УДК 530.1 ББК 22.31 Н16Земля Земля Искусственный спутник...

5

Скорость источника звука u

ная сила F¢

Скорость v

УДК 530.1ББК 22.31

Н16

НагасаваМ.Н16 Физикавокругнас/пер.с яп.К.В.Павловской. –М.:ДМКПресс,

2020. –132 с.:ил.

ISBN978-5-97060-818-0

Книгараскрываетфизическуюприродуявлений,которыемынаблюдаемрегулярноили с которыми сталкиваемся времяотвремени.Автормаксимальномасштабноподходиткосвещениюфизическихзаконов,действующихвприродеимиренаучныхдо-стижений.Домашняятехникаипредметыобихода,спортитранс-порт,светизвук–накаждуюизэтихобластейвкнигеотведенсвойраздел.Спектртемширокиразнообразен–начинаястого,почемускользитпостолутарелкасупа,изаканчиваяпринципамиработыGPS-спутников.Материализлагаетсявдоступнойформе, врасчетеналюбо-

значтельныхчитателей, которыене являются специалистамив физике,ноинтересуютсянаучнымобъяснениемявлений,встре-чающихсявповседневнойжизни.Многочисленныесхемыиил-люстрацииоблегчаютпонимание.Дляширокойчитательскойаудитории.

УДК 530.1ББК 22.31

Russian translation rights arrangedwithNIHONBUNGEISHACo., Ltd. throughJapanUNIAgency,Inc.,Tokyo

Всеправазащищены.Любаячастьэтойкнигинеможетбытьвоспроиз-веденав какойбытонибылоформеи какимибытонибылосредствамибезписьменногоразрешениявладельцевавторскихправ.

ISBN978-4-537-21391-1(яп.) Copyright©NIHONBUNGEISHA,2016ISBN978-5-97060-818-0(рус.) © Оформление,издание,перевод,

ДМКПресс,2020

5

5

Земля

Земля

Искусственный спутник

Cила тяжести F, действующая на камень A


Притянутая молекула



АB

V VЧастота колебаний f

= V/λДлина волны λ

Камень C

Камень C

Камень А

Камень А

FB

FB

FC

FC

Камень В

ная сила F¢

Скорость v

Сила всемирного тяготения F

Высота h

Радиус RРадиус вращения

h + R

Масса m

Предисловие ........................................................................................................................8

Глава 1. Жизнь и физика

Почему вода в стакане поднимается по стенкам? ............................................12Почему миска мисо-супа скользит по столу?.......................................................14Как устроен смыв в унитазе? .....................................................................................16Почему термос не выпускает тепло? .......................................................................20Как устроена скороварка, в которой можно приготовить еду за короткое время? .........................................................................................................22Как работает нагревание в индукционной плите? ............................................24Почему холодильник охлаждает? ............................................................................26Почему копировальный аппарат может делать копии? ..................................28Как устроен аэрохоккей? .............................................................................................30Как работают карандаш и ластик и стираемая шариковая ручка? ............32В чём секрет каменных мостов в виде арок, которые не ломаются и за тысячу лет? ................................................................................................................35Как устроен пульт удалённого управления, которым можно переключать каналы, а как – автоматическая дверь? ......................................38

Глава 2. Природа и физика

Почему небо бывает разных цветов? Почему днём небо голубое, а на рассвете и на закате кажется красным? ......................................................42Почему происходит северное сияние? ..................................................................44Откуда появился ветер фён? ......................................................................................46Почему холодным утром появляются ледяные иглы? ......................................48Почему холодным утром хорошо слышно звуки издалека? .........................50Почему при высокой температуре мы чувствуем себя плохо? ....................52Почему глаза кошек светятся в темноте? ..............................................................55В чём секрет рыбьих глаз? ..........................................................................................58Почему водомерки могут скользить по поверхности воды? .........................60Почему стебли однолетних растений имеют форму трубок? ........................62

Содержание

7

Земля

Земля







Активно двигающаяся молекула

Длина волны λ

Камень C

Камень C

Камень А

Камень А

FB

FB

FC

FC

Камень В

Центробежная сила F¢

ная сила F¢

Скорость v

Скорость v


Высота h


h + R

Масса M

Масса m

Узнаём тайны радуги (часть 1). Почему появляется обычная радуга? .......64Узнаём тайны радуги (часть 2). Что такое двойная радуга и округло-горизонтальная дуга? ...............................................................................66Почему в середине реки такое быстрое течение? ............................................68

Глава 3. Спорт и физика

Почему лыжники, прыгая на лыжах с трамплина, не травмируются при приземлении? ..........................................................................................................72Почему в фигурном катании вращение постепенно становится всё быстрее? ......................................................................................................................74Почему лыжи и коньки легко скользят по снегу и льду? ................................76Почему при беге на короткие расстояния стартуют с низкой позиции? .............................................................................................................................79Как предотвратить глубинную болезнь?................................................................82Какие приёмы можно использовать, чтобы кататься по волнам, занимаясь сёрфингом? ..................................................................................................84Что будет, если бить по мячу самой серединой биты? .....................................86Зачем на поверхности мяча для гольфа нужны вмятины? ............................88Почему крученые мячи вращаются? .......................................................................90

Глава 4. Транспорт и физика

Каким образом скользят вагоны с линейными двигателями? ......................94Как измеряется скорость и высота самолёта?.....................................................96Зачем к краю основного крыла самолёта прикреплена вертикальная пластина? ...............................................................................................99Как появляется подъёмная сила у самолёта? ................................................... 102Что является «движущей силой» пропеллеров, дронов и ракет? ............ 104Как устроены двигатели электричек и электромобилей? ........................... 106Почему люди не падают с американских горок? ............................................ 108Геостационарный спутник летает со скоростью 3 км/с?! ............................. 110

Глава 5. Свет, звук и физика

Почему предметы, находящиеся в воде, кажутся ближе к поверхности? .............................................................................................................. 114

7

7

Земля

Земля







АB


= V/λДлина волны λ

Камень C

Камень C

Камень А

Камень А

FB

FB

FC

FC

Камень В

ная сила F¢

Скорость v


Высота h


h + R

Масса m

Как работает линза, увеличивающая или уменьшающая объект относительно его реального размера? ................................................. 116Как устроены телескоп и микроскоп? ................................................................. 119Почему светятся светодиоды? ................................................................................ 122Что такое оптическое волокно, по которому можно передавать большие объёмы информации? ............................................................................. 124Как передаёт информацию система GPS (система глобального позиционирования)? .................................................................................................. 126Почему различается высота приближающихся и отдаляющихся звуков? .............................................................................................................................. 128Почему голос становится высоким, если вдохнуть гелия? .......................... 130

