#physics
#физика

Наш сегодняшний ролик посвящён забавной физической игрушке — кораблику с реактивной тягой, которую создаёт паровой котёл в виде свёрнутой в спираль медной трубки. Концы трубки выведены вниз под лодочку, и через один из них котёл заправляется водой перед запуском. Ставим кораблик на воду, зажигаем две свечки, нагревающие котёл, и через некоторое время кораблик приходит в движение!

Такая лодочка представляет собой своеобразный пульсирующий водомёт: при нагреве давление пара в котле увеличивается, пар расширяется, и из концов трубки выбрасываются струи воды, уносящие с собой импульс, а лодочка приобретает такой же импульс в противоположном направлении. А на языке сил можно сказать, что вода ускоряется на выходе из котла, движется по инерции по вертикальной части трубки, поворачивает на изгибе и вылетает уже горизонтально. Разворачивает воду сила, действующая со стороны трубки, и эта сила имеет горизонтальную составляющую. По третьему закону Ньютона со стороны воды на трубку действует равная и противоположно направленная сила, которая и толкает кораблик вперёд.

После выбрасывания порции воды вышедший из котла пар быстро охлаждается о стенки трубки и конденсируется. Давление падает, и теперь вода всасывается в трубку, приобретая некоторый импульс. Однако затем вода разворачивается на изгибе трубки, и горизонтальная компонента её импульса снова становится равной нулю. В итоге на фазе всасывания вода не получает горизонтального импульса, импульс кораблика тоже не меняется, и он движется по инерции.

На языке сил картина выглядит так: вода разгоняется на входе в трубку, поворачивает на изгибе и толкает кораблик вперёд, и сначала кажется, что эта сила ничем не компенсируется. Но раз вода втекает в трубку, значит давление внутри неё меньше гидростатического давления на этой глубине. А снаружи со стороны воды на изгиб трубки действует полное гидростатическое давление, и разность этих давлений создаёт горизонтальную силу, тормозящую кораблик. В итоге сумма сил, действующих на кораблик, оказывается равной нулю.

Получается, что лодочка разгоняется на фазе выбрасывания воды и не тормозится на фазе всасывания, она всё время плывёт вперёд, подобно кальмарам, каракатицам и другим обитателям моря, использующим реактивный принцип движения. А ещё мы видим, что объяснения на языке сил и языке импульсов кажутся совсем непохожими, но приводят к одному и тому же результату. С этой ситуацией мы постоянно сталкиваемся, когда имеем дело с реактивным движением. Так и должно быть: ведь закон сохранения импульса можно вывести из законов Ньютона!

Но всё-таки, почему пар в трубке всё время пульсирует, а не расширяется до некоторого равновесного состояния? И чем определяется частота этих пульсаций? Смотрите наш новый англоязычный ролик «Steam-powered water boat», размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Кораблик с паровым водомётом» на наших альтернативных платформах.

[Поддержите нас]

#задачиоценки

Самолет летит по замкнутому маршруту. Как зависит время полета самолета от скорости ветра, дующего постоянно?

Подразумевается, что вы умеете:

- Описывать равномерное движение.
- Складывать векторы скоростей.

Подсказка 1:

Рассмотрите два самых простых замкнутых маршрута, состоящих из двух отрезков пути туда и обратно, ориентированных вдоль направления ветра или перпендикулярно ему.

Подсказка 2:

Проанализируйте случай, когда скорость ветра больше скорости самолета.

Указание:

Постройте качественный график зависимости времени полета самолета по замкнутому маршруту от скорости ветра.

Авторское решение: [здесь]

P.S. О задачах-оценках: [здесь]

Друзья, с Днём знаний!

У многих из нас зашита программа старта учебы первого сентября. Мы обещаем себе регулярно выделять время на изучение того, что давно собирались, возвращаемся к поставленным летом на паузу занятиям, формируем новое расписание. В некотором смысле, первое сентября каждый год напоминает нам, что учёба никогда не заканчивается, а любопытство — лучший двигатель вперёд.

Мы рады быть частью сообщества любителей физики и математики, учиться вместе и помогать разбираться в сложном.

В новом учебном году желаем новых задач и новых решений!

#закадром
#отчет

Публикуем новый отчёт о полученных донатах и проделанной работе.

Бюджет (август 2025)

В августе регулярными платежами и разовыми донатами мы получили 48 738 рублей. Спасибо вам огромное за поддержку!

100 000 рублей нам предоставил наш замечательный партнёр — Узловский молочный комбинат.

Наши затраты составили 543 000 рублей. Недостающую сумму мы попросили у основателей проекта и компании CityAir.

Результаты (август 2025)

- Четыре новых ролика по физике:

«Модуль Юнга и коэффициент Пуассона»
«Полное внутреннее отражение»
«Масляные звёзды»
«Электромагнитное затухание»

- Шесть роликов на английском языке:

«Young's Modulus and Poisson's ratio»
«Froment motor – no one makes them now!»
«Ammeter and voltmeter, what's inside?»
«Benford's amazing law»
«LED connection»
«Steam-powered water boat»

Еще раз спасибо огромное всем, кто поддерживает нас донатами и вносит вклад в общее дело просвещения, образования и здравого смысла. Это очень и очень ценно!

