⚛️ Законы Вселенной:уравнения, которые изменили всё 💤

1. Уравнение Эйнштейна: Общая теория относительности : G_μν = 8πG/c⁴ * T_μν
Что оно значит: Материя и энергия говорят пространству-времени, как искривляться, а искривлённое пространство-время говорит материи, как двигаться.
Почему это красиво: Оно связывает геометрию Вселенной с её содержимым. Без него не работали бы GPS, и мы не знали бы о чёрных дырах. Это уравнение — квинтэссенция идеи «геометрия как физика».

2. Стандартная модель (Лагранжиан)
Что он значит: Это полная теория трёх из четырёх фундаментальных взаимодействий (электромагнитного, сильного и слабого) и всех известных элементарных частиц.
Почему это красиво: Это вершина человеческого понимания микромира. Оно с пугающей точностью предсказывает поведение квантовой вселенной. Его экспериментальное подтверждение на БАКе — триумф человеческого разума.

3. Второй закон Ньютона: F = ma
Что он значит: Сила, действующая на тело, равна произведению его массы на ускорение.
Почему это красиво: Гениальная простота. Это основа всей классической механики. От полёта ракет до качения мяча — всё описывается этим лаконичным уравнением. Оно научило нас предсказывать движение.

4. Уравнения Максвелла:
∇·E = ρ/ε₀, ∇×E = -∂B/∂t, ∇·B = 0, ∇×B = μ₀J + μ₀ε₀∂E/∂t
Что они значат: Эти четыре уравнения — полное описание всего электричества и магнетизма. Они объединили их в единое явление — электромагнетизм.
Почему это красиво: Из них, как следствие, вытекает существование электромагнитных волн (свет, радиоволны, рентген). Мы поняли, что свет — это и есть колебания электромагнитного поля. Фундамент современной цивилизации.

5. Уравнение Шрёдингера: iℏ ∂/∂t |Ψ> = Ĥ |Ψ>
Что оно значит: Оно описывает, как со временем изменяется квантовая состояние частицы (волновая функция Ψ).
Почему это красиво: Это сердце квантовой механики. Оно отбросило детерминизм Ньютона и ввело нас в мир вероятностей и фундаментальной неопределённости. Мир на самом маленьком уровне устроен именно так, как диктует это уравнение.

Эти уравнения — не просто символы на доске. Это архитектура нашей реальности. Они — доказательство того, что человеческий разум способен постигать самые сокровенные секреты Вселенной. ✨

А какое уравнение нравится больше всего вам? Какое самое сложное для вас? #science #physics #физика #опыты #наука #квантовая_физика #квантовая_механика #эксперименты

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

⌛ Задача для наших подписчиков

🧲 При вращении магнита на отвертке, магнит постоянно поднимается вверх. Объясните с точки зрения физики почему так происходит?

How Do Magnets Climb This Screwdriver?

#механика #физика #опыты #эксперименты #задачи #physics #science #наука #магнетизм

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🚀 Что будет, если добавить жидкий газ в бутылку с водой

Если добавить жидкий газ в бутылку с водой и перевернуть её, она взлетит. Можно взять любую теплую жидкость: вода, кола, спрайт. Самое важное — температура жидкости. Понадобится пластиковая бутылка и перчатки, чтобы не заморозить руки. И самые важный ингредиент — жидкий газ бутан (C₄H₁₀). Температура кипения бутана -0.5 °С. Это означает, что в жидком состоянии он находится при температуре t < -0.5 °С. Достаточно будет наполнить 2/3 бутылки водой, а 1/3 наполнить жидким газом. Через несколько секунд можно будет увидеть, как на поверхности воды плавает жидкость бутанового раствора. Между ними находится газообразная прослойка. Это тот самый эффект Лейденфроста, о котором уже был пост в нашем канале.

