Откуда берёт энергию Солнце?

На этот вопрос учёные не могли найти ответа до первой четверти XX века, когда были открыты взаимные превращения атомных ядер с выделением энергии. Оказалось, что атомы водорода, из которого на 70 % состоит наше Солнце, при определённых условиях способны «склеиваться», превращаясь в атомы гелия, из которого Солнце состоит на 28 %. При таком склеивании выделяется значительная энергия – этот процесс ещё называют термоядерным синтезом. И загадка источников энергии Солнца казалась почти разгаданной, но увы, всё оказалось не так просто, как кажется: оказалось, что превратить водород в гелий крайне сложно по целому ряду причин. Для того, чтобы понять, что на самом деле происходит в ядре Солнца, учёным понадобилось ещё несколько десятилетий.

Подробнее в видео.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Линзовидные облака, которые можно иногда наблюдать над вершинами гор - впечатляющее и выглядящее немного таинственным явление - особенно с учёом того, что такие облака, кажется,совершенно не реагируют на ветер, будучи "привязанными" к горной вершине.

На самом деле по природе линзовидные облака слабо отличаются от обычных: они тоже образуются в результате того, что тёплый влажный воздух поднимается вверх в более холодные слои, где содержащийся в нём водяной пар конденсируется в капельки.

Но только если в случае обычных облаков воздух поднимают вверх конвекционные потоки, то в случае линзовидных облаков это происходит под действием силы горизонтально дующего ветра. Для того, чтобы обогнуть гору, ветровой поток получает вертикальную составляющую, которая забрасывает воздух на высоту, где температуры ниже, и происходит конденсация водяных паров с образованием привязанного к вершине горы облака.

Так как к образованию линзовидных облаков приводит не конвекция, а ветер, они могут образовываться даже в безоблачную погоду, благодаря чему и выглядят особенно эффектно.

На картинке - линзовидное облако над вулканом Ключевская сопка.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Электрический ток - это направленное движение носителей заряда в проводнике, например, электронов в металлическом проводе.

Причём скорость этого самого этого движения весьма незначительна (доли миллиметра в секунду), тогда как электромагнитное поле распространяется со скоростью света.

Как такое возможно?

Представьте себе проводник в виде трубы, до предела заполненной упругими шариками-электронами. Очевидно, что если мы начнём запихивать новые шарики с одного конца, то уже находящиеся в ней шарики начнут высыпаться с другого конца почти мгновенно, даже если труба очень длинная.

Эта аналогия точнее, чем может показаться на первый взгляд. Действительно, взаимодействие между шариками определяется упругими силами и происходит со скоростью звука в материале шариков. В случае же с проводником и электронами взаимодействие определяется электрическими силами, и осуществляется со скоростью распространения электромагнитных волн, т.е. со скоростью света.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Теперь "Физика в картинках" и в Инстаграме!

https://www.instagram.com/fizika_v_kartinkakh/

​Задумывались ли вы о том, почему сухая тряпка впитывает воду хуже, чем влажная?

Или о том, почему тряпка из шерсти годится для этого хуже, чем тряпка из льна?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно понять, почему вообще тряпка впитывает воду. Причина – т.н. капиллярный эффект – свойство жидкости «всасываться» в сосуды небольшого диаметра, сделанные из смачиваемого этой жидкостью материала.

Если очень коротко, смачивание и капиллярный эффект возникают вследствие взаимодействия (притяжения) молекул жидкости и молекул вещества сосуда: если сила такого взаимодействия между молекулами жидкости и сосуда сильнее, чем между молекулами самой жидкости между собой, то и происходит смачивание: межмолекулярные силы как бы «втягивают» жидкость внутрь тонкого сосуда-капилляра, причём втягивается тем сильнее, чем тоньше сосуд.

Льняная (или, скажем хлопковая или хлопчато-бумажная) ткань состоит как раз из множества таких капилляров: именно их представляют собой волокна растений, из которых сделана эта ткань. В природе эти волокна нужны для доставки воды и минеральных веществ из почвы – как раз-таки благодаря капиллярному эффекту, который растения приспособились использовать в качестве насоса.

Но для того, чтобы капиллярные насосы в тряпке начали «прокачивать» воду, кончик капилляра нужно смочить в воде, чтобы жидкость пришла в соприкосновение со стенками этого капилляра, смочила их. Именно поэтому тряпку рекомендуют смочить, а потом как следует отжать, чтобы в ней оставалось минимальное количество жидкости: тогда капиллярные насосы будут работать в полную силу.

А вот ткани животного происхождения, такие как шерсть или шёлк, состоят из волокон другого рода: они цельные, без пустот, и как капилляры работать уже не могут. Кое-какое впитывание обеспечивается за счёт заполнение водой пустот между волокнами, но это, конечно, уже не то.

