#физика
#physics

Наш сегодняшний англоязычный ролик посвящён кинематике и динамике замечательного механического устройства — велосипеда. Крутишь педали, и воздух свистит в ушах! Но почему мы можем ехать на велосипеде гораздо быстрее, чем идём пешком? Ведь в обоих случаях мы делаем это с помощью ног! На этот вопрос ответить нетрудно, рассмотрев велосипед как два рычага, связанных цепной передачей. И оказывается, что такой механизм даёт заметный проигрыш в силе, зато по золотому правилу механики получается точно такой же выигрыш в скорости.

Следующий вопрос уже посложнее: велосипед движется вперёд, отталкиваясь колесом от поверхности земли, при этом со стороны земли на велосипед действует сила трения покоя, но как сила трения покоя может толкать велосипед вперёд? Чтобы это понять, нужно аккуратно расставить все силы, действующие на велосипед, и здесь помогает аналогия с движением гребной лодки.

А дальше мы разбираемся, как работает коробка передач велосипеда, почему различие любителя и профессионала особенно заметно при подъёме в горку, и какие парадоксы возникают при рассмотрении передачи развиваемой велосипедистом мощности в разных системах отсчёта.

Смотрите наш новый ролик Bicycle Paradoxes, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

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

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Все ферромагнетики состоят из микроскопических доменов с однородной намагниченностью, которые в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы случайным образом, поэтому полная намагниченность образца равна нулю. Приблизим к нему постоянный магнит, и домены перемагничиваются преимущественно по направлению внешнего поля. Уберём магнит — и вот здесь проявляется разница между двумя видами ферромагнитных материалов: магнитно-мягкие полностью размагничиваются, а магнитно-твёрдые сохраняют остаточную намагниченность. Чтобы её убрать, приходится прикладывать магнитное поле противоположного направления. Величину этого поля по традиции называют коэрцитивной силой материала, хотя это, конечно, не сила.

Теперь поместим стержень из магнитно-твёрдой стали внутрь катушки и будем пропускать через неё электрический ток, медленно меняющийся от +1,5 до –1,5 ампер, а затем в обратном направлении от –1,5 до +1,5 ампер. На графике намагниченности мы видим характерную петлю гистерезиса, по которой происходит перемагничивание стержня в одном и в другом направлении. Чем меньше площадь петли гистерезиса, тем меньше потери энергии на перемагничивание, именно поэтому сердечники трансформаторов изготавливают из магнитно-мягкой стали.

Смотрите наш англоязычный ролик Magnetic hysteresis, экспериментируйте и размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

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

[Поддержите нас]

#physics
#физика

На канале Игоря Белецкого мы увидели замечательный опыт: в его установке на оси электродвигателя закреплён диск, а по окружности диска на равных расстояниях установлены 8 неодимовых магнитов, полюса которых чередуются. Игорь накрывает быстро вращающийся диск крышкой, кладёт на неё стальной шарик от шарикоподшипника, и шарик удивительным образом вращается в сторону, противоположную направлению вращения диска! Если вращать диск медленно, шарик притягивается к одному из магнитов и движется вместе с ним по направлению вращения и, казалось бы, то же самое должно происходить и при быстром вращении, однако это не так!

Нас этот опыт очень заинтересовал, и мы воспроизвели установку с диском и магнитами, провели опыты с шариками различного диаметра и выяснили, что чем меньше шарик, тем легче он приходит во вращение, и тем больше его скорость, которая практически не зависит от оборотов электромотора. А ещё на скоростной съёмке хорошо видно, что шарик быстро вращается вокруг почти вертикальной оси и за счёт её наклона сравнительно медленно катится вокруг диска. Как же это можно объяснить?

В комментариях к ролику Игоря некоторые пытаются связать это явление с токами Фуко, однако за счёт них шарик должен увлекаться по направлению вращения диска, а не против него, и об этом у нас есть ролик «Электродвигатель с затенённым полюсом». И действительно, немагнитный латунный шарик ведёт себя именно так. Значит, дело тут всё-таки в силах магнитного притяжения. Другие связывают необычное движение стального шарика с действием силы трения и инерцией. Но каждый из магнитов увлекает шарик сначала в одну, а потом в другую сторону, и в такой симметричной ситуации он вообще должен оставаться на месте. Увы, подписчики нашего Телеграм-канала тоже не смогли приблизиться к разгадке этого явления.

