This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Книгараскрываетфизическуюприродуявлений,которыемынаблюдаемрегулярноили с которыми сталкиваемся времяотвремени.Автормаксимальномасштабноподходиткосвещениюфизическихзаконов,действующихвприродеимиренаучныхдо-стижений.Домашняятехникаипредметыобихода,спортитранс-порт,светизвук–накаждуюизэтихобластейвкнигеотведенсвойраздел.Спектртемширокиразнообразен–начинаястого,почемускользитпостолутарелкасупа,изаканчиваяпринципамиработыGPS-спутников.Материализлагаетсявдоступнойформе, врасчетеналюбо-
значтельныхчитателей, которыене являются специалистамив физике,ноинтересуютсянаучнымобъяснениемявлений,встре-чающихсявповседневнойжизни.Многочисленныесхемыиил-люстрацииоблегчаютпонимание.Дляширокойчитательскойаудитории.
УДК 530.1ББК 22.31
Russian translation rights arrangedwithNIHONBUNGEISHACo., Ltd. throughJapanUNIAgency,Inc.,Tokyo
Почему вода в стакане поднимается по стенкам? ............................................12Почему миска мисо-супа скользит по столу?.......................................................14Как устроен смыв в унитазе? .....................................................................................16Почему термос не выпускает тепло? .......................................................................20Как устроена скороварка, в которой можно приготовить еду за короткое время? .........................................................................................................22Как работает нагревание в индукционной плите? ............................................24Почему холодильник охлаждает? ............................................................................26Почему копировальный аппарат может делать копии? ..................................28Как устроен аэрохоккей? .............................................................................................30Как работают карандаш и ластик и стираемая шариковая ручка? ............32В чём секрет каменных мостов в виде арок, которые не ломаются и за тысячу лет? ................................................................................................................35Как устроен пульт удалённого управления, которым можно переключать каналы, а как – автоматическая дверь? ......................................38
Глава 2. Природа и физика
Почему небо бывает разных цветов? Почему днём небо голубое, а на рассвете и на закате кажется красным? ......................................................42Почему происходит северное сияние? ..................................................................44Откуда появился ветер фён? ......................................................................................46Почему холодным утром появляются ледяные иглы? ......................................48Почему холодным утром хорошо слышно звуки издалека? .........................50Почему при высокой температуре мы чувствуем себя плохо? ....................52Почему глаза кошек светятся в темноте? ..............................................................55В чём секрет рыбьих глаз? ..........................................................................................58Почему водомерки могут скользить по поверхности воды? .........................60Почему стебли однолетних растений имеют форму трубок? ........................62
Содержание
7
Земля
Земля
Искусственный спутник
Cила тяжести F, действующая на камень A
Cила тяжести F, действующая на камень A
Притянутая молекула
Притянутая молекула
Скорость источника звука u
Активно двигающаяся молекула
Длина волны λ
Камень C
Камень C
Камень А
Камень А
FB
FB
FC
FC
Камень В
Центробежная сила F¢
ная сила F¢
Скорость v
Скорость v
Сила всемирного тяготения F
Высота h
Радиус RРадиус вращения
h + R
Масса M
Масса m
Узнаём тайны радуги (часть 1). Почему появляется обычная радуга? .......64Узнаём тайны радуги (часть 2). Что такое двойная радуга и округло-горизонтальная дуга? ...............................................................................66Почему в середине реки такое быстрое течение? ............................................68
Глава 3. Спорт и физика
Почему лыжники, прыгая на лыжах с трамплина, не травмируются при приземлении? ..........................................................................................................72Почему в фигурном катании вращение постепенно становится всё быстрее? ......................................................................................................................74Почему лыжи и коньки легко скользят по снегу и льду? ................................76Почему при беге на короткие расстояния стартуют с низкой позиции? .............................................................................................................................79Как предотвратить глубинную болезнь?................................................................82Какие приёмы можно использовать, чтобы кататься по волнам, занимаясь сёрфингом? ..................................................................................................84Что будет, если бить по мячу самой серединой биты? .....................................86Зачем на поверхности мяча для гольфа нужны вмятины? ............................88Почему крученые мячи вращаются? .......................................................................90
Глава 4. Транспорт и физика
Каким образом скользят вагоны с линейными двигателями? ......................94Как измеряется скорость и высота самолёта?.....................................................96Зачем к краю основного крыла самолёта прикреплена вертикальная пластина? ...............................................................................................99Как появляется подъёмная сила у самолёта? ................................................... 102Что является «движущей силой» пропеллеров, дронов и ракет? ............ 104Как устроены двигатели электричек и электромобилей? ........................... 106Почему люди не падают с американских горок? ............................................ 108Геостационарный спутник летает со скоростью 3 км/с?! ............................. 110
Глава 5. Свет, звук и физика
Почему предметы, находящиеся в воде, кажутся ближе к поверхности? .............................................................................................................. 114
7
7
Земля
Земля
Искусственный спутник
Cила тяжести F, действующая на камень A
Cила тяжести F, действующая на камень A
Притянутая молекула
Притянутая молекула
Скорость источника звука u
АB
V VЧастота колебаний f
= V/λДлина волны λ
Камень C
Камень C
Камень А
Камень А
FB
FB
FC
FC
Камень В
ная сила F¢
Скорость v
