220. Фізика невагомості: вода, вогонь і тіло людини у космосі.

Урок №220. Фізика невагомості: вода, вогонь і тіло людини у космосі.

---

Мета уроку:

•  ознайомити учнів із фізичними та біологічними явищами, що змінюють свій перебіг у мікрогравітації (поведінка рідин, процес горіння, робота організму людини);
• сформувати навички аналізу експериментів, розрізнення реальних і вигаданих дослідів, а також критичного мислення на основі практичних завдань.

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

• ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
• ЦСР 12:  Відповідальне споживання та виробництво
• ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова: поверхневий натяг, змочування, незмочування, кипіння, Архімедові сила, конвекція, теплопередача, густина, природна конвекція, примусова конвекція.

План уроку:

1. Мотивація
2. Теоретичний блок
3. Практична частина
4. Попрактикуй самостійно
5. Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

Очікувані результати для вчителя:

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хв.

1. Чому космонавти на МКС не можуть просто налити воду у склянку, як на Землі?
2. Чому харчові продукти і напої в космосі упаковують у спеціальні тюбики та пакети (рис.1)?

---

Посилання на відео джерела:

• https://www.youtube.com/watch?v=tS1SQlxkmn4

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 12 хв.
1) Використовувати наочність:

• Покажіть реальні приклади поведінки рідин: налийте воду у різні форми посудин, створіть краплі на ложці або склі, щоб продемонструвати поверхневий натяг (покажіть різноманітні досліди з поверхневим натягом)
• Покажіть мильні бульбашки
• Для теми кипіння продемонструйте процес за допомогою прозорої колби та нагрівального елемента (наприклад, електричного чайника або спиртівки).
• Для теми конвекція продемонструйте дослід : ВІДЕО

2) Пояснювати терміни через прості аналогії:

• Поверхневий натяг порівняйте з «еластичною плівкою» на поверхні води.
• Конвекцію поясніть за допомогою прикладів із побуту (варіння супу, рух теплих потоків повітря від батареї).

3) Демонструвати зв’язок із законами фізики:

• Покажіть залежність конвекційних потоків від зміни густини речовини під час нагрівання.
• Підкресліть роль Архімедової сили у піднятті бульбашок під час кипіння.

Форма рідин.
Рідини не мають власної форми й набувають форми посудини, в якій знаходяться.
Якщо рідину розділити на невеликі краплі, вони прагнуть утворювати сферичну форму через дію поверхневого натягу.

Поверхневий натяг. 
Сила поверхневого натягу – це сила, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, що обмежує цю поверхню, і прагне скоротити площу вільної поверхні до мінімуму.

Змочування. Незмочування. 
Якщо сили взаємодії між молекулами рідини менші від сил взаємодії між молекулами рідини і твердого тіла, рідина змочує поверхню твердого тіла (0≤θ<90°).
Якщо сили взаємодії між молекулами рідини більші, ніж сили взаємодії між молекулами рідини та твердого тіла, рідина не змочує поверхню твердого тіла (90°<θ≤180°) (рис.2)

Кипіння – процес пароутворення, який відбувається по всьому об’єму рідини та супроводжується утворенням і збільшенням бульбашок пари (рис.3).

(Рисунок а)

• нагріваємо воду в колбі;
• дно та стінки колби вкриються бульбашками (ці бульбашки містять повітря та насичену пару, тиск яких зростатиме зі зростанням температури);

(Рисунок б)

• на бульбашки починає діяти архімедова сила (відриває бульбашки від дна посудини й вони піднімаються);
• на місцях бульбашок, що відірвалися, залишається невелика кількість газу  (зародки нових бульбашок);
• водяна пара в бульбашках конденсується і бульбашки схлопуються (верхні шари рідини певний час холодніші за нижні, тому у верхніх шарах бульбашки схлопуються);

(Рисунок в)

• температури верхніх і нижніх шарів зрівняються;
• бульбашки, піднімаючись, уже не зменшуватимуться в об’ємі, а навпаки, будуть збільшуватися;
• всередину бульбашок активно випаровується вода;

(Рисунок г)

• досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються і викидають назовні значну кількість водяної пари;
• вода при цьому вирує і клекоче (вона закипіла);
• термометр у цей момент показує температуру 100 °С.

