Vatra u nultoj gravitaciji gori potpuno drugačije nego na zemlji - naučnici su se susreli sa čudnom pojavom. Vatra u nultoj gravitaciji gori potpuno drugačije nego na zemlji – naučnici su se susreli sa čudnom pojavom.Hoće li svijeća gorjeti u bestežinskom stanju?

Eksperiment FLEX, izveden na Međunarodnoj svemirskoj stanici, dao je neočekivane rezultate - otvoreni plamen se ponašao potpuno drugačije nego što su naučnici očekivali.

Kako neki naučnici vole da kažu, vatra je najstarija i najuspešnija hemijski eksperimentčovječanstvo. Zaista, vatra je oduvijek bila sa čovječanstvom: od prvih vatri na kojima se pržilo meso, do plamena raketnog motora koji je čovjeka doveo na Mjesec. Uglavnom, vatra je simbol i instrument napretka naše civilizacije.

Razlika u plamenu na Zemlji (lijevo) i u nultoj gravitaciji (desno) je očigledna. Na ovaj ili onaj način, čovječanstvo će ponovo morati ovladati vatrom - ovaj put u svemiru.

Dr Forman A. Williams, profesor fizike na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu, dugo je radio na proučavanju plamena. Obično je vatra veoma složen proces hiljade međusobno povezanih hemijskih reakcija. Na primjer, u plamenu svijeće, molekuli ugljovodonika isparavaju iz fitilja, razgrađuju se pod utjecajem topline i spajaju se s kisikom da bi proizveli svjetlost, toplinu, CO2 i vodu. Neki od ugljovodoničnih fragmenata, u obliku prstenastih molekula koji se nazivaju policiklični aromatični ugljovodonici, formiraju čađ, koja također može izgorjeti ili se pretvoriti u dim. Poznati oblik suze plamenu svijeće je dat gravitacijom i konvekcijom: vrući zrak diže se i uvlači svježe u plamen hladan vazduh, zbog čega se plamen proteže prema gore.

Ali ispostavilo se da se u nultoj gravitaciji sve događa drugačije. U eksperimentu pod nazivom FLEX, naučnici su proučavali vatru na ISS-u kako bi razvili tehnologije za gašenje požara u nultom stepenu gravitacije. Istraživači su zapalili male mjehuriće heptana unutar posebne komore i gledali kako se plamen ponaša.

Naučnici su se susreli čudan fenomen. U uslovima mikrogravitacije, plamen gori drugačije, formira male kuglice. Ovaj fenomen je bio očekivan jer se, za razliku od plamena na Zemlji, u bestežinskom stanju nalaze kiseonik i gorivo tanki sloj na površini sfere, Ovo jednostavno kolo, što se razlikuje od zemaljske vatre. Međutim, otkrivena je čudna stvar: naučnici su primijetili nastavak gorenja vatrenih lopti čak i nakon što je, prema svim proračunima, gorenje trebalo prestati. Istovremeno, požar je zahvatio tzv hladna faza– gorjelo je vrlo slabo, toliko da se plamen nije mogao vidjeti. Međutim, radilo se o sagorijevanju, a plamen je mogao momentalno izbiti u plamen velikom snagom u kontaktu s gorivom i kisikom.

Tipično vidljiva vatra gori na visokoj temperaturi između 1227 i 1727 stepeni Celzijusa. I mjehurići heptana na ISS-u su žarko goreli na ovoj temperaturi, ali kako je gorivo nestalo i ohladilo se, počelo je potpuno drugačije sagorijevanje – hladno. Odvija se na relativno niskoj temperaturi od 227-527 stepeni Celzijusa i ne proizvodi čađ, CO2 i vodu, već otrovniji ugljični monoksid i formaldehid.

