Научно-исследовательская работа «Чудо природы — снежинки»

1. Чудо природы
   1. Рождение снежинки

Давайте сначала посмотрим, что представляют собой снежинки и как они возникают. Это поможет нам понять почему снежинки имеют такую форму. Снежинки состоят из обычного льда. Но это не замороженные капли дождя и формируются они не из жидкой воды. Снежинки образуются когда водяной пар в воздухе переходит сразу в твердое состояние, не переходя в жидкое. [3, c. 10] Снег - это форма атмосферных осадков, состоящая из мелких кристаллов льда. Относится к обложным осадкам, выпадающим на земную поверхность. [9] Что же такое кристалл?

Кристаллы - это твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерную пространственную укладку, которая называется кристаллической решеткой. [9]

Кристаллы имеют естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре.

Молекула воды состоит из трех частиц - двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому при кристаллизации она может образовать трех или шестиугольную фигуру.

Дальше этот кристалл начинает расти. У него могут начать расти лучи, или у этих лучей начинают появляться отростки, или – наоборот, снежинка начинает расти в толщину.

Как именно в данный момент будет расти снежинка, зависит от текущих условий вокруг снежинки: влажность, температура, давление, форма снежинки. И даже самые минимальные изменения этих параметров могут изменить ход роста снежинки.

Условия постоянно меняются. И получается, что снежинка то растет в ширину, то у нее отрастают лучи. В холодную и сухую погоду снежинки вообще растут в высоту, а не в ширину, и получаются шестиугольные столбики, а не привычные нам разлапистые звезды.

Чтобы понимать какие именно кристаллы растут при определенной температуре и влажности мы обратились к изучению морфологической диаграммы. (Приложение 1)

Пластинчатые кристаллы растут уже при температуре чуть ниже нуля, иглы и столбики образуются, когда температура снижается еще на несколько градусов ниже. Крупные пластинки появляются при температуре около - 15⁰С, а пластинки и столбики меньшего размера формируются в более холодных условиях. На диаграмме хорошо видно, что сложные кристаллы с ответвлениями, которые мы привыкли видеть образуются при высокой влажности. [3, c. 11]

 

 

 

 

 

 

 

 

1. 1. Изучение снежинок

Снежинки, уникальные и неповторимые, во все времена интересовали ученых, и некоторые из них посвятили исследованию ледяных кристаллов всю свою жизнь. Мы узнали о наиболее известных исследователях снежинок разных времен.

Одним из первых ученых, задумавшихся о структуре снега, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630). В 1611 году он опубликовал короткий трактат «Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках», который можно назвать первой научной работой, посвященной снежинкам.

Рене Декарт (1596–1650), французский философ и математик, стал первым, кто подробно описал форму снежинок. Интересно, что в записях Декарта упомянуты даже очень редкие формы ледяных кристаллов, например, увенчанные столбики.

Изобретение микроскопа позволило английскому физику Роберту Гуку (1635–1703) опубликовать в 1665 году работу под названием «Микрография», в которой ученый описал все, что мог исследовать с помощью нового инструмента. В издание вошло множество рисунков снежинок, впервые показавших всю сложность и замысловатость снежных кристаллов.

Одним из первых известных фотографов снежинок стал российский фотохудожник из Рыбинска, Андрей Андреевич Сигсон (1840–1907). Всего ему удалось сделать фотографии около 200 различных форм ледяных кристаллов. Для этого фотограф использовал специальную технологию: снежинки ловились на сетку из шелковинок, затем с помощью микроскопа увеличивались в 15–24 раза. Чтобы хрупкие кристаллы не растаяли во время фотографирования, Сигсон охлаждал руки и дышал через специальную трубку.

Американский фотограф Уилсон Бентли (1865–1931). В 15 лет ему подарили микроскоп, через три года он прикрепил к нему фотоаппарат и 50 лет фотографировал снежинки, делая до 300 снимков за зиму. За всю жизнь он сделал около 5000 снимков снежинок. 2500 из них были опубликованы в 1931 году в книге «Снежные кристаллы». Именно он доказал, что в мире нет ни одной одинаковой снежинки.

Укихиро Накайя (1900–1962), японский физик — первый ученый, который систематизировал знания о ледяных кристаллах. Он не только фотографировал снежинки, но и научился выращивать их в лаборатории. Результатом изысканий ученого стала книга «Снежные кристаллы: природные и искусственные», выпущенная в 1954 году.

Более подробно мы познакомились с исследователем снежинок Кеннетом Либбрехтом.

Кеннет Либбрехт родился в 1958 году в местечке Фарго, штат Северная Дакота. Кеннет Либбрехт - профессор физики Калифорнийского технологического института и всемирно известный специалист по физике и кристаллографии снега и снежинок. Окончил Принстонский университет, где изучал солнечную астрономию и физику Солнца под руководством выдающегося американского астрофизика Роберта Дикке. В 1984 году получил докторскую степень.