Конвекція — це вид теплопередачі, здійснюваний шляхом перенесення теплоти потоками рідини або газу.
Зверніть увагу: конвекція не може відбуватись у твердих тілах, оскільки в них не можуть виникнути потоки речовини.
Явище природної конвекції можна пояснити законом Архімеда та явищем теплового розширення тіл. 
При підвищенні температури об’єм рідини зростає, а густина зменшується.
Під дією архімедової сили менш густа нагріта рідина піднімається вгору, а більш густа холодна рідина опускається вниз.
Аналогічні міркування справджуються й для газів.
Часто природне перемішування шарів рідини або газу є неможливим або недостатнім.
У такому разі вдаються до їхнього штучного перемішування — примусової конвекції.

---

Дружня порада вчителю

Тривалість до 17 хв

Завдання №1

Дослідження розмірів тіла людини називається антропометрією. У NASA працює ціла команда фахівців — антропометрів. Ці науковці співпрацюють з найрізноманітнішими інженерними групами, оскільки людські параметри визначають конструкцію космічних апаратів: розміри сидінь, отвори люків, будову скафандрів та багато іншого.
NASA виявило, що зріст астронавтів збільшується приблизно на 3% протягом перших 3–4 днів невагомості в космосі. Існує багато факторів, які впливають на кожного астронавта, тому ступінь збільшення зросту в усіх різний (рис.4).

1. На скільки сантиметрів збільшишся особисто ти, якщо 3-4 тижні будеш перебувати на космічній станції? 
2. Що є основною причиною збільшення зросту в умовах невагомості?
3. Які можливі медичні наслідки має тимчасове збільшення зросту астронавтів у космосі для хребта, нервової системи та м’язів?
4. Чому заняття спортом є важливою частиною життя на космічній станції?

Можливі варіанти відповідей на питання:
1. Приклад для зросту 170 см:
Δh=170⋅0.03=5.1
2. Основним фактором є розширення міжхребцевих дисків через відсутність постійного стискання хребта силою тяжіння.
3. Можливі тимчасові болі у спині, підвищене навантаження на нервові закінчення, ослаблення м’язового корсету через відсутність звичного тиску на хребет.
4. Регулярні тренування підтримують м’язовий тонус, запобігають атрофії та зменшують ризик болю в спині через зміни в хребті.

---

Завдання №2

У майбутньому людству, ймовірно, доведеться колонізувати Марс, щоб забезпечити своє виживання поза межами Землі. Вичерпання ресурсів, зміни клімату або глобальні катастрофи можуть змусити людей шукати новий дім у Сонячній системі. Колонізація Марса стане не лише технічним викликом, а й новим етапом еволюції людства як міжпланетного виду (рис.5).

1. Як зміна сили тяжіння вплине на формування постави дитини, яка народилася і виросла на Марсі? Чи буде вона така сама, як у земної дитини? Чи зміниться будова скелета?
2. Яким чином у менших гравітаційних умовах зміниться навантаження на колінні, тазостегнові та хребтові суглоби?
3. Чи це знизить ризик травм чи, навпаки, ослабить суглобовий апарат?
4. Як зміниться робота серця, якщо сила тяжіння буде меншою ніж на Землі?

Можливі варіанти відповідей на питання:

1. У середовищі зі слабшою гравітацією хребет буде менш стиснутий, тому постава може стати більш прямою, але скелет розвиватиметься менш міцним і тоншим.
2. Суглоби зазнаватимуть значно меншого навантаження, що зменшить їхній природний «тренінг» та призведе до меншої щільності кісткової тканини.
3. Ризик травм від ударів може знизитися, але суглобовий апарат стане слабшим і менш стійким через недостатнє навантаження.
4. Серце працюватиме з меншою потужністю, оскільки кров легше циркулює в умовах слабкої гравітації, але це може призвести до поступової втрати м’язової сили серцевого м’яза.

---

Завдання №3

Мікрогравітація має значний вплив на стан людини. Деякі зміни в організмі є тимчасовими, спричиненими адаптацією до нового середовища, інші ж — незворотні, як, наприклад, зміни зору та самого ока. Під час тривалих космічних польотів у астронавтів спостерігається погіршення зору.  На фото Очне яблуко астронавта до та після тривалого космічного польоту. Видно зміну форми задньої стінки (рис.6)

1. Чому мікрогравітація викликає зміни у формі очного яблука астронавтів?
2. Чому дослідження змін зору є важливими для планування довготривалих польотів у космос?

Можливі варіанти відповідей на питання:

1. У стані мікрогравітації рідини в тілі розподіляються нерівномірно, зокрема підвищується тиск на задню стінку ока, що деформує його форму та призводить до змін зору.
2. Такі дослідження дозволяють передбачати ризики для зору астронавтів під час довгих польотів та розробляти методи профілактики і корекції, щоб уникнути проблем зі здоров’ям.