Slične vrste hladnog plamena reprodukovane su u laboratorijama na Zemlji, ali pod gravitacionim uslovima takav požar je sam po sebi nestabilan i uvek se brzo gasi. Na ISS-u, međutim, hladan plamen može postojano da gori nekoliko minuta. Ovo nije baš ugodno otkriće, jer hladna vatra predstavlja povećanu opasnost: lakše se zapali, uključujući i spontano, teže ju je otkriti i, osim toga, oslobađa više otrovnih tvari. S druge strane, otvor se može naći praktična upotreba, na primjer, u HCCI tehnologiji, koja uključuje paljenje goriva u benzinskim motorima ne iz svjećica, već iz hladnog plamena.

Mnogi fizički procesi se odvijaju drugačije nego na Zemlji, a sagorevanje nije izuzetak. Plamen se potpuno drugačije ponaša u nultoj gravitaciji, poprimajući sferni oblik. Fotografija prikazuje sagorevanje kapljice etilena u vazduhu u uslovima mikrogravitacije. Ova fotografija je snimljena tokom eksperimenta za proučavanje fizike sagorevanja u specijalnom tornju od 30 metara (2,2-Second Drop Tower) u Glenn istraživačkom centru, stvorenom da reprodukuje uslove mikrogravitacije tokom slobodnog pada. Mnogi eksperimenti koji su kasnije izvedeni na svemirskim letjelicama prošli su preliminarna testiranja u ovoj kuli, zbog čega se naziva „kapija u svemir“.

Kuglasti oblik plamena objašnjava se činjenicom da u uslovima bestežinskog stanja nema kretanja zraka prema gore i ne dolazi do konvekcije njegovih toplih i hladnih slojeva, što na Zemlji "vuče" plamen u oblik kapi. Plamen za izgaranje nema dovoljno svježeg zraka koji sadrži kisik, a ispada manji i ne tako vruć. Žuto-narandžasta boja plamena, koja nam je poznata na Zemlji, uzrokovana je sjajem čestica čađi koje se uz vrelu struju zraka dižu prema gore. Kod nulte gravitacije plamen poprima plavu boju, jer se stvara malo čađi (za to je potrebna temperatura veća od 1000°C), a čađ koja postoji svijetliće samo u infracrvenom području zbog niže temperature. Na gornjoj fotografiji je i dalje žuto-narandžasta boja u plamenu, pošto je uhvaćena rana faza paljenja, kada još ima dovoljno kiseonika.

Studije sagorevanja u uslovima mikrogravitacije su posebno važne za osiguranje bezbednosti svemirskih letelica. Eksperimenti za gašenje požara (FLEX) izvode se nekoliko godina u posebnom odjeljku na ISS-u. Istraživači zapaljuju male kapljice goriva (kao što su heptan i metanol) u kontroliranoj atmosferi. Mala kugla goriva gori otprilike 20 sekundi, okružena vatrenom sferom promjera 2,5-4 mm, nakon čega se kapljica smanjuje dok se ili plamen ne ugasi ili gorivo ne ponestane. Najneočekivaniji rezultat bio je da je kap heptana, nakon vidljivog sagorevanja, ušla u takozvanu „hladnu fazu“ – plamen je postao toliko slab da se nije mogao vidjeti. A ipak je to bilo sagorevanje: vatra je mogla momentalno da se rasplamsa u interakciji sa kiseonikom ili gorivom.

Kako objašnjavaju istraživači, kada normalno sagorevanje temperatura plamena varira između 1227°C i 1727°C - na ovoj temperaturi u eksperimentu je bila vidljiva vatra. Kako je gorivo sagorijevalo, počelo je "hladno sagorijevanje": plamen se ohladio na 227-527 ° C i nije proizvodio čađ, ugljen-dioksid i vodu, a toksičniji materijali su formaldehid i ugljični monoksid. Tokom eksperimenta FLEX odabrali su i najmanje zapaljivu atmosferu na bazi ugljičnog dioksida i helijuma, što će pomoći u smanjenju rizika od požara u svemirskim letjelicama u budućnosti.

Za sagorevanje i plamen na Zemlji iu nultoj gravitaciji, pogledajte i:
Konstantin Bogdanov „Gde je pas zakopan?“ - „5. Šta je vatra? .

Janash Bannikov

Približavam se Nova godina, a astronauti na orbitalnoj stanici se pripremaju za susret s njim. Traže sljedeći transportni brod da im pošalje svijeće. Ali inženjeri na Zemlji vjeruju da nema potrebe za slanjem svijeća, jer one neće gorjeti u nultom gravitaciji.
Šta mislite, hoće li obična svijeća gorjeti u nulti gravitaciji?

Odgovori
Da bi svijeća gorjela, potreban je stalan dotok kisika u njen plamen. U kopnenim uslovima, ovaj priliv nastaje zbog konvekcije. Vrući plinovi koji nastaju izgaranjem stearina su lakši od zraka i stoga se dižu prema gore, a na njihovo mjesto ulaze novi dijelovi zraka. Kao rezultat, osiguran je protok kisika u plamen i uklanjanje plinova ugljičnog monoksida (CO) i ugljičnog dioksida (CO2) iz zone sagorijevanja. Jasno je da u uslovima bestežinskog stanja neće biti konvekcije. Bit će samo slabo strujanje zraka zbog protok vazduha unutar letjelice, kao i priliv zbog ekspanzije produkata sagorevanja i zbog difuzije. Navedeni procesi su slabi i da li će oni biti dovoljni za spaljivanje svijeće moglo bi se utvrditi samo eksperimentalno.

Između ostalog Takvi eksperimenti su izvedeni na svemirska stanica"Mir" 1996. godine. Ispostavilo se da svijeća može gorjeti u nulti gravitaciji. U jednom eksperimentu, svijeća je gorjela 45 minuta. Međutim, u nultoj gravitaciji svijeća gori drugačije nego na Zemlji. Budući da nema konvekcijskih struja, plamen svijeće nema izdužen oblik, kao u zemaljskim uvjetima, već sferni oblik. U nedostatku konvekcije, plamen se slabije hladi, pa je njegova temperatura viša nego na Zemlji; Stearin u svijeći postaje vrlo vruć i oslobađa vodonik koji gori plavim plamenom.

Razmisli

U eksperimentima sa svijećom u nultoj gravitaciji, ponekad se javljao način izgaranja s periodičnim mikro eksplozijama, što je dovelo do oštrih fluktuacija u plamenu.
Zašto je došlo do mikro eksplozija?

Odgovori
Zbog nedostatka konvekcije plamen svijeće se slabije hladio, što znači da je njena temperatura bila visoka. Stearin u svijeći se jako pregrijao i počeo da isparava. Koncentracija pare stearina u zraku u blizini plamena se povećavala sve dok nije nastala eksplozivna smjesa. Usledila je mala eksplozija, dok su produkti sagorevanja odneli udarni talas, a na njihovo mesto su došli Svježi zrak. Ako eksplozija nije bila prejaka, onda je svijeća nastavila da gori, nova porcija stearina je isparila s njene površine, a uslijedila je sljedeća eksplozija.

Plamen svijeće: a) u uslovima gravitacije; b) u uslovima bestežinskog stanjahttp://n-t.ru/tp/nr/pn.htm

Razmisli

Kako možemo osigurati više intenzivno sagorevanje svijeće ili obične šibice? Predložite različite načine.

Odgovori
Možeš duvati na šibicu. Možete početi rotirati šibicu u krug, čime ćete osigurati kretanje šibice u odnosu na zrak. Možeš baciti šibicu. U jednom od dokumentarci o bestežinskom stanju, prikazan je sljedeći zaplet: bačena šibica se glatko kretala unutar svemirskog broda i prilično intenzivno gorjela zbog dovoda novih porcija zraka u njegov plamen.http://mgnwww.larc.nasa.gov/db/combustion/combustion.htmlhttp://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines/msad08jul97_1.htm

