Физика в картинках

2021-04-22 21:40:04 Совершенно гениальную загадку как-то раз загадал на уроке мой учитель физики, Вадим Леонидович Манакин.

Суть загадки следующая.

Известно, что магнитное поле порождается движением заряженных частиц. То есть, если мы расположим параллельно два проводника с током, текущим в одном направлении, то они будут притягиваться друг к другу потому, что электроны в этих проводниках движутся (электрический ток и есть направленное движение электронов).

Но что мы увидим, если станем двигаться параллельно проводам с той же скоростью, что и эти электроны? Ведь получится, что в нашей системе отсчёта электроны больше не двигаются, и по идее магнитное взаимодействие между ними должно пропасть! Перестанут ли притягиваться провода? Изменится ли сила их притяжения друг к другу?

Бросайте варианты ответа в комментарии. А завтра я расскажу вам как оно на самом деле. Открыть/Комментировать

2021-04-22 20:40:02 ​#Как_это_устроено: «неоновые» лампы

В прошлый раз мы рассказывали о том, как устроена лампочка накаливания. Теперь же поговорим об устройстве аналогичного назначения – газоразрядной лампе. Такие лампы ещё называют «лампами дневного света», «неоновыми лампами» и так далее. Хотя не всякая газоразрядная лампа имеет тот же спектр излучения, что и дневной свет и тем более не всякая такая лампа заполнена неоном. Но – обо всём по порядку.

Если в лампе накаливания свет излучается раскалённой нитью из проводника, т.е. излучение является тепловым, то в газоразрядной лампе источником света являются переходы молекул наполняющего лампу газа в возбуждённое состояние и обратно.

Любой газ состоит из электрически нейтральных молекул (атомов), в которых количество протонов равно количеству нейтронов. Однако существуют способы «оторвать» электроны от такого нейтрального атома (молекулы), разделив его на заряженные частицы: свободный электрон и положительно заряженный ион. Такой процесс называют ионизацией. И в любом газе всегда существует некоторая (небольшая) доля заряженных частиц.

Если мы поместим газ в электрическое поле, то это поле будет действовать на заряженные частицы: электроны будут притягиваться к «плюсу» (аноду), ионы – к «минусу» (катоду). Если поле будет достаточно сильным, то частицы будут двигаться достаточно быстро для того, чтобы при соударениях с нейтральными частицами «разбивать» их, отрывая электроны и образуя новые ионы. Этот процесс называется ударной ионизацией.

Параллельно идёт и другой процесс – рекомбинация, т.е. присоединение свободных электронов к ионам, имеющим недостаток этих самых электронов. И если ионизация требует затрат энергии на разрыв связей, то при рекомбинации аналогичная энергия выделяется, в том числе и в виде электромагнитного излучения.

Именно этот процесс – рекомбинация частиц ионизированного электрическим полем газа - и позволяет газоразрядным лампам светиться.

То есть, схема работы проста: в колбу лампы закачиваем газ, с двух концов закрываем электродами, включаем напряжение – да будет свет!

Каждый газ, будучи помещённым в газоразрядную лампу, светит своим собственным светом: неон – красно-оранжевым, аргон – фиолетовым, ксенон- бело-синим, гелий – бело-жёлтым, криптон - синим (см. фото).

Это очень удобно для создания цветного освещения, например, в вывесках и других подобных объектах (знаменитый «свет неоновых огней» - как раз про это). Но как получить белый свет, пригодный для освещения жилых помещений? Для этого идут на хитрость: используют вещество, при излучении дающее невидимый ультрафиолет (например, пары ртути), а поверхность лампы обрабатывают люминофором – веществом, светящимся под воздействием этого самого ультрафиолета. Подбирают люминофоры, дающие цвет именно нужного оттенка – чаще всего на основе фосфатов кальция. Такие лампы называют люминисцентными – в отличие от тех, в которых видимый свет даёт сам газ (их называют газосветными).

Главным преимуществом газоразрядных ламп является то, что они излучают в достаточно узком спектре, то есть, в отличие от ламп накаливания, дают меньше бесполезного инфракрасного излучения. Что даёт лучший коэффициент полезного действия (он может достигать 15-20 % против 5 % у ламп накаливания – существенная экономия электричества), кроме того, такие лампы меньше греются (а значит, более безопасны).

