Все хотя бы номинально помнят из школьной программы броуновское движение или знаменитую ванну Архимеда. Освежим это в памяти, а также заодно познакомимся с другими важными физическими открытиями, являющимися частью многих инновационных разработок, без которых сложно представить современную жизнь
Броуновское движение
Так называют хаотичное перемещение микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе.
Увидеть его невооруженным глазом невозможно. Но римский поэт Лукреций, глядя на танец пыли в солнечных лучах, предположил, что она движется под ударами невидимых атомов. Скорее всего, это были завихрения воздуха, но гипотеза была гениальной.Ботаник Роберт Броун (или Браун), видимо, невнимательно читал Лукреция. Наблюдая зерна пыльцы в жидкости в 1827 году, он не смог объяснить их сложное перемещение. Разгадка пришла 80 лет спустя, когда Эйнштейн вывел уравнения броуновского движения. Чуть позже расчеты были подтверждены Жаном Перреном. Он воочию наблюдал эффект под только что созданным ультрамикроскопом.
Броуновское движение вызвано тепловым движением атомов и молекул. Для больших тел оно усредняется со всех сторон — мы называем это давлением. А для частиц менее трех микрометров флуктуации давления создают разнонаправленные силы, которые и приводят частицы в хаотичное движение.
Математическую модель «случайного блуждания с непрерывным временем» разработал основоположник кибернетики Норберт Винер. Ее называют винеровским процессом. Модель применяется в исследованиях диффузии, в качестве модели шума в электронике, а также в теории управления и эволюционной биологии.
Некоторые разновидности броуновского движения описываются через фракталы.
В 90-е годы была популярна компьютерная графика в виде древовидных структур — ее называют броуновским деревом.Броуновские нанодвигатели — не выдумка, они уже работают в организме. Моторный белок АТФ-синтаза производит крутящий момент, а миозин II работает как линейный двигатель и участвует в сокращении мышц. Наноботов, использующих броуновское движение, многие считают прекрасным будущим медицины.
Архимедова сила
Конечно, с трудом верится, что Архимед бежал голым по Сиракузам к царю Гиерону II с криком «Эврика!», но легенда утверждает, что это было именно так. Сорвался прямо из своей ванны, в которой решил задачку: как понять, не добавил ли ювелир в чистое золото серебра, когда изготавливал царскую корону. Взвесить корону — не проблема. А чтобы узнать объем тела неправильной формы, надо поместить его в сосуд с водой и измерить разницу в объеме. Ну а ювелиру просто не повезло: он попал на гения.
В известных работах Архимеда корона не фигурирует, но известен его трактат «О плавающих телах»: тело, погруженное в жидкость, испытывает выталкивающую силу, равную весу жидкости, которую оно вытесняет. Галилей предположил, что гений из Сиракуз использовал как раз принцип гидростатических весов.
Выталкивающую силу назвали архимедовой. Она помогает стальным кораблям не тонуть, а рыбам и подводным лодкам свободно передвигаться в толще воды. И шарики с гелием, и аэростаты с монгольфьерами летают с помощью той же силы.
Сила не действует, если под телом нет жидкости или газа. Поэтому подводные лодки не должны ложиться на илистое дно. Кстати, для подъема затонувших кораблей раньше в них закачивали воздух. А потом полистирол, который в воде разбухает в 40 раз. Это идея датского инженера Карла Кройера. А позаимствовал он ее из диснеевского мультика про Дональда Дака. Там герой поднимал яхту с помощью шариков для пинг-понга. Смешно, но оказалось очень эффективно.
Неуверенному пловцу, чтобы не утонуть, надо набрать в легкие побольше воздуха и расслабиться — сила Архимеда будет держать его на поверхности. А рыбы используют свой воздушный пузырь. А если его нет — все время двигаются, как акулы и скаты.
И еще архимедова сила не действует в невесомости, поскольку отсутствует сила тяжести. Но там даже Ньютон бессилен — яблоку некуда упасть.
Сила Кориолиса
Маятник Фуко принято считать классическим доказательством вращения Земли вокруг своей оси. В то же самое время это и проявление эффекта Кориолиса. Иногда его называют силой Кориолиса. Хотя это — не настоящая физическая сила, вроде гравитации, а лишь сила инерции, которая заметна при вращении системы отсчета. Открывший ее французский математик Гаспар-Гюстав де Кориолис в работе 1835 года называл эту силу «сложной центробежной».
