把气球送上太空

当你到达那里时,有人能听到你的尖叫吗?
2019年7月9日

EARTH-FROM-SPACE-BALLOON.jpg

从“裸体科学家”太空气球上俯瞰英国布里斯托尔海峡金宝搏app最新下载

分享

5、4、3、2、1……是的!我们升空了!

这不是我平常度过的周六早晨。但今年的6月29日有所不同:在一群安静、反刍的奶牛的注视下,我们刚刚将一个巨大的氦气球和它的有效载荷送入太空边缘。

团队开始给氦气球充气,氦气球将把尖叫声带到太空的边缘

我们花了几个月计划这一切。这一切都始于布鲁内尔大学新闻处的蒂姆·皮尔格里姆的一封电子邮件。据报道,他们的毕业生之一奥马尔·盖德计划将一个氦气球发射到距离地球10万英尺(30公里)以上的太空边缘。但是,奥马尔想知道,除了在高空拍照,裸体科学家是否愿意加入进来,并建议一些我们可以在高空进行的实验?金宝搏app最新下载

由裸体科学家制造的设备,用于播放和记录太空中金宝搏app最新下载的尖叫声

我们是一个广播节目和播客,所以为了让它对我们有用,它必须有一些声音或声学元素,最好是让观众也参与进来。一两个电话之后,我们想出了一个计划来验证“在太空中,没有人能听到你尖叫”的说法。《异形》时代的老影迷会认出雷德利·斯科特(Ridley Scott)这部大片刚上映时用来宣传的那句著名的绑带标语。但这种说法背后的物理原理是什么,它是真的吗?此外,有人真的对这一点进行过科学测试吗?我们不这么认为,即使他们有,可重复性是科学界的新流行语!

为了正确地做到这一点,我们需要开发一个系统,可以机械地隔离扬声器和麦克风。如果我们只是把两者都塞进一个盒子里,扬声器本体的振动就会通过盒子材料传到麦克风上,就像声音上的短路一样。我知道当地的物理和工程演示大师Dave Ansell喜欢这样的挑战,所以我给他打了电话。他想出了一个聪明的解决方案:用木榫在两端用电缆扎起来,用弹簧和松紧带把扬声器和麦克风悬挂在顶点,形成一个金字塔结构。为了使麦克风更潮湿,这样通过框架的外部振动就不会移动麦克风,他把麦克风嵌入了一块沉重的黄铜中。

一种机械隔离的扬声器和麦克风,使尖叫声能在近太空中被记录下来

诚然,设备的第一次迭代并不完美,但这就是测试的目的。我们花8英镑从网上买的麦克风自己发出的噪音比它从环境中接收到的噪音还要大,所以这是不可能的。值得庆幸的是,一款售价80英镑的更贵的型号表现得更好,我们最终把它送上了太空。

下一个需要解决的挑战是如何在上升过程中以标准化的方式播放和录制音频,同时记录海拔高度、气压和温度等其他参数。奥马尔同意为我们安装在戴夫音响设备边上的树莓派编写代码。我们邀请听众发送他们想在太空播放的尖叫声。我们的目的是挑选最好的,并将它们混合成一个声音文件,其中包含从非常安静到非常大声的声音级别范围内播放的每个尖叫。

在气球的飞行过程中,每隔5分钟,电脑就会播放并记录下这些尖叫;我们会同时记录海拔和气压。在一定范围的音量水平下录音意味着我们可以确保至少一组录音将处于适当的水平,以补偿我们设备中的任何背景噪音或灵敏度过高或过低。

在建造阶段的一个主要问题是我们的设备能否在这次旅行中幸存下来。树莓派能承受低至4毫巴的压力(不到海平面气压的1%)和可能降至零度的温度吗?奥马尔之前进入近太空的尝试表明,盒子里的温度应该保持在8摄氏度以上,所以这不是一个问题。但为了检验我们的设备——尤其是扬声器、麦克风和电脑——是否能适应接近真空的环境,我们把它们放在戴夫·安塞尔花园的一个真空室里。我们可以播放和记录尖叫声,设备也完好无损,这表明它应该可以在真实环境中工作。

同时,我们也与剑桥大学Rod Jones领导的大气化学团队取得了联系。罗德的团队率先开发了微型电池供电传感器,能够探测一系列大气气体。他们同意提供一台他们的设备,使我们能够监测二氧化碳、氮氧化物和臭氧。要做到这一点很简单——我们在聚苯乙烯盒子的底部钻了一个洞,用来容纳我们的实验,把罗德的传感器粘在上面!

