XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Введение

Актуальность проблемы: люди часто теряются и им как-то нужно указать о своем местоположении. Мы предлагаем альтернативу сигнальной ракетнице, которую можно сделать из сырья, добытого в дикой природе.

Мы называем подачу сигнала бедствия таким способом – геометка без инетрнета.

Цель: Предложить способ получения сигнальных огней разных цветов  из сырья, добытого в дикой природе.

Задачи: 

1) Изучить строение и механизм работы световых ракетниц.

2) Рассмотреть ряд химических соединений, входящих в состав световых ракетниц.

3) Предложить вещества, дающие 3 разных цвета сигнальных огней.

4) Практическим путем подтвердить теоретические данные.

5) Сравнить характеристики полученной световой ракетницы с настоящей световой ракетницей.

В исследовательской работе был проведён анализ литературных источников, научно – методическое обоснование проблемы, постановка и решение основных задач исследования. С помощью различных статей и интернет- ресурсов подробно изучена необходимая информация о веществах, из которых можно сделать сигнальную ракетницу. В работе подробно описана методика изготовления сигнальных ракетниц.

Определяющими является личный вклад авторов в анализ, систематизацию, обобщение и интерпретацию полученных результатов. Исследовательская работа построена по традиционной схеме: состоит из введения, теоретического блока, практического блока, заключения, выводов, списка литературы и приложения. При выполнении работы проведены эксперименты, с помощью которых можно подтвердить теоретические данные. Авторами сделаны выводы, подтверждающие гипотезу исследования.

Методы исследования

-работа с информационными источниками;

-проведение опытов;

-наблюдение;

-описание;

-анализ;

-обобщение информации;

-фотофиксация;

-видеофиксация

Гипотеза исследования: в условиях необитаемого острова можно получить сигнальную ракетницу, которая будет схожа по характеристикам с реальной световой ракетницей.

Новизна: исследование состоит в том, что в работе рассмотрены и изучены теоретические материалы по изготовлению световых ракетниц в условиях необитаемого острова, а также предложены варианты корпуса и набор веществ для создания пиротехнической смеси.

Практическая значимость нашего исследования заключается в разработке информационной карты, которая поможет людям, оказавшимся в условиях необитаемого острова или просто потерявшимся, применить знания и подать знак бедствия.

Предмет исследования: сигнальная ракетница.

Объект исследования: оборудование и реактивы для создания сигнальной ракетницы.

1.1 Сигнальная ракетница

Наша команда долго размышляла, как же сделать сигнальную ракетницу с помощью простых инструментов, но прежде всего мы изучили, что такое сигнальная  ракетница. Для примера мы разбирали много различных сигнальных ракетниц, такие как РСП-30, РОЗ-30, РОК-30, но выбрали СХТ-40, так как она является самой простой в устройстве.

Принцип работы СХТ-40

Ракета        сигнала        химической         тревоги        (СХТ-40)

      

           Схема 1. Строение СХТ-40

запускается                 в             результате                срабатывания электровоспламенителя МБ-2Н или терочного капсюля- воспламенителя, которые передают форс пламени воспламенительной звездке двигателя, от которой воспламеняется его пороховая шашка. Ракета вылетает из пусковой трубки. Высота подъема ракеты не менее

200 метров. Воспламенение вышибного заряда происходит спустя 5-7 секунд после запуска. При этом воспламеняются сигнальные и звуковая звездки. Время

действия сигнала не менее 11 секунд и определяется от начала действия светового сигнала до окончания действия звукового сигнала. Время действия светового сигнала не менее 5 секунд и определяется по продолжительности горения первых трех звездок. Время действия звукового сигнала не менее 8 секунд.

Основные составляющие ракеты (схема 1):

1)   корпус

2)   воспламенительный состав

В условии задачи сказано, что нам можно использовать простые инструменты........... Выделим какие будут использоваться в нашем решении:

1)                электронные весы;

2)                сверло 5 мм:

3)                нож;

4)               

саперная лопата.

