​Реликтовое излучение – эхо большого взрыва

Реликтовое излучение – своеобразное «море» радиоволн, как бы наполняющее всю Вселенную и омывающее, в том числе, и нашу с вами Землю. Реликтовое излучение поступает со всех точек небесного свода, и было бы непросто понять, что оно такое, если бы его существование не предсказали теоретически задолго до его обнаружения.

По сути, реликтовое излучение является эхом Большого взрыва, которое лишь сейчас долетело до нас с вами. А дело было так.

В период времени начиная с примерно 20 минут после Большого взрыва и на протяжении последующих примерно 70 тысяч лет Вселенная представляла собой пузырь, заполненный сверхогрячим и сверхплотным веществом – преимущественно атомами водорода и небольшим добавлением гелия и совсем уж крошечными вкраплениями более сложных веществ. По сути это было то же вещество, из которого состоит сегодняшняя межзвёздная среда, просто за минувшие с тех пор 13 с лишним миллиардов лет Вселенная изрядно увеличилась в объёме, а плотность и температура вещества, соответственно, сильно упала.

По своим свойствам материя «20-минутной» Вселенной больше всего была похожа на вещество, из которого состоят недра современных звёзд. В частности, привычные нам атомы тогда не существовали, а точнее, существовали в виде «голых» атомных ядер, плавающих в море свободных электронов – т.н. электронном газе. Подобное состояние вещества физики называют плазмой, и одним из свойств его является то, что оно непрозрачно для фотонов, т.е. не пропускает электромагнитное излучение. В результате фотоны, в том числе и рождённые непосредственно в момент Большого Взрыва вместе с остальными частицами, не могут свободно перемещаться в такой среде: они находятся как бы в ловушке ионизированной материи, постоянно поглощаясь и излучаясь обратно.

Раскалённый пузырь, который тогда представляла собой Вселенная, расширялся, постепенно остывая и снижая свою плотность. Причём в ту далёкую эпоху он расширялся существенно быстрее, чем расширяется Вселенная сегодня – в некоторые моменты скорость его расширения, видимо, на порядки превышала скорость света.

И вот наступил момент (спустя примерно 100 тысяч лет с момента Большого Взрыва и за 13,8 миллиарда лет до настоящего времени), когда Вселенная расширилась и остыла настолько, что её вещество потеряло свойства звёздной плазмы и «запечатанные» в нём с момента Большого Взрыва фотоны смогли вырваться на свободу.

Причём произошло это одновременно во всех точках юной Вселенной, и из каждой этой точки во все стороны полетели фотоны электромагнитного излучения.

Так вот: реликтовое излучение – это те самые фотоны, вырвавшиеся из «ловушки материи», которые лишь сейчас долетели до Земли из тех областей Вселенной, в которых они были испущены.

До этого мы получали реликтовое излучение, испущенное в более близких к нам областях Вселенной. В будущем до нас будет доходить реликтовое излучение с более удалённых её областей.

Стоит подчеркнуть, что существование реликтового излучения сначала (в 1948 году) предсказали теоретики, построившие теорию Большого взрыва, и лишь в 1965 году «радиошум» Вселенной обнаружили экспериментаторы. Что, помимо прочего, стало одним из доказательств самого факта того, что Большой взрыв как таковой имел место (что на тот момент считалось ещё спорным). Причём интересно, что Нобелевскую премию за это открытие дали не предсказавшему его существование Георгию Гамову, а подтвердившим его теорию американцам-экспериментаторам Пензиасу и Уильсону.

Будучи самым древним объектом, который мы в принципе можем наблюдать, реликтовое излучение и сегодня является предметом пристального наблюдения со стороны учёных, интересующихся тем, какой была юная Вселенная. И изучение его иногда задаёт им загадки, ответы на которые нам только предстоит найти. Но об этом – в следующих материалах.

На картинке к посту – карта реликтового излучения, каким оно видится с Земли. Чем краснее пятно, чем более высокоэнергетическое (высокочастотное) излучение поступает с этого направления.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Многие представляют себе космос морем абсолютной пустоты, перемежаемой редкими вкраплениями материи вроде звёзд или планет, но это не так. Значительную часть вещества во Вселенной составляет т.н. межзвёздная среда – весьма разреженный газ и пыль.

Межзвёздная (и межгалактическая!) среда состоит в основном из водорода (90%) с небольшой примесью гелия (около 10 %) и совсем уж ничтожными добавками других элементов, которые в основном «поставляют» звёзды. Самыми распространёнными из этих элементов являются углерод и кислород, но встречаются также неон, кремний и даже более тяжёлые элементы, которые производятся во время вспышек сверхновых.