EKSPLOZIJA U PEKARI

U davna vremena, pekar je koristio jedan siguran lijek za borbu protiv dosadnih muva. Uzevši šaku brašna, bacio ga je u vazduh i zapalio. Oblak brašna je planuo. Plamen, pljesak - i dosadni insekti su nestali. Ova metoda je uvijek pomagala, iako je ponekad staklo sa prozora izletjelo iz pamuka. Međutim, 14. decembra 1785. dogodila se katastrofa u Torinu (Italija). Odlučivši se na provjerenu metodu da se riješi muva, nesretni pekar je razneo cijelo svoje domaćinstvo. On i njegovi pomoćnici poginuli su pod ruševinama pekare. 1979. prašina brašna eksplodirala je u jednom od mlinova brašna u Bremenu. Usljed toga 14 mrtvih, 17 povrijeđenih, šteta 100 miliona maraka.
Može li prašina od brašna zaista izazvati strašne eksplozije? Na kraju krajeva, nije dinamit rasut u zraku, već samo čestice brašna?Volkov A. Avanture prašine.

Odgovori
Brašno sadrži supstance organskog porekla, što znači da može da izgori. Naravno, u normalnim uslovima nije lako zapaliti brašno. Ali ako se brašno raspršuje u vazduh, tada svaka trunka prašine dolazi u kontakt sa kiseonikom. Osim toga, ukupna površina zrna prašine je mnogo puta veća od površine jednog komada materije iste mase. To znači da kada se supstanca rasprši, njena površina se povećava ogroman broj puta. Izgaranje se događa na površini, budući da je površina tvari koja dolazi u kontakt s atmosferskim kisikom. U ovom slučaju, najmanje čestice prašine sagorevaju tako brzo da dolazi do eksplozije.

Referenca Eksplozija je sagorevanje, i to neverovatno brzo - beznačajan delić sekunde. U tom slučaju, eksploziv se pretvara u plin. Nastali plin ima visoke temperature i ogroman pritisak - desetine milijardi paskala. Naglo širenje plina uzrokuje zaglušujuću graju i teška razaranja.Ponekad naizgled potpuno bezopasne supstance eksplodiraju. To uključuje bilo koju prašinu organskog porijekla: brašno, šećer, ugalj, kruh, papir, biber, grašak, pa čak i čokoladu.Eksplodiraju samo one vrste prašine koje sadrže tvari koje reagiraju s kisikom. Do eksplozije dolazi tek kada količina prašine u zraku dostigne određeni nivo, a čak i mikroskopska iskra može je uzrokovati.

Između ostalog Brzo sagorijevanje tvari u atomiziranom stanju se široko koristi u tehnologiji. Na primjer, ugalj se isporučuje u peći kotlovnica termoelektrana u obliku fine prašine. A tiha tutnjava automobila odjek je eksplozije mješavine benzinskih para i zraka unutar njegovog motora.

Shablovsky V. Zabavna fizika. Sankt Peterburg: Trigon, 1997. str. 101.

Između ostalog Prvi vrlo jak eksploziv sintetizirao je Ascanio Sobrero 1846. godine u Torinu (Italija). Bio je nitroglicerin - uljni bistra tečnost slatkastog ukusa. U to vreme, hemičari su kušali sve supstance. Čak mi je i od nekoliko kapi nitroglicerina lupalo srce i boljela me glava. Četrdeset godina kasnije, nitroglicerin je prepoznat kao lijek.

Razmisli

Energija sadržana u eksplozivu nije tako velika. Na primjer, sagorijevanjem 1 kg TNT-a oslobađa se 8 puta manje energije od sagorijevanja 1 kg uglja. Ali zašto je onda TNT tako destruktivan?

Odgovori
Kada TNT eksplodira, energija se oslobađa desetine miliona puta brže nego tokom normalnog sagorevanja uglja.Shablovsky V. Zabavna fizika. Sankt Peterburg: Trigon, 1997. str. 100.

