Книга “Властелин механики, 7 великих законов в понятном изложении” (файл книги)

А вы знали, что например электрон невозможно увидеть? А откуда мы тогда знаем, что он есть? Добро пожаловать, друзья мои! Вы на верном пути.
В последнее время всё чаще и чаще встречается термин «нано».
Его пихают в рекламу, в книги, в журнальные статьи, да и вообще везде. Применяется термин практически ко всем сферам нашей жизни и промышленности: электроника, машиностроение, медикаменты, материаловедение, бытовая химия…и, собственно, почти везде.
В сознании закрепилось, что если есть это слово, то мы имеем дело с чем-то невероятным и чуть ли не с космическим. Нанотехнологии используются сегодня повсеместно, правда вот пользы от них не так много, как хотелось бы пиарщикам. Да и технологии эти далеко не всегда НАНО.
Слово нано означает всего лишь характерный размер. Это величина, которая получится при умножении 1 метра на 10 в минус девятой степени. Логично спросить, о каком именно размере идёт речь.
Когда к характеристикам материала добавляется нано- подразумевается, что характерные размеры частичек, из которых состоит этот материал или которые входят в сложную композицию, лежит в нано-диапазоне.
Если обычные структуры материалов могут попадать в микродиапазон, то у нано-, как вы наверное поняли, частички будут поменьше.
Когда речь идёт про какие-то чудодейственные жидкости, типа кондиционера для двигателя, логика такая же — есть основная жидкость и есть наполнитель из какого-то нано-порошка (т.е. порошка, обладающего незначительным размером каждой частицы). Когда такая смесь попадает в цилиндр, она забивает небольшие повреждения, улучшает скольжение и иногда даже способна увеличивать компрессию.
Теперь вы наверное хотите спросить, почему же нано — это обман и как оно работает. Ведь на первый взгляд всё и правда интересно. Начнем с логики работы таких нано материалов.
Суть заключается в том, что если максимально измельчить структуру или основные элементы какого-либо вещества или композита, то мы действительно получаем некоторый набор принципиально новых свойств.
Некоторые из них можно предсказать сразу, а некоторые требуется исследовать дополнительно.
Скажем, прочность нано материала и правда может оказаться более высокой, чем прочность аналога со стандартной структурой. Это связано с тем, что чем больше частиц в структуре, тем большее количество связей у нас образуется. Значит, и разорвать связи будет сложнее.
Или же, проникающая способность некоторых нано-гелей тоже вполне может быть более высока, чем в случае использования других наполнителей.
Кроме того, нано материалы могут обладать большей активностью и вполне подойдут для добавок к топливу или для создания сложных полимерных композиций. Всё это действительно так.
Но в последнее время, слово нано- приобретает куда более печальный смысл.
Поскольку мало кто понимает что именно скрывается за нанотехнологиями, любая приставка нано- к названию любого материала или подхода позволяет получать за это очки.
На практике нам недостаточно, чтобы материал был просто нано-, даже если он и правда может попасть под эту классификацию.
Нужно знать, какую логику инженер-материаловед или врач заложили в используемый подход. Если вы измельчите рисовую крупу до нано-диапазона, то она всё равно останется рисовой крупой. Правда вариться будет слегка иначе, но не это самое важное.
У рекламщиков же всё, что чуть мельче манной крупы или соизмеримо с ней по характерным размерам частиц — есть нано и обладает фантастическими свойствами. На деле, такие материалы, по большому счёту, нано-группой и не являются. Мало того, что по размерам частиц/агломератов не всегда проходят в 10 в минус 9 степени, так ещё и не имеют никакой теоретической базы. Но зато звучит-то как красиво!
Про теоретическую базу поясню дополнительно. Возьмем самый простой пример. Если поджечь алюминиевую пудру, то она будет очень ярко и интенсивно гореть, но для поджига потребуется некоторое время. Если же сделать из алюминиевой пудры нано-порошок, то он чуть ли не сам будет возгораться из-за интенсивного окисления на воздухе и обширной свободной поверхности. Вот и пример важного различия.
На прилавках появилось множество товаров с приставкой нано. И нано-порошок для раковины, и нано-подушки со специальным инертным наполнителем, и нано-еда, и нано-шампунь, и нано-частицы в кондиционерах для металла.
Я не исключаю, что где-то там и правда есть нано. И что где-то действительно используется здравая логика, а не банальное измельчение частичек. Но гораздо чаще, если вы услышали слово нано-, то вас уже обманули. Ведь когда на китайском рынке вы видите релакс-подушку с песком, на которой есть слово нано, можно предположить, что вы обмануты.
Ну а с научными работами нанотехнологии творят откровенные чудеса. Стоит только написать, что разрабатываешь нано-материал, и сразу получишь дополнительный интерес к проекту. Поэтому, этот термин часто притягивается буквально за уши.
Так что, друзья, если вы вдруг встречаете какой-то нано-материал, подумайте 10 раз с чем именно вы имеете дело, причем тут нано, и не пользуются ли вашим незнанием, чтобы втюхать вам товар с сомнительными достоинствами.
В блокбастере Джеймса Кэмерона «Титаник» 1997 года показано, как Мердок дает команду на реверс двигателя. Собственно, это кажется нам логичным решением и воспринимается как самый простой способ избежать столкновения. Но знатоки морской тематики утверждают, что сама физика помешала бы такому манёвру и что врубать задний ход было не только контрпродуктивно, но и ещё более опасно. Давайте разберемся почему.
Основываясь на показаниях выживших членов экипажа «Титаника» можно сказать, что никакого реверса и правда не было. Или не было по крайней мере в рамках попыток Мердока избежать столкновения с айсбергом.
Источники утверждают, что основной целью на тот момент было обойти приближающийся айсберг, к которому корабль направлялся прямым ходом. И это главное противоречие.
Капитану понадобится полный контроль руля направления чтобы попытаться выполнить столь сложный маневр. Руль направления у корабля всегда расположен своеобразным образом. Он находится в непосредственной близости от гребного винта. Примерно так это выглядит. Увы, фотографий именно что Титаника я быстро не нашёл, но логика очевидна.
Когда винт работает, то создаётся определенный тип течения и движение воды будет характерным для конкретного случая. Не сложно догадаться, что чем сильнее и интенсивнее винт «бултыхает» объемы воды, тем это больше мешает процессу управления. Когда система вошла «в режим», то это обычное дело. Но при резкой смене направления вращения и перераспределения параметров потока этот режим нарушается.
Если бы капитан включил двигатели Титаника задним ходом, он бы полностью заблокировал руль и было бы совершенно невозможно увернуться от айсберга. Если бы два внешних винта Титаника (центральный винт не мог вращаться в обратном направлении) вращались в обратном направлении, поток воды толкал бы руль внутрь. Руль не мог бы управлять этой силой и, таким образом, практически не имел никакого влияния на определение направления корабля. Паразитный эффект ощущался бы весьма значительно.
Так а почему бы тогда не исключить руление полностью и стараться просто остановить корабль или, ещё лучше, дать заднюю? Всё довольно просто — первый закон Ньютона. Столь массивный корабль просто физически не мог «притормозить» за такое время и на такой дистанции.
Если бы между Титаником и айсбергом было большее расстояние, то попытка реверса его двигателей могла бы быть осуществимой. Учитывая, что между обнаружением айсберга столкновением проходит от 37 до 39 секунд, команда реверса двигателя, вероятно, заняла бы все это время и, вероятно, даже больше.
Важно помнить, что реверс двигателя такого гигантского корабля — это не как нажатие педали тормоза в автомобиле. Экипаж должен успеть отреагировать на сообщение капитана.
Ходовые испытания Титаника (которое провелись всего 2 неделями ранее) среди ее различных стресс-тестов подразумевали и пример аварийной остановки путем реверса двигателей при движении на полном ходу. На испытаниях машина полностью остановилась на дистанции 777 метров, что заняло 3 минуты 15 секунд. Предполагаемое расстояние между Титаником и айсбергом на момент обнаружения составляло около 400 метров. При этом вполне вероятно, что экипаж внизу не отреагировал бы также быстро, как это было во время ходовых испытаний корабля.