P.S. Интересные факты. Самым популярным роликом августа стал выпуск «Модуль Юнга и коэффициент Пуассона» — его в первую неделю после публикации посмотрело более 7 500 зрителей на YouTube. А наш англоязычный канал отметился шорт-роликом «Why does a wind turbine have three blades?», набравшим более 29 000 просмотров.

[Поддержите нас]

#физика
#астрономия

Когда спутники Магеллана после почти трёх лет кругосветного плавания добрались до островов Зелёного Мыса (сам Магеллан погиб на Филиппинах), они с удивлением обнаружили, что на берегу у португальцев четверг 10 июля, а у них на корабле — среда 9 июля. Как такое могло случиться, ведь каждый день путешествия добросовестно отмечался летописцем экспедиции Антонио Пигафеттой?

Посмотрим на Землю из космоса: за время кругосветного путешествия она совершает несколько оборотов вокруг своей оси, и когда корабль плывёт на запад, против вращения Земли, он делает ровно на один оборот меньше, чем сама Земля, и теряет одни сутки по сравнению с неподвижным наблюдателем. А если корабль движется на восток, в направлении вращения Земли, он совершает на один оборот больше, чем Земля, и приобретает дополнительные сутки. Можно сказать и по-другому: с точки зрения моряков при движении на запад корабль уходит от восходящего солнца, и его солнечные сутки становятся длиннее обычных, а при движении на восток навстречу солнцу — короче.

Теперь представим, что в Новосибирске сейчас полночь. Пойдём на запад: в Москве в этот момент ещё только 8 часов вечера, а в Нью-Йорке — полдень вчерашнего дня. Пойдём на восток: на Сахалине уже 4 утра, а в Нью-Йорке — полдень завтрашнего дня! Так какой в Нью-Йорке полдень — завтрашний или вчерашний? Чтобы таких парадоксов не возникало, люди договорились ввести линию перемены дат, отделяющую завтрашний день от вчерашнего. Она проходит примерно по 180 меридиану, с некоторыми отклонениями для удобства местных жителей. При пересечении линии дат с востока на запад корабль или самолёт попадает в следующий день, а с запада на восток — в день вчерашний.

Подобный эффект возникает, когда одна шестерня обкатывается вокруг другой. А из-за вращения Земли вокруг Солнца астрономам приходится различать звёздные и солнечные сутки.

Смотрите наш новый ролик «Парадоксы вращения» и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть выпуск «Парадоксы вращения» на наших альтернативных платформах.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Наш новый англоязычный ролик посвящён подробному ответу на вопрос, которого мы лишь слегка коснулись в выпуске «Диаграмма направленности»: всегда ли звук — это волна? На первый взгляд, этот вопрос звучит странно, ведь все мы после школьного обучения твёрдо знаем, что звук — это именно волна.

Но давайте включим динамик на частоте 50 Гц, при этом длина звуковой волны составит около 7 метров, и в обычную комнату волна целиком не войдёт! А теперь накроем динамик коробкой с размерами 30х20х20 см. Высота звука, который мы слышим, конечно же, не изменилась, но в такую коробку может поместиться только малая часть длины волны. Может быть в этом случае возбуждается не бегущая, а стоячая волна?

Тогда между противоположными стенками коробки должна укладываться половина волны, полная длина волны составит 60 см, а частота — около 560 Гц, и это совсем другой звук!

Поэтому периодические колебания мембраны динамика являются источником звука, который не является волной: мембрана движется то в одну, то в другую сторону и создаёт вихревые потоки воздуха, за счёт которых давление у стенок коробки то повышается, то понижается. Когда мембрана идёт вперёд, давление воздуха перед ней увеличивается, а позади — уменьшается, поэтому колебания с разных сторон динамика происходят в противофазе. И мы убедились в этом на опыте, записав звук у противоположных стенок коробки на два микрофона.

Таким образом, в ближней зоне на расстояниях меньше или порядка длины волны от источника звука более адекватным для описания звуковых колебаний является язык аэродинамики, а о волновом движении можно говорить на больших расстояниях. И мы уже встречались с похожей ситуацией в ролике «Парадокс электромагнитной волны», когда размеры антенны малы по сравнению с длиной волны: в ближней зоне электрическое и магнитное поля сдвинуты по фазе почти на четверть периода, а в дальней зоне, где сформировалась электромагнитная волна, поля изменяются синфазно.

Смотрите ролик «Is sound always a wave?», разбирайтесь вместе с нами с парадоксами теории волн и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно найти русскоязычный выпуск «Всегда ли звук — это волна?» на наших альтернативных платформах.