На картинке - трубочки волокон льна под микроскопом

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Из пушки на Луну: возможно ли?

Одним из первых прочитанных мной научно-фантастических произведений было "Из пушки на Луну" Жюля Верна. Конечно, полтора века спустя произведение выглядит достаточно наивным, но ключевая высказанная Жюлем Верном идея будоражит умы инженеров до сих пор: можно ли создать некое стационарное наземное устройство, которое позволит отправить человека если не на Луну, то хотя бы на околоземную орбиту?

Действительно, постройка такого ускорителя позволила бы существенно удешевить самый дорогой и сложный этап космических полётов: преодоление земной гравитации. К сожалению, в чистом виде реализовать этот принцип не получится по законам механики. Точнее, построить космическую пушку, которая будет разгонять летательные аппараты до первой космической скорости (достаточной для выхода на устойчивую орбиту) теоретически можно. Точнее, начальная скорость объекта должна быть существенно выше первой космической, ведь ему ещё предстоит преодолеть сопротивление атмосферы, но проблема не в этом.

Ключевая сложность состоит в том, что в результате разогнанный до такой скорости объект выйдет на эллиптическую орбиту, которая будет пересекаться с Землёй в точке запуска (или в несколько другой точке, с учётом суточного вращения Земли и того же сопротивления воздуха), так что запущенный аппарат упадёт на Землю в конце первого же витка.

Так что для того, чтобы выйти на стационарную орбиту, космическому аппарату всё-таки надо будет иметь двигатели, которые придадут ему некую дополнительную скорость уже после старта, чтобы благодаря такому манёвру аппарат изменил орбиту и всё-таки избежал столкновения с Землёй.

Впрочем, используя наземный ускоритель можно всё-таки существенно уменьшить затраты топлива, а значит, и стоимость запусков: одним из проектов, изучающих эту возможность, является проект гигантской центрифуги SpinLaunch, предназначенной для начального разгона перед выходом на орбиту небольших спутников.

Но самое интересное то, что полёт "из пушки на Луну" (или даже на другую планету Солнечной системы) всё-таки возможен - по крайней мере, теоретически. Правда, для этого "пушка" должна разогнать "снаряд" не до первой, а до второй космической скорости - скорости, которая требуется для его выхода на эллиптическую орбиту вокруг Солнца. Да, такая орбита тоже будет пересекать точку старта, но дело в том, что из-за годового вращения Земли по своей орбите вокруг Солнца, к моменту возвращения аппарата в эту точку Земли там может и не быть. Зато по пути он может встретить другие небесные тела - ту же Луну или, скажем, Марс или Венеру, осуществив таким образом межпланетный перелёт.

Другое дело, что такой перелёт, вероятно, займёт достаточно много времени. Да и затраты энергии для разгона аппарата до второй космической скорости с учётом потерь на преодоление сопротивления земной атмосферы будут поистине чудовищными. Так что логичнее и рациональнее решать задачу всё-таки иначе: сначала тем или иным способом выводить космический аппарат на околоземную орбиту, а уже там набирать разгон и летать куда-то дальше.

Однако чисто теоретически полёт из пушки на Луну возможен, так что тут Жюль Верн в целом нас не обманул.

На картинке - та самая "орбитальная центрифуга" SpinLaunch.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Рельсовая пушка, рейлган или рельсотрон - ещё одно оружие, хорошо известное нам по научной фантастике. Но сколько эти фантазии применимы в реальности?

По сути рельсотрон - вполне реальная установка, принцип действия которой основан на реально существующих физических законах. Металлический снаряд помещают между двух "рельс"- проводников, по которым пускают электрический ток. Ток порождает магнитное поле, причём в нашем случае оно таково, что стремится разомкнуть цепь, вытолкнув снаряд из системы. Эта сила начинает толкать снаряд по "рельсам", всё сильнее и сильнее разгоняя его.

В результате скорость, до которой мы можем разогнать снаряд, определяется исключительно силой тока в системе, а также длинной проводников-"рельсов" - то есть, вообще говоря, может быть сколь угодно большой - в отличие от обычного огнестрельного оружия не может превышать 2,5 километра в секунду.

Рельсотрон в теории обладает рядом преимуществ. Стоимость снаряда, который представляет просто кусок металла, существенно ниже, а значит, снижается и стоимость одного выстрела. Кроме того, ниже масса готового выстрела: не нужен пороховой заряд, гильза и тому подобное, а значит, и места для хранения боекомплекта понадобится меньше.

