​​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".

​​Сверхтекучая жидкость - необычное состояние переохлаждённого вещества

Раз уж мы с вами взялись говорить о необычных состояниях вещества, то нельзя обойти стороной и т.н. сверхтекучие жидкости: хотя они и называются жидкостями, на "настоящие" жидкости они мало похожи - даже меньше, чем плазма похожа на обычный газ.

Сверхтекучая жидкость (по определению) - это жидкость, в которой отсутствуют силы вязкости. А это, в свою очередь, происходит из-за прекращения обмена энергией между частицами (атомами) вещества при сверхнизких температурах (подробнее читайте тут).

Так вот: прекращение этого взаимодействия придаёт сверхтекучим жидкостям массу аномальных свойств, о некоторых из которых мы поговорим в этом и следующих материалах.

Например, сверхтекучие жидкости оказывается крайне сложно хранить - и не только из-за того, что требуется много мороки по поддержанию сверхнизких температур. Дело в том, что сверхтекучая жидкость обладает свойством "сбегать" почти из любого сосуда: во-первых,из-за отсутствия вязкости она может просачиваться через мельчайшие поры, недоступные даже для газов (у которых всё-таки имеется какая-никакая вязкость). А если сам сосуд непроницаем, то сверхтекучая жидкость может "выбраться" из него по стенкам, образуя тонкую плёнку.

Подобные плёнки образуются на стенках сосудов и в обычных жидкостях. Это происходит из-за того, что частицы (молекулы и атомы) материала, из которого сделан сосуд, притягивают частицы (молекулы, а в нашем случае - атомы) жидкости. Но в обычных жидкостях этому препятствует вязкость. В сверхтекучей жидкости её нет, и образование плёнок ничем не сдерживается.

Так, если пустую пробирку поместить в сосуд со сверхтекучей жидкостью так, чтобы её края были над поверхностью сосуда, то сверхтекучая жидкость всё равно затечёт в сосуд по его стенкам. И наоборот: если налить её в сосуд, то она "убежит" из него по стенкам и по капле стечёт вниз, пока сосуд не опустеет - именно это и показано на иллюстрации к посту.

Таким образом, если по определению жидкость - это вещество, которое при помещении в сосуд принимает форму этого сосуда, то сверхтекучая жидкость - уже не очень жидкость. Если точнее, состояние, в котором возникает явление сверхтекучести, называют конденсатом Бозе-Эйнштейна.

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

​​#простыевопросы: почему на холодных поверхностях в тёплых помещениях образуются капельки воды?

Эти капельки, которые называют конденсатом, появляются в буквальном смысле слова из воздуха.

Воздух при данной температуре способен удержать лишь определённое количество воды. Так, при 30 градусах мороза в воздухе может быть не более 0,3 грамма водяных паров на кубометр; при 0 градусов – уже 4,8 грамма на кубометр, при 20 градусах – 17,3 грамма и так далее. Если мы возьмём воздух температурой в 20 градусов, содержащий 10 граммов водяных паров, и охладим его до нуля, то окажется, что в каждом кубометре воздуха окажется 5 с небольшим граммов «лишней» воды. Эта вода не сможет больше помещаться в воздухе в газообразном состоянии и перейдёт в жидкую форму – конденсируется.

Но давайте копнём немного глубже: почему воздух может удерживать разное количество водяных паров в зависимости от температуры?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим ситуацию, когда капли уже образовались, т.е. в системе соседствуют два состояния воды – жидкое (на стекле) и газообразное (в воздухе в виде паров).

Жидкость отличается от газа тем, что внутри неё молекулы пребывают в связанном состоянии: их движение ограничено силами межмолекулярного взаимодействия. При этом молекулы жидкости пребывают в состоянии теплового движения, скорость которого зависит от температуры. Точнее, так говорить неправильно. на самом деле то, что мы воспринимаем как температура, является проявлением того, насколько быстро движутся молекулы в вещества: чем выше средняя скорость их движения, тем более горячим кажется тело.

Если молекула жидкости движется быстро, то её кинетической энергии может оказаться достаточно для того, чтобы разорвать межмолекулярные связи и улететь прочь – происходит испарение. И наоборот: медленная молекула газа может быть уловлена жидкостью и не сможет уже вернуться в свободное состояние. Произойдёт конденсация.

Но температура характеризует лишь среднюю скорость движения молекул вещества, и в реальности в жидкости или газе всегда присутствуют молекулы, обладающие скоростью как сильно большей, так и много меньшей средней. Поэтому процессы испарения и конденсации в системе «жидкость-пар» всегда происходят параллельно. То, какой процесс доминирует, зависит от температуры: при более высоких доминирует испарение, при более низких – конденсация.