Предисловие

Этакнигапродолжаетрассматриватьтемы,поднятыев вышед-шейпримерно10летназадв издательствеNihonbungeishaкни-ге«Интереснаяи понятнаяфизика»,добавляяк ними новые,и, таким образом, является всесторонним обновлённым тру-дом.Изначальноя планировалнаписатьцеликомновуюкнигу.Я развилтемы,затронутыев «Интереснойи понятнойфизике»,по возможности внёс комментарии и данные исследований,которыеполучилзапоследние10лет.Однакоизсоображенийобъёмапришлосьисключитьизэтойкнигинесколькотем,о ко-торыхговорилосьв прошлойкниге,о чёмя оченьсожалею. Чтокасается новыхтем, появившихся здесь, я указывал наиболееактуальныеданные,консультируясьпредварительнос группойредакторов-составителей.Темы,о которыхговоритсяв этойкниге, –этотеобъектыи яв-ления,чтопроисходятилинепроисходятв нашейповседневнойжизни.Вполнеможнопрожить,ничегонезнаяо них,номнека-жется,житьстанеткудаинтереснее,есливыузнаетео них.На-верняканайдутсялюди,которыескажут,чтоэтонефизика.Од-накодляудобствая небудуперегружатьтекстподробностями,связаннымис отрасляминауки,к которымэтитемыотносятся.Думаю,чтопрелестьфизикивомногомзаключаетсяв том,чтоприродуразличныхфеноменовможнопонятьблагодарязако-наммалыхчисел,теоремами несколькимгипотезам.Мнеосо-бенноинтереснонесколькоотступитьоттого,чтоя ужеделалдоэтого,и подойтик физическимтемаммаксимальномасштабно.Предполагаемые читатели данной книги – люди, интересую-щиесяявлениями,с которымимысталкиваемсяв повседневнойжизни,нокоторыепотемилиинымпричинамнеобращаютсяк серьёзной специализированнойлитературе.Для облегчениявосприятияя минимизировалколичествоформул здесьи по-старался объяснять всё как можно более простыми словами.В книгеприведенотакжемножествоподробныхиллюстраций.Есливызаинтересуетесьчем-то,описаннымв этойкниге,и за-

хотитеузнатьобэтомболеедетально,илиостанутсявопросы,советуюобратитьсяк специализированнойлитературе.ЯоченьблагодаренгосподинуСакаМасасиизредакторско-со-ставительского отдела издательства Nihonbungeisha, предло-жившемумненаписатьэтукнигуи оказавшемуогромнуюпо-мощь в работе, а также господину Йонэда Масаки из фирмы«Эдитэ-100»,которыйпомогалмнес редактуройи составлени-емпрошлойкнигии продолжилделатьэтои сейчас.Мояболь-шая благодарностьлюдям, создавшимиллюстрации к даннойкнигеи еёдизайн.Инаконец,мояженаТокикокаждыйраз,когдая писалочеред-нуючастьчерновикаэтойкниги,просматривалаегои давалаценные комментарии. Я прислушивался к её комментариями переписывалтемоменты,накоторыеонауказывала,поэтомудумаю,чтосодержимоекнигибудетлёгкимдлячтенияи вос-приятия.Я оченьблагодаренейзатовремя,чтоонавыкраиваламеждудомашнимиделамии воспитаниемдетей,чтобыпомочьмнес моейкнигой.

МицухаруНагасаваМай2016года

Земля

Земля






Волна с частотой колебаний f


АB


= V/λ

Активно двигающаяся молекула



Камень C

Камень C

Камень А

Камень А

FB

FB

FC

FC

Камень В

Центробежная сила F¢

Скорость v


Высота h


h + R

Масса M

Масса m

Глава 1Жизнь и физика

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каОп

тика

Тепл

офиз

ика

12Ги

дрод

инам

ика

Мех

аник

а

Почему вода в стакане поднимается по стенкам?Поверхностное натяжение воды и межфазное натяжение

Еслиналитьводыв стеклянныйстакани посмотретьнанегосбоку,томожноувидеть,чтооколостенокстаканауровеньводынемногоподни-мается. Сэтимфеноменомтесносвязанытакиепонятия,какповерхностноенатяжениеи межфазноенатяжение. Всевещивокругнассостоятизмолекул.Энергияодноймолекулывыше,чему сцепленнойс другимимолекулами. Вжидкостимолекулысвободносцепляютсяс окружающимиихсовсехсторон другими молекулами, поэтому их энергия понижается. Одна-комолекулынаповерхности,в отличиеоттех,чтонаходятся глубоков жидкости,немогутсцепитьсяс молекуламинадними,посколькутамотсутствуютмолекулыжидкости,и потомуониобладаютбольшейэнер-гией. Другими словами, на поверхностижидкости (там, гдеменяетсясреда),образуетсябольшоеколичествоэнергии.Длястабилизацииэтойэнергиипроисходитповерхностноенатяжениежидкости γLV, кото-роестремитсяуменьшитьразмерповерхности. Когда из водопроводного крана капает вода, капли имеют округлуюформу,потомучтоводапринимаетформусферы,чтопритомжеобъ-ёмедаетнаименьшуюплощадьповерхности. Втвёрдыхтелахмолекулынемогутдвигатьсясвободно.Вместоэтогоониприкрепляютсяк поверхностисоседнихмолекул,и ихэнергияснижает-ся.Молекулыпритягиваются,чтобыуменьшитьповерхностьсамоготела,и этоявлениеназываетсяповерхностнымнатяжениемтвёрдыхтел γSV. Еслижидкостьи твёрдоетелосоприкасаютсяповерхностями,ихмоле-кулыпритягиваютсядругк другу,нопосколькуонипредставляютраз-личныесреды,тонагранице,гдеонинемогутобъединиться,энергияповышается,и начинаетработатьтасила,котораясокращаетплощадьповерхности.Этомежфазноенатяжение γSL,т.е.натяжение,котороевозникаетприсоприкосновениидвухсред. Вслучаесостаканом,которыймыупоминалив самомначале,силана-тяженияповерхностистекласильнее,чемсиламежфазногонатяжениямеждуводойи стеклом,и поэтомуводаподнимаетсяпостенкамстакана. Крометого,из-завязкостиводапритягиваеттемолекулыводы,кото-рыенаходятсярядом,и площадьеёповерхностиувеличивается.

Глава 1. Жизнь и физика 13

Из-за силы межфазного натя-женияводаможетподниматьсядо некоторой степени, такимобразомсохраняябаланс.Что же случится, если сделатьстаканизводоотталкивающегоматериала,напримертефлона? В случае с тефлоновым стака-ном всё будет наоборот: силанатяжения поверхности будетслабее,а силамежфазногонатя-жениямеждуводойи тефлономсильнее (из-за низкого срод-ства). Поэтому для сохранениябаланса вода будет, наоборот,опускатьсяпостенкам.

