир будут праздновать знаменательную дату. 12 апреля 1961года Юрий Алексеевич Гагарин совершил первый полет в космос. Мы гордимся этим достижением и знаем, что наша страна и сейчас впереди планеты всей.

- А что вы знаете о космосе? (Слушаем ответы детей)

А знаете ли вы, что полет проходит практически в полном вакууме, невесомости, при очень больших перепадах температур и под воздействием радиации.

В основе полета ракеты лежит реактивное движение. Я предлагаю отправиться в полет!

Опыт «Полет ракеты»

- А вы бы хотели полететь в космос? (Слушаем ответы детей)

Для выхода из корабля в открытый космос космонавт надевает, как вы знаете, скафандр и обеспечивает себя воздухом для дыхания. Первый человек, который вышел в открытый космос – Алексей Леонов. Мало кто знает, что это событие могло иметь печальные последствия. Так как в космосе глубокий вакуум, то когда он покинул космический корабль, его костюм стал раздуваться, размеры скафандра изменились так, что входной люк стал мал и только благодаря упорству и силе воли он преодолел смертельную опасность и попал на борткорабля. Эту ситуацию наглядно демонстрирует опыт, который легко воспроизвести.

Опыт 1. Воздушный шарик

 

- Как вы думаете, чтобы выжить в космосе, что человеку нужно? (слушаем ответы ребят)

Действительно ему нужен кислород для дыхания, вода, еда…

На космических кораблях кислород получают из воды с помощью специального оборудования либо привозят в жидком виде. Питьевую воду доставляют грузовые корабли, а часть добывают практически из воздуха. При дыхании человек не только выдыхает углекислый газ, но и пары воды, которые конденсируются на холодных поверхностях. Этот процесс можно легко смоделировать.

Опыт 2. Конденсация воды

Кроме обеспечения относительного комфорта для космонавтов создатели орбитальных станций и кораблей озабочены защитой экипажа от космического излучения. Недавно я узнал о том, что есть существа, которые способны помочь нам научиться выживать в «недружественных» условиях. Это маленькие водяные медведи, или тихоходки. В 2011 году эти членистоногие были обнаружены за бортом космического челнока. Сейчас их находят на внешней обшивке МКС. Тихоходок, чей размер не превышает полутора миллиметров, больше на Земле, чем людей в несколько раз. Для космических полетов они самые приспособленные из известных существ. Сейчас ученые пытаются понять, каким образом тихоходкам удается поддерживать жизнедеятельность в экстремальных условиях. В среднем тихоходки живут около 200 лет, из которых они более 10 лет способны обходиться без пищи и питья. До нескольких недель они могут провести и без воздуха.

 

Во время полета на орбиту, а также при возвращении из космического пространства космонавты сталкиваются с сильнейшими перегрузками. Происходит увеличение собственного веса в несколько раз, что очень опасно. Поэтому тренировка космонавтов в центрифуге входит в обязательную подготовку звездного экипажа. Давайте понаблюдаем за центростремительной силой в действии, а также посмотрим, что произойдет.

Опыт 3. Вращение стакана

В космическом путешествии космонавт испытывает не только перегрузку, но и состояние невесомости. Невесомость полностью отменяет понятие «верх» и «низ». На Земле невесомость получают, компенсируя силу тяжести выталкивающей силой в воде. Космонавты проходят тренировку в воде, в специальных бассейнах. В воде вес человека значительно уменьшается, так как плотность человека близка к плотности воды и космонавт физически ощущает невесомость. Проверить это можно с помощью простого опыта.

Опыт 4. Изменение веса груза

Состояние невесомости можно получить во время затяжного прыжка (до раскрытия парашюта) или во время полета самолета по параболической траектории снижения. Физическое и математическое моделирование процессов в невесомости дополняют исследования, проводимые в космосе.

Опыт 5. Опыт «Плато»

Гравитационное поле, неизменный природный фактор нашего существования, притяжение Земли настолько естественно, что мы его почти не замечаем. А пока космонавты постоянно тренируются для поддержания физической формы, как на Земле, так и в космосе.

Я думаю, что сегодня вы узнали много нового и интересного. Наука стала еще ближе и понятнее! С помощью этих интересных опытов мы познакомились с явлениями, которые протекают как на Земле, так и в космосе, которые всему даёт объяснение наука – физика.