Логично полагать, что исходя из инерции и физических параметров Титаника в реальности было принято единственное возможное решение — пытаться увернуться от удара. Правда и тут шансов оставалось мало. Никакого реверса на практике не было. А вот поразмышлять на тему того, что было бы лучше, а что хуже — это интересно.
Мне видится, что как раз-таки попытаться максимально сбавить скорость и брать айсберг на таран не было бы столь разрушительно, как «приехать» в это огромное тело бортом. Всё-таки если исходить из ходовых испытаний, то удалось бы скинуть скорость почти в два раза. С учетом того, что продольная жесткость конструкции довольна высока, шансы могли бы быть. Само собой, это лишь мои догадки.
Часто у ученика возникает проблема с решением задач по физике. На самом деле, разобраться с решением задач и научиться решать их быстро и чётко способен даже не самый способный ученик. Достаточно немного изменить свое отношение к физике как к предмету. Физика любит понимание. Физические задачи не сильно отличаются от самой физики. Научившись понимать физику вы научитесь и решать задачи по физике. Предмет этот весьма интересный, а для специалистов технического направления просто жизненно необходимый. В этом видео я делюсь советами, как лучше решать задачи по физике и какой подход окажется оптимальным. Мы рассмотрим основные принципы поиска решения и упрощения жизни учащемуся.
Моя книга по основам механики в понятной и интересной форме https://inznan.ru/resursy/kniga7zakonov/
Если вы стараетесь выучить физику, но чувствуете, что что-то мешает в этом процессе, то рекомендую изучить мои полезные советы и ориентируясь на них попробовать понять физику. В ролике я собрал несколько рекомендаций о том, как проще будет понять физику и хочу поделиться ими с вами!
Физика - это далеко не самая простая и понятная наука. Но если вы найдете в ней интерес, то наверняка с радостью будете её изучать. Ключ к пониманию физики - попытка увидеть её вокруг нас в повседневной жизни. Используйте эту методику и вы сами поймете, как выучить физику, даже если знания ваши пока нулевые.
Моя книга про основные законы механики https://inznan.ru/resursy/kniga7zakonov/
Рассмотрим несколько полезных советов, которые помогут вам быстрее и проще решать задачки по физике. Мы назвали этот ролик лайфхаки для решения задач. Правда наверное гораздо лучше подошло бы название "Полезные советы для решения задач по физике" или "На что полезно обратить внимание при решении физических задач". Но слово лайфхаки гораздо больше нравится ученикам, чем советы. Поэтому, так мы и назовем этот ролик.
Теория относительности — это очень популярная штука. Даже люди, далекие от физики, наверняка слышали хоть раз в жизни про относительность.
Мне понятие относительности впервые попалось в рекламе. Возможно вы помните, что одно время на телевидении крутили ролик, где некоторый товарищ приносил Эйнштейну ящик и спрашивал мол — куда ящик ставить? Эйнштейн, не долго думая, отвечал — ну поставьте ящик справа. Мужик переспрашивал — справа относительно меня или вас? У Эйнштейна загоралась лампочка над головой и он кричал гениально!!! Видимо был намек на то, что именно так открылась теория относительности :)
Между тем, понятие относительности существовало гораздо раньше, чем Эйнштейн даже родился на этот свет. Ещё папа механики Ньютон использовал понятие относительности движения. Оно и логично. Представьте себе любую жизненную ситуацию, где происходит механическое движение. Это движение всегда рассматривается относительно чего-то. Причем, если рассматривать его относительно разных точек, то меняется и значение изучаемого параметра.
Думаю, понятие относительности протекания процессов в физике долго пояснять и раскрывать не нужно. Если поезд едет со скоростью 50 км/ч, то относительно неподвижной станции его скорость 50 км/ч, а относительно идущего рядом поезда в том же направлении — это 0 км/ч.
Вот только если приправить всё это современными знаниями, например представлениями о скорости света, то и относительность получится слегка другой.
Начнем с того, что смысл теории относительности везде, в общем-то, сохраняется. Из общей теории относительности следует специальная теория относительности, а из неё можно выделить и Ньютоновскую часть.
По большому счёту, можно сказать, что вся механика Ньютона — это частный случай специальной теории относительности. Главное различие тут — абсолют. Только сидхи всё возводят в абсолют, а ещё так делает Ньютон.