И тем не менее, хотя ролик Игоря называется «Магнитная аномалия. Эксперимент, который никто не может объяснить», мы такое объяснение придумали! Когда магниты пролетают под шариком, они создают магнитное поле, которое быстро вращается в сторону, противоположную их движению, так что шарик находится в этом поле и должен постоянно перемагничиваться. И тут надо вспомнить, что сталь для шарикоподшипников — это магнитотвёрдый материал, поэтому за счёт гистерезиса шарик не успевает перемагнититься, и направление его намагниченности не совпадает с направлением магнитного поля. За счёт этого и возникает момент силы, который заставляет его вращаться. Угол между магнитным полем и намагниченностью, а значит и момент силы, связаны с характеристиками материала шарика и почти не зависят от скорости вращения поля, то есть оборотов электромотора.

Объяснение оказалось не таким уж сложным, и как только мы его получили, по поиску в интернете мы узнали, что уже давно выпускаются двигатели, работающие на этом принципе, которые так и называются — гистерезисные. А о других интересных опытах, которые мы проделали на этой установке, вы узнаете из нашего англоязычного ролика How does a hysteresis motor work? Смотрите и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Как работает гистерезисный двигатель?» на наших альтернативных платформах.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Миражи кажутся загадочными и сложными явлениями, а между тем совсем не обязательно отправляться в далёкое путешествие, чтобы их наблюдать. Сделаем такой опыт: нальём в длинную прозрачную кювету пресную воду до половины высоты, а оставшийся объём заполним с помощью сифона крепким раствором поваренной соли. Более плотная солёная вода опускается на дно кюветы, и это хорошо заметно, потому что показатель преломления солёной воды больше, чем у пресной. Подождём несколько минут, и посветим лазерной указкой через торцевую стенку кюветы. И видно, как луч лазера искривляется и постепенно загибается вниз!

Плотность воды в кювете непрерывно увеличивается с глубиной, а вместе с плотностью растёт и показатель преломления. Мысленно разобьём воду на тонкие слои, и будем считать показатель преломления внутри слоя постоянным, а в каждом следующем слое чуть больше, чем в предыдущем. Угол преломления светового луча при переходе от слоя к слою становится всё меньше, и луч постепенно загибается вниз.

А теперь возьмём две одинаковые планки с горизонтальными цветными полосками на общем креплении. Одну планку погрузим в воду посередине кюветы, а другую оставим снаружи и посмотрим со стороны торцевой стенки. Кажется, что в воде планка сплющилась и приподнялась, — мы наблюдаем верхний мираж! Искривлённые световые лучи попадают на сетчатку глаза сверху вниз, и наш мозг считает, что предмет находится выше, чем на самом деле.

Нижний мираж можно наблюдать при обратном распределении плотности. Так бывает в жару, когда земля раскаляется, и температура воздуха и его плотность внизу больше, чем наверху. Теперь показатель преломления воздуха уменьшается сверху вниз, световые лучи загибаются вверх, а изображение опускается вниз. И измученному жарой путнику в пустыне кажется, что он видит долгожданное озеро, хотя это всего лишь отражение неба.

Смотрите наш англоязычный ролик Why We See Mirages: A Simple Explanation of a Complex Phenomenon, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Почему мы видим миражи: просто о сложном» на наших альтернативных платформах.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Наш сегодняшний англоязычный 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 ролика Vortex piggy bank! Смотрите, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

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

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Мы собрали тележку с водяным реактивным двигателем: гидростатическое давление в его камере создаётся сосудом с водой, установленным сверху, струя бьёт из горизонтальной трубки, и тележка едет в противоположную сторону. Как всегда, реактивную силу можно рассчитать двумя разными, но эквивалентными способами: с одной стороны, это нескомпенсированная сила давления на площадку напротив трубки, из которой вылетает струя, так что реактивная сила равна произведению избыточного гидростатического давления на площадь сечения трубки. А с другой стороны, по второму закону Ньютона сила равна импульсу, который уносит струя в единицу времени, и этот способ расчёта даёт вдвое большую реактивную тягу! И вот вопрос: какой же из двух способов расчёта правильный?

