uzumeti

uzumeti

Автор проекта "Инженерные знания" ДЗЕН - https://zen.yandex.ru/inznan Телега - https://t.me/inznan Буду рад поддержке и подпискам)
Пикабушник
поставил 0 плюсов и 0 минусов
Награды:
5 лет на Пикабу
785 рейтинг 32 подписчика 14 комментариев 22 поста 7 в горячем
34

Учимся оценивать долговечность механизма на примере... ботинок

Среди комментариев под материалами на моем канале "Инженерные знания" однажды прозвучала тема, которая кажется сначала шуточной. Однако, именно такие задачи приходится решать инженерам-материаловедам на практике.


Вопрос звучал так: от чего зависит долговечность подошвы обуви? Что же, давайте анализировать, как следует решать такую задачу.

Учимся оценивать долговечность механизма на примере... ботинок Наука и техника, Наука, Материаловедение, Познавательно, Физика, Длиннопост

Шутки-шутками, а полноценный ответ на этот вопрос может стать дипломом бакалавра по материаловедению :)...


Сначала я подумал, что большей части читателей такая информация может и не пригодиться. Потом решил, что это прекрасный способ научиться основам проработки инженерной задачи на очень простом примере.


Я надеюсь, что большая часть читателей носит ботинки и примерно понимает, как ботинки выходят из строя.


Это называется износ. Подобно ботинкам изнашиваются и, например, автомобильные покрышки. Про виды износа я писал в этой заметке. Полезно взять её как памятку. Для того, чтобы правильно оценить происходящие процессы, нужно досконально изучить физику взаимодействия изделия с другими предметами и окружающей средой. Понимание всех происходящих процессов должно быть не просто 100%, а даже 200%.


Интересная сопутствующая проблема


Тут всплывает и ещё один интересный момент. Вы, скорее всего, замечали, что информация о товарах всегда предоставляется в странном малоинформативном виде.


Пока не проработаешь спецификацию (если таковая доступна), то знания о, например, материале изготовления ножа кончаются на крутой фразе "нержавеющая сталь" и это ещё усиливается эпитетами. Например, настоящая английская нержавеющая сталь высшего сорта.

Учимся оценивать долговечность механизма на примере... ботинок Наука и техника, Наука, Материаловедение, Познавательно, Физика, Длиннопост

Инженер тут только улыбнется, но инженеров сейчас почти и не осталось. Допустим, я знаю много про материалы. Но не знаю о каких-то других аспектах жизни. Поэтому, и в составе йогурта можно написать, что там содержится экстракт живых фруктов, эквивалентный настоящим. Поэтому, при аналитике тут нужен серьезный комплексный подход.


Вот в случае нержавейки для ножа должна была бы быть указана марка стали. Она наверняка есть где-то в спецификации, если это не совсем-таки китайщина. По марке уже можно найти конкретные механические свойства испытуемого образца и сравнить этот нож, например, с керамическим.


Тут уместен и другой прикольный пример. Когда в 90-е годы активно начали продавать электронику самых разных видов, то можно было увидеть на маленьком китайском приемнике что-то типа "2000 Вт мощность"! Ну всё отлично, только это PMPO (Peak Music Power Output). Мощность, которую динамик выдерживает 1 - 2 секунды без физического его повреждения.


Основы инженерной аналитики


Итак, вернемся к примеру с подошвой. Тут нужно просто очень тщательно думать. Представлять условия работы и анализировать влияющие факторы. Давайте посмотрим, как это делается в очень упрощенном виде.

Учимся оценивать долговечность механизма на примере... ботинок Наука и техника, Наука, Материаловедение, Познавательно, Физика, Длиннопост

У нас есть подошва ботинка. Что может повлиять на её долговечность?


- Материал, из которого она изготовлена

- Качество материала

- Технология, которая используется для изготовления

- Конструкция изделия

- Температура окружающего воздуха, при котором происходит носка

- Условия среды и погодные условия (сухо или дождик, или даже снег)

- Агрессивные факторы (типа химических)

- Параметры человека, который носит эту обувь

- Манера хождения

- Специфика эксплуатации и её особые условия

- Непосредственное время эксплуатации


Видите сколько факторов обозначены? И это ещё не все. Ведь я тоже сейчас не занимался проработкой вопроса по полной программе. Мы выбрали только наиболее очевидные моменты, но и они обычно пользователями не учитываются. Обратите внимание, что в рекламном буклете вы скорее всего увидите что-то типа "Износостойкий ЭВА". Поищите в поиске "марки ЭВА" и удивитесь. Их там около 50 штук в таблице.


Ещё очень важно запомнить, что надежность определяется самой ненадежной частью конструкции или механизма.


Теперь пробежимся по каждому пункту.


Материал, из которого изготовлено изделие


Тут фантазировать не нужно :) Материал на все 100% определяет долговечность изделия, поскольку у каждого материала свои механические свойства. Если сделать ботинки из дерева или из железа они будут иметь разные свойства и по-разному будут воспринимать нагрузку. Разной будет и способность к истиранию. Именно поэтому так важно знать конкретный материал, примененный для изготовления. По марке материала можно найти табличку с механическими свойствами и сравнивать их.


Важно понимать, что и сравнение нужно делать правильно. Это мы уже в рамках одной статьи не опишем, поэтому оставайтесь на канале и познавайте инженерные знания.


Например, нам нужно сравнить свойства материала А и свойства материала Б. У материала А твёрдость 90 HRC, а у материала Б - твёрдость 110 HRC. Что лучше для обуви? Спорно. Нужны результаты механических испытаний. Твёрдый материал будет меньше изнашиваться от трения, но будет трескаться от ударов и при эксплуатации. Всегда важен баланс.


Качество материала


Следующий пункт у нас обозначен как качество исходного сырья. Это тоже логично. Ведь одинаковый материал можно сделать по-разному. Представьте, что в компаунд для изготовления листа случайно просыпали шарики для подшипника и начали их доставать. Произошло загрязнение. Хотя и тот и другой материалы имеют одну марку, качество получится разное. Загрязнение приведет к неминуемой деградации свойств.


Технология, которая используется при изготовлении


Из одного и того же материала можно сделать изделие разными способами. Если выбрана неправильная технология, то не стоит ожидать, что изделие окажется надежным. Простой пример - обычная сталь. Можно использовать при изготовлении методики обработки металлов давлением, а можно фрезеровку. Можно сделать и отливку. Внешне изделие будет выглядеть одинаково, но свойства будут сильно различаться. Такая же история и с полимерными материалами.


Конструкция изделия


Обувь должна быть правильно сконструирована. И не только обувь. Часто перед инженером стоит сложная задача - с одной стороны пинают маркетологи и хотят, чтобы ты за одну копейку сделал изделие, способное прослужить 5 лет. С другой стороны есть правила конструирования, которые лучше бы не нарушать. В итоге очень косвенно при оценке долговечности можно смотреть на обозначенный срок службы. Но это не всегда совпадает с реальностью.


В итоге всё очень просто. Какой материал не выбирай и какую технологию изготовления не используй, если в обуви используются знакомые всем "квадратики", то такая подошва будет служить меньше, чем цельная. Но тут рано плеваться в инженеров. Нужно видеть ТЗ. Ведь "квадратики" могут появиться не только из-за экономии, но и из-за попытки сделать ботинок более лёгким.


Условия эксплуатации


Под этим заголовком объединим сразу все оставшиеся факторы, которые повлияют на долговечность. Таких факторов у реального изделия очень много.


На ботинки, например, повлияет температура окружающего воздуха, при котором происходит носка. Зимние ботинки летом в жару будут изнашиваться гораздо интенсивнее, чем в предназначенное для их носик время года. Погодные условия окажутся сопутствующим фактором. Скажем, по сухому асфальту ботинки будут стираться быстрее, нежели по мокрому.


Повлияют и агрессивные окружающие факторы. К ним, например, можно отнести постоянное воздействие реагентов, которые вызовут интенсивное старение полимера.

Очевидно, что если в ботинках с одинаковой конструкцией ходит верзила 150 кг или парень 80 кг, то интенсивность изнашивания будет разной. Тяжелый мужичок сильнее воздействует на подошву. Значит, следует оценивать и параметры человека, который носит эту обувь. Сюда ещё относится и манера хождения. Некоторые любят шмурыгать подошвами, а кто-то трёт пяткой. Ну а у кого-то не дай бог какие-то проблемы с хождением и человек с трудом поднимает ногу. Нога больше трёт и изнашивает ботинок сильнее.


Отнесем сюда и специфику эксплуатации и её особые условия. Речь о том, что можно сидеть в кроссовках в офисе, а можно бегать треки. А ещё можно ходить по битому стеклу. Когда ботинок износится сильнее?


Есть и такой интересный фактор, как непосредственное время эксплуатации. Некоторые материалы обладают интересными нелинейными свойствами. Скажем, подошва будет нагреваться и становиться более эластичной. Если она будет за некоторое время выходить на режим, то более длительная носка "в режиме" будет меньше изнашивать ботинок, чем короткие многочисленные нагрузки. Я не уверен, что такой параметр есть у подошвы обуви, но у некоторых механизмов такое присутствует.


Не забывайте подписываться на мой канал в телеге, где есть ещё много всего интересного по "технарской" теме.

Показать полностью 3
6

Рогарифмы: где применить логарифм в жизни?

В школе мы проходим много разных функций, а как они используются на практике мало кто запоминает, да и редко этому (самому важному!) вопросу на уроках уделяется должное внимание.

Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Что же, пожалуй мы сделаем целую серию статей по этому вопросу и будем периодически рассказывать о разных функциях, которые вам наверняка знакомы, но смысл их мало понятен. Это также полезно знать, как и разбираться, например, в способе проверки решения задачек размерностью. Тут я расписывал смысл этой методики, которая кажется мутной на первый взгляд.


Начнем с рогарифмов. Почему рогарифмы? Просто когда нам в школе о них впервые рассказывали, то ли преподаватель плохо букву выговаривал, то ли троллил нас, но весь класс на первом занятии записал именно "рогарифмы". Ну а мы-то конечно поговорим сейчас именно о логарифмах.


Что такое логарифм?


Википедия даёт такое определение:


Логарифм числа определяется как показатель степени, в которую надо возвести основание, чтобы получить число.

В общем-то, всё звучит очень просто. В какую степень возвести число, чтобы получить основание?


Все сложные математические действия и преобразования нас сейчас мало интересуют. Ведь мы ищем физический смысл этого понятия. Ну а в физике и в реальной жизни это не просто логарифм, а целая логарифмическая функция. Она мало отличается от приведенного примера, просто перед ним добавляют "ыгрик" = логарифм такой-то.


Эта функция описывает своеобразный график. Графиком функции является удобное изображение последовательности точек, которое показывает поведение функции при возрастании изменяемого параметра. Традиционно в функции есть "Ыкс" и "Ыгрик". Каждому икс будет соответствовать некоторое значение игрек. Когда обозначается последовательность таких точек и соединяется линией, выходит график и отображение зависимости. В случае логарифмической функции график такой:

Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Как применить логарифм в жизни


Известно, что каждый процесс в природе, как это ни странно, подчиняется некоторой закономерности. Закономерность и есть основа появления графика. График - это изображение закономерности. Самый простой вариант - линейная зависимость. Сюда подходят понятные и простые процессы.


Скажем, человек идёт с постоянной скоростью и нам надо графически изобразить, как он удаляется от дома с течением времени. Всё просто и линейно. За час он прошел 5 км. За два часа - 10 км и так далее. Рисуем прямую и всё. Таким образом можно хотя бы косвенно предположить, что график и дальше останется прямой и изменения будут линейными. Но это излишнее упрощение. В данном случае, человек устанет и пойдет со скоростью 3 км/ч.

Есть более сложные процессы, типа распространения волны. Там поиск той же координаты упирается в функцию синус и отображается синусоидой.


А что тогда показывает логарифм?


Удивительно, но такие процессы тоже есть!


Логарифмическая функция есть во всех областях человеческого знания. Даже в химии или биологии, а не только в физике. Логарифмические зависимости используются, например, если хочется узнать сколько сможет прожить кузов вашего автомобиля до полного ржавления.


Поэтому, перечислить абсолютно все примеры использования логарифма в физике и технике будет проблематично. Мы перечислим несколько примеров, а вы между тем запомните, что логарифм - это никакое не волшебное слово. Это просто очередная закономерность, под которую прекрасно подходят некоторые процессы в природе. И если координата точки при волновом процессе описывается синусоидой, то, например, интенсивность звука описывается логарифмической функцией. Кстати говоря, изучать различные эффекты по картинкам довольно просто и даже занятно. Я собираю коллекцию таких полезных картинок на отдельном телеграмм канале и приглашаю вас их посмотреть.


Конкретные примеры использования


Ну а теперь рассмотрим несколько конкретных примеров использования. Примечательно, что в физике логарифмическая функции применяется очень широко, но как правило не как самостоятельное описание процесса, а как часть, которая входит в состав сложных уравнений, описывающих физический процесс.


В физике оно часто обретает название экспонента. Не стоит его бояться :) Ведь это просто тоже самое, но с основанием е = 2,7.


Интенсивность звука в физике


Интенсивность звука или сила звука - это физическая величина, характеризующая мощность, переносимую звуковой волной в направлении распространения.

Согласитесь, показатель очень важный. Например, для того, чтобы организовать хорошую звукоизоляцию, нужно уметь посчитать сколько именно энергии принесет звуковая волна и насколько мощная нужна стенка.


Для сравнения уровней интенсивности используется логарифмическая шкала. Почему логарифмическая? Потому что параметр зависит ещё и от частоты, а линейной закономерности тут нет. Изучите график и поймёте, в чем смысл. Разные частоты ведут себя по-разному и это не линейно. Так определяют, например, коэффициент звукоизоляции стен.

Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Распад радиоактивного вещества


Число нераспавшихся ядер с течением времени описывается экспонентой.

По факту получается, что именно логарифмическая функция тут подошла под описание процесса радиоактивного распада. Всё логично - прошло больше времени и большее количество ядер распалось. Чем дольше ждем, тем больше ядер разваливается. Ну а для каждого вещества такая картинка будет своя. Вот только закономерность этого процесса примерно схожая.

Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Барометрическая формула


Наш друг Больцман постарался и вывел закономерность, по которой можно увидеть, как с высотой подъема над поверхностью земли убывает давление газа. Все ведь помнят, что в горах давление ниже, чем на равнине? Потому и вода кипит при более низких температурах и обделаться от плохо обработанной воды неправильно обработать питьевую воду можно не зная этой особенности.


Барометрическая формула показывает, что с высотой давление спадает согласно логарифмической функции и тем быстрее, чем больше молярная масса газа или низкая температура.
Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Формула Циолковского


Чем больше конечная масса ракеты, тем больше должна быть и стартовая, а чем больше скорость истечения газов, тем больше может быть конечная масса ракеты.

Это закономерность, которая называется формулой Циолковского. Она описывает скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя в условии отсутствия всех других сил. Это один из значимых законов, которые важны для космической отрасли и, представьте себе, там логарифмическая функция.

Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Звёздная величина


Звёздная величина или блеск звёзд - это безразмерная числовая характеристика яркости объекта.

Этот показатель довольно широко применяется в астрономии и позволяет описать яркость объекта в сравнении друг с другом.

Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Логарифмическая спираль


Было бы странным не упомянуть тут так называемую логарифмическую спираль. Теперь сделаем пакость и построим логарифмическую функцию в полярных координатах. Полярные координаты - это такие, где каждая точка описывается полярным углом и полярным радиусом. Говоря ещё более понятным языком - это круг, где есть величина, отложенная по оси, и угол поворота.


Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Так вот если туда запустить логарифм, получим нечто такое:

Рогарифмы: где применить логарифм в жизни? Физика, Научпоп, Наука, Познавательно, Логарифм, Длиннопост

Такое расширение спирали логично. Ведь мы идём по лестнице не по одной ступеньке, а аж по степенной функции. Показатель степени изменяется на единичку, а значение прыгает в д-цать раз.


В общем-то, нам опять интересно тут другое. Подобным образом по какой-то только природе понятной логике растут, например, рога у барашка или формируются морские раковины. Само собой, в физике многих процессов присутствует логарифмическая спираль.


Ну а с вами был проект Инженерные знания. Мы делаем науку интересной :)


Показать полностью 9
112

Почему у старых телефонов антенна есть, а у новых нет?

Может быть кто-то помнит ещё старые сотовые телефоны, где перед началом разговора следовало вытащить антеннку и открыть крышечку. Современные телефоны и даже смартфоны не требуют такого действия и могут использоваться в том виде, в котором и переносятся. Разумный вопрос - а почему там антенна была, а тут антенны нет?

Почему у старых телефонов антенна есть, а у новых нет? Физика, Наука, Исследования, Научпоп, Познавательно, Радиоэлектроника, НаукаPRO, Длиннопост

Начнем издалека. Во-первых, в современных смартфонах без антенны она всё-таки есть. Но спрятана она в корпусе устройства. Если раздраконить тот же Аяйфон, то внутри вы обнаружите антенну. Только выглядит она весьма необычно. Во-вторых, современный смартфон или современный мобильный телефон (будем объединять всё это словом смартфон) работают в другом диапазоне. Но как другой диапазон может повлиять на размер антенны? Да очень просто.


От чего зависит длина антенны


Есть у радиолюбителей такое правило.


Длина антенны должна соответствовать длине принимаемой ею волны.

Слово "соответствовать" не означает, что равна. Между тем есть второй аргумент - антенны много не бывает. Последнее не совсем корректно. В результате анализа было выявлено, что правильная антенна должна составлять четверть от длины волны. Что же, проанализируем длины волны, с которыми работают современные смартфоны и устаревшие. Тут стоит напомнить, что сотовый телефон - это в общем понимании обычная рация. Об этом подробно и доступно я рассказывал тут.


Для GSM 1800 длина волны составляет 0,16 метра. Для сетей типа LTE, которые используют современные смартфоны это что-то около 0,1 метра. Ну а для устаревшего CDMA - это 0,35 метра.

Применим описываемую формулу и выясним, что для современного смартфона достаточно антенны, длиной 2,5 см. Для сотового телефона GSM 900/1800 хватит антенны размером 4 см.


Зато вот для стандарта CDMA и ранних сотовых телефонов антенна нужна уже 8-10 см.

Теперь сопоставим размер аппарата с рассчитанным размером антенны и увидим, что антенну 2,5 см спрятать в корпусе не проблема, зато вот 11 см антенны в корпус не поместится.

И тут варианта два - или оставлять торчащую антенну, как на ранних GSM аппаратах, или делать её выдвижной, как было у радиоприемников. Именно поэтому у старых телефонов есть торчащие антенны, а у современных нет.

Почему у старых телефонов антенна есть, а у новых нет? Физика, Наука, Исследования, Научпоп, Познавательно, Радиоэлектроника, НаукаPRO, Длиннопост

И тут появляется разумный резонный вопрос: А как же тогда современные смартфоны работают в старых форматах. Ведь любое устройство LTE умеет кушать и GSM.


Но нужно отметить два момента.


Во-первых, современные антенны - это сложные устройства. Это не просто кусок гвоздя с припаянной к нему проводкой, а целая конструкция. Она позволяет добиваться максимальной универсальности.

Почему у старых телефонов антенна есть, а у новых нет? Физика, Наука, Исследования, Научпоп, Познавательно, Радиоэлектроника, НаукаPRO, Длиннопост

Второй важный момент - а современные устройства и работают гораздо хуже с устаревшими стандартами.


Простой тест - возьмите современный смартфон и старый добрый телефон с антеннкой, отъезжайте куда-нибудь подальше, где нет покрытия сети и работает только GSM и сравните, как будет работать смартфон со старой сетью и добрый кнопочный друг. Качество несравнимо. Морально простая. Современные антенны хоть и универсальные, но ориентированы на более современные сети.


Где тут физика?


Такая разница в антеннах объяснима с точки зрения физики. Мы ведь помним, что процесс настройки на нужную волну - это "выхватывание" из электромагнитного поля нужной частоты.


Объяснение не самое красиво, но стараемся максимально упростить.


Антенна приёмника преобразует волны в электрические колебания, из которых в последствии можно отделить звуковую составляющую.

Волна попадает на антенну и генерирует электрический ток. Любой же ток генерирует магнитное поле (правда это уже про передачу). Мы разбирали этот момент более подобно. Самая простая антенна есть палка под напряжением в электромагнитном поле.


Предположим, что антенна - это удочка для отлова нужной волны. Удочка может вместить некоторое количество лески. Если леска имеет длину 1 метр, то удобно расположить её и на метровой удочке.


Примерно также происходит оно и при работе с электромагнитными волнами. Определенная длина антенны позволяет лучшим образом разместить принимаемую волну и распознать сигнал. Ну а лучше всего это получается при размере антенны L=1/4*(длина волны). Такая длина позволяет оптимальным образом расположить нужное "количество длин волн" на антенне и наиболее эффективно работать с сигналом.


Не забывайте подписываться на телегу моего проекта!

Показать полностью 3
8

Про проблемы изучения физики, да и технических наук в целом

Статья посвящена рассуждениям о проблемах в изучении физики и инженерных наук в целом. Поговорим о том, почему многим оно не нравится, нагоняет зеленую тоску и почему часто совсем ничего непонятно. Ну а главное - как это можно исправить? Расскажу пару слов о своем научно-образовательном проекте.


Отметим сразу, что технические и инженерные науки - это и правда такая специфическая область знаний, которая интересна далеко не всем и ну всех так работает сознание. Не всем интересна и научная работа. Но сейчас мы говорим об основах познания и мотивации. Не обязательно быть технарем, чтобы сдать физику успешно. Техническое мышление лишь упрощает восприятия подобной информации. Но если гуманитарий говорит, что не может сдать предмет хотя бы на тройку, то дело не в гуманитарном мышлении :)

Про проблемы изучения физики, да и технических наук в целом Наука, Обучение, Репетитор, Физика, Научпоп, Длиннопост

Наверное те, кто читает тут мои статьи, уже знают, что я работаю над научно-образовательным проектом "Инженерные знания". Я стараюсь так рассказывать про интересные малоизвестные аспекты инженерки, чтобы не было скучно и появлялся огонёк в глазах.


Факт того, что кому-то изучение подобных предметов кажется скучным, всегда очень сильно меня поражал. Сам я заинтересовался наукой ещё когда у меня появился первый горный велосипед. Меня настолько затянуло изучение структуры металла и попытка понять, почему одна алюминиевая рама ломается, а другая нет, что вопросов с выбором направления обучения не было. Кроме того, в форумах, на которых я тогда сидел, некоторые личности пускали слух, что алюминий активно ломается на морозе. Пришлось провести литературные изыскания. По сути дела это первое мое научное исследование :)...Вероятно сказалось, что подобную тягу к познанию заложил мне при воспитании отец, потому что ещё этак классе в 5 я уже чётко понимал, что займусь именно чем-то подобным. Соответственно, я понимаю в какой момент рождается этот живой интерес к познанию и хочу этим интересом поделиться со своими читателями/зрителями.

Про проблемы изучения физики, да и технических наук в целом Наука, Обучение, Репетитор, Физика, Научпоп, Длиннопост

Я довольно долго проработал в науке научным сотрудником, а до этого преподавал на своей кафедре студентам, пока учился в аспирантуре. Параллельно "репетировал" физику. В общем-то, одновременное взаимодействие с наукой и работа со студентами и позволили мне прийти к некоторым интересным выводам.


Первый и основной - никто не хочет учить физику (далее под физикой я буду понимать и прочие технические предметы), потому что это совершенно неинтересно. Но не интересно не потому, что сам предмет скучный. Нет, ни в коем случае! Та же физика - это наука о природе. О какой скучности тут может вообще идти речь. Не интересно потому, что преподавание строится, мягко говоря, странно. Часто спрашиваешь студента, почему он не хочет вникнуть в вопрос. Ответ простой - я не понимаю. Под этим скрывается более глубокая и страшная проблема.


Говорить надо было иначе.


"Я и не пытался понять! Потому что считаю, что это бред, который не принесёт мне никакой пользы в жизни. Чувак в розовых кедах - это круче"


Тут следует отказаться от метода кнута и пряника и концентрироваться именно на научной составляющей. Предмет должен так быть показан человеку, что ему и правда станет интересно. Нужно показать выгодные стороны изучения. К сожалению, ни в школах, ни в институтах эта практика не применяется. Предмет часто преподается как...Тут даже слов не подобрать. Как будто читается газетная заметка. Самый "финиш" - это когда урок или лекция превращаются в переписывание учебника. Стоит же рассказать ученику это в другой форме, а ещё лучше - показать опыт и он сразу начинает разбираться.


Сказывается и общая тенденция. Если раньше каждый мальчишка во дворе умел паять и знал основы электротехники, то сейчас это большая редкость. На пике популярности сегодня...Впрочем, вы сам всё знаете кто, а если я начну перечислять конкретных популярных людей, то могут и забанить. Многие гораздо больше знают про какого-нибудь парня с розовыми волосами, который снимает Тик Токи и мелькает в рекламе, нежели про академика Капицу. Обучение и самообразование видятся невыгодными. Поэтому, это ещё один повод популяризировать науку в модном крутом формате. Мой проект на это и ориентирован :)...Кстати, можете поддержать его прямо сейчас, подписавшись на телегу проекта.


Вторая ловушка на пути изучения - заведомо неправильное объяснение. К сожалению, преподавателям часто и самим не всегда интересно то, что они преподают. Само собой, люди бывают самые разные и мне встречались отличные преподаватели. Ни в коем случае не хочу сказать, что все преподают плохо. Но встречались и формалисты, где урок - это просто некоторый стандартный набор действий. В итоге у тех учеников, которые пробили стену непонимания и скучности на пути появляется другая стена.


Простой пример.


Что будет, если включить генератор, но его клеммы не подключать к потребителю энергии?


Не так давно в ДЗЕНе проекта я написал об этом заметку. Непонимание там появляется не у тех, кто не хотел ничего понять, а у тех, кто наоборот был смышленее своих одноклассников, понял и запомнил больше. Так на уроке ему сказали, что электрический ток - это упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Вот и вышло, что из стандартного определения в описываемой ситуации и правда случится коллапс :) Не будем сейчас останавливаться на этом моменте. Просто учителю, которому задали такой вопрос, стоило сказать, что электрический ток - куда более сложное понятие, нежели простое определение.


Следующий важный момент - это отсутствие хороших учебных материалов и полностью исключенные лабораторные работы. В институте у нас они были постольку-поскольку, а в школе из всего, что мы сделали - это нарисовали схему люстры и собрали своими руками колыбель Ньютона. Не маловато-то ли для изучения и появления интереса к физике :)?


Реализуя свой проект, я как раз и хотел бы решить обозначенные проблемы.


Идей очень много, но финансирования не хватает и рабочих рук тоже. Сейчас получается делать только текстовые материалы с основами теории, научно-популярные заметки и подобное, но очень хотелось бы продолжать снимать ещё и научно-популярные ролики. Тут как раз-таки очень уместна была бы поддержка спонсоров или единомышленников. Я сделал закрытый клуб и если вам всё это интересно и хочется поучаствовать в развитии моего дела, то милости прошу. Пообщаемся в закрытом чате.


Ну и на закуску я оставил ещё один факт - проверку полученных знаний. Любой экзамен в рассматриваемом направлении должен заключаться не в угадайке, а проходить как беседа. Тесты в таком деле совершенно неуместны, потому как человек может ошибиться в цифрах, но иметь абсолютно правильное понимание физического процесса. Соответственно, в беседе оно и было бы ясно. Кроме того, экзамен не должен быть наказанием или пыткой. Понятно, что есть абсолютные лентяи, но есть и вполне себе адекватные ученики, которые просто плывут.


П.с.: Хочу добавить, что мне на моем пути встречались великолепные преподаватели и талантливые ученые. Мне довелось поработать со специалистами такого уровня, которых сегодня осталось очень мало. Все они прекрасные люди и весьма умные профессионалы. Я отмечаю это для того, чтобы у вас не сложилось впечатление, что цель этой статьи - раскритиковать абсолютно всех преподавателей и системы обучения. Цель лишь рассказать о моем проекте и обозначить очевидные проблемы, которые мешают вам изучать очень интересный предмет.
Показать полностью 2
83

Как электрический ток заставляет гудеть провода?

Провода от электрического тока могут гудеть, а могут трещать. Остановимся на гудении.


Характерное электрическое гудение можно вспомнить из опытов с высоковольтным генератором Ван дер Графа. Вероятно, не все видели такую штуку в школе на физике. Её работа сопровождается регулярным гулом. Посмотрите в этом ролике, как оно работает. Звук похож на мечи джедаев в звёздных войнах.


Для того, чтобы это услышать характерный звук, не обязательно идти под высоковольтную линию. Иногда достаточно просто включить электрический нагреватель в розетку и прислушаться.

Как электрический ток заставляет гудеть провода? Физика, Научпоп, Наука, Исследования, Познавательно, Электричество, НаукаPRO, Магнитное поле, Длиннопост

Далеко не все электрические нагреватели будут именно что гудеть, но некоторые этак точно начинают издавать этот странный звук. Собственно, на процесс напрямую влияет конструкция нагревательного элемента, но об этом чуть позже.


Кстати говоря, подобный эффект легко даже почувствовать пальцами, если потереть рукой раму велосипеда под высоковольтной линией электрических передач. Пальцы по раме будут не скользить, а как будто вязнуть и гудеть. При бОльшей интенсивности воздействия тока, появился бы и слышимый характерный звук.


В чём физика процесса?


Для начала стоит вспомнить, что у нас всегда сопровождает движущиеся заряды? Правильно, если в проводе есть электрический ток, то вокруг провода обязательно появляется и магнитное поле. Характеристики этого поля могут быть самыми разными и зависят от параметров электрического тока, породившего это поле. Помните', например, про электромагнитную индукцию?

Как электрический ток заставляет гудеть провода? Физика, Научпоп, Наука, Исследования, Познавательно, Электричество, НаукаPRO, Магнитное поле, Длиннопост

Когда провода начинают гудеть, мы имеем дело сразу с несколькими физическими процессами. Один из них механический, а другой сугубо "магнитный".


Непосредственное механическое взаимодействие проводников


Под механическим процессом мы понимаем возникновение звука из-за поведения проводника похожего на поведение струны гитары.


Представьте, что провод, который соединяет две мачты и натянут, как минимум, под действием собственного веса, работает как большая струна. В этом случае, он может испускать механические волны, или, правильнее сказать, колебаться сам. Такие колебания будут причиной появления и звуковых волн, которые являются ответом упругой окружающей среды на появление колебания от провода.

Как электрический ток заставляет гудеть провода? Физика, Научпоп, Наука, Исследования, Познавательно, Электричество, НаукаPRO, Магнитное поле, Длиннопост

Остается найти резонаторы, чтобы этот звук стал более слышим для нас с вами. Таким резонатором могут стать опоры или столбы, шкафы, корпуса прибора и прочие окружающий предметы.


Вот только откуда берется именно гудение. Тут всё также. Было бы здорово, если бы вы представляли себе поведение электрической гитары. Достаточно дотронуться до струны и поводить по ней пальцами и появится звук, очень похожий на гудение.


С учетом того, что проводник сам постоянно взаимодействует механически с разными предметами, вполне может наблюдаться аналогичный эффект. Кроме того, это мы ещё не учитываем, что ток у нас переменный. Это значит, что в какой-то момент "электричества" в проводе нет, а в какой-то момент ещё и меняется его направление.


Магнитное поле тоже на это реагирует и смена "конфигураций" порождает звук. Стоит тут отметить, что если бы характеристики электрического тока были другие, то и гул был бы на другой частоте. А тут мы обычно получаем гул на 50 Гц, что соответствует параметрам сети.


Магнитное взаимодействие проводников


Теперь пару слов про магнитное взаимодействие. Оно возможно в том случае, если рядом есть два проводника с током. Очень хорошо это заметно именно на электрических линиях. Если характеристики магнитного поля в проводниках окажутся разными, то магнитные поля могут взаимодействовать друг с другом порождать колебания окружающей среды.

Как электрический ток заставляет гудеть провода? Физика, Научпоп, Наука, Исследования, Познавательно, Электричество, НаукаPRO, Магнитное поле, Длиннопост

Когда магнитные поля отталкиваются, они сами гудят, раскачивая частички воздуха вокруг себя и ещё и создают механическое воздействие на провода, которые являются, как мы ранее выяснили, средой для появления механической волны или струной на гитаре.


Как гудит нагреватель?


Зная это мы можем вернуться к нашему электрическому нагревателю и поймем, откуда там появляется гудение. Гудящий нагреватель состоит из специального СТИЧ-элемента.

Как электрический ток заставляет гудеть провода? Физика, Научпоп, Наука, Исследования, Познавательно, Электричество, НаукаPRO, Магнитное поле, Длиннопост

Это проводник, по которому проходит переменный электрический ток, а сам он нагревается, что следует из закона Джоуля-Ленца. Очень подробно я разбирал закон тут.


Обратите внимание на специфическое расположение иголочек этого проводника. Каждая из них может быть как струной сама, так ещё и прекрасно будет взаимодействовать с окружающими объектами. Все они смогут играть и гудеть как механически, так и электрически.


Магнитные поля в этих иголочках обязательно будут иметь разные характеристики и вероятно будут отталкиваться друг от друга. Да и сами поля будут взаимодействовать друг с другом с характерным электрическим гулом. Помимо этого есть ещё металлический корпус, который является неплохим, направленным в потолок, резонатором, да ещё и взаимодействует с полем.


Достаточно представить досконально, как поля с разными характеристиками проходят через каждое звено такого нагревательного элемента и сразу станет понятно, как появляется типичный электрический гул с потрескиванием.

Показать полностью 5
69

Какими НЕ бывают вечные двигатели?

Возможно следовало назвать статью "какие бывают вечные двигатели", но мы ведь много раз обсуждали на канале этот вопрос и пришли к выводу, что вечных двигателей в том виде, как хотелось бы, не существует. Тут вспоминается шутка: - Где ты видел такой синхрофазатрон!? -А где ты не видел такого синхрофазатрона!

Какими НЕ бывают вечные двигатели? Физика, Научпоп, Исследования, Наука, Вечный двигатель, Познавательно, НаукаPRO, Длиннопост

Между тем, сама по себе гипотеза вечного двигателя давно притягивает к себе внимание ученых. Оно и неудивительно. Шутка ли - получать полезную работу, но не затрачивать на это энергию!

На всякий случай напомню, что существование вечного двигателя ограничивает закон сохранения энергии. Невозможно сделать процесс таким, чтобы он шёл изолированно, а значит двигатель будет всегда тратить немножко больше, чем производить из-за неминуемых потерь на трение и т.п. и т.д. Кроме того, система будет всегда стремиться к увеличению энтропии. Если просто - горячее всегда остывает.

Отсутствие реального прототипа вечного двигателя не помешало разделить все эти устройства на три класса. Речь идёт про вечный двигатель первого, второго и третьего рода.


Вечный двигатель первого рода

Можно сказать, что разделение вечных двигателей на типы было определено спецификой развития самих представлений о вечном двигателе. Ученые и мыслители крутили какие-то теории в голове, ну а потом пытались применять их на практике. Результата не было, а новый тип вечного двигателя появлялся.

Какими НЕ бывают вечные двигатели? Физика, Научпоп, Исследования, Наука, Вечный двигатель, Познавательно, НаукаPRO, Длиннопост

Другое дело, что в большинстве случаев теоретически же было понятно, что вечный двигатель существовать не сможет. Да и знатоки истории тут могут упрекнуть меня в не совсем точной последовательности. Однако, совпадение ли это или закономерность, но вечный двигатель первого рода появился самым первым. Ну или...как...появился...


Вечным двигателем первого рода назвали машину, которая сможет вечно производить работу без какого-либо подвода энергии.

Говоря понятным языком - это двигатель внутреннего сгорания, в котором ничего не должно сгорать. Он прекрасно работает и без того. Просто вот такая волшебная конфетка. Условно к вечному двигателю первого рода можно было бы отнести вот такой забавный эксперимент.


Вечный двигатель второго рода

Когда стало понятно, что вечный двигатель сделать не получается, а во Франции перестали принимать заявки на патенты вечного двигателя, ученые начали искать причину своих неудач.

Какими НЕ бывают вечные двигатели? Физика, Научпоп, Исследования, Наука, Вечный двигатель, Познавательно, НаукаPRO, Длиннопост

Помимо потерь, которые происходят в самом двигателе - это потери на трение и прочие очевидные проблемы, были и проблемы, связанные со способом передачи энергии, а точнее - потерями на передачу тепловой энергии и направлением передачи.


Логика простая - если существованию вечного двигателя мешает закон сохранения энергии, значит надо отменить закон сохранения энергии сделать так, чтобы закон сохранения работал.


Тут на горизонте замаячил и Демон Максвелла. Ведь если энергия бесконечная, то и пусть теряется на трение. Я подробно рассказывал об этом в своём ролике и советую его посмотреть.


Вечным двигателем второго рода была названа машина, самопроизвольно преобразующая тепловую энергию в работу без потерь.

Идея была простой. Нужно просто запустить такой процесс, где энергия от более холодного тела будет передаваться более горячему, то есть изменить направление энтропии. Вот тогда-то и сказали, что тут не обойтись без демона, который будет разделять частички на теплые (с большой энергией) и холодные (с низкой).


Вечный двигатель третьего рода


С вечным двигателем третьего рода всё ещё интереснее. Поскольку было понятно, что невозможно сделать ни двигатель первого рода, ни двигатель второго рода, появился двигатель третьего рода.

Какими НЕ бывают вечные двигатели? Физика, Научпоп, Исследования, Наука, Вечный двигатель, Познавательно, НаукаPRO, Длиннопост

В науке нет его однозначного описания. Как правило такая формулировка используется в шутливой форме и аналогична сферическому коню в вакууме.


Двигателем третьего рода называется машина, которая может поддерживать движение вечно, но не создавая и не потребляя энергию. Это абсолютно изолированная система, которая получает энергию ниоткуда.

В современном представлении то ничего, откуда пытаются извлечь энергию, стали называть физическим вакуумом. Есть ещё знатоки, которые пытаются использовать эфир для работы вечного двигателя. В общем-то, смеяться над этими изысканиями я бы не стал. Ведь вопрос ещё полностью не изучен и даже физический вакуум мы описать нормально не можем.


Ну а если вам интересно читать мои авторские статьи и смотреть ролики, то не забывайте про мой проект на дзен и в телеге, где материалы выходят в первую очередь.

Показать полностью 4
98

Электрическое зрение - это не суперспособность?

Наверное для тех, кто хорошо разбирается в биологии и знает всё разнообразие живых организмов, населяющих нашу планету, статья покажется чем-то из серии само собой разумеющегося. Но о том феномене, который мы обсудим, знают немногие, да и я сам узнал буквально на днях. Речь идёт об электрическом зрении угрей. Чем оно интересно для нас с вами и как можно применить эту технологию?

Электрическое зрение - это не суперспособность? Животные, Физика, Научпоп, Познавательно, НаукаPRO, Исследования, Длиннопост

Обычно знания большинства читателей про электрических угрей заканчивается на том, что это такая рыба, которая больше похожа на змею, и что такое существо может шарахнуть током. Причем, полезно знать, что удар током от электрического угря может оказаться смертельным!


Например, в том материале, который попался мне, рассматривалась ситуация с тремя ковбоями. Они пытались переправиться через реку и были смертельно поражены ударом тока от таких угрей. В общем-то, подобные ситуации в науке - дело обыденное. Например, в своём телеграмм канале я рассказывал о роли случайности в научном познании, когда открытая микроволновка водила за нос целую группу ученых


Про то, как появляется ток в теле рыбы и почему он достигает таких феноменальных значений, что может убить человека, мы поговорим как-нибудь отдельно. Сейчас же нас интересует интересная особенность этого существа и конструкция его системы ориентации.


Электрическое зрение угря


Помимо того, что угорь может лупить всех током налево-направо, подобно Рейдену из Мортал Комбат, он ещё использует эту возможность для того, чтобы ориентироваться в пространстве.


Вокруг тела рыбы существует электрическое поле, а если в это поле попадает некоторый объект или другая рыба, угорь ощущает своим телом, что где-то рядом находится нечто и нужно развернуться. Его тело снабжено специальными сенсорами или датчиками, которые применительно к живым существам называются рецепторами.

Электрическое зрение - это не суперспособность? Животные, Физика, Научпоп, Познавательно, НаукаPRO, Исследования, Длиннопост

Рецепторы и фиксируют изменение напряженности электрического поля. В итоге угорь регулярно посылает небольшие разряды вокруг себя и тем самым поддерживает поле определенной напряженности. Проводящие объекты и диэлектрики по разному взаимодействуют с силовыми линиями поля и рыба умеет фиксировать и эту специфику.


Подобный способ ориентации используют, например, дельфины или летучие мыши. Только там вместо электрического поля применяется звук. Существо посылает звуковую волну и фиксирует время возврата её отраженной части. Это позволяет оценить расстояние до преграды.


Электрический угорь ориентируется по взаимодействию поля с помещенным в него объектом.


Физический эффект


Из физики мы помним, что электрическое поле оказывает силовое действие на помещенный в него заряд. Каждое тело обладает тем или иным зарядом, а потому обнаружить его в поле будет не так и сложно.

Электрическое зрение - это не суперспособность? Животные, Физика, Научпоп, Познавательно, НаукаPRO, Исследования, Длиннопост

В общем-то, примерно по этой логике работает и самый обычный радар. Испускается радиосигнал, который отражается от корпуса некоторого искомого объекта и фиксируется время отклика.


Зная скорость волны и время её возвращения, нам совсем несложно оценить расстояние до объекта. Если использовать вместо радиоволны электрическое поле, то получится электрический угорь :)

Электрическое зрение - это не суперспособность? Животные, Физика, Научпоп, Познавательно, НаукаPRO, Исследования, Длиннопост

Только эффект строится не на отражении, а на силовом действии.


Что мешает использовать такую технологию и людям?


Почему бы не использовать такую технологию для того, чтобы упрощать ориентацию в пространстве и людей, имеющих проблемы со зрением или для ночного видения?

Вполне возможно сделать набор нужных датчиков и генератор поля. Ну а устройство оповещения вполне может работать аналогично голосовому помощнику навигатора.

Понятно, что если генерировать столь мощное, как у электрического угря, поле, то человек с таким устройством будет лупить всех током. Но можно подобрать безопасную напряженность поля, которая будет фиксироваться сенсорами, но не будет опасна. Такое электрическое зрение позволило хотя бы видеть предметы и легче ориентироваться. Но кажется подобные эксперименты даже не проводились.


По крайней мере я не смог найти достоверной информации по вопросу. Разве что, стоит тут делать поправку, что угорь работает с такой системой в условиях изотропной среды.


Вода - она всегда одинакова. Ну а на поверхности может быть сухо а может быть дождь. Это скажется на возможности генерации поля с нужными параметрами, которое одинаково хорошо будет работать во всех этих условиях.


Спасибо за прочтение, ну а напоследок я напомню, что все мои авторские научно-популярные статьи сначала выходят на моём ДЗЕНе.

Показать полностью 3
40

Три ЗИЛка, которые смогут вас удивить

Завод ЗИЛ некогда делал не только стандартные синие грузовики-мурлыки, к которым привыкли в 90-е годы и не только бессмертные холодильники, которые могут победить кипятильник. ЗИЛ производил множество интересных с инженерной точки зрения машин. Как человек, который занимается инженерным проектом, я не смог пройти мимо нескольких особенно интересных экземпляров. Скорее всего вам не доводилось их видеть и уж тем более они не встречались вам на дороге.

Вездеход ЗИС-132С

Три ЗИЛка, которые смогут вас удивить Физика, Научпоп, Машина, Авто, Механизм, Инженер, Зил, Длиннопост

На фотографии представлена редкая машина ЗИС-132С, которая так и не поступила в серийное производство. Планировалось, что это будет вездеходный тягач. Идея простая - если сделать движитель (на всякий случай напомню, что так называются колёса или гусеница) широким и пластичным, то он вполне заменит гусеницу. У гусеницы же есть ряд плюсов, а есть и очень серьезные минусы. Конечно же, гораздо удобнее использовать вместо гусеницы именно колёса, но обычные колёса на грязи и бездорожье ведут себя известным образом. Именно поэтому на заводе ЗИЛ решили найти компромисс между гусеницей и колесом. Эта штука называется высокоэластичный движитель.


Вот только компромисс не удался. Машина оказалась крайне тяжёлой. Устойчивость у неё была примерно как у неваляшки. Доходило до того, что её могло опрокинуть сильным ветром. Ведь центр тяжести у машины высоко.


Следующее слабое место - вопрос управления. "Бочки" не позволяли нормально маневрировать и вели себя примерно как трамбовки парового катка. На грязи машина почти теряла управление и больше походила на санки. В итоге история этого забавного тягача печальна. От дальнейшей разработки отказались так как обнаруженные противоречия делали технику бесполезной и даже опасной.

ЗИЛ 112С

Три ЗИЛка, которые смогут вас удивить Физика, Научпоп, Машина, Авто, Механизм, Инженер, Зил, Длиннопост

Думаю, для вас может оказаться открытием, что легендарный завод выпускал не только грузовики, специальную технику и холодильники, а ещё и гоночные автомобили!


На фотографии изображен спортивный автомобиль ЗИЛ 112С, который был выпущен в 1961 году. Такая техника делалась в единичных экземплярах.


Можно подумать, что экземпляр полностью содран с Ferrari 250 Testa Rossa 1958-х годов выпуска. Визуальное сходство и правда есть, и скорее всего Феррари действительно могла стать прообразом ЗИЛка. Вероятно визуальное сходство - это символ гоночных машин того времени.


Но основной интерес - техническая начинка, которая точно оригинальная и опередила своё время. С инженерной точки зрения ЗИЛок был уникален. ЗИЛ 112С был оснащен двигателем от «Чайки», мощность которого составляла 300 лошадиных сил. Максимальная теоретическая скорость 270 км/ч. Разгон с 0 до 100 км/ч занимал 9 секунд. Впервые на авто был применен стеклопластиковый кузов и использовались самоблокирующегося дифференциала. С нуля была разработана специальная система дисковых тормозов. Интересным было и смещение тормозов к главной передаче.


В общем-то, над авто потрудились на славу и в течение нескольких лет на этой машине брали все первые места в гонках по СССР. Но увы, автомобиль так и остался на музейных снимках.

Шнекоход ЗИЛ 29061

Три ЗИЛка, которые смогут вас удивить Физика, Научпоп, Машина, Авто, Механизм, Инженер, Зил, Длиннопост

Как нас учили в институте: "Проходимость транспортного средства в первую очередь определяется возможностями движителя". Оно и понятно. Если вам доводилось выезжать на машине или мотоцикле по мокрой траве из ямки, а резина уже лысая и копать не хочет, то вы наблюдали, что колёса просто крутятся в холостую и буксуют. При этом возможностей силового агрегата более чем хватает. Но известные движители имеют ряд конструктивных ограничений.


Даже гусеничных трактор может закопаться. Поэтому, ЗИЛовцы пошли дальше и сделали вот такую вот ездящую мясорубку. На фотографии ЗИЛ 29061. Шнекоход обладает практически безграничными возможностями по перемещению. Тут я привёл ролик со своего канала, где показан кусочек из образовательного фильма СССР. Обратите внимание, какие возможности у столь странного движителя!


На удивление, подобная конструкция так и не стала популярной. Мне это не совсем ясно, ведь по сути дела мы тут получаем безграничные возможности. Оно и плавает, и ездит, и боком ходит. Как раз то, что нужно для хорошего трактора! Разве что, если проехать на такой штуке по обычной дороге, то получится откровенное вредительство.

Показать полностью 3
13

Как ученые порой мешают науке на примере открытия квазикристаллов

Если вы работали в научной среде, то наверняка обратили внимание, что есть люди, склонные к допущению самых разных сценариев, а есть закостенелые твердолобые товарищи, желающие самоутверждаться на высмеивании любых гипотез. Последние наносят науке гораздо больший вред, чем всё происходящее вокруг или отсутствие нужного финансирования.

Как ученые порой мешают науке на примере открытия квазикристаллов Научпоп, Наука, Физика, Исследования, Ученые, Длиннопост

В науке предостаточно примеров того, как закостенелое представление ломало судьбы ученых, а заодно и закрывало на годы возможные решения значимых вопросов. Такие проблемы, например, свели с ума Больцмана. Человеку действительно нужно немало смелости, чтобы пойти против сообщества. Но именно такая смелость ученого вершит судьбы!


Нет, это не значит, что гипотезы или догадки должны быть антинаучными, т.е. полностью исключать восприятие действительности через призму реальности и проведенных экспериментов, но если ученый высказывает догадку, то рационально её проверить прежде, чем спускать в туалет и самого автора идеи, и его идею.


Мы ведём к тому, что нужно разобраться в одной из самых позорных ошибок научного сообщества, где автора гениальной идеи чуть было не сожгли на костре. К счастью, в переносном смысле.


Симметрия в кристалле и открытие доктора Шехтмана

Итак, в кристалле есть такая штука, как симметрия. Поскольку это довольно специфические знания, которыми обладают физики твердого тела и материаловеды, то раскрою понятие подробно.


Симметрия кристаллов - это некоторая закономерность в расположении атомов, заключающаяся в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем преобразований.


Представьте себе, что атомы расположились в углах обычного кубика. Кубик - это форма кристалла. Из кубиков можно построить целую стенку. При этом сделать это можно во все стороны, а кубики будут вращаться и не терять свою идентичность. Это работает симметрия.


Традиционно принято считать, что в металлических сплавах существует так называемая четырехкратная симметрия. При повороте кубика на на 90 градусов (360 градусов разделить на 4, вот и четырехкратность), материал сможет достраиваться в пространстве. Опять же ,смотрим на детский кубик и легко представляем себе такой процесс.


В 1982 году доктор Дэн Шехтман исследовал алюминиево-железные и алюминиево-марганцевые сплавы. После просмотра очередной серии фотографий структуры, полученных на электронном микроскопе, Шехтман был сильно удивлен. Оказалось, что симметрия нарушена и кристаллы выглядят таким образом, что их ячейка имеет пятикратную симметрию. То есть структура повторяется во все стороны при повороте кристалла даже на 72 градуса, вместо привычных 90 градусов.

Как ученые порой мешают науке на примере открытия квазикристаллов Научпоп, Наука, Физика, Исследования, Ученые, Длиннопост

Ну а ожидалось увидеть нечто типа этого. Видите, как тут соединены рефлексы? Кстати, рефлексы - это те точки, где расположены атомы в узлах решетки. На них произошло рассеивание.

Как ученые порой мешают науке на примере открытия квазикристаллов Научпоп, Наука, Физика, Исследования, Ученые, Длиннопост

С 1890-го года этот вопрос считался закрытым и в доктора Дэна полетели помидоры. Предполагалось, что пятимерная симметрия делает невозможным существование элементов в трехмерном пространстве. Кубики просто не подставятся друг на друга, а если и подставятся, то агрегаты, полученные при этом, не соединятся друг с другом потом. Для кристаллографа это примерно как сказать, что 2х2 = 5. Такие утверждения считались верхом безграмотности.

Шехтмана исключили из исследовательской группы и с позором вытолкали из научного проекта. Его статью с результатами исследования удалось опубликовать в сокращенном виде и только после договорённости о соавторстве со светилами науки того времени, которые не побоялись за свою репутацию. Занятно отметить, что приведенная выше иллюстрация использовалась ученым для демонстрации своего открытия. Весьма странно, что ученый совет отказывался увидеть очевидное. То, что вы, уважаемые читатели, наверняка видите и сами. Оказалось, что ученый коллектив общими усилиями пытался доказать, ориентируясь на известную теорию, невозможность существования снятого на фото явления.

Рождение понятие квазикристалл

Между тем, были проблески и здравого смысла. Американский физик Пол Стейнхардт и израильский физик Дов Левин внедрили термин квазикристалл для описания этого открытия. Однако, коллеги Шехтмана уперлись очень крепко и термин квазикристалл предложили заменить термином квазиученый :)

Через пять лет группа японских ученых смогла сделать кристаллы с пятикратной симметрией настолько большими, чтобы было видно не только рефлексы, но и сами объекты. На снимках было заметно, что кристаллы имеют пятикратную симметрию. Точнее сказать, при беглом взгляде казалось, что никакой симметрии нет вообще. Структура не упорядочена. В некоторых точках "периодическая структура" нарушается, происходит её соединение с новым блоком, который тоже имеет свою симметрию. Оказалось, такого повторения вполне достаточно для того, чтобы образовать целое тело. Это был дальний порядок, т.е. повторение одинаковых модулей на неограниченно больших расстояниях.


Так в науке закрепился термин квазикристалл, который чуть не был раскатан катком стандартного представления действительности.


Квазикристалл - это твёрдое тело, описываемое симметрией, запрещённой в классической кристаллографии, и наличием в своем упорядочивании дальнего порядка.

Оказалось, что в некоторых случаях квазикристаллы вполне себе могут появляться. Например, при сверхбыстрой кристаллизации из расплавов. В итоге термин квазикристаллы стал в материаловедении столь же популярен и часто применяем, как и простой кристалл. Ну а Шехтману респект и уважуха!


Не стоит губить гипотезы, не проанализировав их тщательно. Широта сознания - одно из самых важных качеств ученого. Это его сила и особенность, позволяющая совершать открытия.

Ну а ещё больше интересных материалов содержит мой ДЗЕН-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать новые выпуски, и следите за телегой проекта.

Показать полностью 3
6

Занимательные факты о строении любого материала

Любой вопрос становится интересным, если взглянуть на него глазами эксперта. Вот что вы знаете о материалах?

Занимательные факты о строении любого материала Научпоп, Наука, Познавательно, Физика, Химия, Материаловедение, Длиннопост

О тех самых материалах, из которых состоит абсолютно всё вокруг нас.


Конечно тот факт, что деревянный стол отличается по составу от куриной ноги многие прекрасно осознают :). Но на этом, увы, всё. Правда есть и ещё кое-что, что было бы полезно и интересно узнать.


Предлагаю вашему вниманию подборку занимательных фактов о строении материала.

Никто из ученых до конца не понимает, из чего все материалы состоят

Прослушаете вы школьный курс физики и запомните только тот факт, что все материалы состоят из молекул, сами молекулы сделаны из атомов. Атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов.


После изучения физики в университете вы ещё, скорее всего, узнаете слово кварк. Но это не даст ответа на главный вопрос об истинном устройстве материала.


Вы удивитесь, но такого ответа нет ни у кого! Ученые до сих пор спорят и не могут найти истину. Что именно лежит в основе конструкции любого материала и можно ли тут вообще использовать термин "материя"? Ведь по новым исследовательским данным частица - это всего лишь возмущение энергетического поля. Что же такое это возмущение? Это, по сути, энергия или информация. Но и эти субстанции пока не объяснены.


Непонятно, что именно соединяет частички тела в единое целое

Тот факт, что мы до конца не понимаем, как устроено вещество ещё не означает существование полноценного объяснения вроде как уже оформившейся концепции. Что именно соединяет частички вещества в единое целое?


Нет, вы конечно же, сейчас вспомните о притяжении частиц, о перекрывании электронных облаков, но смею вас уверить, что если вы заглянете в вопрос ещё поглубже, то однозначного ответа тут тоже не будет.


Никто до конца не описал принцип работы этого "вселенского клея". Есть только ряд гипотез, среди которых, кстати, до сих пор проскакивает теория эфира, которую знатоки очень не любят. Так или иначе, связывает частички что-то похожее по логике на эфир. Только называется это или поле, или квантовая пена.

Занимательные факты о строении любого материала Научпоп, Наука, Познавательно, Физика, Химия, Материаловедение, Длиннопост

Все свойства материала определяются его структурой и взаимным расположением атомов

Вот смотришь на материал и гадаешь - проводит он электрический ток или не очень. Является ли он хорошим проводником тепла или подходит в качестве теплоизолятора.


Оказывается, всё это определяется внутренней конструкцией материала. И тут можно даже не знать, из чего на самом деле на самом тонком уровне состоит материал. Достаточно знать, что материал состоит из атомов, которые определились определенным образом. Именно специфика их взаимного расположения определяет весь диапазон свойств. Ну а дальше остаётся только анализировать влияние этого расположения на реальные факты проявления свойств и в итоге все свойства станут прогнозируемыми. Так, та же электропроводность объясняется наличием электронного газа в большом количестве между узлами решетки.


Все механические процессы в материале описываются дислокационной теорией

Почему материал деформируется? Почему обладает анизотропией и как это работает? Что приводит к разрушению материала? Эти и многие другие процессы, характерные для материалов, описываются дислокационной теорией.


Что это за теория? Если сильно упрощать, то атомы располагаются в твердом теле вдоль некоторой линии. Эта линия может быть правильной и протягиваться через весь образец, а может обрываться где-то внутри. Такая оборванная линия образует недостроенную плоскость, вдоль которой расположены атомы. Эта плоскость может скользить при внешних механических воздействиях. Так и получится деформация или даже разрушение. Если же не дать ей скользить, то материал будет упрочняться.


Трещина решает всё

А вы знаете, что любое разрушение начинается с трещины?


Трещина зарождается именно в следствие движения дислокаций. Ну а дальше она растёт в образце начиная с микро и кончая макро уровнем. Всё это кончается разрушением. Зато вот если трещину во время заметить и хотя бы уменьшить угол в эпицентре её роста, изделие может прослужить ещё долгие годы.


Зависимость скорости разрушения от угла в основании трещины обнаружил ещё монах Гриффитс. Коэффициент так и назвали критерием Гриффитса. Его друзья думали, что бедолага сошел с ума, когда он в течении нескольких лет рассматривал разбитые стёклышки от витражей.


В итоге было установлено, что именно очаг трещины определяет её рост. Ну а на практике все видели работу этой закономерности, но не все знали, что речь об этом. Как вы наверное замечали, раньше в метро трещины на стеклянных дверях засверливали в очагах. Это не давало трещине расти.

Некоторые материалы могут обладать одновременно свойствами жидкости и кристалла

Речь идёт о жидких кристаллах, которые активно используются в современных экранах. Они могут обладать всеми свойствами жидкостей, но при этом менять конфигурацию при некоторых условиях и проявлять свойства световой анизотропии, которая характерна для кристаллических тел.


Ученые долгое время не могли сами себя убедить в том, что такое вообще возможно. Ведь агрегатные состояния вещества строго обозначают ряд характерных особенностей каждой из модификаций конкретного состояния. В итоге в одном положении жидкий кристалл отражает свет, а в другом - нет. В одном состоянии он виден, а в другом нет.


Кстати говоря, подобные интересные метаморфозы бывают не только с жидкими кристаллами, но и с другими телами.


Измельчение структуры или переход в 2D - плоскость принципиально меняет свойства

Наверное уже многие слышали и про наноматериалы, и про так называемые двухмерные материалы.


Наноматериалы - это по сути дела обычные материалы, структура которых сведена к нанодапазона. Речь идёт про хааркетрные размеры элементов структуры.


2D - материалы - ещё более интересная штука. По сути дела. это материал, толщина которого составляет всего лишь одну частичку! По сути дела они абсолютно плоские.


Самое интересное тут другое! Если взять стандартный материал и измельчить его структуру. то свойства могут меняться буквально на противоположные. Такая же картина получится, если сделать из простого 3D-материала новый материал типа 2D. Например, всем известный графит при переходе в двухмерную плоскость получает буквально невероятные свойства и называется уже графеном.

Все мои статьи выходят сначала тут.

Показать полностью 2
Отличная работа, все прочитано!