Межзвёздная среда очень разрежена – в каждом её кубическом сантиметре находится около 1000 атомов и молекул (для сравнения, в одном кубическом сантиметре земного воздуха содержится 10 в 19 степени, или 10 миллиардов миллиардов молекул). Впрочем, речь идёт о средних значениях: в некоторых участках космоса плотность межзвёздной среды может быть (ввиду множества различных причин) в тысячи или даже миллионы раз выше.

Большая часть межзвёздного газа нагрета до значительных (сотни тысяч градусов!) температур излучением звёзд. Правда, обжечься о такой газ нельзя: из-за его низкой плотности интенсивность теплопередачи будет ничтожной, и, оказавшись в облаке такого газа, вы скорее замерзнете насмерть, так как ваше тело будет отдавать тепло в окружающее пространство (посредством теплового излучения) куда быстрее, чем будет получать его от окружающего газа. Собственно, межзвёздный газ и разогрет-то до таких температур благодаря своей крайне низкой теплоёмкости: даже ничтожная энергия, сообщаемая ему излучением далёких звёзд, нагревает его до больших температур. В космических облаках, где концентрации газа выше (хотя и всё равно очень низка!), температура существенно ниже и может достигать десятков градусов Кельвина (то есть порядка 250 градусов ниже нуля по Цельсию).
Большая часть межзвёздного вещества находится в форме отдельных атомов или простейших молекул. Впрочем, под воздействием того же электромагнитного излучения звёзд и других факторов иногда мезвёздное вещество способно образовывать достаточно сложные химические соединения – вроде метилового и этилового спирта. Да-да, в космосе есть целые спиртовые облака!

Частным случаем космических облаков являются туманности: участки межзвёздного пространства, видимые за счёт того, что излучают либо, наоборот, поглощают свет – последние называют тёмными туманностями, видимыми на фоне звёзд или других туманностей. Свечение туманностей может объясняться разными механизмами: они могут просто отражать или преломлять свет соседних звёзд (так становится видимым туман или капли дождя, освещённые, скажем, светом уличного фонаря), либо светиться сами за счёт ионизации газа звёздным излучением. Первые туманности называют отражательными, вторые – эмиссионными. Впрочем, многие туманности сочетают оба типа свечения.

Изучение межзвёздной среды – важное направление исследований в астрофизике, так как позволяет дать ответы на важнейшие вопросы об эволюции звёзд и даже целых галактик. Например, во многом именно изучению межзвёздной среды была посвящена деятельность российского космического телескопа «Радиоастрон».

На картинке – отражательная туманность, освещённая светом ярких голубых звёзд созвездия Ориона.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Почему горячая вода на морозе замерзает быстрее холодной?

В 1963 году танганьикский школьник Эрасто Мпемба делал мороженое и заметил, в помещённая в морозилку горячая смесь для него замерзает быстрее, чем если её сначала охладить до комнатной температуре. Мпемба задал вопрос о том, почему так происходит, посетившему школу профессору физики Деннису Осборну. Тот заинтересовался эффектом и решил проверить слова школьника. Строгий научный эксперимент показал: горячая вода действительно иногда замерзает быстрее холодной.

После публикации статьи с описанием эффекта в журнале «Physics Education» учёные принялись искать ответ на этот вопрос. Поиски заняли свыше 40 лет.

К слову, нам, жителям более холодных стран, эффект Мпембы знаком не понаслышке: например, те же катки заливают горячей водой, зная, что она замёрзнет быстрее.

Одним из наиболее очевидных объяснений было предположение, что горячая вода более интенсивно испаряется, и потому к моменту её охлаждения до комнатной температуры в сосуде попросту остаётся меньше воды. Эксперимент показал, что это тут не причём: масса горячей воды в процессе замерзания уменьшалась всего на 3 %, и это не могло дать описываемого эффекта. Предлагались и другие объяснения, но все они были опровергнуты расчётами и экспериментами.

Оказалось, что дело в одном очень важном специфическом свойстве воды – наличии у неё т.н. водородных связей.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атом водорода – самый маленький из всех: его ядро состоит из одного-единственного протона, на орбите которого находится один-единственный электрон. Атом кислорода куда более массивен: в его ядре аж 8 протонов. А потому электрическое поле, которое создаёт ядро атома кислорода, намного превосходит таковое у атома водорода. Из-за этого массивный атом кислорода притягивает к себе электроны маленьких водородных атомов. Получается, что атом кислорода, изначально нейтральный, обретает отрицательный заряд (за счёт «лишних», «чужих» электронов), тогда как атомы водорода оказываются как бы положительно заряженными (потому что делающие их электронейтральными электроны «украл» кислород). В результате молекула воды становится похожей на треугольник, одна вершина которого имеет отрицательный заряд, а две другие – положительный.