Сигнальная ракетница – это специальное пиротехническое средство сигнальной зрительной (в некоторых случаях звуковой) связи, которое применяется для подачи оповещения, коротких команд, обозначения и взаимного узнавания своих самолетов, кораблей, войск и передачи сигналов переноса, вызова и прекращения огня и целеуказания.

Исходя из данных, которые были представлены ранее, мы разработали схему своей сигнальной ракетницы (схема 2). Она будет состоять из:

1)     корпуса из коры деревьев или тростника;

2)     пиротехнической смеси;

3)     трех веществ, дающих 3 разных цвета огню;

4)     фитиля из веревки или ткани и калийной селитры с   сахаром.

 Схема 2. Строение световой ракетницы

1.2   Приготовление пиротехнической смеси

Как уже было сказано ранее в качестве топлива в нашей ракете будет использоваться пиротехническая смесь. Она состоит из двух компонентов: сахарная пудра и калийная селитра.

1.2.1 Сахарная пудра

Для получения пудры нам понадобится сахарный тростник (фото 1). Для начала отчищаем тростник  от загрязнения. С помощью ножа снимаем верхний слой коры, чтобы добраться до мякоти внутри. Затем нужно выжать сок из тростника, для этого нужны два тяжелых предмета, лучше всего подойдут большие камни. Следующим шагом нужно вскипятить полученную жидкость и дать    воде испариться. Убираем пену с помощью волокнистой ткани и ждем появления кристаллов в мелассе (кормовая патока, побочный

продукт сахарного производства; сиропообразная жидкость тёмно-бурого цвета со специфическим запахом). Кристаллы будут выглядеть слегка коричневыми.  Дальше выпариваем мелассу и получаем кристаллы сахара. Измельчаем их и получаем сахарную пудру.

Пиротехническая смесь − это гетерогенная смесь, способная к самостоятельному горению и дающая при горении световые, дымовые, тепловые, звуковые и другие эффекты. Она будет состоять из сахарной пудры и калийной селитры. Рассмотрим поподробнее создание сахарной пудры.

Сахарная пудра — тонко измельчённые кристаллы белого сахара размером не более 0,2 мм.

1.2.3.Калийная селитра.

Также для приготовления пиротехнической смеси нам понадобится калийная селитра.

Для ее получения нам помогут селитряницы. При гниении навоза образуется аммиак, который, удерживаясь в прослойках из хвороста, повергается нитрификации и превращается в начале в азотистую, а затем в азотную кислоту.

NH3→HNO2→HNO3

Азотная кислота, взаимодействуя с известняком, дает Ca(NO3)2, который выщелачивается (переводится в раствор, как правило водный, одного или нескольких компонентов твердого материала) водой.

2HNO3+CaCO3=Ca(NO3)2+H2O+CO2

Фильтруем получившуюся смесь от палок, грязи и земли (в качестве фильтра используем лоскуток ткани), чтобы остался только раствор нитрата кальция. Добавляем в него древесную золу (полученную при сжигании древесины), для того, чтобы  ыделить CaCO3, который  выпадет в осадок.

Ca(NO3)2+K2CO3→2KNO3+CaC03↓

Фильтруем получившийся раствор, при этом карбонат кальция оседает на фильтре (в качестве фильтра используем лоскуток ткани), а раствор нитрата калия проходит через фильтр. Далее фильтрат нагреваем и тем самым выпариваем воду, чтобы получилась чистая калийная селитра (фото 2).

Фото 2. Калийная селитра

Селитряницы – кучи из смеси навоза с известняком с прослойками из соломы или хвороста, накрытые дёрном (верхний слой почвы, заросший травой) для удерживания образующихся газов.

Нитрификация - процесс окисления аммиака до азотистой кислоты.

1.3.Вещества, дающие 3 разных цвета   пламени (огню ракетнице).