Отношения между энергией молекул и расстоянием между ними

Сила натяжения поверхности жидкости (γLV), сила натяжения поверхности твёрдого тела (γSV)

1

2

Энергия U12

Cила отталки вания

Cила притяжения

Молекула 1 Молекула 2

d12

Расстояние между молекулами d12

Равновесное расстояние

Здесь межмолекулярная сила равна 0

–U0

0

Если молекулы не слишком близко, то энергия отрицательная. В состоянии баланса энергии меньше всего

(а) В стеклянном стакане вода поднимается по стенкам

СтеклоВоздух

Часть, которая поднимается

γSV

γSL

γLV

θ

0

Вода

(b) Что происходит с водой у стенок тефлонового стакана

ТефлонВоздух

Касательная к поверхности воды в точке 0

Часть воды, которую отталкивают стенки

γSV

γSL

γLV

θ0

Вода

Касательная к поверхности воды в точке 0

Сила натяжения поверхности стекла γSV больше силы межфазного натяжения γSL. В результате вода поднимается по стенкам стакана

У тефлона сила натяжения поверхности γSV больше силы межфазного натяжения γSL. В результате вода опускается у стенок

Сила поверхностного натяжения жидкости (γLV), сила поверхностного натяжения твёрдого тела (γSV), сила межфазного натяжения (γSL) находятся в равновесии: (а) в случае стеклянного стакана; (б) в случае тефлонового стакана. Если угол 0 острый (пример: угол между водой и стеклом примерно 8°), то говорят, что вода смачивает стакан, а когда тупой (пример: угол между водой и тефлоном примерно 100°), то говорят, что вода не смачивает стакан

θ – угол контакта

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каОп

тика

14Ги

дрод

инам

ика

Мех

аник

аТе

плоф

изик

а Почему миска мисо-супа скользит по столу?Трение и законы Бойля–Мариотта и Шарля

Еслипоставитьмискугорячегомисо-супанавлажныйстолилиподнос,в какой-томоментмисканачнётслегкаскользить.Этоявлениесвязанос трением,а такжес законами Бойля–Мариоттаи Шарля.Трение –этосиласопротивления,направленнаянато,чтобыостановитьпараллель-ноедвижениедвухсоприкасающихсятел. Мискадлямисо-супаимеетцилиндрическуюподставку.Когдамыста-вимтакуюмискунавлажныйстол,топодвлияниемсилыповерхност-ного натяжения вода заполняет крошечное пространствомежду этойподставкой и столом. Вода служит в качестве смазочного материала,уменьшающегосилутрения,ивместес темсцепляетмеждусобойпод-ставкумискии поверхностьстолав томместе,гдеонисоприкасаются. Крометого,еслимискагорячая,товоздух,оставшийсятам,гдесопри-коснулись поверхность стола и подставка миски, нагреется и будетстремитьсяк расширению. Однакоиз-затого,чтоонокруженстенкамиизводы,оннеможетвыйтинаружу. Весмискимисо-супаудерживаетвоздух внутриобразовавшегосяпространства.Согласно законамБой-ля–Мариотта и Шарля, при постоянном объёме газа при повышениитемпературы повышается и давление газа. Таким образом, давлениевоздухав такомзамкнутомпространствеоказываетсявышеатмосфер-ногодавления. Поэтомусила,с которойсоприкасаютсяподставкамискии поверхностьстола, заметно ослабевает, и трение между столом и подставкой ста-новитсякрайнемалым.И если,например, столнемногонаклонён,тов действиевступаетсилатяжести,и мискаплавноскользитвниз. Однакоеслимисо-супслишкомгорячий,товодяныестенкиразрушают-ся,и воздухпузырькамивыходитнаружу.


Между столом и подставкой миски закрытое пространство, в котором вода

Когда в закрытом пространстве повышается давление газа

Подставка наклонена вправо

1

2

3

Больший масштаб

Влажный стол

Тонкая плёнка воды Вода приподнимается

Cила, образовавшаяся в результате перепада давления

(P1 – P0)S

Атмосферное давление Р0

Сила нормальной реакции N¢

Давление в закрытом

пространствеР1 (> P0)

N¢ = mg – (P1 – P0)S

Cила тяжести mg

Сила давления подставки миски на стол становится крайне малой, поэтому миска легко скользит

Закон Бойля–Мариотта и Шарля

PV = NkBTP – давление, V – объём закрытого пространства, N – количество молекул воздуха, kB – постоянная Больцмана, а T – абсолютная температура (в кельвинах). Соотношение абсолютной температуры и температуры в градусах Цельсия θ (тета): T = 273,15 + θ(средняя комнатная температура примерно 300 кельвин)

Сила нормальной реакции N (перпендикулярна к поверхности стола)

Cоставляющая силы тяжести, параллельная поверхности стола

Cила трения F

Составляющая силы тяжести, перпендикулярная его поверхности

Cила тяжести mg

Сила трения F пропорциональна силе нормальной реакции (F = μN)

Чем больше сила трения, тем меньше скользит миска

m – масса миски с мисо-супом g – ускорение свободного паденияμ – коэффициент трения

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

16

Как устроен смыв в унитазе?Устройство сифона

Историяунитазовкрайнедревняя.Изначальнолюдипользовалисьпри-родой,строилитуалетынареках,так,чтобыэкскрементыуносилотече-нием. Давайтетеперьрассмотримсистемуоткачкиводы,используемуюв со-временныхунитазах, –сифон. Сифон –этошланг,используемыйдлязабораводыизведра.Онпод-нимаетводувышееёповерхности,а затемпереноситвниз.Каквиднонасхеме1,шлангнаполняетсяводойв серединеведраи ведётк выходунижеуровняводыв ведре;такимобразомводаизведравытекаетна-ружу. Это происходит из-за разницымежду давлением воздуха (атмосфер-нымдавлениемP0)и давлениемводыу концашланга. Водав серединеведраиспытываетдавлениеводы,котораянаходитсявышенеё,и поэтомуеёдавлениеоказываетсявышеатмосферного. Тожесамоепроисходитс водойвнутрисифона.Водув верхнейчастишлангатянетвнизтавода,котораянаходитсяниженеё,и поэтомудав-лениеоказываетсянижеатмосферного. Однаководау концашлангаиспытываетдавлениеводысверху(вверх-нейчастисифона),и в результатееёдавлениеP1становитсявышеат-мосферного.Разницамеждуними атмосфернымдавлениемP1 –P0про-порциональнаразницемеждудавлениемнаповерхностиводыв ведреи у концашланга.ДавлениеP1пытаетсявыдавитьводуизшланга,а ат-мосферноедавление, наоборот, пытается вдавить его в шланг. В ито-гедавление воды у концашланга оказывается больше атмосферного,и водавыливается.Когдаводаначинаетвыливаться,тонаповерхностиводыв ведредавлениестановитсяменьше,чему концашланга,и онапостепенновыливаетсячерезначалошланга.

Гидр

один

амик

аМ

ехан

ика


Сифон перед сливом воды

Теорема Торричелли (состояние, аналогичное случаю на схеме 1)

1

2

Сифон (шланг) Давление P¢

Давление P0

Давление P0

P¢ = P0 – ρgH

Атмосферное давление P0


Высота HПоверхность

воды Ведро

Вода

Разн

ица

высо

т h

Конец шланга

Давление воды у конца шланга P1

Начало шланга Глубина h

На глубине h давление

P1 = P0 + ρgh

Платформа

Поскольку есть разница высот между поверхностью воды в ведре и концом сифона, давление воды у конца шланга P1 = P0 + ρgh (где ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения) будет выше атмосферного давления. Давление воды в верхней части шланга P¢ = P0 – ρgH (где H – высота от поверхности воды в ведре до верхней части шланга) будет ниже атмосферного давления P0.Если поднять верхнюю часть шланга на 10 м над поверхностью воды, то при атмосферном давлении P0, равном 1, давление P1 станет отрицательным, поэтому сифон не будет работать

Поверхность воды Ведро

Вода

Глубина h

На глубине h давление P1 = P0 + ρgh

Платформа



Маленькое отверстие

Скорость воды v = 2gh

Теорема Торричелли: скорость воды равна v = 2gh

В стенке ведра есть отверстие на той же высоте, что и конец шланга, поэтому эта ситуация аналогична ситуации с сифоном

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

18

В унитазах с сифонной системой смыва роль сифона играет сливнаятруба.Когдавытянетезарычаг,выливаетсябольшоеколичествоводы,и этуводувместес экскрементамивтягиваетв сифони сбрасываетв ка-нализацию. После выброса в унитазе остаётся некоторое количествоводы.Этаводанужна,чтобыв комнатунепроникалнеприятныйзапахканализационныхтруб.