Благодаря этому молекулы воды склонны группироваться: положительно заряженные «водородные» вершины одних молекул притягиваются к отрицательно заряженным «кислородным» вершинам других. В воде образуются особые структуры – так называемые водные кластеры. На их создание тратится тепловая энергия: именно поэтому вода обладает более высокой теплоёмкостью чем вещества, не имеющие водородных связей.

Следует понимать, что водородная связь довольно слабая, и в горячей воде водные кластеры практически отсутствуют: их разрушает тепловое движение молекул. А вот в воде комнатной температуры таких кластеров довольно много.

Для того, чтобы вода замёрзла, водные кластеры должны разрушиться: молекулам нужно занять должное положение в кристаллической решётке льда. Разрушение кластеров ведёт к выделению энергии – запасённая в водородных связях энергия высвобождается, как бы «подогревая» воду. Но в горячей воде кластеров нет, разрушаться нечему, и «подогрева» не наблюдается – одно лишь «чистое» охлаждение. При определённых соотношениях температур горячей и холодной воды может получиться, что не имеющая кластеров горячая вода действительно замёрзнет быстрее «структурированной» холодной.

Правда, для проявления эффекта Мпембы температура воздуха снаружи должна быть достаточно низкой, чтобы охлаждение шло быстро и кластеры не успели сформироваться. Именно поэтому в обычных условиях горячая вода будет действительно остывать и замерзать дольше холодной. А вот на сильном морозе или в морозильной камере всё будет происходить наоборот.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

#простыевопросы: почему дует ветер?

Главной причиной того, что дует ветер, является разность в атмосферном давлении в различных местах. А эта разность, в свою очередь, возникает из-за неравномерного прогрева разных участков земной поверхности Солнцем.

Например, суша прогревается лучше, чем поверхность воды. Днём нагретый воздух поднимается вверх под действием силы Архимеда, а на его место устремляются более холодные воздушные массы с поверхности моря. В вечернее и ночное время картина обратная: поверхность суши быстрее остывает, тогда как море хранит тепло, и ветер дует с суши на море.

Такие ветры называются бризами, и они хороши тем, что имеют чётко выраженную суточную периодичность. В других случаях детали механизма могут быть иными, но общий принцип тот же. К тому же добавляются вторичные факторы, такие как рельеф и тип ландшафта (степи прогреваются лучше, чем леса, а в горах холоднее чем в низинах), наличие или отсутствие облачности, испарение и конденсация воды больших атмосферных потоков и так далее. А в глобальных масштабах начинают включаться такие факторы, как различный прогрев земной поверхности в разных широтах.

Но общий принцип остаётся тем же: ветер - это перетоки воздуха из соседствующих областей атмосферы с разной температурой прогрева воздуха.

Свои простые вопросы по физике пишите в комментариях, будем разбираться)

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Какого цвета Солнце?

Солнце обычно рисуют жёлтым. При этом на самом деле в спектре солнечного света сильнее всего представлены сине-зелёная часть спектра в диапазоне примерно от 500 до 550 нанометров.

Однако эти длины волн в спектре преобладают некритично: на самом деле все цвета в солнечном излучении представлены примерно поровну, и потому реальный цвет Солнца - белый.

С поверхности Земли же Солнце выглядит слегка желтоватым потому, что голубые и зелёные компоненты сильнее рассеиваются при прохождении солнечного света через атмосферу.

Почему же тогда астрономы называют Солнце жёлтой звездой? А для того, чтобы отличить его от более холодных (красных и оранжевых) с одной стороны и более горячих (жёлто-белых, белых, бело-голубых и так далее).

И да, в видимой части спектра Солнце излучает около 44 % своей энергии. Ещё 48 % приходится на инфракрасное излучение: Солнце светит примерно так же сильно, как и греет. А на ультрафиолетовую и рентгеновскую часть спектра приходится около 8 % излучения Солнца: к счастью, большая его часть задерживается атмосферой.

​Как измерили заряд электрона?

Электрон – крошечная частичка ничтожной массы, которая, тем не менее, играет в нашей жизни колоссальную роль: именно электрон является главным переносчиком электрического заряда, да и химические свойства веществ определяются именно количеством и расположений электронов на орбитах атомов, из которых они состоят.
Поэтому определение параметров электрона играло колоссальное значение для науки. Но как узнать параметры чего-то, что настолько мало?