Razmisli

Sklonost nitroglicerina da eksplodira je zaista nevjerovatna. Kažu da je jednom u Engleskoj jedan seljak zimi popio bocu nitroglicerina u nadi da će se zagrijati. Pronađen je mrtav na putu. Smrznuto tijelo uneseno je u kuću i stavljeno da se odmrzne blizu peći. Kao rezultat toga, tijelo seljaka je eksplodiralo, a kuća je uništena.Pitanje: Može li se vjerovati ovoj priči?Krasnogorov V. Imitiranje munje. M.: Znanie, 1977. P. 72.

U svemiru je izveden neobičan eksperiment. japanski astronaut Takao Doi,

koji se nalazi na američkom modulu ISS-a, lansirao je običan bumerang.

Stručnjaci su željeli vidjeti kako bi se ovaj objekt ponašao ako se baci u nultu gravitaciju.

Na iznenađenje mnogih, uključujući svjetskog prvaka u bacanju bumeranga Yasuhiro Togaija, bumerang se vratio!

Još jedan eksperiment u nultoj gravitaciji

Albert Einstein, mnogo prije svemirskih letova, razmišljao je o zanimljivom pitanju: hoće li u kabini svemirskog broda gorjeti svijeća? Ajnštajn je verovao da "ne", jer zbog bestežinskog stanja, vrući gasovi neće izaći iz zone plamena. Tako će pristup kiseonika fitilju biti blokiran, a plamen će se ugasiti.

Moderni eksperimentatori odlučili su da eksperimentalno testiraju Ajnštajnovu izjavu. Sljedeći eksperiment je izveden u jednoj od laboratorija. Zapaljena svijeća postavljena u zatvorenom prostoru staklena tegla, pao sa visine od oko 70 m. Predmet koji je padao bio je u bestežinskom stanju, ako se ne uzme u obzir otpor vazduha. Međutim, svijeća se nije ugasila, promijenio se samo oblik plamena, postao je sferniji, a svjetlost koju je emitirala postala je manje sjajna.

Eksperimentatori su tekuće sagorevanje u bestežinskom stanju objasnili difuzijom, zbog čega je kiseonik iz okolnog prostora i dalje ulazio u zonu plamena. Na kraju krajeva, proces difuzije ne ovisi o djelovanju gravitacijskih sila.

Međutim, uslovi sagorevanja u nultoj gravitaciji su drugačiji nego na Zemlji. Ovu okolnost morali su uzeti u obzir sovjetski dizajneri koji su stvorili poseban aparat za zavarivanje za zavarivanje u uslovima nulte gravitacije.

Ovaj uređaj je testiran 1969. godine u Sovjetskom Savezu svemirski brod Sojuz-8 je uspešno radio.

Da li ste znali?

Prva dugmad

Kako su ljudi davno pričvršćivali odjeću?
Za to su koristili dugmad za manžete, a češće pertle i trake.

Zatim su se pojavila dugmad, a često su se šivali na mnogo više nego što su se pravile petlje. Činjenica je da su dugmad u početku bila namijenjena samo bogatim ljudima, ne samo za zakopčavanje, već češće za ukrašavanje odjeće. Dugmad su napravljena od drago kamenje i skupih metala.

Što je osoba bila plemenitija i bogatija, to je više dugmadi bilo na njegovoj odjeći. Mnogi su se u to vrijeme protivili novim zatvaračima, smatrajući ih nedostupnim luksuzom. Često je to zapravo bio slučaj. Na primjer, kralj Francuske, Franjo Prvi, naredio je da svoj crni baršunasti kamizol ukrasi sa 13.600 zlatnih dugmadi.

