GetAClass 

Ещё на уроках математики в начальной школе мы учимся вычислять скорость — надо расстояние поделить на время, за которое это расстояние было пройдено. Затем на уроках физики мы узнаём, что таким образом мы находим среднюю скорость тела, которое при неравномерном движении может двигаться то быстрее, то медленнее, а то и вовсе останавливаться. И возникает вопрос: а как узнать ту самую, настоящую скорость, с которой тело движется сейчас, в данный момент времени?

Чтобы ответить на этот вопрос, Ньютону пришлось построить исчисление флюксий и флюент, а мы сегодня говорим вслед за Лейбницем, что мгновенная скорость — это производная координаты тела по времени. В соответствии с математическим определением нужно вычислять среднюю скорость на всё меньших промежутках времени, и в пределе, при стремлении промежутка времени к нулю, мы и получим мгновенную скорость.

Весной, когда почва уже немного прогрелась, но листья ещё не распустились, можно полакомиться берёзовым соком. И тут возникает вопрос: как сок поднимается на большую высоту, до самой верхушки дерева?

После изучения школьного курса физики кажется, что здесь мы наблюдаем действие капиллярного эффекта. Однако волокна в слое древесины берёзы, по которому поднимается сок, имеют диаметр 30-100 микрон. Расчёт показывает, что сок по таким капиллярам может подняться максимум на 1 метр, а ведь высота взрослых берёз составляет 20-30 метров!

Оказывается, что основным механизмом подъёма сока ранней весной является осмос. За лето берёза накапливает в корнях запасы крахмала, и уже осенью часть этого крахмала распадается на сахара, чтобы защитить клетки от наступающих холодов. Весной с повышением температуры распад ускоряется, и концентрация сахара увеличивается до 2%. Стенки корневых клеток представляют собой полупроницаемые мембраны: они не пропускают большие молекулы сахара наружу, но зато через них из почвы легко проходят маленькие молекулы воды, которые стремятся разбавить сахарный раствор, — это и есть осмос.

Сегодня мы продолжаем разбирать задачи-демонстрации замечательной олимпиады «Твой путь в настоящую науку», которую проводит физический факультет Новосибирского государственного университета. Эту задачу участники олимпиады решали в 2017 году, и вот какое явление здесь нужно объяснить.

Поместим в корпус шприца груз, к которому прикреплена нить, и выведем её через носик шприца. Закроем шприц поршнем и опустим носиком вниз в высокий мерный цилиндр, наполовину наполненный водой. Шприц плавает, почти полностью погрузившись в воду. Сделаем предварительный опыт: будем постепенно доливать воду в цилиндр через воронку, и шприц всплывает, следуя за уровнем воды. Тут всё ясно.

Перейдём к основному опыту: привяжем к свободному концу нити второй груз и опустим эту систему в мерный цилиндр. Сначала нить не натянута, добавочный груз лежит на дне, а шприц свободно плавает в воде. Снова начнём доливать воду, и шприц поднимается вместе с уровнем воды, как и в предварительном опыте. Но вот нить натянулась, и теперь шприц находится в одном и том же положении под водой. И это тоже понятно — добавочный груз удерживает шприц и не даёт ему всплыть. Но продолжим наливать воду, и в какой-то момент шприц начинает погружаться вниз и тонет!

Сегодня мы предлагаем вашему вниманию большой ролик, который получился в результате объединения и существенной переработки несколько давних роликов, посвящённых поверхностному натяжению. Речь пойдёт о самых разнообразных явлениях: водяных каплях, мыльных пузырях, плавании тел, смачивании поверхностей, подъёме воды в тонких капиллярах, лапласовом давлении и поверхностной энергии. И здесь мы ограничиваемся классическими понятиями силы и энергии, поскольку все известные нам попытки объяснить поверхностное натяжение с помощью молекулярно-кинетических моделей выглядят произвольными и неубедительными.

Для начала посмотрим с помощью скоростной съёмки на процесс формирования и отрыва капли: она как будто окружена упругой плёнкой, вот только эта «плёнка» тоже состоит из воды. Очередная капля появляется из тонкой трубочки и постепенно увеличивается в размерах, при этом вес капли удерживается поверхностным натяжением в том месте, где капля соприкасается с трубочкой.

Задача «Кольцевой фонтан» одна из самых интересных и красивых в сезоне Турнира юных физиков 2026 года: когда массивное кольцо падает плашмя на поверхность воды, из его центра поднимается высокая струя, затем воздушный колодец, пробитый в воде кольцом, схлопывается, и образуется вторая струя. Мы уже сняли ролик по этой задаче прошлым летом, в самом начале Турнира, а затем приложили много усилий, чтобы продвинуться в её решении, и вот наконец предлагаем вашему вниманию совершенно новый ролик.

Первая фаза формирования струи — это быстрый удар кольца о воду. В идеальном случае горизонтального падения на поверхность воды удар длится порядка 10 микросекунд, а реально из-за небольшого перекоса кольца время удара составляет порядка 1 миллисекунды — всё происходит в пределах одного кадра доступной нам скоростной съёмки, и подробности этой фазы мы разглядеть не можем. Кольцо передаёт воде часть своего импульса, его скорость уменьшается, но за это время кольцо проходит расстояние всего лишь порядка 1 мм, так что частицы воды во всём объёме сосуда уже приобретают некоторую скорость, однако практически не успевают сместиться.

Исследовать звук, который издаёт линейка, зажатая на одном конце, было предложено участникам Турнира юных физиков 2026. Оказывается, что это на первый взгляд простое явление таит в себе много неожиданностей.

Зажмём один конец линейки и ударим по другому её концу — слышно какое-то глухое дребезжание. Этот звук предлагалось исследовать участникам Турнира юных физиков 2026 года в задаче, которая почему-то называется «Поющая линейка». Так и вспоминается бессмертная басня Крылова: «Спой, светик, не стыдись...». Но почему же линейка издаёт такой странный звук? Присмотримся внимательнее, и оказывается, что линейка бьёт по креплениям, между которыми она зажата, поэтому слышно характерное «дрррр». Хорошо, зажмём линейку между металлическими щёчками, и звук становится чище, но не намного.

Частоты собственных колебаний балки, зажатой на одном конце, нашли ещё в XVIII веке Даниил Бернулли и Леонард Эйлер, составив и решив дифференциальное уравнение с соответствующими граничными условиями. Казалось бы, задача решена, — мы должны слышать звук именно на этих частотах, ведь он возникает за счёт ударов по воздуху колеблющегося конца линейки, который движется с большой скоростью. Но вот беда: когда длина свободного конца равна десяти сантиметрам, частота основной моды колебаний линейки составляет всего 40 герц, и этому соответствует очень низкий звук на пределе слышимости человеческого уха. Однако мы прекрасно слышим гораздо более высокий звук, и на спектрограмме выделяются характерные полосы на частотах 700 и 4500 Гц.

Сегодня мы разберём ещё одну задачу-демонстрацию замечательной олимпиады «Твой путь в настоящую науку», которую проводит физический факультет Новосибирского государственного университета. Эта задача предлагалась участникам олимпиады в 2018 году, и вот какому явлению здесь нужно дать качественное объяснение.

Подвесим большой и малый стальные шары на нитях вплотную друг к другу так, чтобы их центры масс располагались на одном уровне. Отклоним меньший шар и отпустим его, и после первого удара шары разлетаются в разные стороны, а после второго массивный шар останавливается. Дальше процесс повторяется, и большой шар остаётся на месте после каждого чётного удара. Повторим опыт, но теперь отклоним и отпустим массивный шар. После первого удара шары двигаются в одну сторону, а после второго лёгкий шар останавливается. Затем всё повторяется, и после каждого чётного удара на месте остаётся меньший шар.

Сегодня мы поговорим об электризации тел трением. Мы часто сталкиваемся с этим явлением в повседневной жизни, особенно зимой, когда влажность воздуха в квартире становится низкой — синтетический плед устраивает маленькую грозу, а если мы ходим в тапочках с резиновой подошвой, то получаем электрические разряды, прикасаясь к металлическим предметам.

Хотя школьный курс электростатики начинается с опытов по электризации трением, объяснить его механизм непросто. При электризации трением электроны переходят с одного тела на другое, поэтому одно тело заряжается отрицательно, а другое положительно. Мерой того, насколько сильно определённое вещество удерживает электроны, является работа выхода, которую надо совершить, чтобы вырвать электрон с поверхности тела. По величине этой работы можно выстроить все диэлектрики в ряд, который называется трибоэлектрическим. Чем больше работа выхода, тем сильнее удерживаются электроны, и такое вещество будет отбирать электроны у вещества с меньшей работой выхода и заряжаться отрицательно. Чтобы электроны перешли от одного тела к другому, их поверхности должны сблизиться на очень малые расстояния — порядка нескольких атомных размеров. И трение лишь увеличивает число точек контакта и облегчает электризацию, которая возможна и без всякого трения через простое соприкосновение тел.

Сегодняшний ролик посвящён ещё одной замечательной задаче-демонстрации олимпиады «Твой путь в настоящую науку», которую проводит физический факультет Новосибирского государственного университета. Эта задача предлагалась участникам олимпиады в 2011 году, и вот какому явлению здесь нужно дать качественное объяснение.

Закрепим один конец нити, перекинем её через блок и привяжем к другому концу массивный груз. Под действием веса этого груза нить натягивается горизонтально и играет роль тетивы. Зацепим лёгкий крючок за середину нити, отведём её вниз и отпустим крючок. Он подлетает вверх всего на несколько сантиметров. А теперь внесём всего одно изменение — подвесим груз к нити через резинку. Повторяем опыт, и крючок подлетает вверх на целый метр! Почему же так сильно различается высота подъёма крючка?

Сегодня наш ролик посвящён классическим законам трения. Наука о трении трибология получила своё название только в 1966 году, но экспериментальное изучение трения началось гораздо раньше: Леонардо да Винчи описал основные законы трения скольжения и конструкции различных подшипников качения ещё в 1493 году, однако его рукописи были случайно обнаружены в Мадридской национальной библиотеке спустя почти 500 лет — в том же 1966 году. Типичная судьба гения второго класса по Станиславу Лему — понимание его работ приходит спустя несколько столетий и не оказывает никакого влияния на развитие науки!

Поэтому историю трибологии правильнее начать с Гийома Амонтона, установившего в 1699 году три закона сухого трения: сила трения скольжения не зависит от площади и относительной скорости трущихся поверхностей и прямо пропорциональна силе нормального давления. Именно это мы узнаём из школьного курса физики. Амонтон измерил коэффициент трения для разных пар материалов и получил одно и то же значение 1/3 — сила трения скольжения в его опытах неизменно оказывалась в три раза меньше приложенной нагрузки. Вообще-то коэффициенты трения для разных пар несколько различаются, но Амонтон смазывал обе поверхности жиром, так что трение здесь можно считать сухим весьма условно. Согласно Амонтону трение возникает из-за того, что небольшие шероховатости одной поверхности зацепляются за шероховатости другой.