Одной из первых задач, которые удалось успешно решить, было определение заряда электрона. Его практически в одно и то же время и независимо друг от друга определили русский физик Абрам Иоффе и американец Роберт Милликен. Интересно, что не зная о работах друг друга, оба учёных выбрали почти идентичную схему опыта: крошечные кусочки заряженного вещества помещали в вакуум между двумя проводящими пластинами, между которыми создавалось электрическое поле, напряжённостью которого можно было управлять. Единственной разницей было то, что Иоффе использовал пылинки цинка, а Милликен – крошечные капельки масла.

Под действием силы тяжести частички стремились осесть вниз, и электрическое поле регулировали так, чтобы оно в точности компенсировало действие силы тяжести. Зная величину поля и массу частичек, можно было точно рассчитать их заряд.

Но это пока не ответ на вопрос: в каждой такой пылинке или капельке, какой бы малой она ни была, содержатся миллиарды миллиардов электронов, и сколько именно – нам не известно. Поэтому чтобы определить заряд единичного электрона, нужно было проделать ещё кое-что.

Эффект, при котором ультрафиолетовый свет способен выбивать электроны из вещества, к тому моменту был хорошо известен. Им и решили воспользоваться: пылинки (или, как у Милликена, капельки) облучали ультрафиолетом. Когда тот выбивал из вещества какое-то (неизвестное учёным) количество электронов, заряд пылинки или капельки уменьшался, и она снова начинала падать. Подобрав напряжённость поля между пластинами так, чтобы вернуть её в состояние равновесия, можно было определить, насколько изменился заряд.

Очевидно, что менялся он не абы как, а на значения, кратные величине заряда единичного электрона. Всё, что требовалось от учёных – это определить наименьшее общее кратное изменений заряда в результате множества опытов. Именно это наименьшее общее кратное и было зарядом электрона.
Обоим учёным удалось решить стоящую перед ними задачу. Правда, Нобелевскую премию за её решение получил лишь американец Милликен.

Ну а зная заряд электрона, учёным было уже проще измерить его характеристики, такие как массу и прочее.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​На какой высоте начинается космос?

Вопрос о том, где заканчивается земная атмосфера и начинается космическое пространство – более чем дискуссионный. Учёные в зависимости от подхода выделяют несколько определений понятия «верхняя граница земной атмосферы». Например, за эту границу принимают высоту, на которой влияние земной гравитации на атомы и молекулы становится слабее, чем давление солнечного излучения. Происходит это на высоте примерно 10 тысяч километров над поверхностью Земли.

В космонавтике используется другое определение: в космических полётах границей космоса считают высоту, на которой плотность атмосферы уже недостаточна для того, чтобы аэродинамические свойства летательных аппаратов оказывали на их полёт ощутимый эффект. Изначально договорились считать, что эта граница проходит по высоте в 100 километров (т.н. линия Кармана), и именно по этой линии проводят нижнюю границу космического пространства сегодня. Хотя в ходе космических исследований выяснили, что она проходит по высоте 118 километров, а в НАСА, к примеру, её принято проводить по высоте в 122 километра: именно на такой высоте становились бесполезными крылья спейс-шаттлов, и те могли полагаться лишь на маневровые реактивные двигатели.

Следует отметить, что даже на высоте в несколько сотен километров атмосфера всё ещё достаточно плотна, чтобы оказывать влияние на движение космических аппаратов. Например, Международная космическая станция, вращающаяся на высоте в 400 километров, постоянно тормозится её трением, и это замедление скорости необходимо регулярно компенсировать. Если этого не делать, то станция упадёт на Землю через несколько лет. Однако использовать здешнюю атмосферу в качестве среды для полёта или маневрирования уже не получится.

В любом случае, вопрос о том, где начинается космическое пространство, весьма условен, по сути же никакой чёткой и строгой границы нет, и земная атмосфера является просто небольшой частью бесконечной Вселенной.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Почему днём Луну иногда видно, а иногда — нет?

Для того, чтобы Луна в принципе была видна днём, необходимо, чтобы соблюдались два условия:

1. Она должна быть над горизонтом
2. Её яркость должна превышать яркость дневного неба.

С первым условием всё понятно, а вот со вторым всё немножно сложнее. Яркость лунного диска составляет около 2500 кандел на метр квадратный, тогда как яркость неба колеблется от 800 до 20 тысяч кандел на метр квадратный. В среднем небо тем ярче, чем выше находится Солнце. Кроме того, яркость неба существенно выше в частях небосвода, расположенных вокруг текущего положения Солнца и снижается по мере удаления от него: на противоположной от Солнца стороне неба оно светится заметно слабее. Поэтому в одних ситуациях Луна ярче неба, и тогда её видно, а в других - нет.

