Журнал «ДЛЯ УЧНІВ - Фізика для допитливих»

Фізика навколо нас

Граз природою

Астрономічнасторінка

Науковамозаїка

Вони створювалифізику

Домашнялабораторія

Історія науки

Фізичніцікавинки

1

1

2

2

2

0

8

8

4

6

2

2

0

LCD-телевізори.Що таке циклон?

Стрибунець

Вчимося знаходити Малу Ведмедицю, Кассіопеюй Дракона

Чи не застаріветалон кілограма?Інші цікаві фактиз життя фізики

Цей геніальнийБлез Паскаль…

Чарівніпалички

Перші успіхиекспериментальноїфізики

Віршованізадачі

Фізика • 10/2012 1для допитливих

Зміст

Перші успіхи експеримен-тальноїфізики

XVII століття —доба перемоги науковоїреволюціїПриблизно від 40-х років XVI ст. до

40-х років XVII ст. відбувався складний процес заміни середньовічного світо-гляду й науки новим світоглядом і но-вою, ґрунтованою на досліді й практиці наукою. Було проведено велику роботу з обґрунтування й зміцнення геліоцен-тричної моделі світу, з розробляння ме-тодологічних засад нової науки.

10/2012 • Фізика2для допитливих


Розвиток механіки Успіхи експериментального й мате-

матичного методу позначилися насам-перед на поступі механіки. Уже Лео-нардо да Вінчі по-новому підійшов до статичних і динамічних задач механі-ки. XVI ст. було часом освоєння антич-ної спадщини. Федеріко Коммандіно (1509—1575) переклав праці Евкліда, Архімеда, Герона, Паппа Олександрій-ського. Гвідо Убальдо ввів у науковий обіг термін «момент». Цей термін узагалі широко використовували в XVI і на по-чатку XVII ст., зокрема ним послугову-вався Галілео Галілей, однак у працях Г. Убальдо він найбільше підходить до сучасного поняття «статичний момент сили». Г. Убальдо показує, що для рів-новаги важеля важливі значення сил і довжини перпендикулярів, опущених із точки опори на лінії дії сил (вантажів). Сукупність обох факторів, що обумов-люють дію сили у важелі, він називає моментом і формулює умову рівнова-ги важеля у вигляді рівності моментів.

Основна заслуга Г. Галілея полягає в обґрунтуванні динаміки. Йому нале-жить фундаментальне відкриття неза-лежності прискорення вільного падіння від маси тіла, яке він зробив, спросто-вуючи думку Аристотеля, що швидкість падіння тіл пропорційна їхній масі. Г. Га-лілей показав, що ця швидкість одна-кова для всіх тіл, якщо відволіктися від опору повітря і якщо вона пропорційна часу падіння. Пройдений же у вільно-му падінні шлях пропорційний до ква-драта часу.

Леонардо да Вінчі

Галілео Галілей


Новий підхід до статичних проблем ми віднаходимо в класичній праці «На-чала статики» голландського інженера й математика Симона Стевіна (1548–1620), якому математика зобов’язана появою десяткових дробів. Матема-тичний підхід С. Стевіна поєднував із дослідом і технічною практикою. На титульному аркуші трактату вченого намальована похила площина, оповита ланцюгом, складеним зі з’єднаних куль. Напис над ілюстрацією говорить: «Див-но і не диво». С. Стевін зрозумів вектор-ний характер сили і вперше сформулю-вав правило геометричного додавання сил. Розглядаючи рівновагу ланцюга на трикутнику, дослідник встановив, що якщо три сили паралельні сторонам трикутника і їхні модулі пропорційні дов жині цих сторін, то вони врівнова-жуються. У творі С. Стевіна також міс-титься принцип можливих переміщень

для поліспаста: у скільки разів поліспаст дає виграш у силі, у стільки ж раз про-грає в дорозі, тобто менший вантаж проходить більший шлях.

Особливо важлива частина тракта-ту С. Стевіна присвячена гідростатиці. Учений доводить далі шляхом логічних міркувань і підтверджує експеримен-том, що тиск рідини на дно посудини визначається площею дна й висотою рівня рідини і не залежить від форми посудини. Значно пізніше цей гідро-статичний парадокс виявив Б. Паскаль. Як практик-кораблебудівник, С. Стевін розглядав умови плавання тіл, визна-чав тиск рідини на бічні стінки посуди-ни, розв’язуючи питання, важливі для кораблебудування.

Таким чином, С. Стевін не тільки від-новив результати Архімеда, а й розви-нув їх. З нього починається новий етап в історії статики і гідростатики.

Симон Стевін

Обкладинка трактату С. Стевіна



Розвиток оптики Досягнення науки стали на службі

техніки. Паралельно з механікою поча-ла розвиватися оптика. Тут практика ви-передила теорію. Голландські майстри окулярів сконструювали першу підзо-рну трубу, не знаючи закону заломлення світла. Цього закону не знали Г. Галілей та Й. Кеплер, хоча останній правильно креслив хід променів у лінзах і системах лінз. Закон заломлення сформулював голландський математик Віллеброрд Снелліус (1580–1626). Однак не опри-люднив його. Уперше опублікував та обґрунтував цей закон за допомогою моделі частинок, що міняють швидкість руху, переходячи з одного середовища в інше, Рене Декарт у своїй праці «Ді-оптрика» в 1637 р. Зв’язок із практи-кою, з оптичним виробництвом взагалі характерний для оптики XVII ст. Най-відоміші вчені цієї епохи, починаючи від Г. Галілея, власноруч виготовляли оптичні прилади, обробляли поверхню

скла, вивчали й удосконалювали досвід практиків. Ступінь обробки поверхонь лінз, які виготовив Е. Торрічеллі, була настільки досконалою, що сучасні до-слідники припускають: Е. Торрічеллі во-лодів інтерференційним методом пере-вірки якості поверхонь. Голландський філософ Б. Спіноза добував засоби до існування виготовленням оптичних скелець. Інший голландець — Антоні ван Левенгук — виготовляв чудові мі-кроскопи й був засновником мікробі-ології. І. Ньютон, сучасник В. Снелліуса та А. ван Левенгука, був винахідником телескопа і власноруч, з незвичайним терпінням шліфуючи й обробляючи поверхні, виготовляв їх. В оптиці фізи-ка йшла рука об руку з технікою, і цей зв’язок лишається міцним донині.

І. Варакін

Антоні ван Левенгук

Рене Декарт


Блез Паскаль народився у французь-кому місті Клермон 19 червня 1623 року у сім’ї податківця Етьєна Паскаля та Ан-туанетти Паскаль-Бегон. Уся сім’я Пас-калів відзначалася видатними здібнос-тями. Не був винятком і малий Блез, який виявив ознаки незвичайного ро-зумового розвитку вже в ранньому ди-тинстві. Ще хлопчиком він самотужки опанував «Геометрію» Евкліда, жодного разу не звернувшись до старших по до-помогу. У 16 років Блез оволодів майже всіма відомими на той час математич-ними методами й навіть встиг надруку-вати наукову роботу (трактат) про кри-ві, які утворюються за перетину конуса площиною (еліпс, параболу, гіперболу). У 19 років він винайшов і побудував арифметичну підсумовувальну машину (так звану «паскаліну»), здатну додава-ти й множити великі числа. Приблизно за 10 наступних років Б. Паскаль виго-товив понад 50 різних варіацій своєї арифметичної машини, уславившись не тільки у Франції, а й поза її межами.

1643 року один із найбільш здібних учнів Г. Галілея — Еванджеліста Торрі-челлі — виконав завдання свого вчите-ля, дослідивши піднімання різних рідин у трубках і насосах. Е. Торрічеллі дійшов висновку, що причиною піднімання як води, так і ртуті є вага стовпа повітря, який тисне на відкриту поверхню рідини.

Завдяки цьому відкриттю Е. Торрічеллі виготовив барометр, а голов не — до-вів, що повітря має вагу. Експерименти Е. Торрічеллі зацікавили Б. Паскаля. Він відразу збагнув, що оскільки повітря має вагу, явища, які спостерігали в насосах і трубках, є наслідком дії цієї ваги. Але в який спосіб передається тиск повітря?

Цей геніальний Блез Паскаль…


Вони створювали фізику

Блез розмірковував так: якщо саме тиск повітря є причиною усіх явищ, які дослідив Е. Торрічеллі, то зменшення стовпа повітря неминуче має призвес-ти до зниження стовпа ртуті в бароме-тричній трубці. Отже, якщо піднятися на високу гору, наблизившись таким чином до верхнього краю атмосфери, то стовп повітря над нами зменшить-ся. Відповідно і стовпчик ртуті в Торрі-челлевій трубці має опуститися… Мит-тєво сяйнула думка щодо можливості перевірити це припущення дослід-ним шляхом. Блез згадав про гору Пьї-де-Дом поблизу рідного Клермона. І от 15 листопада 1647 р. було викона-но перший дослід. Він цілком виправ-дав усі сподівання молодого дослід-ника: під час підйому на гору рівень ртуті у барометричній трубці знижу-вався, причому настільки суттєво, що різниця у висоті ртутного стовпчика на вершині гори порівняно з його висотою біля підніжжя становила аж 75 міліметрів!

Цей та інші, не менш цікаві досліди остаточно переконали Б. Паскаля в тому, що піднімання рідини в насосах і труб-ках аж ніяк не пов’язані з тим, що ніби-то «природа боїться порожнечі», як це стверджували послідовники Аристо-теля. Вода в насосі не за порожнечею

женеться, намагаючись її заповнити, а від тиску, спричиненого вагою пові-тря, як від батога, тікає!

Трохи згодом Б. Паскаль довів, що тиск рідини передається нею в усі боки рівномірно і що з цієї особливості рі-дин випливають майже всі інші їхні ме-ханічні властивості. Потім науковець установив, що й тиск повітря за харак-тером свого поширення є таким самим, як і тиск води. Ці Паскалеві висновки ві-домі сьогодні як основний закон гідро-статики — закон Паскаля:

Відкриття, які зробив у галузі фізики Б. Паскаль молодим, свідчать про його неабиякі здібності як дослідника при-роди. Але послаблення здоров’я зму-сило Блеза припинити фізичні досліди. В останні роки життя він багато зробив у галузі математики, виявив себе як визначний мислитель, філософ. Блез Паскаль помер 19 серпня 1662 року, коли йому було лише тридцять дев’ять років.

В. Смирнов

Тиск, який діє на рідину або газ, передається без зміни в кожну точку рідини або газу.

Гора Пьї-де-Дом, де Блез Паскаль виконав перший дослід із тиском повітря


Почнемо наше знайомство із зоря-ним небом. Сьогодні ми пізнаємо чоти-ри сузір’я північної півкулі неба: Велика Ведмедиця, Мала Ведмедиця (з відомою Полярною зорею), Дракон та Кассіопея. Усі ці сузір’я з огляду близькість до Пів-нічного полюса на території України за-вжди заходять. Тобто їх можна відшука-ти на зоряному небі в будь-який день і в будь-який момент часу. Розпочати варто з відомого кожному «ковша» Ве-ликої Ведмедиці. Чи ви знайшли його на небі? Якщо ні, то пам’ятайте, що літ-німи вечорами «ківш» знаходиться на північному заході, восени — на півночі, узимку — на північному сході, навес-ні — прямо у вас над головою. Тепер зверніть увагу на дві крайні зорі цього «ковша».

Якщо подумки провести пряму через ці дві зорі, то першою ж зорею, яскра-вість якої можна порівняти з яскравістю зір «ковша» Великої Ведмедиці, буде По-лярна зоря, що належить до сузір’я Ма-лої Ведмедиці. Користуючись картою, зображеною на рисунку, спробуйте відшукати інші зорі цього сузір’я. Якщо ви спостерігаєте в міських умовах, то

розгледіти зорі «малого ковша» (а саме так неофіційно називають сузір’я Ма-лої Ведмедиці) буде важко: вони не такі яскраві, як зорі «великого ковша», тоб-то Великої Ведмедиці. Для цього краще мати під рукою бінокль. Коли ви роз-дивитеся сузір’я Малої Ведмедиці, то можете спробувати відшукати сузір’я Кассіопеї. Не знаю, як вам, але для мене воно спочатку асоціювалося зі ще од-ним «ковшем». Швидше це навіть «кав-ник». Отже, подивіться на другу від кінця зорю «ручки ковша» Великої Вед-медиці. Це та зоря, поряд із якою видно ледь помітну для неозброєного ока зі-рочку. Яскрава зоря має ім’я Міцар, а та, що поруч, — Алькор. Кажуть, у перекла-ді з арабської Міцар — це «кінь», а Аль-кор — «вершник». Оскільки я не знайо-мий з арабською мовою, підтвердити це не можу, тож довірмося книжкам.

Отже, Міцар знайдено. Тепер прове-діть уявну пряму від Міцара через По-лярну зорю й далі приблизно на таку саму відстань. І ви напевно побачите досить яскраве сузір’я у вигляді латин-ської букви W (див. рис.). Це і є Кассіопея. Чимось схоже на «кавник», чи не так?

ВчимосязнаходитиМалу Ведмедицю,Кассіопею й Дракона

Астрономічна сторінка

10/2012 • Фізикадля допитливих

8

Полярна зоря

Велика Ведмедиця

Дракон

Мала Ведмедиця

Кассіопея

Після Кассіопеї спробуємо знайти сузір’я Дракона. Як видно з рисунка вгорі сторінки, воно ніби простягаєть-ся між «ковшами» Великої й Малої Вед-медиці, ідучи далі в бік Ліри, Геркуле-са й Лебедя. Здобувши базовий досвід орієнтування на зоряному небі, спро-буйте за допомогою згаданого рисун-ка відшукати сузір’я Дракона повністю.

Тепер ви без проблем вмієте відшу-кувати на небі сузір’я Великої й Малої Ведмедиці, Кассіопеї, Дракона.

Метеорні потоки7 жовтня 2012 р. — ДраконідиРадіантом Драконід стане сузір’я Дра-

кона в північній частині зоряного неба. Це явище незвичне з багатьох причин: радіант перебуває у виняткового висо-кій точці неба, дощ краще видно у вечір-ні, а не ранкові години. Зазвичай Дра-коніди — це спокійний дощ із малою

кількістю неспішних метеорів, видимих протягом години. У рідкісних випадках у цей час можна побачити в сотні разів більше метеорів, ніж під час інших до-щів. За безмісячної погоді явище можна спостерігати увечері 7 та 8 жовтня.

21 жовтня 2012 — ОріонідиНа заході півмісяця, що зменшуєть-

ся, 20 жовтня між північчю і сходом Сонця найкраще можна буде розгледі-ти зоряний дощ Оріонід. Максималь-не число метеорів на годину становить 15 одиниць, які швидко обертаються. Іноді вони залишають видимі хвости та яскраве випромінювання. Радіант Оріо-нід розташований на північ від Бетель-гейзе — головної зорі Оріона. Велика кількість метеорів пролітає після пів-ночі, найяскравіші об’єкти з’являються ближче до сходу Сонця.

О. Малахов

9для допитливихФізика • 10/2012

LCD-телевізори

Ще років десять тому більшість із нас дивилися вдома фільми по теле-візорах, що мали значні габарити і при цьому невисоку якість зображення. А сьогодні завдяки розвитку нових технологій товщина телевізора може ся-гати менше від 1 см і до того ж забезпечувати дуже високу якість зображен-ня. Це стало можливим через запровадження технології рідких кристалів.



Назва речовини «рідкі кристали» уже відображає їхню подвійну властивість. Рідкі кристали — це речовини, які за певних умов (зміни температури, тиску, концентрації) можуть переходи в рід-кокристалічний стан, тобто проміжний між кристалічним та рідинним. Їм, як рідинам, властива плинність, але вод-ночас вони здатні до спонтанної ані-зотропії, притаманної кристалам. Ані-зотропія — це залежність фізичних властивостей речовини від напрямку просторової орієнтації молекули. Рідкі кристали — це в’язкі рідини, що скла-даються з молекул витягнутої або дис-коподібної форми, які певним чином впорядковані в усьому об’ємі цієї ріди-ни. Молекули рідких кристалів мають здатність змінювати свою просторову орієнтацію під впливом електричного поля.

Історичний нарисРідкі кристали зараз можна зустрі-

ти всюди. Їх застосовують в екранах електронних годинників, калькулято-рів, портативних ігрових пристроїв,

мобільних телефонів, планшетів, ноут-буків, телевізорів та іншої техніки. Але мало хто здогадується, що від часу їх відкриття минуло понад 100 років!

Уперше молекули рідких кристалів відкрив 1888 року австрійський бота-нік Фридрих Рейнітцер. Він спостерігав за плавленням складної органічної ре-човини — холестерилбензоата — і по-мітив, що за температури плавлення 145 ºС кристалічна речовина ставала каламутною рідиною, яка сильно роз-сіювала світло і що за 179 ºС ця ріди-на ставала прозорою. Він назвав тем-пературу, за якої рідина освітлювалася, точкою просвітлення. Учений був вра-жений відкриттям речовини з двома точками плавлення й надіслав зразки дивної речовини німецькому кристало-графу Отто Леману. Той встановив за до-помогою поляризаційного мікроскопа, що каламутна рідина є анізотропною фазою, властивою кристалам, причому зразок перебував у рідкому стані. Тому О. Леман назвав цю речовину рідким кристалом, а 1904 року написав книж-ку про неї.

Рідкі кристалипід мікроскопом


Так, речовини, що за певної темпе-ратури поєднують властивості крис-талів та рідин, почали називати рідки-ми кристалами, або мезоморфними речовинами (від грецького «мезос» — проміжний), а рідкокристалічну фазу — мезофазою. Мезофаза є стабільним станом речовини, тому може цілком виправдано називатися четвертим станом поряд із газоподібним, рідким та твердим.

Спочатку факт існування рідких крис-талів викликав недовіру та сумніви у ко-лах науковців, але згодом цікавість до них знову відродилася. Німець Д. Фор-лендер присвятив багато праць дослі-д женню рідких кристалів та посприяв синтезу нових таких речовин. Фран-цуз Ж. Фридель запропонував першу класифікацію, а голландець С. Озеєн та чех Х. Цокер висунули теорію пружнос-ті рідких кристалів. 1940 р. російський

дос лідник В. Цвєтков вивчив та описав фізику рідких кристалів, а головне — їхню поведінку в електричних та маг-нітних полях, що мало велике значен-ня для їх впровадження у виробництво техніки. 1963 р. американець Дж. Фер-гюсон застосував важливу властивість рідких кристалів змінювати колір під впливом температури для знаходжен-ня невидимих теплових полів. 1965 р. в США зібралася перша наукова кон-ференція, присвячена рідким криста-лам. У 1968 р. американські науковці створили індикатори для відображен-ня інформації, у яких були застосова-ні рідкі кристали. Це був прообраз су-часних рідкокристалічних дисплеїв. А в 1973 р. англійські хіміки під керів-ництвом Дж. Грея створили рідкі крис-тали з відносно дешевої сировини, що дало змогу широко застосовувати їх у виробництві.

Ф. Рейнітцер

О. Леман



Рідкокристалічний дисплейРідкокристалічний дисплей (англ.

liquid crystal display, LCD) — це плаский екран, що відтворює зображення за до-помогою рідких кристалів. Може як бути монохромним, так і зображувати кілька мільйонів кольорів. Кольорове зобра-ження формується за рахунок RGB-тріад (RGB — модель утворення кольорів із червоного, зеленого та синього, англ. red, green, blue відповідно).

Як же побудовані рідкокристалічні дисплеї? Дисплей складається з вер-тикального та горизонтального взаєм-но перпендикулярних поляризаційних фільтрів, між якими розташовані рідкі кристали, котрі, своєю чергою, керовані через прозорі електроди, з’єднані з про-цесором керування; і з кольорового

фільтру; позаду є джерело світла. Рід-кі кристали розташовані в певному порядку, створюючи мозаїку для фор-мування зображення. Елементарна час-тинка цієї мозаїки називається субпік-селем. Кожен субпіксель складається з шару молекул рідких кристалів.

Поляризаційні фільтри — це ре-човини, що пропускають через себе ту складову світлової хвилі, вектор електро магнітної індукції якої лежить у площині, паралельній оптичній пло-щині фільтра. Інша частина потоку світ-ла не пройде через фільтр. За відсут-ності рідких кристалів між взаємно перпендикулярними поляризаційни-ми фільтрами власне фільтри блокува-ли б проходження світла.

Прозорі електроди Вертикальний фільтр

Горизонтальнийфільтр Схема будови

рідкокристалічного дисплею

Рідкокристалічнамолекула

Кольоровий фільтр


Поверхня прозорих електродів, яка контактує з рідкими кристалами, об-роблена для початкової геометричної орієнтації молекул в одному напрям-ку. Коли на електроди подають струм, кристали намагаються орієнтуватися в напрямку електричного поля. А коли струм зникає, сили пружності поверта-ють рідкі кристали у вихідне положення. За відсутності струму субпіксель прозо-рий, бо перший поляризатор пропус-кає лише світло з необхідним вектором поляризації. Завдяки рідким кристалам вектор поляризації світла обертається й під час проходження через другий по-ляризатор він обернений так, що век-тор проходить через нього без пере-шкод. Якщо різниця потенціалів буде

такою, що поворот площини поляри-зації в рідких кристалах не відбудеться, то світло не пройде через другий поля-ризатор і такий субпіксель буде чорним. Але також трапляється другий тип ро-боти рідкокристалічних дисплеїв. При цьому рідкі кристали в початковому стані орієнтовані так, що за відсутнос-ті струму вектор поляризації світла не змінюється й блокується другим поля-ризатором. Тому піксель, на який не по-дається струм, буде в такому випадку темним. А вмикання струму, нав паки, повертатиме кристали в положення, що змінює вектор поляризації, і світ-ло проходитиме. Таким чином, зміню-ючи електричне поле, можна змінюва-ти геометричне положення кристалів,

Схематичне зображенняпринципу поляризації

в рідкокристалічному дисплеї

Світло

Вертикальні поляризатори

Горизонтальні поляризатори

Рідкі кристали



так і процесор керує субпікселями для отримання потрібного відтінку кольо-ру. Співвідношення яскравості кожного з трьох субпікселів дає певний відтінок пікселя, який вони формують. А співвід-ношення яскравості всіх пікселів фор-мує колір та яскравість зображення за-галом.

