🔥 Огонь и горение в космосе 💫

На Земле под действием гравитации нагретый воздух поднимается и расширяется, и огонь приобретает форму капли. В условиях микрогравитации на МКС огонь имеет форму шара. Сгорающее вещество встречает молекулы кислорода, свободно перемещаясь во всех направлениях, создает сферическое пламя. Голубой цвет обусловлен образованием небольшого количества сажи, которая при низкой температуре светится только в инфракрасном диапазоне.

В отсутствие гравитации пламя приобретает форму сферы. Это объясняется тем, что в условиях невесомости нет восходящего движения воздуха и конвекции тёплых и холодных его слоёв не происходит. Пламени не хватает для горения притока свежего воздуха, содержащего кислород, поэтому оно получается меньше и холоднее. Привычный оранжевый цвет пламени вызван свечением частичек сажи, которые поднимаются вверх с горячим потоком воздуха. В невесомости пламя приобретает голубой цвет, потому что сажи образуется мало, а та, что есть, из-за пониженной температуры будет светиться только в инфракрасном диапазоне. И горит оно недолго: отсутствие конвекции неизбежно приводит к самозатуханию пламени. Воздух вокруг сферы рано или поздно насыщается продуктами горения настолько, что блокируют доступ молекул кислорода и пламя гаснет. Поэтому на космических кораблях и орбитальных станциях при возгорании в первую очередь отключается система искусственной циркуляции воздуха.

Первый серьезный эксперимент по изучению горения в условиях невесомости провели наши соотечественники на борту станции «Мир». Для эксперимента использовались восковые свечи. В обычных условиях каждая свеча сгорала примерно за 10 минут, однако в космических условиях это время увеличилось до 3/4 часа. При этом пламя каждой свечи имело голубоватый цвет и было едва заметно, так что его просто не удавалось снять на видеокамеру. Для доказательства процесса горения в район пламени вносились кусочки воска. По их оплавлению и можно было утверждать, что происходит процесс горения. Этот результат нельзя было назвать неожиданным, так как в условиях невесомости нет постоянного притока кислорода за счет замены более легкого нагретого воздуха, на более плотный холодный. В космосе и холодный, и теплый воздух ничего не весят, поэтому теплый воздух и не стремится вверх. В таких условиях горение возможно исключительно за счет молекулярной диффузии или с помощью принудительной вентиляции.

Проводили свои эксперименты по горению на космических челноках и американцы. Они использовали шарики газовой смеси, которые в земных условиях быстро сгорали. А вот в космосе эти шарики горели по несколько часов, причем энергия, выделяемая при сгорании, была настолько мала, что могла фиксироваться только точными приборами. Наиболее интересным и показательным опытом по горению в космосе оказался эксперимент FLEX, который состоялся в 2011 году на борту Международной космической станции. В специальных камерах поджигались пузырьки гептана и метанола. В земных условиях за счет гравитации и тяги пламя имеет вытянутую вверх структуру, в чем несложно убедиться, если зажечь спичку или свечу. Однако в условиях микрогравитации огонь, к удивлению ученых, повел себя иначе. Вместо привычной вытянутой формы пламя оказалось шарообразным, причем имело ярко выраженный голубой оттенок. До сих пор все было ожидаемо, поскольку топливо с кислородом в невесомости встречаются в относительно тонком сферическом слое. А затем началось неожиданное — после выгорания кислорода в этом сферическом слое пламя не погасало, как ожидалось, а переходило в стадию холодного горения. В этой стадии огонь горит настолько слабо, что его увидеть невозможно. Однако, стоит доставить к очагу горения кислород и топливо, как пламя вспыхнет с новой силой. Стадия холодного горения гептана и метанола, наблюдаемая на МКС, имела температуру от 227 до 527 градусов, при этом выделяются гораздо более токсичные угарный газ (сказывается недостаток кислорода) и формальдегид. #physics #наука #физика #термодинамика #эксперименты #опыты #видеоуроки #научные_фильмы

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🔄 Генри Кавендиш: человек, который взвесил Землю 🌏

В истории физики есть эксперименты, которые меняют всё. Опыт Кавендиша 1797–1798 годов — не просто дата в учебнике. Это первое в истории измерение гравитации в «лабораторных» масштабах. Вопреки распространенному заблуждению, Кавендиш не измерял гравитационную постоянную G. Этой концепции тогда просто не существовало (она вошла в обиход лишь спустя 75 лет, в 1873 году)

Задача: определить среднюю плотность Земли.
Метод: Кавендиш пересобрал крутильные весы, изобретенные геологом Джоном Мичеллом, который умер, не завершив работу. Установка представляла собой коромысло с двумя маленькими свинцовыми сферами (по 0,73 кг), подвешенное на тонкой проволоке. К ним снаружи подводили две массивные сферы (по 158 кг).

Измеряя угол закручивания нити (всего 0,03–0,16 дюйма!), он рассчитал силу притяжения между гирями. Сравнив её с силой тяжести Земли, действующей на те же шары, он получил, что Земля в 5,48 раза плотнее воды. Это дало массу Земли — 6 секстиллионов тонн.

📜 3 малоизвестных факта о гравитации, связанных с этим опытом:

▪️ 1. Преемственность гения
Кавендиш не строил прибор с нуля. Установку спроектировал преподобный Джон Мичелл за 15 лет до опыта. После смерти Мичелла инструмент попал к Кавендишу, и тот не просто повторил задумку — он модернизировал её, сделав управление шарами дистанционным (из соседней комнаты). Любое тепло от тела экспериментатора или сквозняк создавали помехи, превышающие гравитационный сигнал.

▪️ 2. Арифметическая ошибка в оригинале
В знаменитой статье Кавендиша 1798 года в Philosophical Transactions указана итоговая цифра 5,48 г/см³. Однако из-за ошибки в расчётах (обнаруженной Фрэнсисом Бейли в 1821 году) в его выводах значилось 5,50. Реальный результат, который лежал в черновиках, был всего на 1,4% ниже современного эталона (5,515 г/см³). Для конца XVIII века — фантастическая точность.

▪️ 3. Гравитация «не знает» состава тел
Опыт Кавендиша доказал, что закон Ньютона работает не только для планет, но и для пары свинцовых шаров. Спустя 200 лет, в 1999 году, группа Стивена Чу (Нобелевский лауреат) подтвердила этот принцип с точностью до 7 частей на миллиард, используя атомную интерферометрию. Гравитация действует на атом цезия и на килограммовую гирю абсолютно одинаково, несмотря на квантовую природу первых и классическую — вторых. Это прямое доказательство принципа эквивалентности, которое «добило» сомнения в результатах более ранних нейтронных экспериментов.

Кавендиш превратил гравитацию из абстрактной силы, управляющей планетами, в величину, доступную для прямого измерения. Без его весов не было бы ни современных уточнений G, ни понимания того, как эволюционируют галактики. ✨
#гравитация #физика #механика #наука #science #physics #космология #астрономия

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib