Как рассказывать гуманитариям о физике

В книге «Как всё работает. Законы физики нашей жизни» профессор Луис Блумфилд рассматривает основные физические законы на примере работы бытовой техники и других вещей, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Дина Бойко прочитала это пособие по физике для гуманитариев и законспектировала самые интересные главы.

Механические устройства: велосипед

Простое устройство велосипеда понятно даже ребёнку. Трёхколёсный мы считаем безопасным, а на двухколёсном главное научиться держать равновесие. Оказывается, безопасная устойчивость трёхколёсного велосипеда возможна только без большого ускорения. При резком и быстром повороте такой велосипед завалится набок, потому что он обладает высокой статической и низкой динамической устойчивостью.

Безопасность двухколёсного велосипеда на высокой скорости объясняется его способностью самопроизвольно поворачивать в сторону крена. Стоящий двухколёсный велосипед предсказуемо падает, если его вывести из состояния равновесия. Движущийся легко удерживается под центром масс всей системы и возвращается в состояние равновесия.

Если в заднем колесе вашего велосипеда есть трещотка, необходимость постоянно крутить педали отпадает. Но для снижения скорости на таком лучше использовать не тормоза, а сопротивление воздуха, чтобы избежать перегрева шин.

Текучие среды: водопровод

Для водоснабжения наших домов достаточно двух вещей: водопровода и давления воды в нём. Для того чтобы вода текла из крана, ей нужно придать ускорение силой. Если вы живете в одноэтажном доме в равнинной местности, это очень просто — тогда можно игнорировать гравитацию.

Но если вода должна попасть на 25-й этаж, нужно учитывать, что давление уменьшается с увеличением высоты и возрастает с увеличением глубины. В этом случае вода потечёт по трубам вверх только в ответ на некомпенсированное давление, и для этого нужен насос. Чтобы понять его работу, достаточно представить открытую пластиковую бутылку с водой, при нажатии на которую получается фонтан. Насосы для перекачивания воды работают по тому же принципу. Но в отличие от бутылки цилиндр насоса легко вновь наполнить водой, чтобы она могла бесперебойно течь по трубам до наших квартир.

Если вода должна попасть выше третьего этажа, ей придётся преодолеть гравитацию. Для этого в городах устанавливают водонапорные башни. В небоскрёбах водопровод устроен по этому же принципу, только внутри него на разных участках есть свои водонапорные башни.

Как работают потоки: пылесос

Внутри шланга пылесоса создаётся вакуум, который уменьшает давление воздуха, но повышает его скорость. Именно низкое давление позволяет воздуху с частицами пыли быстро двигаться внутрь пылесоса и уже чистому воздуху покидать пылесос через выходное отверстие.

Если на шланг надеть щелевую насадку, физический процесс усложняется, но нам это только на руку. Резкое увеличение скорости и уменьшение давления при прохождении устойчивого потока через сужение в трубе называется эффектом Вентури. Этот эффект подсказывает, что удалять пыль, крепко вбитую в ворс ковра, лучше узкой насадкой.

6 устройств для понимания физики

Пылинки, что заметны на свету, не опускаются вниз благодаря вязкости силы сопротивления. Удивительно, но та же самая сила вязкого сопротивления будет затягивать эти пылинки в пылесос. И если с пылью, к счастью, всё просто, то по законам физики пылесос не сможет засосать стеклянный шарик. Вес шарика слишком велик, чтобы возникнуть сопротивлению давления.

Как работает тепло: кондиционер

Кондиционер был придуман для того, чтобы мы могли получить холодный ветерок в жаркий день. Наслаждаясь прохладой, мало кто задумывается, что горячему воздуху помещения надо куда-то деваться. И откуда берётся холодный воздух, когда кругом жара? Существует процесс теплоотдачи, то есть тепло само по себе никуда не девается, а передаётся от одного объекта к другому. Идеальным вариантом было бы преобразовывать лишнее тепло помещения в энергию, за счёт которой мог бы работать кондиционер. Но, к сожалению, это невозможно, как невозможно угли обратно превратить в полено, которое, сгорая снова и снова, могло бы согревать нас зимой.

В кондиционере есть рабочая жидкость, которая движется, проходя через испаритель, конденсатор и компрессор. С виду испаритель и конденсатор — это металлические трубки. Рабочая жидкость отдаёт горячий воздух помещения наружу в конденсаторе, одновременно с этим испаряясь. И это целый процесс. Жидкость забирает собственное тепло, её давление падает, благодаря чему она уносит горячий воздух из дома, тем самым снижая в нём температуру. Дальше она проделывает ещё более сложный путь в испарителе и компрессоре, превращаясь то в газ, то снова в жидкость, выходя на новый круг поглощения тепла наших домов.

Электромагнитные волны: микроволновая печь

Микроволновые печи — ещё один прибор, передающий энергию. На этот раз воде, содержащейся в продуктах. В 1945 году учёный Перси Лебарон Спенсер навсегда изменил наш быт. Он случайно растопил шоколадку, нагнувшись над лампой, которая генерировала магнитные волны. Учёный мгновенно понял, в чём дело, и вскоре уже жарил на лампе попкорн.

Оказывается, микроволновка заставляет молекулы воды поворачиваться из стороны в сторону миллиарды раз в секунду. Молекулы бесконечно сталкиваются друг с другом и от этого нагреваются, вода поглощает микроволны и преобразует их энергию в тепловую. Теперь понятно, почему в микроволновой печи можно готовить только продукты, содержащие воду. И почему керамика, стекло и пластик в ней не накаляются.

23 гифки, которые влюбляют в физику

Ещё мы знаем, что печь иногда разогревает продукты неравномерно. Это объясняется неравномерностью амплитуды электрического поля. Проще говоря: иногда электромагнитные волны сталкиваются и на каком-то участке происходит их усиленная работа, а другая часть вашей пиццы в этот момент остаётся сырой.

По законам химической физики: стирка

Сегодня даже эффективная стирка белья подчиняется физике. Оптические отбеливатели последнего поколения совсем не похожи на синьку, которой мамы отбеливали наши рубашки и школьные передники. Теперь отбеливатели остаются на ткани после стирки и высыхания белья и делают белую футболку ярче за счёт оптических явлений. Они содержат флуоресцентные красители, способные поглощать ультрафиолетовое излучение и испускать голубовато-белый видимый свет. Эти отбеливатели не поглощают красные и синие лучи, которые желтят белую ткань, а возвращают синюю часть света. Иначе говоря: мы не видим ультрафиолетовые лучи, которые поглощает обработанная отбеливателем ткань, но видим испускаемые ею синие лучи.