​​#простыевопросы: почему нельзя смотреть на электросварку?

Для начала разберёмся, как вообще работает электросварка и что такое сварочная дуга, на которую-то и нельзя смотреть?

Сварочная дуга - это такая себе "пленённая молния": как и молния при грозе, сварочная дуга является разновидностью электрического разряда в газах, только рукотворной и стационарной. Как и в случае молнии, здесь происходит электрический пробой газа, в данном случае, обычного воздуха: вылетающие из электрода электроны разгоняются электрическим полем, приложенным между электродом и свариваемой поверхностью до скоростей, при которых они начинают при столкновениях ионизировать (разбивать на части с разным электрическим зарядом) его молекулы. Количество электронов и ионов, т.е. заряженных частиц, в воздухе скачкообразно возрастает, воздух между электродом и свариваемой поверхностью становится плазмой, способной проводить электрический ток. Говорят, что зажигается электрическая дуга.

Все проводники при прохождении через них тока нагреваются. Плазма электрической дуги - не исключение; причём температура нагрева в данном случае может достигать 20 000 градусов Цельсия; это больше, чем температура поверхности Солнца (5800 градусов). Такая температура вполне способна плавить металлы - именно благодаря этому и происходит электросварка.

А ещё газ, разогретый до такой температуры, начинает ярко светиться. Причём если в спектре света, излучаемого относительно холодным Солнцем, 45 % приходится на видимый свет, ещё 45 % - на невидимое инфракрасное излучение, и лишь 10 % - на высокоэнергетические ультрафиолетовые и другие компоненты, то в свете горячей сварочной дуги на видимый свет приходится 15 %, ещё 15 % - на инфракрасные лучи, а 70 % - на ультрафиолет.

И это, собственно, то, почему нельзя смотреть на сварку: ультрафиолет способен обжечь сетчатку глаза. Причём опасность в том, что мы не чувствуем, как сетчатка получает повреждения: электрическая дуга, в которой мало видимого света, не воспринимается нами как что-то яркое, смотреть на неё глазам не больно (как на то же Солнце). Но ультрафиолета при этом в ней куда больше, чем в других источниках света, и нашей сетчатке приходится плохо.

Кстати, наиболее массивные звёзды спектральных классов О и В имеют такую же или даже более высокую температуру поверхности, чем температура сварочной дуги, и их свет имеет такой же или даже ещё более агрессивный спектр. Смотреть на такие звёзды с близкого расстояния будет не менее, а то и более вредно для глаз.

К посту прикрепляю картинку со спектром сварочной дуги.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Обязательно ли человек, упавший в чёрную дыру, погибнет?

На самом деле, нет - по крайней мере, не для всех чёрных дыр.

Главным «поражающим фактором» чёрной дыры является гравитация.

Сила, с которой любой гравитирующий объект, в т.ч. и чёрная дыра, притягивает другие объекты, обратно пропорциональна квадрату расстояния до них, т.е. чем ближе мы к объекту, тем сильнее он нас притягивает.

Представим себе, что мы прыгаем в чёрную дыру «солдатиком», т.е ногами вперёд. Так как расстояние до центра чёрной дыры от наших ног будет меньше, чем от нашей головы, чёрная дыра будет притягивать ноги сильнее, чем голову. Из-за этого наше тело будет как бы растягивать. Нас как будто подвесят на своеобразной гравитационной дыбе, которая рано или поздно летально деформирует наше тело – физики придумали для этого процесса термин «спагеттификация».

Весь вопрос в том, когда спагеттификация нас убьёт. Здесь всё зависит от массы чёрной дыры.
Чёрные дыры звёздных масс (единицы и десятки масс Солнца) сделают это ещё до того, как мы сумеем пролететь сквозь горизонт событий, оказавшись, собственно, внутри чёрной дыры. Но в более массивных чёрных дырах вроде той, что находится в центре нашей галактики, горизонт событий имеет значительно больший радиус, и теоретически мы сможем вполне безопасно пролететь сквозь него задолго до того, как спагеттификация нас прикончит.

Правда, после того, как мы миновали горизонт событий, пути назад уже не будет, и гравитация чёрной дыры будет непреодолимо притягивать нас к её центру, сингулярности, где огромная масса сконцентрирована в бесконечно малой точке. И рано или поздно нас всё-таки «спагеттифицирует» с летальным исходом.

