En julio de 2012, el turno de seis meses en la ISS del astronauta Donald Pettit terminó. En órbita en su tiempo libre, Don grabó videos populares de ciencia con experimentos en gravedad cero llamados
Science off the Sphere . Los experimentos fueron muy inusuales y hermosos, recuerdo con qué placer los vi hace cinco años. Tal vez debido a la fecha de aniversario, al recordarlos nuevamente, me sorprendió notar las pocas vistas en YouTube que recopilaron estos videos. Bueno, entonces para más lectores serán una novedad, y recordarlos será útil.
Los comerciales salieron como una transmisión de ciencia popular, con un intervalo de una semana o dos, y al final de cada comercial, Don hizo una pregunta temática a la audiencia.
Las respuestas están debajo de los spoilers para que pueda pensar con calma (hay preguntas muy difíciles). El discurso en los comerciales, por supuesto, es inglés, pero puede leer la traducción automática de los subtítulos, y precedí el video con comentarios / explicaciones.
Episodio uno Experimento de agujas de tejer
En la ISS, puede llevar una pequeña cantidad de artículos personales, y las agujas de tejer, muy probablemente, fueron al espacio por primera vez. Pero no para tejer, sino para experimentos con electrostática. Si frota el radio, adquirirá una carga eléctrica. Y una gota de agua con una carga opuesta será atraída hacia ella, volando en círculos. La fuerza de gravedad obedece la ley de los cuadrados inversos, y la caída se moverá como un pequeño satélite (las fuerzas gravitacionales también obedecen esta ley). Con una excepción, la fuente de gravedad en la naturaleza puede representarse como un punto material (las estrellas, los planetas y otros objetos pesados tienen una forma esférica), pero aquí el campo de fuerza resultó ser cilíndrico, y la caída no se mueve en el plano de la órbita, sino en una región tridimensional. El movimiento de la gota también se puede comparar con el comportamiento de las partículas cargadas del viento solar que ingresan al campo magnético de la Tierra.
Pregunta: Al final del video, Dr. Pettit coloca una aguja de nylon cerca de la jeringa, que inyecta agua cerca de la aguja de teflón. ¿Por qué Don necesita un radio de nylon y por qué el segundo radio debe ser de teflón?
La respuestaEl teflón recoge electrones de los materiales con los que se frota, adquiriendo una carga negativa. El nylon, por el contrario, cede electrones cuando se frota y adquiere una carga positiva. Las gotas de agua que vuelan cerca de una aguja de nylon adquieren una pequeña carga positiva. Se atraen diferentes cargas y las gotas de agua comienzan a tender a un radio cargado negativamente.
Episodio dos Bistronautas
Esto no se menciona en el video, pero el mismo Don Pettit inventó la taza para beber en gravedad cero en 2008 en su vuelo anterior. Por lo general, los astronautas y los astronautas beben de bolsas de plástico con túbulos. Pueden criar bebidas en polvo, preparar té o café. Pero si hacemos una taza especial con un ángulo en un lado, el efecto capilar hará que el líquido suba en este lugar. Y de la taza puedes beber el líquido. En el video, los astronautas y los astronautas tintinean sus gafas por primera vez en gravedad cero. El diseño de Pettit es bastante simple, luego desarrollaron hermosas
tazas rizadas , pero usan el mismo efecto. El mismo efecto capilar se usa en la ciencia de cohetes "grave": ángulos similares mantienen el combustible líquido cerca del cuello de los tanques para que cuando se lance, una burbuja de gas de refuerzo no ingrese a los motores. Más tarde, cuando el motor comience a ganar tracción, el combustible líquido disminuirá por su propio peso.
Pregunta: ¿Por qué no puedes usar una taza regular en gravedad cero?
La respuestaDebido a las fuerzas de humectación, el agua tenderá a extenderse sobre las paredes. Y una pequeña perturbación, como sorber, puede arrancar agua de la superficie. Si las fuerzas de tensión superficial no pueden retener el agua, se dispersará por todas partes. En el círculo espacial, el líquido permanece en las paredes y las fuerzas capilares no permiten que el agua se separe de ellas cuando bebe.
Episodio 3. Física de las películas delgadas
En la Tierra, puede obtener una película de agua solo si reduce seriamente su tensión superficial. Este experimento a menudo lo realizan involuntariamente niños, jugando con pompas de jabón. Cuando hay gravedad, no se puede obtener una película del agua destilada, pero en la ingravidez aparecen sorprendentes efectos: las gotas de agua arrojadas por una jeringa pueden ingresar a la película, reflejarse o incluso volar a través de ella. Y si tomamos un soldador y creamos un gradiente de temperatura, entonces
el efecto Marangoni aparecerá en la película: el movimiento de la sustancia debido a la diferencia en la tensión superficial. En este caso, puede obtener el movimiento en la dirección opuesta. Si la película de agua es convexa, es decir, más gruesa en el centro, entonces la convección será lateral, y si la película es cóncava, es decir, más delgada en el centro que en los bordes, entonces la convección se dirigirá al centro.
Pregunta: ¿Por qué la forma de la película de agua determina la dirección del efecto Marangoni?
La respuestaEl calentamiento reduce la tensión superficial y el agua comienza a alejarse de la fuente de calor. ¿Pero en qué dirección irá ella? El agua se calienta más rápido donde su capa es más delgada, por lo que tiende a ir por un camino más delgado. En el caso de una película convexa, estos son los bordes, en el caso de una película cóncava, el centro.
Episodio 4. Vórtices y lentes.
Continuando experimentos con películas delgadas. Las fuerzas de viscosidad son relativamente débiles en ellos, por lo tanto, si gira una película de este tipo, habiéndola teñido previamente, se verá que puede rotar durante minutos. Una gota de tinte, al caer sobre la película, forma una figura en forma de hongo, que es, de hecho, una sección longitudinal del anillo de vórtice. Se puede obtener el mismo efecto si se sopla a través del tubo sobre la película. Y finalmente, la película de agua funciona como una lente: convexa se acumulará (positiva) y cóncava se dispersará (negativa). La película plana no se acercará ni se alejará.
Pregunta: ¿Cómo afecta la viscosidad a un vórtice?
La respuestaCuanto mayor sea la viscosidad, menor será el vórtice, porque cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será la atracción de las moléculas, por lo tanto, los vórtices en la miel serán menores que en el agua.
Episodio 5. Entretenimiento con burbujas
Debido a las fuerzas de tensión superficial en gravedad cero, es posible hacer una burbuja de aire dentro de una burbuja de agua, y con cierto éxito por un tiempo: una burbuja de aire dentro de una burbuja de agua volando dentro de una burbuja de aire dentro de una burbuja de agua. Y todo esto también gira.
Pregunta: ¿Por qué, cuando la burbuja más grande gira, las burbujas dentro de ella están alineadas en el centro?
La respuestaSin gravedad, solo la fuerza centrífuga puede actuar sobre las burbujas. El agua es más densa que el aire, por lo que se expulsa a la periferia (pero el agua tiene un enlace más fuerte entre las moléculas, por lo que no se dispersa), y el aire se acumula en el centro, ya que el resto del espacio está ocupado por el agua.
Episodio 6. Tierra infrarroja
La estación tiene una cámara que dispara en el rango infrarrojo cercano. La presencia de una cámara similar que dispara en el rango visible le permite turnarse para mirar el mismo terreno en diferentes rangos. El rango IR hace que la vegetación sea muy notable, lo que hace posible no solo tomar bellas fotografías, sino también utilizar los datos obtenidos en la ciencia y la economía nacional.
Pregunta: ¿Por qué las plantas IR son rojas y las ciudades grises?
La respuestaLas plantas reflejan la luz infrarroja. Se tomaron fotos en el lado del día, por lo que las plantas reflejan IR y las ciudades concretas absorben. En el lado nocturno será al revés, porque las ciudades emitirán calor acumulado.
Episodio 7. Ondas sonoras en el espacio
En este video, Don encontró los viejos altavoces, goteó agua sobre ellos, comenzó a aplicar tonos limpios en la región de 20-40 Hertz y observó lo que sucedió. Resultó muy bien, y en la Tierra la gravedad no permitirá que esto se vea.
Pregunta: ¿Por qué se usan bajas frecuencias?
La respuestaCreemos que esto se debe a que las bajas frecuencias permiten que se formen ondas estacionarias. Una onda estacionaria se forma cuando dos ondas que se mueven en la dirección opuesta se cruzan, creando interferencia que amplifica y disminuye la amplitud. Esto es más probable a bajas frecuencias.