Ответ становится понятным, если использовать насадок, названный в честь французского военного инженера и учёного Жана-Шарля де Борда, который много занимался проблемами гидравлики. Чтобы превратить выходную трубку двигателя в насадок Борда, надо попросту вдвинуть её в камеру двигателя на расстояние в несколько диаметров. В этом случае разгон воды происходит только вблизи среза трубки, поэтому давление у стенок камеры можно считать всюду одинаковым и статическим, значит, правильным является расчёт через нескомпенсированную силу давления. А что же мы не учли в рассуждении через импульс вылетающей струи? Здесь надо разбираться, как происходит вытекание вода из трубки, и об этом вы узнаете из нашего англоязычного ролика Borda nozzle!

Смотрите, экспериментируйте и размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

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

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Сифон в переводе с древнегреческого означает просто «трубка», а ещё — «насос». Что может быть проще? И тем не менее специалисты утверждают, что 90% выпускников физфака не смогут правильно объяснить, как работает сифон!

Изогнём силиконовую трубку и погрузим её входное колено в банку с водой, а выходное колено опустим ниже уровня воды в банке. Подсосём воду с помощью груши, и вода поднимается по трубке над краем банки и вытекает из выходного колена. Поднимем срез трубки до уровня воды в банке, и сифон сразу же перестаёт работать. Этим он похож на обычные сообщающиеся сосуды, в которых вода перетекает с верхнего уровня на нижний, только в сифоне вода течёт по пути, который проходит над сосудом, а не под ним.

Как же вода поднимается выше уровня воды в банке? Обычно работу сифона объясняют по аналогии с движением металлической цепочкой: уложим цепочку в стакан, а её свободный конец перебросим через гладкий стеклянный блок и опустим ниже уровня цепочки в стакане. Выходная часть перевешивает, и цепочка перетекает вниз. Казалось бы, всё понятно, и в сифоне точно так же вода перевешивает в более длинном выходном колене, но сделаем ещё один опыт: возьмём сифон, у которого входное колено сделано из широкого корпуса шприца, а выходное представляет собой длинную тонкую трубочку. Такой сифон прекрасно работает, хотя вес воды в выходном колене в несколько раз меньше, чем во входном!

Чтобы объяснить работу сифона, мы разбираемся с тем, как распределено давление вдоль трубки, почему так важна роль атмосферного давления, и как 1-бутил-3-метилимидазолий-бис(трифторметан-сульфонил)имид обеспечивает работу сифона даже при очень низком давлении. И всё же многое осталось за кадром, поэтому мы рекомендуем вам посмотреть наши ролики про сифон-колокол и самозапускающийся сифон, который начинает перекачивать жидкость без дополнительного подсасывания.

Смотрите наш англоязычный ролик How does the siphon pump water? Экспериментируйте и размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «За счёт чего сифон перекачивает воду?» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Мы уже сняли ролик о физических принципах и тонких деталях работы обычного сифона. Такой сифон представляет собой изогнутую трубку и перекачивает воду через край сосуда или возвышающееся препятствие только при условии, что столб воды в его выходном колене опускается ниже уровня воды в сосуде. Для этого приходится подсасывать воду, создавая в выходном колене пониженное давление. Возникает вопрос: нельзя ли избавиться от этого недостатка и сделать сифон, который при погружении в воду будет запускаться сам?

И такие конструкции придуманы уже давно. В самом простом варианте входное колено обычного сифона нужно изогнуть сверху, затем изогнуть снизу и только после этого выводить трубку через край сосуда. Когда такое изогнутое входное колено полностью погружается под воду, сифон начинает работать, и вода сама вытекает из его выходного колена. Дело в том, что вода не только заполняет входное колено, но и приобретает при этом некоторую скорость и по инерции продолжает подниматься по трубке вверх. И если кинетической энергии воды хватает, чтобы она зашла в выходное колено и опустилась ниже уровня воды в сосуде, сифон запускается и начинает перекачивать воду.

