😭 Наглядный пример того, что физика нужна в жизни

Перед вами эксперимент, который позволяет слить воду через более высокую границу, если выполнить некоторые условия — создать сифон (в данном случае объемный)

Сифон — это изогнутая трубка, используемая для переливания жидкости из одного сосуда в другой, когда эти сосуды находятся на разных уровнях. Ключевая особенность в том, что жидкость самостоятельно поднимается по колену трубки, а затем сливается вниз, в сосуд с более низким уровнем.

Представьте себе цепь, перекинутую через блок. Если с одной стороны блока свисает более длинный и тяжелый кусок цепи, он потянет за собой всю цепь, включая тот участок, который приходится подниматься вверх по другой стороне. С жидкостью в сифоне происходит нечто очень похожее. Здесь работают два ключевых физических закона:
➖ Атмосферное давление.
➖ Закон сообщающихся сосудов (и гравитация).

1. Предварительное заполнение. Сначала сифонную трубку нужно заполнить жидкостью (например, втянуть воздух ртом или с помощью насоса). Это важно, чтобы внутри не было воздуха, который бы "разорвал" столб жидкости. На видео это делается вращательными движениями — жидкость поднимается выше с помощью силы инерции при вращении.

2. Давление в точках A и B. Представим, что у нас есть два колена трубки:
➖ Короткое колено опущено в верхний сосуд (точка A).
➖Длинное колено опущено в нижний сосуд (точка B).

На поверхность жидкости в обоих сосудах давит атмосферное давление (обозначим его Pₐтм). Оно примерно одинаково для обоих сосудов.

3. "Проталкивающая" сила. Жидкость — это цепь связанных молекул. Рассмотрим давление в самой высокой точке изгиба трубки (точка C).
➖ Со стороны длинного колена (C→B) на точку C давит столб жидкости высотой h₂. Это давление P₂ = ρ * g * h₂ (где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения). Оно направлено ВНИЗ, к точке B.
➖ Со стороны короткого колена (C→A) на точку C давит столб жидкости высотой h₁. Это давление P₁ = ρ * g * h₁. Оно также направлено ВНИЗ, к точке A.

4. Ключевой момент: разница давлений. Поскольку h₂ > h₁, то P₂ > P₁. То есть, давление, "тянущее" жидкость вниз по длинному колену, сильнее, чем давление, "тянущее" ее вниз по короткому колену.

5. Результат. Эта разница давлений (P₂ - P₁) создает силу, которая проталкивает жидкость через самую высокую точку C и заставляет ее течь в сторону длинного колена, то есть в нижний сосуд. Атмосферное давление в верхнем сосуде постоянно подталкивает новую жидкость в короткое колено, чтобы компенсировать уходящую.

Схема: (Верхний сосуд) Уровень A —> (Точка C, самая высокая) —> (Нижний сосуд) Уровень B

⤴️⤵️ Почему она поднимается, если потом опускается? Жидкость поднимается на высоту h₁ не "сама по себе", а потому что ее туда толкает сила, создаваемая более тяжелым и длинным столбом жидкости h₂ в другой части трубки. Подъем — это лишь "необходимая жертва" на пути к общему снижению потенциальной энергии системы. Система стремится к состоянию с наименьшей энергией, и жидкость, перетекая из верхнего сосуда в нижний, как раз этого и достигает.

💩 Важные ограничения сифона:

▪️ Высота подъема (h₁) ограничена. Жидкость может подняться только до того уровня, где давление в самой высокой точке (C) не станет равно нулю (точнее, давлению насыщенных паров жидкости). На практике это означает, что h₁ не может превышать ~10 метров для воды при нормальном атмосферном давлении, так как столб воды высотой 10 метров создает давление, равное атмосферному. Если h₁ будет больше, столб жидкости разорвется.
▪️ Работает только с атмосферным давлением. В вакууме сифон работать не будет.
▪️ Уровень в верхнем сосуде должен быть выше уровня в нижнем. Иначе перетекания не будет.

Эффект сифона — это движение жидкости по трубке из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с более низким уровнем, при котором жидкость на своем пути самостоятельно поднимается вверх выше уровня верхнего сосуда. #гидростатика #гидродинамика #физика #physics #опыты

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚡️ Эксперимент по электродинамике от нашего подписчика @Enigma1938

От нашего участника: А вот ещё один, как по мне, интересный эксперимент. Генератор Уимсхёрста (электрофорная машина), одним из выходов подключен к игле, на изолированном штативе. Образующийся заряд накапливается на кончике и ионизирует собой окружающий воздух. Ушедший в воздух заряд — взаимно отталкивается от иглы, создавая поток ветра. Более маленькие свечи удавалось даже полностью задуть. Заряд концентрируется на кончике потому, что на поверхности поддерживается одинаковый потенциал. Это значит, что заряды равномерно распределены на поверхности. Из-за кривизны поверхности получается, что у острия - поверхности ближе друг к другу в третьем измерении — из-за чего ближе и электроны, поэтому на острие плотность заряда выше. Электроны там покидают поверхность легче, из-за сильно отталкивания друг от друга. Если же где-либо на поверхности между двумя точками иглы потенциал не одинаковый, разность потенциалов создает поток электронов и потенциал выравнивается. Таким образом поступают новые электроны.

Riga Technical University, RTU

— https://www.rtu.lv/en

От Physics.Math.Code: Чаще всего ощутимый ионный ветер создают положительные ионы воздух, у которых образуется достаточная механическая сила для отклонения пламени (плазмы). Электрофорная машина — это генератор высокого напряжения (десятки тысяч вольт), но с очень маленьким током. Когда вы подносите один из ее электродов (особенно острый, например, шарик с острием) к пламени, вы создаете в этом месте очень сильное неоднородное электрическое поле. Воздух при нормальных условиях — хороший изолятор, так как состоит в основном из нейтральных молекул (N₂, O₂). Однако в очень сильном электрическом поле (особенно у острия электрода) происходит следующее:
1. Свободные электроны, всегда присутствующие в воздухе в небольшом количестве, ускоряются этим полем.
2. Разгоняясь, они приобретают такую большую энергию, что при столкновении с нейтральными молекулами кислорода и азота выбивают из них электроны.
3. Этот процесс называется ударной ионизацией. В результате нейтральная молекула превращается в положительный ион, а появляется лишний свободный электрон.
4. Освободившийся электрон, в свою очередь, ускоряется полем и ионизирует следующую молекулу. Возникает лавинообразный процесс, который называется коронный разряд (его иногда можно увидеть в темноте как слабое голубоватое свечение на острие).

Теперь у нас у электрода есть облако заряженных частиц:
➕Положительные ионы (потерявшие электрон молекулы воздуха).
➖Отрицательные ионы (молекулы воздуха, которые, наоборот, "прилипли" к свободным электронам).

Что с ними происходит?
▪️ Если электрод, который мы поднесли, является положительным (анод), то положительные ионы отталкиваются от него и устремляются в сторону пламени. Отрицательные ионы, наоборот, притягиваются к этому электроду и нейтрализуются на нем.
▪️ Если электрод отрицательный (катод), то от него будут отталкиваться и лететь к пламени уже отрицательные ионы и электроны.

Ключевой момент: Эти ускоренные полем ионы сталкиваются с нейтральными молекулами воздуха и передают им свой импульс. В результате возникает направленное движение всего объема воздуха от электрода к пламени. Это и есть ионный ветер (или электрический ветер). Пламя свечи — это раскаленная плазма (смесь ионов, электронов и нейтральных частиц), образующаяся при горении парафина. Оно очень легкое и имеет низкую плотность, т.е. чрезвычайно чувствительно к любым воздушным потокам.

Интересный факт: Из-за особенностей ионизации, эффект более выражен у положительного электрода, т.к. коронный разряд на острие при положительном напряжении стабильнее. Поэтому в большинстве случаев вы наблюдаете поток положительных ионов. Если бы вы поднесли отрицательный электрод, ветер создавался бы в основном потоком отрицательных ионов. Поток только одних электронов в воздухе быстро превращается в поток отрицательных ионов, так как электроны немедленно "прилипают" к нейтральным молекулам. #электродинамика #физика #опыты #physics

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

😠 Втягивание жидкого диэлектрика в конденсатор ⚡️

Опыт, который демонстрирует, как электрическое поле взаимодействует с диэлектриками. На видео пластины плоского конденсатора опущены в воду, подключаем к ним высокое напряжение, и... вода сама втягивается в зазор! 💧
Кажется, будто вода «прилипает» к пластинам. Но на самом деле её вталкивает туда сила, порожденная электрическим полем. Давайте разберемся почему.

