Физика-Образование

Физика-Образование

Шифр эксперимента: Физика-Образование
Информационная справка: is_fizika_obrazovanie_2013_g.doc
Направление НПИ: 6. Образование и популяризация космических исследований
Секция КНТС: Космическое образование
Наименование эксперимента: Научно – образовательная демонстрация физических законов и явлений в условиях микрогравитации и атмосферы Земли
Цель эксперимента:

В разделе «Физика-ЛТ» целью эксперимента является демонстрация действия основных физических законов движения в условиях невесомости.

В разделе «Физика-Фаза» целью эксперимента является исследование процесса полного разделения фаз газожидкостной мелкодисперсной системы в условиях микрогравитации под воздействием диффузии и сил поверхностного натяжения жидкости.

В разделе «Физика-Отолит» целью эксперимента является демонстрация моделирования процессов передачи движений и воздействий на вестибулярный аппарат в условиях микрогравитации.

Описание эксперимента:

В ходе эксперимента изучаются различные физические явления в условиях микрогравитации:

- действие реактивных и гироскопических сил (раздел «Физика-ЛТ»). В эксперименте используется состояние безопорного вращательного движения геометрически симметричного тела – эллипсоида, имеющего автономный воздушный движитель. Для наибольшей наглядности, в образовательных целях, эллипсоид представлен в виде модели «Летающей тарелки»;

- агрегация газовых пузырей при фазоразделении газожидкостной мелкодисперсной системы (раздел «Физика-Фаза»). В эксперименте демонстрируется поведения газовых пузырей в жидкости в отсутствие выталкивающей силы;

- передача движений и воздействий на вестибулярный аппарат (раздел«Физика-Отолит»). В эксперименте используется прибор, представляющий собой гидромеханическую модель вестибулярного анализатора человека, выполненного в виде прозрачного куба. На этой модели демонстрируются процессы, происходящие в полукружных каналах и отолите вестибулярного аппарате человека в невесомости.

Новизна эксперимента:

В предыдущих зарубежных и отечественных научно-образовательных космических экспериментах в основном демонстрировалось действие фундаментальных физических законов (законов Ньютона, законов сохранения и т.п.) в хорошо известных и изученных явлениях. В этих экспериментах не ставилось каких-либо исследовательских задач, не проверялись какие-либо физические гипотезы и не демонстрировались парадоксальные явления, физическое объяснение и математическое описание которых является проблематичным. В эксперименте «Физика-Образование» предполагается не только продемонстрировать на простых примерах действие основных физических законов, но и показать некоторые неочевидные явления, которым пока невозможно дать простое физическое объяснение, а предлагаемые для них физические гипотезы не являются общепризнанными. Кроме того, в этом эксперименте предполагается использовать более сложные экспериментальные устройства, особенно это касается устройства "Летающая тарелка". С этих точек зрения эксперимент «Физика- Образование» отличается от предыдущих образовательных космических экспериментов существенной новизной и намного более высоким качественным уровнем.

Научная аппаратура:

В сеансах эксперимента по разделу «Физика-ЛТ» используется устройство «Летающая тарелка», работа которого основано на принципе действия реактивных сил, возникающих при истечении струй воздуха через выходные отверстия (сопла) от источника воздушного потока, помещенного во внутреннюю полость эллиптического диска «летающей тарелки». Источник воздушного потока выполнен на основе пары вентиляторов. Электропитание вентиляторов осуществляется от комплекта автономных источников питания.

В сеансах эксперимента по разделу «Физика-Фаза» используются:

- укладка с 3-мя прозрачными экспериментальными сосудами (из поликарбоната), которые заполнены водно-воздушной смесью с различным соотношением воды и воздуха

– 3:1, 1:1 и 1:3;

- штатив для макрофотосъемки, на котором фиксируются экспериментальный сосуд, система освещения от бортового источника питания и кронштейн с фотоаппаратом (из имеющихся на борту).

В сеансах эксперимента по разделу «Физика-Отолит» используется демонстрационный прибор «Отолит», представляющий собой гидромеханическую модель вестибулярного аппарата человека, выполненный в виде прозрачного куба (70х70х70 мм.). Внутри прозрачного куба имеются три канала, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, имитирующие «полукружные каналы» и общая полость, имитирующая «отолит», которая соединяется с каждым каналом. Все внутренние каналы и полость заполнены подкрашенной жидкостью (водой) и имеют внутри механические шаровидные частицы, которые служат инерциальными (пробными) массами.