Но это касается неподвижных чёрных дыр. А на практике подавляющее большинство чёрных дыр (а скорее всего все они!) вращается. Вращение существенно меняет физику этих объектов.

Одной из особенностей вращающихся чёрных дыр является тот факт, что сингулярность в их центре – не точка, а бесконечно тонкое кольцо вполне конечного радиуса. И если это кольцо будет достаточно велико, то в теории мы сможем выбрать орбиту, которая проведёт нас сквозь него на достаточном расстоянии для того, чтобы спагеттификация нас не убила.

Что произойдёт после того, как путешественник пролетит через кольцо, миновав геометрический центр чёрной дыры? Это очень хороший вопрос! Теоретически возможно, что в результате можно покинуть чёрную дыру и выйти наружу – либо там же, где мы в неё вошли, либо, как вариант, вообще в другой точке Вселенной – или вообще в какой-то другой Вселенной, не связанной с нашей. То есть, кольцевая сингулярность может быть аналогом кротовой норы!

Сказать более точно мы пока не можем из-за несовершенства наших знаний о природе гравитации. Но сама по себе возможность интригует!

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

#простые вопросы: почему воздушный шарик вначале трудно надувать?

Устойчивость шарика в каждый момент времени обеспечивается равенством трёх давлений: во-первых, давления газа внутри, стремящегося растянуть шарик, во-вторых, атмосферным давлением снаружи, стремящемся его сжать, в-третьих - давлением, обеспечивающимся растянутой резиновой плёнкой шарика, помогающим атмосферному. Поэтому давление воздуха внутри шарика всегда должно быть немного выше атмосферного.

Немного - это и в самом деле немного: обычно избыточное давление воздуха внутри шарика превосходит атмосферное не более чем на 5 %.

Как же меняется давление, обеспечиваемое упругостью резиновой плёнки, по мере надувания шарика? По идее, оно должно быть пропорционально площади поверхности надутого шарика, т.е. расти с его размерами. Но на самом деле всё немного сложнее: дело в том, что когда мы надуваем шарик, мы не только увеличиваем площадь его поверхности, но и уменьшаем толщину слоя резины. Изменение толщины резины - тоже упругая деформация, и резина ей сопротивляется также, как и растяжению.

Причём изменение толщины плёнки при увеличении объёма шарика на некую величину оказывается обратно пропорционально квадрату радиуса шарика.

То есть, когда мы только начинаем надувать шарик, главную роль играет упругость, вызванная уменьшением толщины плёнки. По мере увеличения объёма (радиуса) шарика эта сила уменьшается, и шарик становится надувать легче.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

В дополнение к предыдущему посту про надувание воздушного шарика следует отметить, что у резины имеется одно интересное свойство - эффект размягчения. То есть, если мы растянем резину до некоей длины, а потом снимем напряжение, то в следующий раз растягивать её станет проще.

Этот эффект известен как эффект Маллинза и в случае резины обусловлен внутренними изменениями структуры материала при деформациях.

Как известно, резина представляет собой соединение каучука с наполнителем - например, серой. Молекулы серы встраиваются в структуру каучука, соединяя между собой его полимерные цепочки, что приводит к повышению прочности и улучшению других химических и физических свойств. Этот процесс называют вулканизацией.

Так вот: при сильном растяжении серные "сцепки" (т.н. дисульфидные мостики) имеют свойство частично разрушаться, и модуль упругости резины снижается. Соответственно, при следующем натяжении растягивать резину становится легче.

Интересно, что подвергшаяся эффекту Маллинза и оставленная в покое резина имеет свойство со временем восстанавливаться, возвращая себе утраченные свойства. Это обусловлено восстановлением серных мостиков внутри материала, которое лучше идёт при повышенной температуре.

Эффект Маллинза можно использовать для того, чтобы легче надуть уж слишком жёсткий шарик. Для этого его материал надо растянуть тем или иным способом (просто руками, ну или, как вариант, наполнить шарик водой, которая растянет его за счёт собственного веса), после чего вернуть в исходное состояние - и уж тогда надувать.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Окружены ли чёрные дыры огненными стенами?