Изучив литературные источники, мы узнали, что при внесении металлов или их солей в пламя, образующийся пар взятого вещества, состоящий из атомов или ионов металлов, поглощает и испускает фотоны (кванты излучения) с определенной длиной волны. Если длина волны соответствует видимой области спектра, то пламя окрашивается в определённый цвет (табл. 1, 2).

Также мы узнали, что ионы натрия Na+ дают желтый цвет, ионы кальция Ca2+

дают кирпично-красный цвет, а ионы меди Cu2+ дают ярко-зеленый цвет огню.

                  

Катион металла	Цвет пламени	Длина волны , нм
	Желтый	580
	Кирпично-красный	615
	Ярко-зеленый	500

  Таблица 1. Цвета пламени и длины их волн

Таблица 2. Цветовой спектр

1.3.1.Натрий

Жёлтый цвет можно получить с помощью солей натрия. Вообще, натрий – это активный металл. В чистом виде его очень сложно получить. Он содержится в соединениях.

   Чтобы получить соли натрия в диких условиях, понадобится морская вода. С помощью выпаривания получаем хлорид натрия, то есть поваренную соль, которую можно использовать в пиротехнической смеси.

1.3.2.Кальций

Для получения кирпично-красного цвета огня понадобятся соли кальция. Для получения солей кальция я буду использовать ракушки. Ракушки (40%) состоят из карбоната кальция и других солей. Для получения CaCO3 и дальнейшего использования нам необходимо измельчить ракушки с помощью камней   и добавить полученный порошок в пиротехническую смесь. Также можно использовать карбонат кальция, который остался на фильтре в процессе получения калийной селитры.

1.3.3. Медь

  Чтобы огонь окрасился в ярко-зеленый цвет, надо использовать медь. Из литературы мы узнали, что медь находится в малахите. Его можно найти в малахитовых рудах. Для того, чтобы извлечь медь из малахита, мы лепим глиняный горшок в форме тигеля (фото 3).

1.4.Обжиг глины

   Для этого роется яма (схема 3) диаметром, чтобы влезли все глиняные котелки. Сначала стенки ямы обмазываются глиной, а чтобы она лучше держалась можно вбить несколько колышков через глину в землю. После того как стенки ямы высохнут укладываем на дно мелкий хворост. Сверху насыпаем сухую траву или листья. В эту сухую траву кладем нашу глиняную посуду и засыпаем еще раз травой. Осталось это все посыпать слоем земли с золой и углями из костра. А дальше все просто, сверху разводим жаркий костер. Причем пока он будет гореть около трех часов, можно заниматься своими делами и костер использовать для приготовления пищи и обогрева. Через 3-4 часа, когда наш костер прогорит, оставляем все тлеть до утра. На утро раскапываем наши глиняные поделки.

   Засыпаем в тигель малахитовую руду и кладем все в костер. Под действием высокой температуры малахит разлагается на оксид меди, углекислый газ и воду.

   Из получившегося раствора оксида меди выпариваем воду и получаем чистый оксид меди

(фото 4)

Тигель - ёмкость для нагрева, высушивания, сжигания, обжига или плавления различных материалов.

          Схема 3. Яма для обжига глины

1.5 Фитиль

Фитиль мы получим с помощью веревка или части одежды, сахарная пудры и калийной селитры.

Процесс изготовления:

1)   На весах отмеряем 36 г калийной селитры и 24 г сахарной пудры.

2)   Наливаем 60 мл воды в стеклянную посуду.

3)   Добавляем в воду сахарную пудру и селитру.

4)   Доводим до кипения весь раствор.

5)   Варим в растворе веревку или часть одежды 10 минут.

6)   Сушим получившийся фитиль.

II Практическая часть

2.1.   Изготовление сигнальной ракетницы (Приложение 1)

   Начнем собирать ракетницу!

   Итак, распишем все по пунктам:

1)     Отмеряем 65 г калийной селитры, 35 г сахарной пудры, 15 г натрия на весах          (фото 1, 2, 3).