Да и сам снаряд может быть легче: кинетическая энергия пропорциональна массе снаряда в первой степени, а скорость - в квадрате, так что при прочих равных снаряд с меньшей массой, но с большой скоростью будет обладать большей разрушительной силой.

Кроме того, перехватить небольшой снаряд, летящий со значительной (около 2000 метров в секунду) скоростью не сможет ни одна система активной обороны. По той же причине от такого снаряда почти невозможно будет уклониться.

Всё это выглядит очень интересно, но на практике применение рельсотронов военными сталкивается с рядом проблем, решить которые пока не удалось.

Во-первых, рельсотрону потребуется достаточно мощный внешний источник питания, что почти исключает возможность его применения в качестве личного стрелкового оружия.

Во-вторых, хотя стоимость снаряда и невелика, сам рельсотрон будет обходиться достаточно дорого, а также (вместе с источником питания) занимать достаточно много места: на практике обычные пушки или ракеты оказываются практичнее.

В-третьих, огромную роль будет играть сопротивление воздуха, которое особенно велико на больших скоростях. Так что в реальности основное преимущество рельсотрона сводится на нет: "закачанная" в снаряд кинетическая энергия будет быстро рассеиваться в атмосфере.

А при стрельбе на большие расстояния начинают играть роль факторы, которые обычно при расчёте баллистических траекторий не учитываются: неоднородности гравитационного поля Земли, перепад температуры и влажности воздуха и т.п. В результате произвести действительно точный выстрел на существенное расстояние не получится, а скорректировать траекторию в процессе полёта, как это делают ракеты или самонаводящиеся снаряды не выйдет.

Последний известный проект по практическому использованию рельсотронов - американский Velocitas Eradico, в рамках которого такими пушками предлагалось оснастить эсминцы типа Zumwalt. По задумке такие пушки должны были использоваться для борьбы с противокорабельными ракетами. Однако после ряда неудач в 2021 году проект свернули.

После полувека проб и ошибок у нас есть достаточно веские основания сомневаться в том, что рельсотрон найдёт применение на Земле. А вот в космосе, где отсутствует сопротивление атмосферы, а каждый килограмм полезной нагрузки - на вес золота, это может сработать. Причём использование может быть и вполне мирным: например, для уничтожения угрожающего космическим кораблям мусора. Но может быть и по-другому - например, так, как показано в сериале "Экспансия", где именно рельсотроны являются главным оружием космических баталий.

На картинке - принцип действия рельсотрона с физической точки зрения.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Это осмий - по всей видимости, самый плотный материал на Земле: плотность этого металла составляет 22,59 грамма на кубический сантиметр (плотность воды - 1 грамм на кубический сантиметр).

Правда, можно встретить мнение, что самым плотным материалом является иридий. Это немного устаревшие данные, сейчас плотность иридия считается меньшей (22,56 грамма на кубический сантиметр). Впрочем, разница в плотностях несущественна, а если учесть, что осмий и иридий в природе отдельно друг от друга не встречаются, то надо вообще отдать должное учёным, сумевшим определить, что это два разных металла.

Довольно известный майндфак - игрушка, бросающая вызов силам гравитации.

На самом деле ничего "майндфачного" в ней нет: короткий тросик не даёт констркции упасть, длинные - удерживают её от опрокидывания. Точный инженерный расчёт и никакой магии!

К слову, подобные принципы используются в реальности для проектирования мостов и других конструкций.

​Почему Солнце, Земля и все планеты Солнечной системы (кроме Венеры и Урана) вращаются вокруг своей оси в одну сторону – против часовой стрелки, если смотреть на Солнечную систему со стороны Полярной звезды?

И более того, почему вокруг Солнца эти планеты также вращаются в одну сторону, и тоже против часовой стрелки?

Причина – закон сохранения момента импульса (проще говоря, «количества вращения»), который все мы учили в школе.
Солнце, Земля и все планеты Солнечной системы образовались из одного и того же газопылевого облака, которое, в свою очередь, образовалось в результате взрыва сверхновой звезды около 5-6 миллиардов лет тому назад.

Как и все прочие звёзды, та звезда вращалась вокруг своей оси, то есть, имела некий момент импульса. Так вот: после взрыва этой звезды момент импульса, которым обладало вещество звезды, никуда не делся и передался образовавшемуся на её месте облаку (планетарной туманности). А когда из этой туманности образовалось Солнце и планеты, то этот момент импульса погибшей миллиарды лет тому назад звезды унаследовали и они, начав вращаться в одну сторону.

Но почему тогда Венера вращается вокруг своей оси в обратную сторону – по часовой стрелке? Среди астрономов популярная теория о том, что в далёком прошлом Венера пережила столкновение с неким массивным объектом, и из-за этого удара, грубо говоря, опрокинулась вверх тормашками и стала вращаться в другую сторону.