В этой версии относительности есть и привычная всем нам координатная плоскость, и вполне себе работают часы, и гравитация влияет на объекты только как гравитация. Ещё у тел есть длина, которая неизменна. И, в общем-то, если говорить о физике с позиции здравомыслящего человека, который пока ещё не заглядывал глубже, то теория Ньютона выглядит наиболее логичной и правильной. Относительность воспринимается как логичная и понятная сущность.
Законы физики Ньютона имеют дело с абсолютным временем и движением. Но в процессе развития знаний о природе оказалось, что всё немного иначе. Появилась более крутая теория относительности. Тут отметим, что Эйнштейн, которому негласно приписывается абсолютно ВСЁ, связанное с относительностями в физике, был далеко не первым, кто об этом задумывался.
Так, новый взгляд на относительность изначально рассматривал Анри Пуанкаре.
Специальная теория относительности Эйнштейна математически показала, что ни одна из абсолютных величин Ньютона, таковыми не являются. Единственная константа тут — это скорость света во вселенной.
Относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, как бы быстро оно не двигалось
Тут сразу вспоминаются эти шуточки, про велосипед и фонарик. И вполне справедливо и логично считать, что применяя релятивистское сложение скоростей так и должно быть, но нет.
Относительно любого тела скорость света будет неизменной величиной, как бы быстро оно не двигалось
Тут сразу вспоминаются эти шуточки, про велосипед и фонарик. И вполне справедливо и логично считать, что применяя релятивистское сложение скоростей так и должно быть, но нет.
По идее, скорость движущегося вперед велосипеда должна суммироваться со скоростью света в фонарике и вот мы и превысили скорость света. Однако, было доказано, что скорость света в подобных ситуациях превысить невозможно и все взаимодействия не могут её превышать.
В итоге мы имеем два основных положения СТО:
Массивные математические вычисления показывают, что второе обстоятельство вызывает множество странных парадоксов. Например, длина не является константой и при движении вперед с большой скоростью линейная длина тела начинает уменьшаться!
Важным дополнением будет тот факт, что обстоятельства эти начинают работать уже и при меньших скоростях. Например, широко известен эксперимент, в котором высокоточные часы на борту скоростного лайнера шли медленнее, чем на земле.
Специальная теория следует из общей теории относительности и является её частным случаем. Это означает, что она вполне применима для нашего пространства. Но откуда берется вся эта, простите, чертовщина? Почему часы идут медленнее в самолете? Это и пытается объяснить ОТО. Причем, через гравитацию и массу.
Тут тоже Эйнштейн успел наломать дров, но не в одиночку.
Общая теория относительности подразумевает очень важное и страшное обстоятельство.
Пространство и время не являются однородной системой.
Мы не можем воспринимать четырехмерное пространство. Мы не умеем работать со временем. То, что доступно нам — это проекции. Не реальность, а проекции. Поэтому, возможны и искажения и длины, и времени.
Массивные объекты вызывают искажение пространства-времени и это называется гравитацией. В такие искажения проваливаются объекты, а мы ощущаем это как силу притяжения.
Масса изгибает окружающее её пространство так, что мы движемся к центрам большей массы.
В специальной теории относительности всё ещё как-то походило на добрую и очевидную механику Ньютона. Тут нет. Теперь добавилось ускорение! Теперь любое неподвижное тело на самом деле двигается, да ещё и с ускорением. Если у Ньютона тела просто притягивались друг к другу, то Эйнштейн в общей теории взял и сказал - все объекты проваливаются в дыры пространства друг за другом.
Ожидаемое движение предметов и тел подразумевает следование простейшему пути через пространство-время без взаимодействия с пространством.
Разбираем мысленный эксперимент Джеймса Максвелла, который продемонстрировал, что можно повернуть энтропию в обратную сторону. Вот только можно ли используя это сделать вечный двигатель? Об этом знает только демон Максвелла, который умеет разделять частицы на частицы с высокой энергией и с низкой энергией. Оказывается, демона Максвелла сегодня можно создать. Вот только можно ли считать, что демон Максвелла сделает двигатель вечным? Ведь и он сам будет тратить энергию на своё функционирование.
Логично предположить, что чем старше Земля становится, тем большую массу она приобретает. Но есть ли в этом умозаключении хоть что-то научное, или это только наши логичные предположения?
Начнем с первого, что приходит на ум при обсуждении массы планеты. Многие исходят из того, что если количество жителей постоянно растёт, то и масса планеты должна становиться большей. Это не совсем объективный довод. Ведь процесс происходит в динамическом равновесии. Население земли состоит из уравновешенного природой материала, поэтому, жители на массе если и сказываются, то весьма незначительно.
Есть более объективная сторона вопроса. Земля обладает гравитацией, а значит некоторые объекты притягиваются к ней. То, что полностью не сгорит в атмосфере, упадет на планету и действительно увеличит её общую массу. Причем, тут стоит отметить - не обязательно, чтобы это были крупные фрагменты. Даже космическая пыль, которая падает к нам в изобилии, сказывается на приросте массы Земли. Ежегодно её количество увеличивает массу земли на тонны. Весь космический мусор, который падает на Землю, даёт суммарный прирост в районе 30-40 тонн в год.
Получается, что наша планета действительно становится тяжелее. Вот только на общей массе в итоге оно сказывается не так, как нам кажется. Помимо процесса увеличения количества космической пыли и прочих радостей, планета ещё и теряет некоторую массу.
В первую очередь, масса планеты уменьшается из-за улетучивания некоторых газов. Скажем, тот же водород в огромных количествах покидает нашу планету и делает её легче. На первых взгляд, это копейки, но такие копей с лихвой перекрывают космическую пыль.
Помимо этого, нам нужно помнить и конструкцию планеты. Внутри нашей планеты есть реактор, для работы которого требуется топливо. Это топливо нельзя взять из ниоткуда. Оно тоже обладает массой. В процессе сгорания и переработки оно превращается в другие продукты, в том числе и летучие, поэтому считаться, что процесс уравновешен нельзя. Эти вещества регулярно покидают планету.
Причем, само это "топливо" довольно тяжелое и его расходование приводит к значительной потере массы.
Получается, что потеря массы Землей даже иногда превышает ту массу, которая образуется в результате попадания на планету различного добра из космоса. Тут сложно называть конкретные цифры, но по приблизительным подсчетам наша планета теряет что-то около 50 тонн ежегодно. В итоге процесс не только уравновешен, но Земля ещё и легче становится.
Исходя из этого, должна меняться и сила тяготения, и силы взаимодействия с другими планетами. Ведь масса Земли фигурирует во всех расчётах. Но об этом мы расскажем в следующих статьях на канале.
Слово гистерезис обычно вызывает у человека, изучающего физику, неоднозначные эмоции. Чем-то оно напоминает катехизис, который очень похож по звучанию, но совсем непохож по смыслу, а чем-то на синхрофазотрон. Ведь не гистерезис, ни синхрофазотрон для простого читателя совсем непонятны.
Между тем, гистерезис - это один из весьма значимых для физики терминов и было бы полезно понять, что это такое и с чем это едят. Если едят...Ведь название можно соотнести и с названием какого-нибудь неведомого африканского блюда, а там уж одному Богу ведомо, что туда добавляют для вкуса.
Как и многие термины, которые приходят к нам из латыни или греческого языка, слово гистерезис тоже "заморское". Там оно не кажется каким-то необычным. К слову будет добавить, что вот к чему приводит постоянное использование иностранных аналогов русских слов. Понятно, что в физике гораздо проще говорить на одном языке со своими коллегами из других стран, но когда речь про мерчендайзеров гораздо лучше было бы использовать понятное русское слово.
Вот и слово гистерезис в переводе с греческого означает запаздывание. Всего лишь запаздывание. Зная его значение, дальше будет гораздо проще вникать в суть. Вот только есть тут и усложнение - не просто запаздывание, которое может быть при работе механического доводчика для двери, а запаздывание с определенными характеристиками.
Гистерезис характерен не только для физики. Процессы описываются по этому закону и в биологии, и в других отраслях знаний.
Изображаются процессы, которые протекают по этому закону петлёй гистерезиса, которую мы и видим в учебниках физики. Но повторюсь, не только для физических процессов характерно протекание в виде такой петли.