Газоразрядные лампы имеют больший срок службы, ведь не имеют постоянно испаряющейся нити накаливания. Благодаря этому срок службы таких ламп может достигать уже десятков тысяч часов непрерывной работы против в среднем тысячи у ламп накаливания. Также со временем постепенно выгорает сам люминофор: лампа становится тусклее, меняется оттенок её света.

Ключевым недостатком газоразрядных ламп является то, что их нельзя подключить к сети напрямую: обычное «розеточное» напряжение «зажечь» газ не сможет. Из-за этого лампы комплектуются дополнительным оборудованием (т.н. пускорегулирующими аппаратами), что существенно увеличивает их стоимость. Открыть/Комментировать

2021-04-22 12:13:00 ​Насколько научен "Интерстеллар" Нолана? (часть 1).

"Интерстеллар", безусловно, является культовым произведением в жанре научной фантастики последних лет? Но насколько фантастика "Интерстеллара" на самом деле научна?

Начнём с самого начала: с самой идее межзвёздных путешествий через "кротовую нору" - особый туннель, соединяющий две удалённые области пространства. Возможно ли такое на практике?

Тут имеет место одна проблема: у нас нет общепринятой и надёжной теории гравитации, которая дала бы возможность однозначно ответить на этот вопрос "да" или "нет". В целом идея совершенно научна: уравнения Общей теории относительности допускают решения, аналогичные таким объектам.

Дальше начинаются сложности. В зависимости от того, какой теорией пользуются авторы, они приходят к разным выводам: от невозможности существования кротовых нор как таковых, через идеи о существовании кротовых нор, существующих слишком малое время для того, чтобы через них можно было пройти (т.н. "мост Эйнштейна-Розена") до теорий о реально проходимых кротовых норах, автором одной из которых является Кип Торн - один из "отцов" "Интерстеллара". Так что по крайней мере одно мы можем утверждать точно: говоря о существовании таких объектов, авторы фильма искренне верят в возможность их существования.

Проблема заключается в том, что мы пока не видели реальных признаков существования кротовых нор в космосе. И не потому, что мы не искали: поиском признаков существования кротовых нор занимался покойный российский телескоп "Радиоастрон", его дело продоложит "Миллиметрон", который вроде как планируют запустить в 2025-м.

В качестве иллюстрации пусть будет классическая иллюстрация работы кротовой норы: при прохождении через неё можно попасть из точки А в точку Б куда быстрее, чем по путешествию через обычное пространство. Открыть/Комментировать

2021-04-21 21:04:08 ​В тестовом режиме начинаем подрубрику #Как_это_устроено, и сегодня поговорим о таком известном устройстве, как лампа накаливания.

Название говорит само за себя: лампа накаливания светится за счёт нагревания до высоких температур металлической нити в центре лампы. При нагревании любое тело испускает электромагнитное излучение, цвет которого зависит от температуры нагрева. Для того, чтобы получить характерный желто-белый свет ламп накаливания, нить нужно нагреть до высоких температур в тысячи градусов, чтобы они при этом не разрушились. Поэтому на изготовление нитей накаливания идут тугоплавкие материалы вроде вольфрама (температура плавления 3410 градусов Цельсия). Рабочие температуры в современных лампах накаливания составляют порядка 2700 градусов.

Такая температура удобна ещё и потому, что свет получается "краснее" естественного солнечного и меньше подавляет выработку "гормона сна" – мелатонина, не мешая организму готовиться ко сну.

Правда, при таких температурах основная часть энергии электромагнитного излучения лежит в инфракрасной части спектра: по сути лампы накаливания являются скорее нагревательными приборами, нежели осветительными.

Чтобы увеличить яркость света, нить лампы скручивают в спираль, причём зачастую в двойную и даже тройную: в результате ту же излучающую поверхность можно упаковать в меньший объём. Реальная же толщина нити накаливания – 50 микрон, в 1,5-2 раза тоньше человеческого волоса.

Чтобы раскалённая нить не вступала в реакцию горения с атмосферным кислородом, воздух из лампочек откачивают. Однако это не предотвращает другой процесс - постепенное испарение вольфрама с поверхности нити, что ведёт к её истончению и разрыву - перегоранию. Чтобы избежать этого, лампы можно наполнять инертным газом, например, аргоном, хотя это и удорожает изделие и на наименее мощных лампах не применяется. Кстати, из-за испарения вольфрама яркость ламп накала со временем ощутимо падает.