Нечто похожее, видимо, произошло и с Ураном, но только его столкновение не перевернуло, а положило на бок, в результате чего сейчас он как бы «катится» по своей орбите.

Так что закон сохранения момента импульса – штука, способная пережить даже взрыв сверхновой! А всё потому, что этот закон, как и другие законы сохранения, является следствием фундаментального свойства нашей Вселенной – того, что пространство одинаково во всех направлениях, или, как говорят физики, изотропно.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Мы уже как-то говорили о том, что протон, в целом считающейся стабильной элементарной частицей с условно бесконечным сроком жизни, в теории может оказаться "смертным" - хотя и "живущим" в среднем миллиарды миллиардов миллиардов лет. Однако какие-либо фундаментальные законы, запрещающие распад протона, вроде бы отсутствуют, а значит - по логике квантовой физики - он рано или поздно должен произойти.

А как насчёт электрона? А вот с ним всё по-другому: электрон на другие частицы распасться, по всей видимости, не может. Дело в том, что электрон является самой лёгкой из известных заряженных частиц, а закон сохранения электрического заряда является одним из тех самых фундаментальных физических законов. Так что распасться на более лёгкие частицы так, чтобы электрический заряд в итоге не изменился, электрон не умеет.

Это, конечно, не значит, что электрон "вечен": к примеру, электрон может быть поглощён протоном атомного ядра с образованием нейтрона и испусканием нейтрино. С другой стороны, электроны массово рождаются в самых разных ядерных реакциях и иногда возникают просто из ничего - попарно со своими античастицами - позитронами.

Но распад электрона невозможен, и он таким образом обладает теоретически бесконечным сроком жизни.

​На этой картинке изображён принцип устройства т.н. Моста Форта (Forth Bridge) построенного в Шотландии в 1889 году. Может показаться странным, но мужчинам справа и слева на самом деле почти не требуется прилагать особых усилий для того, чтобы удерживать на весу своего товарища в центре.

Действительно, сила тяжести, действующая на скамейку, на которой сидит мужчина, уравновешивается упругостью палок, к которым она крепится. Чтобы под действием момента силы тяжести эти палки не проворачивались вокруг точки, в которой они соприкасаются во стульями, мужчины держат их руками, причём для удержания системы в равновесии им практически не приходится напрягать мышцы - хватает "естественной" упругости рук.

Здесь уместно заметить, что подобные конструкции напряжённые конструкции широко применяются в строительстве и часто имеют форму треугольника или комбинации треугольников. Дело в том, что треугольник (в отличие от, скажем, четырёхугольника) является "жёсткой" фигурой: существует всего один-единственный способ построить треугольник со сторонами известной длины. А потому собранная таким образом конструкция не способна изменить свою форму, не сломав или, скажем, не погнув одну из составляющих.

Тогда как четырёхугольников со сторонами одной и той же длины можно собрать множество.

Ну а момент сил, действующий на самих мужчин и стремящихся "уронить" их в направлении центра кадра, компенсируется моментом сил, создаваемый связками кирпичей.

По сути единственные мышцы, которые приходится напрягать мужчинам на фото - это мышцы, удерживающие в прямом положении их позвоночник (их функцию в реальном мосте играют наиболее мощные конструкции - центральные быки опор).

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Инстаграм окончательно заблокировал нашу страничку(((

​Часто задают вопрос: на каком расстоянии от нас должна взорваться сверхновая, чтобы представлять опасность для жизни на Земле?

Считается, что обычная (типа II с образованием нейтронной звезды) сверхновая может представлять опасность для Земли, если взорвётся на расстоянии порядка 25-30 световых лет. По нашей информации, на таком расстоянии от нас кандидатов в сверхновые нет.

Гиперновая (коллапсар) с образованием чёрной дыры может быть опасен на большем расстоянии, особенно в случае, если Земля окажется на пути его джета - узкого потока вещества, вырывающегося из коллапсирующей звезды, как это показано на картинке.

Беспокойство учёных в этом смысле вызывала расположенная в 640 световых лет от нас звезда Бетельгейзе, которая в ближайшее (по астрономическим меркам) время может стать источником такой вспышки. К счастью, астрономы установили, что попасть под джет умирающей Бетельгейзе нам не грозит.

Ещё более опасны процессы слияния двух нейтронных звёзд, порождающие наравленный мощный выброс гамма-излучения, подобный джету - т.н. быстрый гамма-всплеск. Такой всплеск может быть смертельно опасен для жизни на Земле даже на расстоянии в тысячи и десятки тысяч световых лет - правда, для этого нам, снова-таки, должно не повести оказаться на пути у луча.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.