Проблеми з зором вирішується за допомогою наявності на борту МКС лінійки окулярів із різними діоптріями, тож астронавти можуть підібрати собі їх самостійно. 
Регульовані окуляри TruFocals для астронавтів мають дві пари лінз — жорсткі зовнішні та гнучкі внутрішні з прозорим надувним мішечком (рис.7).

3. Чому на борту МКС важливо мати набір окулярів з різними діоптріями?
4. Для чого в окулярах потрібні гнучкі внутрішні лінзи з прозорим надувним мішечком?

Можливі варіанти відповідей на питання:

3. Підбір окулярів з різними діоптріями потрібен, щоб кожен астронавт міг компенсувати зміни зору, які можуть виникати вже під час польоту.
4. Гнучкі внутрішні лінзи з надувним мішечком дають змогу регулювати фокусну відстань і підлаштовувати окуляри під змінені зорові потреби кожної людини.

---

Завдання №4

На Землі полум’я завжди має знайому форму — воно витягується вгору, утворюючи язики вогню. У космосі ж вогонь поводиться зовсім інакше, розповсюджуючись від джерела рівномірно в усі сторони. Це робить полум’я незвичним і зовсім не схожим на те, яке ми бачимо на Землі (рис.8).

1. Чому полум’я на Землі завжди піднімається вгору?
2. Чому полум’я в космосі поширюється рівномірно в усіх напрямках, а не витягується догори?
3. Чому змінюється колір полум’я?
4. Чому полум’я у невагомості горить повільніше і рівномірніше?
5. Чому речовини можуть горіти у космосі навіть при низькому вмісті кисню (15 %), хоча на Землі потрібен приблизно 18 % кисню?

Можливі варіанти відповідей на питання:

1. На Землі нагріті гази від полум’я мають меншу густину за холодне повітря і піднімаються вгору через природну конвекцію, утворюючи витягнуту форму язиків вогню.
2. У космосі відсутні потоки повітря, які змушували б гарячі гази рухатися в певному напрямку, тому полум’я розширюється рівномірно навколо джерела.
3. Колір змінюється через інший розподіл температури та більш повне згоряння газів, яке відбувається при повільному надходженні кисню.
4. У стані мікрогравітації кисень надходить до полум’я тільки за рахунок дифузії, що уповільнює процес горіння, робить його більш стабільним та рівномірним.
5. Повільне та ефективніше змішування кисню з пальним дозволяє підтримувати горіння навіть за нижчої концентрації кисню, ніж на Землі.

У стані невагомості полум’я поширюється лише у напрямку, протилежному потоку повітря (рис.9).

6. Чому полум’я поширюється в стані невагомості протилежно напрямку потоку повітря?
7. Як поведеться полум’я у стані невагомості, якщо поруч увімкнути вентилятор?
8. Чи можна «загасити» полум’я в космосі тим самим способом, що й на Землі (задувши його)? Чому?
9. Чому дослідження горіння у мікрогравітації важливе для створення пожежної безпеки на космічних станціях?

Можливі варіанти відповідей на питання:

6. У стані невагомості гарячі гази не піднімаються вгору, тому полум’я розширюється у будь-якому напрямку, але потік повітря створює примусовий рух кисню, через що полум’я зміщується у протилежну сторону.
7. Якщо увімкнути вентилятор, полум’я витягнеться у напрямку, протилежному потоку повітря, бо саме цей потік визначатиме, з якого боку надходитиме кисень для горіння.
8. Задувати полум’я неефективно, бо воно не залежить від вертикальних потоків, як на Землі. Для гасіння в космосі застосовують інші методи — відкачування кисню або спеціальні вогнегасники.
9. Дослідження горіння у мікрогравітації допомагає створювати ефективні системи пожежогасіння та передбачати поведінку вогню в умовах, де звичні засоби боротьби з ним працюють інакше.

---

Завдання №5

У невагомості вода не розтікається, а збирається у великі кулеподібні краплі.
Вона може плавати всередині корабля та легко розділятися на менші краплі при дотику. Навіть невеликий рух або удар здатний змінити форму та напрямок такої краплі.
На фото астронавтка NASA Карен Нюберг, вичавлює бульбашку з водою з контейнера для напою (рис.10).

1. Чому вода в космосі не розтікається, а збирається у форму кулі?
2. Чому для пиття води на МКС використовують спеціальні пакети замість звичайних склянок?
3. Чому крапля води «липне» до предметів та рук у космосі?
4. Чому у каплі видно перевернуте обличчя астронавтки?

