Bing Dwen Dwen macht einen Purzelbaum im Weltraum? Können Flüssigkeiten als Brücken genutzt werden? Hier kommt das wertvolle Filmmaterial der menschlichen Weltraumlehre

Experte dieses Artikels: Liu Yan, Space Application Engineering and Technology Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Die „Online-Kursobergrenze“ wurde erneut aktualisiert!

Am 23. März 2022 gegen 15:40 Uhr brachte unser „Weltraum-Geschäftsreise-Trio“ die zweite Lektion aus Tiangong zu den Menschen auf der Erde!

Quelle: CCTV News

Was? Was? Ich habe auf der chinesischen Raumstation gehört:

„

Lehrer Wang Yaping hat ein „Eishockey“ gemacht?

Ist der Top-Trendsong Bing Dwen Dwen zu leer?

Können wir mit Flüssigkeit eine Brücke im Weltraum bauen?

Gibt es eine Wechselwirkung zwischen Himmel und Erde?

„

Bewegen Sie den kleinen Hocker, hier kommt der Punkt ~

Weltraumexperiment „Eis und Schnee“

Was passiert, wenn eine gesättigte Flüssigkeit im schwerelosen Zustand kristallisiert?

Im Grunde ist die Kristallisation aus gesättigten Flüssigkeiten eine Methode zur Trennung und Reinigung fester Substanzen.

Quelle: China Digital Science and Technology Museum, Wissenschaftspopularisierung China

Als übersättigte Lösung bezeichnet man eine Lösung, deren Konzentration die theoretische Gleichgewichtskonzentration übersteigt. Der überschüssige gelöste Stoff fällt in Form von Kristallen aus und durch Filtern, Waschen, Trocknen und andere Schritte können feste Substanzen mit höherer Reinheit extrahiert werden.

Eine übersättigte Lösung ist ein instabiler Zustand und neigt zur Kristallisation, wenn sie durch äußere Faktoren gestört wird. Die Kristallisation wird von vielen Faktoren beeinflusst, wie Temperatur, Druck, Scherkraft, Ultraschall, externes Magnetfeld usw. Der Kristallisationsprozess besteht darin, dass unter dem Einfluss externer Faktoren zunächst der Kristallkern gebildet wird und dieser dann allmählich wächst, um den Kristallisationsprozess abzuschließen.

Als Lehrer Wang Yaping im Tiangong-Klassenzimmer die übersättigte Lösung die ersten beiden Male drückte, kam es an der Öffnung des Röhrchens zur Kristallisation, was ebenfalls die Instabilität der übersättigten Lösung verdeutlicht. Der durch die Extrusion verursachte Druck löste eine Kristallisation aus.

Unter Schwerelosigkeitsbedingungen kann die Natriumacetatlösung den Behälter verlassen und zu einer stabilen Flüssigkeitskugel werden. Lehrer Wang Yaping brachte die übersättigte Flüssigkeitskugel aus Natriumacetat durch Eintauchen des Kristallkerns dazu, die Kristallisation schnell abzuschließen. Die Kristallisation ist ein exothermer Prozess, daher fühlt sich die Eiskugel warm an.

Quelle: CCTV News

Quelle: China Digital Science and Technology Museum, Wissenschaftspopularisierung China

Am Boden können Kristallisationsexperimente übersättigter Lösungen nur in Behältern durchgeführt werden. Die Form der bei der Kristallisation entstehenden Eiskristalle entspricht der des Behälters und kann nicht wie im Weltraum zu Eisbällen werden.

Demonstrationsexperiment zur Flüssigkeitsbrücke

Besteht die Oberflächenspannung von Wasser auch in einer schwerelosen Umgebung?

Eine Flüssigkeitsbrücke ist eine kleine Flüssigkeitssäule zwischen zwei festen Körpern.

Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit ist die Kraft, die auf die Oberfläche der Flüssigkeit wirkt und dazu führt, dass die Oberfläche der Flüssigkeit abnimmt. Alle Flüssigkeiten haben eine Oberflächenspannung, und insbesondere unter dem Einfluss der Schwerelosigkeit wird die Oberflächenspannung noch stärker.

Durch die Oberflächenspannung wird die Oberfläche der Flüssigkeit zu einer Art „elastischem Film“, der die Bewegung der Flüssigkeit einschränkt. Das Wesentliche besteht darin, dass sich auf der Oberfläche, wo die Flüssigkeit mit dem Gas in Kontakt kommt, eine dünne Schicht befindet, die sogenannte Oberflächenschicht. Die Moleküle in der Oberflächenschicht sind spärlicher als im Inneren der Flüssigkeit, und der Abstand zwischen den Molekülen ist größer als im Inneren der Flüssigkeit. Die Wechselwirkung zwischen Molekülen manifestiert sich als Schwerkraft. Genau wie beim Ziehen einer Feder neigt diese dazu, sich zusammenzuziehen.

Da die Oberflächenspannung unter der Einwirkung der Erdanziehungskraft sehr schwach ist, ist die Flüssigkeitsbrücke, die sich unter normaler Schwerkraft bildet, sehr klein (normalerweise nur wenige Millimeter). Wenn die Größe diesen Wert überschreitet, kann die Flüssigkeitsbrücke ihre Schwerkraft nicht ausgleichen und bricht zusammen.

Quelle: China Digital Science and Technology Museum, Wissenschaftspopularisierung China

Im Weltraum kann sich aufgrund der Schwerelosigkeit eine Flüssigkeitsbrücke mit sehr großem Durchmesser bilden. Auf der ISS (Internationale Raumstation) wurde einst eine Flüssigkeitsbrücke mit einem Durchmesser von 50 mm gebaut.

Flüssigkeitsbrücke zwischen den Fingern, Bildquelle:

http://www.csu.cas.cn/kxcb/kpdt/201609/t20160907_4659506.html

Obwohl die Größe der Flüssigkeitsbrücke auf dem Boden gering ist, darf ihre Rolle nicht unterschätzt werden! Wenn Sie genau hinschauen, werden Sie viele Beispiele für flüssige Brücken im Leben finden:

Am Strand kann trockener, feiner Sand nach dem Mischen mit Wasser in verschiedene Formen gebracht werden. (Dies liegt daran, dass Wasser Flüssigkeitsbrücken zwischen winzigen Sandpartikeln bildet, wodurch sich der lose Sand zusammenballen kann.)

Auf einem glatten Tisch bleibt ein in Wasser getauchtes weißes Papier haften, da sich zwischen Papier und Tisch eine Flüssigkeitsbrücke bildet.

…

Experiment zur Wasser-Öl-Trennung

Verschwindet das Phänomen der Wasser-Öl-Trennung in einer schwerelosen Umgebung?

Auf dem Boden schichten sich Wasser und Öl, wobei sich das Wasser immer unten und das Öl oben befindet. Dies liegt daran, dass Wasser und Öl nicht mischbar sind und Öl eine geringere Dichte als Wasser hat, sodass es auf der Wasseroberfläche schwimmt.

Quelle: CCTV News

Da in der Raumstation jedoch fast kein Einfluss der Schwerkraft mehr besteht, sinken Objekte mit hoher Dichte nicht mehr und Objekte mit geringer Dichte schweben nicht mehr nach oben. Wasser und Öl werden miteinander vermischt und es gibt keine sichtbare Grenze zwischen den beiden. Durch die Rotation können Wasser und Öl getrennt werden.

Warum ist das so?

Quelle: CCTV News

Bei gleichem Volumen ist die Dichte von Wasser größer als die von Öl und die Masse von Wasser ist größer. Gemäß der Formel für die Zentripetalkraft F=mrw2 gilt: Wenn die Winkelgeschwindigkeit w und der Radius r gleich sind, ist die vom Wassertropfen benötigte Zentripetalkraft umso größer, je größer die Masse m ist. Das heißt, die entsprechende Zentrifugalkraft ist umso größer, sodass die größere Wassermasse auf den Boden der Flasche geschleudert wird. Wasser und Öl werden in Schichten getrennt.

Weltraumparabolexperiment

Was ist der Unterschied zwischen parabolischen Flugbahnen am Himmel und unter der Erde?

Wenn ein Gegenstand vom Boden geworfen wird, ist er immer der vertikal nach unten gerichteten Schwerkraft ausgesetzt. Um seine Flugbahn zu analysieren, achten wir hauptsächlich auf die Richtung der Wurfgeschwindigkeit:

Wenn die Wurfgeschwindigkeit in vertikaler Richtung liegt, handelt es sich, egal ob nach oben oder nach unten geworfen wird, um eine lineare Bewegung mit variabler Geschwindigkeit.

Wenn die Geschwindigkeit des geworfenen Objekts nicht mehr in vertikaler Richtung verläuft, ist die Bewegung des Objekts eine gekrümmte Bewegung mit variabler Geschwindigkeit, unabhängig davon, ob es schräg oder horizontal geworfen wird.

Da sich die Objekte im Weltraum innerhalb der Raumstation befinden, sind sie von der Schwerkraft nahezu unabhängig. Egal in welche Richtung sie geworfen werden, sie können fast als gleichmäßige lineare Bewegung betrachtet werden, da die Objekte nur einem geringen Luftwiderstand ausgesetzt sind und die Änderungen in Richtung und Größe der Geschwindigkeit sehr gering sind.

Quelle: CCTV News

Daher müssen Astronauten beim Werfen von Gegenständen in der Kabine der Raumstation vorsichtig sein. Sie müssen sich in „Harry Potter“ verwandeln und fliegende Objekte sicher, präzise und rücksichtslos greifen, um zu verhindern, dass sie andere Instrumente und Geräte treffen.

Manche Leute sagen, dass die Raumstation sehr nahe an der Erde ist, etwa 400 Kilometer entfernt. Berechnet man nach g=GM/r2, beträgt die Erdbeschleunigung etwa 0,9 Mal so viel wie die Erdbeschleunigung. Die Erdbeschleunigung ist so groß, warum handelt es sich um Mikrogravitation?

Das Prinzip der Mikrogravitation in der Raumstation,

Quelle: http://www.cmse.gov.cn/xwzx/zhxw/202203/t20220315_49392.html

Dies liegt daran, dass auf die Raumstation während ihrer Erdumlaufbahn eine Zentrifugalkraft einwirkt und die Schwerkraft, der sie ausgesetzt ist, diese Zentrifugalkraft genau ausgleicht. Daher unterliegen alle Gegenstände in der Kabine nicht mehr der Schwerkraft und schweben nach oben.

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Wunderbarer Inhalt über das Tiangong-Klassenzimmer

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