Эффект Лейденфроста — это физическое явление, при котором жидкость при непосредственном контакте с массой, температура которой значительно выше температуры кипения жидкости, образует изолирующий слой пара, препятствующий быстрому кипению этой жидкости. Благодаря этому капля парит над поверхностью, а не вступает с ней в физический контакт. Чаще всего это наблюдается при приготовлении пищи; капельки воды капают в кастрюлю, чтобы измерить ее температуру: если температура в кастрюле равна или выше температуры точки Лейденфроста, то вода растекается по сковороде и испаряется дольше, чем в кастрюле с температурой ниже точки Лейденфроста (но все равно выше температуры кипения). Этот эффект также обусловливает способность жидкого азота распространяться по полу.

Итак, холодный бутан плавает на поверхности теплой воды на паровой прослойке. Как только мы переворачиваем бутылку, скорость реакции испарения мгновенно возрастает. Во время переворачивания бутылки теплая вода смешивается с бутаном, и бутан немедленно превращается в газ, который увеличивается в объем более чем в 10 раз. В результате он стремительно пытается выйти из бутылки, поэтом образуется реактивная тяга через узкое горлышко — наша ракета взлетает.
#механика #физика #опыты #эксперименты #динамика #кинематика #physics #лекции #science #наука

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

🎈 Резиновый шарик в тепловизоре 🔥

Рассмотрим видео от нашего подписчика. Ранее на канале был уже такой опыт. Кратко о происходящем: Резиновый шарик растягивают ➜ Он нагревается (это видно в тепловизоре) ➜ Ждут пока температура выровняется ➜ Резко отпускают, шарик принимает обратно свою форму, но в тепловизоре заметно сильно охлаждение. Этот опыт демонстрирует обратный (или аномальный) термоупругий эффект Гоу-Джуля в резине. Это фундаментальное свойство каучуков и эластомеров, и внутренние напряжения здесь играют ключевую роль.

1. Растяжение шарика (Нагревание): Вы прикладываете силу, чтобы растянуть сетку полимерных цепей, из которых состоит резина. В нерастянутом состоянии длинные, хаотично свернутые полимерные молекулы находятся в состоянии с максимальной энтропией (максимальным беспорядком). При растяжении вы вынуждаете эти цепи выпрямляться и ориентироваться вдоль направления растяжения. Система становится более упорядоченной — её энтропия уменьшается. С термодинамической точки зрения, резиновая деформация — это в первую очередь энтропийный процесс. Внутренняя энергия цепи почти не меняется при растяжении. Согласно уравнению состояния идеального эластомера (аналог уравнения Клапейрона-Менделеева для газов): σ ~ T, где σ — напряжение, T — температура. При постоянной длине растяжения увеличение температуры повышает напряжение. Когда вы растягиваете шарик быстро (адиабатически), системе не хватает времени для теплообмена. Уменьшение энтропии (увеличение упорядоченности) при постоянной внутренней энергии должно сопровождаться выделением тепла, чтобы выполнялись законы термодинамики. Работа, совершаемая вами над резиной, переходит не в увеличение потенциальной энергии межмолекулярных связей (как в металле), а в уменьшение энтропии и, как следствие, в повышение температуры. Внутренние напряжения здесь — прямое следствие вынужденного снижения энтропии цепей.

2. Ожидание (Теплообмен): Растянутый шарик остывает до температуры окружающей среды, отдавая избыточное тепло. Теперь он находится в равновесном растянутом состоянии при комнатной температуре, но с высоким уровнем внутренних (энтропийных) напряжений. Цепи остаются в вытянутом, неестественном для них состоянии.

3. Резкое отпускание (Сильное охлаждение): Вы убираете внешнюю силу. Внутренние напряжения, запасенные в выпрямленных полимерных цепях, теперь выполняют работу. Цепи начинают стремительно сворачиваться обратно в хаотичные клубки, чтобы вернуться в состояние с максимальной энтропией (максимальным беспорядком). Этот процесс быстрого сворачивания (сжатия) является энтропийно-двигательной силой. Цепи совершают работу по сворачиванию, преодолевая внутреннее трение (вязкое сопротивление). Для совершения этой работы им нужна энергия. Поскольку процесс быстрый (адиабатический), эта энергия берется из их собственной тепловой (кинетической) энергии. В результате температура полимерной сетки резко падает. Это прямое следствие преобразования внутренней тепловой энергии в механическую работу, совершаемую против вязких сил при сворачивании.