Отже, основою формування зобра-ження на рідкокристалічному екра-ні є принцип поляризації світла. Самі ж рідкі кристали виконують роль регу-лятора, впливаючи на яскравість та від-тінок створюваного зображення.

М. Мельник, О. Мельник

тим самим керуючи кількістю світла, що проходить від джерела до нас. Отри-мане зображення буде монохромним. Для того щоб воно було кольоровим, потрібно після другого поляризаційно-го фільтра поставити кольоровий.

Кольоровий фільтр — це сітка, що складається з мозаїки червоного, зеле-ного та синього кольорів, розташова-них кожен навпроти свого субпікселя. У результаті отримуємо матрицю з чер-воних, зелених та синіх субпікселів, роз-ташованих тільки у вказаному порядку. Три такі субпікселі утворюють піксель. Чим більше пікселів, тим чіткіше зо-браження. Як художник змішує фарби,

В. Цвєтков

Формування зображення пікселями


Земна поверхня нагрівається Сонцем нерівномірно. Надходження сонячної енергії в екваторіальних зонах значно більше, ніж у середніх або у високих. По-різному нагріта земна поверхня передає дотичному до неї шару атмос-ферного повітря різну кількість тепла. Унаслідок цього виникає перенесен-ня великих атмосферних мас теплого й холодного повітря уздовж земних ме-ридіанів. Таємниче слово циклон у пе-рекладі з грецької означає «той, що крутиться», «обертовий». Цим терміном у метеорології називають величезний атмосферний вихор. Повітря в ньому рухається за спіраллю навколо цен-тра, поступово наближуючись до ньо-го. Причиною цього є знижений тиск у центральній частині вихору. Отже, ци-клон — це зона низького атмосферно-го тиску, охоплена системою кругових вітрів.

Народжуються циклони над поверх-нею теплих морів. Це складний процес, визначальну роль у якому відіграє енер-гія Сонця. Найбільш інтенсивними й по-тужними є циклони, народжені в тро-пічних широтах, де великі маси повітря дуже сильно нагріті й насичені водяною парою. У тропіках, де циклони досягають ураганної сили, температура поверх-ні океану піднімається до 27–28 ºС. Че-рез це виникають потужні потоки пові-тря, які піднімаються вгору. Процес цей розвивається й нарощується, унаслідок чого утворюється своєрідна гігантська помпа: до лійкоподібної воронки, що

Вигляд циклонуз космосу

утворилася, всмоктуються сусідні маси такого ж теплого й насиченого водяною парою повітря, і в такий спосіб процес поширюється ще й ушир, захоплюючи усе нові й нові площі на поверхні оке-ану. Увесь час, поки гігантський насос працює, усе більше вологи збираєть-ся на його лійкоподібній вершині і все більше тепла вивільняється при цьо-му. Американські науковці підрахува-ли, що протягом одного дня може бути піднято більше одного мільйона тонн води — у вигляді пари, якою насичу-ється шар атмосфери, дотичний до по-верхні Землі. Ця волога накопичується

Що таке циклон?


16для допитливих

10/2012 • Фізика

навколо центра циклона (так званого «ока») у вигляді густих хмар. Кругові ві-три, рухаючи хмари, у периферійній час-тині циклона можуть сягати величезної сили — швидкість вітру іноді становить 270 км/год. Не випадково грецьке слово циклон також означає «кільце змії, що стискається».

У Північній півкулі Землі, де ми жи-вемо, обертання повітряних мас у ци-клоні відбувається проти годинни-кової стрілки, а в Південній, навпаки, за годинниковою стрілкою. Циклони бувають різних розмірів. Великий ци-клон здатен охопити відразу всю єв-ропейську частину нашого континен-ту. У помірних широтах, зокрема й на більшій частині території нашої країни, циклони найчастіше переміщуються із заходу на схід, приходячи з Атлантич-ного океану. Зазвичай вони рухають-ся зі швидкістю 30–40 км/год, долаючи за добу відстань 1000–1500 км і біль-ше. У міру старіння циклону швидкість

його руху зменшується. Але бувають циклони, що приходять у наші широ-ти із субтропіків. Тепле повітря таких циклонів має дуже високу температу-ру й спричиняє як узимку, так і влітку значне потепління.

Про наближення циклону дізнаються за показами барометра: у міру набли-ження центра циклону атмосферний тиск знижується — «барометр падає». Це віщує хмарну погоду, опади: узим-ку — у вигляді снігу, улітку — у вигляді дощу. Тиск у центрі циклонів, які розви-ваються над Європою, становить близь-ко 735–750 мм рт. ст., іноді він падає до 712 мм рт. ст. Чим нижчий тиск у центрі, тим потужнішим є циклон, тим сильніші вітри дмуть у його системі. Тривалість циклону становить від кількох діб до кількох тижнів.

В Україні буває понад 40 циклонів на рік, найчастіше вони трапляються в лис-топаді-березні.

В. Смирнов

Тропічний циклон

17Фізика • 10/2012для допитливих

Маленька пружна кулька вільно падає з висоти h на похилу площину, яка утворює з горизонтом кут α. Ви-значити відношення відстаней між точками, у яких кулька за підстрибу-вання торкається похилої площини.

Розв’язання Для розв’язання задачі побудуємо

схематичний рисунок й оберемо сис-тему координат (див. рис.). За умовою задачі на кульку діятиме тільки сила тяжіння. Отже, складові прискорення кульки на осях відповідно дорівнюва-тимуть:

,

.