[Поддержите нас]

#физика
#тюф

В стаканчик, закреплённый на линейке, капают водяные капли, и линейка постепенно начинает раскачиваться, а потом эти колебания затухают.

Обсуждаем задачу Турнира юных естествоиспытателей 2025 в ролике «Капельный резонанс», который будет опубликован на следующей неделе. А если у вас возникло желание посмотреть этот выпуск уже сейчас, приглашаем на нашу платформу в Boosty.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Возьмём яйцо, сваренное вкрутую, положим на стол и сильно закрутим — и яйцо встаёт на тупой конец! В результате быстрого вращения устойчивое положение яйца на боку и неустойчивое на конце как бы меняются местами! Раскрученное яйцо может устойчиво стоять и на остром конце. Эти опыты чем-то напоминают и вращение обычной юлы, и переворачивание китайского волчка и переход колебаний кельтской лодочки во вращение. Но почему центр тяжести яйца стремится подняться вверх?

В отсутствии трения момент импульса яйца сохраняется, и в вертикальном положении оно бы вращалось быстрее из-за уменьшения момента инерции, как фигурист, прижимающий к себе руки. Кинетическая энергия вращения яйца при этом тоже увеличивается, и тогда по закону сохранения энергии потенциальная энергия должна уменьшиться, а центр тяжести — опуститься, а не подняться, как мы это наблюдаем на опыте. Так что яйцо может становиться вертикально только за счёт действия силы трения, уменьшающей момент импульса!

На скоростной съёмке хорошо видно, что частота вращения яйца при подъёме вообще не меняется, а значит момент импульса действительно уменьшается, как и кинетическая энергия вращения. Затем частота медленно уменьшается до тех пор, пока верхнее положение центра тяжести перестаёт быть устойчивым.

Чтобы продвинуться дальше в объяснении этого явления, надо выбрать адекватную модель силы трения. Действует ли на яйцо сила трения качения, и через неподвижную точку соприкосновения со столом всегда проходит мгновенная ось вращения? Или яйцо проскальзывает по поверхности стола, и здесь надо говорить о силе трения скольжения, которая в такой ситуации может вести себя весьма необычно? Во всяком случае, поведение китайского волчка сильно зависит от свойств поверхности, на которой он вращается.

И ещё: почему яйцо встаёт вертикально только при достаточно большой частоте вращения? Смотрите наш новый англоязычный ролик «The mysteries of Columbus' egg», разгадывайте вместе с нами загадки механики вращательного движения и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Тайны Колумбова яйца» на наших альтернативных платформах.

[Поддержите нас]

#задачиоценки

Оцените длительность лунного и солнечного затмений.

Подразумевается, что вы:

- Понимаете, почему возникают затмения.
- Характер движения Земли и Луны.

Подсказка 1:

Рассмотрите самые простые случаи возникновения полных затмений.
Схематически изобразите их на чертеже.

Подсказка 2:

Движение какого небесного тела быстрее всего нарушает схему затмения?

Авторское решение: [здесь]

P.S. О задачах-оценках: [здесь]

#физика
#тюф

В комплекте Международного турнира юных естествоиспытателей 2025 года есть задачи и по химии, и по биологии, но нас, конечно же, интересует физика, и сегодня мы расскажем о задаче «Шаткий мост». По условию горизонтальная металлическая линейка закреплена одним своим концом как консольный мост, а к другому концу прикреплён пластиковый стакан. В этот стакан через равные промежутки времени падают капли воды. Вначале линейка неподвижна, затем она начинает совершать колебания вверх-вниз, а потом снова успокаивается, и надо объяснить и исследовать это явление.

Дать качественное объяснение здесь нетрудно: когда капли воды ударяют по линейке, движущейся вниз, размах колебаний увеличивается, а когда капли бьют по линейке, поднимающейся вверх, они тормозят её и гасят колебания. Чтобы происходила резонансная раскачка, капли должны падать на линейку в такт с колебаниями линейки, а для этого частота падения капель должна совпадать с частотой собственных колебаний линейки. Однако так не получится: вода постепенно накапливается в стакане, её масса растёт, а частота колебаний линейки соответственно уменьшается. Поэтому колебания заметны только в тот короткий промежуток времени, когда частота падения капель становится близка к собственной частоте, а всё остальное время колебания затухают.

Несмотря на простоту объяснения, в этой задаче много сложностей с постановкой эксперимента. Во-первых, надо обеспечить равномерность падения капель из сосуда, независимо от уровня воды в нём. Мы построили такую капельницу, вспомнив о нашем давнем ролике «Сосуд Мариотта». Во-вторых, даже в резонансе амплитуда колебаний невелика, и возникают различные трудности с трассировкой видеозаписи. Но когда мы их преодолели, получившийся график колебаний оказался весьма похож на результаты моделирования этого явления в программе «Живая физика»!

Смотрите наш новый ролик «Капельный резонанс» и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть выпуск «Капельный резонанс» на наших альтернативных платформах.

[Поддержите нас]