Электрическое сопротивление вольфрама, как и любых металлов, возрастает с ростом температуры; а чем меньше сопротивление, тем больший ток течёт через проводник при данном напряжении. То есть, когда мы включаем лампу накаливания, ток, текущий через неё, в 10-15 раз больше, чем при работе в нормальном режиме (после прогрева нити). Именно поэтому лампы накаливания чаще всего перегорают в момент включения.

Кстати в первых лампах Эдисона нить накаливания изготавливалась из угля, и срок их службы составлял порядка 40 часов. Изготавливать нити из тугоплавких металлов и закручивать их в спираль первым придумал русский электротехник Александр Лодыгин: в 1906 году патент на технологию выкупила General Electric, хотя в полной мере реализовать потенциал технологии удалось лишь после того, как придумали способы удешевить производство вольфрама.

Срок службы современной лампы накаливания составляет порядка 1000 часов, хотя различные факторы могут сильно уменьшить его.

Ключевым преимуществом лампы накаливания является её дешевизна, недостатками - низкий КПД и малый срок службы. Поэтому в наш век заботы об экологии и экономии эти лампы постепенно отходят в прошлое. О технологиях, идущих им на смену - в следующих публикациях рубрики. Открыть/Комментировать

2021-04-20 20:48:59 Глава "Роскосмоса" Дмитрий Рогозин на своём канале пишет, что базовый модуль новой российской орбитальной служебной станции уже в работе, и должен быть выведен на орбиту уже в 2025 году.

Сообщение служит косвенным подтверждением информации о планах России выйти из проекта МКС и заняться строительством новой, уже чисто собственной станции. Предполагается что частью новой станции будет модуль-стапель - эдакая космическая верфь для сборки на орбите космических кораблей межпланетного сообщения. Открыть/Комментировать

2021-04-20 20:20:11 Профессор Сюлинь Жуань (Xiulin Ruan) из Университета Пердью (США) заявил о создании "сверхбелой" краски на основе сульфата бария, частицы которого в краске представлены фрагментами различных размеров, что позволяет добиться максимального отражения не только в видимом, но и в ультрафиолетовом и инфракрасном цветах.

По утверждениям разработчиков, сверхбелая краска отражает до 98 % падающего на неё потока солнечного света. В результате обработанная такой краской поверхностью поглощает энергию излучения хуже, чем атмосфера: даже на прямом солнечном свету окрашенная поверхность оказывается несколько прохладнее, чем температура окружающего воздуха.

Логичное продолжение темы со сверхчёрной краской, которая почти полностью поглощает падающий на неё свет и о которой мы писали в одной из наших прошлых публикаций. Открыть/Комментировать

2021-04-19 21:01:15 ​Кстати, предыдущая задача про чашу Пифагора - это не только про сообщающиеся сосуды, но и про принцип минимума потенциальной энергии!

Принцип очень хороший и наглядный: если есть некая система, то рано или поздно она придёт в состояние, при которой суммарная потенциальная энергия её частей будет минимальной (в нашем случае - вода выльется из стакана совсем, лишь дай ей для этого путь, пусть и самый извилистый).

Классическое следствие принципа минимума потенциальной энергии - т.н. эффект бразильского ореха. Обнаружили его, как ни странно, в Бразилии и, как ни странно, как раз торговцы этими самыми орехами: когда партию орехов, упакованных в ящик, довозили до покупателя, то в верхней части ящика оказывались самые крупные орехи, а мелочёвка оседала вниз.

Причина проста: чем мельче частичка сыпучей среды, тем (вообще говоря) более плотная упаковка таких частиц может достигаться в системе (каждая частичка весит меньше, но в одном и том же объёме их помещается больше). Больше плотность - больше масса в ограниченном объёме. Соответственно, упаковка типа "мелкие внизу, тяжёлые вверху" обеспечивает именно минимум потенциальной энергии в системе. И система при любой возможности обеспечивает именно такую упаковку, а тряска, которой подвергается ящик с орехами по пути, как раз создаёт такие условия.

Это же работает и с любыми сыпучими средами, частицы которых имеют различный диаметр. В ряде отраслей промышленности, например, в фармакологии и химии, это составляет немалую проблему. Впрочем, в других ситуациях тот же эффект приносит пользу, позволяя сортировать частицы различного диаметра и отделять их друг от друга.

На фото (уж простите за качество) - "эффект бразильского ореха" в пачке с мюслями: более крупне орехи "всплывают" в более мелких фракциях. Открыть/Комментировать

2021-04-19 20:40:24 Как и обещал, объяснение принципа работы сосуда Пифагора. В центре сосуда спрятан сифон, т.е. перевёрнутая трубка V-образной формы (см. рисунок).