Можливі варіанти відповідей на питання:

1. У відсутності гравітації немає сили, що змушує рідину розтікатися по поверхні, тому поверхневий натяг стягує воду в найбільш енергоефективну форму — кулю.
2. У відкритій склянці вода не залишалася б на дні та не наливалася б у рот, а вільно плавала б у вигляді крапель, тому використовують герметичні пакети зі спеціальними трубками.
3. Через адгезію молекули води взаємодіють із поверхнею твердих тіл та шкірою, утримуючи краплі на них навіть без гравітації.
4. Куляста поверхня діє як збиральна лінза лінза водночас, тому зображення об’єктів, у тому числі обличчя астронавтки, у краплі виглядає перевернутим.

---

Завдання №6

На Землі кипляча вода створює тисячі крихітних бульбашок пари. Однак у космосі вона утворює одну гігантську хвилеподібну бульбашку. Динаміка рідин настільки складна, що фізики не знали напевно, що станеться з киплячою водою в умовах мікрогравітації, доки експеримент нарешті не був проведений у 1992 році на борту космічного човна (рис.11).

1. Які фізичні явища, пов’язані з гравітацією, відсутні у космосі та змінюють процес кипіння?
2. Чому дослідження кипіння в умовах мікрогравітації вважають важливими для розвитку космічних технологій?
3. Чи можна на основі цього експерименту зробити висновок про вплив мікрогравітації на інші процеси з рідинами?

Можливі варіанти відповідей на питання:

1. У космосі відсутні явища конвекції та плавучості (виштовхувальної сили), які на Землі змушують бульбашки пари швидко підніматися нагору та розриватися.
2. Такі дослідження дають змогу розробити ефективніші системи охолодження для космічних апаратів, а також технології отримання енергії та керування теплом у замкнених системах.
3. Експеримент показує, що мікрогравітація істотно впливає на всі процеси, де важливе перемішування або відділення фаз (наприклад, випаровування, конденсацію чи утворення емульсій), тому ці процеси потребують нового підходу до їхнього вивчення і використання.

---

Завдання №7

Люди потіють для охолодження тіла, коли температура підвищується або під час фізичної активності. Потові залози виділяють вологу, яка випаровується з поверхні шкіри та знижує температуру тіла. Це природний механізм терморегуляції, що допомагає уникнути перегрівання.

1. Чому тіло астронавта у космосі постійно пітніє, хоча пот не випаровується так, як на Землі?
2. Що відбувається зі щойно утвореного поту — чи стікає він по шкірі, чи залишається на місці?
3. Чому астронавти носять під скафандрами спеціальні костюми з циркуляцією холодної води?

Можливі варіанти відповідей на питання:

1. У космосі відсутня природна конвекція, тому тепло не відводиться від поверхні шкіри, і тіло продовжує активно виділяти піт, намагаючись охолодитися.
2. Краплі поту не стікають вниз через відсутність гравітації, а накопичуються на шкірі, утворюючи вологу плівку або плаваючі краплі.
3. Костюми з циркуляцією холодної води забезпечують штучне охолодження тіла, компенсуючи відсутність ефективного випаровування поту і запобігаючи перегріванню астронавтів.

---

Завдання №8

Газовані напої містять розчинений вуглекислий газ, який створює бульбашки та приємне відчуття «шипіння» на язику. Ці бульбашки стимулюють смакові рецептори та підсилюють відчуття свіжості й прохолоди (рис.12).

1. Чому звичайні газовані напої є непридатними для вживання на космічних станціях?
2. Як відсутність гравітації змінює поведінку газів у рідині та в організмі людини?
3. Чому для використання в космосі необхідно створювати спеціальні продукти харчування?
4. Як ти думаєш, які звичні продукти з Землі важко або неможливо вживати у космосі?

Можливі варіанти відповідей на питання:

1. Газовані напої непридатні для вживання, оскільки бульбашки газу не піднімаються вгору та не виходять із рідини, що викликає неприємне скупчення газу всередині шлунка.
2. Без гравітації газ рівномірно розподіляється в рідині та в організмі, не відокремлюючись від рідини, що робить процеси травлення дискомфортним.
3. Спеціальні продукти потрібні для зручного вживання, запобігання утворенню крихт чи рідини, що вільно плаває, та для забезпечення балансу поживних речовин у змінених умовах.
4. Важко або неможливо вживати продукти, що кришаться (наприклад, сухе печиво), напої у відкритих стаканах, або дуже газовані продукти на зразок пива чи газованої води.

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 10 хв.

