Пост, после которого вы поймете физику - разбор книги Уолтера Левина - "Глазами физика". (1/2)⁠⁠

Привет Пикабу! Меня зовут Михаил и я постараюсь в этом посте сделать разбор книги известного физика, профессора Массачусетского университета Уолтера Левина, который в своей книге рассказывает простыми словами о чудесах и явлениях в физике. Это 1/2 поста, вторая часть выйдет через несколько недель, как я допишу ее.

Тру-пикабушник любит читать. Поэтому этот пост - не пустышка и годится для чтения на досуге. Если ты зашел сюда именно для этого и тебя не интересует ничего еще, то пропускай этот абзац. Однако кто-то читать так много не любит или не может и именно вам я хочу сказать, что я записал подкаст на 40 минут по этой теме, где я рассказываю все это в аудиоформате. Все получилось довольно прилично и понятным языком, а подкаст можно найти на Яндекс.Музыке, Apple Music, Google Podcast, VK, Anchor. Обязательно делись своим мнением, если ты прослушаешь - для меня это важно, можешь сказать что бы ты улучшил. Спасибо.

И последняя оговорка, касательно названия поста - кому то это может показаться слишком громким, но я постараюсь действительно рассказать о материале книге про физику понятным языком и после прочтения вы действительно в каком то роде поймете физику, хоть и не всю. Друзья и еще сразу - книги НУЖНО ЧИТАТЬ. То что я сегодня дам - всего лишь выжимка основных мыслей, а в первоисточнике гораздо больше информации, примеров и личного опыта автора. А теперь начнем.

В первой главе автор рассказывает о себе, да и вообще вся книга пропитана этим. Но я отброшу все что касается биографии физика когда буду говорить о книге, ну, просто она не является нашей целью. Поэтому давайте просто переключимся на вторую главу, в которой уже есть о чем поговорить.

Вторая глава становится фундаментом для понимания особенностей этой книжки - здесь автор рассказывает о простейших физических понятиях и рассказывает о важнейших законах в физике - втором законе Ньютона и уравнении Эйнштейна. Мы поговорим об этом потом, однако основную мысль в этой главе я бы описал как "Физика - это про точность измерений". Профессор Левин говорит о том что в физике это чрезвычайно важно и приводит хороший пример:

Когда мы стоим, сила земного тяготения сдавливает мягкие ткани между позвонками нашего позвоночника, а когда ложимся - позвоночник расправляется. Если об этом знаешь, ситуация кажется очевидной, но многие ли об этом задумываются? На самом деле этот эффект не учли даже ученые из НАСА при подготовке первых полетов человека в космос. Астронавты жаловались, что их скафандры в космосе становились слишком тесными. Специальные исследования, проведенные позже, уже во время миссии Скайлэб, показали, что из шести измеренных астронавтов все шестеро в состоянии невесомости оказались примерно на 3 процента выше: при росте 182 сантиметра на 5,8 сантиметра. Теперь скафандры делают немного больше - с учетом этой особенности.

Вот и получается что даже в наше время такие серьезные и крупные организации как НАСА могут что-то не учесть и в это же время мы зачастую пренебрегаем этим. Физика НЕ может быть неточной.

Затем автор рассказывает о том, как происходит измерение расстояний до звезд в космосе. Если коротко - с помощью паралакса. Чтобы было понятно, приведу следующую картинку:

Как это происходит? Вот представьте есть Земля и Солнце. Мы знаем что мы вращаемся вокруг солнца. Поэтому если мы посмотрим на далекую звезду сейчас и на далекую звезду через полгода, то она будет находиться в другом месте ночного неба, так как мы переместились за другую сторону солнца. Из за этого мы знаем угол, на который сместилась от нас звезда, а зная угол и хотя бы одну сторону - а мы знаем сколько расстояние от нас до солнца - мы можем определить расстояние от нас до звезды, благодаря знаниям школьной геометрии. И все довольно просто если хотя бы раз подумать об этом осмысленно.

И тут кстати снова о точности, этот угол нужно замерить настолько точно, насколько это вообще возможно. Времена идут и мы учимся проводить измерения все точнее и точнее, и вот в начале 19 века один ученый Томас Хендерсон проводил измерения до Сириуса, это самая яркая звезда на ночном небе и он получил точное значение с +- погрешностью. Хорошо, но прошло полвека и другой ученый Дэвид Гилл провел такие же исследования и оказалось, что из за погрешности угол теперь отличается на 1/10 угловой секунды, казалось бы мелочь, НО НЕТ - это привело к тому что теперь расстояние до Сириуса изменилось по сравнению с предыдущими измерениями на почти 2,5 световых года.

Перейдем к третьей главе. В ней автор рассказывает о законах Ньютона и движущихся телах.

Итак, Ньютон за свою жизнь описал три, а на самом деле даже 4 закона, которые изменили жизнь и наше понимание о ней. Итак первый закон Ньютона - если тело находится в состоянии покоя - то сколько бы времени оно не было в этом состоянии, то оно и будет в состоянии покоя. Если тело находится в состоянии движения, то оно и будет находиться в состоянии движения, сколько бы времени не прошло. И погодите, мы пнули ногой футбольный мяч, он покатился покатился и остановился, в чем же дело? Если бы мячу ничего не мешало и вообще мы бы пнули его в космосе - то он так бы и летел бесконечно, потому что в космосе на мяч совсем ничего не действует. В нашей же реальности мяч сталкивается во первых с силой притяжения, она постоянно тянет мяч к центру земли, а во вторых мячу мешает сила трения - о землю и воздух. Мяч постоянно, каждую секунду теряет часть скорости, когда совершает трение и поэтому останавливается.

Второй закон Ньютона оказался очень полезным инструментом для расчета, сила равна массе помноженной на ускорение (F = ma). Это позволяет нам постоянно производить расчеты.

Тогда вот пример такого расчета, представьте что вы решили бросить монетку с небоскреба по какой то причине и правда ли то, что теперь монетка упавшая с такой высоты убьет случайного пешехода, которому не посчастливилось оказаться у подножия здания в этот момент. И чтобы разобраться в этом достаточно произвести нехитрые расчеты - монетка весит 5 грамм и мы знаем что любое тело ускоряется при полете вниз на почти 10 метров в секунду, то есть каждую секунду оно летит к земле все быстрее и быстрее, если точнее на 9,81 метров в секунду. Это называется ускорением свободного падения. Исходя из высоты небоскреба получаем что монета к концу падения будет иметь скорость ну где то 80 метров в секунду. Но у нее будет очень маленькая масса, поэтому сила, с которой она вас ударит при падении тоже будет маленькой. И на самом деле мы еще пренебрегли сопротивлением воздуха - воздух же это ведь тоже среда, поэтому из за его влияния скорость падения монеты в реальности будет еще меньше. Поэтому даже если вы умышленно решили кого то убить монетой с небоскреба - у вас это вряд ли получится.

Затем автор говорит о том что и так многие знают: что масса и вес это не одно и то же. Дело в том, что вес это сила, т.е. масса на ускорение. На вас постоянно действует ускорение прямо вниз, к центру земли, то же, которое действовало и на монетку. И получается, что если твоя масса 50 килограмм, то твой вес будет приблизительно 50 * 10 то есть 500 Ньютонов. Однако так было бы глупо говорить, хотя это и есть вес, и когда мы говорим я ВЕШУ 50 килограммов, мы говорим не совсем корректно, ведь понятия весить относится только к весу.

Еще кое что в книге - два тела, брошенных с разной массой с пизанской башни упадут одновременно, так как на них будет действовать одно и то же ускорение свободного падения. То есть да, более тяжелое тело упадет с большей силой - то есть с большим ударом о землю, но прилетят они одновременно.

Третий закон Ньютона наверное наиболее непонятен неподготовленному человеку, он звучит как "у каждого действия есть точно такое же по величине противодействие". Вот вы стоите сейчас в комнате на полу и давите на него с какой то силой - силой тяжести. Однако с точно такой же силой на вас действует пол - в противоположном направлении. И кое какая мозговзрывающая цитата из книги на тему третьего закона Ньютона:

Если Земля притягивает яблоко с силой 4,9 ньютона, то и яблоко притягивает Землю с силой 4,9 ньютона. Таким образом, выходит, что, когда яблоко падает на Землю, Земля падает на яблоко. Звучит нелепо, верно? Но погодите. Поскольку масса Земли несравненно больше массы яблока, цифры получаются довольно дикие. Так как масса Земли нам известна, мы можем вычислить, насколько сильно она смещается в направлении яблока: где-то на 10 в минус 22 степени метра, то есть около одной десятимиллионной размера протона. Это расстояние настолько мало, что его просто невозможно измерить. По сути - оно бессмысленно.

В четвертой главе автор подробно рассказывает про давление. Приложу ниже картинку, в которой говорится о погружении на дно Марианской впадины, она нам пригодится чуть ниже.