❓ А теперь пара вопросов по опыту:

1. Почему шарик сильнее охлаждается в той части, где есть переход в более широкий участок резины?

2. С железной пружиной будет точно такие же результаты? Если мы растянем пружину, потом подождем и дадим ей вернуться в исходное состояние, то она охладится?

#физика #механика #видеоуроки #science #термодинамика #МКТ #physics #опыты #эксперименты

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

📝 Двойной маятник и феномен детерминированного хаоса 😵‍💫

Двойной маятник — одна из наиболее наглядных и элегантных физических систем, демонстрирующая фундаментальный принцип: детерминированный хаос.

1. Система и её детерминизм
Двойной маятник представляет собой две соединённые жёсткие массы, движущиеся под действием гравитации. Его динамика полностью описывается классическими уравнениями Лагранжа или Ньютона. Система детерминирована: при заданных точных начальных условиях (углах и угловых скоростях) её последующее состояние однозначно вычисляется из уравнений движения. Нет места случайности или вероятности на фундаментальном уровне.

2. Возникновение хаоса
Несмотря на детерминизм, поведение системы является хаотическим. Это означает:
▫️Экспоненциальная чувствительность к начальным условиям (ЭЧНУ): сколь угодно малые различия в начальных параметрах (например, угол, заданный с точностью до 10e-6 радиана) приводят к радикально разным траекториям уже через несколько колебаний. Расхождение траекторий происходит по закону δ(t) ≈ δ₀ ⋅ exp(λ⋅t) где λ — положительный показатель Ляпунова.
▫️Непредсказуемость на длительных временах: из-за ЭЧНУ и неизбежных погрешностей измерения (принципиальных и технических) точное долгосрочное предсказание поведения системы невозможно. Её эволюция становится практически неотличимой от случайного процесса, хотя и порождена строгими уравнениями.
▫️Сложное фазовое пространство: аттрактор системы (в смысле множества, к которому стремится движение) имеет фрактальную структуру в фазовом пространстве, что является признаком хаотической динамики.

3. Физическая интерпретация
Двойной маятник служит моделью перехода от регулярного движения к хаотическому при увеличении энергии. При малых колебаниях система ведёт себя почти как линейный осциллятор. С ростом амплитуды нелинейности (связанные с тригонометрическими функциями в уравнениях) становятся значимыми, что и порождает хаос.

4. Значение концепции
Явление детерминированного хаоса, продемонстрированное на примере двойного маятника, имеет глубокие последствия:
▫️Опровергает лапласовский детерминизм: даже в классической механике предсказуемость не равнозначна детерминизму.
▫️Играет ключевую роль в метеорологии, астрофизике, гидродинамике, теории динамических систем и даже в биологии и экономике.
▫️Подчёркивает важность нелинейности как источника сложного поведения в простых системах.

Детерминированный хаос показывает, что даже в рамках законов Ньютона мир сохраняет элемент принципиальной непредсказуемости, коренящейся в самой структуре уравнений движения.
#физика #механика #хаос #динамические_системы #детерминизм #маятник #наука #physcis #science

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

☀️ На что способен LIDAR-датчик за 16,000 $ ?

С помощью дрона и LIDAR-сенсора можно добиться высокодетального 3D-картографирования местности. На видео происходит воздушное сканирование лазером. Рассмотрим физический принцип работы LiDAR:
LiDAR (Light Detection and Ranging) — это активный метод дистанционного зондирования. Его ядро — закон отражения электромагнитных волн.

1. Излучение: Лидар испускает короткие импульсы лазерного излучения в ближнем инфракрасном или видимом диапазоне (частота — сотни тысяч импульсов в секунду).
2. Отражение: Фотоны импульса отражаются от объектов (дорога, листва, провода, здания).
3. Детектирование: Приемник улавливает отраженный сигнал.
4. Расчет: Измеряется время между излучением и приемом импульса (∆t). Используя фундаментальную константу — скорость света (c ≈ 300 000 км/с) — вычисляется расстояние до объекта по формуле: D = (c * ∆t) / 2.
⚠️ Точность синхронизации измерений времени — ключевой фактор. Ошибка в 1 наносекунду приводит к погрешности в 15 см.