Швидкість кульки після першого спів-удару дорівнюватиме υ0 й утворювати-ме з вертикаллю кут α. Величину цієї швидкості можна визначити зі співвід-ношення

.

Відстань між першим і другим спів-ударами кульки з площиною дорівнює:

,

де t1 — час польоту кульки.

Час польоту можна визначити з рів-няння:

,

отже,

,

і.

Швидкість кульки в момент другого співудару визначається рівностями:

,

.

Після співудару швидкості кульки до-рівнюватимуть відповідно:

, .

Відстань між точками другого й тре-тього співударів дорівнюватиме:

,

де t2 — проміжок часу між другим та третім співударами.

Стрибунець


Гра з природою

Оскільки удар є абсолютно пружним, то складова швидкості вздовж осі y не зміниться. Відповідно час між співуда-рами t1 = t2. Отже, відстань між точками другого й третього співударів дорівню-ватиме:

.

Міркуючи аналогічно, визначимо, що відстань між третьою й четвертою точками співудару можна визначити за формулою:

тощо.

Зрештою розглянемо співвідношен-ня l1 : l1 : l1… Очевидно, що ці відстані співвідносяться як 1 : 2 : 3… тощо.

Л. Дьоміна

h

α

h

y

x

gx

g

gyυ0y

υ0

υ0x

α

αα

α


Ведмідь з базару плюшки ніс,Але, присівши на пеньок,Він половину плюшок з’їв,Та ще півплюшки на зубок.

Ішов, ішов, а потім сів І під «ку-ку» зозуліЗнов половину плюшок з’ївТа ще додав півплюшки.

Стемніло, він став швидше йти,Але на ґанку хаткиВін знов півзалишка поїв,Півплюшечки додавши.

І ось, наївшись, наш ведмідьЗ порожнім кошиком сидить.Я хочу, щоб ти відповів,А скільки плюшок він купив?

Розв’язання

На ґанку хатки ведмідь з’їв усі плюш-ки, що залишилися — півзалишка і пів-плюшки, тобто півплюшки становлять півзалишка, тому третього разу він з’їв одну плюшку. Отже, коли вдруге він з’їв половину плюшок і ще півплюшки, у нього залишилась одна плюшка. Тоді 1 + 0,5 = 1,5 становить половину плюшок, що були у ведмедя на той час, тобто за-галом у нього було 3 плюшки. Першого разу він з’їв половину плюшок і ще пів-плюшки, тобто 3,5 плюшки — це поло-вина всіх плюшок, що були у ведмедя спочатку. Отже, спочатку у ведмедя було 7 плюшок.

Відповідь: 7 плюшок.

Віршовані задачіЗадача №1


Фізичні цікавинки

Запросив борсук у гостіВедмедя, рись та білку.Подарували борсукуПідсвічник і тарілку.

Коли ж покликав він до себе Рись, білку, мишку, вовка,То в подарунок він отримавПідсвічник і ще й голку.

Запрошені були вже зновуВовк, мишка та вівця.Каблучка та маленька голкаБули дарунком дня.

Він знову запросив вівцю,Ведмедя, вовка, білку.І принесли ті в подарунокКаблучку та тарілку.

Допомогти ви нам зумійте,Відкиньте всі діла!Ми дуже хочем зрозуміти,Хто й що подарував.

Чи були гості, що прийшлиБез подарунків жодних?Ви відповідь уже знайшли?Таблиця допоможе.

Розв’язання

Створимо таблицю, у якій відмічати-мемо гостей, які не принесли відповідні подарунки. Прочитавши перший куплет вірша, можна зробити висновок, що ні ведмідь, ні рись, ні білка не подарували ні голку, ні каблучку. З другого куплета зрозуміло, що ні рись, ні білка, ні миш-ка, ні вовк не подарували ні тарілку, ні каблучку. З третього куплета робимо висновок, що ні вовк, ні мишка, ні вівця не подарували ні підсвічник, ні тарілку. І нарешті, прочитавши четвертий ку-плет, розуміємо, що ні вівця, ні ведмідь, ні вовк, ні білка не подарували ні під-свічник, ні голку. Тепер за допомогою таблиці робимо висновок: білка та вовк не подарували нічого, ведмідь подару-вав тарілку, рись — підсвічник, мишка — голку, вівця — каблучку.

Задача №2

Ведмідь Рись Білка Мишка Вовк ВівцяПідсвічник — — — — —Голка — — — — —Тарілка — — — — —Каблучка — — — — —


Для проведення першого досліду нам знадобляться: пластикова пляшка з ши-роким горлечком, монета та зубочистка. Діаметр монети має бути меншим за діаметр горлечка пляшки.

Причина такого «дивного» повод ження паличок досить проста: во-локна деревини вбирають воду, вона піднімається капілярами усе

Пояснення явища

Проведення досліду

• Зубочисткунадломитийпокластинагорлечко пляшки.

• Назубочисткуакуратнопокластимо-нету.Як вкинути монету до пляшки, не

торкаючись до неї?

Розв’язання є доволі простим. До-статньо крапнути на місце надлому кілька крапель води. Згин зубочистки намокне, її кінці усе більше розходяться. Дзвяк — монета на дні пляшки.

Чарівні паличкиДослід №1


Домашня лабораторія

далі. Деревина набрякає. Її вцілілі волокна стають більш пружними й розпрямляються.

Знадобляться п’ять зубочисток, блюдце чи тарілка.

Проведення досліду

• Усізубочисткинеобхіднонадломитипосередині й зігнути під гострим ку-том.

• Покластизубочисткинаблюдцетак,як показано на рисунку.