Существует температура, при которой оба процесса уравновешиваются: в единицу времени испаряется столько же молекул, сколько и конденсируется. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют насыщенным, а температуру, при которой наступает это состояние – точкой росы.

Температура точки росы зависит от давления пара, а точнее – от концентрации молекул пара в воздухе. Несложно понять, почему так происходит: если молекул газа (пара) над поверхностью жидкости нет или почти нет, ничто не помешает испарившейся молекуле улететь на сколь угодно большое расстояние и уже никогда не вернуться обратно в жидкость. С другой стороны, чем больше газа находится над поверхностью жидкости, тем больше вероятность, что покинувшая её шустрая молекула в ходе соударений с окружающими молекулами потеряет свою энергию и «упадёт» обратно.

Именно поэтому существует верхняя граница количества паров воды, которые могут содержаться в воздухе при данной температуре – собственно, воздух может вместить не более того количества воды, чтобы водяной пар стал насыщенным. Если понизить температуру, то окажется, что воды слишком много, и начнётся конденсация.

Но как насчёт ситуаций, если в системе есть только газ и нет жидкой фазы? Ведь «ленивым», медленным молекулам в этой ситуации не будет куда конденсироваться? Ну да, так оно и происходит: в очень чистый воздух, помещённый в идеально гладкий сосуд, на практике оказывается возможно «запихать» больше водяного пара, чем возможно теоретически при данной температуре. Такой пар ещё называют перенасыщенным.

Поддержать проект материально можно здесь. А ещё вы поможете нам, подписавшись на платный канал "Физика для друзей"

​​Вещество, которое не умеет кипеть

Продолжим наш разговор о сверхтекучей жидкости и её аномальных свойствах

Зададимся вопросом: какой должна быть теплопроводность сверхтекучей жидкости? Логично предположить, что она будет равна 0.

Действительно, теплопроводность в веществах осуществляется посредством взаимодействия между молекулами или атомами. Нагрев какую-то часть жидкости, мы увеличим скорость теплового движения частиц в этой части. Сталкиваясь с частицами из соседних областей, более шустрые частицы будут передавать им часть своей кинетической энергии, т.е. тепла. Те частицы, в свою очередь, провзаимодействуют с другими частицами, передав им часть того тепла, которое они получили. Процесс будет повторяться по мере удаления от места, которое мы нагрели - тепло будет распространяться по материалу.

Но в сверхтекучей жидкости такой процесс невозможен, ведь частицы такой жидкости не обмениваются энергией при столкновениях. Значит, теплопроводность сверхтекучих жидкостей равна 0?

А вот и нет, и даже в точности наоборот: при переходе в сверхтекучую фазу теплопроводность жидкостей скачкообразно и колоссально возрастает!

Например, известно, что кипящий жидкий гелий при переходе в сверхтекучую фазу внезапно перестаёт кипеть: его толща становится совершенно спокойной! Это явление физики объясняют как раз аномально высокой теплопроводностью сверхтекучего гелия.

Действительно, при испарении жидкости затрачивается тепловая энергия - жидкость слегка охлаждается. Обычно жидкость испаряется с поверхности, и потому у поверхности находится более холодный её слой, куда должно "перетекать" тепло из более нагретых (не охлаждённых испарением) частей.

Чтобы закипятить обычную жидкость, мы подводим к ней тепло настолько быстро, что оно просто не успевает отводиться из толщи жидкости к поверхности. Жидкость начинает испаряться во всём своём объёме - закипает.

Но в сверхтекучем гелии теплопроводность настолько велика, что тепло распространяется из глубин жидкости к поверхности почти мгновенно. А там, на поверхности, эффективно тратится на испарение. Жидкости просто не удаётся "накопить" в своей толще достаточно тепла, чтобы начать кипеть!

Откуда же у сверхтекучих жидкостей берётся теплопроводность, да ещё и такая высокая? Строго правильный ответ на этот вопрос достаточно сложен, поэтому изложу достаточно сильно упрощённую версию.

Даже в обычных жидкостях теплопроводность методом диффузии тепла, как мы описывали выше, является не единственным механизмом теплопередачи. Другим механизмом, и притом более эффективным, является конвекция, когда теплоперенос осуществляется в результате внутреннего движения макроскопических объёмов вещества: горячая вода поднимается со дна чашки вверх к её поверхности.

Причём конвекция гораздо эффективнее переносит тепло, чем "диффузная" теплопроводность.

Но в обычной жидкости конвекции препятствует вязкость, которая стремится прекратить внутреннее движение её слоёв. Поэтому конвекция "запускается" лишь при определённой разнице температур, когда порождающие конвекцию силы оказываются способны побороть вязкость.