Мы, то есть люди живем на дне океана. Только в то время когда некоторые рыбы живут на дне водного океана, мы живем на дне воздушного океана и почти никогда не задумываемся об этом. Мы часто слышим про такую вещь как давление, когда речь заходит о путешествии по дну океана, про то что его значение крайне велико и поэтому время нахождения человека там крайне ограниченно и необходимо специальное оборудование для нахождения там. Но ведь даже те, кто никогда не был и не будет заниматься глубоководным погружением также постоянно испытывают мощнейшее давление - только со стороны воздуха. Ведь на самом деле и у воздуха есть какая то плотность и вес, просто мы это воспринимаем как само собой разумеющееся.

Получается, что если мы живем на дне воздушного океана, то на нас постоянно давит воздух, который находится над нами? И в принципе так и есть, этот эффект и называется давлением. Хорошо, если вы вытягиваете тогда ладонь вверх, почему тогда вы не чувствуете этого веса? К слову сказать, если измерить весь воздух, который давит на сантиметр какого то участка, то получится что на каждый сантиметр давит чуть больше килограмма воздуха. Площадь же нашей ладони существенно больше и выходит что давление сверху будет довольно большим, замерьте свою ладонь как нибудь, перемножьте примерно стороны и получите площадь. В моем случае это будет 144 сантиметра и выходит что я держал бы 144 килограмма веса. И на самом деле это так, просто когда мы так делаем, то нам помогает такое свойство давление как то что у него нет четкого направления. То есть в том время как сверху на мою ладонь ложится такой огромный вес, в это же время на мою ладонь действует точно такое же давление и снизу ладони, которое давит вверх и помогает мне держать воздух. Не ломается же рука под таким огромным давлением из-за того что наши кости очень и очень прочные по своей природе.

Кстати расскажу тогда как глубоководные рыбы справляются с таким чудовищным давлением. В то время как я сказал, что давление воздуха где то килограмм на квадратный сантиметр, давление на глубине в километр уже 100 килограмм на сантиметр и тем оно больше чем глубже. У рыб же есть внутри плавательный пузырь в котором есть газ и поэтому в нем тоже создается давление, то есть в то время как на них снаружи давит огромное давление, давление внутри рыб помогает им с этим справиться. Ну собственно поэтому все глубоководные рыбы выглядят очень раздутыми если их быстро поднять на поверхность - давление в их пузырях просто не успеет стабилизироваться.

Ну и собственно в наших легких все происходит подобным образом. Например вот интересный факт: есть такая вещь как плавательная трубка, почему же нельзя сделать эту трубку очень и очень и очень длинной и погрузиться на дно? Ну вот именно по этой же причине давления. Представьте вы погрузились на дно с километровой трубкой и теперь на вас и ваши легкие действует чудовищное давление - то есть давление воды и воздуха, и вы решаете вдохнуть воздух с поверхности земли, который должен помочь вашим легким справиться с этим давлением, противодействовать ему изнутри. И вот вы без проблем сможете выдохнуть воздух, давление снаружи легких вам в этом очень даже поможет, но вот чтобы вдохнуть - у ваших легких просто не хватит сил чтобы расшириться - слишком высокое будет давление и вы просто задохнетесь. Именно поэтому все трубки очень короткие, справляться с давлением можно только на маленькой глубине. А все дайверы дышат специальным сжатым воздухом, у которого давление будет гораздо больше чем у обычного.

Пятая глава в книге про радуги и прочитав ее вы поймете как начать видеть радуги более закономерно.

Ну, во первых - радуга это чисто оптическое явление, то есть на самом деле ее не существует за пределами того как мы ее видим. То есть если вы видите радугу и птицу за ней, то птица, летящая с той стороны что и радуга, не увидит и никак не почувствует саму радугу.

И обычно мы видим радугу случайно, возвращаемся куда нибудь в дождь и тут смотрим "О, радуга". А теперь, что если я вам скажу, что есть абсолютно четкие законы, при выполнении которых вы сто процентов увидите радугу, и здесь нет никакой магии, просто физика. Итак, чтобы увидеть радугу, необходимо выполнить три условия: во первых: Солнце должно быть позади вас. Во вторых - в небе перед вами должны быть дождевые капли, то есть дождь должен идти перед вами. И третье условие - солнце, которое позади вас, должно светить на капли дождя перед вами без каких либо препятствий. Под препятствиями я считаю как высокий дом позади вас, дождь, или облака. И при соблюдении всех трех условий произойдет следующее - солнце светит на капли дождя перед вами, и некоторые его лучи изменяют свое направление в каплях дождя и теперь будут падать на вас под углом. То есть свет прошел в одну сторону до капель и теперь возвращается в другую сторону - к вашим глазам. Ваш глаз ловит этот свет и видит радугу - то есть отраженный каплями свет.

Теперь о том, почему она разноцветная - все дело в том что светит белый свет и он как и многие другие цвета состоит из целого набора цветов - он и представлен в радуге. Ну и что еще стоит знать: поскольку радуга это игра света и то как его видит ваш глаз, то соответственно для каждого человека радуга будет своей уникальной и немного отличающейся от других.

В шестой главе Уолтер Левин рассказывает о звуке и колебаниях. Постараюсь объяснить, что же это такое.

Для начала скажу что звук и колебания связаны непосредственно. Что мы называем колебаниями? Колебания - это какие то процессы, которые повторяются с определенной периодичностью. Так вот, дело в том что звук появляется в результате очень быстрых колебаний объекта. Например поверхности барабана: мы ударяем по ней палочкой, поверхность начинает ходить из стороны в сторону очень быстро - колебаться и появляется звук.

Тут автор начинает говорить о частоте, длине и амплитуде колебаний, но я сильно упрощу, просто упомянув что частота - то насколько много колебаний проходит за небольшое время, длина это расстояние между двумя колебаниями, вот представьте что мы кинули камень в воду и пошли волны - расстояние между двумя волнами и есть длина и еще амплитуда - это была бы высота этих волн. Просто помните что то какой мы звук слышим - полностью определяется этими понятиями.

Человеческое ухо тоже воспринимает эти колебания, однако ни для кого не секрет что есть звуки, которые мы не можем услышать. Такие звуки значит имеют огромную частоту - выше 20000 Герц, я думаю вы слышали про такое слово, так вот 20000 Герц это значит что за секунду произошло 20000 колебаний. В общем если что то будет колебаться с такой или еще большей частотой, то мы этого не услышим, все дело в устройстве человеческого уха. Соответственно с возрастом мы начинаем слышать еще меньше звуков.

Теперь мы поговорим о резонансе. Резонанс - это совпадение частот. Представьте что вы качаете свою подругу или друга на качеле. Качеля имеет четкую частоту, ведь процесс того как кто то качается он повторяется. Как вы раскачиваете качелю - именно с помощью резонанса. Вы подгадываете свой толчок качели именно с определенной частотой, так, чтобы этим небольшим толчком ускорить качелю, чтобы ваша частота и качельная - совпали. То есть вы на подсознательном уровне понимаете что если прикладывать силы именно к резонансной частоте - можно достигнуть наиболее больших результатов.

Как работают большинство музыкальных инструментов, например гитара? Представьте что у вас есть струна, которую вы натянули между двух деревьев. И теперь, если вы будете дергать за нее будет издаваться какой то звук, но не громкий. Но если вы возьмете такую же струну и натянете ее уже на ведро - звук будет гораздо громче, потому что теперь ему струна передает часть своей энергии, и ведро будет вибрировать с той же частотой, но уже с гораздо большей площадью поверхности, поэтому звук будет более громкий. И вот по такому же принципу работают музыкальные деки.

Ну и подведем итоги этой главы тем что вспомним известную историю, когда резонанс привел к печальны последствиям. Своя резонансная частота есть и у качели и у стакана и у моста. И когда французские солдаты в 1831 году проходили по навесному мосту нога в ногу мост соответственно рухнул, так как огромная энергия от строевого шага сотен солдат передалась на опоры моста и мост рухнул. Поэтому в любой армии мира в наше время и в том числе и нашей есть специальные указания, по которым солдаты проходят некоторые объекты только вразнобой.

В седьмой главе и последней на сегодня автор говорит про электрические явления.

Удивительно, мы живем с вами в такое время, когда электричество есть везде. Ну вот например вы слушаете подкаст или музыку в наушниках или через динамик - и там и там работа на электричестве. Вокруг нас всегда десятки электроприборов, а электрические сети как вены растянулись по городу. Я даже больше скажу, вот то что вы думаете об этом подкасте, чувствуете и удивляетесь или просто смотрите куда то - это происходит потому что электрические заряды ежесекундно протекают между миллиардами клеток в нашем мозге. И тем необычнее что по факту, почти никто толком не знает что такое ток, откуда он появляется и какие то его тонкости.

Ну и тогда начнем тоже с самых основ. Возьмите в руки пластиковую линейку и начните тереть ее об волосы, думаю вы сразу поняли о каком опыте я говорю - теперь этой линейкой можно будет притягивать бумажки. Или вот сейчас начало января и почти все ходят в шапках и если ее снять - то волосы встают дыбом, вы можете буквально почувствовать их шевеление. Так вот, все эти мелкие опыты с шапкой или линейкой создают ток благодаря трению.

Дело в том что у всех материалов есть некоторый заряд, и в зависимости от того какой это материал, он притягивает один вид заряда, в том время как другие материалы отталкивают такие заряды. А трение просто увеличивает контактную площадь между материалами - поэтому передача заряда облегчается и мы можем увидеть электрические эффекты.

Чтобы разобраться в том что такое электричество нужно заглянуть в мельчайшие частицы - атомы - из которых и состоит все вокруг. У атома, как у нашей планеты в центре есть ядро, которое гораздо меньше его самого и состоит из протонов - имеющих положительный заряд и нейтронов - имеющих нейтральный заряд. А вокруг ядра атома вращаются другие маленькие частицы - электроны, которые имеют отрицательный заряд. Эти заряды: положительный и отрицательный абсолютно равны и выходит что атомы, у которых одинаковое количество протонов и электронов электрически нейтральны.

Когда же это соотношение меняется - атомы теряют свою нейтральность и становятся или положительно или отрицательно заряженными. Еще стоит знать что если речь идет об одноименных зарядах: отрицательный и отрицательный или положительный и положительный - то они отталкиваются, а отрицательный и положительный притягиваются.

Теперь если вернуться к натертой расческе - она притягивает при трении отрицательные заряды и в ней возникает их переизбыток. Теперь если приблизить ее к бумажкам - ее отрицательные заряды притягивают положительные и тем самым притягивают бумажки. Если речь идет о больших бумажках - то такая сила просто не будет больше силы тяжести и поэтому она не сможет притянуть их. Процесс когда мы через заряженный предмет типо расчески влияем на заряд другого предмета - называется кстати индукцией.

Отлично, через эту цепочку объяснений мы уже сильно приблизились к пониманию тока, автор в книжке объясняет что такое напряжение, но я опущу это, по причине сложности. Поэтому скажу сразу, что ток - это движение зарядов в каком то направлении. В розетке же создается специальное условие, по которому эти частицы приходят из одной дырочки и уходят в другую. Тем самым когда мы подключаем например чайник то в него заходят из одной дырки заряды, обеспечивают его работу и утекают в другую дырку. Это движение обеспечивается тем что в розетке есть напряжение - специальным условием, чтобы ток мог протекать из одной точки в другую.

Расскажу теперь про молнии. Во первых немного статистики - в среднем на Земле происходит ежегодно около 16 миллионов гроз и 43 тысячи - ежедневно и каждый час их бьет 1800. Молния появляется из за того что облака заряжаются и из-за напряжения заряд перетекает от верхней части облака к нижней, а из-за индукции заряд частиц передается на землю и возникает молния.

Молния очень сильно нагревает воздух и этим объясняется свежий запах, который можно почувствовать во время грозы:

Вы когда-нибудь замечали, насколько свежий, особый запах стоит в воздухе после грозы, словно буря очистила его? На самом деле это запах озона, молекулы кислорода, состоящей из трех атомов кислорода. Как известно, нормальные молекулы кислорода – без какого-либо запаха – состоят из двух атомов кислорода, и мы записываем их как O2. Но потрясающий жар от молнии разбивает эти молекулы, хоть и не все, но достаточное количество, чтобы оказать определенный эффект. Получившиеся в результате отдельные атомы кислорода сами по себе нестабильны, поэтому прикрепляются к нормальным молекулам O2, создавая вещество О3 - озон.

Это все что я хотел сказать касательно первых семи глав в этой книге. Всего глав 15 и мне есть еще о чем рассказать, поэтому я решил разделить материал на две части и как только доработаю его - выпущу вторую. И кстати в посте содержится где то процентов 80% информации из подкаста, поэтому если понравилось и хочется узнать что то еще, то welcome, можно послушать по ссылкам в начале поста.

Если ты все это действительно прочитал, то уважение от меня, ведь не каждый может взять и потратить время на что-то действительно сложное и не развлекательное. Спасибо за прочтение и надеюсь что-то мне удалось разжевать. И еще, кину ссылку на саму книгу,  она здесь.