Ключевые технические факты системы:
▪️Точность: Современные бортовые лидары для дронов обеспечивают точность измерений 3-10 см по высоте и плану.
▪️Плотность точек: Системы высокого класса (например, Geodetic, Riegl, Velodyne) могут генерировать до 1000-2000 точек/м². При облете участка в 100 га это миллиарды точек (облако точек).
▪️Множественные отражения: Один лазерный импульс может иметь несколько возвратов (First, Intermediate, Last). Это позволяет "пробивать" листву: первый отраженный сигнал идет от кроны, последний — от земли под ней. Именно так строится Цифровая модель рельефа (DTM) под лесом.
▪️Точность позиционирования: Высокая детализация бессмысленна без точной геопривязки. Система использует GNSS (ГЛОНАСС/GPS) и инерциальные измерительные блоки (IMU). IMU с высокой частотой опроса (≥200 Гц) компенсирует крены, тангаж и рыскание дрона, обеспечивая точную ориентацию луча в пространстве.

Что фиксирует система и почему это важно:

1. Детализация крон деревьев: Фиксируется породный состав, высота, объем зеленой массы, санитарное состояние. Это основа для лесопатологических исследований, инвентаризации и проектирования вырубок.
2. Линии электропередач и провода: Лидар "видит" каждый провод, включая грозозащитный трос. Строится 3D-модель коридора ЛЭП с вычислением опасных сближений растительности с проводами (деревья, угроза обрыва). Это — основа для предиктивного обслуживания и предотвращения аварий.
3. Инфраструктура: Дороги, железнодорожное полотно, мосты с миллиметровыми деформациями, трубопроводы.
4. Рельеф: Залесенные овраги, карьеры, насыпи — все формы земли становятся измеримыми.

Таким образом, технологии, основанные на физике, позволяют создавать гипердетализированную реальность для проектирования, строительства, контроля и прогнозирования. #технологии #physics #оптика #наука #физика #электродинамика #science #бпла #геодезия

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

✨ О физике северного сияния

Северное сияние (Aurora Borealis) — это видимое проявление фундаментальных процессов физики плазмы и электродинамики, происходящих на расстоянии в сотни километров над Землей.
Рассмотрим механизм этого явления:
1. Солнечный ветер — поток заряженных частиц (в основном электронов и протонов) — достигает магнитосферы Земли.
2. Частицы захватываются магнитным полем и направляются вдоль силовых линий к магнитным полюсам.
3. В верхних слоях атмосферы (ионосфере) эти высокоэнергетические частицы сталкиваются с атомами и молекулами кислорода и азота.
4. При столкновении происходит возбуждение атомов с последующим излучением квантов света в характерном диапазоне (зеленый, красный, фиолетовый).

Малоизвестные факты физики и электродинамики процесса:

▪️Роль альфвеновских волн. Непосредственную «доставку» электронов в атмосферу обеспечивают не статические поля, а альфвеновские волны — низкочастотные колебания плазмы и магнитного поля. Они разгоняют электроны вдоль силовых линий, подобно гигантскому электромагнитному «катапульту».
▪️Электрические токи гигантских масштабов. Свечению сопутствует система кольцевых токов в магнитосфере и электроджетов в ионосфере. Сила этих токов может достигать миллионов ампер, а их возмущения (магнитные бури) способны влиять на энергосистемы на Земле.
▪️Дифференциальное свечение по высоте. Разный цвет — не просто разный газ. Это точный индикатор энергии частиц и плотности атмосферы:
— Ярко-зеленый (557,7 нм): атомарный кислород на высоте ~100-150 км. Характерная черта основных дуг.
— Красный (630 нм): тот же атомарный кислород, но на высотах 200-400 км, где столкновения редки. Это признак спокойных, диффузных сияний.
— Фиолетовый/синий: ионизированные молекулы азота на высотах ~80-100 км. Их свечение говорит о самых энергичных частицах, проникающих глубже.
▪️Инверсионный слой космического масштаба. Область генерации сияния работает как природный лазер на разреженных газах (без зеркального резонатора). Процесс называется индуцированным излучением — возбужденные столкновением атомы излучают когерентно под воздействием пролетающих электронов.