Проведення дослідів у умовах мікрогравітації дозволяє досліджувати фізичні та біологічні процеси без впливу сили тяжіння, що відкриває нові закономірності, непомітні на Землі.
Прочитай уважно 20 дослідів пов’язаних з мікрогравітацією. Серед них — 10 реально проведених, а 10 вигаданих. Встанови досліди, які реально були проведені на МКС.
Поясни свій вибір (табл.1)

Рівень А: від 1 до 4 правильних відповідей
Рівень В: від 5 до 8 правильних відповідей
Рівень С: від 9 правильних відповідей.

Табл.1

№	Дослід	+/-
1	Космічний експеримент зі звуком. Досліджували, як відрізняється поширення звукових хвиль у мікрогравітації, коли відсутня звична конвекція повітря.	+
2	Поведінка металевих крапель. У космосі перевіряли, як рідкі метали зливаються та розділяються без впливу гравітації, що допомагає створювати нові сплави.	+
3	Горіння феєрверків у невагомості. Перевірка, як різнокольорові піротехнічні заряди утворюють візерунки без гравітації.	–
4	Розвиток пшеничного зерна та пилку. Перевіряли, як мікрогравітація впливає на проростання та запилення, щоб вивчити можливість вирощування їжі в космосі.	+
5	Створення хмарки диму з ароматизованих масел. Вивчення, як ароматизований дим поширюється у замкненому просторі без гравітації.	–
6	Кипіння ртуті у невагомості. Експеримент із вивченням пароутворення ртуті в умовах космосу.	–
7	Вибухова реакція магнію у стані невагомості. Дослідження ефекту спалаху металів без гравітаційних потоків.	–
8	Формування емульсій. Вивчали, як масло та вода утворюють стабільні суміші у мікрогравітації, що корисно для медицини та харчової промисловості.	+
9	Досліди з магнітними рідинами (ферофлюїдами). Астронавти спостерігали за зміною форми феромагнітних рідин у стані невагомості під дією магнітів.	–
10	Зварювання металів із відкритим полум’ям.	–
11	Плавлення та горіння пластику в умовах вакууму. Дослідження, як пластмаси горять без наявності кисню та в умовах нульової гравітації.	–
12	Перевірка роботи свічки з ароматами у вакуумі. Дослідження, як запахи поширюються при горінні свічки у мікрогравітації.	–
13	Досліди з колоїдними системами. Вивчали, як дрібні частинки (колоїди) збираються в складні структури в умовах невагомості, що допомагає створювати нові матеріали.	+
14	Кристалізація напівпровідників. Проводили вирощування надчистих напівпровідникових кристалів, які складно отримати на Землі.	+
15	Випаровування рідкого азоту у космосі. Експеримент із вивчення поведінки азоту при переході з рідкого стану у газоподібний без впливу гравітації.	+
16	Форма полум’я від свічки з трьома гнотами. Експеримент, де три гноти створюють взаємодіючі вогняні «сфери» у невагомості.	–
17	Випробування космічних фарб і покриттів. У відкритому космосі перевіряли, як різні матеріали витримують ультрафіолет, температуру та радіацію.	+
18	Поведінка поверхонь із покриттям. Досліджували, як частинки пилу та краплі рідини взаємодіють з різними матеріалами без сили тяжіння.	+
19	Моделювання гірського потоку води. Спроба створити потік води в трубах, розташованих «сходинками», щоб імітувати гірський струмок у стані невагомості.	–
20	Дослідження блискавичних розрядів. У спеціальних камерах перевіряли, як формуються іскрові розряди у вакуумі та мікрогравітації.	+

---

Дружня порада вчителю

Тривалість: до 3 хв.

«Що я можу пояснити іншому?»
Напиши (скажи) одним реченням, що ти можеш легко пояснити другу після цього уроку.

Урок №220. Фізика невагомості: вода, вогонь і тіло людини у космосі.

---

Мета уроку:

•  ознайомити учнів із фізичними та біологічними явищами, що змінюють свій перебіг у мікрогравітації (поведінка рідин, процес горіння, робота організму людини);
• сформувати навички аналізу експериментів, розрізнення реальних і вигаданих дослідів, а також критичного мислення на основі практичних завдань.

Цілі сталого розвитку: 

Які цілі сталого розвитку опрацьовуємо на уроці:

• ЦСР 9: Промисловість, інновації та інфраструктура
• ЦСР 12:  Відповідальне споживання та виробництво
• ЦСР 17: Партнерство заради сталого розвитку

Ключові слова: поверхневий натяг, змочування, незмочування, кипіння, Архімедові сила, конвекція, теплопередача, густина, природна конвекція, примусова конвекція.

