XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Испытание высотой. Научные секреты стратосферного прыжка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Спицеров В.С. 1

---

1АНОО « Областной Технолицей им. В. И. Долгих»

Гилко С.О. 1

---

1АНОО « Областной технолицей им. В.И. Долгих»

Работа в формате PDF

868.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Человечество всегда стремилось преодолевать границы и покорять новые высоты. Одно из самых удивительных и рискованных достижений - прыжок из стратосферы, с высоты, где заканчивается привычный нам мир и начинается открытый космос. Это не просто смелый поступок, а настоящее противостояние человека смертельно опасным силам природы. В стратосфере отсутствует воздух для дыхания, царит невообразимый холод и чрезвычайно низкое давление. Возникает главный вопрос моей проектной работы: как человеку выжить в условиях, совершенно непригодных для жизни?

Я предполагаю, что совершить такой прыжок можно только с помощью науки. Моя гипотеза: стратосферный прыжок возможен благодаря специальным системам защиты и точным расчетам, основанным на законах физики. И эти сложные условия можно смоделировать и понять с помощью простых и наглядных опытов.

Цель моей работы - исследовать с помощью экспериментов, какие опасности подстерегают человека в стратосфере и как научные знания помогают их преодолеть.

Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи:

1. Исследовать, что такое стратосфера и каковы её физические условия.

2. Изучить историю покорения стратосферы и знаменитые прыжки

3. Понять, как работает экипировка стратонавта.

4. Провести опыты, моделирующие опасности стратосферы.

5. Проанализировать полет в аэротрубе как пример подготовки к свободному падению.

Я уверен, что этот проект поможет не только узнать больше о смелых исследователях, но и на практике увидеть, как законы природы и сила человеческого разума позволяют совершать невозможное.

Глава 1. Что такое Стратосфера?

1. 1. Стратосфера. Её основные характеристики и особенности.

Если представить, что атмосфера Земли- это многослойный торт или пирог, то Стратосфера- это второй снизу слой этого «пирога». Она начинается там, где заканчивается тропосфера-11/12км, и простирается вверх примерно до 50-55 км.

Температура внизу стратосферы около -50°C) но чем выше, тем становится теплее. Это происходит из-за озона.

Главный «защитник» Земли - озоновый слой. Он задерживает вредные ультрафиолетовые лучи Солнца.

Воздух в стратосфере очень разреженный, почти всегда ясно и нет облаков.

Здесь летают некоторые специальные самолеты и аэростаты, потому что здесь нет ветра и турбулентности (болтанки).

1. 2. Опасности стратосферы

Для того, чтобы чётко понимать, какие именно опасности подстерегают прыгуна из стратосферы, перечислю их еще раз:

1. Опасность изнутри. Воздух внутри нас хочет "раздуться"!

Это самая неожиданная опасность! На земле наше тело привыкло к обычному давлению воздуха. На большой высоте давление снаружи становится очень низким, а воздух внутри легких, ушей и желудка остается под обычным давлением. Получается, что нас может раздуть изнутри, как воздушный шарик! Чтобы этого не случилось, скафандр создает вокруг тела правильное давление, а прыгун перед полетом дышит чистым кислородом, чтобы подготовить лёгкие.

2. Нечем дышать и космический холод.

На высоте 30-40 километров воздух очень-очень разреженный. Там почти нет кислорода. Поэтому прыгун должен быть в скафандре, как космонавт. Иначе он просто задохнется. А еще там жуткий холод, до -60°C! Без защиты человек моментально замерзнет.

3. Огромная скорость .Сверхзвуковая опасность.

Когда человек падает с такой высоты, он разгоняется до скорости, которая быстрее звука! Это более 1000 км/ч. На такой скорости воздух может ударить, как твердая стена. Чтобы не получить травму, нужен особый прочный костюм.

4. Страшное вращение (кувыркание).

В разреженном воздухе очень трудно управлять телом. Прыгуна может начать страшно раскручивать, как волчок. От этого можно потерять сознание. Чтобы этого не случилось, у них есть маленький стабилизирующий парашют, который помогает лететь ровно.

5. Проблемы с парашютом.

На большой высоте парашют открывать нельзя - воздух слишком «жидкий». Если открыть слишком рано, он порвется от скорости. А если слишком поздно - не успеть затормозить. Точный расчет -это самое главное.