发射这种气球需要获得民航局(CAA)的许可;我们得到了一个星期的窗口,这是幸运的,因为之前几天的天气非常糟糕。我们选择了6月29日,因为那天是周末,对每个人来说都是最合适的,给了我们最长的时间来解决任何问题,那天是奥马尔的生日,也是我们向更广泛的媒体推广项目的最好机会。

在这方面,一旦我们开始讨论,兴趣就开始迅速增长。每个人都听说过在太空中尖叫不会被听到的说法,但我们实际上想要科学地处理这个问题,同时又能玩得开心,这真的引起了人们的共鸣。英国广播公司(BBC)和其他电台的几位主持人提交了尖叫和喊叫声,要求我们把它们送上太空,其中包括英国广播公司(BBC) 5台直播的托尼·利弗西(Tony Livesey)。他对自己宠物狗的称呼方式的演绎激发了一大批动物主人提交自己的作品。然而,最突出的赢家是来自开普敦的一位女士,她提交了自己尖叫着让孩子们打扫卧室的声音!你可以通过点击播放来听到“混音”。

随后氦气球在巴斯附近起飞后返回100英里外的伯明翰附近有了这些杂音,奥马尔把它们装进了电脑,我们决定在6月29日星期六午饭后发射。但由于当时盛行的风向是东方,发射地点在英格兰西部的布里斯托尔附近,距离剑桥有近200英里的路程。从这个位置起飞,气球会上升,达到大约33公里的最高高度,砰的一声,然后有效载荷通过降落伞在3到4个小时的时间内返回地球。希望这也能让我们有时间到达气球降落的地点,100多英里外,伯明翰附近。

发射当天天气预报很好;事实上,天气本来是超级热的:超过30度,这使得开车去巴斯附近M4高速公路附近的偏远农民的田地相对不舒服。但在奶牛群中等待我们的是奥马尔、他的兄弟阿德汉姆、布鲁内尔公司的工程师兼热气球老兵康斯坦丁诺斯·巴尼萨斯和蒂姆·皮尔格林。

太空气球有效载荷装置,用于记录太空中的尖叫声以及温度、压力、大气气体成分和位置高温除了会烤坏气球团队成员,还会给气球发射带来问题,因为温暖的空气会限制气球的上升速度和最终最大高度。然而,晴朗的蓝天保证了我们在飞行过程中拍摄令人惊叹的航拍照片的可能性。为了充分利用这个机会,我们在聚苯乙烯盒子的侧面切了两个手机大小的凹槽,并在每个凹槽上钻了一个相机镜头大小的洞。两台设置为连续视频模式的手机被固定在位置上。

我们还一个接一个地把我们组装的各种组件粘起来并打开:尖叫系统,剑桥大气监测系统,记录温度和压力的系统,以及遥测系统。后一个齿轮将向我们传回持续的数据流记录位置,高度和有效载荷周围的环境条件。

下一步是给气球充气。在田野的中央有一个巨大的氦气筒;为了防止气球接触到任何尖锐的物体,气球被放在一块地布上,并戴上手套来保护气球,各种团队成员帮助确保没有任何东西过早起飞。气球完全充气,直径超过一米,能产生大约4.5公斤的升力,所以挂在上面是相当困难的。所以我们把这份工作给了裸体科学家实习生马修·霍尔。幸运的是,他活了下来,我们成功地用一系列的扎带和胶带封住了他的脖子。然后,它们被连接在一条与降落伞相连的绳子上,一旦气球在最高高度爆炸,降落伞就会展开并控制气球的下降,在那之后是我们的聚苯乙烯盒子有效载荷。

SPACE-BALLOON-MATT-AMELIA.jpg

阿米莉亚和马修的任务是抓住充气的气球,直到我们准备好发射

万事俱备后,我们退后一步,开始倒数;释放后,气球迅速上升,几分钟内就小得看不见了。为了避开奶牛,以及它们在我们周围的地面上留下的东西,我们收拾了行李。但是如何处理剩下的氦呢?问一群拿着麦克风的科学家一个多么愚蠢的问题……

但现在真正的工作开始了,因为我们必须在全国范围内追踪气球,因为它被盛行风推向东北。装备了一个巨大的天线,就像电视天线一样,这让奥马尔看起来有点像坐在车里的幽灵克星,但好消息是遥测数据,气压和温度读数都安全地传送给了我们。

