Скачать 171.33 Kb.
|
ГБОУ города Москвы Гимназия №1505 «Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория» Реферат по физике Космический лифт в произведении Артура Кларка «Фонтаны Рая» Автор: ученика 9 класса «А» Харламова Даниила Руководитель: Ветюков Д.А. Москва 2013 Содержание Введение.............................................................................................................................................3 §1.Описание космического лифта по Кларку..............................................................................4-5 §2.Технический анализ современных материалов.........................................................................6 §3.Описание современных проектов…………………………………………...............................7 Заключение.........................................................................................................................................8 Список литературы............................................................................................................................9 Приложение.................................................................................................................................10-14 Введение Фонтаны рая (The Fountains of Paradise) – научно-фантастический роман Артура Кларка (1978 г.), посвященный идее строительства космического лифта. Действия происходят в XXII веке на несуществующем острове Тапробан, который, как указывает автор в предисловии, на 90% соответствует острову Цейлон (Шри-Ланка). В географию острова автор внес 3 существенных изменения:
Актуальность. Космический лифт не совсем понятное словосочетание, казалось бы, относящееся исключительно к разряду фантастики, но, как известно, не редко фантасты предсказывали появление изобретений не своего века, а гораздо более поздние. В таком случае космический лифт можно рассматривать, как еще не воплощенную, но имеющею возможность стать таковой технологию. В романе А. Кларка «Фонтаны Рая» устройство космического лифта описано очень подробно, с техническими характеристиками и вероятными проблемами. Опираясь на данный роман, а также современные знания человека в области физики и технологии, можно предположить, возможно ли создание такого сооружения. Цель исследования: Изучение реалистичности создания космического лифта. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:
Структура работы. Реферат состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. В первом параграфе описываются технические характеристики космического лифта и материала используемого при постройке по А. Кларку. Во втором параграфе описываются современные материалы, которые могут быть использованы для строительства лифта. В третьем параграфе описываются современные проекты космического лифта. Основная часть §1. Технические характеристики лифта по Кларку В первой главе я расскажу о технических характеристиках лифта и используемого при его постройке материала на основании текста произведения А. Кларка «Фонтаны Рая». Начнем с технических характеристик материала используемого для построения троса космического лифта: «…Но вы не видите нить потому, что ее толщина не превышает нескольких микрон. Она тоньше самой тонкой паутинки. –Невероятно! –Это результат двухсотлетнего развития физики твердого тела – псевдоодномерный алмазный кристалл. Правда, это не абсолютно чистый углерод, тут есть дозированные микровключения некоторых элементов. Массовое производство таких нитей возможно лишь на орбитальных промышленных комплексах, где нет тяжести, мешающей росту кристалла.<…> Она с легкостью поднимает двухсоткилограммовый груз»1. Из данного отрывка следует, что используемый материал состоит в основном из углеродных соединений и имеет предельную прочность растяжения в несколько десятков раз больше предельной прочности стали. Данный материал по описанию похож на существующие на данный момент одностенные углеродные нанотрубки, имеющие предельную прочность растяжения примерно 39 ГПа1 при предельной прочности растяжения самых крепких сортов стали примерно 1,5 Гпа. Подробнее на сравнении псевдоодномерного алмазного кристалла и углеродных нанотрубок я остановлюсь во второй главе. Технические характеристики лифта: «…Вы должны строить одновременно вверх и вниз, чтобы центр тяжести сооружения оставался в стационарной точке. Если удержать равновесие не удастся, сооружение изменит свою орбиту и начнет медленно перемещаться вдоль экватора.<…> Общая высота башни должна составлять не менее сорока тысяч километров, причем наиболее опасна нижняя сотня километров, проходящая в плотных слоях атмосферы. Здесь следует бояться ураганов. Башня не будет устойчивой, пока ее надежно не прикрепят к земле»2. 