Луну видно чаще утром и вечером, чем в полдень и чаще зимой, чем летом. Так как фазы Луны определяются взаимным положением Луны, Земли и Солнца на небе, чаще всего днём видно Луну в конце первой или начале последней четверти лунного месяца. Впрочем, многое зависит и от таких вещей, как прозрачность воздуха, его температура и так далее.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Песчаные "шахматные фигуры" на берегу озера Мичиган - результат совместной работы ветра и мороза: песок смачивается водяными брызгами, и к мокрым фрагментам примерзают наносимые ветром песчинки. С другой стороны, тот же ветер отрывает от растущего столбика те песчано-ледяные фрагменты, которые держатся наименее прочно.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Извержение подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в Тихом океане, заснятое с околоземной орбиты.

​Зачем автомобилю ABS, или кое-что о причудах трения

Система предотвращения блокировки колёс авто при торможении реально спасает жизни, а её необходимость объясняется тем физическим фактом, что для большинства тел коэффициент трения покоя выше, чем коэффициент трения скольжения.

Вспомните что бывает, когда вы пытаетесь сдвинуть с места тяжёлый шкаф: вы давите всё сильнее и сильнее, а шкаф не движется. Это происходит потому, что сила трения покоя возрастает по мере роста силы, которая норовит её преодолеть и всё-таки сдвинуть предмет с места.

Но бесконечно она нарастать не может: наступает момент, когда сила трения покоя оказывается не способной противостоять нашим усилиям, и предмет всё-таки сдвигается с места. Для большинства материалов и поверхностей предельное значение силы трения покоя составляет примерно 40-60 % веса предмета, который мы пытаемся сдвинуть.

В этот момент характер происходящего в системе кардинально меняется: силу трения покоя сменяет сила трения скольжения. Она постоянна, не зависит от прикладываемого усилия и составляет в среднем 25-50 % веса предмета: именно поэтому если мы уже сдвинули наш шкаф с места, то дальше его толкать уже ощутимо легче.

Какое всё это имеет отношение к автомобилям? Самое непосредственное.

В идеальных условиях в каждый момент времени движения нижняя точка колеса автомобиля и дорожное полотно неподвижны друг относительно друга. А движется автомобиль за счёт того, что колесо вращается: в каждый следующий момент времени колесо прилегает к дороге другой точкой.
Неподвижность нижней точки колеса обеспечивается как раз трением покоя в системе колесо-дорога – а точнее, происходит это благодаря тому, что трение покоя колесо-дорога существенно выше, чем трение в системе колесо - приводной вал.

Но вот мы резко нажимаем на тормоз. Сила трения в системе колесо-вал резко возрастает и становится больше силы трения колесо-дорога. Автомобиль стремится продолжить двигаться по инерции, а так как колёса при этом уже не вращаются, то сдерживать это движение приходится силе трения покоя в системе колесо-дорога.

Если этой силы хватает, то всё в порядке: автомобиль останавливается. Но если нет, то происходит срыв с занос: автомобиль прекращает катиться и начинает скользить, как скользят по снегу полозья саней (или, к примеру, как ножки шкафа, который вы решили подвинуть). Автомобилисты говорят, что колёса блокируются.

Так вот, из-за того, что сила трения скольжения ниже, чем сила трения покоя, перешедший в режим скольжения автомобиль сбрасывает скорость менее эффективно. Коэффициент трения скольжения по сухому асфальту в полтора раза ниже, чем коэффициент трения покоя, а в случае мокрой брусчатки автомобиль замедляется в три раза хуже, чем до срыва.
«Бонусом» прилагается потеря управляемости: так как автомобиль движется как одно целое, крутить руль уже бессмысленно, от положения колёс направление его движения не изменится. В итоге получается опасный парадокс: хотя инстинкты водителя в критической ситуации требуют нажать на тормоз посильнее, в некоторых ситуациях такие действия могут привести к тому, что тормозить машина будет существенно медленнее.

Особенно опасно это на мокрой брусчатке, коэффициент трения скольжения по которой почти втрое ниже коэффициента трения покоя для неё же.

Именно это явление и предотвращает ABS.
Принцип действия ABS прост: специальные датчики фиксируют скорость колеса и нагрузку на него, предчувствуя момент, когда эта нагрузка превысит верхнюю границу трения покоя и произойдёт срыв. В этот момент они автоматически ослабляют давление в тормозной системе, снижая трение в системе колесо – приводной вал. Колесу снова становится выгоднее проворачиваться, чем скользить, и срыва в скольжение не происходит.

Это длится долю секунды, после чего ABS снова подключает тормозную систему, затем опять отключает её и так далее. Автомобиль как бы балансирует на грани срыва в скольжение, когда сила трения покоя максимальна, но не превышает критическое значение, что обеспечивает максимально эффективный сброс скорости.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​#простыевопросы: почему светит Солнце?