А в сверхтекучей жидкости вязкости нет, и теплопередаче путём переноса массы ничего не препятствует, и поэтому теплоперенос осуществляется именно этим способом - причём осуществляется более чем эффективно.

На самом деле, как я уже говорил выше, объяснение феномена немного сложнее, но суть та же: теплоперенос в сверхтекучей жидкости осуществляется путём распространения т.н. тепловых волн, или волн энтропии, или т.н. "второго звука", причём скорость их распространения составляет десятки метров в секунду.

На видео - тот самый эффект прекращения кипения гелия при переходе в сверхтекучую фазу.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Можно ли плавать в сверхтекучей жидкости?

Интуитивно кажется, что нет. Во время плаванья мы по сути отталкиваемся от жидкости, используя её вязкость. В сверхтекучей жидкости вязкость отсутствует, и как бы ни барахтался пловец, он должен оставаться на месте: жидкость будет обтекать его без всякого сопротивления.

Однако на самом деле плавать в сверхтекучей жидкости всё-таки можно - по крайней мере, в теории. Правда, для этого пловец должен двигать частями своего тела со скоростью, превышающей скорость звука.

В этой ситуации его движения (как и движения со сверхзвуковой скоростью в любом веществе) будут порождать в жидкости звуковые волны, которые будут распространяться в среде. Эти волны будут уносить энергию, и если устроить всё так, что эта энергия будет распространяться не во все стороны одновременно, а преимущественно в каком-то одном направлении, то пловец, соответственно, будет двигаться в другом.

Сама теория плаванья в сверхтекучей жидкости может показаться отвлечённой игрой ума, ведь реальной потребности в аппаратах, способных плавать в том же жидком гелии с температурой в считанные градусы выше нуля у нас пока не возникало. Ключевое слово - пока: по мере развития технологий, связанных, например, с квантовыми компьютерами, которые "работают" именно на сверхтекучих жидкостях, теория может получить практическое применение.

На картинке - компьютерная симуляция обобщённого "пловца" в сверхтекучей жидкости, представляющего собой два эллипса, соединённых шарниром - что-то типа морского гребешка. По расчётам "гребешок" вполне сможет плавать в сверхтекучей жидкости, создавая в ней колебания плотности и звуковые волны.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​#киноляпы: ядерный взрыв и авиация, ну и заодно пару слов про электромагнитный импульс

Во многих художественных фильмах, в которых фигурирует ядерный взрыв и его последствия, присутствуют драматические сцены падения на землю авиалайнеров и прочей техники, выведенной из строя электромагнитным импульсом (ЭМИ) ядерного взрыва на расстоянии десятков и даже сотен километров от его эпицентра.

Выглядит круто, но в реальности ничего подобного наблюдаться не должно. Современные самолёты, даже гражданские, неплохо защищены от электромагнитных излучений: например, их электронное оборудование специальным образом экранировано. Причём сделано это не для защиты от последствий ядерного взрыва: самолёты весьма часто летают через грозовые фронты, а разряды молний также сопровождаются электромагнитными импульсами, притом достаточно мощными.

В реальности современные самолёты легко и без последствий переживают даже прямой удар молнии. ЭМИ от ядерного взрыва они тоже легко перенесут.

Другое дело, что электромагнитный импульс - далеко не единственный поражающий фактор ядерного взрыва, и от, к примеру, ударной волны самолёт уже защищён не так хорошо. Но это немного другая история.

Кстати, разрушительные последствия прохождения ЭМИ ядерного взрыва вообще слегка преувеличены. Например, ваш стационарный компьютер достаточно легко его переживёт, ведь его электроника упрятана в металлическом корпусе, а металлы хорошо экранируют ЭМИ: если что и сгорит, то, скорее всего, блок питания, напрямую подключённый к сети. Большинство автомобилей, корпус которых сделан из металла, также не пострадают (а вот владельцев авто с карбоновыми корпусами таки может ждать неприятный сюрприз). И даже электросети, на которые (из-за протяжённости проводников) придётся основной удар ЭМИ, вполне могут выжить, так как имеют встроенную защиту: выключиться-то они выключатся, но могут быть так же легко включены обратно (если, конечно, на обязательных мероприятиях по защите от ЭМИ не сэкономили).

Вот что отключится наверняка и надолго, так это мобильная связь. И не потому, что перегорят мобильные телефоны (воздействие ЭМИ зависит от линейных размеров объекта, а гаджеты обычно невелики), а из-за выхода из строя вышек, антенны которых являются идеальным "улавливателем" ЭМИ. А вот стационарная телефонная связь вполне вероятно даже не заметит взрыва, так как изначально проектировалась ЭМИ-устойчивой.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Знаете ли вы, что Луна постепенно удаляется от Земли?