Пока жидкости в стакане мало, сообщающиеся сосуды состоят из самого стакана (сосуд АБ) и левой, восходящей части трубки (сосуд ВБ). По мере наполнения стакана, уровень воды в сосуде ВБ тоже поднимается, по закону сообщающихся сосудов.

Когда уровень жидкости поднимается выше уровня перегиба трубки, сифон заполняется полностью, и в число сообщающихся сосудов теперь входит и левая часть трубки (отрезок ВГ). Теперь нижней точкой системы является точка Г, и вода из сосуда будет выливаться до тех пор, пока не выльется вся: "вытягивать" жидкость из сифона будет сила тяжести, а "заталкивать" жидкость в сифон из стакана будет давление атмосферы.

Соответственно, при очень больших размерах чаши работать она не будет, так как давления атмосферы не хватит, чтобы протолкнуть воду. В идеальных условиях сифон может поднять воду на 10,3 метра, в реальности - не более чем на 7. Открыть/Комментировать

2021-04-19 18:59:12 Сосуд Пифагора, он же Чаша Тантала, она же Стакан жадности - красивый опыт для демонстрации принципа сообщающихся сосудов.

Чаша действует как нормальный сосуд до тех пор, пока высота уровня воды в ней не превышает некоего значения. После его достижения жидкость начинает выливаться через дырку в основании сосуда, и - это важно! - продолжает выливаться до тех пор, пока чаша полностью не опустеет.

Вот как это выглядит, а в следующем посте я расскажу, как это работает. Открыть/Комментировать

2021-04-18 21:58:28 ​Мы почти утратили надежду найти инопланетную жизнь в Солнечной системе: наиболее похожие на Землю планеты, такие как Марс и Венера, сейчас выглядят совершенно непригодными для жизни: на Марсе слишком холодно и почти нет атмосферы, на Венере - слишком жарко и атмосфера, наоборот, слишком плотная. Большее, на что мы можем рассчитывать - это найти следы существования жизни на этих планетах в прошлом, чем сейчас усиленно занимаются.

Но может ли быть так, что мы найдём жизнь в условиях, существенно отличающихся от земных - например, на газовых гигантах вроде Юпитера, Сатурна, Урана или Нептуна? Несмотря на то, что эти планеты выглядят предельно непохожими на Землю, учёные не отрицают такого варианта развития событий.

Газовые гиганты расположены относительно далеко от Солнца, так что снаружи там холоднее, чем даже на Марсе. Однако во внутренних слоях атмосфер этих планет температура существенно выше и может достигать сотен и даже тысяч градусов. И где-то посредине между внешним холодным слоем и горячими глубинами вполне могут существовать условия, в которых вода способна существовать в жидком состоянии. А это, согласно современным представлениям, является одним из главных признаков того, что там может существовать и жизнь.

Не следует забывать, что тот же Юпитер, помимо энергии, которую он получает от Солнца, имеет и "собственное отопление", работающее на энергии, выделяющейся в процессе медленного сжатия планеты под действием собственной гравиации. И возможно, что местная жизнь сможет использовать эту энергию для собственной жизнедеятельности.

Правда, в глубине Юпитера помешать развитию жизни должно было бы высокое давление, которое в 20 раз превышает атмосферное уже на глубине, где температуры составляют порядка -160 Цельсия.

Кроме того, существует теория о возможности развития организмов, использующих в качестве основы для жизни не воду, а во многом схожий с ней в химическом отношении аммиак, или смесь таких веществ. Аммиак может находиться в жидком состоянии при существенно более низких температурах, нежели вода.

Это только гипотеза, нуждающаяся в проверке. Пока мы не видели никаких признаков существования жизни или тех же водяных облаков, предсказанных теорией (к примеру, их не видел зонд, сброшенный космическим аппаратом "Галилео", который опустился в атмосферу Юпитера на 130 километров). Однако газовые гиганты слишком велики, а мы пока знаем о них слишком мало.

Кроме того, существует ненулевая вероятность существования жизни на спутниках газовых гигантов, таких как спутник Сатурна Титан или спутник Юпитера Европа. Правда, такая внеземная жизнь будет, по всей видимости, представлена весьма примитивными организмами, и чтобы встретить братьев по разуму, нам всё-таки придётся слетать куда-то подальше.

На картинке изображено видение художником юпитерианской жизни, первую теорию которой предложил астроном Карл Саган. Открыть/Комментировать