Tempin BR06美元美元,总统:1014.73:20.50,Tempout: 19.75,纬度:51.532860,长:-0.469187,Alt: 36.70,时间:29-6-19_7.36.35
Tempin BR06美元美元,总统:1014.64:22.50,Tempout: 19.94,纬度:51.532845,长:-0.469212,Alt: 28.60,时间:29-6-19_7.43.24
Tempin BR06美元美元,总统:1014.61:23.70,Tempout: 20.25,纬度:51.532837,长:-0.469210,Alt: 30.60,时间:29-6-19_7.50.12
Tempin BR06美元美元,总统:1014.23:24.20,Tempout: 20.38,纬度:51.532822,长:-0.469233,Alt: 31.40,时间:29-6-19_7.57.1
Tempin BR06美元美元,总统:1014.46:25.80,Tempout: 20.94,纬度:51.532822,长:-0.469300,Alt: 17.40,时间:29-6-19_8.3.50
Tempin BR06美元美元,总统:995.84:33.40,Tempout: 30.81,纬度:51.505119,长:-2.334792,Alt: 145.97,时间:29-6-19_11.49.23
Tempin BR06美元美元,总统:996.19:36.40,Tempout: 33.06,纬度:51.505112,长:-2.334828,Alt: 181.60,时间:29-6-19_11.56.32
Tempin BR06美元美元,总统:996.15:39.50,Tempout: 31.63,纬度:51.505119,长:-2.334797,Alt: 170.50,时间:29-6-19_12.3.21
Tempin BR06美元美元,总统:996.16:41.70,Tempout: 30.63,纬度:51.505119,长:-2.334785,Alt: 168.80,时间:29-6-19_12.10.10
Tempin BR06美元美元,总统:868.28:41.90,Tempout: 23.63,纬度:51.527100,长:-2.345375,Alt: 1283.60,时间:29-6-19_12.16.59
Tempin BR06美元美元,总统:680.01:40.80,Tempout: 13.56,纬度:51.596493,长:-2.322647,Alt: 3239.87,时间:29-6-19_12.23.52
Tempin BR06美元美元,总统:528.99:37.90,Tempout: -3.06,纬度:51.665291,长:-2.302567,Alt: 5471.50,时间:29-6-19_12.30.43
Tempin BR06美元美元,总统:416.79:33.30,Tempout: -16.88,纬度:51.730625,长:-2.266993,Alt: 7275.70,时间:29-6-19_12.37.38
Tempin BR06美元美元,总统:336.53:28.50,Tempout: -26.06,纬度:51.815884,长:-2.209712,Alt: 8513.50,时间:29-6-19_12.44.35
Tempin BR06美元美元,总统:266.05:23.50,Tempout: -37.13,纬度:51.895947,长:-2.150958,Alt: 9984.60,时间:29-6-19_12.51.32
Tempin BR06美元美元,总统:206.26:18.40,Tempout: -48.00,纬度:51.987003,长:-2.087848,Alt: 11955.10,时间:29-6-19_12.58.33
Tempin BR06美元美元,总统:161.93:13.60,Tempout: -48.81,纬度:52.067593,长:-2.023040,Alt: 13367.70,时间:29-6-19_13.5.34
Tempin BR06美元美元,总统:127.26:9.90,Tempout: -46.63,纬度:52.127254,长:-1.966197,Alt: 14660.40,时间:29-6-19_13.12.35
Tempin BR06美元美元,总统:99.06:6.90,Tempout: -45.06,纬度:52.169254,长:-1.922502,Alt: 15949.60,时间:29-6-19_13.19.32
Tempin BR06美元美元,总统:77.15:4.90,Tempout: -46.63,纬度:52.195061,长:-1.921757,Alt: 17188.10,时间:29-6-19_13.26.25
Tempin BR06美元美元,总统:60.37:3.60,Tempout: -42.44,纬度:52.207714,长:-1.913635,Alt: 19924.10,时间:29-6-19_13.33.18
Tempin BR06美元美元,总统:45.96:2.90,Tempout: -38.44,纬度:52.213337,长:-1.936422,Alt: 21132.80,时间:29-6-19_13.40.31
Tempin BR06美元美元,总统:35.24:2.60,Tempout: -36.19,纬度:52.217709,长:-1.973593,Alt: 22362.90,时间:29-6-19_13.47.24
Tempin BR06美元美元,总统:27.09:2.80,Tempout: -32.25,纬度:52.221607,长:-2.034685,Alt: 25483.40,时间:29-6-19_13.54.16
Tempin BR06美元美元,总统:20.79:3.40,Tempout: -21.75,纬度:52.225048,长:-2.103702,Alt: 26862.30,时间:29-6-19_14.1.10
Tempin BR06美元美元,总统:16.10:4.80,Tempout: -17.50,纬度:52.240520,长:-2.182266,Alt: 28302.70,时间:29-6-19_14.8.3
Tempin BR06美元美元,总统:12.85:5.70,Tempout: -13.75,纬度:52.249699,长:-2.265557,Alt: 30854.90,时间:29-6-19_14.14.56
Tempin BR06美元美元,总统:10.52:6.30,Tempout: -6.13,纬度:52.255486,长:-2.342422,Alt: 32133.00,时间:29-6-19_14.21.44
Tempin BR06美元美元,总统:10.32:6.20,Tempout: -6.02,纬度:52.255486,长:-2.342422,Alt: 33417.30,时间:29-6-19_14.25.33
Tempin BR06美元美元,总统:45.78:6.10,Tempout: -45.94,纬度:52.259018,长:-2.415720,Alt: 24921.60,时间:29-6-19_14.28.36
Tempin BR06美元美元,总统:153.66:-2.20,Tempout: -53.38,纬度:52.289982,长:-2.393022,Alt: 16672.90,时间:29-6-19_14.35.32