Мы пока не уверены.

Проблема огненной стены чёрных дыр, или фаервола, является одной из наиболее дискутируемых проблем на стыке квантовой физики, гравитации, астрономии и космологии. Деликатный момент состоит в том, что вне зависимости от того, каким окажется ответ на вопрос, существуют ли огненные стены в реальности, какую-то часть нашей физики придётся переписывать заново – неясно только, какую.

Очень грубо проблему можно сформулировать так. Мы с вами уже говорили об излучении чёрных дыр – т.н. излучении Хокинга, возникающем из-за того, что гравитация чёрной дыры «деформирует» вакуум на её границе определённым образом. Излучение это обладает энергией, и источником этой энергии является масса чёрной дыры (масса это энергия, а энергия - это масса, Альберт Эйнштейн и формула Е=mc2 гарантируют это).

Поэтому если излучение Хокинга и правда существует (а оно пока известно лишь «на бумаге»), то чёрные дыры – вовсе не вечные объекты, и рано или поздно они должны испариться, т.е. излучить в виде энергии излучения Хокинга всю свою массу без остатка.

При этом излучение Хокинга по тем же расчётам должно иметь совершенно случайный характер – например, спектр энергий его фотонов должен соответствовать спектру обычного теплового излучения тела с температурой, зависящей от массы чёрной дыры.
Представим себе, что мы бросили в чёрную дыру некий материальный объект – скажем, письмо в бутылке. Упав за горизонт чёрной дыры, бутылка и письмо исчезнут из нашего мира.

Но рано или поздно поглотившая их чёрная дыра испарится полностью: её масса, в т.ч. и масса бутылки с письмом, будут излучены в окружающее пространство в виде хокинговского излучения.

Но характеристики этого излучения, как мы уже говорили, зависят только от массы чёрной дыры. То есть, даже собрав всё это излучение до последнего фотона и изучив его, мы не сможем узнать ничего о том, что было написано в письме. Эта информация попросту исчезла!

Получается, что бутылка с письмом не просто «утонула» в чёрной дыре, попав в ловушку искажённого пространства. Получается, что в процессе она оказалась полностью уничтожена некоей могущественной разрушительной силой. При этом гравитация чёрной дыры на эту роль не годится: разрушение должно быть куда более фундаментальной, чем спагеттификация бутылки и письма под действием приливных сил. Мы говорим о полном превращении объекта в тепловое излучение – он как бы сгорает, причём на субатомном уровне! И более того, оказывается, что бутылка должна разрушиться сразу при пересечении границ чёрной дыры – как если бы на границе чёрной дыры, т.н. сферы Шварцшильда, располагалась стена всесжигающего пламени.

Звучит логично, но такое предположение вступает в противоречие со Специальной теорией относительности Эйнштейна. Дело в том, что, согласно этой теории, пространство вблизи чёрной дыры с точки зрения падающего в эту дыру объекта не должно ничем отличаться от обычного – ну, за исключением разве что той самой спагеттификации, но это тоже количественный, а не качественный эффект: приливными силами обладает не только чёрная дыра, но и любой другой гравитирующий объект, просто у чёрной дыры эти силы больше.

Проще говоря, согласно Специальной теории относительности никаких огненных стен на границах чёрных дыр существовать не должно. А согласно квантовой физике существовать они просто обязаны.

Проблема в том, что мы не знаем, существуют ли огненные стены на практике. Некоторые наблюдения (например, за слиянием чёрных дыр) дают результаты, которые могут быть интерпретированы как существование огненных стен или каких-то их аналогов. Однако пока что всё это ещё очень сильно неточно.

Ясно одно: какой-то из двух краеугольных камней современной физики (квантовую теорию или теорию относительности) придётся переписывать.

И это печально.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Как работает безлопастной вентилятор?

В основе принципа его работы лежит уравнение Бернулли и т.н. эффект эжекции - тот же самый, который заставляет пульверизатор разбрызгивать воду, а аэрограф - краску.

На самом деле лопасти у безлопастного вентилятора есть. Просто они находятся в нижней части устройства - в опоре, на которую опирается кольцо. Расположенные там лопасти создают поток воздуха, который всасывается через воздухозаборники (хорошо видны на картинке). Далее этот поток направляется в кольцо вентилятора, где с большой скоростью выталкивается наружу через узкие щели в этом самом кольце.

Закон Бернулли гласит, что чем больше скорость движения газа, тем меньше его давление. Получается, что выходящий через щели воздушный поток создаёт зону пониженного давления вдоль своего движения, в которую всасывается воздух из окружающих вентилятор областей, где давление выше.

Аэродинамический профиль устройства рассчитан так, что позволяет создать воздушный поток, на порядок превосходящий тот, что выдают лопасти укрытого в корпусе вентилятора. А это означает экономию электроэнергии на создание того же воздушного потока, что и в обычном вентиляторе. Кроме того, безлопастной вентилятор не имеет движущихся частей снаружи и не может травмировать неосторожного пользователя.

Ну и ещё он прикольно выглядит, да.

Платой за эти удобства является значительно большая цена, нежели у обычного вентилятора, а также более высокий уровень шума.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Донаты наших подписчиков - единственный источник средств к существованию для нашего канала, и потому мы очень благодарны всем, кто их делаем (и просим остальных тоже не оставаться в стороне). Кроме того, напоминаем, что вы можете поддержать проект, подписавшись на платный канал "Физика для друзей"!

Ну а в качестве благодарности тем, что поддерживает нас - фото необычной туманности Ожерелье (PN G054. 2-03.4). Туманность образована двумя звёздами солнечного типа, которые находятся так близко друг от друга, что совершают полный оборот за 1,2 дня. При этом одна из звёзд вступила в пору старости, став красным гигантом и сильно увеличившись в размерах. В результате вторая звезда вращается по сути в верхних слоях атмосферы красного гиганта, рассеивая его вещество по окружающему космосу подобно вращающемуся разбрызгивателю.

​​Сопло Лаваля: как инженеры здравый смысл обманули

Канал, по которому текут раскалённые газы в реактивных двигателях, имеет странную форму: он сначала сужается, а затем расширяется. Эта конструкция называется соплом Лаваля и предназначена для того, чтобы разгонять газ до скоростей, во много раз превосходящих скорость звука.

Как работает сужающаяся часть сопла, понятно: при уменьшении диаметра канала скорость потока возрастает. Этот эффект активно применяют огородники, когда поливают грядки: частично зажав выходное отверстие шланга, можно добиться того, что вода будет вылетать быстрее и лететь дальше. По той же причине на пожарные шланги надевают наконечники, представляющие собой сужающиеся на конце трубки.

Но зачем нужно расширение? Действительно, если при сужении диаметра канала скорость возрастает, то при его расширении она должна падать? Ан нет: оказывается, что при определённых условиях при сужении канала скорость растёт, а потом, при его расширении... снова растёт! Давайте попробуем понять, почему так происходит.

Ключевым для понимания процесса является т.н. принцип непрерывности: каким бы ни был диаметр канала, через него на всём протяжении должно проходить одно и то же количество вещества, то есть, произведение площади сечения канала, скорости течения вещества и его плотности должно быть постоянным.

При малых (меньших скорости звука) скоростях течения струи газы считаются несжимаемыми. Не то чтобы их нельзя было сжать в принципе, но вот из-за изменения площади сечения трубы они не сжимаются, вместо этого они меняют свою скорость: ускоряются при сужении трубки и замедляются при расширении, тогда как плотность их остаётся постоянной.

Но при преодолении скорости звука всё меняется.

Дело в том, что скорость звука корректнее называть скоростью распространения упругих возмущений: просто звук является одним из видов таких возмущений. Соответственно, когда газ течёт с дозвуковой скоростью (или через него с дозвуковой скоростью движется некое тело), возмущения в среде распространяются существенно быстрее: газ "успевает среагировать" на них и просто перераспределяется в системе (например, обтекает движущееся тело или меняет скорость движения при изменении ширины канала) без изменения плотности.

А вот если всё это происходит на сверхзвуковых скоростях, то перераспределение произойти уже не успевает, и газ становится сжимаемым.

Сопла Лаваля рассчитывают так, чтобы скорость звука достигалась именно в самом узком месте сопла. Перевалив за звуковой барьер здесь, газ становится сжимаемым. Принцип непрерывности продолжает работать, но только теперь меняется не только площадь и скорость, но и плотность.