• Капнутинамісцянадломівпокількакрапель води.

Поступово зубочистки розпрям-ляться й утворять зірочку.

Дослід №2

Юні друзі!

Надсилайте нам описи цікавих дослідів фізичних явищ, які ви проводите в шко-

лі або вдома. Найкращі з них будуть опубліковані на сторінках нашого журналу,

а автори найцікавіших дослідів будуть нагороджені безкоштовною передплатою

на журнал «Фізика для допитливих» на перше півріччя 2013 року!


Чи не застаріветалонкілограма?

Коли за часів Великої французької революції видатні вчені того часу ство-рювали метричну систему мір, за ета-лон метра, секунди й кілограма були об-рані природні мірники довжини, часу й маси. Національні збори Франції (парламент країни) голосуванням при-йняли тоді рішення вважати метром 1/10 000 000 частину від чверті довжи-ни паризького географічного мери-діану. Для обґрунтування чисельного

значення такого множника геодезистам (ученим, що здійснюють вимірювання на земній поверхні) довелося ретельно виміряти дугу земного меридіану від міста Дюнкерка, що на березі протоки Ла Манш, до міста Монжо, розташова-ного поблизу Барселони (Іспанія).

Одиниця часу — секунда — набагато старіша від метра. Поява секунди (а та-кож години й хвилини) виглядає при-родною з огляду на кругообіг Сонця

Еталон кілограма


Наукова мозаїка

й добове обертання Землі. Можна ска-зати, що сама природа дала людям ве-ликі одиниці вимірювання часу. Рік — це час, протягом якого Сонце здійснює один видимий оберт на небосхилі від-носно нерухомих зірок, а доба — час, протягом якого Земля здійснює оберт навколо своєї осі. Уперше поділ доби на частини здійснили вчені давнього міста Вавилон. Там була поширена не десяткова, а шестидесяткова система числення. Шістдесят ділиться на 12 без залишку, отже, вавилонянам було зруч-но ділити добу на 12 рівних частин. Ма-буть, виходячи з подібних міркувань, найбільш освічені в Давньому Єгипті особи — жерці — запровадили поділ доби на 24 години. Пізніше людина при-думала хвилини й секунди, але те, що в годині налічується 60 хвилин, а у хви-лині — 60 секунд, — також є спадком шестидесяткової системи Вавилон.

Найскладнішою є ситуація з вибором одиниці маси. Із запровадженням ме-тричної системи мір за одиницю маси обрали масу одного кубічного сантиме-тра води, коли вона має найбільшу гус-тину (тобто за 4 ºС). Цю одиницю маси назвали грамом (від грецького сло-ва грамма, що означає «дрібна міра», «риска»). Для практичного застосуван-ня в якості еталона обрали масу, у тися-чу разів більшу за грам, — 1 кілограм. Це маса 1000 см3, або 1 літра води. Для зручності відтворення одиниці маси були виготовлені спеціальні еталони у вигляді циліндрів зі сплаву платини з іридієм. Циліндри мали однакову ви-соту й діаметр 39 мм. Спочатку було ви-готовлено 42 еталони кілограма. Один із них, починаючи від 1872 року, збері-гається у Міжнародному бюро мір і ваг (місто Севр, Франція). Він дістав назву «кілограм архіву». Решту еталонів за же-ребом розподілили між державами, що першими взялися запроваджувати ме-тричну систему мір.

Еталон метра

Рух Землі навколо Сонця


Відтоді маса кілограма архіву що-річно прискіпливо контролюється: до її вимірювання залучають трьох квалі-фікованих науковців-метрологів (ме-трологія — це наука про вимірювання з великою точністю). Щоб відкрити сейф, у якому зберігається еталон, науковцям потрібно втрьох одночасно скориста-тися єдиним ключем, який ретельно охороняється. З великою точністю ви-мірюючи масу еталона й аналізуючи ре-зультати, отримані протягом багатьох років, у 2003 р. метрологи оприлюдни-ли сенсаційний висновок: платиново-іридієвий еталон 1 кг із невідомих при-чин повільно втрачає масу!

Слід відзначити, що науковці давно замислювалися з приводу того, як замі-нити речовинний еталон маси, здатний

руйнуватися, на природну міру для кіло-грама. Уже вдосконалено еталони ме-тра та секунди. При цьому їхня точність збільшилася у багато сотень разів. Мож-ливо, тепер активізуються пошуки вдо-сконаленого еталона кілограма? Один із запропонованих варіантів створення нового еталона полягає в тому, щоб ви-готовити сферу, яка складалася б із чітко визначеної кількості атомів Силіцію (Si). Для очищення кремнію від домішок нау-ковці використовують потужні центри-фуги, призначені для розділення атомів важких елементів в атомній енергетиці. Перша, складена винятково з атомів Si, куля вже виготовлена. Її геометрична форма настільки досконала, що, дивля-чись на кулю, що обертається, помітити рух майже неможливо.

Кремнієва куля, що складається з чітко визначеної кількості атомів



Чи буде запроваджено новий, удо-сконалений еталон маси і коли це відбудеться, покаже майбутнє. Тим часом деякі старі еталони маси змі-нюють свою «прописку». Скажімо, після Другої світової війни до Між-народного бюро мір і ваг поверну-ла свій еталон Японія. Повернувся до Франції й еталон, який було ви-дано колишнім володінням Нідер-ландів у Вест-Індії. Натомість після об’єднання Німеччини на території цієї країни опинилося три еталони маси. У Росії зберігають 2 еталони маси — № 12 та № 26. Перший із них є первинним Державним еталоном кілограма в цій країні.