Получается, что с учётом потерь кинетическая энергия воды должна быть больше потенциальной энергии в изгибе трубки над краем сосуда. Чем больше удаётся запасти кинетической энергии, тем выше препятствие, через которое можно перекачивать воду. И здесь приходит мысль использовать для увеличения высоты подъёма воды кумулятивный эффект. А что при этом получилось, вы увидите в нашем новом англоязычном ролике Self priming siphon. Смотрите, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Самозапускающийся сифон» на наших альтернативных платформах.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Когда на обычный полупроводниковый диод подано достаточно большое обратное напряжение, выделяющаяся в нём тепловая мощность превышает возможности отвода тепла в окружающую среду, и температура диода продолжает расти. С увеличением температуры свободных носителей заряда в полупроводнике становится всё больше, и протекающий через диод ток быстро увеличивается. Диод греется всё сильнее, и такая положительная обратная связь очень быстро приводит к тепловому электрическому пробою: кристалл плавится, и диод выходит из строя.

А вот в стабилитронах обратное включение является основным — в них сначала возникает обратимый лавинный или туннельный пробой, который не портит диод. В режиме пробоя небольшие изменения обратного напряжения приводят к значительному изменению протекающего через стабилитрон тока. И наоборот, при больших изменениях тока в цепи напряжение на стабилитроне остаётся почти постоянным. А чтобы дело не дошло до теплового пробоя, последовательно со стабилитроном обычно включают резистор, который ограничивает максимальный ток. Такую цепь уже можно использовать как простейший стабилизатор напряжения.

Смотрите наш англоязычный ролик How does a Zener diode work?, экспериментируйте и размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Как работает стабилитрон?» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Сегодня наш ролик посвящён физике приливов, и мы сначала разбираемся с тем, за счёт чего возникают приливные силы, затем с приливными силами, действующими на Землю со стороны Солнца и Луны, и только потом переходим к самим приливам на нашей планете. Но и тут мы рассматриваем сначала самую простую статическую модель Ньютона, переходим к динамической модели Лапласа и уже в самом конце обращаемся к реальной картине приливов в мировом океане. И всё это занимает чуть меньше 25 минут!

Для начала рассмотрим вращающийся по круговой орбите спутник Земли, четыре отсека которого соединены большой жёсткой крестовиной. Одна перекладина этой крестовины направлена вдоль радиуса к центру Земли, а другая — поперёк радиуса по касательной к орбите. И вот из-за того, что гравитационное поле неоднородно и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, радиальная перекладина будет растягиваться, а поперечная — сжиматься. Это и есть действие приливных сил, возникающих в любом неоднородном гравитационном поле.

Сила тяготения, действующая на тело, всегда пропорциональна его массе, поэтому удобно перейти к ускорению, которое характеризует напряжённость гравитационного поля. Поле приливных ускорений в окрестности Земли создают и Солнце, и Луна, но оказывается, что вклад Луны в два раза больше, чем вклад Солнца: хотя масса Луны в 27 миллионов раз меньше массы Солнца, она расположена гораздо ближе к Земле, и этот фактор оказывается решающим.

Первую количественную модель приливов предложил великий Исаак Ньютон, и в ней рассматривается равновесие жидкой планеты — гигантской водяной капли. В неоднородном поле Луны такая сферическая капля-Земля растягивается по направлению к Луне и сжимается в двух поперечных направлениях. Отсюда нетрудно оценить деформацию капли, а значит и высоту приливов: в этой модели высота двух лунных горбов составляет 70 см, а солнечных — 30 см. В новолуние и полнолуние Луна, Земля и Солнце расположены на одной прямой, лунный и солнечный приливы усиливают друг друга, и их высота достигает 1 метра. А когда Луна находится в четверти, действия Луны и Солнца вычитаются, и высота приливных горбов уменьшается до 40 см.

Эти оценки оказываются правильными по порядку величины, и это удивительно, ведь вода покрывает Землю тонким слоем: средняя глубина мирового океана составляет всего 4 км, а радиус Земли в 1600 раз больше. А ещё Земля не стоит на месте, как в статической модели Ньютона, а непрерывно вращается и создаёт приливную волну, которой мешают двигаться стоящие на её пути континенты.

И вот французский физик Пьер-Симон Лаплас предложил динамическую модель приливов, в которой Земля полностью покрыта однородным слоем воды. Длина приливной волны много больше глубины океана, и это ситуация «мелкой воды», в которой скорость волны зависит только от глубины и оказывается постоянной — около 200 м/с. Такая волна обегает окружность земного шара за 56 часов, а поле приливных сил вращается гораздо быстрее — с периодом 24 часа. В такой ситуации весьма далёких от резонанса вынужденных колебаний приливные максимумы оказываются сдвинуты по фазе относительно вращения Луны примерно на 6 часов.

А остальные подробности вы узнаете из нашего англоязычного ролика Physics of tides! Смотрите и размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

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

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Идея этого ролика возникла из неожиданного наблюдения ранним летним утром на берегу Обского моря. Краешек восходящего солнца только показался над соснами, и свет, прошедший через капроновую ткань палатки, образовал яркую квадратную сетку. Ряды этой сетки совпадали с направлениями нитей, а из каждой точки торчал яркий лучик, и все они смотрели из освещённого пятна в разные стороны.

И здесь возникает главный вопрос: может быть свет пробивается сквозь дырочки между сплетёнными нитями, и всё можно объяснить на основе геометрической оптики? Или всё-таки на правильной квадратной решётке капроновых нитей происходит дифракция света, и тогда это явление относится к волновой оптике?

Ответ на этот вопрос и другие интересные подробности вы узнаете из нашего англоязычного ролика Wave optics in a tent! Смотрите и размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть выпуск «Волновая оптика в палатке» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#физика
#physics

Мы взяли узкую прозрачную пластиковую трубу длиной 1 метр с заглушкой на одном конце, наполнили большую её часть водой и закрыли второй конец. Перевернём трубу, и длинный воздушный пузырь неспешно поднимается вверх. На глаз его движение выглядит равномерным, и скоростная съёмка подтверждает это предположение. Такие пузыри называются тейлоровскими в честь английского гидродинамика Джеффри Тейлора, который одним из первых их исследовал. Тейлоровские пузыри возникают при бурении скважин, когда нефть поднимается вместе с попутным газом, в теплообменниках и химических реакторах. В таком режиме скорость течения жидкости существенно изменяется, и это необходимо учитывать.

После школьного курса физики кажется очевидным, что пузырь поднимается благодаря действию архимедовой силы. Она уравновешивается силой лобового сопротивления, вот пузырь и движется равномерно. Но выталкивающая сила возникает за счёт того, что гидростатическое давление растёт с глубиной, и результирующая сила давления, действующая на поверхность тела, направлена вверх. А пузырь — это очень странное тело: его масса очень мала, а давление воздуха внутри него и на его поверхности всюду одно и то же. И возникает сомнение, можно ли вообще говорить, что на пузырь действует сила Архимеда, выяснению этого вопроса мы посвятили весёлый ролик «Парадокс всплывающего пузыря». Однако сделаем такой опыт: вынем одну из пробок, заполним водой всю трубу целиком и зажмём ладонью открытый конец. А теперь перевернём трубу, отпустим ладонь, и граница раздела воды и воздуха поднимается с той же скоростью, что и пузырь! Здесь говорить о силе Архимеда точно не уместно, и нам приходится менять модель.

Будем смотреть не на воздух, а на воду. Под действием силы тяжести вода разгоняется, обтекая округлую «голову» пузыря, тонким слоем стекает по стенкам трубы и собирается в «хвосте». И вот за счёт этого постепенного перемещения воды пузырь и поднимается вверх. Осталось оценить скорость его всплывания с помощью метода размерностей и проверить на опыте правильность полученной формулы для трубок разного диаметра. И тут всё оказалось не так просто. А ещё в конце нашего англоязычного ролика Amazing Taylor's bubbles вы увидите эксперимент, результат которого кажется весьма неожиданным! Смотрите, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Удивительные тейлоровские пузыри» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Предлагаем вашему вниманию англоязычную версию нашего большого ролика, посвящённого поверхностному натяжению. Речь пойдёт о самых разнообразных явлениях: водяных каплях, мыльных пузырях, плавании тел, смачивании поверхностей, подъёме воды в тонких капиллярах, лапласовом давлении и поверхностной энергии. И здесь мы ограничиваемся классическими понятиями силы и энергии, поскольку все известные нам попытки объяснить поверхностное натяжение с помощью молекулярно-кинетических моделей выглядят произвольными и неубедительными.