Переходя в более широкую часть сопла, газ расширяется, т.е. плотность его уменьшается. Да, одновременно с этим возрастает площадь сечения, но оказывается, что (грубо говоря) плотность падает быстрее. А значит, принцип непрерывности потока требует, чтобы в этой расширяющейся части сопла газ ускорялся.

Можно объяснить и иначе: как известно, при расширении все газы охлаждаются, т.е. теряют внутреннюю энергию. И этой энергии попросту "некуда больше деваться", кроме как переходить в кинетическую энергию потока.

Подведём итог: проходя через сужающуюся часть сопла газ ускоряется, так как движется с дозвуковой скоростью и является несжимаемым; в самой узкой части сопла газ достигает звуковой скорости и становится сжимаемым; поэтому, пройдя в более широкую часть, он расширяется и ускоряется, теряя при этом внутреннюю энергию.

В современных реактивных двигателях сопла Лаваля и их аналоги разгоняют реактивные газы до 2-2,5 километров в секунду, т.е. в 6-7 раз быстрее звука!

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Продолжаем наш разговор про реактивные двигатели в вообще и их сопла в частности.

Мы уже рассказали об общем принципе действия сопла Лаваля, по форме напоминающего песочные часы, сначала сужающиеся, а затем расширяющиеся. В сужающейся части реактивный газ разгоняется до звуковой скорости, становясь сжимаемым; после этого он попадает в часть сопла с увеличивающимся диаметром канала. В нём находящийся под большим давлением и при высокой температуре газ расширяется, теряя внутреннюю энергию, которая переходит в кинетическую энергию движения струи. За счёт этого газ разгоняется скоростей, в 6-8 раз превосходящих скорость звука, что обеспечивает эффективность современных реактивных двигателей.

Итак, разгон газа до гиперзвуковых скоростей обеспечивается его расширением в расширяющейся части сопла. Откуда действует логичный вывод: чем сильнее расширится газ (т.е. чем больше будет сечение сопла на внешнем срезе), тем сильнее он разгонится, и тем выше будет эффективность двигателя. И это правда так, но следует учитывать два нюанса.

Первый: для того, чтобы добиться большего диаметра сечения сопла на срезе, на его изготовление надо потратить больше материалов. А больше материалов - больше вес аппарата, т.е. тем хуже он будет разгоняться при той же мощности двигателя. Существует некий разумный предел, при котором дальнейшее увеличение диаметра сопла невыгодно: небольшой выигрыш в скорости истечения газа полностью съедается из-за роста массы сопла.

Но есть и ещё один нюанс: большинство двигателей (исключая двигатели космических кораблей, например, межпланетных зондов) работают в атмосфере. Атмосферное давление препятствует расширению газа, снижая эффективность работы двигателя.

Если в погоне за высокой скоростью истечения мы дадим газу реактивной струи уж слишком сильно расшириться (это называется перерасширением), то атмосферное давление будет пытаться "затолкать" этот газ обратно в двигатель. Возникает сила, направленная в направлении, обратном тяге, снижающая эффективность работы двигателя и способная даже нанести ему повреждения.

С другой стороны, если газ расширится слишком слабо, то его скорость будет ниже идеальной, и эффективность работы двигателя, снова-таки, снизится. Это режим называют недорасширением, и он означает, что часть сожжённого для работы двигателя топлива расходуется напрасно.

Идеальный вариант - равенство давления в струе на выходе из двигателя с атмосферным давлением. Однако на практике добиться этого не так просто.

Дело в том, что реактивные самолёты и тем более космические ракеты летают на очень разных высотах, где атмосферное давление меняется в широких пределах. И двигатель, работающий в оптимальном режиме на одной высоте, на других высотах может сталкиваться как с недо-, так и с перерасширением реактивной струи.

В двигателях космических ракет с этим явлением попросту смиряются: геометрию сопла проектируют так, чтобы при старте двигатель работал в режиме некоторого недорасширения, выйдя в оптимальный режим на некоей высоте, а на финальных этапах полёта работая с перерасширением - так, чтобы в итоге суммарная эффективность за всё время полёта была максимальной. Именно поэтому при отрыве со стартового стола из двигателя ракеты вырывается узкий язык пламени, постепенно расширяющийся по мере подъёма (именно так образуется характерная форма "космических медуз").