В. Смирнов Сучасний еталон кілограма


x

Міжнародна команда, очолювана вченими Гарвардського університету, продемонструвала новий тип проме-ня світла, що поширюється, залишаю-чись дуже вузьким і не розсіюючись на безпрецедентно довгих відстанях. Цей «голковий» промінь, як його назвали до-слідники, допоможе зменшити втрати сигналу, який поширюється в оптичних системах на чипі, що в остаточному під-сумку зможе привести до появи нового покоління потужних оптичних та елек-тронних мікропроцесорів.

Основну роль у створенні променя світла нового типу відіграли команди вчених Школи технічних і прикладних

За накладання двох хвиль, що спрямовані під кутом одна до одної,була створена результуюча хвиля, що не розсіюється

наук Гарвардського університету і ла-бораторії Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (CNRS), Франція. Опис і результати досліджень були видані 31 серпня в онлайн-журналі Physical Review Letters.

Однією з основних проблем, які пе-решкоджають розвитку та створенню оптичних внутрішньопроцесорних ко-мунікаційних ліній та оптичних проце-сорів, є те, що хвилі світла розсіюються у всіх напрямках за рахунок явища, ві-домого як дифракція. Це зменшує силу корисного сигналу, який несе інформа-цію, аж до рівня, коли його вже немож-ливо виділити та обробити.

«Голковий» промінь світла не розсіюється



Технічним терміном, що описує «гол-ковий» промінь світла, є косинус-гау-сівський плазмонний промінь. Цей про-мінь поширюється вздовж поверхні без дифракції на відстань 80 мікрометрів. Для його створення вчені використали скляну підкладку, покриту шаром золота. На поверхні золота була сформована сіт-ка заглиблень-борозенок, що розташо-вуються під кутом одне до одного. Коли ця сітка освітлюється світлом лазера, вона виробляє два промені перевипро-міненого плазмонами світла, які, змішу-ючись, створюють один вузький промінь світла, що не піддається дифракції.

«Голковий» промінь світла є результа-том дії квазічастинок особливого типу, що називаються плазмонами. Як відо-мо, плазмони є хмарами з вільних елек-тронів, що коливаються на металевій поверхні. Тому, металеві провідники з поверхнею, суцільно вкритою плаз-монами, мають потенціал для того, щоб замінити звичайні сполучні електричні провідники у мікропроцесорах, дозво-ляючи реалізувати більш швидкісні ко-мунікаційні лінії між різними частинами процесора.

За матеріалами мережі Інтернет

«Голковий» промінь світла не розсіюється

Косинус-гаусівський плазмонний промінь напевне сприятиме появі

більш швидких процесорів


Інженери створили поверхню, що зав дяки своїй мікроструктурі не змо-чується ні водою, ні масляними рідина-ми. Незвичайний матеріал створювали за допомогою фотолітографії на кремнії.

Автори надали поверхні матеріалу мікро текстуру з безлічі шипів, що мають гіперболоїдну форму. Після хімічного обробляння така поверхня не змочу-валася ні водою, ні мастилами.

Унікальність розробки полягає, за словами авторів, у тому, що краплі на поверхні нового матеріалу зберігають свою сферичну форму навіть під час висихання. Усі наявні омніфобні (водо- і жировідштовхувальні) матеріали після тривалого контакту з краплями рідини починають змочуватися. Це відбува-ється внаслідок того, що краплі змен-шуються в результаті випаровування

Інженери створилиповерхню, якунеможливо намочити



і «провалюються» між виступами мате-ріалу. А новий матеріал позбавлений цього недоліку. Експерименти показали, що як би не зменшувався під час виси-хання розмір краплі, це не призводило б до змочування — крапля залишалася б сферичною.

Науковці сподіваються, що розробка допоможе створити нові матеріали, на яких не буде затримуватися бруд.

Раніше інженери з Масачусетського технологічного університету за допомо-гою створення на поверхні спеціальної мікроструктури виготовили брудовід-штовхувальне матове скло. Однак вони використовували виступи у формі усі-чених конусів, а не гіперболоїдів. Такі матеріали легше виробляти штампуван-ням, але їхні омніфобні властивості не настільки незвичайні.

За матеріалами мережі Інтернет


«Фізика для допитливих» №10 (22) жовтень 2012 р. Один випуск на місяць. Індекс 49676Засновник: ТОВ «Видавнича група “Основа”»Свідоцтво: серія КВ № 16547-5019Р від 08.04.2010 р.Головний редактор: Леонід Муринович.

Редакція може не поділяти точку зору автора. Автори пу-блікацій відповідають за достовірність фактів, цитат, влас-них назв. Відповідальність за рекламну інформацію несе рекламодавець. Рукописи не рецензуємо й не повертаємо.

Адреса для листування: ВГ «Основа», редакція журналу «Фізика для допитливих», вул. Плеханівська, 66, м. Харків, 61001. Е-mail: www.osnova.com.ua. Тел.: (057) 731-96-33, 731-96-35.

Виготовлено в друкарні «Тріада Принт».

Підписано до друку 21.09.2012. Формат 70×100/16.

Папір офсетний. Гарнітура «Маріад Про». Друк офсетний. Ум. друк. арк. 2.6. Зам. № 12-10/28-01.Використано матеріали сайтів:http://rnd.cnews.ru

Усі права захищені. Будь-яке відтворення матеріалів або фрагментів із них можливе лише за наявності письмово-го дозволу ТОВ «Видавнича група “Основа”».Ціна договірна.

© ТОВ «Видавнича група “Основа”», 2012 р.

«Фізика для допитливих»

«Фізика для допитливих»


Бланк передплати

Журнал «ДЛЯ УЧНІВ - Фізика для допитливих»

Documents