1 А. Кларк «Фонтаны Рая» М.: Журнал «Техника молодежи» 1980 с. 19-20 2 Там же с. 25 «Теперь мы проектируем пустую прямоугольную башню с рельсами вдоль каждой грани. Представьте себе четыре вертикальных железнодорожных пути. На орбите каждый такой путь будет шириной в сорок метров, постепенно, к Земле, он сузится до двадцати.<…> Еще у нас есть башня, идущая вверх, от синхронной орбиты к противовесу, который держит всю систему. А ниже синхронной орбиты, на высоте двадцати пяти тысяч километров, разместится станция «Центральная» – транзитный пункт, мощная электростанция и центр управления»3. «Поперечное сечение башни в обоих противоположных направлениях постепенно уменьшалось»4. «Конечная станция «Верх», где пассажиров и грузы примут состыкованные с башней космические корабли, сама по себе очень непростое сооружение. То же самое относится к станциям «Центральная» и «Земля», которую сейчас выжигают лазерами в сердце священной горы»5. Из этого следует, что лифт состоит из 7 основных частей: станция «Земля», находящаяся на поверхности Земли и закрепляющая нижний конец ленты, станция «Центр» находящаяся на высоте 20-25 тыс. км, на которой расположена мощная электростанция, обеспечивающая энергией центр управления лифтом, центр управления и транзитный пункт, станция «Верх», расположенная на геостационарной орбите Земли (36 тыс. км), являющаяся космическом портом, от куда доставленные грузы и пассажиров забирают космические аппараты с ракетными двигателями, противовес, находящийся на высоте около 40 тыс. км, лента из «псевдоодномерного алмазного кристалла», по которой передвигаются «кабины» лифта. Лифт имеет 4 направляющие для движения по одной на каждой грани, которые имеют максимальную ширину у станции «Верх» и сужающиеся к Земле и противовесу. Станция «Земля» находится не на поверхности «Земли», а внутри горы. Со схемой космического лифта, описанного Кларком, можно ознакомиться в приложении. 3 Там же с. 67 4 Там же с. 80 5 Там же с. 81 §2 Во второй главе я бы хотел подробнее рассмотреть материал троса. В книге он описывается, как «псевдоодномерный алмазный кристалл». Чтобы лучше разобраться в описании Кларка, я решил проанализировать современные материалы, с точки зрения возможности их использования в строительстве данного сооружения. Основным критерием в данном случае является максимальная высота троса, при которой он будет выдерживать свой вес. Чтобы рассчитать максимальную высоту троса из какого-либо материала надо рассчитать силу, с которой он будет давить сам на себя. Это можно сделать по формуле , где F – вес троса, g – ускорение свободного падения, – плотность материала, h – высота троса, а S – площадь сечения троса. Таким образом, формула для расчета максимальной высоты выглядит так: . При этом – табличная величина, которая называется пределом прочности, а обозначается . Тогда формулу можно записать так: . Также при проведении расчетов следует учитывать изменение ускорения свободного падения, при изменении высоты. Рассмотрим в качестве примера сталь, являвшуюся до недавнего времени одним самых прочных материалов, который можно было бы использовать для создания троса космического лифта, и углеродные нанотрубки, открытые совсем недавно и имеющие прочность значительно выше, чем у известных до этого материалов. 2.1 Сначала рассмотрим как возможный материал сталь. Самые крепкие сорта стали имеют максимальную прочность при растяжении 1,5 ГПа. Я рассчитал максимальную высоту троса, который будет выдерживать свой вес, с помощью программы Microsoft Excel 2010 (с таблицами можно ознакомиться в приложении). материала, – ускорение свободного падения, а – плотность. Согласно данным расчетам максимальная высота троса из стали составляет примерно 19,355 км, что существенно меньше необходимой высоты в 40000 км. 2.2 Теперь рассмотрим углеродные нанотрубки, предельная прочность которых составляет примерно 39 ГПа. Исходя из расчетов максимальная высота троса из углеродных нанотрубок существенно выше 40000 км, что делает их использование возможным. §3 В третьей главе я бы хотел рассказать о существующих на данный момент проектах по созданию таких построек, как космический лифт и сравнить их с описанием Кларка. Наиболее известным является проект японской компании Obayashi Corp., также существует конкурс, организованный NASA, по созданию тросов для космического лифта и решению некоторых других проблем. 