В реактивных самолётах идут немного иным путём: их сопла делают регулируемыми, т.е. с изменяемым диаметром внешнего среза, как на картинке. Это позволяет регулировать давление на выходе и поддерживать его в оптимальных пределах. Ну а ещё регулируемые сопла необходимы для того, чтобы двигатель мог работать в критично важном для боевых самолётов режиме форсажа. О том, что это за режим и как он работает, мы поговорим в одном из следующих материалов.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Как оказалось, не все знают, что у нас есть чат-бот, с помощью которого вы можете высказать пожелания и предложения по работе канала, предложить какую-то тему для освещения или поправить нас, если мы где-то в чём-то ошиблись (все мы люди и иногда ошибаемся, не так ли?).

В общем, если вы хотите нам что-то сказать, то вам сюда!

Необычное радужное облако наблюдали над китайским городом Хайкоу: зрелище настолько фантастическое, что закрадывается мысль о фотошопе.

Но это реальное природное явление: ранее аналогичные картины могли видеть жители Эфиопии, Зимбабве, Индонезии и других регионов. Называется оно облако-пилеус, или облако-шапочка. Обычно такие облака не имеют радужной окраски, но и в этом случае являются редким явлением.

Как и все облака, пилеусы образуются из-за конденсации водяных паров в поднимающихся от поверхности Земли тёплых влажных воздушных массах. Эти массы как бы всплывают в лежащих над ними более холодных воздушных слоях в результате конвекции. В процессе они охлаждаются и уже не могут удерживать содержащуюся в них воду, которая осаждается в виде капель или льдинок - скопления этих льдинок и капель мы и называем облаками.

У пилеусов есть важная особенность: они возникают на высотах, где обычные облака не формируются.

Конвекция в атмосфере происходит потому, что температура воздуха падает с ростом высоты. Но так бывает лишь в самом нижнем слое атмосферы - тропосфере. В лежащей над тропосферой стратосфере всё наоборот: с ростом высоты температура растёт, конвекция не происходит, облака в стратосфере обычно не образуются.

Пилеусы - одно из немногих исключений: они возникают, когда особо интенсивная конвекция как бы по инерции забрасывает восходящие воздушные массы в лежащую между тропосферой и стратосферой тропопаузу. В холодном и разреженном воздухе последней водяные пары выпадают в виде крошечных (десятые доли микрометра) ледяных кристаллов.

Радужную окраску пилеусы обретают в случаях, когда солнечный свет падает на них на восходе и на закате. В этом случае световые лучи претерпевают дифракцию на ледяных кристаллах: в обычных облаках этого не происходит, так как составляющие их частицы для этого слишком велики.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Тем временем, в США запускают первую космическую миссию в рамках своей новой лунной программы "Артемида": космический корабль "Орион" без пассажиров в автоматическом режиме должен долететь до Луны, выйти на её орбиту и вернуться к Земле. По расчётам, приземление, а точнее, приводнение "Ориона" в Тихом Океане должно состояться 10 октября, т.е. весь полёт продлится 42 дня.

Онлайн-трансляция запуска доступна тут.

UPD. Запуск отложен на неопределённый срок из-за выявленной протечки в одном из двигателей ракеты-носителя. Время нового запуска объявят дополнительно

Океанические течения - один из ключевых факторов, влияющих на климат регионов нашей планеты: соседство с тёплыми течениями делает погоду пасмурной и дождливой, холодные течения, наоборот, делают климат засушливым. Ну и конечно, течения переносят тепло: например, Гольфстрим делает климат в Северной Европе куда теплее, чем он должен был бы быть исходя из того, сколько тепла эти территории получают от Солнца.

Но как благодаря каким механизмам образуются течения? Основа основ - господствующие ветра, дующие в тех или иных широтах: именно они увлекают огромные массы. Напомним, что господствующие ветра, в свою очередь, определяются различием прогрева поверхности Земли на разных широтах и силой Кориолиса.