6. Солнечная радиация.

Выше облаков нет защиты от опасных лучей солнца. От них тоже защищает скафандр.

Прыжок из стратосферы - это борьба с самой природой на большой высоте. Нужно победить и внешние опасности (холод, скорость), и внутренние (давление внутри тела). Смельчаки, которые это делают, - как настоящие космические супергерои! А что же нужно настоящему супергерою? Его-суперкостюм!

Глава 2. Мои опыты и эксперименты.

В этой главе я опишу опыты моей «домашней лаборатории». Как я исследовал, поведение воздуха на разной высоте, как тепло «прячется» под одеялом и от чего зависит скорость падения.

Я поделюсь своими экспериментами, которые легко повторить, а также удивительным приключениям, полётом в аэротрубе, где я почувствовал себя настоящим прыгуном с парашютом.

2. 1. Опыт №1. Низкое давление в стратосфере. Насколько это опасно?

Это не очевидно, но воздух, которым мы дышим, совсем не легкий. Он такой же весомый, как вода в море, если представить, что мы живем на дне огромного воздушного океана. Этот океан простирается на много-много километров вверх. И весь этот толстый слой воздуха своим весом давит на нас, как тяжелое, но невидимое одеяло. Но мы этого не чувствуем. Наше тело приспособилось и давит изнутри с такой же силой.

Однако с высотой внешнее давление становится меньше, воздух становится разреженным, в нем намного меньше частичек (молекул), которые создают давление, чем в воздухе у поверхности земли.

Поэтому, когда стратонавт поднимается на высоту своего прыжка, в стратосферу, давление окружающей среды становится настолько небольшим, что наше тело, давит изнутри гораздо сильнее, и фактически, раздувается.

Чтобы убедиться в этой особенности стратосферы, и значит в необходимости решать эту проблему с помощью специализированного скафандра, я решил провести опыт, наглядно демонстрирующий это явление. В проведении этого опыта мне помогли на кафедре физики в нашем Технолицее.

Для опыта мне понадобилась установка с прозрачным стеклянным колпаком, компрессор, чтобы откачать воздух из-под колпака и слегка надутый воздушный шарик.

Сначала я открыл колпак и положил на площадку слегка надутый воздушный шарик. Накрыл его на площадке стеклянным колпаком и присоединил компрессор. Пока кран компрессора был открыт. Сейчас, давление под колпаком такое же, как и в классе вокруг. Давление внутри шарика позволяет ему сохранять исходную форму.

Далее я включаю компрессор, чтобы он откачивал воздух под стеклянным куполом.

Так как воздуха под колпаком становится меньше и он уже не давит на шарик с прежней силой, и давление это ослабевает с каждой секундой работы компрессора, то я наблюдаю, что шарик разувается, увеличивается в размерах. Его внутренне давление давит на стенки шарика изнутри с прежней силой, однако давление вокруг шарика изменилось, уменьшилось. И поэтому он раздувается.

Тоже самое произойдет с телом человека в стратосфере, где давление намного меньше чем на Земле, в месте обитания человека. Это даёт нам чёткий ответ на вопрос: необходимо ли особым образом защищать человека от условий стратосферной среды? Да! Конечно необходимо! Человеку обязательно нужен специальный скафандр, который сможет поддерживать, внутри себя, необходимое для выживания человека давление.

2.2. Опыт №2. Значение термозащиты для стратонавта

Температура в стратосфере, на нижней ее границе около -60°C. Стратосфера очень далека от основного источника тепла-прогретой поверхности Земли. Добавим к этому то, что стратонавт падает с огромной скоростью. Итого, очень-очень холодно! Это не тот холод, к которому мы привыкли. Температура в тени мгновенно падает до -70°C и ниже. В условиях стратосферы самое обычное охлаждение происходит очень быстро, гораздо быстрее чем на Земле. Я решил проверить как быстро остынет нагретая вода в ёмкостях, если одна из них будет защищена специальным термоодеялом, а другая нет.

Для проведения этого опыта мне понадобились две банки, два термометра, два секундомера, термоодеяло и принадлежности для записи времени и температуры.

