GetAClass 

Сегодня мы вновь обращаемся к задачам-демонстрациям замечательной олимпиады «Твой путь в настоящую науку», которую проводит физический факультет Новосибирского государственного университета. И вот какую задачу участники олимпиады решали в 2012 году. 

Из трёх одинаковых планок собрана конструкция в виде буквы «П», и к средней планке по центру приклеена зубочистка. Затянем два винта, соединяющие планки, и поставим зубочистку на горизонтальную опору — жёсткая конструкция покачивается, но пребывает в устойчивом равновесии. Ослабим винты, превратив их в шарниры, и теперь поставить конструкцию никак не удаётся — она каждый раз заваливается в сторону.

В задаче надо дать качественное объяснение наблюдаемому явлению,
и вы легко это сделаете в случае жёсткого соединения планок, посмотрев
наш ролик «Центр тяжести». 

Мы начали снимать ролик «Гидравлика берёзового сока» и поняли, что нужно снять фильм о явлении осмоса (следите за анонсами!). А объяснение физики осмоса, в свою очередь, основано на экспериментальных законах, описывающих свойства растворов, которые открыл выдающийся французский физико-химик Франсуа Мари Рауль.

Его первая работа 1878 года была посвящена понижению температуры замерзания растворов с увеличением концентрации растворённого вещества. Мы наблюдаем это явление, когда зимой борются с гололёдом, посыпая тротуары обычной поваренной солью. Её насыщенный раствор замерзает при –21°С и при более высокой температуре заставляет таять лёд. Насыщенный раствор хлористого кальция остаётся жидким даже в морозильной камере холодильника и замерзает только при –55°С. А вот температура кипения растворов, наоборот, повышается с ростом концентрации и у насыщенного раствора хлористого кальция достигает 178°С! В таком растворе хлорида кальция в три раза больше, чем воды!

Интересный факт: Алессандро Вольта был одним из первых биофизиков — знаменитый вольтов столб повторяет в ином материале устройство электрических органов средиземноморского электрического ската. Батарея Вольты собрана из чередующихся медных и цинковых пластинок с прокладками из ткани, пропитанной кислотой, а батарея ската состоит из столбиков специальных клеток-электроцитов. Скат torpedo вырабатывает сравнительно небольшое напряжение порядка 50 вольт. А чтобы увеличить разрядный ток, несколько десятков столбиков-батарей включаются параллельно. В античности таких скатов использовали для лечения подагры и других болезней, а чтобы избавиться от меланхолии, прикладывали их к голове!

Существует множество видов электрических рыб. Большинство из них пользуются электрическими сигналами только для ориентирования в мутной воде, а электрические скаты, сомы и электрический угорь создают мощные электрические разряды для охоты и защиты от нападения. Напряжение разряда угря доходит до 900 вольт при силе тока порядка 1 ампера. Так что мощность разряда достигает 1 киловатта, как у небольшого электрочайника! Импульсы напряжения очень короткие, всего 2 миллисекунды, зато угорь выдаёт сразу целую серию от 10 до 30 таких разрядов.

Если посмотреть через слегка запотевшие очки или морозное стекло автобуса на яркий фонарь, можно увидеть вокруг него радужные кольца. Похожие венцы образуются и вокруг полной луны, когда она светит сквозь тонкую пелену облаков.

Эти кольца получаются в результате дифракции света на маленьких капельках воды, и об этом мы уже рассказывали в ролике «Дифракция: венцы и короны». Круглые капельки рассеивают свет по всем направлениям одинаково и дают такие же круглые кольца. При этом красный свет отклоняется сильнее всего, а синий — меньше всего, кольца разного цвета накладываются друг на друга, и получается радужная картина, которую мы и наблюдаем. А ещё важен размер капелек: чем они меньше, тем сильнее отклоняется свет, и тем шире дифракционные кольца. Когда дифракция происходит на капельках разных размеров, венцы расплываются и становятся менее яркими, и лунные венцы обычно выглядят именно так.

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.