План уроку:

1. Мотивація
2. Теоретичний блок
3. Практична частина
4. Попрактикуй самостійно
5. Рефлексія

Очікувані результати для учнівства:

---

1. Чому космонавти на МКС не можуть просто налити воду у склянку, як на Землі?
2. Чому харчові продукти і напої в космосі упаковують у спеціальні тюбики та пакети (рис.1)?

---

Посилання на відео джерела:

• https://www.youtube.com/watch?v=tS1SQlxkmn4

---

Форма рідин.
Рідини не мають власної форми й набувають форми посудини, в якій знаходяться.
Якщо рідину розділити на невеликі краплі, вони прагнуть утворювати сферичну форму через дію поверхневого натягу.

Поверхневий натяг. 
Сила поверхневого натягу – це сила, яка діє вздовж поверхні рідини перпендикулярно до лінії, що обмежує цю поверхню, і прагне скоротити площу вільної поверхні до мінімуму.

Змочування. Незмочування. 
Якщо сили взаємодії між молекулами рідини менші від сил взаємодії між молекулами рідини і твердого тіла, рідина змочує поверхню твердого тіла (0≤θ<90°).
Якщо сили взаємодії між молекулами рідини більші, ніж сили взаємодії між молекулами рідини та твердого тіла, рідина не змочує поверхню твердого тіла (90°<θ≤180°) (рис.2)

Кипіння – процес пароутворення, який відбувається по всьому об’єму рідини та супроводжується утворенням і збільшенням бульбашок пари (рис.3).

(Рисунок а)

• нагріваємо воду в колбі;
• дно та стінки колби вкриються бульбашками (ці бульбашки містять повітря та насичену пару, тиск яких зростатиме зі зростанням температури);

(Рисунок б)

• на бульбашки починає діяти архімедова сила (відриває бульбашки від дна посудини й вони піднімаються);
• на місцях бульбашок, що відірвалися, залишається невелика кількість газу  (зародки нових бульбашок);
• водяна пара в бульбашках конденсується і бульбашки схлопуються (верхні шари рідини певний час холодніші за нижні, тому у верхніх шарах бульбашки схлопуються);

(Рисунок в)

• температури верхніх і нижніх шарів зрівняються;
• бульбашки, піднімаючись, уже не зменшуватимуться в об’ємі, а навпаки, будуть збільшуватися;
• всередину бульбашок активно випаровується вода;

(Рисунок г)

• досягнувши поверхні рідини, бульбашки лопаються і викидають назовні значну кількість водяної пари;
• вода при цьому вирує і клекоче (вона закипіла);
• термометр у цей момент показує температуру 100 °С.

Конвекція — це вид теплопередачі, здійснюваний шляхом перенесення теплоти потоками рідини або газу.
Зверніть увагу: конвекція не може відбуватись у твердих тілах, оскільки в них не можуть виникнути потоки речовини.
Явище природної конвекції можна пояснити законом Архімеда та явищем теплового розширення тіл. 
При підвищенні температури об’єм рідини зростає, а густина зменшується.
Під дією архімедової сили менш густа нагріта рідина піднімається вгору, а більш густа холодна рідина опускається вниз.
Аналогічні міркування справджуються й для газів.
Часто природне перемішування шарів рідини або газу є неможливим або недостатнім.
У такому разі вдаються до їхнього штучного перемішування — примусової конвекції.

---

Завдання №1

Дослідження розмірів тіла людини називається антропометрією. У NASA працює ціла команда фахівців — антропометрів. Ці науковці співпрацюють з найрізноманітнішими інженерними групами, оскільки людські параметри визначають конструкцію космічних апаратів: розміри сидінь, отвори люків, будову скафандрів та багато іншого.
NASA виявило, що зріст астронавтів збільшується приблизно на 3% протягом перших 3–4 днів невагомості в космосі. Існує багато факторів, які впливають на кожного астронавта, тому ступінь збільшення зросту в усіх різний (рис.4).

1. На скільки сантиметрів збільшишся особисто ти, якщо 3-4 тижні будеш перебувати на космічній станції? 
2. Що є основною причиною збільшення зросту в умовах невагомості?
3. Які можливі медичні наслідки має тимчасове збільшення зросту астронавтів у космосі для хребта, нервової системи та м’язів?
4. Чому заняття спортом є важливою частиною життя на космічній станції?

---

Завдання №2

У майбутньому людству, ймовірно, доведеться колонізувати Марс, щоб забезпечити своє виживання поза межами Землі. Вичерпання ресурсів, зміни клімату або глобальні катастрофи можуть змусити людей шукати новий дім у Сонячній системі. Колонізація Марса стане не лише технічним викликом, а й новим етапом еволюції людства як міжпланетного виду (рис.5).