В две одинаковые банки я налил подогретую воду. Опустил в банки термометры и включил секундомеры Подождал, когда температура в них зафиксируется (получилось 47°C и время 01:05 мин) . Обернул одну из банок термоодеялом и делал замеры времени и температуры каждой из банок до температуры окружающей среды ( комнатной температуры 23°C).

По моим наблюдениям, в первые минуты в обеих банках температура падала довольно быстро, а потом всё меленнее и медленнее. Однако, в укрытой банке температура все время была выше и со временем разница всё больше увеличивалась. Не укрытая банка остыла за 70минут, а укрытая до такой же температуры за 120. Таблица значений в Приложении 2.

Из этого опыта я сделал вывод, что любой незащищенный объект в стратосфере остынет чрезвычайно быстро. Для человека это смертельно. В стратосфере царит адский холод, который из-за скорости падения "налетает" на стратонавта с ураганной силой, вымораживая всё за секунды. Термокостюм- важнейшая часть скафандра стратонавта. Также необходимо защитить конечности и голову.

2.3. Опыт №3. Опыт с игрушечными парашютистами.

Наверное, самым ярким прыжком из стратосферы, был прыжок Феликса Баумгартнера в 2012 году. Высота этого прыжка 38 969м (почти 39км). Обычные самолеты летают на высоте 10-12км, получается, что высота прыжка в 3 раза выше. Так как, на такой высоте в стратосфере воздух очень разрежен, сначала он падал с огромной скоростью, и смог разогнаться до 1 357.6 км/ч. Эта скорость выше скорости звука! В условиях стратосферы она равна 1100 км/ч. В свободном падении спортсмен пролетел 36 402.6м ( 36км) и только последние 3км уже с парашютом. Его свободное падение продолжалось 4мин 19 секунд. При таком прыжке парашютное снаряжение сначала должно выдержать все условия стратосферы и свободного падения с огромной скоростью, а затем безотказно сработать, чтобы прыжок завершился успешно.

В стратосфере почти нет воздуха и там открывать парашют бессмысленно, так как купол парашюта не сможет раскрыться также как в тропосфере, где есть воздушная масса.

Опыт с игрушечными парашютистами, я хотел провести, чтобы увидеть как парашют замедляет падение при приземлении парашютиста.

Для своего опыта я взял двух игрушечных парашютистов. Одному из них я срезал парашют. Далее, я сбрасывал обоих парашютистов с одинаковой высоты. С высоты 5м, 20м и 40м- это высота 2го, 6го и 14 этажей.

Наши игрушечные парашютисты помогли увидеть, что даже с 40 метров до земли можно лететь почти полминуты.

Я наглядно увидел, что парашют значительно снижает скорость падения. И даже при прыжке с огромной высоты около 40км, при правильном расчете, парашютная система делает такой экстремальный прыжок возможным и безопасным.

По мере снижения воздух становился плотнее и начинает работать как «невидимый парашют», даже до раскрытия настоящего парашюта.

В нашем опыте такого нет, у нас сразу есть воздух, поэтому парашют работает с первой секунды.

Когда человек прыгает с неба высота определяет, сколько времени есть до земли. Парашют определяет, с какой скоростью он будет лететь. И обеспечивает безопасное приземление.

2.4. Мои полёты в аэротрубе.

Для своего проекта о прыжке из стратосферы я решил не просто читать книги и искать информацию в интернете, а попробовать кое-что на себе! Конечно, я не мог подняться на 40 или даже на 13 километров вверх. Но я знал, что все парашютисты и даже космонавты тренируются в специальном тренажёре — аэротрубе.

Что такое аэротруба? Это огромная вертикальная труба, в которой мощный поток воздуха поднимается снизу вверх. Этот поток такой сильный, что может удержать в воздухе человека! Это как естественный ветер, только управляемый.

Для начала, мне выдали специальный комбинезон, шлем и очки. Провели инструктаж по безопасности, по поведению в тренажёре и я выучил необходимые жесты-команды, тк в аэротрубе услышать что либо невозможно. Ты в шлеме, а труба очень громко гудит.

Инструктор показал мне, что чтобы лететь ровно, нужно расправить руки и ноги, как звезда. А если немного согнуть руки, можно начать медленно вращаться. Я понял главное: в воздухе нужно двигаться плавно и аккуратно. Резкое движение, и ты кувыркаешься!

Летя в трубе, я ясно понял, о чём пишут в книгах про стратосферный прыжок. Воздух - это не пустота. Он может быть опорой!