▪️ 1. Вода – не просто проводник
Хотя вода с примесями проводит ток, в этом опыте ключевую роль играет ее диэлектрическая природа. Молекула воды (H₂O) – это диполь. У нее есть положительный полюс (со стороны атомов водорода) и отрицательный (со стороны атома кислорода). В обычном состоянии эти диполи хаотично ориентированы.

▪️ 2. Сила поля – главный мотиватор
Когда мы включаем напряжение, между пластинами конденсатора создается неоднородное электрическое поле: у краев пластин оно слабее, а в зазоре – значительно сильнее.

▪️ 3. Что делают молекулы-диполи?
Под действием поля диполи воды начинают ориентироваться – поворачиваются вдоль силовых линий: «плюсом» к отрицательной пластине, «минусом» – к положительной. Это явление называется поляризацией.

➕ Физика: Сила, действующая на концы диполя, не просто его поворачивает. Поскольку поле неоднородное (сильнее внутри конденсатора и слабее снаружи), сила, притягивающая «+» конец диполя к «-» пластине, будет чуть больше, чем сила, отталкивающая его «-» конец от той же пластины. В результате на каждую поляризованную молекулу воды действует результирующая сила, которая втягивает ее из области слабого поля в область сильного – то есть, прямо в зазор между пластинами! Диэлектрик (в нашем случае – вода) всегда стремится переместиться туда, где напряженность электрического поля максимальна. Именно эта сила и заставляет воду подниматься между пластинами, преодолевая силу тяжести и силы поверхностного натяжения.

Такой эффект наблюдается не только с водой, но и с другими жидкими диэлектриками (например, с керосином или маслом), и лежит в основе работы многих электростатических устройств. #physics #эксперименты #электродинамика #физика #видеоуроки #опыты #научные_фильмы #лекции

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

Можно ли поставить дом на шары, чтобы спасти его от землетрясения? 🏠

❌ Почему простые шары не сработают? Представьте дом на четырех бильярдных шарах. Проблемы:
→ Они могут выкатиться в сторону.
→ Давление в точке контакта огромно, и шар просто продавит пол.
→ Любой порыв ветра заставит дом качаться.

✅ А что тогда сработает? Инженеры давно разработали системы, которые отделяют здание от вибраций при землетрясениях. Это как поставить дом на "амортизаторы".

1. Сейсмические изоляторы (Сейсмоизоляция):
➖Маятниковые изоляторы: Представьте не шар, а огромную "линзу", внутри которой стальной шар качается по специальной чаше. При землетрясении здание плавно "раскачивается" на этой чаше, как маятник, гася энергию.
➖Слинговые изоляторы: Здесь используются опорные конструкции, работающие на растяжение, которые позволяют зданию качаться в определенных пределах.
➖Рельсовые системы: Здание устанавливается на специальные рельсы, позволяя ему смещаться при подземных толчках.

2. Сейсмические гасители (Демпферы). Если изоляторы — это "подвеска", то демпферы — это "тормоза". Их ставят внутри здания, чтобы поглощать энергию колебаний. Бывают:
➖Вязкостные: Как гигантские амортизаторы в автомобиле.
➖Массовые (динамические гасители): Огромный шар или маятник на верхних этажах, который раскачивается в противофазе основным колебаниям и гасит их. Знаменитый Тайбэй 101 использует такой 660-тонный шар!

3. Сейсмические компенсаторы (Тросовые системы)
➖ Системы стальных тросов и растяжек, которые перераспределяют нагрузку и не дают зданию сложиться, как карточный домик.

Идея "катящейся опоры" — гениальна в своей основе, и инженеры воплотили ее в жизнь, создав сложные и надежные системы сейсмической изоляции. Благодаря им современные здания в сейсмоопасных зонах могут пережить даже очень сильные толчки, сохранив жизни людей и свою целостность. #землетрясение #строительство #инженерия #технологии #геология #архитектура #механика #разрушения #колебания #волны #физика #physics #эксперименты

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🥺 Лопасти винта складываются для кардинального снижения гидродинамического сопротивления, когда двигатель не работает, а судно движется за счет другой силы (например, парусов) или просто дрейфует.

Что такое гидродинамическое сопротивление? Это сила, которая противодействует движению тела в воде. Оно складывается из нескольких компонентов, но в нашем случае ключевую роль играют два:
▪️Сопротивление трения: Связано с вязкостью воды. Чем больше смоченная поверхность тела, тем выше сопротивление.
▪️Сопротивление формы (или давление): Связано с разницей давлений на носовой и кормовой частях тела. "Лобовые" элементы, создающие турбулентность и разрежение за собой, сильно увеличивают это сопротивление.