Сила всемирного тяготения F
Высота h
Радиус RРадиус вращения
h + R
Масса m
Как работает линза, увеличивающая или уменьшающая объект относительно его реального размера? ................................................. 116Как устроены телескоп и микроскоп? ................................................................. 119Почему светятся светодиоды? ................................................................................ 122Что такое оптическое волокно, по которому можно передавать большие объёмы информации? ............................................................................. 124Как передаёт информацию система GPS (система глобального позиционирования)? .................................................................................................. 126Почему различается высота приближающихся и отдаляющихся звуков? .............................................................................................................................. 128Почему голос становится высоким, если вдохнуть гелия? .......................... 130
Предисловие
Этакнигапродолжаетрассматриватьтемы,поднятыев вышед-шейпримерно10летназадв издательствеNihonbungeishaкни-ге«Интереснаяи понятнаяфизика»,добавляяк ними новые,и, таким образом, является всесторонним обновлённым тру-дом.Изначальноя планировалнаписатьцеликомновуюкнигу.Я развилтемы,затронутыев «Интереснойи понятнойфизике»,по возможности внёс комментарии и данные исследований,которыеполучилзапоследние10лет.Однакоизсоображенийобъёмапришлосьисключитьизэтойкнигинесколькотем,о ко-торыхговорилосьв прошлойкниге,о чёмя оченьсожалею. Чтокасается новыхтем, появившихся здесь, я указывал наиболееактуальныеданные,консультируясьпредварительнос группойредакторов-составителей.Темы,о которыхговоритсяв этойкниге, –этотеобъектыи яв-ления,чтопроисходятилинепроисходятв нашейповседневнойжизни.Вполнеможнопрожить,ничегонезнаяо них,номнека-жется,житьстанеткудаинтереснее,есливыузнаетео них.На-верняканайдутсялюди,которыескажут,чтоэтонефизика.Од-накодляудобствая небудуперегружатьтекстподробностями,связаннымис отрасляминауки,к которымэтитемыотносятся.Думаю,чтопрелестьфизикивомногомзаключаетсяв том,чтоприродуразличныхфеноменовможнопонятьблагодарязако-наммалыхчисел,теоремами несколькимгипотезам.Мнеосо-бенноинтереснонесколькоотступитьоттого,чтоя ужеделалдоэтого,и подойтик физическимтемаммаксимальномасштабно.Предполагаемые читатели данной книги – люди, интересую-щиесяявлениями,с которымимысталкиваемсяв повседневнойжизни,нокоторыепотемилиинымпричинамнеобращаютсяк серьёзной специализированнойлитературе.Для облегчениявосприятияя минимизировалколичествоформул здесьи по-старался объяснять всё как можно более простыми словами.В книгеприведенотакжемножествоподробныхиллюстраций.Есливызаинтересуетесьчем-то,описаннымв этойкниге,и за-
хотитеузнатьобэтомболеедетально,илиостанутсявопросы,советуюобратитьсяк специализированнойлитературе.ЯоченьблагодаренгосподинуСакаМасасиизредакторско-со-ставительского отдела издательства Nihonbungeisha, предло-жившемумненаписатьэтукнигуи оказавшемуогромнуюпо-мощь в работе, а также господину Йонэда Масаки из фирмы«Эдитэ-100»,которыйпомогалмнес редактуройи составлени-емпрошлойкнигии продолжилделатьэтои сейчас.Мояболь-шая благодарностьлюдям, создавшимиллюстрации к даннойкнигеи еёдизайн.Инаконец,мояженаТокикокаждыйраз,когдая писалочеред-нуючастьчерновикаэтойкниги,просматривалаегои давалаценные комментарии. Я прислушивался к её комментариями переписывалтемоменты,накоторыеонауказывала,поэтомудумаю,чтосодержимоекнигибудетлёгкимдлячтенияи вос-приятия.Я оченьблагодаренейзатовремя,чтоонавыкраиваламеждудомашнимиделамии воспитаниемдетей,чтобыпомочьмнес моейкнигой.
МицухаруНагасаваМай2016года
Земля
Земля
Искусственный спутник
Cила тяжести F, действующая на камень A
Cила тяжести F, действующая на камень A
Притянутая молекула
Притянутая молекула
Волна с частотой колебаний f
Скорость источника звука u
АB
V VЧастота колебаний f
= V/λ
Активно двигающаяся молекула
Длина волны λ
Длина волны λ
Камень C
Камень C
Камень А
Камень А
FB
FB
FC
FC
Камень В
Центробежная сила F¢
Скорость v
Сила всемирного тяготения F
Высота h
Радиус RРадиус вращения
h + R
Масса M
Масса m
Глава 1Жизнь и физика
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каОп
тика
Тепл
офиз
ика
12Ги
дрод
инам
ика
Мех
аник
а
Почему вода в стакане поднимается по стенкам?Поверхностное натяжение воды и межфазное натяжение
Еслиналитьводыв стеклянныйстакани посмотретьнанегосбоку,томожноувидеть,чтооколостенокстаканауровеньводынемногоподни-мается. Сэтимфеноменомтесносвязанытакиепонятия,какповерхностноенатяжениеи межфазноенатяжение. Всевещивокругнассостоятизмолекул.Энергияодноймолекулывыше,чему сцепленнойс другимимолекулами. Вжидкостимолекулысвободносцепляютсяс окружающимиихсовсехсторон другими молекулами, поэтому их энергия понижается. Одна-комолекулынаповерхности,в отличиеоттех,чтонаходятся глубоков жидкости,немогутсцепитьсяс молекуламинадними,посколькутамотсутствуютмолекулыжидкости,и потомуониобладаютбольшейэнер-гией. Другими словами, на поверхностижидкости (там, гдеменяетсясреда),образуетсябольшоеколичествоэнергии.Длястабилизацииэтойэнергиипроисходитповерхностноенатяжениежидкости γLV, кото-роестремитсяуменьшитьразмерповерхности. Когда из водопроводного крана капает вода, капли имеют округлуюформу,потомучтоводапринимаетформусферы,чтопритомжеобъ-ёмедаетнаименьшуюплощадьповерхности. Втвёрдыхтелахмолекулынемогутдвигатьсясвободно.Вместоэтогоониприкрепляютсяк поверхностисоседнихмолекул,и ихэнергияснижает-ся.Молекулыпритягиваются,чтобыуменьшитьповерхностьсамоготела,и этоявлениеназываетсяповерхностнымнатяжениемтвёрдыхтел γSV. Еслижидкостьи твёрдоетелосоприкасаютсяповерхностями,ихмоле-кулыпритягиваютсядругк другу,нопосколькуонипредставляютраз-личныесреды,тонагранице,гдеонинемогутобъединиться,энергияповышается,и начинаетработатьтасила,котораясокращаетплощадьповерхности.Этомежфазноенатяжение γSL,т.е.натяжение,котороевозникаетприсоприкосновениидвухсред. Вслучаесостаканом,которыймыупоминалив самомначале,силана-тяженияповерхностистекласильнее,чемсиламежфазногонатяжениямеждуводойи стеклом,и поэтомуводаподнимаетсяпостенкамстакана. Крометого,из-завязкостиводапритягиваеттемолекулыводы,кото-рыенаходятсярядом,и площадьеёповерхностиувеличивается.
Глава 1. Жизнь и физика 13
Из-за силы межфазного натя-женияводаможетподниматьсядо некоторой степени, такимобразомсохраняябаланс.Что же случится, если сделатьстаканизводоотталкивающегоматериала,напримертефлона? В случае с тефлоновым стака-ном всё будет наоборот: силанатяжения поверхности будетслабее,а силамежфазногонатя-жениямеждуводойи тефлономсильнее (из-за низкого срод-ства). Поэтому для сохранениябаланса вода будет, наоборот,опускатьсяпостенкам.
Отношения между энергией молекул и расстоянием между ними
Сила натяжения поверхности жидкости (γLV), сила натяжения поверхности твёрдого тела (γSV)
1
2
Энергия U12
Cила отталки вания
Cила притяжения
Молекула 1 Молекула 2
d12
Расстояние между молекулами d12
Равновесное расстояние
Здесь межмолекулярная сила равна 0
–U0
0
Если молекулы не слишком близко, то энергия отрицательная. В состоянии баланса энергии меньше всего
(а) В стеклянном стакане вода поднимается по стенкам
СтеклоВоздух
Часть, которая поднимается
γSV
γSL
γLV
θ
0
Вода
(b) Что происходит с водой у стенок тефлонового стакана
ТефлонВоздух
Касательная к поверхности воды в точке 0
Часть воды, которую отталкивают стенки
γSV
γSL
γLV
θ0
Вода
Касательная к поверхности воды в точке 0
Сила натяжения поверхности стекла γSV больше силы межфазного натяжения γSL. В результате вода поднимается по стенкам стакана
У тефлона сила натяжения поверхности γSV больше силы межфазного натяжения γSL. В результате вода опускается у стенок
Сила поверхностного натяжения жидкости (γLV), сила поверхностного натяжения твёрдого тела (γSV), сила межфазного натяжения (γSL) находятся в равновесии: (а) в случае стеклянного стакана; (б) в случае тефлонового стакана. Если угол 0 острый (пример: угол между водой и стеклом примерно 8°), то говорят, что вода смачивает стакан, а когда тупой (пример: угол между водой и тефлоном примерно 100°), то говорят, что вода не смачивает стакан
θ – угол контакта
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каОп
тика
14Ги
дрод
инам
ика
Мех
аник
аТе
плоф
изик
а Почему миска мисо-супа скользит по столу?Трение и законы Бойля–Мариотта и Шарля
Еслипоставитьмискугорячегомисо-супанавлажныйстолилиподнос,в какой-томоментмисканачнётслегкаскользить.Этоявлениесвязанос трением,а такжес законами Бойля–Мариоттаи Шарля.Трение –этосиласопротивления,направленнаянато,чтобыостановитьпараллель-ноедвижениедвухсоприкасающихсятел. Мискадлямисо-супаимеетцилиндрическуюподставку.Когдамыста-вимтакуюмискунавлажныйстол,топодвлияниемсилыповерхност-ного натяжения вода заполняет крошечное пространствомежду этойподставкой и столом. Вода служит в качестве смазочного материала,уменьшающегосилутрения,ивместес темсцепляетмеждусобойпод-ставкумискии поверхностьстолав томместе,гдеонисоприкасаются. Крометого,еслимискагорячая,товоздух,оставшийсятам,гдесопри-коснулись поверхность стола и подставка миски, нагреется и будетстремитьсяк расширению. Однакоиз-затого,чтоонокруженстенкамиизводы,оннеможетвыйтинаружу. Весмискимисо-супаудерживаетвоздух внутриобразовавшегосяпространства.Согласно законамБой-ля–Мариотта и Шарля, при постоянном объёме газа при повышениитемпературы повышается и давление газа. Таким образом, давлениевоздухав такомзамкнутомпространствеоказываетсявышеатмосфер-ногодавления. Поэтомусила,с которойсоприкасаютсяподставкамискии поверхностьстола, заметно ослабевает, и трение между столом и подставкой ста-новитсякрайнемалым.И если,например, столнемногонаклонён,тов действиевступаетсилатяжести,и мискаплавноскользитвниз. Однакоеслимисо-супслишкомгорячий,товодяныестенкиразрушают-ся,и воздухпузырькамивыходитнаружу.
Глава 1. Жизнь и физика 15
Между столом и подставкой миски закрытое пространство, в котором вода
Когда в закрытом пространстве повышается давление газа
Подставка наклонена вправо
1
2
3
Больший масштаб
Влажный стол
Тонкая плёнка воды Вода приподнимается
Cила, образовавшаяся в результате перепада давления
(P1 – P0)S
Атмосферное давление Р0
Сила нормальной реакции N¢
Давление в закрытом
пространствеР1 (> P0)
N¢ = mg – (P1 – P0)S
Cила тяжести mg
Сила давления подставки миски на стол становится крайне малой, поэтому миска легко скользит
Закон Бойля–Мариотта и Шарля
PV = NkBTP – давление, V – объём закрытого пространства, N – количество молекул воздуха, kB – постоянная Больцмана, а T – абсолютная температура (в кельвинах). Соотношение абсолютной температуры и температуры в градусах Цельсия θ (тета): T = 273,15 + θ(средняя комнатная температура примерно 300 кельвин)
Сила нормальной реакции N (перпендикулярна к поверхности стола)
Cоставляющая силы тяжести, параллельная поверхности стола
Cила трения F
Составляющая силы тяжести, перпендикулярная его поверхности
Cила тяжести mg
Сила трения F пропорциональна силе нормальной реакции (F = μN)
Чем больше сила трения, тем меньше скользит миска
m – масса миски с мисо-супом g – ускорение свободного паденияμ – коэффициент трения
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
16
Как устроен смыв в унитазе?Устройство сифона
Историяунитазовкрайнедревняя.Изначальнолюдипользовалисьпри-родой,строилитуалетынареках,так,чтобыэкскрементыуносилотече-нием. Давайтетеперьрассмотримсистемуоткачкиводы,используемуюв со-временныхунитазах, –сифон. Сифон –этошланг,используемыйдлязабораводыизведра.Онпод-нимаетводувышееёповерхности,а затемпереноситвниз.Каквиднонасхеме1,шлангнаполняетсяводойв серединеведраи ведётк выходунижеуровняводыв ведре;такимобразомводаизведравытекаетна-ружу. Это происходит из-за разницымежду давлением воздуха (атмосфер-нымдавлениемP0)и давлениемводыу концашланга. Водав серединеведраиспытываетдавлениеводы,котораянаходитсявышенеё,и поэтомуеёдавлениеоказываетсявышеатмосферного. Тожесамоепроисходитс водойвнутрисифона.Водув верхнейчастишлангатянетвнизтавода,котораянаходитсяниженеё,и поэтомудав-лениеоказываетсянижеатмосферного. Однаководау концашлангаиспытываетдавлениеводысверху(вверх-нейчастисифона),и в результатееёдавлениеP1становитсявышеат-мосферного.Разницамеждуними атмосфернымдавлениемP1 –P0про-порциональнаразницемеждудавлениемнаповерхностиводыв ведреи у концашланга.ДавлениеP1пытаетсявыдавитьводуизшланга,а ат-мосферноедавление, наоборот, пытается вдавить его в шланг. В ито-гедавление воды у концашланга оказывается больше атмосферного,и водавыливается.Когдаводаначинаетвыливаться,тонаповерхностиводыв ведредавлениестановитсяменьше,чему концашланга,и онапостепенновыливаетсячерезначалошланга.
Гидр
один
амик
аМ
ехан
ика
Глава 1. Жизнь и физика 17
Сифон перед сливом воды
Теорема Торричелли (состояние, аналогичное случаю на схеме 1)
1
2
Сифон (шланг) Давление P¢
Давление P0
Давление P0
P¢ = P0 – ρgH
Атмосферное давление P0
Атмосферное давление P0
Высота HПоверхность
воды Ведро
Вода
Разн
ица
высо
т h
Конец шланга
Давление воды у конца шланга P1
Начало шланга Глубина h
На глубине h давление
P1 = P0 + ρgh
Платформа
Поскольку есть разница высот между поверхностью воды в ведре и концом сифона, давление воды у конца шланга P1 = P0 + ρgh (где ρ – плотность воды, g – ускорение свободного падения) будет выше атмосферного давления. Давление воды в верхней части шланга P¢ = P0 – ρgH (где H – высота от поверхности воды в ведре до верхней части шланга) будет ниже атмосферного давления P0.Если поднять верхнюю часть шланга на 10 м над поверхностью воды, то при атмосферном давлении P0, равном 1, давление P1 станет отрицательным, поэтому сифон не будет работать
Поверхность воды Ведро
Вода
Глубина h
На глубине h давление P1 = P0 + ρgh
Платформа
Атмосферное давление P0
Атмосферное давление P0
Маленькое отверстие
Скорость воды v = 2gh
Теорема Торричелли: скорость воды равна v = 2gh
В стенке ведра есть отверстие на той же высоте, что и конец шланга, поэтому эта ситуация аналогична ситуации с сифоном
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
18
В унитазах с сифонной системой смыва роль сифона играет сливнаятруба.Когдавытянетезарычаг,выливаетсябольшоеколичествоводы,и этуводувместес экскрементамивтягиваетв сифони сбрасываетв ка-нализацию. После выброса в унитазе остаётся некоторое количествоводы.Этаводанужна,чтобыв комнатунепроникалнеприятныйзапахканализационныхтруб.
Гидр
один
амик
аМ
ехан
ика
Глава 1. Жизнь и физика 19
Устройство унитаза3
Ободок
Поверхность воды
ВодаНачало сифона
Начало сифона
Начало сифона
Начало сифона
Гидравлический затвор (сифон)
Исходное положение Состояние после того, как потянули за ручку и начала течь вода
В результате действия сифона произошёл слив воды Уровень воды в унитазе становится ниже начала водораспределительной трубы
От ободка течёт вода
Уровень воды повышается
Уровень временно повышается и заполняет водораспределительную трубу, которая начинает выступать в качестве сифона
Необходимо, чтобы уровень воды в канализации был ниже уровня воды в сифоне Возвращение к изначальному состоянию
Вода с ободка Вода с ободка
Уровень воды понижается
Уровень воды понижается
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Мех
аник
а
20Оп
тика
Тепл
офиз
ика Почему термос не выпускает тепло?
Как передаётся тепло в сосуде Дьюара
Термос –этососуд,обладающийспособностьюсохранятьтемпературу:еслиналитьв негогорячийнапиток,тоонбудетдолгоостывать,а еслихолодный –тоонбудетдольшенагреваться. Впоследнеевремятермосычастоиспользуюти дляподачикофе.Тер-мосбылизобретёнангличаниномДьюаром,поэтомуегочастоназыва-ютсосудомДьюара. Давайтерассмотримустройствотермоса.Каквиднонасхеме1,напере-дачутеплавлияюттрифактора:теплопроводность,конвекцияи излу-чение.Теплопроводность –передачатеплаотгорячегообъектак холод-номуприсоприкосновении;конвекция –передачатеплапридвижениигорячегообъекта;излучение –передачатеплаинфракраснымилучами,исходящими от нагретого объекта, которые поглощаются холоднымобъектом. Втермосеэффектотэтихтрёхпроцессовсводитсяк минимуму. Насхеме2можноувидетьстроениетермоса:ондвухслойный,внешняяи внутренняястенкипочтинекасаютсядругдруга.Чтобыуменьшитьтеплопроводность,стенкиделаютизпрочногоматериалас низкойтеп-лопередачей: как правило, из стекла или нержавеющей стали. Крометого, чтобы остановить конвекцию, вызванную движением воздуха,в пространствемеждустенкамитермосасоздаётсявакуум. Остаётсяизлучение.Чтобыуменьшитьпередачутепла,вызваннуюиз-лучением,следуетсократитьинфракрасноеизлучениемеждувнешнейи внутреннейстенками.Инфракрасноеизлучениеявляетсячастьюсве-тового,и присоблюденииопределенныхусловийонобудетотражаться.Чтобыстенкитермосанепоглощалиинфракрасноеизлучение,следуетсделатьтак,чтобыониотражалиего.Дляэтогообращённыедругк другучастивнешнейи внутреннейстенокзолотятилишлифуют,чтобыонисияликакзеркало.
Глава 1. Жизнь и физика 21
Три характерных способа передачи тепла
Двухслойная структура термоса
1
2
Поверхность касания
Передача тепла
Передача тепла
Высокая температура
Высокая температура
Низкая температура
Низкая температура
Низкая темпера-
тура
Высокая темпера-
тура
Теплопроводность
Излучение
Конвекция
Повышение
Понижение
Передача тепла
Инфракрасное излучение
Изл
учен
ие
Погл
ощен
ие
Крышка
Внут
ренн
яя с
тенк
а
Напиток
Ваку
ум
Внеш
няя
стен
ка
Зеркальная поверхность
При использовании обратите внимание
• Термос из нержавеющей стали не разобьётся при падении, но если внутренняя и внешняя стенки прижмутся, то он станет хуже сохранять температуру.
• Если не закрыть термос крышкой, то из-за возникшей конвекции устройство перестаёт функционировать
Лёгкие и относительно хорошо сохраняющие тепло бутылки воды имеют почти такое же устройство, как и термосы. В них, чтобы не допустить конвекции воздуха, между двумя стенками вкладывают пенополистирол, обладающий низкой теплопроводностью
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
22
Как устроена скороварка, в которой можно приготовить еду за короткое время?Использование давления
Отличительная особенность скороварки – в ней можно сварить илиприготовитьнапарублюдабыстрее,чемв обычнойкастрюле. Преждечемобъяснять,каконаустроена,давайтерассмотримпроцесскипенияводы. Когдаводанагреваетсяи достигаетопределённойтемпературы,онана-чинаетпревращатьсяв газ(водянойпар) –такначинаетсяпроцесски-пения.Этутемпературуназываютточкойкипения.Когдаводаначинаеткипеть, сколькобывыеёнинагревали, ещёвышееётемпературанестанет.Этопроисходитпотому,чтовсёполученноетеплоиспользуетсядляиспарения –процессапревращенияводыв водянойпар. Далеерассмотримотношениядавленияи точкикипенияводы. Известно, что вода кипит при температуре 100 °C, однако это вернотольконавысоте0метровнадуровнемморяприатмосферномдавле-ниив 1 атмосферу (примерно100килопаскалей).В общем,чемвышенадуровнемморяместность,темнижеатмосферноедавление,а зна-чит,и темнижетемпературакипенияводы.Например,навершинегорыФудзи атмосферное давление – 0,6 атмосферы, поэтому температуразакипания воды – примерно 87 °C. Часто говорят, что рис, приготов-ленныйнавысокойгоре,невкусный.Этопроисходитпотому,чтоводаиспаряетсяпрежде,чемнеобходимоеколичествотеплаподействуетнарис,поэтомув серединекрупаостаётсятвердой. И наоборот, когда атмосферное давление выше, температура кипе-ния воды также повышается. Например, при атмосферном давлениив 1,6 атмосферыводазакипаетпри113°C. Вскороваркеискусственносоздаётсяповышенноедавление. Когдаводаначинаетиспарятьсяи превращатьсяв пар,еёобъёмувели-чиваетсяпримернов 1000раз.Еслинепозволитьейувеличитьсяв объ-ёме, а закрыть в ограниченном пространстве, то давление повысит-ся.Когдаготовишьедупритемпературевыше100°C,тоингредиентыбыстреенагреваются.Таккакимжеобразомсоздаётсянужноедавление?
Почти все скороварки имеют рабочее давление 60–100 кПа (в пересчёте на температуру кипения – 113–120 °C). Рабочее давление – это разница давления в скороварке и 1 атмосферы. Если рабочее давление 60 кПа, то скороварка создаёт давление в 1,6 атмосферы
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
24Во
лнов
ая ф
изик
а
Как работает нагревание в индукционной плите?Электромагнитная индукция и индукционный нагрев
Внекоторыхмногоэтажныхмногоквартирныхдомах,полностьюэлект-рифицированныхилитех,гдестоитограничениепоиспользованиюга-за,дляприготовленияпищииспользуютсяиндукционныеплиты.Да-вайтерассмотрим,какиндукционныеплитынагреваютпоставленныенанихкастрюли. Вещество, получая воздействие от окружающей среды, стремится повозможностисохранитьизначальноесостояние.Представимсебеситуа-цию,когдасвободнодвижущиесямногочисленныеэлектроныметалли-ческойпластиныприближаютсяк магниту.В такомслучаемагнитныйпоток,пропорциональныйсилемагнита, вторгаетсяв металлическуюпластину, а металл стремится сохранить своёизначальное состояние,когдамагнитныйпотокбылравеннулю. Электричествои магнетизмтесносвязаны,и электрическийток,подоб-номагниту,создаётмагнитноеполе.Поддействиеммагнитногопотокав металлевозникаетсобственныйиндуцированныйток(вихревойток),который создает противоположно направленный магнитный поток,минимизируявоздействиенанего.Этоявлениеназываютэлектромаг-нитнойиндукцией. В металлической кастрюле, имеющей большое электрическое сопро-тивление, из-за электромагнитной индукции происходит нагреваниевихревым током – так работает индукционная плита. Подобный ме-тод нагревания называютиндукционнымнагревом. На самомделев индукционныхплитахвместопостоянногомагнитаподконфоркаминаходится электромагнит,накоторыйподаетсяпеременныйток, соз-дающиймагнитноеполес периодическименяющимисяполюсами.По-сколькуиндукционныеплитыотдаюттеплонепосредственнокастрюле,получениетепловойэнергииизэлектричествапроисходитгораздоэф-фективнее. Бываютнизкочастотныеиндукционныеплиты,использующиекоммер-ческую частоту (50–60 Гц), и высокочастотные плиты, использующиепеременныйтокчастотойв 20–60кГц,получаемыйс помощьюинвер-тора.Средивысокочастотныхплитв последнеевремяначалипродаватьтакие,длякоторыхможноиспользоватьнетолькообычныеэмалиро-ванныежелезные кастрюлиили кастрюлииз нержавеющей стали, нои бронзовые,алюминиевыеи кастрюлииздругихметаллов.
Опти
ка
Глава 1. Жизнь и физика 25
Силовые линии, созданные постоянным магнитом и электромагнитом1
Силовые линии магнитного поля N S
Cиловые линии магнитного поля
Электрический ток
Под действие переменного тока силовые линии магнитного поля, создаваемого электромагнитом, меняют свое направление. Если увеличить ток, увеличится и магнитное поле
Возникновение вихревых токов 2
N
SЕсли металлическая пластина отдаляется или приближается к магниту, то под его действием в пластине возникают вихревые токи, направление которых зависит от того, приближается или удаляется магнит
Вертикальный магнит
Отдаление
Удаление
Приближение
Приближение
Вихревые токи в виде концентрических кругов
Силовые линии магнитного поля
Направление вихревых токов
Металлическая пластина
Возникновение вихревых токов 2
Железная кастрюля
Вихревые токи образуются преимущественно в дне кастрюли
Верхняя пластина
ток идёт по часовой стрелке
ток идёт против часовой стрелки
Переменный ток
Электромагнит в виде пластины
Магнитные потоки, вызванные нагревателем (силовые линии
магнитного поля)
Коэффициент полезного действия (КПД) индукционных плит, в особенности высокочастотных, более 90 %, в отличие от обычных электрических с КПД в 50 %. Однако он будет гораздо ниже при использовании бронзовой и алюминиевой посуды
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
26Эл
ектр
омаг
нети
зм
Почему холодильник охлаждает?Термодинамические циклы и эффект Пельтье
Холодильник –одинизсамыхнезаменимыхнакаждойкухнебытовыхприборов. В работе холодильникадля охлажденияиспользуютсятермодина-мическиециклыи термоэлектрическийэффект. Сначала поговорим о способе охлаждения, используемом в обычныхдомашних холодильниках. Термодинамическийцикл включает в себякомпрессиюи удельнуютеплотупарообразованияи конденсации. Вдомашниххолодильникахиспользуютсятакиевещества-хладаген-ты, как, например, изобутан. Хладагенты находятся в газообразномсостоянии, но при обыкновенной температуре с высоким давлениеммогутстановитьсяи жидкостью. Газообразныйхладагентсначаласжимаетсяв компрессоре,затемпере-мещаетсяв конденсатор,гдеонстановитсяжидкостью. Потомэтажидкостьчерезрасширительныйклапаниликапиллярнуютрубкупередаётсяв испаритель, гдепонижаетсядавлениеи,следова-тельно,снижаетсяточкакипенияжидкости,жидкостьначинаетактив-нокипетьи испаряться,забираяизокружающейсредытеплоиспа-рения,температурапонижается. Хладагентпослекипениявновьв газообразномсостояниивозвращает-сяв компрессор,повторяеттотжепутьи охлаждаетпространстворядомс испарителем. Вэтомметодеохлаждениядлясжатияхладагентаиспользуетсякомп-рессор,чтовызываетвибрациюи шум. Чтобыизбежатьих,используютсяхолодильники,в которыхтеплопере-даётсябезмеханическогодвиженияблагодаряохлаждениюс помощьюэлементаПельтье.ЗдесьиспользуетсяэффектПельтье– термоэлектрическоеявление пе-реносаэнергииприпрохожденииэлектрическоготокав точкесопри-косновенияметаллаи полупроводника.Поглощённоеоднойсторонойтеплопередаётсядругой.
Тепл
офиз
ика
Глава 1. Жизнь и физика 27
Термодинамический цикл холодильника
Движение тепла, обеспеченное элементом Пельтье
1
2
Расширительный клапан или капиллярная трубка
Давление среды понижается
Испаритель
Поглощение тепла
Конденсатор Выделение тепла
Выделение тепла
Выделение тепла
Движение среды
Движение среды
Компрессор
Давление среды повышается
Сейчас в качестве хладагента чаще всего используют изобутан. Ранее это был фреон, но он вредил озоновому слою, поэтому сейчас его применение ограничено
Металлическая пластина
Полупроводник n-типа
Полупроводник р-типа
Элек
трич
ески
й то
к
Поглощение тепла
Поглощение тепла
Источник постоянного тока Плюс Минус
В элементе Пельтье, как и в диоде, используются полупроводники с разным типом проводимости. Если через них пропустить ток,то один из них сильно нагревается, а другой охлаждается. Величина вырабатываемого тепла и холода зависит от величины пропускаемого тока. Если изменить направление тока, то и стороны нагрева и охлаждения так же поменяются местами
Что такое эффект Пельтье?
Эффект Пельтье был открыт в XIX веке французским учёным Жаном Шарлем Пельтье. Сначала элемент Пельтье не имел практического применения, но с изобретением полупроводников он стал применяться не только в специальных охлаждающих устройствах, но и для охлаждения больших пространств, например винных погребов
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
28
Почему копировальный аппарат может делать копии?Применение статического электричества
Когдавоздухсухой,приснятииодеждыможетраздатьсяпотрескиваю-щийзвук.Этоработастатическогоэлектричества.В случаес одеждойономожетбытьнеприятным,ноононеобходимодляработыкопировальныхаппа-ратови принтеров. Сначала давайте разберёмся, как копировальный аппарат считываеттекст.Бумагавыглядитбелой,потомучтохорошоотражаетсвет.И наоборот,написаннаяручкойбуквавыглядитчёрной,потомучтотачасть,гдена-писанабуква,почтинеотражаетсвета.В копировальномаппаратетекстяркоосвещаетсяи затемраспознаётсяблагодарясилеилислабостиот-ражениясвета;таконпонимает,гденаходятсябуквыи какойонитол-щины. Теперьпоговоримо том,каксчитаннаяинформацияпередаётсянадру-гойлистбумаги. Материалы,плохопроводящиеэлектрическийток,напримерпластик,называютизоляционными,а металлыи другиематериалы,хорошопро-водящиеток,–проводниками. Изоляционныематериалымогутнакапливатьнаповерхностиэлектри-ческие заряды, вызывающие статическое электричество, а проводни-ки –нет.Поэтомуеслипотеретьо волосыпластиковуюподкладку,товолосывстанутдыбом,а еслиметаллическуюпластину,тонет. Восновеработыкопировальногоаппараталежитфоторецептор.В обыч-номсостоянииэтоизоляционныйматериал,нокогдананегопопадаетсвет,онстановитсяпроводником. Всовершеннотёмнойкомнатенаповерхностифоторецепторанакап-ливаетсяэлектрическийзаряд,такчтожебудет,еслинаправитьнанегооченьяркийсвет? Течасти,кудапопалсвет,становятсяпроводниками,и электрическийзарядуйдёт,а в частях,оставшихсятёмными,останется.Наэтомэтаперазбрызгиваетсятонер (мелкийчёрныйпорошок, главнымобразомсостоящий из углерода), который благодаря электростатическомуиндукционномутокупереноситсянатеместа,гдеестьэлектриче-
Элек
тром
агне
тизм
Глава 1. Жизнь и физика 29
скийзаряд.Затемк фоторецепторуприжимаютлистбумаги,и тонерокрашиваетчёрнымтолькотечасти,куданепопадалсвет.Наделев копировальныхаппаратахи принтерахпроисходитпроцесс,называемыйкорональнымвыбросом.С помощьювольфрамовойпро-волокинаповерхностифоторецептораравномернораспределяетсяот-рицательныйэлектрическийзаряд.Затемнафоторецептор,считавшийоригинальныйтекст,наноситсято-нер,текстстановитсязеркальноотражённым,и нанегонаправляетсясильный свет. Копирование завершается нагреванием бумаги, чтобызакрепитьтонернаней.Послеочисткифоторецепторапроцессповто-ряется.Лазерные принтеры и светодиодные принтеры в основном устроеныточнотакже.Разницав том,чтотекстпечатаютнес бумаги,а изпамятикомпьютера,точноегорегулируютлазернымилучамиилисветодиода-ми,направленныминафоторецептор,а затемпечатаютнабумаге.
Краткая схема процедуры сканирования
Текст Направление сканирования
Считывающее устройство
Считывание символов текста
Отзеркалив считанную информацию, копировальный аппарат передаёт её в экспонирующее устройство Фоторецептор
Экспонирующее устройство
Нагревание фиксирует тонер
В фоторецепторе равномерно
распределено статическое
электричество
Свет падает туда, где нет символов
Разбрызгивается тонер
Тонер переносит текст на прижатый
лист бумаги для копирования
Лист бумаги с копией
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
30
Как устроен аэрохоккей?Ослабление трения из-за давления воздуха
Шайба имеет небольшие ровные бортики, а посередине есть небольшое углубление
Компрессор
Поверхность стола
Выдув воздуха
Атмосферное давление P0
Отверстие
Давление P1 (> P0)
Давление P1 (> P0)
Давление P1 (> P0)
Воздушный карман
Воздушный карман
Воздушный карман
Воздух
Крышка
Атмосферное давление P0
Скорость течения
воздуха v
Р1
Толщ
ина
пове
рхно
сти
L
Давление постепенно понижается (балансирование давления)
A – поперечное сечение отверстия; L – длина отверстия; η – коэффициент вязкости воздуха
Скорость течения воздуха
v =A(P1 – P0)
ηL
Атмосферное давление P0
Направленная вверх сила, вызванная разницей давления между верхом и низом шайбы
Шайба Сила тяжести
Тонкий слой воздуха Тонкий слой воздуха (давление ~ P(давление ~ P11) )
Течение воздуха, выходящего через отверстия
Отверстие Из-за разницы давления между верхом и низом шайба как бы находится на воздушной подушке, давление в которой примерно равно P1, поэтому она почти парит над поверхностью стола
Если выходное отверствие закрыть крышкой, это станет помехой движению воздуха, и давление постепенно станет таким же, как в воздушном кармане
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
32
Как работают карандаш и ластик и стираемая шариковая ручка?Сродство и теплота трения
Хотьмногиеи говорят,чтомыужевступилив цифровойвек,когдавсяинформациябудетв компьютерах,покавсёженевозможносебепред-ставитьжизньбезбумагии карандаша. Вкачествепрототипадлястержнякарандашавыступилобнаруженныйв XVIвекев Англииграфит –чёрноевещество.Онимеетследующеестроение:несколькослоёватомовуглеродав видешестиугольныхсот,сложенныхдругнадруга. Вместахсоприкосновениясоединениемеждуслоямислабое,поэтомуихлегкоможноразделить –этосвойствоназываетсярасщеплением.Карандашоставляетследыотбуквнабумагеблагодарятому,чтографитцепляетсязарастительныеволокнабумагии легкообнихстирается. Когдапишетекарандашом,ластикпростонезаменим.В XVIIIвекеанг-личанинДжозефПристлислучайностёрнаписанноекарандашомнабу-магекускомрезины:тобылпервыйластик,и завсёэтовремяонсталтаким,какиммыпользуемсясейчас. Материал,изкоторогоделаютластики,имеетвысокуюстепеньсрод-ствак графиту,поэтомуонещёлучше,чембумага,цепляетегонасебя.Это свойствоиллюстрируети следующийпример: еслик написаннойкарандашомбуквеприжатьластик,тобукваотпечатаетсянанём. Ластикработаеттакимобразом,чтоеслипотеретьимповерхностьбу-маги,токажется,какбудтопоказываетсяновыйслойповерхности.Еслипродолжатьтеретьластикомграфит,сцепившийсяс волокнамибумаги,тобудутпоявлятьсявсёновыеслои.Такимобразомвозможностеретьнаписанноекарандашом. Впоследнеевремяпопулярныстановятсяи шариковыеручки,напи-санноекоторымиможностирать:ластикидлянихделаютизкамеди. Если чернила в такой ручке нагретьдо 65 °C, то они обесцветятсяи останутсятакимидажепослеохлаждения(этосвойствоназывает-сябесцветность).Поэтомувсё,написанноетакойручкой,подвоздей-ствиемтеплотытрениякамедио бумагуисчезает. Чтоинтересноприработес подобнымичернилами –исчезнувшиеподвоздействиемтепласимволыпослеохлаждениябумагидо–20°Cсновапроявятся(этосвойствоназываетсявозвращениецвета).В морозил-
Мех
аник
аТе
плоф
изик
а
Глава 1. Жизнь и физика 33
кедомашнегохолодильника(примерно–18°C)этопроверитьтрудно,ноеслииспользоватьсухойлёдилижидкийазот,тов этомможноубе-диться.Стержнив современныхкарандашахделаютизсмесиграфитаи глины,запечённойпритемпературепримернов 1000°C,а затемпропитываютмаслом.Длястержнеймеханическихкарандашейвместоглиныисполь-зуетсяполимернаясмола. Слойграфитатолщинойв одинатомназываетсяграфен,и заегооткры-тиеАндреюГеймуи КонстантинуНовосёловув 2010годубылаприсуж-денаНобелевскаяпремияпофизике.Посколькуграфенимееттолщинувсегов одинатом,онобладаетвысокойпрозрачностьюи легкопрово-дитэлектричество.Используяэтисвойства,учёныеактивноисследуютспособы его практического применения, например в качестве мате-риаладляизготовленияэлектродовмониторов.
Кристаллическое строение графита 1
Атом углерода
6,71 нм
3,35 нм
1,42 нм нм – нанометр
34 Глава 1. Жизнь и физика
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
Разница в стирании карандаша и чернил стираемой шариковой ручки
Особенности чернил в стираемой шариковой ручке
2
3
Ластик
Бумага
Бумага
Ластик стирает символы, отрывая атомы графита от бумаги
Пластик для стирания
В стираемой шариковой ручке при трении ластика о бумагу чернила нагреваются до 65 °C и более
и становятся невидимыми
Температура
Бесцветность
А
А
Примерно 65 °C
Комнатная температура
0 °C
Примерно –20 °CВозвращение цвета
Примечание: фрикционный шарик – торговый знак компании PILOT
Мех
аник
аТе
плоф
изик
а
Глава 1. Жизнь и физика
ЭлектромагнетизмКвантовая механика
Волновая физикаГефизика
ГидродинамикаОптика
Теплофизика
35М
еханика
В чём секрет каменных мостов в виде арок, которые не ломаются и за тысячу лет?Закон действия и противодействия
Издревлелюдиначалистроитьсооруженияв формеарок,напримерак-ведуки,которыевозводилив ДревнемРиме. Кажется, что в серединетакого каменного сооружения аркуничтонеподдерживает.Давайтеразберёмся,почемужетакиемостымогутсто-ятьболее1000лети необрушиваться.Накамни,изкоторыхпостроенарочныймост,действуетсилатяжести,пропорциональнаямассекамняи направленнаявертикальновниз. Еслиподнятькаменьв воздух,а затемразжатьруку,тоонупадёт,од-нако если его положить натвёрдую ровнуюповерхность, то он будетлежатьнеподвижно.Этопроисходитпотому,что,какпоказанонасхе-ме 2,помимодействиясилытяжести,направленнойвниз,накамень,положенныйнаповерхность,действуеттакжеи нормальнаяреакцияопоры,и этидвесилыуравновешиваютдругдруга.Чтобыподдерживатькамнив центреарки,нужнасила,соответствую-щаяпротиводействиюповерхности. Секрет арочных мостов – в форме камней. Если присмотреться, онив разрезепредставляютсобойнеквадраты,а трапеции. Насхеме3видно,чтоближек центрумостав видеаркикамниувеличи-ваются.КаменьAдавитнакамниBи Cпобокамотнего,этодействие –сила,направленнаявниз.В результатекаменьAполучаетоткамнейBи Cпротиводействие –силу,направленнуювверх.Еслисравнитьдей-ствиеи противодействие,то окажется, что сила, направленная вверх,находитсяв балансес действиемсилытяжестикамняA.Другимислова-ми,камнив арочноммостедавятнасоседние,и в результатепро-тиводействиеподдерживаетихсобственныйвес.Посколькукамнидавятдругнадругасильнее,чемнанихдействуетсилатяжести,и этасиласжатияоченьвелика,тоеслинеошибитьсяс подборомкамней,топроблемнебудет.
36Эл
ектр
омаг
нети
змКв
анто
вая
меха
ника
Волн
овая
физ
ика
Гефи
зика
Гидр
один
амик
аОп
тика
Мех
аник
аТе
плоф
изик
а
Однаковесвсегомостаподдерживаетповерхностьс обеихсторонарки,поэтомуеслинеобеспечитьв этойчастинадёжнуюоснову,томостраз-рушится.Создаётся деревянная опора, на неё аккуратно укладываются камни,послечегодеревяннуюосновуубирают.Есликамнисложеныплохо,тоонираспадаютсясразужепослетого,какубираютдеревяннуюоснову. Аркипришлик намсквозьвека,и ихустройствунаходитсяприменениедаже сейчас.Например,для стенокдамб и тоннелей, где необходимабольшаякомпрессионнаясила.
Арочный мост
Когда центральный камень положили на поверхность
1
2
Камень AКамень В Камень С
Сила тяжести, действующая на камень A
Камень A
Нормальная реакция опоры N
Сила тяжести и нормальная реакция опоры находятся в балансе (F = –N), поэтому камень не утопает в поверхности
Нормальная реакция опоры – это сила, отталкивающая камень от поверхности (противодействие)
m – масса камня g – ускорение свободного падения
Поверхность Сила тяжести F = mg
Сила тяжести, действуя на камень, вдавливает его в поверхность (действие)
Мех
аник
а
Глава 1. Жизнь и физика 37
Три камня в центре арки
Закон действия и противодействия
Ферменная конструкция
3
4
5
Камень A
Камень A
Камень B
Камень C
Камень В
FB
FB
FC
FC
Камень ССилу тяжести F, действующую на камень A, можно разложить на силу FB, с которой камень A давит на камень B перпендикулярно к его поверхности, и силу FС, с которой камень A давит на камень C перпендикулярно к его поверхностиCила тяжести F, действующая на камень A
Сила противодействия силе тяжести F; пребывает в равновесии с силой тяжести,
действующей на камень A, равна –F
Сила противодействия силе FC , равна –FC
Сила противодействия силе FC , равна –FC
Камень A получает противодействие от камня B (–FB) и от камня C (–FC)
Cила тяжести F, действующая на камень A
Cила F, с которой палец давит на объект (действие)
Cила F , с которой объект давит на палец (противодействие)
Палец Палец
F FF
Объект Объект
Силы действия и противодействия равны, но направлены противоположно
В настоящее время благодаря появлению материалов, устойчивых к сжатию и натяжению, отпала насущная необходимость в арочных конструкциях. На рисунке изображена ферменная конструкция, часто используемая для железнодорожных и других мостов
Кван
това
я ме
хани
каГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Мех
аник
аТе
плоф
изик
а
38Во
лнов
ая ф
изик
аЭл
ектр
омаг
нети
змОп
тика
Как устроен пульт удалённого управления, которым можно переключать каналы, а как – автоматическая дверь?Использование инфракрасных лучей
В последнее время почти во всех электронных приборах используютпультыдистанционного управления. В большинстветакихпультовинфракрасныелучипередаютсигналыв светоприёмноеустройство прибора. Длинаволныинфракрасныхлучей –несколькодесятковмикрометров,поэтомуувидетьихневооружённымглазомневозможно.Однакоесливзять,например,цифровуюкамеруи навестиеёнапульт,тов объективепринажатиинакнопкупультаможноувидетьмерцаниетам,гдепро-ходитсигнал.Используемыев камерахПЗС-матрицыи светочувстви-тельныематрицыпозволяютпойматьи изобразитьтот свет,которыйневозможноразличитьчеловеческимвзглядом.Итак,какойжесигналпередаётсяизпульта? Еслисигнал,отправленныйс пультадистанционногоуправления,по-смотретьнаэкранеосциллографасо встроенныминфракраснымдатчиком,сопротивлениекоторогоизменяется,когдананеговоз-действуютинфракрасныелучи,становитсяпонятно,чтоприна-жатиикнопокВКЛи ВЫКЛгенерируютсясигналыразнойдлины,скоростькоторыхсоставляетпримерноот0,5до1,2мм/с.Цифровыесигналы,передаваемыеинфракраснымпультом,немногоотличаютсяпринажатииразныхкнопок. Светоприёмное устройство анализирует разницу в периодичностиморганиясвета,определяет,какаякнопкабыланажата,и переключаетканал. Кстати,еслинажиматьнакнопкипульта,направиввыпускающуюсветегочастьк стене,токаналывсёравнопереключатся.Этопроисходитпотому,чтоинфракрасныелучиотражаютсяотстеныи достигаютсветоприёмногоустройствателевизора. Инфракрасные лучи используются также в автоматических дверяхи кранах в раковинах – в них установленыдатчики, реагирующиенаприближениелюдей(датчикидвижения).
Глава 1. Жизнь и физика 39
Инфракрасный сигнал, передаваемый из пульта
Как инфракрасные сигналы преобразуются в 0 и 1
1
2
Сигнал Сигнал Сигнал
СигналПауза Пауза Пауза
Светящаяся часть Когда нажимаешь кнопку на пульте, от передатчика сигнал передаётся несколько раз с небольшими интервалами. Поэтому, если взять цифровую камеру и навести её на пульт, в объективе можно увидеть, как передатчик сигнала на пульте мигает
Ниже показан передатчик сигналов в тот момент, когда нажимают на кнопки разных каналов
1-й канал
2-й канал
6-й канал
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 00 1
1
1
Команда из 7 бит включения 1-го канала
0, в двоичной системе 0000000
1, в двоичной системе 0000001
5, в двоичной системе 0000101
~0,5 мс ~0,5 мс ~1,2 мс
Здесь представлен пример того, как передаваемые инфракрасные сигналы преобразуются в 0 и 1 при нажатии на кнопки переключения каналов телевизора
Пример разницы между 0 и 1 в инфракрасных сигналах (небольшое опережение)
Cила тяжести F, действующая на камень A
Cила тяжести F, действующая на камень A
Камень В
40 Глава 1. Жизнь и физика
Элек
тром
агне
тизм
Кван
това
я ме
хани
каВо
лнов
ая ф
изик
аГе
физи
каГи
дрод
инам
ика
Опти
каМ
ехан
ика
Тепл
офиз
ика
Датчикидвижениямогутбытьв пассивноми активномрежимах. Впассивномрежимеиспользуетсяпринцип,согласнокоторомуповерх-ностьтелачеловекаиспускаетинфракрасныелучи.Онизамечаютиз-менениеколичестваинфракрасныхлучей,достигающихдатчикови на-правленныхизопределённыхмест,и такопределяютблизостьчеловека. Вактивномрежимедатчикинаблюдаютзаперехватчикомотраженийи инфракраснымилучами,направленнымив определённыеместа.Онимогут заметить приближение и холодного объекта, не испускающеготакмногоинфракрасныхлучей.
Когда инфракрасные лучи действуют прямо на приёмник и когда через отражение
Пример использования датчика движений (пассивный режим)
3 4
Телевизор Светоприёмное устройство
Стен
а
Пульт
Пульт
Поскольку инфракрасные лучи – это электромагнитные волны, они могут также отражаться от стен
Датчик
Кран
Раковина
Инфракрасные лучи
Рука
Датчик воспринимает инфракрасные лучи, исходящие от человеческой руки