1. Як зміна сили тяжіння вплине на формування постави дитини, яка народилася і виросла на Марсі? Чи буде вона така сама, як у земної дитини? Чи зміниться будова скелета?
2. Яким чином у менших гравітаційних умовах зміниться навантаження на колінні, тазостегнові та хребтові суглоби?
3. Чи це знизить ризик травм чи, навпаки, ослабить суглобовий апарат?
4. Як зміниться робота серця, якщо сила тяжіння буде меншою ніж на Землі?

---

Завдання №3

Мікрогравітація має значний вплив на стан людини. Деякі зміни в організмі є тимчасовими, спричиненими адаптацією до нового середовища, інші ж — незворотні, як, наприклад, зміни зору та самого ока. Під час тривалих космічних польотів у астронавтів спостерігається погіршення зору.  На фото Очне яблуко астронавта до та після тривалого космічного польоту. Видно зміну форми задньої стінки (рис.6)

1. Чому мікрогравітація викликає зміни у формі очного яблука астронавтів?
2. Чому дослідження змін зору є важливими для планування довготривалих польотів у космос?

Проблеми з зором вирішується за допомогою наявності на борту МКС лінійки окулярів із різними діоптріями, тож астронавти можуть підібрати собі їх самостійно. 
Регульовані окуляри TruFocals для астронавтів мають дві пари лінз — жорсткі зовнішні та гнучкі внутрішні з прозорим надувним мішечком (рис.7).

3. Чому на борту МКС важливо мати набір окулярів з різними діоптріями?
4. Для чого в окулярах потрібні гнучкі внутрішні лінзи з прозорим надувним мішечком?

---

Завдання №4

На Землі полум’я завжди має знайому форму — воно витягується вгору, утворюючи язики вогню. У космосі ж вогонь поводиться зовсім інакше, розповсюджуючись від джерела рівномірно в усі сторони. Це робить полум’я незвичним і зовсім не схожим на те, яке ми бачимо на Землі (рис.8).

1. Чому полум’я на Землі завжди піднімається вгору?
2. Чому полум’я в космосі поширюється рівномірно в усіх напрямках, а не витягується догори?
3. Чому змінюється колір полум’я?
4. Чому полум’я у невагомості горить повільніше і рівномірніше?
5. Чому речовини можуть горіти у космосі навіть при низькому вмісті кисню (15 %), хоча на Землі потрібен приблизно 18 % кисню?

У стані невагомості полум’я поширюється лише у напрямку, протилежному потоку повітря (рис.9).

6. Чому полум’я поширюється в стані невагомості протилежно напрямку потоку повітря?
7. Як поведеться полум’я у стані невагомості, якщо поруч увімкнути вентилятор?
8. Чи можна «загасити» полум’я в космосі тим самим способом, що й на Землі (задувши його)? Чому?
9. Чому дослідження горіння у мікрогравітації важливе для створення пожежної безпеки на космічних станціях?

---

Завдання №5

У невагомості вода не розтікається, а збирається у великі кулеподібні краплі.
Вона може плавати всередині корабля та легко розділятися на менші краплі при дотику. Навіть невеликий рух або удар здатний змінити форму та напрямок такої краплі.
На фото астронавтка NASA Карен Нюберг, вичавлює бульбашку з водою з контейнера для напою (рис.10).

1. Чому вода в космосі не розтікається, а збирається у форму кулі?
2. Чому для пиття води на МКС використовують спеціальні пакети замість звичайних склянок?
3. Чому крапля води «липне» до предметів та рук у космосі?
4. Чому у каплі видно перевернуте обличчя астронавтки?

---

Завдання №6

На Землі кипляча вода створює тисячі крихітних бульбашок пари. Однак у космосі вона утворює одну гігантську хвилеподібну бульбашку. Динаміка рідин настільки складна, що фізики не знали напевно, що станеться з киплячою водою в умовах мікрогравітації, доки експеримент нарешті не був проведений у 1992 році на борту космічного човна (рис.11).

1. Які фізичні явища, пов’язані з гравітацією, відсутні у космосі та змінюють процес кипіння?
2. Чому дослідження кипіння в умовах мікрогравітації вважають важливими для розвитку космічних технологій?
3. Чи можна на основі цього експерименту зробити висновок про вплив мікрогравітації на інші процеси з рідинами?

---

Завдання №7

Люди потіють для охолодження тіла, коли температура підвищується або під час фізичної активності. Потові залози виділяють вологу, яка випаровується з поверхні шкіри та знижує температуру тіла. Це природний механізм терморегуляції, що допомагає уникнути перегрівання.

