XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Необыкновенные материалы: пайкрит
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Как я узнал про пайкрит, и чем он меня заинтересовал
Впервые я узнал о пайкрите из краткого сообщения в телепередаче на канале Да Винчи. Меня заинтересовал этот необычный материал, о котором я раньше никогда не слышал, потому, что:
1) я сразу стал сомневаться, что из простых, доступных и очень распространенных составных частей можно сделать материал, выдерживающий попадания снарядов и вес военных самолетов;
2) мне стало очень интересно, почему 80 лет назад об этом материале говорили ученые, адмиралы флота и члены правительств стран, играющих важную роль в развитии науки и техники – Великобритании и Соединенных Штатов Америки, а сейчас о нем ничего не известно?
Чтобы ответить на эти вопросы, я провел исследование, целью которого было изучение одного из очень необычных материалов - пайкрита, его свойств, а также способов получения и использования.
Задачи исследования:
1. Изучить историю создания и использования пайкрита.
2. Подобрать доступные материалы для создания пайкрита.
3. Найти способ получения пайкрита в домашних условиях.
4. На полученных образцах изучить свойства пайкрита.
5. Понять, почему пайкрит прочнее обычного льда.
6. Подумать, где можно использовать пайкрит.
7. Рассказать о результатах исследования.
Основная часть
1. История изобретения пайкрита и его свойства
В 1942 году шла Вторая мировая война. Боевые действия велись в разных частях света – в Европе, Северной Африке, на Дальнем Востоке (рис. 1). Для войны на Дальнем Востоке, вдали от аэродромов, были нужны авианосцы – огромные корабли, с которых могли взлетать военные самолеты (рис. 2). Но для строительства таких кораблей было нужно много металла, которого не хватало.
1
2
3
Рис. 1. Карта стран, участвовавших во Второй мировой войне:
с траны фашистского режима; Советский Союз; союзники;
1 – территория Дальнего Востока; 2 – Великобритания; 3 – США
Рис. 2. Авиабаза времен Второй мировой войны
|
В это время англичанин Джеффри Пайк (рис. 3) предложил строить корабли из необычного материала – смеси льда и древесных опилок. Этот материал привлекал простотой своего изготовления и необычайными свойствами: 1. его прочность сравнивама с бетоном (рис. 4); 2. пайкрит выдерживает удары бомб и снарядов; 3. может выдерживать нагрузку в 10 раз больше, чем лед; 4. пайкрит легко обрабатывается; |
Рис. 3. Джеффри Пайк |
5. начинает таять только при температуре выше +16оС;
6. стоит очень дешево.
Позднее этот необыкновенный материал назвали пайкритом в честь Джеффри Пайка.
Рис.4. Испытание пайкрита на прочность под прессом
Идея Джеффри Пайка очень понравилась английским военным, и, чтобы ускорить строительство – получить деньги и место под строительство, они обратились к американским союзникам. Нужно было убедить американцев, что из пайкрита можно строить корабли. Для этого Адмирал флота Великобритании Луис Маунтбеттен (рис. 5) на одном из заседаний военного совета стран-союзников выстрелил из пистолета в кусок обычного льда и в кусок пайкрита. Лед раскололся на мелкие осколки, а пайкрит остался целым (рис. 6). Пуля просто отскочила от него! По трагичной случайности она отрикошетила в ногу адмиралу флота США Эрнесту Кингу (рис. 5). Однако Э. Кинг, как истинный военный, не стал раздувать из этого инцидента международный скандал, а принял решение помочь воплотить план правительства Великобритании по постройке флота авианосцев из пайкрита.
Эта история показалась мне настолько необычной и интересной, что я решил сам повторить этот эксперимент.
|
Адмирал флота Великобритании Луис Маунтбеттен |
Адмирал флота США Эрнест Кинг |
|
Рис. 5. |
|
|
До стрельбы |
После стрельбы |
|
|
Лед |
||
|
Пайкрит |
Рис. 6. Современное моделирование эксперимента адмирала Л. Маунтбеттена
Эксперимент: приготовление и испытание пайкрита
Для приготовления пайкрита нужны опилки и вода. Я – городской житель, и была зима, поэтому опилки найти в достаточном количестве я не смог. Было решено вместо опилок использовать наполнитель для кошачьего туалета, который сделан из спрессованных древесных опилок и продается в любом зоомагазине. Из интернет-источников я узнал, что самый лучший пайкрит получается, если в его составе вода составляет 86 %, а оставшиеся 14 % – древесные опилки. Именно в таком соотношении я и смешивал опилки и воду. Этапы приготовления пайкрита показаны на рис. 7.
|
1. Подбор материала |
2. Взвешиваем опилки |
3. Засыпаем в воду |
|
4. Перемешиваем |
5. Замораживаем смесь |
6. Готовый пайкрит |
|
Рис. 7. Этапы изготовления пайкрита в домашних условиях |
||
Одновременно с подготовкой пайкрита я заморозил в холодильнике примерно такой же цилиндр льда. За ночь оба цилиндра замёрзли и настало время для испытаний! Положив образец в глубокую посуду, я бью молотком по ледяному цилиндру. И он раскалывается на мелкие кусочки! Теперь изо всех сил несколько раз бью по пайкриту (рис. 8). И он остается практически целым!
Рис. 8. Мой эксперимент по разбиванию пайкрита
Я погрузил пайкрит в воду – плавает он так же хорошо, как и лед (рис. 9). В начале эксперимента температура воды была 27 оС. Мой образец пайкрита полностью растаял через 2 часа, температура воды в конце эксперимента стала 18 оС. Лед, погруженный в воду с такой же исходной температурой, полностью растаял через 40 минут, причем за 10 минут до полного исчезновения льда температура воды уже была 10 оС и скорость таяния льда слегка замедлилась.
В процессе таяния я подсаживал на мои образцы пассажира – желтую игрушку-хамелеона, реагирующую изменением своего цвета на понижение температуры (при понижении температуры она меняла цвет на зеленый). На пайкрите хамелеон стоял очень уверенно и не скользил, а со льда несколько раз соскальзывал, прежде чем его удалось установить. При нахождении на пайкрите у хамелеона «замерзли» только лапки – их цвет изменился с желтого на зеленый; простояв несколько минут на ледяном образце, игрушка полностью стала зеленой. Проведя эти эксперименты, я убедился, что пайкрит тает значительно медленнее льда, на его поверхности не так холодно, как на льду, и он менее скользкий, чем лед.
|
Рис. 9. Опыты с пайкритом и льдом в воде |
|||
Затем мы с папой проверили, можно ли подвергать лед и пайкрит обработке – я попытался с помощью электроотвертки вкрутить в образцы шуруп саморез. В лед саморез вкручивался с большим трудом и неглубоко. При этом лед почти сразу стал разрушаться (рис. 10). В пайкрит шуруп вкрутился легче, образец пайкрита остался целым и надежно держался на весу, когда я поднял его за вкрученный шуруп. Таким образом, я убедился в еще одном достоинстве пайкрита – его можно обрабатывать.
|
Рис. 10. Лед и пайкрит с вкрученным шурупом |
|
Немного теории: почему пайкрит прочнее льда
Лёд состоит из молекул воды (рис. 11). Если сильно ударить по куску льда, то образуются трещины, которые быстро распространяются по всему образцу, и лед рассыпается на множество осколков.
В пайкрите между молекулами воды находятся опилки. Поэтому трещины, образующиеся в пайкрите, не проходят насквозь, а останавливаются, натыкаясь на опилки. Пайкрит остаётся целым!
|
Молекула воды |
Структура льда |
Структура пайкрита |
|
Рис. 11 |
||
4. Использование пайкрита
В 1943 г в Канаде был построен пробный корабль из пайкрита (рис. 12). На это ушло 2 месяца работы 15 человек. Корабль из деревянных балок и кубов льда с тремя небольшими холодильниками был длиной 18 м, шириной 6 м и весил более 1 тонны. Настоящие боевые авианосцы должны были быть длиной около 600 м (рис. 13) и получались совсем недешевыми, не смотря на кажущуюся бесплатность льда. К тому же, для целого флота таких кораблей пришлось бы вырубить почти все леса Канады. Это-то и остановило дальнейшие работы и этот уникальный материал так и не нашел дальнейшего применения.
|
Рис. 12. Строительство корабля из пайкрита на озере Патриция в Канаде |
Рис. 13. Проект ледяной авиабазы «Хабаккук» |
Заключение
Есть ли будущее у пайкрита?
Хотя идея Д. Пайка была очень оригинальной, трудно ожидать, что сейчас кто-то начнет строить корабли из пайкрита – они громоздки, неудобны в обслуживании и на них просто холодно плавать. Но найти применение изделиям из пайкрита можно вдали от морей. Например, зимой реки и озера покрываются льдом, и через них строят ледовые дороги – зимники, по которым машины могут ездить как по настоящему мосту. Чтобы эти зимники выдерживали большие нагрузки и могли работать до самой весны, приходится намораживать толстый слой льда. Но даже очень толстый лед становится непрочным во время оттепелей. Это может привести к разрушениям, катастрофам и гибели людей. Чтобы избежать этого, предлагаю делать зимники не из простого льда, а из пайкрита. Такая дорога будет прочнее и не такой скользкой, как из чистого льда. Если добавлять опилки разного цвета, то можно даже сделать на дороге разметку, которая не сотрётся. Так как дорога будет отличаться по цвету от окружающего льда, ни один водитель не съедет с неё и не угодит в полынью. Кроме того, в северных районах можно делать дороги из пайкрита не только через реки, но и на суше, ведь дорог часто не хватает. А чтобы сберечь деревья, добавлять в пайкрит не древесные опилки, а старые газеты и другую макулатуру.
Так что возможно, что пайкрит еще станет материалом будущего!
Список литературы
Авианосец изо льда: проект, потерпевший фиаско. – Текст: электронный // Novate: электронный журнал. – URL: https://novate.ru/blogs/301220/57286/(дата обращения: 09.04.2021).
Арабаджи, В.И. Загадки простой воды / В.И. Арабаджи. М.: Знание, 1973. – 50 с. – URL: https://t-z-n.ru/svodoi/docs/zagadki_vodi.pdf. (дата обращения: 09.04.2021). – Текст: электронный.
Википедия – свободная энциклопедия: [cайт]. URL: https://wiki2.net/%D0%9F%D0%B0%D0%B9%D0%BA%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%82 (дата обращения: 09.04.2021). – Текст: электронный.
Ковалев, О.В. Пайкерит – льдокомпозит Второй мировой войны / О.В. Ковалев, М.Н. Андреев, В.В.Райс // Лёд и Снег. — 2016. — Т. 56, вып. 1. — С. 119—127. — URL: doi:10.15356/2076-6734-2016-1-119-127 (дата обращения: 09.04.2021). – Текст: электронный.
Пайкерит. Британский авианосец изо льда: [видео]. – URL: https://yandex.ru/video/preview/?text=%D0%BF%D0%B0%D0%B9%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%82&path=wizard&parent-reqid=1617473679656193-5307815417170518856-balancer-knoss-search-yp-vla-11-BAL&wiz_type=vital&filmId=13469796247064015353 (дата обращения: 09.04.2021). – Видеоклип был снят в 2016 г.
Яндекс Дзен: [cайт]. URL: https://zen.yandex.ru/media/popsci/avianoscy-iz-lda-i-opilok-istoriia-ambicioznogo-proekta-britanskih-korablestroitelei-5e1c35293639e600b0d1658e(дата обращения: 09.04.2021). – Текст: электронный.