Для начала посмотрим с помощью скоростной съёмки на процесс формирования и отрыва капли: она как будто окружена упругой плёнкой, вот только эта «плёнка» тоже состоит из воды. Очередная капля появляется из тонкой трубочки и постепенно увеличивается в размерах, при этом вес капли удерживается поверхностным натяжением в том месте, где капля соприкасается с трубочкой.

Измерив массу оторвавшейся капли, мы рассчитали коэффициент поверхностного натяжения воды. Он оказался несколько меньше табличного значения 72 миллиньютона на метр, и мы измерили его другим способом, наблюдая капиллярные волны. Новое значение получилось ещё меньше, даже когда обычную водопроводную воду заменили на дистиллированную! Любые загрязнения немедленно уменьшают коэффициент поверхностного натяжения до 50–60 мН/м, поэтому в опытах без особой лабораторной техники надо брать именно такие значения.

Положим на поверхность воды лезвие бритвы, и оно не тонет, хотя плотность стали в 8 раз больше плотности воды. Расчёт показывает, что в этом случае величина силы поверхностного натяжения больше веса бритвы, и её с избытком хватает для поддержания лезвия на плаву. Теперь запустим в плавание тонкий дюралевый диск, и он тоже не тонет и держится на воде, хотя его вес гораздо больше силы поверхностного натяжения! В чём же тут дело?

Об этом и о многом другом вы узнаете из нашего нового ролика Surface Tension and Capillary Effect — теперь на английском языке. Смотрите, размышляйте и экспериментируйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Поверхностное натяжение и капиллярный эффект» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Идею этого ролика предложил наш подписчик Максим Голубев, сотрудник Института теоретической и прикладной механики СО РАН, и он же предоставил объект изучения — цилиндрический силиконовый валик. Поставим его на вертикальный лист стекла или зеркало, и валик удивительно медленно спускается с постоянной скоростью, вращаясь вокруг своей оси и не отрываясь от поверхности стекла. Валик может скатываться по стеклу даже при отрицательных углах наклона!

При движении валика всё время разрываются и вновь возникают липкие связи в области контакта со стеклом, и на это затрачивается энергия. С похожим явлением мы уже встречались. Однако распределение липких сил в пятне контакта нам неизвестно, поэтому мы заменили валик более простой механической моделью и разобрались с действующими на неё силами и их моментами.

Смотрите наш новый англоязычный ролик The Mystery of the Silicone Roller, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Загадка силиконового валика» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Дано: метровая стеклянная труба, металлическая сетка (ситечко от заварочного чайника) и газовая горелка. Требуется: соорудить из этого набора мощный акустический генератор. Закрепляем сетку внутри трубы на четверти её длины, ставим трубу вертикально сеткой вниз и с помощью горелки нагреваем сетку докрасна. Убираем горелку, и труба неожиданно громко загудела! Это возбуждается её основной тон — полуволновые колебания.

Развернём трубу горизонтально — звук исчезает; снова поставим трубу вертикально, и она снова загудела! Чем же различаются эти два положения? В вертикальной трубе сетка нагревает воздух, и он поднимается вверх, а в горизонтальном положении такого потока нет. Значит, звуковые колебания не затухают за счёт тяги, которую обеспечивает раскалённая сетка.

Однако для эффективной подкачки колебаний тепловая энергия должна поступать в нужной фазе, в такт с колебаниями, а поток воздуха от сетка, на первый взгляд, совершенно равномерный. В чём же тут дело? Понять это помогает аналогия с автоколебаниями столба воздуха внутри флейты. А дальше мы разбираемся, почему труба не гудит, если поставить сетку в середине или на краю трубы. Правда, остаётся вопрос: почему труба перестаёт петь и в перевернутом положении, когда сетка отстоит на четверть длины от верхнего, а не от нижнего края трубы?

Смотрите наш англоязычный ролик Rijke Thermoacoustic Tube, размышляйте и экспериментируйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Термоакустическая труба Рийке» на удобной для вас платформе.

[присоединиться]

#physics
#физика
 
Представьте себе высокий замкнутый сосуд с жёсткими стенками, заполненный водой, на дне которого имеется небольшой воздушный пузырёк. Пузырёк всплывает наверх, и спрашивается: как изменится давление воды на дно сосуда?
 
Сначала кажется, что перемещение небольшого пузырька вообще ничего не может изменить. С другой стороны, когда пузырёк находится внизу на дне, давление воздуха p внутри него равно давлению воды на дно сосуда. Вода практически несжимаема, поэтому после всплытия объём пузырька останется тем же самым, и давление внутри него не изменится. Теперь давление p пузырёк создаёт сверху под крышкой сосуда, и по закону Паскаля  оно передаётся и на дно. Но столб воды тоже давит на дно, поэтому давление должно возрасти на величину гидростатического давления ρgh, которое создаёт этот столб!
 
Неужели всплывание одного маленького пузырька действительно может привести к таким существенным последствиям? Или мы не заметили, как вышли за границы применимости теоретической модели? Здесь нужна экспериментальная проверка, и из нашего англоязычного ролика Floating bubble paradox вы узнаете, к чему она привела. Смотрите, размышляйте и экспериментируйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!
 
P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Парадокс всплывающего пузыря» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

В обычном режиме насос гидроцикла засасывает воду и выбрасывает её назад, создавая реактивную тягу, и она разгоняет гидроцикл до весьма большой скорости. Но можно сделать иначе: присоединить один конец длинного гибкого шланга к насосу, а другой — к флайборду, доске с креплениями для ног. Установленная на флайборде Y-образная труба разделяет поток воды от гидроцикла пополам и направляет к двум соплам, которые разворачивают водяные струи вниз. Спортсмен стоит на доске, и мощные струи воды могут поднять его на высоту около 20 метров!

И понятно, что силе тяжести, тянущей вниз и спортсмена, и наполненный водой шланг, противостоит реактивная сила струй воды. Но где именно возникает эта сила? На первый взгляд там, где струи с большой скоростью вырываются из сопел гидрофлайта. Ведь мы видим, как спортсмен буквально стоит на этих струях! Но так ли это на самом деле? Неужели реактивная сила возникает и на срезе сопла совершенно прямого пожарного брандспойта?

С этим и другими вопросами реактивного движения мы разбираемся в нашем англоязычном ролике Hydroflight and Jet Propulsion. Смотрите, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Гидрофлайт и реактивная тяга» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]

#physics
#физика
#астрономия

Достаточно точный календарь можно построить только с опорой на повторяющиеся астрономические события, и со временем выяснилось, что определять длительность года удобно по равноденствиям. Тут есть свои интересные тонкости, и о них мы уже рассказывали в ролике «Обсерватория Улугбека и её 40-метровый квадрант».

Но вот во II веке до нашей эры греческий астроном Гиппарх сопоставил результаты своих наблюдений звёзд с записями Тимохариса, жившего за 150 лет до него, и обнаружил, что все звёзды сместились по небесной сфере в одном и том же направлении на одну и ту же величину! Скорость этого смещения оказалась равной примерно 1° за столетие. Координаты звёзд Гиппарх отсчитывал от точки весеннего равноденствия, и он сделал вывод, что сдвигается сама точка отсчёта!

Гиппарху пришлось разделить два разных года: тропический год проходит между двумя весенними равноденствиями, а за звёздный год Солнце делает полный оборот по небесной сфере и возвращается в то же самое положение. Для астрономов главным является звёздный или сидерический год, и он оказался примерно на 20 минут длиннее тропического, так что относительно него равноденствия с каждым годом наступают на 20 минут раньше, поэтому это явление назвали предварением равноденствий.