气球到达了我们计划的最终高度——大约33公里。在这一点上,较低的环境气压(小于10mBar)导致气球伸展到这样一个程度,它爆炸,触发有效载荷下降的速度由降落伞检查。但我们从那里拍摄的图像和视频令人惊叹。

现在我们在太空的边缘,33千米的高空,气球就要爆炸了……

然后,当我们迫降在离伯明翰不远的一块空地上时……

再次找到气球和有效载荷有点棘手,因为当它着陆时,遥测天线自己埋在地下,所以我们无法追踪信号。幸运的是,盒子里的一部手机上运行着“寻找我的手机”应用程序,这使我们能够追踪到它降落的地方,我们所有的实验都完好无损!

CARBON-DIOXIDE-GRAPH.PNG

这是我们向太空边缘上升时探测到的大气二氧化碳剖面

我们把大气传感器丢回剑桥化学系,罗德·琼斯的团队为我们解码了数据,并绘制了这张图,x轴是二氧化碳浓度,y轴是海拔(千米)。我们必须注意,这是未经校准的数据,但图表下端的倾斜表明存在CO2低空的羽流。我们怀疑这可能是布里斯托尔和M4,这只是在我们的逆风发射!

那我们录下来的声音呢?我们预计,随着海拔的升高和气压的下降,虽然每次都以相同的音量播放,但麦克风拾取的声音应该逐渐变得更安静,甚至可能完全看不见。这是因为声音是一种压缩波:当它移动时,扬声器向一个方向加速空气分子。这些“大炮”进入相邻的分子,推动它们前进;它们依次撞击相邻的分子,以此类推,声能在空间中传播。当这些空气分子撞到麦克风时,它们将动量传递给麦克风,施加一个力。这种力的大小与声音的大小成正比。因此,随着压力的下降,空气分子的数量减少,将动量传递给麦克风的分子就会减少,所以施加的力就会降低。这意味着麦克风移动更少,检测到更安静的声音。

这正是我们检测到的。

这是一个接近地面的记录,那里的气压大约是1个大气压:

这是同样的声音,用同样的音量在扬声器上播放,但在33公里的地方,那里的气压不到海平面的1%:

所以我们的预测是,如果我们继续上升到一个空气更加稀薄的地方,最终我们会到达一个点,在那里,只有很少的空气分子被扬声器移动,然后对麦克风施加一个力,声音就听不见了。

因此,我们可以得出这样的结论:在太空中,你很可能会尖叫(至少在短时间内),但没有人能听到你的声音!

感谢让这次活动变得如此有趣和难忘的团队,包括Omar Gad、Dave Ansell、Tim Pilgrim、Phil Sansom、Konstantinos Banitsas、Matthew Hall、Amelia Smith和Rod Jones在剑桥的团队。现在我们需要为下次做一个实验!

SPACE-BALLOON-BOX.jpg

有效载荷悬挂在氦气球下面,包括摄像机、压力、温度和遥测传感器,以及我们的尖叫测试系统。

评论

谢谢!

嗨,团队

只是想知道是否有一种方法可以让学生在数据科学课上获得原始数据?

你在找什么数据,凯文?

有用的,
谢谢你!

添加注释