Неподвижный винт с жестко закрепленными лопастями — это идеальный генератор сопротивления формы. Представьте себе лопасть винта:
▪️Она имеет сложный аэродинамический профиль, оптимизированный для работы в режиме тяги (когда вращается и "ввинчивается" в воду).
▪️Когда судно движется, а винт неподвижен, поток воды набегает на лопасть под отрицательным углом атаки (фактически, с "обратной", нерабочей стороны).
▪️В таком режиме профиль лопасти работает крайне неэффективно: за лопастью образуется мощная зона турбулентности и кавитации (разрывов потока), что создает очень высокое сопротивление давления.

Аналогия: Попробуйте протащить по воде обычную ложку выпуклой стороной вперед. А потом — ребром. Разница в сопротивлении будет колоссальной. Неподвижный винт — это и есть несколько таких "ложек", создающих огромный тормозящий эффект. Для парусной яхты это означает потерю скорости до 0.5-1 узла, что очень много в условиях слабого ветра.

В сложенном положении лопасти поворачиваются вокруг своих осей и складываются вдоль линии потока воды, параллельно валу или в специальные выемки в ступице. Что это дает с точки зрения гидродинамики:

1. Резкое снижение сопротивления формы: Вместо объемных, необтекаемых лопастей, поток воды обтекает компактную, обтекаемую ступицу и сложенные лопасти. Зона турбулентности и разрежения за ними минимальна.

2. Уменьшение смоченной поверхности: Сложенные лопасти представляют собой гораздо меньшую площадь, что снижает сопротивление трения.

В результате, сложенный винт создает сопротивление, сравнимое с сопротивлением простого стержня (вала), что позволяет судну развивать значительно большую скорость под парусами или экономить топливо на буксире. Обычно складывание/раскладывание происходит автоматически под действием двух сил:

1. Центробежная сила: При запуске двигателя и раскрутке вала центробежная сила стремится "выбросить" лопасти наружу, преодолевая усилие специальных пружин или грузов.

2. Гидродинамическая сила: Когда лопасти начинают захватывать воду, давление на их рабочую поверхность окончательно переводит их в рабочее, развернутое положение.

♻️ Существует также вариант V-образного (ферингтоновского) винта, у которого лопасти не складываются, а разворачиваются ребром к потоку, что дает схожий эффект снижения сопротивления. А для самых требовательных к скорости яхт используются съемные винты, которые убираются в специальный колодец в корпусе, полностью устраняя сопротивление. #гидростатика #гидродинамика #физика #physics #опыты #техника

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⚡️ DIY: Сварка от конденсаторной батареи — физика для гаражных самоделок

На видео экстремальный DIY: самодельный сварочный аппарат, чье сердце — не трансформатор, а мощная батарея конденсаторов. Идея проста до гениальности: мы накапливаем в конденсаторах огромное количество энергии, а затем разряжаем ее за доли секунды на металл, который нужно сварить.

Физика процесса:

1. Накопление энергии: По формуле E = (C ⋅ U²) / 2, где E — энергия в Джоулях, C — емкость в Фарадах, U — напряжение в Вольтах. К примеру, батарея на 100 000 мкФ (0,1 Ф), заряженная до 50 В, запасает (0.1 ⋅ 50²)/2 = 125 Дж. Это сравнимо с ударом молотка, но сосредоточено в крошечной точке!
2. Мгновенный разряд: Вся эта энергия высвобождается почти мгновенно. Сила тока при коротком замыкании может достигать сотен и даже тысяч Ампер! Здесь вступает в дело Закон Джоуля-Ленца: Q = I² ⋅ R ⋅ t. Мощность нагрева (I²⋅R) колоссальна из-за гигантского тока I и мизерного времени t.
3. Почему металл плавится? В точке контакта сопротивление R максимально. Огромный ток, проходя через него, вызывает интенсивный нагрев, мгновенно расплавляя металл и создавая сварочную точку.

⚠️ Предупреждение: Это опасный эксперимент! Конденсаторы на высокое напряжение могут сохранять заряд и убить разрядом тока. Короткое замыкание приводит к ослепительной вспышке, ультрафиолетовому излучению и разбрызгиванию металла. Не повторяйте без глубоких знаний и мер защиты.