Может показаться, что Кеннет в первую очередь является учёным, но это не совсем так. Раньше, начинающий учёный увлечённо изучал астрономию, а сейчас, не менее увлечённо рассматривает в микроскоп кристалла льда, изучая свойства замёрзшего льды и механизмы образования ледяных кристаллов. Как красивое художественное дополнение его серьёзных трудов, Кеннет решил использовать фотографии снежинок, которые вскоре стали использоваться в качестве иллюстраций нескольких популярных книг.

Работы Кеннета Либбрехта пользуются популярностью в США, причём четыре изображения снежинок были выбраны Почтовой службой США в качестве дизайна для новых марок, напечатанных специально к зимним праздникам 2006 года тиражом до 3 млрд. штук.

В 1991 году Кеннет Либбрехт был удостоен Премии Ньютона Лэйси Пирса по астрономии. Это награда Американского астрономического общества, присуждается ежегодно молодым (в возрасте до 36 лет) астрономам за выдающиеся достижения в наблюдательной астрономии.

Ученый признаётся, что любой мало-мальски хороший снегопад – это настоящий подарок пытливому фотографу, потому все эти миллиарды снежинок совершенно не похожи друг на друга, являясь уникальными и неповторимыми. Двух одинаковых снежинок в природе не существует – утверждает Кеннет Либбрехт, а если это так, то значит работой наш учёный, завален под завязку, и его изображения снежинок можно просматривать до бесконечности. (Приложение 2)

1.3 Классификация снежинок

Несмотря на уникальность снежных кристаллов, они все же поддаются классификации. Существует много разных взглядов на способы классификации снежных кристаллов.

Самая простая классификация снежинок разработана в 1951 году Комиссией снега и льда Международной ассоциации научной гидрологии. [10]

рис 1

Согласно этой системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки — призмы; звезды — кристаллы, имеющие древовидную, ветвящуюся структуру; столбики и иглы; неправильные кристаллы. Существует и более развернутая классификация, при которой каждый тип из вышеперечисленных подразделяется на несколько видов, которые в свою очередь делятся на разновидности. Всего отмечается около 80 разновидностей.               

1. Пластинки: Самые простые из снежинок — плоские шестиугольные призмы. Множество ледяных ребер как будто делят лопасти снежинок на сектора.

2. Звезды. Это кристаллы, имеющие древовидную, ветвящуюся структуру. Они имеют шесть симметричных основных веток и множество расположенных в произвольном порядке ответвлений. Их размер - 5 мм и более в диаметре, как правило, они плоские и тонкие - всего 0.1 мм.

3. Столбики. Хотя плоские, пластинчатые снежинки больше притягивают взгляд, тем не менее самой распространенной формой снежных кристаллов является столбик или колонна. Такие полые столбики могут быть шестигранными, в виде карандаша, заостренные на концах в виде конуса.

4. Иглы. Длинные и тонкие кристаллы. Иногда внутри них сохраняются полости, а иногда концы расщепляются на несколько веточек.             

5. Пространственные дендриты. Объемные снежинки, образуются при срастании нескольких кристаллов. Очень интересные конфигурации получаются, когда плоские или столбчатые кристаллики срастаются или спрессовываются, образуя объемные структуры, где каждая веточка расположена в своей плоскости.

6. Увенчанные столбики. Изначально такие кристаллы имеют столбчатую форму, но в результате некоторых процессов меняют направление роста, превращаясь в пластинки. Такое может произойти, если, кристалл заносит ветром в зону с другой температурой. Образуются в случае, если столбики попадают в иные условия, и кристаллы меняют направление роста.

7. Неправильные кристаллы. Самый распространенный тип. Образуется при повреждении снежинки. На долю снежинки может выпасть немало приключений, она может попасть в зону турбулентности и потерять в ней некоторые из своих веточек или разломаться совсем. Обычно таких «покалеченных» снежинок много в сыром снеге, т.е. при относительно высокой температуре, особенно при сильном ветре.

 

2. Снежинки своими руками

Снежинки своими руками — это самый доступный и простой декор на Новый год для дома или школы. Сделать их можно из самой обычной бумаги, вырезав из обычного листа бумаги. Также можно сделать красивую снежинку большой и объемной из бумажного листа квадратной формы.

Очень кропотливая работа ожидает тех, кто займется изготовлением снежинок из тонких полос бумаги. Такая техника называется «квиллинг», что в переводе означает – бумагокручение, изготовление плоских или объёмных композиций из скрученных в спиральки длинных и узких полосок бумаги.