Однако ветры - не единственный фактор, определяющий направление океанических течений. Во-первых, на них сильно влияет рельеф: так, тот же Гольфстрим во многом обусловлен тем, что упомянутая выше сила Кориолиса прижимает потоки воды, циркулирующие в Карибском море, к восточному побережью американского континента.

Влияют на течения и иные факторы, например, различия в солёности, а значит, плотности воды: в местах стока в мировой океан крупных рек солёность воды ниже; с другой стороны, в небольших закрытых водоёмах, обладающих ограниченным водным обменом, она может существенно возрастать из-за испарения.

Кстати, из-за этого фактора у учёных есть большие опасения насчёт устойчивости существующей системы течений. Так, таяние ледников из-за глобального потепления может изменить распределение уровня солёности в мировом океане, что, в свою очередь, должно сказаться на океанических течениях - например, том же Гольфстриме и привести к сильному ухудшению климата в Европе. Впрочем, это мнение разделяют не все исследователи.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Загадочные белые карлики: размер имеет значение

У белых карликов, т.е. огарков звёзд, образующихся после того, как эти звёзды исчерпают запасы своего топлива, есть одно интересное свойство: их масса обратно пропорциональна их размеру. То есть, чем тяжелее белый карлик, тем он меньше, хотя обычно в жизни бывает наоборот.

Это аномальное свойство белого карлика определяется тем, что в равновесии его удерживают силы, имеющие квантовую природу и обычно в макроскопическом мире не проявляющиеся.

Равновесие обычных звёзд определяют два фактора - давление газа внутри них, стремящееся расширить звезду (почти как внутри воздушного шарика), и гравитация, стремящаяся её сжать. Когда звезда исчерпывает запасы термоядерного топлива и реакции синтеза внутри неё прекращаются, внутренняя энергия, а значит и давление внутри звезды падают. Гравитация возобладает, и звезда начинает сжиматься.

В ходе сжатия температура растёт, а значит, растёт и давление. Однако гравитация также увеличивается по мере сжатия звезды, так что нарастание температуры неспособно остановить сжатие.

Так происходит до тех пор, пока вещество звезды не переходит в очень интересное состояние - вырожденного газа.

Если точнее, то вещество звезды - не газ, а плазма, а плазма, как мы с вами уже говорили, это как бы два газа в одном: она состоит из, во-первых, свободных электронов, оторвавшихся от своих атомов, а во-вторых из самих лишённых электронов атомных ядер, имеющих положительный заряд. И вот в вырожденное состояние переходит именно электронная компонента. Физики так и говорят: вырожденный электронный газ.

Если опустить разные хитрые моменты из квантовой механики, то вырожденный электронный газ - это такое состояние вещества, в котором частицы упакованы так плотно, как это только возможно, и сблизить их сильнее уже никак не получается. То есть, это предел сжатия данного типа вещества при данных параметрах.

Момент наступления вырождения звёздного электронного газа зависит от двух параметров: во-первых, плотности, во-вторых, температуры. И если зависимость от плотности прямая (чем больше плотность, тем раньше наступает вырождение), то от температуры - обратная: чем выше температура, тем сильнее надо сжать газ, чтобы он стал вырожденным.

Кстати, при очень низких температурах вырождение электронного газа может наступать и при вполне бытовых условиях. Например, условно-свободные электроны проводимости внутри металлических проводников находятся в вырожденном состоянии при вполне бытовых условиях.

Однако в звёздах температуры очень высоки, и поэтому для достижения состояния вырождения вещество нужно сжать очень сильно - до миллионов или даже миллиардов граммов на сантиметр кубический: звезда размерами с Солнце в ходе превращения в белый карлик сожмётся примерно до размеров Земли!

Ну а температура, до которой нагреваются звёзды при превращении в белые карлики, непосредственно зависит от их массы. С энергетической точки зрения разогрев звёзд при таким сжатии объясняется работой, которую выполняет над веществом звезды гравитация, а значит, пропорциональна её массе. Больше масса => больше температура => большая степень сжатия требуется для достижения веществом звезды состояния вырожденного электронного газа ==> большей оказывается плотность получившегося объекта. Иными словами, чем массивнее была звезда, из которой получился белый карлик, тем он горячее, компактнее и большей массой обладает.

Т.е. если звёзды с массой около Солнца станут размерами с Землю, то звёзды с массой в 1,3-1,4 массы Солнца после превращения в карликов будут размерами с Луну.