Глядя на график, приведенный выше, гистерезис становится чуть более понятным. Но истинный смысл всё-таки под вопросом. Что это такое нарисовано?
А изображена на графике, друзья мои, особенность реакции системы на некоторый фактор или внешний раздражитель. График иллюстрирует, что в некоторых случаях, система, на которую воздействуют, реагирует на это воздействие с запозданием. При этом, в результате протекания процесса, рассматриваемая система может вернуться в свое первоначальное состояние. Система неоднозначно зависит от величины, характеризующей условия. Именно это и изображают замкнутые кривые петли гистерезиса - ход ответной реакции и время замедления.
Проще всего это понять, разобрав магнитный гистерезис. Но повторимся, что такое течение процесса характерно не только для физики или электрофизики. Просто пример удобный.
Из практики вы знаете, что бывают материалы, которые умеют намагничиваться, а бывают, которые не умеют намагничиваться.
Если поднести постоянный магнит к алюминиевому стержню, то после того, как постоянный магнит будет убран, алюминиевый стержень ничего не примагнитит. А если взять подходящий стальной стержень сначала подержать рядом с магнитом, а потом попробовать примагнитить сами таким стержнем что-то, то стержень и без постоянного магнита будет притягивать предметы. Он намагнитился. Такой материал называется магнитно-твердым, а алюминиевый стержень из примера выше был магнитно-мягким. Но не это сейчас важно. Важна особенность сохранения этой намагниченности у стального стержня.
Стержень из стали можно размагнитить. Для этого достаточно тот самый постоянный магнит, которым мы его изначально намагнитили, поднести к стальному стержню обратной стороной, обратным полюсом. Стержень почти сразу размагнитится.
Теперь если запихнуть такой стержень внутрь катушки, а по катушке пропускать переменный ток, который будет меняться, скажем от -1А, до +1А, то процесс намагничивания стального стержня и опишет петля гистерезиса!
Когда у нас величина переменного тока достигает нуля, намагниченность образца до нуля не падает. Смотрим на точку Mr на графике. Это та самая остаточная намагниченность. Мы видели её при намагничивании постоянным магнитом. Но тут-то она плавает, потому что в катушке ток переменный.
Коэрцитивная сила, отмеченная точкой Hc - это момент, когда наш стержень внутри катушки полностью размагничен.
А что у нас внутри этой петли? Что может описывать её площадь? При некоторой доле приближения можно сказать, что это энергетические потери на каждый цикл перемагничивания образца. Логично предположить, что для изготовления сердечника трансформатора тогда нужно подобрать материал с такой минимальной площадью.
Вы можете тут сказать - ну так делайте, блин, трансформаторы вообще без сердечника. Зачем сердечник? Но ведь мы только что сказали, что если ток переменный, то магнитное поле то есть, то нет. Нам нужно этот процесс выровнять. Сделать этакий аккумулятор намагниченности. Трансформатор обычно имеет несколько обмоток. Так работает понижение или повышение напряжения. Для того, чтобы поле передавалось эффективно с одной обмотки на другую, удобно использовать сердечник. Потери тут нужно организовать минимальные. Это удобно определять по гистерезису.
Вот и получается, что гистерезис в данном случае показывает, как меняется намагниченность стального сердечника при изменении параметров электрического тока в катушке.
Петля появляется в результате того, что и сам ток у нас меняется по синусоиде. Если бы сердечник не обладал специфическими характеристиками, то намагниченность изменялась просто по прямой. Но специфика процесса тут объясняется магнитными доменами, о поведении которых мы обязательно расскажем дополнительно. Поэтому, нужно подписаться на проект, чтобы ничего не пропустить :)
Ну и напоследок отмечу, что вот так например выглядит упругий гистерезис:
Таким образом поведет себя механическая деформация системы для некоторых случаев. Обратите внимание на ступеньку и разгрузку образца.
Получается, что в гистерезисе нет никакой магии! Просто таким образом ведут себя некоторые объекты и измеряемые параметры некоторого объекта в ответ на изменение воздействующего фактора. Изменение происходит не по прямой или по параболе, а именно вот так. Петля гистерезиса - это график изменения. Специфический, но график.