Простой ответ звучит так: Солнце светит потому, что представляет собой огромный раскалённый газовый шар.

Все нагретые тела светятся. Если вы поместите обычный гвоздь в пламя газовой плиты, то, нагревшись, он начнёт светиться красноватым светом. Точно по этой же причине светится и Солнце, только температура повыше: поверхность Солнца разогрета в среднем до 5800 градусов по Кельвину.

Разогревает же Солнце до этих температур энергия, выделяющаяся в результате реакций слияния ядер водорода, из которого Солнце состоит на 75 %, с образованием ядер гелия.

Кстати, говорят, что Луна не светится, а лишь отражает солнечный свет. Это и так, и не так одновременно. С одной стороны, видимый лунный свет - это, действительно, отражённый его поверхностью свет Солнца. С другой, сама Луна тоже генерирует тепловое излучение, как и то же Солнце. Только температура её поверхности сильно ниже, и поэтому это излучение очень слабое, да к тому же лежит в инфракрасном диапазоне. Ну и да, собственных источников подогрева у Луны нет, нагревает её тот же свет Солнца, так что с третьей стороны Луна, действительно, во всех смыслах всего лишь перенаправляет к нам часть энергии, так или иначе полученной ей от Солнца.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Ну и по традиции небольшая задачка на размять мозг)))

​Ну и ответ на нашу вчерашнюю задачку: кстати, радует, что многие ответили правильно, а многие из тех, кто ошиблись, верно уловили принцип.

Она решается довольно просто, но надо помнить две формулы из школьной тригонометрии:

1. sin(90-x)=сos(x)
2. sin²(x)+cos²(x)=1

Далее надо обратить внимание, что sin(89°)=sin(90-1), т.е. sin(89°)=cos(1°), а значит, сумма первого и предпоследнего членов ряда равна строго 1. То же самое будет для пары 2° и 88°, 3° и 87° и т.п.

Очевидно, что речь идёт о 44 парах чисел, в сумме дающих 1, т.е. 88 членов ряда в сумме дают 44.

Без пары у нас остаётся только два члена ряда: 45° и 90°. К счастью, значения их синусов нам хорошо известны: это, соответственно √2/2, что при возведении в квадрат даёт нам 1/2, и 1, которая при возведении в квадрат остаётся 1. Прибавляем эти числа к 44, получившимся от суммирования остальных членов ряда, получаем 45,5 - именно так звучит правильный ответ на вопрос задачи.

​Микрошквал - впечатляющее и грозное явление: на небольшом участке местности, диаметром иногда в сотни метров, вспыхивает настоящий тропический шторм с бурными осадками и сильнейшим ветром.

Мы не до конца понимаем природу микрошквалов, хотя знаем точно, как они происходят: со значительных высот вниз устремляются сильные потоки холодного воздуха. Обрушиваясь на расположенное под ними низкое дождевое облако, они вызывают бурную спонтанную конденсацию воды, что и приводит к сильному, но короткому (воды в облаке немного) дождю. Что же касается ветра, то это тот же самый нисходящий воздушный поток: доходя до поверхности земли, он как бы разбивается о неё, распространяясь в разные стороны подобно тому, как разбивается бьющая в землю с высоты струя воды.

Но откуда берутся эти самые нисходящие потоки и почему они носят столь локальный характер? Вот этого мы точно не знаем.

Есть несколько гипотез. Первая заключается в спонтанном замерзании переохлаждённой воды в верхних слоях облаков: образовавшаяся таким образом масса ледяной крупы обрушивается вниз, в более тёплые воздушные слои, охлаждая их. Другая версия – спонтанное испарение воды из дождевых облаков при их перемешивании со слоем более сухого воздуха (скажем, при движении грозового фронта в горизонтальном направлении под действием ветра): испарение поглощает тепловую энергию, охлаждая окружающий воздух, который как бы проваливается сквозь слои более тёплого.

Как бы там ни было, мы пока недостаточно знаем о микрошквалах, а жаль: эти явления (их ещё называют «небесными цунами» и «водяными бомбами») достаточно интенсивны, чтобы причинять большие беды. Они способы сбивать самолёты и топить корабли, а также разрушать целые населённые пункты. В качестве примера можно привести посёлок Амурский Алтайского края в июле 2013 года или аналогичное явление в Одессе в мае того же года.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Эти люди не сошли с ума и не притворяются: они действительно тушат вполне реальное пламя, просто... его не видно.

Дело в том, что в 70-80-х годах XX века в качестве топлива для гоночных болидов использовали разное экзотическое топливо - например, в знаменитых гонках IndyCar Series долгое время использовали топливо, состоящее из метанола.