Нас очень заинтересовало изготовление объемных снежинок из бумажных модулей – снежинки из офисных стикеров. Все очень просто: особым образом складываем стикеры, а затем собираем из них ажурные снежинки, многогранные звезды, великолепные зимние кристаллы. Снежинки из бумаги делают многие, но никогда еще это не было так оригинально и просто!

Очень красивые получаются снежинки, связанные из ниток или из бисера.

Во время оформления класса мы вырезали снежинки из бумаги. Снежинки были и плоские, и объемные и даже, связанные крючком. Затем мы попробовали складывать снежинки в технике оригами (складывание бумаги). Огромный интерес вызвало вязание снежинок крючком из ниток. Заинтересовали нас и снежинки, сделанные из бисера. Предлагаем вам фото того что у нас получилось (Приложение 3).

 

 

 

 

 

1. 1. Бумажные снежинки

Плоские снежинки - вырезалки

Самый простой способ изготовления снежинки – это вырезание. Но для того, чтобы снежинки имела шесть лучей, нужно правильно сложить лист бумаги. Мы научим вас очень просто складывать бумагу несколькими способами, для того чтобы вырезать снежинки правильной формы.

Наложение на шаблон.

Шаблон заготавливается при помощи циркуля заранее и используется

многократно. Но это неудобно, потому что процесс вырезания снежинок превращается из увлекательного занятия в ответственную работу, к которой сначала нужно подготовиться.

Складывание «на глаз».

Это на первый взгляд самый простой способ, но сложность заключается в том, что необходимо точно разделить прямоугольник на 3 части, что не всегда удается с первого раза, бумага мнется, и снежинка получается не очень аккуратная.

Складывание по точкам.

На наш взгляд это самый простой и понятный способ складывания бумаги,

для того чтобы снежинка получилась с шестью лучами.

 

Итак – мы научились складывать бумагу так, чтобы снежинка получилось шестиконечной, осталось только придумать эскиз и вперед, вас ждет увлекательнейшее занятие в холодные зимние вечера. Осмелимся дать несколько советов:

Гораздо проще работать с острыми ножницами.

Можно легонько нарисовать линии эскиза будущей снежинки, чтобы было легче резать по ним.

Четко выполняйте сгибы, от этого зависит форма снежинки.

Всегда оставляйте, по крайней мере, по 1 см с каждого края неразрезанными. В ином случае снежинка будет слишком хрупкой, чтобы ее можно было повесить.

Для мелких вырезов можно использовать нож для бумаги. Обязательно подкладывайте что-нибудь снизу, чтобы защитить рабочую поверхность.

Оригинальная схема снежинки — это здорово, но попробуйте прислушаться к своей фантазии, и ваша снежинка станет настоящим шедевром.

Что сделает ваши снежинки неповторимыми?

1. Бумага необычной фактуры. Попробуйте вырезать снежинки из бумаги с бархатным напылением, или из страниц старой книги, а если очень постараться можно попробовать сделать украшения из тонкой и изящной фольги.

2. Замените бумагу другим материалом. Подойдет кожа, фетр или другая плотная ткань. Тканевые снежинки можно использовать для украшения праздничного стола, декора елки, изготовления новогодних гирлянд.

И вот, нарезав достаточное количество снежинок можно приступать к украшению помещения. Чаще всего мы привыкли видеть бумажные снежинки на окнах, но их можно использовать с большим размахом.

1. Украсьте двери. Можно разместить снежинки симметрично или создать небольшой снежный буран, не заботясь о правильности расположения декоров.

2. Соберите из снежинок модули и прикрепите из к потолку. Новогоднее настроение обеспечено!

3. Украсьте снежинками елку. Такой елки не будет больше ни у кого!

4. Украсьте разноцветными снежинками подарки.

Снежинки из модулей

Модульное оригами доступно всем, с помощью этой техники можно создавать разнообразные поделки, в том числе и новогодние. Очень оригинально смотрятся снежинки, выполненные из отдельных модулей. (Приложение 4)

Особенно нас заинтересовала книга Просняковой Т. Н. «Снежинки из офисных стикеров». Стикеры – это листочки для записей, которые мы очень часто используем, но и не подозревали, что из них можно сделать очень много разных красивых поделок.

Татьяна Проснякова – автор сайта «Страна Мастеров», автор книги по оригами. Рассматривая иллюстрации в книге, мы быстро поняли технику работы. Все очень просто: складываем из квадратных листочков однотипные заготовки – модули, а потом собираем из них ажурные снежинки. Автор каждой своей снежинке дала очень красивые имена: «Северное сияние», «Ледяной кристалл», «Полярная звезда», «Перо снежной птицы». Эту книгу мы представили на стеллаже.

Приложение Приложение 1



















Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5