Kako vatra gori u nultoj gravitaciji? Šta je sagorevanje? Ovo hemijska reakcija oksidacija sa oslobađanjem velika količina topline i stvaranja vrućih produkata izgaranja. Proces sagorevanja se može odvijati samo u prisustvu zapaljive supstance, kiseonika, i pod uslovom da se produkti oksidacije uklone iz zone sagorevanja. Hajde da vidimo kako sveća radi i šta tačno gori u njoj. Svijeća je fitilj upleten od pamučnih niti, punjen voskom, parafinom ili stearinom. Mnogi ljudi misle da sam fitilj gori, ali to nije tako. To je tvar oko fitilja, odnosno njegova para, koja gori. Fitilj je potreban kako bi se vosak (parafin, stearin) otopljen od toplote plamena uzdigao kroz svoje kapilare u zonu izgaranja. Da biste to testirali, možete provesti mali eksperiment. Ugasite svijeću i odmah donesite zapaljenu šibicu do tačke dva ili tri centimetra iznad fitilja, gdje se diže para voska. Šibica će ih zapaliti, nakon čega će vatra pasti na fitilj i svijeća će ponovo zapaliti. Dakle, postoji zapaljiva supstanca. U vazduhu ima i sasvim dovoljno kiseonika. Šta je sa uklanjanjem produkata sagorevanja? Nema problema sa ovim na zemlji. Vazduh, zagrejan toplotom plamena svijeće, postaje manje gust od hladnog vazduha koji ga okružuje i diže se prema gore zajedno sa produktima sagorevanja (oni formiraju plameni jezik). Ako produkti sagorijevanja, a to su ugljični dioksid CO2 i vodena para, ostanu u zoni reakcije, izgaranje će brzo prestati. To je lako provjeriti: stavite upaljenu svijeću u visoku čašu - ugasit će se. Sada razmislimo šta će se dogoditi sa svijećom na svemirskoj stanici, gdje su svi objekti u bestežinskom stanju. Razlika u gustini toplog i hladnog vazduha više neće uzrokovati prirodna konvekcija, i kroz za kratko vrijeme neće ostati kiseonik u zoni sagorevanja. Ali stvara se višak ugljičnog monoksida (ugljični monoksid) CO. Međutim, još nekoliko minuta će svijeća gorjeti, a plamen će poprimiti oblik lopte koja okružuje fitilj. Jednako je zanimljivo znati koje će boje biti plamen svijeće na svemirskoj stanici. Na tlu dominira žuta nijansa uzrokovana sjajem vrućih čestica čađi. Obično vatra gori na temperaturi od 1227-1721oC. U bestežinskom stanju, uočeno je da kako se zapaljiva tvar iscrpi, "hladno" sagorijevanje počinje na temperaturi od 227-527 ° C. Pod ovim uslovima, mešavina zasićenih ugljovodonika u vosku oslobađa vodonik H2, koji plamenu daje plavkastu nijansu. Da li je neko zapalio prave svijeće u svemiru? Ispostavilo se da su ga upalili - u orbiti. To je prvi put urađeno 1992. godine u eksperimentalnom modulu Space Shuttlea, zatim u NASA-inoj svemirskoj letjelici Columbia, a 1996. eksperiment je ponovljen na stanici Mir. Naravno, ovaj posao nije urađen iz obične radoznalosti, već da bi se shvatilo do kakvih posljedica može dovesti požar na stanici i kako se nositi s njim. Od oktobra 2008. do maja 2012. slični eksperimenti su izvedeni u okviru NASA projekta na Međunarodnoj svemirskoj stanici. Ovog puta astronauti su ispitivali zapaljive materije u izolovanoj komori u različitim pritiscima i različit sadržaj kiseonika. Tada je uspostavljeno “hladno” sagorevanje na niske temperature. Podsjetimo da su proizvodi sagorijevanja na Zemlji u pravilu ugljični dioksid i vodena para. U bestežinskom stanju, u uslovima sagorevanja na niskim temperaturama, oslobađaju se uglavnom visoko toksične supstance ugljen monoksid i formaldehid. Istraživači nastavljaju proučavati sagorijevanje u nultom stanju gravitacije. Možda će rezultati ovih eksperimenata biti osnova za razvoj novih tehnologija, jer gotovo sve što se radi za svemir, nakon nekog vremena, nađe primjenu na zemlji.