Спирты вообще отличаются не слишком ярким пламенем, а у метанола оно особо блеклое: при дневном свете его практически не видно.

Вообще идея использовать в качестве топлива метанол была продиктована как раз соображениями безопасности: метаноловое пламя существенно менее горячее (потому-то оно и светится слабее) и его легко затушить. Однако невидимость метанолового пламени была проблемой: гонщики и обслуживающий персонал могли не заметить начинающийся пожар вовремя. Поэтому с 1997 года в топливо добавляют специальные присадки, "расцвечивающие" пламя.

А с 2005 году в топливах "индикаров" метанол заметили этанолом.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​#простыевопросы: почему звёзды мерцают, а планеты светят ровным светом?

Начнём с ответа на первый вопрос. Звёзды мерцают потому, что для того, чтобы попасть нам в глаз, им надо преодолеть толстый слой земной атмосферы, в котором свет претерпевает преломление, рассеяние и поглощение (рефракцию). При этом атмосфера неспокойна: в ней есть различие воздушные течения, восходящие, нисходящие и турбулентные потоки, попросту флуктуации плотности. Поэтому в каждое мгновение от одной и той же звезды до нас доходит немножко разное количество света (а из-за дисперсии, т.е. склонности атмосферы по разному преломлять световые волны различных длин, иногда может меняться и сам свет звезды).

Следует отметить, что эти отклонения носят случайный характер: иногда атмосфера рассеивает и поглощает свет чуть слабее, иногда - чуть сильнее, чем "в среднем по больнице".

Свет планет тоже претерпевает ослабление атмосферой. Однако планеты, хотя и гораздо меньше звёзд, всё-таки куда ближе к нам. Из-за этого планеты хоть и видятся нам очень маленькими, их видимый угловой размер достаточно велик для того, чтобы наш глаз уже не считал их точечным источником света (звёзды видятся точками даже в самые мощные телескопы). Это означает, что наш глаз в каждый момент времени видит свет, испущенный разными частями планетного диска и, соответственно, пришедший к нам по различному пути через атмосферу. И если из-за атмосферной рефракции часть этих лучей рассеивается сильнее среднего значения, то другая в то же самое время чисто статистически рассеивается слабее, и общее количество света, приходящее нам в глаз, остаётся примерно одинаковым - мерцания не наблюдается.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​Какие элементы являются самыми распространёнными во Вселенной?

Вещество Вселенной на 77 % состоит из водорода. Причины этого понятны: водород - самый простой из возможных атомов, ядро его состоит из одного-единственного протона. Именно в таком виде образовалась большая часть материи непосредственно после Большого Взрыва (т.н. первичный нуклеосинтез). Именно в такой форме большая её часть существует и до сих пор.

Вторым по распространённости является второй элемент таблицы Менделеева - гелий: он же является вторым по простоте, хотя уже куда сложнее водорода: у него два протона, кроме того, в его ядре имеются два протона. Тем не менее, большая часть имеющегося во Вселенной гелия, а это примерно 20 % её вещества по массе, также образовалась в ходе Большого взрыва. Впрочем, некоторое количество этого гелия, видимо, было произведено в недрах звёзд, как это происходит внутри нашего Солнца в результате слияния ядер атомов водорода. Стоит добавить, что синтез гелия из водорода является главным источником энергии для подавляющего (порядка 80 %) числа звёзд на протяжении большей (около 90 %) части их жизни.

Другие, более поздние элементы, видимо, в ходе первичного нуклеосинтеза практически не образовывались и "выплавляются" в основном в термоядерных топках звёзд. Например, когда в нашем Солнце закончится водород, оно "переключится" на гелий: два ядра атома гелия "склеиваются" с образованием атома бериллия, который в большинстве случаев присоединяет ещё одно ядро гелия, образуя углерод. Углерод, в свою очередь, с высокой долей вероятности поглощает ещё один атом гелия, превратившись в кислород. Кроме того, к ядру углерода может присоединиться и атом водорода, в результате чего получится азот.

Именно эти три элемента - углерод, азот, кислород - по распространённости идут сразу после водорода и гелия: на них приходится примерно 0,3, 0,8 и 0,1 процент массы химических элементов Вселенной, соответственно.

Соответственно, химические вещества, которые можно составить из водорода, углерода, кислорода и азота являются самыми распространёнными химическими соединениями в космосе: это такие вещества, как вода, углекислый газ, метан (CH4), аммиак (NH3). В космосе встречаются также и соединения, на Земле не встречающиеся, такие как, к примеру, диуглерод С2, который может существовать лишь в космосе - при низких давлениях и под действием жёсткого излучения. В земных условиях диуглерод существует лишь краткие мгновения – например, в пламени электросварочной дуги.

Химические элементы, лежащие между гелием и углеродом (литий, бериллий, бор) во Вселенной довольно редки: синтез химических элементов в звёздах практически обходит их стороной. Единственный источник их образования – облучение тех же атомов углерода, кислорода и азота высокоэнергетическим космическим излучением, которое как бы «откалывает» от них кусочки, превращая в более лёгкие элементы.

Следующим по распространённости элементом во Вселенной после троицы углерод-кислород-азот является железо: его в ней содержится около 0,1 %. Причина в том, что железо является «конечным пунктом» цепочки термоядерных превращений в звёздных недрах: при «склеивании» ядер атомов железа между собой (или при присоединении к ним других ядер) энергия уже не выделяется, а поглощается. Дальше «железного предела» реакции термоядерного синтеза сами по себе просто не идут.

Далее по распространённости идут элементы, лежащие в цепочке звёздных ядерных превращений между кислородом и железом. В порядке убывания это неон, кремний, магний, сера, аргон, кальций, натрий, хром и марганец. Все эти элементы также образуются в ходе различных ядерных превращений в недрах звёзд на различных этапах их излучения.

Наконец, элементы тяжелее железа встречаются ещё реже: они образуются в результате процессов, характеризующихся бурным выделением энергии, таких как взрывы сверхновых звёзд и тому подобного.

На картинке - сравнение распространённости химических элементов во Вселенной.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

​#простыевопросы: как образуются сосульки?

Сосульки - наледь, образующаяся чаще всего на краю крыш в результате последовательного таяния и замерзания воды.

Лучшие условия для образования сосулек - ясный солнечный день после сильного снегопада при температуре воздуха немного ниже нуля.

Снег, лежащий на скатах крыш, нагревается солнцем и тает. Образовавшаяся талая вода пытается стекать с крыши. Причём стекает она не абы как, а по своеобразным "руслам", которые прокладывает в снежной массе.

Покидая нагретую солнцем зону, вода снова оказывается в условиях минусовых температур и частично замерзает, образуя корку наледи. Но ведь на основной крыше вода продолжает таять и стекать вниз! Новые порции воды текут уже по наледи и, замерзая, наращивают её - причём не равномерно, а по продолжениям линий "русел" стока воды - так и образуются сосульки.

Иногда сосульки могут указывать и на плохую теплоизоляцию крыши: она может быть существенно теплее окружающего воздуха ещё и потому, что нагревается от тёплого воздуха внутри помещения.

Предотвратить образование сосулек можно, предусмотрев систему подогрева краёв крыши: тогда вода будет беспрепятственно стекать с неё, а замерзать будет уже на земле.

Какая температура на Луне?

Луна может быть одновременно и очень жарким, и весьма прохладным местом. Всё дело в том, плотность атмосферы Луны примерно в миллиард раз меньше, чем у земной атмосферы на уровне моря. Такая тонкая атмосфера почти никак не сдерживает солнечное излучение, поэтому когда Солнце находится над горизонтом Луны, её поверхность быстро прогревается, а когда оно заходит - так же быстро охлаждается.

Кстати, лунные сутки длятся почти 27 земных дней, так что дневной нагрев и ночное охлаждение заходят достаточно далеко: днём температура на Луне может достигать +127 градусов по Цельсию, ночью же она падает до -173.

Да, кстати, атмосфера Луны состоит преимущественно из водорода с небольшой примесью гелия, неона и аргона - инернтных газов, которые не смогли связаться в некие твёрдые соединения.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут.

Красивая голубая туманность Sh-308 известна как "Голова Дельфина". Туманность представляет из себя облако ионизированного водорода, ранее бывшего частью звезды EZ Большого Пса, видной в центре туманности. EZ Большого Пса расположена в 6000 световых лет от нас переживает финальный этап своего развития: термоядерные реакции в её недрах набрали такую мощность, что гравитация звезды уже не может удерживать её внешние слои от выдувания в окружающее пространство. Именно этот покинувший "кипящую" звезду газ и образовал "Голову дельфина".

Кстати, в самое ближайшее время EZ Большого Пса, вероятно, погибнет во вспышке сверхновой, которая уничтожит и туманность Sh-308. Так что ловите момент: полюбоваться "Головой дельфина" мы сможем ещё всего лишь каких-то 1-2 миллиона лет.

Звезда на краю туманности (Омикрон Большого Пса) на самом деле куда меньше и тусклее EZ Большого Пса, а более яркой выглядит потому, что расположена существенно ближе - до неё около 1300 световых лет.

Помочь проекту "Физика в картинках" можно тут