Более массивные звёзды стали бы ещё маленькими карликами, но белых карликов массивнее 1,44 массы Солнца не бывает: они превращаются в нейтронные звёзды.

Физика может казаться парадоксальной, но это лишь потому, что наша логика, основанная на бытовых наблюдениях, несовершенна, а уравнения умнее нас.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​#непростые_вопросы: почему лёд легче воды?

Классический пример, когда вопрос простой, а вот ответ – не очень. Но мы попытаемся)

Всё дело в межмолекулярном взаимодействии, которое устроено достаточно интересно: на больших расстояниях между молекулами оно работает как притяжение, маленьких – как отталкивание. То есть, если вы начнёте сближать друг с другом две молекулы, то сначала заметите всё растущее притяжение между ними. Но потом оно начнёт уменьшаться, пока не упадёт до нуля, а при дальнейшем сближении сменится отталкиванием.

То есть, существует особое расстояние между молекулами, при котором силы взаимодействия между ними равны нулю; при увеличении расстояния будет возникать сила притяжения, стремящаяся вернуть молекулы назад, при уменьшении – сила отталкивания. Проще говоря, на определённом расстоянии молекулы оказываются в положении устойчивого равновесия.

Межмолекулярное взаимодействие стремится разместить молекулы вещества именно в таких положениях – из-за этого и возникают упорядоченные структуры под названием кристаллические решётки. Но кроме потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия у молекул есть и собственная кинетическая энергия их теплового движения. В газе или жидкости эта энергия больше энергии межчастичного взаимодействия, и потому это взаимодействие не может «поймать» молекулы и «рассадить» их по наиболее энергетически выгодным положениям: молекулы постоянно «срываются с цепи». По мере охлаждения и/или сжатия вещества кинетическая энергия молекул падает, а энергия межчастичного взаимодействия растёт (из-за увеличения концентрации молекул, т.е. уменьшения среднего расстояния между ними). Поэтому газ становится сначала жидкостью, где силы межчастичного взаимодействия уже способны удерживать частицы на определённом расстоянии друг от друга, а затем и твёрдым телом, где молекулы «рассажены по своим местам».

Так происходит абсолютно во всех веществах. Но в воде есть свои нюансы из-за того, что между молекулами воды, помимо «обычных» сил межмолекулярного взаимодействия, действуют и силы, обусловленные т.н. водородными связями.

Что такое водородная связь мы уже говорили, и сейчас на этом детальнее останавливаться не будем. Сейчас важно знать, что водородные связи действуют на больших расстояниях, нежели обычные межмолекулярные связи (силы Ван-дер-Ваальса), но при этом слабее их.

По мере охлаждения воды энергия движения её молекул уменьшается, они становятся всё более подвержены действию сил межмолекулярного взаимодействия и притягиваются друг к другу всё сильнее, из-за чего объём, который занимает жидкость, уменьшается, а её плотность увеличивается.

Наконец, наступает момент, когда среднее расстояние между молекулами оказывается равным «нулевому расстоянию» водородных связей. Но жидкость ещё имеет слишком большую температуру, а её молекулы – слишком большую скорость для того, чтобы слабые водородные связи смогли «схватить» их и заморозить воду.

Для того, чтобы началось замерзание, температура воды должна упасть ещё ниже, что приводит к дальнейшему уменьшению объёма и увеличению плотности. А когда это, наконец, происходит, и силы водородного межмолекулярного взаимодействия оказываются способны прочно связать молекулы в кристаллическую решётку, выясняется, что идеальное положение равновесия характеризуется большим расстоянием между молекулами, чем имеющееся.

С началом замерзания воды сила межмолекулярного взаимодействия начинает «рассаживать» молекулы по своим местам, и места эти расположены друг от друга дальше, чем располагались молекулы в жидкой воде. Объём, который занимает замерзающая вода, увеличивается, а плотность её, наоборот, падает.

Вывод: лёд легче воды потому, что процесс замерзания воды объясняется наличием в ней водородных связей, которые действуют на больших расстояниях, но с меньшими силами, чем обычные межмолекулярные связи в других веществах.

Просим поддержать проект материально: отправить ваши донаты можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".