2)     Засыпаем все ингредиенты в одну чашу, хорошо перемешиваем (фото 4).

3)     Делаем дно у ракетницы. Засыпаем глину в корпус и хорошо утрамбовываем, чтобы получилась глиняная пробка (фото 5, 6).

4)     Засыпаем       пиротехническую         смесь с солями натрия в  ракетницу, хорошо  утрамбовываем (фото 7).

5)     Закрываем ракетницу глиняной пробкой сверху (фото 8).

6)     Высверливаем сопло почти на всю длину ракетницы (фото 9).

7)     Присоединяем фитиль и ножки к ракетнице (фото 10, 11). 

         По такому же принципу готовим ракетницы с солями кальция и меди.

2.2  Запуск сигнальной ракетницы (Приложение 2) 3…2…1…ПОЕХАЛИ!

Запускаем нашу сигнальную ракетницу! Для соблюдения безопасности выехали на пустырь за городом. Как вы можете увидеть на видео 1, запуск моей ракетницы произошел через 10-15 секунд, а также то, что ракетница полетела вбок.  Мы считаем, что это связано с тем, что сопло имело изъян, а также с тем, что у ракетницы была всего одна ножка, что делало ее неустойчивой. Однако наша команда считает, что справилась с задачей, так как ракета поднялась на высоту около 5 метров и испускало белые языки пламени (видео 2).

III Заключение

3.1       Сравнительная характеристика Настоящая ракетница:

1)   Подъём на высоту не менее 200 метров

2)   Время действия сигнала 11 секунд

3)   Воспламенение заряда спустя 5-7 секунд после запуска

Полученная ракетница:

1)   Подъем на высоту ± 5 метров

2)   Время действия сигнала ± 11 секунд

3)   Воспламенение заряда спустя 10-15 секунд после запуска

   Для того, чтобы узнать среднее значение исследуемых характеристик световых ракетниц, с каждой солью запустили по 3 ракеты. И вычисляли среднее значение. В итоге было проведено 9 опытов по запусканию разработанных нами ракетниц.

3.2   Выводы

1.            Изучили строение и механизм работы световых ракетниц.

2.            Рассмотрели ряд химических соединений, входящих в состав световой ракетницы.

3.            Предложили 3 вещества, дающих различные цвета сигнальных огней: натрий, магний, медь.

4.            Практическим путем подтвердили теоретические данные.

5.            Сравнили характеристики полученной световой ракетницы с  настоящей световой ракетницей.

Список литературы

1.   Robert M. Gaynor Jr. «Flare Guns & Signal Pistols Their Use, Description & Accessories» — 2001. – 207 pages

2.Scheit, Lorenz. German flare pistols and signal ammunition. — Galesburg, IL: Brad Simpson Publishing, 2012. — 703 pages

3.   Greenwood N.N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements, Oxford: Butterworth, 1997 Кольман Я., Рём К.-Г.

4.   Химия и технология редких и рассеянных элементов / Под ред. Большакова К. А.. — М.: Высшая школа, 1976. — Т. 1. — 91 с.

5.   Максимов М. М., Горнунг М. Б. Очерк о первой меди — М.: Недра, 1976. — 96 с. — 40 000 экз.

6 Б. В. Некрасов Основы общей химии.. — 3-е изд., исправленное и доп.

— М.: Химия, 1973. — Т. 1. — 656 с.

7.    Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.).

— Москва: Советская энциклопедия, 1995. – 783 c.

8.    Гармония цвета: Руководство по созданию цветовых комбинаций / Хидеяки Чидзиива: Пер. с англ. И. А. Бочкова. М 000 «Издательство Астрель» ООО

«Издательство АСТ», 2003.- 142 c.

9.    Атлас мира: Максимально подробная информация / Руководители проекта: А. Н. Бушнев, А. П. Притворов. — Москва: АСТ, 2017. — С. 46. — 96 с.

Приложение 1

Приложение 2

Видео с запуском сигнальной ракетницы находятся в презентации.