Ожидаемые результаты:

В серии эксперимента с устройством «Летающая тарелка» предполагается продемонстрировать действие основных физических законов, определяющих поступательное и вращательное движения твердого тела при воздействии реактивных и аэродинамических сил в условиях микрогравитации. Помимо регистрации качественной картины движения устройства в различных режимах, предполагается получить количественные данные о линейных и угловых ускорениях устройства, величине реактивных и аэродинамических сил и вращающих моментов, условиях потери устойчивости вращения и темпах нарастания неустойчивостей, направлении и скорости дрейфа и т.п. Результаты этой серии эксперимента предполагается использовать для демонстрационной проверки имеющихся представлений об особенностях сложного движения твердого тела под действием сил и моментов, а также в учебном процессе - для наглядной иллюстрации действия основных физических законов, определяющих движение твердого тела.

В серии эксперимента с устройством «Фаза» предполагается продемонстрировать наличие явления фазоразделения в газожидкостных мелкодисперсных средах в условиях микрогравитации и исследовать темп и характер такого фазоразделения. В результате эксперимента предполагается выявить роль в этом явлении сил поверхностного натяжения и диффузионных процессов, а также влияние наличия в жидкости вязких и поверхностно-активных добавок и твердых частиц. Результаты эксперимента предполагается использовать для проверки имеющихся гипотез о физической природе фазоразделения в газожидкостных мелкодисперсных средах в условиях микрогравитации, а также в учебном процессе - для наглядной иллюстрации малоисследованных физических процессов в механике жидкостей.

В серии эксперимента с устройством "Отолит" предполагается продемонстрировать основные принципы функционирования вестибулярного аппарата человека в условиях микрогравитации и при возможности промоделировать некоторые отрицательные последствия влияния микрогравитации на этот аппарат.

Результаты эксперимента предполагается использовать для проверки адекватности механического моделирования вестибулярного аппарата человека, а также в учебном процессе - для наглядной иллюстрации особенностей функционирования этого аппарата в условиях микрогравитации.

Полученные результаты:

В период МКС-18 и МКС-19/20 экипажами в эксперименте было выполнено три сеанса по разделу «Летающая тарелка», три сеанса по разделу «Фаза» и два сеанса по разделу «Отолит».

В эксперименте получена информация для расчетов и анализа, подготовлены предложения по модернизации составных частей научной аппаратуры для последующего этапа эксперимента в обеспечение повышения информативности результатов.

Результаты эксперимента после полной обработки и набора статистики использованы в практике школьного образования в качестве наглядных демонстрационных пособий и при разработке научно-образовательных методических материалов для средней школы.

Сроки проведения: 2008-2011 гг.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева
Организации участники: Лицей информационных технологий 1537 (ЛИТ 1537, г. Москва); Научно – производственное предприятие «Биотехнологические системы» (НПП БиоТехСис, г. Москва); Государственный научный центр РФ - Институт медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ-ИМБП РАН, г. Москва); Российский государственный научно-исследовательский испытательный Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина (РГНИИ ЦПК, Московская обл., Звездный городок)
Научный руководитель: Мельденберг А.Н.
Публикации по эксперименту:

Список публикаций в процессе редактирования.

Последнее обновление: 12.07.2019
Задачи эксперимента:

- выполнение наземной подготовки КЭ с балансировкой экспериментального устройства (диска «Летающей тарелки») и видеорегистрацией динамических характеристик его движения на подвесе;

- осуществление на борту РС МКС проверки возможности демонстрации действия физических законов динамики реактивных и гироскопических сил на эллипсоид, вращающийся в безопорной среде в условиях микрогравитации, с видеозаписью его поведения в пространстве отсека станции;

- исследование влияние расходных характеристик источника воздушного потока (при изменении направления и расхода истекающих струй воздуха) на параметры вращения и движения «Летающей тарелки»;

- выпуск научно – образовательного презентационного материала на компакт-диске по теме «Демонстрация и исследование действия реактивных и гироскопических сил в условиях микрогравитации», по окончании лабораторной обработки видеозаписей и анализа полученных результатов
Страна: Россия