1. Чому тіло астронавта у космосі постійно пітніє, хоча пот не випаровується так, як на Землі?
2. Що відбувається зі щойно утвореного поту — чи стікає він по шкірі, чи залишається на місці?
3. Чому астронавти носять під скафандрами спеціальні костюми з циркуляцією холодної води?

---

Завдання №8

Газовані напої містять розчинений вуглекислий газ, який створює бульбашки та приємне відчуття «шипіння» на язику. Ці бульбашки стимулюють смакові рецептори та підсилюють відчуття свіжості й прохолоди (рис.12).

1. Чому звичайні газовані напої є непридатними для вживання на космічних станціях?
2. Як відсутність гравітації змінює поведінку газів у рідині та в організмі людини?
3. Чому для використання в космосі необхідно створювати спеціальні продукти харчування?
4. Як ти думаєш, які звичні продукти з Землі важко або неможливо вживати у космосі?

---

Проведення дослідів у умовах мікрогравітації дозволяє досліджувати фізичні та біологічні процеси без впливу сили тяжіння, що відкриває нові закономірності, непомітні на Землі.
Прочитай уважно 20 дослідів пов’язаних з мікрогравітацією. Серед них — 10 реально проведених, а 10 вигаданих. Встанови досліди, які реально були проведені на МКС.
Поясни свій вибір (табл.1)

Рівень А: від 1 до 4 правильних відповідей
Рівень В: від 5 до 8 правильних відповідей
Рівень С: від 9 правильних відповідей.

Табл.1

№	Дослід	+/-
1	Космічний експеримент зі звуком. Досліджували, як відрізняється поширення звукових хвиль у мікрогравітації, коли відсутня звична конвекція повітря.
2	Поведінка металевих крапель. У космосі перевіряли, як рідкі метали зливаються та розділяються без впливу гравітації, що допомагає створювати нові сплави.
3	Горіння феєрверків у невагомості. Перевірка, як різнокольорові піротехнічні заряди утворюють візерунки без гравітації.
4	Розвиток пшеничного зерна та пилку. Перевіряли, як мікрогравітація впливає на проростання та запилення, щоб вивчити можливість вирощування їжі в космосі.
5	Створення хмарки диму з ароматизованих масел. Вивчення, як ароматизований дим поширюється у замкненому просторі без гравітації.
6	Кипіння ртуті у невагомості. Експеримент із вивченням пароутворення ртуті в умовах космосу.
7	Вибухова реакція магнію у стані невагомості. Дослідження ефекту спалаху металів без гравітаційних потоків.
8	Формування емульсій. Вивчали, як масло та вода утворюють стабільні суміші у мікрогравітації, що корисно для медицини та харчової промисловості.
9	Досліди з магнітними рідинами (ферофлюїдами). Астронавти спостерігали за зміною форми феромагнітних рідин у стані невагомості під дією магнітів.
10	Зварювання металів із відкритим полум’ям.
11	Плавлення та горіння пластику в умовах вакууму. Дослідження, як пластмаси горять без наявності кисню та в умовах нульової гравітації.
12	Перевірка роботи свічки з ароматами у вакуумі. Дослідження, як запахи поширюються при горінні свічки у мікрогравітації.
13	Досліди з колоїдними системами. Вивчали, як дрібні частинки (колоїди) збираються в складні структури в умовах невагомості, що допомагає створювати нові матеріали.
14	Кристалізація напівпровідників. Проводили вирощування надчистих напівпровідникових кристалів, які складно отримати на Землі.
15	Випаровування рідкого азоту у космосі. Експеримент із вивчення поведінки азоту при переході з рідкого стану у газоподібний без впливу гравітації.
16	Форма полум’я від свічки з трьома гнотами. Експеримент, де три гноти створюють взаємодіючі вогняні «сфери» у невагомості.
17	Випробування космічних фарб і покриттів. У відкритому космосі перевіряли, як різні матеріали витримують ультрафіолет, температуру та радіацію.
18	Поведінка поверхонь із покриттям. Досліджували, як частинки пилу та краплі рідини взаємодіють з різними матеріалами без сили тяжіння.
19	Моделювання гірського потоку води. Спроба створити потік води в трубах, розташованих «сходинками», щоб імітувати гірський струмок у стані невагомості.
20	Дослідження блискавичних розрядів. У спеціальних камерах перевіряли, як формуються іскрові розряди у вакуумі та мікрогравітації.

---

«Що я можу пояснити іншому?»
Напиши (скажи) одним реченням, що ти можеш легко пояснити другу після цього уроку.