#physics
#физика

Во время съёмки ролика «Подключение светодиода» мы собрали цепь из двух светодиодов, включенных параллельно и навстречу друг другу, и соединённого с ними последовательно конденсатора и подали на неё синусоидальное переменное напряжение. Оказалось, что ток по такой цепи течёт только в те промежутки времени, когда напряжение растёт по абсолютной величине, а когда напряжение уменьшается, ток отсутствует. И мы стали разбираться, почему так происходит.

Сила тока в цепи равна скорости изменения заряда на конденсаторе, заряд пропорционален напряжению на его обкладках, так что сила тока пропорциональна скорости изменения напряжения. Если подать на конденсатор синусоидальное напряжение, его производная также даст синусоиду, сдвинутую вперёд на 90°. Но удобнее использовать пилообразное напряжение, растущее и падающее с постоянной скоростью: тогда график силы тока представляет собой знакопеременные прямоугольные импульсы.

Вернёмся к нашей цепи с конденсатором и светодиодами и подадим на неё пилу. Теперь импульсы тока разделены промежутками, на которых сила тока равна нулю, и появление этих участков нам и надо объяснить.

Пара включенных параллельно и навстречу друг другу диодов работает, как ключ, и практически не пропускает ток, пока напряжение не достигает по абсолютной величине порогового значения, которое в наших опытах составляло около 2 вольт. Пусть напряжение растёт от нуля, сейчас ключ закрыт, и всё напряжение падает на нём, пока не достигнет порогового значения +2 вольта. Ключ открывается, теперь напряжение на нём остаётся постоянным, а напряжение на конденсаторе растёт, он начинает заряжаться, и по цепи течёт ток. Полное напряжение пилы достигает максимума и начинает падать, но конденсатор пока не может разряжаться, ведь для этого должен открыться другой диод, а он закрыт напряжением противоположного знака. Поэтому напряжение на конденсаторе остаётся постоянным, ток в цепи равен нулю, а напряжение на ключе падает. Когда оно достигает напряжения –2 вольта, ключ открывается, напряжение на нём остаётся постоянным, а конденсатор перезаряжается, пока полное напряжение пилы не достигнет отрицательного амплитудного значения. После этого ключ снова закрывается, напряжение на конденсаторе остаётся постоянным и отрицательным, а напряжение на ключе растёт. Когда оно достигает +2 вольт, ключ открывается, и далее весь цикл повторяется снова и снова.

Смотрите наш англоязычный ролик «LEDs and capacitor», размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Светодиоды и конденсатор» на различных платформах.

[Поддержите нас]

#физика

Поставим стакан с водой на магнитную мешалку, положим на дно стакана магнит, включим мешалку, и магнит начинает быстро вращаться, а с поверхности воды спускается вниз прекрасная водяная воронка. Все мы видели, как формируется подобная воронка, когда вода спускается из ванны, и мы сняли ролик, посвящённый этому интересному явлению. Но в магнитной мешалке вода никуда не вытекает, почему же воронка образуется и в этом случае?

Вращающийся на дне стакана магнит не только вовлекает во вращение всю воду в целом, но и отбрасывает её к стенкам стакана. Вода поднимается вдоль стенок вверх, а затем опускается вниз вдоль оси стакана, и таким образом формируется второе, вихревое движение. Когда вода вращается как целое, её поверхность принимает форму параболоида, и теперь надо разобраться, как наложение вихревого движения превращает параболоид в воронку. И здесь с помощью закона сохранения импульса и дополнительных наблюдений мы приходим к выводу, что теперь форма поверхности воды представляет собой квадратичную гиперболу.