Среднее расстояние между Землёй и её естественным спутником увеличивается примерно на 4 сантиметра в год - где-то с такой же скоростью растут ногти.

Это происходит потому, что скорость вращения луны вокруг Земли постепенно возрастает. Но из-за чего она возрастает? Дело, конечно, в гравитации.

Земля притягивает Луну (из-за чего та не улетает в открытый космос), но и Луна притягивает Землю. Так что говорить "Луна вращается вокруг Земли" не совсем правильно: скорее обе планеты вращаются вокруг некоего общего центра масс.

Гравитация Луны оказывается достаточно сильной, чтобы слегка изменить форму Земли, ведь наш спутник притягивает ближайшие к нему точки Земли сильнее, чем более удалённые. В результате Земля немного сплющивается, или, наоборот, вытягивается в направлении Луны.

Если бы Земля была неподвижна, то выпуклость эллипса располагалась бы точно "под" Луной. Но Земля ещё и вращается. Причём вращаются они в одну сторону, но скорости вращения Земли вокруг своей оси выше, чем скорость вращения Луны вокруг Земли. Поэтому получается, что приливный горб, вызванный лунной гравитацией, находится не прямо напротив Луны, а чуть-чуть обгоняет её.

В результате центр масс системы Земля-Луна немного смещается. Причём получается, что Луну он немного "обгоняет", а вот от выпуклости земного эллипса слегка "отстаёт". В результате Луна, притягиваясь к этому центру масс, слегка ускоряется, а вот Земля, наоборот - немного замедляется. То есть, в системе Земля-Луна идёт постепенное перераспределение кинетической энергии и момента импульса.

В результате Луна в своём вращении вокруг Земли слегка ускоряется, по мере ускорения переходя на всё более высокую орбиту. А вот Земля, напротив, слегка замедляется, и продолжительность земных суток растёт примерно на 2 миллисекунды в столетие.

Значит ли это, что однажды Луна удалится от Земли настолько, что улетит прочь? Конечно же нет. Процесс перераспределения энергии и момента импульса в системе Земля Луна будет длиться до тех пор, пока скорости вращения Земли вокруг своей оси и Луны вокруг Земли не сравняются. В этот момент центр масс системы Земля-Луна расположится ровно на линии, соединяющей центры планет, перераспределение энергии в системе прекратится. Земные сутки перестанут становиться всё длиннее, а Луна перестанет удаляться. Впрочем, это не значит, что система Земля-Луна обретёт стабильность, ведь в ней действуют и другие факторы, влияющие на движение тел в ней. О них мы тоже поговорим в других материалах.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

#простыевопросы: почему мокрая одежда выглядит более тёмной?

Пролитая на одежду вода, капли дождя или, к примеру, пот создают характерные тёмные пятна. Но почему эти пятна в принципе тёмные, ведь вода практически прозрачна?

Мы видим одежду (и любой другой несветящийся сам по себе предмет) благодаря отражённому свету. То есть, свет от Солнца или, скажем, лампы падает на одежду, отражается ей, попадает нам в глаз - формируется изображение.

Чем больше света отражается, тем лучше нам видно: именно поэтому белая одежда с более высокой отражающей способностью кажется нам более яркой, а специальные светоотражающие материалы и вовсе как будто светятся, настолько яркими они кажутся. Стоит отметить, что в светоотражающих материалах дело ещё и в том, что свет отражается не абы как, как от обычной ткани, а в определённом направлении благодаря их внутренней структуре, но это уже немного другая история.

Так вот, если одежда сухая, то как оптическая система она выглядит просто: свет отражается только на границе воздух-ткань. Но если добавить в систему воду, всё усложнится: свет сначала частично отразится от поверхности воды, отделяющей ткань от воздуха, затем через воду пройдёт к ткани и отразится уже от неё. Но на обратном пути свет снова повстречается с границей воды и воздуха, и претерпит частичное отражение: часть его вернётся обратно в материал, где снова отразится от ткани, снова достигнет границы вода-воздух, опять частично отразится там и т.п. При этом во время этих путешествий свет ещё и постоянно поглощается средой (что водой, что тканью), и его итоговая энергия уменьшается.

Получается, что водная плёнка вокруг волокон ткани создаёт как бы "световую ловушку", в которую попадает свет и где он слабеет. В результате мокрые участки ткани возвращают нам меньше падающего света, чем сухие.

Кстати, мокрый асфальт (или, скажем, мокрый песок) кажутся темнее сухого по той же самой причине.

Помочь проекту материально можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".