Как ведет себя жидкость в невесомости

В условиях невесомости, в т.ч. при контролируемом свободном падении Международной космической станции по орбите вокруг Земли, вода и другие жидкости ведут себя непривычным для нас образом. Доминирующими для них становятся силы поверхностного натяжения и межмолекулярного взаимодействия.
Это происходит не потому что наступает микрогравитация: земное притяжение на орбите МКС всего на 10% слабее, чем у нас. Просто все тела движутся с одинаковыми ускорениями, не оказывая давления друг на друга или на опору.
Гравитация при этом не исчезает, но ее компенсирует орбитальное движение станции. Она как бы постоянно падает на нашу планету, но ввиду огромной скорости «промахивается». Этим объясняется отсутствие привычного веса и парение тел в пространстве, в т.ч. свободное плавание капель сферической формы.

И на МКС, и при кратковременной невесомости в рамках параболических полетов на летающей лаборатории Ил-76 МДК физические свойства воды и других жидкостей, их движение и поведение заметно меняются. Гравитация уже не маскирует силы поверхностного натяжения и взаимодействия между молекулами. В итоге они выходят на первый план и превращают гидродинамику в поле действия капиллярных явлений.
В невесомости для воды и других жидкостей характерны:

1. Образование водяных шаров идеальной сферической формы. Почему вода в невесомости становится шаром? Потому что сила поверхностного натяжения стремится свести к минимуму площадь поверхности жидкости, а у сферы она минимальная среди всех возможных 3-мерных фигур.
2. Заметное действие адгезии (силы сцепления молекул жидкости с твердыми телами) и когезии (молекулярного притяжения жидких частиц между собой). Благодаря адгезии обеспечивается прилипание жидкостей к гидрофильным поверхностям и растекание по ним тонкой пленкой, а благодаря когезии водяные шары не распадаются.
3. Движение вверх по смачиваемым капиллярам, не ограничиваемое по высоте. Оно происходит до конца трубки и не зависит от ее направления. Поэтому по сужающимся каналам вода способна перекачиваться сама, используя силы смачивания поверхностей. Соответственно, капиллярный насос в условиях свободного падения не нуждается в механической энергии.
4. При кипении – вместо всплывания пузырьков пара под влиянием силы Архимеда, их соединение в огромный пузырь вокруг нагревателя и препятствование нагреву жидкости.
5. При смешивании жидких компонентов разной плотности – отсутствие расслаивания. После механического перемешивания они остаются стабильными эмульсиями.
6. Отсутствие естественной конвекции. Более теплые и менее плотные слои не поднимаются, поэтому процессы тепломассопереноса тоже отличаются от земных.
7. При столкновении – плавное слияние водяных сфер в единый шар, а при ударе – дробление на многочисленные летающие в невесомости капли воды. На МКС их собирают специальными пылесосами, чтобы избежать засорения вентиляции, короткого замыкания приборов или попадания людям в дыхательные пути.

Пролитая жидкость в условиях свободного падения не льется на пол, а превращается в парящие сферы или тонкой пленкой растекается по ближайшей поверхности, например, по стене или коже космонавта. Заварить чай или растворить кофе в стакане, чашке или другой открытой емкости не получится. Для этого используют герметичные пакеты с быстрорастворимыми порошками и запорными клапанами, через которые внутрь под давлением закачивают нагретую до 60–75 °С порцию воды из устройства мгновенного подогрева.
Избежать перегрева приборов помогают насосы, принудительное перемешивание и искусственная вибрация. Для лучшего растворения порошка или сублимированного продукта пакет мнут руками. Пьют напитки через трубочки из тех же герметичных пакетов или специальных чашек-непроливаек, в которых за счет капиллярного эффекта напиток по узкому уголку самостоятельно поднимается к губам космонавта.

В невесомости невозможно принять душ или ванну, помыть голову, умыться или почистить зубы привычным для нас способом. Космонавты довольствуются малым: аккуратно выдавливают на кожу или полотенце воду из герметичных пакетов и делают влажное обтирание. Они пользуются мылом, гелями и шампунями, не требующими смывания, а пасту после чистки зубов глотают или выплевывают в салфетку. В санузлах вместо слива применяются мощные вентиляторы и метод вакуумного всасывания.

Находящееся в баках жидкое топливо растекается по стенкам или превращается в хаотично плавающие шары. Поэтому двигатель рискует получить вместо топлива захваченный насосом газ и остановиться. Чтобы не допустить этого, топливные баки оснащают мембранами, сетками или мягкими диафрагмами для разделения жидкой и газовой сред. Также для осаживания топлива на дно бака и его удержания у заборного клапана используют дополнительные движки.

В космических лабораториях проводят разные научные опыты, в т. ч. выращивают растения. Поливать их из лейки невозможно, а если выдавить на почву воду из герметичного пакета или шприца, она превратится в водяной кокон и перекроет доступ кислорода к корням. Поэтому во время орбитальных экспериментов по выращиванию растений у их корней размещают камеры с поливочными фитилями и пористыми материалами. Они дозированно снабжают корни влагой и воздухом.
Параболический полет на самолете-лаборатории Ил-76 МДК – это отличная возможность познать чувство невесомости и провести интересные космические эксперименты!
Ранее в нашем блоге вышла статья о том, как космонавты передвигаются в космосе.