А ещё мы обсуждаем, почему при небольших оборотах мешалки воронка не доходит до дна стакана и как можно увидеть вихревую нить, которая всё-таки спускается до дна, как меняется давление воды по диаметру стакана, почему воздушные пузырьки захватываются вихревой нитью и не всплывают вверх и другие интересные вопросы. Смотрите наш новый ролик «Вихрь в магнитной мешалке», размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть выпуск «Вихрь в магнитной мешалке» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#физика

На следующей неделе мы опубликуем ролик «Зарядка конденсатора». Это обычная тема школьного курса физики, но мы добавили к ней опыт с зарядкой и разрядкой суперконденсатора ёмкостью в 2 фарада через галогеновую лампу накаливания.

Если вы хотите увидеть этот выпуск уже сейчас, приглашаем на нашу платформу в Boosty.

[Поддержите нас]

#физика

Дорогие друзья, продолжаем знакомить вас с нашими сериалами на Okko. На платформу добавлена подборка «Реактивное движение». В этих фильмах мы разбираем, как работает один из фундаментальных принципов движения в природе и технике — от передвижения кальмара и извержения вулкана до реактивных двигателей и космических ракет. Каждый сюжет — это чёткое объяснение, подкреплённое эффектными экспериментами.

Этот сериал доступен для просмотра в высоком разрешении, что позволяет рассмотреть все детали динамичных процессов.

Если вы уже подписаны на Okko, добавляйте «Реактивное движение» в избранное. Приятного и познавательного просмотра!

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Мы привыкли изображать на графиках зависимость от времени координаты тела и его скорости. Например, для маятника эти графики представляют собой синусоиды, сдвинутые на четверть периода относительно друг друга. А что получится, если исключить время и посмотреть, как скорость маятника зависит от его координаты? Для идеального маятника без потерь такой график представляет собой эллипс — это непосредственно следует из постоянства суммы потенциальной и кинетической энергии. За один период колебаний точка, изображающая состояние маятника, совершает полный оборот по эллипсу, двигаясь по часовой стрелке. Такой график называют фазовой траекторией системы. Потери энергии приводят к тому, что размах колебаний постепенно уменьшается, и фазовая траектория маятника приобретает вид сходящейся спирали.

Плоскость, на которой нарисованы фазовые траектории для разных начальных состояний динамической системы, называют её фазовым портретом. Для маятника без затухания замкнутые траектории соответствуют режиму колебаний, а разомкнутые — режиму вращения. Фазовый портрет позволяет одновременно увидеть все возможные виды движений системы, и поэтому фазовые портреты широко используются физиками и математиками для качественного изучения сложных динамических систем.

Смотрите наш англоязычный ролик «Phase plane», размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Фазовая плоскость» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#закадром

На днях мы получили уведомление о внесении нашей платформы Видеоэнциколопедия GetAClass «Физика в опытах и экспериментах» в реестр программного обеспечения за регистрационным номером №2026610168 от 13.01.2026.

Это небольшой, но важный шаг по дороге в школы к учителям и ученикам!

#физика

Сегодня мы поговорим о процессах зарядки и разрядки конденсатора. Обычные конденсаторы заряжаются очень быстро, поэтому мы собрали батарею из пяти суперконденсаторов общей ёмкостью 2 фарада, соединили её последовательно с лампой накаливания и подали на эту цепь напряжение. Сначала лампа горит ярко, а затем всё слабее и слабее, но даже когда лампа совсем погасла, по цепи течёт ток, который становится всё меньше и меньше, так что конденсаторы продолжают заряжаться.

Качественное объяснение здесь простое. Сначала конденсаторы не заряжены, и всё напряжение падает на лампе, через неё течёт большой ток, и она ярко светится. Но заряд конденсаторов постепенно растёт, и на них падает всё большая часть полного напряжения, а на лампе напряжение уменьшается, соответственно уменьшается ток в цепи. Лампа светится всё слабее, и конденсаторы заряжаются всё медленнее.

Сопротивление лампы накаливания сильно зависит от температуры, поэтому вместо неё в следующих опытах применялся резистор с постоянным сопротивлением 100 Ом и обычный конденсатор ёмкостью 1 микрофарад. Мы составили и решили дифференциальное уравнение для такой цепи и получили, что характерное время зарядки и разрядки конденсатора RC пропорционально сопротивлению резистора R и ёмкости конденсатора С: чем больше сопротивление, тем меньше ток зарядки, и чем больше ёмкость, тем больший заряд нужно накопить, чтобы достичь того же напряжения. За характерное время RC конденсатор успевает зарядиться примерно на 60%, и для обычного конденсатора это время составило 0,0001 секунды, а для батареи суперконденсаторов — целых 6 секунд!

Соединим суперконденсаторы не последовательно, а параллельно. Теперь их суммарная ёмкость увеличилась до 50 фарад, и такая батарея может очень долго поддерживать свечение светодиода. Но почему мы всё-таки называем такие устройства суперконденсаторами, а не аккумуляторами? Есть ли здесь принципиальная разница?

Смотрите наш новый ролик «Зарядка конденсатора», размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть выпуск «Зарядка конденсатора» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#физика

На следующей неделе мы опубликуем ролик, в котором изучим движение шарика, запущенного в вихревую копилку. Раструб копилки расходится по экспоненте, и оказывается, что скорость шарика при постепенном спуске в него остаётся приблизительно постоянной.

Если вы хотите увидеть выпуск «Вихревая копилка» уже сейчас, приглашаем на нашу платформу в Boosty.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Сегодня мы расскажем об адиабатических инвариантах — физических величинах, которые сохраняются с высокой степенью точности при достаточно медленных изменениях параметров системы, которая совершает почти периодические движения.

Запустим груз обычного нитяного маятника так, чтобы он вращался по окружности, и будем медленно уменьшать длину нити получившегося конического маятника с помощью электромотора. При этом увеличивается не только частота вращения, но и угол отклонения нити. При движении конического маятника момент импульса груза сохраняется, и радиус описываемой грузом окружности оказывается пропорционален корню четвёртой степени из его длины. Этот вывод подтверждается экспериментом, пока углы отклонения нити не становятся слишком большими.

Теперь запустим маятник в обычном режиме колебаний в одной плоскости, угловая частота при этом остаётся той же самой. Чтобы избавиться от влияния трения и силы сопротивления воздуха, мы промоделировали колебания маятника в программе «Живая физика», и с уменьшением длины подвеса амплитуда колебаний опять увеличивалась пропорционален корню четвёртой степени из длины.

Моделирование позволяет сделать то, что в натурном эксперименте реализовать весьма затруднительно, и мы посмотрели, как изменяются колебания пружинного маятника, если медленно увеличивать жёсткость пружины. Траектория маятника на фазовой плоскости представляет собой эллипс, и с ростом жёсткости диаметр эллипса по координате медленно уменьшается, а диаметр эллипса по скорости медленно увеличивается, при этом произведение диаметров, а значит и площадь эллипса, практически не меняется.

И вот оказывается, что для всех трёх маятников при медленном по сравнению с периодом колебаний изменении параметров площадь их фазовых портретов приближённо сохраняется — это и есть адиабатические инварианты этих систем.

Чтобы понять, как сюда попал из термодинамики термин «адиабатический», рассмотрим совсем простую систему: одномерный газ, состоящий из одной частицы, которая летает с постоянной по величине скоростью между двумя стенками и упруго отскакивает от них. Фазовым портретом такой частицы является прямоугольник. Если теперь медленно уменьшать расстояние между стенками с постоянной скоростью, форма прямоугольника на фазовой плоскости будет меняться, но его площадь останется прежней. При таком адиабатическом сжатии скорость частицы растёт обратно пропорционально расстоянию между стенками, а создаваемое ею давление — обратно пропорционально кубу этого расстояния.

У заряженной частицы, вращающейся в магнитном поле, тоже есть адиабатический инвариант, и это снова момент импульса. Параметром для ларморовский радиуса вращения частицы является величина магнитного поля, так же как для конического маятника — его длина.

А ещё надо заметить, что адиабатические инварианты вышли на передний план в квазиклассической квантовой теории, которую разрабатывал Нильс Бор. Но нельзя объять необъятного, так что все милые сердцу подробности вы сможете узнать, посмотрев наш новый англоязычный ролик What is an adiabatic invariant? И не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Что такое адиабатический инвариант?» на различных платформах.

[Поддержите нас]

#события
#закадром
#щетников

Сегодня свой день рождения отмечает Андрей Щетников — автор и ведущий роликов по физике и математике проекта GetAClass, поэт, переводчик и глубокий мыслитель. Наша команда от всей души поздравляет Андрея с этим праздником!

Искренне благодарим за бесценный вклад в просвещение, за умение сочетать научную строгость с поэтичностью и за создание удивительного и полезного контента. Желаем неиссякаемого вдохновения и новых творческих высот. С Днём рождения!

#физика

Наш сегодняшний ролик посвящён физике забавного устройства — вихревой копилки, которая состоит из двух соединённых вместе одинаковых воронок и своей формой напоминает песочные часы. Запустим в копилку монетку со специальной горки с жёлобом, и монетка вместо того, чтобы сразу упасть вниз, катится по стенке воронки, совершает больше десятка оборотов и при этом медленно спускается вниз и приятно жужжит. Но почему же монетка не падает и вращается так долго? И зачем нужна горка для её запуска?

Чтобы выяснить это, мы заменили горку на длинную прозрачную пластиковую трубку и перешли к запуску стальных шаров. Если шар катится со слишком большой высоты, шарик разгоняется до большой скорости, делает половину оборота и вылетает из копилки, а при пуске с малой высоты шарик быстро спускается по воронке вниз и вращается только в её узкой части. Так что должна быть оптимальная скорость запуска, и для монет она достигается с помощью горки со специально подобранной высотой.

В простейшей модели шарик можно считать материальной точкой, которая при отсутствии потерь энергии может вращаться по круговой орбите, не меняя своей высоты. На шарик действует сила реакции опоры, которая направлена перпендикулярно к наклонной поверхности воронки, так что вертикальная компонента силы реакции в точности компенсирует силу тяжести, а горизонтальная обеспечивать центростремительное ускорение.

Отсюда получаем значение скорости вращения для данного радиуса и соответствующего угла наклона воронки. Этот угол зависит от радиуса воронки, и нам пришлось оцифровать её профиль. Оказалось, что воронка с увеличением высоты расширяется по экспоненте, как хороший акустический рупор! Для такого профиля скорость шарика на любой круговой орбите не зависит от радиуса, и для нашей вихревой копилки составляет 93 см/с.

Мы сняли движение шарика сверху и трассировали его. А что при этом получилось, почему момент импульса шарика не сохраняется и как с помощью копилки можно моделировать движение планет вокруг Солнца, вы узнаете из нашего нового ролика «Вихревая копилка»! Смотрите, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть выпуск «Вихревая копилка» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#закадром

К нам часто обращаются с предложением обсудить какую-нибудь «прорывную» идею, типа «как сделать вечный двигатель» или «как разогнать материальное тело до сверхсветовой скорости».

Так как такие обращения носят системный характер, то считаем важным объяснить, почему мы не готовы обсуждать подобные идеи (при всем уважением к энтузиазму предлагающих).

Мы убеждены, что существование некоторых «штук» в нашем мире - попросту невозможно. Например, мы убеждены, что вечный двигатель невозможен и что материальное тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света.

На чем основывается наше убеждение?

На знании довольно сложной и самосогласованной картины физического мира, обладающей практической предсказательной силой, и на собственном опыте проверки и применения ее для решения самых разных задач.

В основе нашей картины физического мира лежит некоторые число утверждений (математики бы сказали - аксиом) и стройная логика, связывающая одни ее части с другими. Например, из утверждения об однородности времени (инвариантности физических законов относительно сдвига во времени) следует закон сохранения энергии, что доказывается теоремой Нётер. И так далее.

Освоение такой картины физического мира, позволившей человечеству создать все то, что у него сейчас есть - паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, атомные станции, невероятно сложные инструменты для научных исследований, средства связи, полеты в космос, искусственной интеллект и прочее - процесс трудоемкий и требующий немалых интеллектуальных усилий и дисциплины.

На стандартный вопрос типа «а вы сами-то экспериментально проверяли, что энергия сохраняется в таком-то процессе?» мы часто отвечаем «нет, выполнение закона сохранения энергии именно в этом процессе мы не проверяли, но нам достаточно того, что если бы он здесь не выполнялся, то это бы вошло в противоречие с результатами, которые мы получили в другом эксперименте или с еще какими-то результатами, получеными до нас».

Другое наше убеждение: человек, не получивший хорошего образования и не освоивший современный научный метод, практически никогда не сможет картину физического мира усвоить, дополнить и тем более не сможет предложить чего-то, что произведет революцию в науке и инженерии.

Ну это как ожидать от человека, никогда не игравшего на скрипке, что он вдруг возьмет ее в руки и превзойдет Паганини, поразив слушателей красотой исполнения.

Отличие наивных идей неквалифицированных энтузиастов физики типа «способа разогнать материальное тело до скорости, превышающей скорость света» от игры на скрипке в том, что неумение человека играть на скрипке очевидно подавляющему числу слушателей.

А вот тот факт, что даже наивную идею, касающуюся научной картины мира, способны оценить только достаточно квалифицированные специалисты, порождает одну из теорий заговоров, часть которой можно сформулировать примерно так: «мировое правительство контролирует науку и ученых, знает правду, но не говорит ее, оболванивает обывателей в своих корыстных целях, а еще и лобби всякие, типа нефтяных, подтверждением чему - их отказ обсуждать с нами очевидно правильные и прорывные идеи, способные осчастливить человечество».

Право каждого - поверить нам или нет, но это не соответствует действительности. Мы не готовы тратить время на обсуждение наивных «прорывных» идей от неквалифицированных энтузиастов исключительно потому, что считаем вероятность наличия в них здравого и хоть сколько-то практически полезного зерна пренебрежимо малой. Времени всей нашей жизни не хватит на то, чтобы проанализировать даже малую часть таких предложений, а вероятность извлечения пользы - стремится к нулю быстрее, чем вероятность того, что человек, впервые взявший в руки скрипку превзойдет Паганини.

Можем ли мы ошибаться и могут ли наши убеждения оказаться ложными? Да. Могут ли быть прорывы в физике и в научной картине мира? Да. Готовы ли мы обсуждать перемещение материальных тел со скоростью, превышающей скорость света и вечные двигатели с неквалифицированными энтузиастами? В соответствии со всем вышесказанным - нет.

P.S. На возможный вопрос предлагающего «прорывную» идею «откуда вы знаете, что я любитель, а не профессионал?», мы отвечаем анектодом: «Есть известная байка про Алехина (в бытность его чемпионом мира). Некий случайный знакомый на курорте предложил ему сгонять партейку в шахматы. Алехин согласился, но при расстановке фигур сразу убрал одну свою ладью. Партнер возмутился: как же так? Вы меня совсем не знаете - и даете мне ладью форы? На что Алехин ответил: если бы я не мог вам дать ладью форы, я бы вас знал».

P.P.S. У нас есть ролик, в котором мы касаемся темы вечных двигателей и историй их изобретателей.

P.P.P.S. Про то, что находится на переднем крае науки, мы время от времени делаем программы с профессиональными исследователями. Вот например, программа с профессором института Вейцмана Григорием Фальковичем. А вот программа с директором института теоретической физики имени Ландау - Игорем Колоколовым.