3.1 Obayashi Corp. сообщают о возможности возведения космического лифта до 2050 года. По предварительному проекту лифт будет иметь общую высоту около 96 тыс. км. На высоте 36 тыс. км будет находиться промежуточная станция, куда будет открыт доступ для туристов, ученые же смогут подняться на полную высоту лифта. Гондола лифта будет перевозить до 30 человек за один раз, а скорость её движения будет составлять порядка 200 км/ч. На данный момент ими решена проблема подзарядки гондол лифта: для этой цели Obayashi Corp. Собираются использовать солнечные батареи. Проблема получения достаточно длинных, и при этом сохраняющих прочность, нанотрубок остается самой серьезной. Таким образом, данный проект является наиболее далеко продвинувшимся и схожим с описанием Кларка, но имеет существенные различия с лифтом, описанным в романе. Во-первых, высота лифта увеличена практически вдвое в сравнение с 40 тыс. км, описанными Кларком. Во-вторых, скорость гондолы составляет 200 км/ч, по описанию же Кларка данный показатель даже у технических временных гондол составлял 500 км/ч, а у «капсул» для пассажиров – 5000 км/ч. Также Кларк описывает максимальное количество пассажиров в 50 человек против 30 у Obayashi Corp. 3.2 Из-за крайне высокой стоимости ракетного вывода грузов на орбиту, NASA всерьез заинтересовалась постройкой космического лифта. На данный момент NASA проводит конкурс на самый прочный и длинный трос из углеродных нанотрубок и на самый эффективный способ удаленной подзарядки роботов, используемых для движения по тросу. Заключение В этой работе мы рассмотрели модель космического лифта, описанную А. Кларком, а также некоторые современные проекты, и провели анализ его реалистичности с точки зрения современной физики. Идея космического лифта принадлежит не Кларку, о чем он сам говорит в начале своего произведения, но именно «Фонтаны Рая» сделали ее известной. Фантасты нередко «угадывали» пути развития техники в будущем. Не смотря на то, что в произведении Кларка действие происходит в XXII веке, уже сейчас существуют проекты по созданию подобных сооружений. Исходя из приведенных выше расчетов, можно утверждать, что строительство космического лифта стало теоритически возможным в последние годы. Список литературы
Приложение
|
Реферат по физике Космический лифт в произведении Артура Кларка «Фонтаны Рая» Артура Кларка (1978 г.), посвященный идее строительства космического лифта. Действия происходят в XXII веке на несуществующем острове... | Реферат по физике Космический лифт в произведении Артура Кларка «Фонтаны Рая» Артура Кларка (1979 г.), посвященный идее строительства космического лифта. Действия происходят в XXII веке на несуществующем острове... | ||
Гранты стипендиальной программы "Лифт в будущее" Благотворительный фонд "Система" объявил о приеме заявок на участие в очередном стипендиальном конкурсе "Лифт в будущее" | Конкурс стипендий программы "Лифт в будущее" Благотворительный фонд «Система» объявляет новый тур стипендиальной программы «Лифт в будущее» на первый семестр 2013-2014 учебного... | ||
Реферат Многоразовый транспортный космический корабль “Буран” Целью моей работы является сравнение двух мткк: Энергия-Буран и Спейс Шаттл. Для этого в первой главе я пытался разобраться, как... | Реферат в работе проведен сравнительный анализ школьной программы... Создание программы профильного уровня по физике (раздел «Электричество») с использованием современных информационных технологий при... | ||
Реферат по истории на тему «Новейшие военные технологии в ходе обороны Порт-Артура» Александр показал лучшие в Ленинградской области знания по истории и искусству, а также стал призером олимпиады по географии. Он... | Реферат по Геометрии На тему: «Пирамида неопознанный многогранник» М, а над этой плоскостью взята некоторая точка А. Рассмотрим отрезок, одним концом которого является некоторая точка фигуры М, а... | ||
Реферат по физике на тему: «Естественная и искусственная радиоактивность» Сам же реферат я представляю как текст, не сильно выходящий за рамки школьного курса и наиболее понятно, на мой взгляд, объясняющий... | Оборона Порт – Артура продолжалась 157 дней и завершилась А в. И. Ленин и Л. Мартов б п. Б. Струве и П. М. Милюков в в. М. Чернов и Б. В. Савинков | ||
Экзаменационный реферат (штудия) по русской литературе Что-то в этом произведении будет совершенно – своим величием, бездарностью, правдоподобностью. Своим ужасным смыслом, наконец. И... | Сборник задач по физике, А. П. Рымкевич, П. А. Рымкевич. 1983 Для учащихся Рабочая программа составлена на основе сборника нормативных документов по Физике «Приметные программы по физике», Москва, Просвещение,... | ||
Реферат по физике на тему: «Реактивное движение» Заключение стр. 8 | Аннотация к рабочей программе по физике Рабочая программа по физике для 10-11 классов составлена на основе Федерального государственного стандарта среднего общего образования,... | ||
Знания об ударной волне. Данный реферат написан в научно-публицистическом... Реферат может служить, как дополнительное пособие для учащихся. Его целью является расширение знаний школьного курса по изучению... | Реферат Разработаны научно-образовательные материалы для проведения... Создание ним и ном для проведения тестовых занятий по физике (раздел «Электричество») для учащихся специализированных классов средних... |