Теперь я точно знаю, что управление телом в воздухе - это сложная наука, которой учатся годами. Воздух, даже невидимый - очень мощная сила!

Стратонавты - это отлично тренированные спортсмены, которые понимают законы физики.

Этот опыт стал для меня моим личным расследованием. Я прикоснулся к ощущениям, которые испытывают настоящие герои стратосферы!

Глава 3. Мой продукт.

Продуктом моего проекта стал научно-популярный комикс. Графическое приключение Ника и кота Вентика. В комиксе, кроме самого приключения множество научной информации. У одного из героев есть реальный прототип. Стратонавт Николас Оксман - не выдумка! Он действительно готовится к полёту в стратосферу. Это будет первый в современной России пилотируемый прыжок с такой высоты!

А главное - его команда создаёт всё самостоятельно: от специального снаряжения до сложнейшего оборудования. Всё, что проверяется в таком экстремальном полёте, однажды может помочь в изучении Арктики и нашей планеты. Путь Николаса доказывает: не бывает невыполнимых задач! Любую, даже самую космическую мечту, можно реализовать, если упорно идти к ней шаг за шагом, год за годом.

Как и герой комикса, настоящий Николас много тренируется, изучает науки и учится не поддаваться страху. Он говорит, что бояться - нормально. А вот уметь делать дело, даже когда страшно, - это и есть настоящая смелость.

Надеюсь, что каждый найдет там для себя что-нибудь особенное!

Заключение

В ходе работы над проектом нам удалось найти ответ на главный вопрос: как человек может выжить в смертельно опасных условиях стратосферы? Проведенное исследование и серия экспериментов полностью подтвердили нашу гипотезу.

Мы убедились, что прыжок из стратосферы - это не просто проявление отваги, а результат тщательной научной и инженерной работы. Наше предположение о том, что его совершение возможно только благодаря специальным системам защиты и точным расчетам на основе законов физики, оказалось верным. Опыты с вакуумом под колпаком наглядно показали, почему скафандр должен быть герметичным. Эксперимент с теплоизоляцией доказал необходимость защиты от космического холода, а испытания с парашютом помогли понять важность точного расчета времени и высоты. Практический опыт полётов в аэротрубе показал, как важно быть хорошо подготовленным физически и уметь справляться со своими страхами.

Мы успешно провели и задокументировали все опыты. Наша гипотеза получила практическое подтверждение: мы на собственном опыте убедились, что наука и техника - главные союзники человека в покорении недоступных высот. Созданный комикс «Приключения Вентика. Хвостатый инструктаж.» так же показывает, как научные знания помогают преодолевать опасности стратосферы. А также знакомит с некоторыми научными фактами.

Таким образом, наша работа показала, что самые смелые мечты человечества становятся реальностью, когда на помощь приходит наука. За каждым невероятным прыжком стоит знание законов физики, точный расчет и надежная техника. Этот проект помог нам понять, что даже в самых экстремальных условиях человеческий разум способен найти путь к выживанию и победе.

Список литературы

1. Что такое стратосфера. Даниил Святский. Ленинград- Москва, 1935г.

2. Завоевание стратосферы: к полетам советских высотных аэростатов в стратосферу. Н.А. Рынин. Ленинград-Москва, 1933г. ОГИЗ, Молодая гвардия.

3. Детская энциклопедия. Чевостик. Полёты в космос. МИФ, 2024г.

4. Детская энциклопедия РОСМЭН. Астрономия и космос. Шимановский В.Г., Широнина Е.В., Порцевский К.А., Житомирский С.В. Росмэн

5. Почему подвиг советского парашютиста-испытателя Кайтанова вошел в историю.

URL: https://planet-today.ru/novosti/obshchestvo/vne-politiki/item/136930-pochemu-podvig-sovetskogo-parashyutista-ispytatelya-kajtanova-voshel-v-istoriyu

6. Космический прыжок. RedBull. URL: https://www.redbull.com/ru-ru/films/space-jump-stratos

7. Официальная страница Николаса Оксмана

URL: https://vk.ru/nikolas_oksman2

Приложение 1. Показания термометров и времени остывания воды. (Опыт№2. Значение термозащиты для стратонавта.)

Приложение 2. Мой проект в фотографиях