Но почему так происходит? Всё дело в том, что наша планета представляет собой гигантский волчок. Земная ось наклонена к плоскости орбиты, а из-за центробежных сил Земля несколько сплющена у полюсов. Это приводит к появлению момента приливных сил, действующих на Землю в неоднородном гравитационном поле Луны и Солнца. В результате земная ось медленно прецессирует с периодом примерно 26 тысяч лет.

Вот с такими непростыми вопросами мы разбираемся в нашем новом англоязычном ролике Run-up to the equinoxes. Смотрите, размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

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

[Поддержите нас]

#физика
#physics

Что может быть лучше, чем собрать действующую модель электродвигателя своими руками? В ролике «Самый простой электродвигатель» мы показываем, как это сделать просто и наглядно. Такой опыт вдохновляет и детей, и взрослых — и помогает понять, как электричество превращается в движение.

А ещё наш ролик доступен для просмотра на английском, испанском, казахском, узбекском языках и даже на хинди!

Говорят, если собрать двигатель, повторяя инструкцию на всех этих языках одновременно, он заработает в шесть раз быстрее )). Хотя, если честно, для сборки достаточно одного — языка жестов и пары подручных материалов.

P.S. По данной ссылке можно посмотреть ролик «Самый простой электродвигатель» на всех перечисленных языках.

[Поддержите нас]

#physics
#физика

Простая и прекрасная детская игрушка волчок быстро вращается, стоя на тонкой оси, и не падает! Все части волчка по инерции двигались бы прямолинейно и равномерно, но они связаны друг с другом и за счёт центростремительных сил участвуют в общем вращательном движении, которое тоже можно считать обладающим инерцией. Поэтому волчок и стремится сохранить направление своей оси. Если установить маховик в трёхосевой карданов подвес — три рамки, которые могут вращаться вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей, — и раскрутить его до больших оборотов, маховик будет сохранять направление своей оси в пространстве. Такой свободный гироскоп является сердцем авиационного или корабельного гирокомпаса.

Установим ось волчка под углом к вертикали, и она медленно вращается, описывая конус. Такое движение называется прецессией. Волчок постепенно замедляется, его ось наклоняется всё больше и больше, и прецессия происходит всё быстрее и быстрее. Раскрутим гироскоп в двухосевом подвесе вокруг горизонтальной оси и повесим на её конец небольшой грузик, и гироскоп поворачивается, но не вокруг горизонтальной, а вокруг вертикальной оси. Повесим грузик на другой конец оси, и теперь гироскоп прецессирует в противоположном направлении. Почему же под действием опрокидывающего момента силы тяжести гироскоп поворачивается совсем не так, как в отсутствие вращения?

Здесь приходится обратиться к теории вращательного движения, которая неизменно вызывает трудности не только у школьников, но и у студентов. Мы постарались объяснить прецессию гироскопа как можно проще, рассматривая действие момента сил за один оборот, а стандартное объяснение, использующее понятие момента импульса, поставили вторым номером.

В 1852 году Леон Фуко использовал гироскоп в трёхосевом кардановом подвесе для экспериментального подтверждения суточного вращения Земли. Это было непросто: в его опытах гироскоп замедлял своё вращение всего за несколько минут, а за каждую минуту Земля поворачивается всего на четверть градуса. Кстати, именно Фуко придумал термин «гироскоп», и с тех пор мы этим словом пользуемся.

Наша планета — это тоже огромный волчок, летящий в космическом пространстве. Из-за своего суточного вращения Земля немного сплюснута у полюсов, а её ось наклонена к плоскости орбиты. В результате на Землю со стороны Луны и Солнца действует момент приливных сил, вызывающий прецессию её оси с периодом 26 000 лет.

Обо всём этом и многом другом мы рассказываем в нашем англоязычном ролике The gyroscope and gyroscopic effect. Смотрите, экспериментируйте и размышляйте вместе с нами и не забывайте ставить лайки!

P.S. По этой ссылке можно посмотреть русскоязычный выпуск «Гироскоп и гироскопический эффект» на удобной для вас платформе.

[Поддержите нас]