💥 Этот метод — кустарная реализация промышленной контактной сварки, изобретенной в далеком 1877 году американцем Элиху Томсоном. Любопытно, что Томсон изначально поспорил с коллегой, что сможет сварить два куска металла. Он пропустил через них ток от динамо-машины и, сдвинув их, получил прочное соединение. Его установка была прямым предком нашего сегодняшнего эксперимента.

▪️Конденсаторы: Идеальны — электролитические, с низким ESR (эквивалентным последовательным сопротивлением), рассчитанные на высокое напряжение (например, от компьютерных блоков питания, но лучше — специальные мощные).
▪️Зарядное устройство: Нужен источник питания, способный безопасно зарядить батарею до нужного напряжения.
▪️Электроды: Обычно используют мощные медные щупы или стержни. Медь обладает низким сопротивлением и не прилипает к свариваемому металлу.
▪️Управление: Вся система должна управляться через реле или мощный ключ (например, MOSFET/IGBT) для безопасности оператора.

Собрать такой аппарат — это как провести урок электродинамики у себя в гараже. Это наглядная демонстрация того, как потенциальная энергия электрического поля превращается в тепловую мощь, способную плавить сталь. А вы пробовали такое изобретать? #видеоуроки #physics #физика #опыты #электродинамика #электричество #магнетизм #эксперименты #научные_фильмы

⚡️ Опыты Фарадея

🔥 Индукционный нагрев

💫 «Гроб Мухаммеда»

🧲 Как работают трансформаторы?

⚡️ Основные физические понятия электродинамики (Леннаучфильм)

✨ Взаимодействие зарядов. Электростатическая индукция

💫 Исследование электрических полей. Опыт по физике

⚡️ Уравнения Максвелла ✨

⚙️ Электромагнитная подвеска 🧲

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🧲 Магнитная левитация волчка в потенциальной яме индукции внешнего магнитного поля 💤

Над платформой с магнитами (постоянными или катушками с током) раскручивают волчок, а затем убирают подставку — и он продолжает парить и крутиться в воздухе. Какая физика в основе?

▪️ 1. Магнитная левитация: В основании волчка и на подставке установлены сильные неодимовые магниты, обращенные друг к другу одноименными полюсами (север к северу или юг к югу). Они отталкиваются, создавая силу, направленную против гравитации. Этой силы как раз хватает, чтобы удерживать вес волчка в воздухе.

▪️ 2. Гироскопический эффект (стабилизация): Одного отталкивания мало. Если бы волчок не вращался, он бы просто перевернулся, так как положение «вверх тормашками» на отталкивающих магнитах неустойчиво. Но раскрученный волчок — это гироскоп. Гироскоп стремится сохранить ориентацию своей оси вращения в пространстве. Эта гироскопическая стабильность не дает волчку опрокинуться и заставляет его прецессировать вокруг магнитной оси, оставаясь в устойчивом парении.

📐 Особенности конструкции:
1. Сильные магниты: Обычно это неодимовые (NdFeB) магниты. От их силы зависит высота левитации.
2. Диамагнитный стабилизатор (секретный ингредиент): В самых стабильных конструкциях снизу часто устанавливают пластину из диамагнетика (например, пиролитического графита или меди). Диамагнетики слабо отталкиваются от любого магнитного поля. Эта пластина создает дополнительную «восстанавливающую силу», которая не дает волчку улететь в сторону и делает левитацию невероятно стабильной. Без нее волчок было бы очень сложно удержать в центре.
3. Идеальный вес и балансировка: Волчок должен быть идеально сбалансированным. Его вес должен в точности компенсироваться магнитной подъемной силой на определенной высоте.

👨‍🔬 Кто первый? Хотя подобные эффекты изучались и раньше, популяризатором именно этой элегантной демонстрации с волчком считается американский физик Рой Харриготен (Roy Harrigan), который запатентовал подобное устройство в начале 1980-х. Позже, в 2000-х, профессор Ларри Спир (Larry Spring) и знаменитый популяризатор науки Профессор Магги (Prof. Maggy) из Англии доработали и показали миру этот опыт в своих лекциях, сделав его вирусным. Парящий волчок — это не иллюзия, а физическая система, где магнитное отталкивание борется с гравитацией, а гироскопический эффект обеспечивает устойчивость. #видеоуроки #physics #физика #опыты #электродинамика #электричество #магнетизм #эксперименты #научные_фильмы

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib