Инженерные знания

Рассуждения о вечном двигателе, или, как он известен в литературе - Перпетум Мобиле, уходят к самой заре становления научной мысли. Попытка обмануть законы природы (а равно и законы физики) делалась человеком даже в те времена, когда ещё не были сформулированы основные законы механики, а Ньютону на голову не успело упасть яблоко.

История насчитывает сотни и даже тысячи различных моделей механизмов, которые должны были бы работать вечно, но как говорится "что-то пошло не так" в каждом из них. В итоге, вечный двигатель создать так и не получилось. Я уже рассказывал про эти опыты на сайте проекта.

Ещё Леонардо-Да-Винчи исследовал различные модели подобных устройств и объяснял невозможность их существования в реальной жизни с помощью принципа Кардано. Кардано утверждал, что нельзя сделать часы, которые не будут заводиться сами собой. Прибегнув к этому принципу Леонардо подтверждает логику и формулирует закона невозможности существования вечного двигателя.

Современная же физика объясняет невозможность существования вечного двигателя законом сохранения энергии. Согласно этому закону энергия не появляется и не пропадает, а существует вечно и передается между телами, превращаясь из одной формы в другую.

Значит, если мы создаем некоторую систему, будь-то она механической или тепловой, энергия в любом случае будет рассеиваться и расходоваться на внешние факторы. Без притока энергии машина замедлится и остановится, потому что всегда будут воздействующие на процесс факторы.

Значит, если мы создаем некоторую систему, будь-то она механической или тепловой, энергия в любом случае будет рассеиваться и расходоваться на внешние факторы. Без притока энергии машина замедлится и остановится, потому что всегда будут воздействующие на процесс факторы.

Например, при работе двигателя внутреннего сгорания, в процессе всегда присутствуют силы трения, которые мешают проворачиваться шарнирам и соединениям, а также есть сила земного притяжения, которая даже при отсутствии трения мешала бы поршням свободно перемещаться в верх. Даже эти факторы без учета множества других мелких обстоятельств уже требуют расходования энергии. В обычном двигателе эта энергия генерируется при сгорании топлива. В случае "вечного двигателя", топливо сжигать, вроде как, было бы не нужно и система сама должна была бы крутиться. Но очевидно, что это невозможно в данном случае. Кстати, подобные машины называют рассеивателями энергии.

Это обстоятельство справедливо для всех "вечных" двигателей.

Существовали конструкции, в которых "логика вечности" была основана на попытке использовать работу опускающегося вниз механизма. Но очевиден тот факт, что при поднятии механизма на исходную высоту (а именно на это и хватит полученной от движения вниз работы) суммарная работа окажется равно нулю. Все силы в данном случае имеют консервативный характер. Это означает, что для нас в итоге принципиальны только начальная и конечная точки в движении механизма, а траектория не имеет значения.

Если работа равна нулю, то и получить из этого выхлоп не получится. Это справедливо и для ВСЕХ видов механического движения.

Шанс существованию вечного двигателя могли бы дать аккумулятивные системы. Но многочисленные исследования показали, что в физике на текущем уровне развития они невозможны. Так, в рассматриваемом выше примере консервативной системы, нужно было бы, чтобы при каждом движении энергия запасалась. Поршень должен был бы поднимать каждый раз чуточку выше и запасать работу, не приводя её к нулю. А это, увы, фантастика :)...

-------------------------

Не забывайте подписываться на Telegram-канал моего проекта! Там регулярно выходит множество интересных заметок и вы не будете их пропускать.

Все полнотекстовые статьи сначала появляются на моем ДЗЕНе.

Первоисточник этой статьи на моем канале.

Ток распределен по сечению проводника неравномерно. Известно, что электрический ток проходит преимущественно по поверхности. Можно сказать, что в центре проводника электрического тока толком нет. Вот только в каких случаях это действительно так, а в каких это утверждение не работает?

Разберемся со знаменитым экспериментом Франклина, поведением переменного тока и его распределением по сечению проводника. Узнаем, почему заряд всегда старается сконцентрироваться на поверхности и разберемся со спецификой распределения "потока тока" в случае постоянного тока. Изучим знаменитый скин-эффект и узнаем, в чём он заключается.

П.с. Увы, качество ролика получилось посредственным. Извините, исправим :)

Не забывайте подписываться на Telegram проекта!

Вроде и звучит это почти одинаково, но если вдуматься в фразу, то окажется, что частица есть энергия, описываемая волновой функцией.

И всё бы хорошо, но в некоторых случаях есть интересные эксперименты, о которых полезно знать.

Эйнштейн помимо работы над теорией относительности изучал ещё и квантовую теорию. Одна из его самых важных работ (которая, кстати, принесла ему Нобелевскую премию) описывала фотоэлектрический эффект.

Основополагающим стал опыт с электроскопом, который разряжали хитрым индейским способом. Он заслуживает внимания даже с учетом того, что современная физика отменила сравнение частиц с мячиками.

Электроскоп - устройство интересное. Его показывают уже в школе на физике. Правда на момент демонстрации никто не понимает зачем его показывают. Принцип действия устройства прост. Если передать шару на электроскопе электрический заряд, то лепестки, находящиеся в контакте с этой клеммой-шаром, расходятся. Чем больший заряд передан, тем дальше расходятся лепестки. Это происходит из-за того, что одноименные заряды на лепестках отталкиваются друг от друга. Суть физики процесса я попытался проанализировать в этой статье. Тут излагается именно возможная физическая причина, а не просто голое правило, поэтому советую ознакомиться с заметкой.

Было обнаружено, что если направить на электроскоп свет, то он будет разряжаться.

Эффект интересен уже сам по себе. Фактически световой поток как будто бы смывает заряд с электроскопа, как шланг смывает песок, налипший на надувную лодку.

Всё отлично визуализируется, пока мы мыслим представлениями классической физики - электроны есть частицы-мячики. Они налипают на лепестки электроскопа.

Световой поток из других частиц сбивает их с лепестков и обнуляет заряд электроскопа. Кстати говоря обнаружено и такое интересное явление, как жидкий свет. Про эту субстанцию у меня есть отдельная интересная статья.

Но мы ведь помним про дуализм. Неплохо бы тут и современные представления не забывать. Любая частица есть энергия.

На тот момент мыслили так:

Если свет - это электромагнитное излучение или волна, то можно ожидать, что интенсивность светового потока будет важна для разряда электроскопа. При этом частота волны не должна сильно влиять на процесс разрядки. При достаточной интенсивности любой световой поток должен сбивать электроны с электроскопа просто за счёт общего суммарного количества энергии.

Однако, практика показала следующее:

• Была обнаружена некоторая пороговая частота света, выше которой свет разряжал электроскоп, а ниже которой не оказывал никакого влияния.

• Интенсивность при этом не имела никакого значения, что нарушало изначальную логику.

Если частота света переходила порог, то электроскоп медленно разряжался независимо от того, насколько интенсивным был поток. Если же частота была ниже порогового значения, то не имело значения, насколько интенсивным был свет. Электроскоп никогда не разряжался.

Это можно было объяснить только одним образом. Свет не есть непрерывная волна, а состоит из некоторых квантов. И на тот момент решили, что эти кванты есть физические частицы.

Решение Эйнштейна тут было логичным. Оставалось исходить из того, что свет состоит из физических фотонов, несущих некоторое количество энергии, зависящее от их частоты.

Если энергия фотона достаточно высока (выше обнаруженного частотного ограничения), то он может легко сместить электрон с лепестка электроскопа. Если ниже этого значения - он не может сбить электрон и разрядить электроскоп, так как энергии недостаточно.

Интенсивность соответствует количеству фотонов, и вероятность того, что два фотона возбудят один и тот же электрон, очень мала. Представьте, что бросаете яблоки в мячик, застрявший на дереве. Кинь ты хоть сотню яблок, но если сила удара будет недостаточной, то мячик не сбросить. Так и фотоны.

Если отдельные фотоны недостаточно энергичны, неважно, сколько их попадёт в электрон. Они не способны его сместить. И наоборот, выше пороговой границы, если свет даже не имеет нужной интенсивности, но имеет должную частоту (читай как энергию), даже один попавший в цель фотон скинет электрон и, как следствие, разрядит электроскоп. Дальше уже интенсивность будет определять скорость разрядки электроскопа.

На тот момент этот эксперимент можно было рассматривать как доказательство того, что свет всё-таки квантуется и, вероятно, хранить его связь с физическими частицами рано. Это подтверждало концепцию дуализма, что стало одним из постулатов ранней квантовой механики.

Применительно к современным представлениям этот эксперимент тоже очень важен. Даже если мы примем, что частица есть энергия, то подобным образом мы подчеркиваем важность количества этой энергии в одной, даже мнимой, частице и "квантуемость" всего процесса. Мы можем говорить, что электрон или фотон "не мячик", а стоячая волна, которая имеет все характеристики такого мячика. Особого противоречия тут нет.

Пожалуйста, если вам нравятся мои статьи, то поддержите подпиской канал проекта в Telegram! Там регулярно выходят эксклюзивные заметки по теме.

Наверное не секрет, что электрические заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными - притягиваются.

Это базовое явление, которое изучается в самом начале прохождения курса школьной физики. Воспринимать такое поведение зарядов предлагают как нечто должное и как простую специфику устройства нашего мира.

Разобраться в причинах такого поведения было бы интересно на более глубоком уровне. Объяснение "просто вот так вот оно работает" не очень хорошо подходит для построения целостной картины и формирования глубокого понимания. В процессе поиска причины притяжения или отталкивания зарядов часто используется теория обменного фотона.

Вообще через обменные фотоны описывается множество разных физических взаимодействий, но попробуем для начала понять, каким образом обменный фотон позволяет взаимодействовать частицам.

По этой логике имеющиеся субатомные частицы (да и не только они) не просто существуют "как они есть", а постоянно обмениваются друг с другом энергиями посредством обменных (виртуальных) фотонов.

При помощи визуализации, построенной на представлениях о классической физике, вообразить себе механику процесса не сложно.

Легче всего нарисовать в голове картину отталкивание частиц с одинаковыми зарядами.

Представьте, что вы бросаете арбуз своему другу. Ну или мячик, но мячик обладает слишком низкой инертностью. Поэтому, лучше арбуз. Когда арбуз будет пойман, то ловящий почувствует удар или толчок. Если в этом случае стоять не на шершавом асфальте, а на скользком ледяном катке, где сила трения значительно меньше, то такой обмен арбузом приведет к тому, что и бросающий, и ловящий откатятся назад. Тут нет никакой супер-пупер теории и процесс легко представить.

Но процесс притяжения согласно этой физической модели визуализировать сложнее. По этой логике должно получаться, что обмен арбузом из примера выше не отталкивает людей друг от друга, а притягивает. В общем-то, тут есть способ визуализации.

Представьте, что когда человек кинул арбуз другому, то он в какой-то момент схватил уже летящий отдаляющийся арбуз, обладающий инерцией, и почувствовал, что его тянет вслед. Ловящий же вытянул руки и тоже схватил арбуз, притягивая себя к нему, причем превышая скорость полёта арбуза. Ловящий и бросающий в итоге сблизились.

Само собой, и модель притяжения, и модель отталкивания довольно грубые. Но это хотя бы позволяет представить себе возможность существования механики такого процесса.

Главное помнить, что обменный фотон - не совсем частица. Значит, и механические аналогии нужны только для самоуспокоения и попытки сделать первые шаги.

Теперь вернемся к притягивающимся частицам. Электрон испускает фотон, который движется в направлении от протона. Затем протон поглощает этот фотон, и это ускоряет протон к электрону. Процесс поглощения выглядит как смещение протона по направлению фотона. Электрон поступит аналогичным уровнем.

"Длинные руки", которые мы рассматривали в физическом примере, есть не у протона, а у самого фотона, положение которого крайне неопределенно.

Поскольку фотон как мы уже сказали выше - это не совсем-таки физическая частица, вполне нормально, что у неё присутствуют характеристики типа взаимной привязки сразу и к бросающему, и к принимающему. Даже если фотон удаляется от протона, он перекрывает этот протон, и поэтому может передать свой импульс этой частице в обратную сторону.

На практике же правильнее забыть про всякие мячики и сказать, что в случае пары одинаковых частиц с одинаковыми зарядами, они не способны поглощать порцию энергию в виде виртуального фотона для образования взаимного притяжения. Если же частицы имеют разные знаки, то обменный фотон поглощается и создаёт импульс, который приводит к притяжению частиц.

П.с.: Обратите пожалуйста внимание на тот факт, что статья - это результат моих размышлений над вопросом (что не есть гарантия истины). Теория с обменным фотоном при этом не изменена.

Пожалуйста, поддержите мой проект подпиской в Telegram!

При этом наблюдается интересное сопутсвующее явление. Если в такую переохлажденную и ещё не замерзшую воду попадёт сторонний объект, то вокруг него сразу начнет формироваться ледяной слой, а сам он мгновенно оказывается заблокированным ледяной толщей.

Физика процесса тут примерно такая же, как в случае кристаллизации вокруг пылинок и формировании снежинок. Об этом недавно рассказывалось в одной из статей на своём канале.

Ещё можно вспомнить популярный в сети опыт про бутылку с водой, которую максимально сильно охлаждают в морозилке, а потом резким ударом по ней заставляют воду внутри практически мгновенно кристаллизоваться.

Во всех таких случаях играет роль появление центра кристаллизации, который позволяет кристаллу "схватиться" за объект и начать расти. Это выгоднее энергетически относительно ситуации с отсутствующим центром кристаллизации.

Подобная ситуация порой наблюдается и в дикой природе. Очень спокойная вода в озере в безветренный день вполне может охладиться ниже нуля градусов и не затвердеть. Но если в такую воду попадает зверюшка, то вода моментально кристаллизуется, а существо оказывается в ловушке, из которой не всегда способно выбраться.

Результат таких неприятных ситуаций показывают на тубе рыбаки и прочие любители выбраться на природу. Этот страшный процесс напоминает кадры из фантастических фильмов.

И да, помните супер удар этого парня :)? Там тоже лужа, при попадании в которую мгновенно появляется лёд.

Не забывайте подписываться на Telegram-канал моего проекта! И на мой познавательно-развлекательный канал с интересными техническими картинками по физике и инженерке тут.