Гидр

один

амик

аМ

ехан

ика


Устройство унитаза3

Ободок

Поверхность воды

ВодаНачало сифона

Начало сифона



Гидравлический затвор (сифон)

Исходное положение Состояние после того, как потянули за ручку и начала течь вода

В результате действия сифона произошёл слив воды Уровень воды в унитазе становится ниже начала водораспределительной трубы

От ободка течёт вода

Уровень воды повышается

Уровень временно повышается и заполняет водораспределительную трубу, которая начинает выступать в качестве сифона

Необходимо, чтобы уровень воды в канализации был ниже уровня воды в сифоне Возвращение к изначальному состоянию

Вода с ободка Вода с ободка

Уровень воды понижается

Уровень воды понижается

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Мех

аник

а

20Оп

тика

Тепл

офиз

ика Почему термос не выпускает тепло?

Как передаётся тепло в сосуде Дьюара

Термос –этососуд,обладающийспособностьюсохранятьтемпературу:еслиналитьв негогорячийнапиток,тоонбудетдолгоостывать,а еслихолодный –тоонбудетдольшенагреваться. Впоследнеевремятермосычастоиспользуюти дляподачикофе.Тер-мосбылизобретёнангличаниномДьюаром,поэтомуегочастоназыва-ютсосудомДьюара. Давайтерассмотримустройствотермоса.Каквиднонасхеме1,напере-дачутеплавлияюттрифактора:теплопроводность,конвекцияи излу-чение.Теплопроводность –передачатеплаотгорячегообъектак холод-номуприсоприкосновении;конвекция –передачатеплапридвижениигорячегообъекта;излучение –передачатеплаинфракраснымилучами,исходящими от нагретого объекта, которые поглощаются холоднымобъектом. Втермосеэффектотэтихтрёхпроцессовсводитсяк минимуму. Насхеме2можноувидетьстроениетермоса:ондвухслойный,внешняяи внутренняястенкипочтинекасаютсядругдруга.Чтобыуменьшитьтеплопроводность,стенкиделаютизпрочногоматериалас низкойтеп-лопередачей: как правило, из стекла или нержавеющей стали. Крометого, чтобы остановить конвекцию, вызванную движением воздуха,в пространствемеждустенкамитермосасоздаётсявакуум. Остаётсяизлучение.Чтобыуменьшитьпередачутепла,вызваннуюиз-лучением,следуетсократитьинфракрасноеизлучениемеждувнешнейи внутреннейстенками.Инфракрасноеизлучениеявляетсячастьюсве-тового,и присоблюденииопределенныхусловийонобудетотражаться.Чтобыстенкитермосанепоглощалиинфракрасноеизлучение,следуетсделатьтак,чтобыониотражалиего.Дляэтогообращённыедругк другучастивнешнейи внутреннейстенокзолотятилишлифуют,чтобыонисияликакзеркало.


Три характерных способа передачи тепла

Двухслойная структура термоса

1

2

Поверхность касания

Передача тепла


Высокая температура

Высокая температура

Низкая температура

Низкая температура

Низкая темпера-

тура

Высокая темпера-

тура

Теплопроводность

Излучение

Конвекция

Повышение

Понижение


Инфракрасное излучение

Изл

учен

ие

Погл

ощен

ие

Крышка

Внут

ренн

яя с

тенк

а

Напиток

Ваку

ум

Внеш

няя

стен

ка

Зеркальная поверхность

При использовании обратите внимание

• Термос из нержавеющей стали не разобьётся при падении, но если внутренняя и внешняя стенки прижмутся, то он станет хуже сохранять температуру.

• Если не закрыть термос крышкой, то из-за возникшей конвекции устройство перестаёт функционировать

Лёгкие и относительно хорошо сохраняющие тепло бутылки воды имеют почти такое же устройство, как и термосы. В них, чтобы не допустить конвекции воздуха, между двумя стенками вкладывают пенополистирол, обладающий низкой теплопроводностью

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

22

Как устроена скороварка, в которой можно приготовить еду за короткое время?Использование давления

Отличительная особенность скороварки – в ней можно сварить илиприготовитьнапарублюдабыстрее,чемв обычнойкастрюле. Преждечемобъяснять,каконаустроена,давайтерассмотримпроцесскипенияводы. Когдаводанагреваетсяи достигаетопределённойтемпературы,онана-чинаетпревращатьсяв газ(водянойпар) –такначинаетсяпроцесски-пения.Этутемпературуназываютточкойкипения.Когдаводаначинаеткипеть, сколькобывыеёнинагревали, ещёвышееётемпературанестанет.Этопроисходитпотому,чтовсёполученноетеплоиспользуетсядляиспарения –процессапревращенияводыв водянойпар. Далеерассмотримотношениядавленияи точкикипенияводы. Известно, что вода кипит при температуре 100 °C, однако это вернотольконавысоте0метровнадуровнемморяприатмосферномдавле-ниив 1 атмосферу (примерно100килопаскалей).В общем,чемвышенадуровнемморяместность,темнижеатмосферноедавление,а зна-чит,и темнижетемпературакипенияводы.Например,навершинегорыФудзи атмосферное давление – 0,6 атмосферы, поэтому температуразакипания воды – примерно 87 °C. Часто говорят, что рис, приготов-ленныйнавысокойгоре,невкусный.Этопроисходитпотому,чтоводаиспаряетсяпрежде,чемнеобходимоеколичествотеплаподействуетнарис,поэтомув серединекрупаостаётсятвердой. И наоборот, когда атмосферное давление выше, температура кипе-ния воды также повышается. Например, при атмосферном давлениив 1,6 атмосферыводазакипаетпри113°C. Вскороваркеискусственносоздаётсяповышенноедавление. Когдаводаначинаетиспарятьсяи превращатьсяв пар,еёобъёмувели-чиваетсяпримернов 1000раз.Еслинепозволитьейувеличитьсяв объ-ёме, а закрыть в ограниченном пространстве, то давление повысит-ся.Когдаготовишьедупритемпературевыше100°C,тоингредиентыбыстреенагреваются.Таккакимжеобразомсоздаётсянужноедавление?

Тепл

офиз

ика


Дляэтогоиспользуетсяособаякрышка,в которойтам,гдедолженвы-ходитьпар,установленыутяжелительи пружина.Еслидавлениенижезаданного,токрышкаплотнозакрывается,а есливыше,топриоткрыва-ется,чтобывыпуститьнекотороеколичествопараи снизитьдавление.Повторяяэтотпроцесс,скороваркаподдерживаетпостоянноедавление.Можносоздаватьдавление,необходимоедлякаждогоконкретногоблю-да,регулируявесутяжелителяи силупружины.Наслучай,есликрышкаперестанетработать,естьтакжедополнительнаязащитнаякрышка. Еслив скороваркенетводы,тонети давления.Поэтомуеёиспользуютдляприготовленияблюдс высокимсодержаниемвлаги,такихкакмясос овощами.Давайтебудемвнимательныи небудемиспользоватьско-роваркудляприготовлениясухихпродуктов.

