GetAClass 

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.

Действие электрических чайников, утюгов, плит и других электронагревательных приборов основано на том, что в проводниках выделяется тепло при прохождении через них электрического тока. Согласно закона Джоуля-Ленца в них выделяется тепловая мощность, равная произведению напряжения на силу тока: P = UI. И это понятно: напряжение по определению равно работе, которую совершает электрическое поле при перемещении единичного заряда по проводнику, а сила тока равна заряду, который протекает через сечение этого проводника в единицу времени. Ленц и Джоуль установили этот закон независимо друг от друга, нагревая воду в калориметре проводником с известным сопротивлением.

По закону Ома напряжение равно произведению силы тока на сопротивление проводника, но можно сказать и по-другому: сила тока равна напряжению, делённому на сопротивление. Получаем ещё две формулы тепловой мощности P = U²/R и P = I²R, сравнение которых нередко вызывает недоумение: согласно первой формуле чем больше сопротивление R, тем мощность меньше, а вторая формула говорит ровно противоположное! Противоречие здесь кажущееся: в цепях с последовательным соединением одинакова сила тока, и надо пользоваться формулой P = I²R. При этом в каждом проводнике выделяется тепловая мощность, пропорциональная его сопротивлению. А при параллельном подключении, как обычно бывает в бытовой электросети, одинаково напряжение, поэтому применяем формулу P = U²/R. Здесь в проводниках выделяется тепловая мощность, обратно пропорциональная их сопротивлению. Так что у прибора с большей номинальной мощностью сопротивление меньше.

Подвесим на длинных нитях два одинаковых стальных шара, отведём один из них в сторону и отпустим. При ударе он почти полностью передаёт свой импульс второму шару. Но какова длительность такого соударения? Теорию удара упругих шаров предложил Генрих Герц, известный нам прежде всего экспериментальным открытием электромагнитных волн.

Герц предположил, что сила упругого взаимодействия шаров при ударе зависит от деформации так же, как и в случае статического равновесия. При соударении шаров кинетическая энергия переходит в энергию упругой деформации, и образуется небольшое пятно контакта. Отсюда можно оценить по порядку величины относительную деформацию, а затем дать оценку и для времени удара, которое оказывается пропорционально диаметру шара и обратно пропорционально корню пятой степени из его скорости. Точная теория даёт не только эти качественные зависимости, но и численный коэффициент.

Велосипед, конечно, отталкивается задним колесом от земли. Но правильно ли будет сказать, что земля толкает велосипед, и поэтому он едет? Разве велосипед не приводится в движение ногами велосипедиста?

Наш сегодняшний ролик посвящён кинематике и динамике замечательного механического устройства — велосипеда. Крутишь педали, и воздух свистит в ушах! Но почему мы можем ехать на велосипеде гораздо быстрее, чем идём пешком? Ведь в обоих случаях мы делаем это с помощью ног! На этот вопрос ответить нетрудно, рассмотрев велосипед как два рычага, связанных цепной передачей. И оказывается, что такой механизм даёт заметный проигрыш в силе, зато по золотому правилу механики получается точно такой же выигрыш в скорости.

Следующий вопрос уже посложнее: велосипед движется вперёд, отталкиваясь колесом от поверхности земли, при этом со стороны земли на велосипед действует сила трения покоя, но как сила трения покоя может толкать велосипед вперёд? Чтобы это понять, нужно аккуратно расставить все силы, действующие на велосипед, и здесь помогает аналогия с движением гребной лодки.