😠 Может ли быть южное сияние? Не только может, но и регулярно существует. Его правильное название — Aurora Australis (Южная Аврора). Оно возникает вокруг южного магнитного полюса по тем же физическим законам. Наблюдать его сложнее из-за малозаселенности приполярных районов Южного полушария (Антарктида, юг Индийского и Тихого океанов). Во время мощных геомагнитных бурь его можно видеть на юге Новой Зеландии, Австралии и даже в Аргентине.

Итак, сияние — это гигантский природный ускоритель частиц, плазменный дисплей, работающий в разреженной атмосфере, и наглядная демонстрация связи Земли с Солнцем. Его изучение — ключ к пониманию космической погоды и физики плазмы.
#электродинамика #physics #оптика #наука #физика #магнетизм #science #опыты #видеоуроки #астрофизика #геомагнетизм

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib

☺️ Труба Кундта — это экспериментальный акустический прибор, изобретённый в 1866 немецким физиком Августом Кундтом для измерения скорости звука в газах или твердом цилиндре. На сегодняшний день прибор используется для демонстрации акустической стоячей волны.

🔴Труба состоит из прозрачного цилиндра, заполненного небольшим количеством мелкого лёгкого порошка (из пробки, ликоподия, талька, частичек пенопласта). На одном конце трубы установлен источник звука стабильной частоты. Кундт использовал металлический резонатор, который "пел" при его натирании. Современные демонстрации используют в качестве источника звука динамики, подключённые к генератору сигналов, дающим синусоидальный сигнал стабильной частоты. Другой конец трубы заглушен или содержит перемещаемый поршень для настройки длины трубы. Когда источник звука включён, длину трубы изменяют поршнем с противоположного конца, пока звук не станет резко громким — это показывает наличие в трубе акустического резонанса. Это означает, что на пути звука умещается кратное число длин волн звука, длина волны обозначается буквой λ. В то же время длина трубы кратна целому числу полуволн. В трубе образуется стоячая волна. Амплитуда вибраций, вследствие сложения волн, равна нулю через периодические расстояния вдоль трубы, образуя "узлы", в которых порошок не шевелится, и пучности, в которых амплитуда максимальна и порошок шевелится. Порошок захватывается движениями воздуха, созданными акустической волной в трубе, и формирует горки в местах узлов, которые остаются и после выключения звука. Расстояние между горками равно половине длины волны звука λ/2. Если измерить расстояние между горками - можно найти длину волны звука λ, и если частота звука, обозначаемая буквой f известна, то можно найти скорость звука в воздухе. Взаимосвязь описывается формулой: c = λ•f. Перемещение частиц порошка вызывается акустическим потоком, вызванным пограничным слоем у стенок трубы.

Заполняя трубу различными газами, а также откачивая газ из трубы насосом Кундт смог измерить скорость звука в различных газах и при различных давлениях. Источником колебаний служил металлический стержень, закрепленный в центре пробки с одного из концов трубы. Когда Кундт тёр стержень куском кожи, покрытом канифолью, стержень резонировал на своей резонансной частоте. Так как скорость звука в воздухе уже была известна, Кундт смог рассчитать скорость звука в металле стержня. Длина стержня L была равна длине полуволны звука в металле, а расстояние между горками порошка в трубе равно половине длины волны звука в воздухе d. Соответственно скорости звука в этих средах относились между собой как длины волн. #физика #наука #science #physics #акустика #волны #опыты #эксперименты #видеоуроки

Акустическая левитация

〰️ Воздействие звуковой волны 24 Гц на струю воды 🔉

➰ Кнут способен преодолеть звуковой барьер

〰️ Воздействие звуковых волн различных частот на соль 🔉

💡 Physics.Math.Code // @physics_lib