Принцип действия скороварки с утяжелителем

Точка кипения воды при разном давлении

1

2

Утяжелитель

Утяже-литель

Клапан закрыт

Защитная крышка

Давление ниже установленного

Давление выше установленного

Пар Пар

Клапан открыт

Под давлением пара утяжелитель поднимается

Точк

а ки

пени

я

150

100

50

00 1 2 Давление (в атмосферах)

Почти все скороварки имеют рабочее давление 60–100 кПа (в пересчёте на температуру кипения – 113–120 °C). Рабочее давление – это разница давления в скороварке и 1 атмосферы. Если рабочее давление 60 кПа, то скороварка создаёт давление в 1,6 атмосферы

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

24Во

лнов

ая ф

изик

а

Как работает нагревание в индукционной плите?Электромагнитная индукция и индукционный нагрев

Внекоторыхмногоэтажныхмногоквартирныхдомах,полностьюэлект-рифицированныхилитех,гдестоитограничениепоиспользованиюга-за,дляприготовленияпищииспользуютсяиндукционныеплиты.Да-вайтерассмотрим,какиндукционныеплитынагреваютпоставленныенанихкастрюли. Вещество, получая воздействие от окружающей среды, стремится повозможностисохранитьизначальноесостояние.Представимсебеситуа-цию,когдасвободнодвижущиесямногочисленныеэлектроныметалли-ческойпластиныприближаютсяк магниту.В такомслучаемагнитныйпоток,пропорциональныйсилемагнита, вторгаетсяв металлическуюпластину, а металл стремится сохранить своёизначальное состояние,когдамагнитныйпотокбылравеннулю. Электричествои магнетизмтесносвязаны,и электрическийток,подоб-номагниту,создаётмагнитноеполе.Поддействиеммагнитногопотокав металлевозникаетсобственныйиндуцированныйток(вихревойток),который создает противоположно направленный магнитный поток,минимизируявоздействиенанего.Этоявлениеназываютэлектромаг-нитнойиндукцией. В металлической кастрюле, имеющей большое электрическое сопро-тивление, из-за электромагнитной индукции происходит нагреваниевихревым током – так работает индукционная плита. Подобный ме-тод нагревания называютиндукционнымнагревом. На самомделев индукционныхплитахвместопостоянногомагнитаподконфоркаминаходится электромагнит,накоторыйподаетсяпеременныйток, соз-дающиймагнитноеполес периодическименяющимисяполюсами.По-сколькуиндукционныеплитыотдаюттеплонепосредственнокастрюле,получениетепловойэнергииизэлектричествапроисходитгораздоэф-фективнее. Бываютнизкочастотныеиндукционныеплиты,использующиекоммер-ческую частоту (50–60 Гц), и высокочастотные плиты, использующиепеременныйтокчастотойв 20–60кГц,получаемыйс помощьюинвер-тора.Средивысокочастотныхплитв последнеевремяначалипродаватьтакие,длякоторыхможноиспользоватьнетолькообычныеэмалиро-ванныежелезные кастрюлиили кастрюлииз нержавеющей стали, нои бронзовые,алюминиевыеи кастрюлииздругихметаллов.

Опти

ка


Силовые линии, созданные постоянным магнитом и электромагнитом1

Силовые линии магнитного поля N S

Cиловые линии магнитного поля

Электрический ток

Под действие переменного тока силовые линии магнитного поля, создаваемого электромагнитом, меняют свое направление. Если увеличить ток, увеличится и магнитное поле

Возникновение вихревых токов 2

N

SЕсли металлическая пластина отдаляется или приближается к магниту, то под его действием в пластине возникают вихревые токи, направление которых зависит от того, приближается или удаляется магнит

Вертикальный магнит

Отдаление

Удаление

Приближение

Приближение

Вихревые токи в виде концентрических кругов

Силовые линии магнитного поля

Направление вихревых токов

Металлическая пластина

Возникновение вихревых токов 2

Железная кастрюля

Вихревые токи образуются преимущественно в дне кастрюли

Верхняя пластина

ток идёт по часовой стрелке

ток идёт против часовой стрелки

Переменный ток

Электромагнит в виде пластины

Магнитные потоки, вызванные нагревателем (силовые линии

магнитного поля)

Коэффициент полезного действия (КПД) индукционных плит, в особенности высокочастотных, более 90 %, в отличие от обычных электрических с КПД в 50 %. Однако он будет гораздо ниже при использовании бронзовой и алюминиевой посуды

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

26Эл

ектр

омаг

нети

зм

Почему холодильник охлаждает?Термодинамические циклы и эффект Пельтье

Холодильник –одинизсамыхнезаменимыхнакаждойкухнебытовыхприборов. В работе холодильникадля охлажденияиспользуютсятермодина-мическиециклыи термоэлектрическийэффект. Сначала поговорим о способе охлаждения, используемом в обычныхдомашних холодильниках. Термодинамическийцикл включает в себякомпрессиюи удельнуютеплотупарообразованияи конденсации. Вдомашниххолодильникахиспользуютсятакиевещества-хладаген-ты, как, например, изобутан. Хладагенты находятся в газообразномсостоянии, но при обыкновенной температуре с высоким давлениеммогутстановитьсяи жидкостью. Газообразныйхладагентсначаласжимаетсяв компрессоре,затемпере-мещаетсяв конденсатор,гдеонстановитсяжидкостью. Потомэтажидкостьчерезрасширительныйклапаниликапиллярнуютрубкупередаётсяв испаритель, гдепонижаетсядавлениеи,следова-тельно,снижаетсяточкакипенияжидкости,жидкостьначинаетактив-нокипетьи испаряться,забираяизокружающейсредытеплоиспа-рения,температурапонижается. Хладагентпослекипениявновьв газообразномсостояниивозвращает-сяв компрессор,повторяеттотжепутьи охлаждаетпространстворядомс испарителем. Вэтомметодеохлаждениядлясжатияхладагентаиспользуетсякомп-рессор,чтовызываетвибрациюи шум. Чтобыизбежатьих,используютсяхолодильники,в которыхтеплопере-даётсябезмеханическогодвиженияблагодаряохлаждениюс помощьюэлементаПельтье.ЗдесьиспользуетсяэффектПельтье– термоэлектрическоеявление пе-реносаэнергииприпрохожденииэлектрическоготокав точкесопри-косновенияметаллаи полупроводника.Поглощённоеоднойсторонойтеплопередаётсядругой.

Тепл

офиз

ика


Термодинамический цикл холодильника

Движение тепла, обеспеченное элементом Пельтье

1

2

Расширительный клапан или капиллярная трубка

Давление среды понижается

Испаритель

Поглощение тепла

Конденсатор Выделение тепла

Выделение тепла

Выделение тепла

Движение среды

Движение среды

Компрессор

Давление среды повышается

Сейчас в качестве хладагента чаще всего используют изобутан. Ранее это был фреон, но он вредил озоновому слою, поэтому сейчас его применение ограничено

Металлическая пластина

Полупроводник n-типа

Полупроводник р-типа

Элек

трич

ески

й то

к



Источник постоянного тока Плюс Минус

В элементе Пельтье, как и в диоде, используются полупроводники с разным типом проводимости. Если через них пропустить ток,то один из них сильно нагревается, а другой охлаждается. Величина вырабатываемого тепла и холода зависит от величины пропускаемого тока. Если изменить направление тока, то и стороны нагрева и охлаждения так же поменяются местами

Что такое эффект Пельтье?

Эффект Пельтье был открыт в XIX веке французским учёным Жаном Шарлем Пельтье. Сначала элемент Пельтье не имел практического применения, но с изобретением полупроводников он стал применяться не только в специальных охлаждающих устройствах, но и для охлаждения больших пространств, например винных погребов

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

28

Почему копировальный аппарат может делать копии?Применение статического электричества

Когдавоздухсухой,приснятииодеждыможетраздатьсяпотрескиваю-щийзвук.Этоработастатическогоэлектричества.В случаес одеждойономожетбытьнеприятным,ноононеобходимодляработыкопировальныхаппа-ратови принтеров. Сначала давайте разберёмся, как копировальный аппарат считываеттекст.Бумагавыглядитбелой,потомучтохорошоотражаетсвет.И наоборот,написаннаяручкойбуквавыглядитчёрной,потомучтотачасть,гдена-писанабуква,почтинеотражаетсвета.В копировальномаппаратетекстяркоосвещаетсяи затемраспознаётсяблагодарясилеилислабостиот-ражениясвета;таконпонимает,гденаходятсябуквыи какойонитол-щины. Теперьпоговоримо том,каксчитаннаяинформацияпередаётсянадру-гойлистбумаги. Материалы,плохопроводящиеэлектрическийток,напримерпластик,называютизоляционными,а металлыи другиематериалы,хорошопро-водящиеток,–проводниками. Изоляционныематериалымогутнакапливатьнаповерхностиэлектри-ческие заряды, вызывающие статическое электричество, а проводни-ки –нет.Поэтомуеслипотеретьо волосыпластиковуюподкладку,товолосывстанутдыбом,а еслиметаллическуюпластину,тонет. Восновеработыкопировальногоаппараталежитфоторецептор.В обыч-номсостоянииэтоизоляционныйматериал,нокогдананегопопадаетсвет,онстановитсяпроводником. Всовершеннотёмнойкомнатенаповерхностифоторецепторанакап-ливаетсяэлектрическийзаряд,такчтожебудет,еслинаправитьнанегооченьяркийсвет? Течасти,кудапопалсвет,становятсяпроводниками,и электрическийзарядуйдёт,а в частях,оставшихсятёмными,останется.Наэтомэтаперазбрызгиваетсятонер (мелкийчёрныйпорошок, главнымобразомсостоящий из углерода), который благодаря электростатическомуиндукционномутокупереноситсянатеместа,гдеестьэлектриче-

Элек

тром

агне

тизм


скийзаряд.Затемк фоторецепторуприжимаютлистбумаги,и тонерокрашиваетчёрнымтолькотечасти,куданепопадалсвет.Наделев копировальныхаппаратахи принтерахпроисходитпроцесс,называемыйкорональнымвыбросом.С помощьювольфрамовойпро-волокинаповерхностифоторецептораравномернораспределяетсяот-рицательныйэлектрическийзаряд.Затемнафоторецептор,считавшийоригинальныйтекст,наноситсято-нер,текстстановитсязеркальноотражённым,и нанегонаправляетсясильный свет. Копирование завершается нагреванием бумаги, чтобызакрепитьтонернаней.Послеочисткифоторецепторапроцессповто-ряется.Лазерные принтеры и светодиодные принтеры в основном устроеныточнотакже.Разницав том,чтотекстпечатаютнес бумаги,а изпамятикомпьютера,точноегорегулируютлазернымилучамиилисветодиода-ми,направленныминафоторецептор,а затемпечатаютнабумаге.

Краткая схема процедуры сканирования

Текст Направление сканирования

Считывающее устройство

Считывание символов текста

Отзеркалив считанную информацию, копировальный аппарат передаёт её в экспонирующее устройство Фоторецептор

Экспонирующее устройство

Нагревание фиксирует тонер

В фоторецепторе равномерно

распределено статическое

электричество

Свет падает туда, где нет символов

Разбрызгивается тонер

Тонер переносит текст на прижатый

лист бумаги для копирования

Лист бумаги с копией

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

30

Как устроен аэрохоккей?Ослабление трения из-за давления воздуха

Аэрохоккей –этоизвестнаяигра,которуючастоможновстретитьв игро-выхцентрах.Онасостоитв том,чтопогладкойверхнейповерхностистоласкользитшайба(пластиковаяв формедиска),соперникиборютсязаочки,забиваяшайбув «ворота»соперника. Давайтерассмотрим,какшайбаскользитпоповерхности. Наповерхностистоладляаэрохоккеяестьмножествоотверстий,веду-щихвнутрьстола(воздушныекарманы).Изкомпрессоравоздухна-правляетсяв воздушныйкарман,а затемончерезотверстиянаповерх-ностистолавыдуваетсянаружу. Чтобышайбамоглалегкоскользитьпоповерхности,нужно,чтобыдав-лениев воздушныхкарманахбыловыше,чематмосферное.Дляэтогов аэрохоккеепредусмотренытолстая верхняяповерхность столаи отверстияс небольшимпоперечнымсечением.Чтобывоздухмогвыходитьчерездлинныеи узкиеотверстиямаленько-годиаметра,необходимовысокоедавление,способноепреодолетьсо-противлениевязкостивоздуха(большаяразницав давлениях). Встоледляаэрохоккеяблагодаряузкими длиннымотверстиямв толс-тойповерхностидавлениев воздушныхкарманахP1больше,чематмо-сферноедавлениеP0. Когданаповерхностьстолакладутшайбу,она,подобнокрышке,закры-ваетподсобойвоздушноеотверстие,воздухнеможетвыйти,и поэтомудавлениевоздухаподшайбойдостигаетвеличиныдавленияв воздуш-номкармане. Затем, благодаряразнице с атмосфернымдавлением, вступает в дей-ствиесила,направляющаяшайбувверх.Этанаправленнаявверхсилауравновешиваетсянаправленнойвнизсилойтяжести,и шайбакакбыскользитпоповерхности. Такимобразом,из-заразницыв давлениимеждуверхоми низомшайбалегко,безтрения,скользитпоповерхностистола,и чтобызаставитьеёдвигаться,ненадоприкладыватьмногосилы.

Гидр

один

амик

аМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика


Устройство шайбы и стола для аэрохоккея

Изменение давления воздуха

Как разница в давлении воздуха двигает шайбу

1

2

3

Шайба

ШайбаУглубление

Бортик

Шайба имеет небольшие ровные бортики, а посередине есть небольшое углубление

Компрессор

Поверхность стола

Выдув воздуха


Отверстие

Давление P1 (> P0)



Воздушный карман



Воздух

Крышка


Скорость течения

воздуха v

Р1

Толщ

ина

пове

рхно

сти

L

Давление постепенно понижается (балансирование давления)

A – поперечное сечение отверстия; L – длина отверстия; η – коэффициент вязкости воздуха

Скорость течения воздуха

v =A(P1 – P0)

ηL


Направленная вверх сила, вызванная разницей давления между верхом и низом шайбы

Шайба Сила тяжести

Тонкий слой воздуха Тонкий слой воздуха (давление ~ P(давление ~ P11) )

Течение воздуха, выходящего через отверстия

Отверстие Из-за разницы давления между верхом и низом шайба как бы находится на воздушной подушке, давление в которой примерно равно P1, поэтому она почти парит над поверхностью стола

Если выходное отверствие закрыть крышкой, это станет помехой движению воздуха, и давление постепенно станет таким же, как в воздушном кармане

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

32

Как работают карандаш и ластик и стираемая шариковая ручка?Сродство и теплота трения

Хотьмногиеи говорят,чтомыужевступилив цифровойвек,когдавсяинформациябудетв компьютерах,покавсёженевозможносебепред-ставитьжизньбезбумагии карандаша. Вкачествепрототипадлястержнякарандашавыступилобнаруженныйв XVIвекев Англииграфит –чёрноевещество.Онимеетследующеестроение:несколькослоёватомовуглеродав видешестиугольныхсот,сложенныхдругнадруга. Вместахсоприкосновениясоединениемеждуслоямислабое,поэтомуихлегкоможноразделить –этосвойствоназываетсярасщеплением.Карандашоставляетследыотбуквнабумагеблагодарятому,чтографитцепляетсязарастительныеволокнабумагии легкообнихстирается. Когдапишетекарандашом,ластикпростонезаменим.В XVIIIвекеанг-личанинДжозефПристлислучайностёрнаписанноекарандашомнабу-магекускомрезины:тобылпервыйластик,и завсёэтовремяонсталтаким,какиммыпользуемсясейчас. Материал,изкоторогоделаютластики,имеетвысокуюстепеньсрод-ствак графиту,поэтомуонещёлучше,чембумага,цепляетегонасебя.Это свойствоиллюстрируети следующийпример: еслик написаннойкарандашомбуквеприжатьластик,тобукваотпечатаетсянанём. Ластикработаеттакимобразом,чтоеслипотеретьимповерхностьбу-маги,токажется,какбудтопоказываетсяновыйслойповерхности.Еслипродолжатьтеретьластикомграфит,сцепившийсяс волокнамибумаги,тобудутпоявлятьсявсёновыеслои.Такимобразомвозможностеретьнаписанноекарандашом. Впоследнеевремяпопулярныстановятсяи шариковыеручки,напи-санноекоторымиможностирать:ластикидлянихделаютизкамеди. Если чернила в такой ручке нагретьдо 65 °C, то они обесцветятсяи останутсятакимидажепослеохлаждения(этосвойствоназывает-сябесцветность).Поэтомувсё,написанноетакойручкой,подвоздей-ствиемтеплотытрениякамедио бумагуисчезает. Чтоинтересноприработес подобнымичернилами –исчезнувшиеподвоздействиемтепласимволыпослеохлаждениябумагидо–20°Cсновапроявятся(этосвойствоназываетсявозвращениецвета).В морозил-

Мех

аник

аТе

плоф

изик

а


кедомашнегохолодильника(примерно–18°C)этопроверитьтрудно,ноеслииспользоватьсухойлёдилижидкийазот,тов этомможноубе-диться.Стержнив современныхкарандашахделаютизсмесиграфитаи глины,запечённойпритемпературепримернов 1000°C,а затемпропитываютмаслом.Длястержнеймеханическихкарандашейвместоглиныисполь-зуетсяполимернаясмола. Слойграфитатолщинойв одинатомназываетсяграфен,и заегооткры-тиеАндреюГеймуи КонстантинуНовосёловув 2010годубылаприсуж-денаНобелевскаяпремияпофизике.Посколькуграфенимееттолщинувсегов одинатом,онобладаетвысокойпрозрачностьюи легкопрово-дитэлектричество.Используяэтисвойства,учёныеактивноисследуютспособы его практического применения, например в качестве мате-риаладляизготовленияэлектродовмониторов.

Кристаллическое строение графита 1

Атом углерода

6,71 нм

3,35 нм

1,42 нм нм – нанометр

34 Глава 1. Жизнь и физика

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

Разница в стирании карандаша и чернил стираемой шариковой ручки

Особенности чернил в стираемой шариковой ручке

2

3

Ластик

Бумага

Бумага

Ластик стирает символы, отрывая атомы графита от бумаги

Пластик для стирания

В стираемой шариковой ручке при трении ластика о бумагу чернила нагреваются до 65 °C и более

и становятся невидимыми

Температура

Бесцветность

А

А

Примерно 65 °C

Комнатная температура

0 °C

Примерно –20 °CВозвращение цвета

Примечание: фрикционный шарик – торговый знак компании PILOT

Мех

аник

аТе

плоф

изик

а

Глава 1. Жизнь и физика

ЭлектромагнетизмКвантовая механика

Волновая физикаГефизика

ГидродинамикаОптика

Теплофизика

35М

еханика

В чём секрет каменных мостов в виде арок, которые не ломаются и за тысячу лет?Закон действия и противодействия

Издревлелюдиначалистроитьсооруженияв формеарок,напримерак-ведуки,которыевозводилив ДревнемРиме. Кажется, что в серединетакого каменного сооружения аркуничтонеподдерживает.Давайтеразберёмся,почемужетакиемостымогутсто-ятьболее1000лети необрушиваться.Накамни,изкоторыхпостроенарочныймост,действуетсилатяжести,пропорциональнаямассекамняи направленнаявертикальновниз. Еслиподнятькаменьв воздух,а затемразжатьруку,тоонупадёт,од-нако если его положить натвёрдую ровнуюповерхность, то он будетлежатьнеподвижно.Этопроисходитпотому,что,какпоказанонасхе-ме 2,помимодействиясилытяжести,направленнойвниз,накамень,положенныйнаповерхность,действуеттакжеи нормальнаяреакцияопоры,и этидвесилыуравновешиваютдругдруга.Чтобыподдерживатькамнив центреарки,нужнасила,соответствую-щаяпротиводействиюповерхности. Секрет арочных мостов – в форме камней. Если присмотреться, онив разрезепредставляютсобойнеквадраты,а трапеции. Насхеме3видно,чтоближек центрумостав видеаркикамниувеличи-ваются.КаменьAдавитнакамниBи Cпобокамотнего,этодействие –сила,направленнаявниз.В результатекаменьAполучаетоткамнейBи Cпротиводействие –силу,направленнуювверх.Еслисравнитьдей-ствиеи противодействие,то окажется, что сила, направленная вверх,находитсяв балансес действиемсилытяжестикамняA.Другимислова-ми,камнив арочноммостедавятнасоседние,и в результатепро-тиводействиеподдерживаетихсобственныйвес.Посколькукамнидавятдругнадругасильнее,чемнанихдействуетсилатяжести,и этасиласжатияоченьвелика,тоеслинеошибитьсяс подборомкамней,топроблемнебудет.

36Эл

ектр

омаг

нети

змКв

анто

вая

меха

ника

Волн

овая

физ

ика

Гефи

зика

Гидр

один

амик

аОп

тика

Мех

аник

аТе

плоф

изик

а

Однаковесвсегомостаподдерживаетповерхностьс обеихсторонарки,поэтомуеслинеобеспечитьв этойчастинадёжнуюоснову,томостраз-рушится.Создаётся деревянная опора, на неё аккуратно укладываются камни,послечегодеревяннуюосновуубирают.Есликамнисложеныплохо,тоонираспадаютсясразужепослетого,какубираютдеревяннуюоснову. Аркипришлик намсквозьвека,и ихустройствунаходитсяприменениедаже сейчас.Например,для стенокдамб и тоннелей, где необходимабольшаякомпрессионнаясила.

Арочный мост

Когда центральный камень положили на поверхность

1

2

Камень AКамень В Камень С

Сила тяжести, действующая на камень A

Камень A

Нормальная реакция опоры N

Сила тяжести и нормальная реакция опоры находятся в балансе (F = –N), поэтому камень не утопает в поверхности

Нормальная реакция опоры – это сила, отталкивающая камень от поверхности (противодействие)

m – масса камня g – ускорение свободного падения

Поверхность Сила тяжести F = mg

Сила тяжести, действуя на камень, вдавливает его в поверхность (действие)

Мех

аник

а


Три камня в центре арки

Закон действия и противодействия

Ферменная конструкция

3

4

5

Камень A

Камень A

Камень B

Камень C

Камень В

FB

FB

FC

FC

Камень ССилу тяжести F, действующую на камень A, можно разложить на силу FB, с которой камень A давит на камень B перпендикулярно к его поверхности, и силу FС, с которой камень A давит на камень C перпендикулярно к его поверхностиCила тяжести F, действующая на камень A

Сила противодействия силе тяжести F; пребывает в равновесии с силой тяжести,

действующей на камень A, равна –F

Сила противодействия силе FC , равна –FC

Сила противодействия силе FC , равна –FC

Камень A получает противодействие от камня B (–FB) и от камня C (–FC)


Cила F, с которой палец давит на объект (действие)

Cила F , с которой объект давит на палец (противодействие)

Палец Палец

F FF

Объект Объект

Силы действия и противодействия равны, но направлены противоположно

В настоящее время благодаря появлению материалов, устойчивых к сжатию и натяжению, отпала насущная необходимость в арочных конструкциях. На рисунке изображена ферменная конструкция, часто используемая для железнодорожных и других мостов

Кван

това

я ме

хани

каГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Мех

аник

аТе

плоф

изик

а

38Во

лнов

ая ф

изик

аЭл

ектр

омаг

нети

змОп

тика

Как устроен пульт удалённого управления, которым можно переключать каналы, а как – автоматическая дверь?Использование инфракрасных лучей

В последнее время почти во всех электронных приборах используютпультыдистанционного управления. В большинстветакихпультовинфракрасныелучипередаютсигналыв светоприёмноеустройство прибора. Длинаволныинфракрасныхлучей –несколькодесятковмикрометров,поэтомуувидетьихневооружённымглазомневозможно.Однакоесливзять,например,цифровуюкамеруи навестиеёнапульт,тов объективепринажатиинакнопкупультаможноувидетьмерцаниетам,гдепро-ходитсигнал.Используемыев камерахПЗС-матрицыи светочувстви-тельныематрицыпозволяютпойматьи изобразитьтот свет,которыйневозможноразличитьчеловеческимвзглядом.Итак,какойжесигналпередаётсяизпульта? Еслисигнал,отправленныйс пультадистанционногоуправления,по-смотретьнаэкранеосциллографасо встроенныминфракраснымдатчиком,сопротивлениекоторогоизменяется,когдананеговоз-действуютинфракрасныелучи,становитсяпонятно,чтоприна-жатиикнопокВКЛи ВЫКЛгенерируютсясигналыразнойдлины,скоростькоторыхсоставляетпримерноот0,5до1,2мм/с.Цифровыесигналы,передаваемыеинфракраснымпультом,немногоотличаютсяпринажатииразныхкнопок. Светоприёмное устройство анализирует разницу в периодичностиморганиясвета,определяет,какаякнопкабыланажата,и переключаетканал. Кстати,еслинажиматьнакнопкипульта,направиввыпускающуюсветегочастьк стене,токаналывсёравнопереключатся.Этопроисходитпотому,чтоинфракрасныелучиотражаютсяотстеныи достигаютсветоприёмногоустройствателевизора. Инфракрасные лучи используются также в автоматических дверяхи кранах в раковинах – в них установленыдатчики, реагирующиенаприближениелюдей(датчикидвижения).


Инфракрасный сигнал, передаваемый из пульта

Как инфракрасные сигналы преобразуются в 0 и 1

1

2

Сигнал Сигнал Сигнал

СигналПауза Пауза Пауза

Светящаяся часть Когда нажимаешь кнопку на пульте, от передатчика сигнал передаётся несколько раз с небольшими интервалами. Поэтому, если взять цифровую камеру и навести её на пульт, в объективе можно увидеть, как передатчик сигнала на пульте мигает

Ниже показан передатчик сигналов в тот момент, когда нажимают на кнопки разных каналов

1-й канал

2-й канал

6-й канал

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 00 1

1

1

Команда из 7 бит включения 1-го канала

0, в двоичной системе 0000000



~0,5 мс ~0,5 мс ~1,2 мс

Здесь представлен пример того, как передаваемые инфракрасные сигналы преобразуются в 0 и 1 при нажатии на кнопки переключения каналов телевизора

Пример разницы между 0 и 1 в инфракрасных сигналах (небольшое опережение)



Камень В

40 Глава 1. Жизнь и физика

Элек

тром

агне

тизм

Кван

това

я ме

хани

каВо

лнов

ая ф

изик

аГе

физи

каГи

дрод

инам

ика

Опти

каМ

ехан

ика

Тепл

офиз

ика

Датчикидвижениямогутбытьв пассивноми активномрежимах. Впассивномрежимеиспользуетсяпринцип,согласнокоторомуповерх-ностьтелачеловекаиспускаетинфракрасныелучи.Онизамечаютиз-менениеколичестваинфракрасныхлучей,достигающихдатчикови на-правленныхизопределённыхмест,и такопределяютблизостьчеловека. Вактивномрежимедатчикинаблюдаютзаперехватчикомотраженийи инфракраснымилучами,направленнымив определённыеместа.Онимогут заметить приближение и холодного объекта, не испускающеготакмногоинфракрасныхлучей.

Когда инфракрасные лучи действуют прямо на приёмник и когда через отражение

Пример использования датчика движений (пассивный режим)

3 4

Телевизор Светоприёмное устройство

Стен

а

Пульт

Пульт

Поскольку инфракрасные лучи – это электромагнитные волны, они могут также отражаться от стен

Датчик

Кран

Раковина

Инфракрасные лучи

Рука

Датчик воспринимает инфракрасные лучи, исходящие от человеческой руки

Волн

овая

физ

ика

Элек

тром

агне

тизм

Опти

ка

УДК 530.1 ББК 22.31 Н16Земля Земля Искусственный спутник...

Documents