Нагляднее всего эффект Кориолиса проявляется в земной атмосфере и в водной среде. Его действие максимально на полюсах, а на экваторе оно равно нулю. Именно Кориолис закручивает ветры и течения в северном полушарии вправо, а в южном — влево. Он же вращает циклоны и антициклоны по часовой стрелке ближе к северу, и против нее — на юге. Аналогично с реками: в северных широтах более крутыми получаются правые берега, их сильнее подмывает вода, а в южных — наоборот.
Кстати, существует версия о том, что сила Кориолиса неравномерно изнашивает рельсы. На самом деле колеса и рельсы имеют сложную геометрию поверхностей соприкосновения. И профессионалы-железнодорожники силы Кориолиса как значимые не рассматривают.
Так же все сложно с закручиванием воды при сливе в раковине. Оно гораздо сильнее зависит от неровностей и геометрии емкости, от вихрей в самой жидкости и даже от температуры и потоков воздуха в помещении. И только в самых тщательно контролируемых исследованиях, проводимых далеко от экватора, удалось показать реальный эффект Кориолиса.
Зато его учитывают в авиации и космонавтике, он позволяет точно измерять потоки нефти и газа в трубопроводах, а также используется в современных вибрационных гироскопах, которые помогают без особого труда держать баланс на сегвеях и моноколесах.
Эффект Мпембы
Эффект более быстрого охлаждения горячей воды в сравнении с холодной описывал еще Аристотель. Но в современном мире на него обратили научное внимание лишь в 1963 году. Школьник Эрасто Мпемба из Танганьики заметил, что горячая смесь для мороженого застывала быстрее холодной. Школьный учитель физики от проблемы отмахнулся, а приезжий профессор Осборн заинтересовался ей и в итоге опубликовал в соавторстве с Мпембой научную статью. Опыты многократно пробовали повторить, но в части из них эффект наблюдался, в другой — нет.
Эффект или парадокс Мпембы противоречит классической термодинамике, согласно которой холодной воде нужно меньше энергии, чтобы охладиться до нуля, чем горячей. Но опровергать законы термодинамики — дело довольно бесперспективное. Парадоксу Мпембы стали придумывать объяснения в рамках существующей физики. Например, горячая вода испаряется быстрее, и объем конечного льда получается меньше. Или: горячая вода слабее подвержена сверхохлаждению, то есть сохранению жидкой фазы при минусовых температурах. Есть и более сложные объяснения на уровне водородных связей молекул воды или неравновесных состояний.
Некоторые исследователи полагают, что вместо поиска особых свойств воды изучать надо фактор теплопередачи. И эффект Мпембы вполне можно объяснить проводимостью материала дна и стенок сосуда, а также разницей теплового потока. Конечный вердикт по теме пока не вынесен. В том числе и потому, что оказалось весьма трудно точно измерить температуру образцов.
Вряд ли это напрямую связано с эффектом Мпембы, но катки принято заливать именно горячей водой. Она лучше растворяет нижний слой льда, прочно сплавляясь с ним. Она позволяет получить более ровную поверхность. Наконец, в горячей воде меньше газовых пузырьков, которые могут ухудшить свойства льда.
Закон Мура
Так называемый закон Мура действует уже более 50 лет и до сих пор не утратил предсказательной способности. Наблюдение о том, что количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждый год, первоначально сделал в 1965 году инженер Гордон Мур, впоследствии один из основателей компании Intel. Десять лет спустя он скорректировал свое предположение, увеличив интервал с одного года до двух.
Чем больше число транзисторов, тем выше вычислительная мощность. А чем меньше сам транзистор, тем меньше он потребляет энергии. В течение десятилетий закону Мура подчинялась не только мощность микропроцессоров, но и снижение цен на них, рост объема памяти и даже увеличение количества и размера пикселей в цифровых камерах. Говорят, что для производителей чипов рост по экспоненте стал планом развития и самосбывающимся пророчеством.
Сегодняшние трехнанометровые технологии неотвратимо приближают атомарный предел миниатюризации. Уже начинают расти энергозатраты и тепловыделение, а влияние на вычислительную мощность становится меньше. Сам Гордон Мур еще в 2007 году предположил, что закон, видимо, скоро перестанет действовать: кроме атомарного, есть еще предел скорости света. В сентябре 2022 года о смерти закона объявил гендиректор Nvidia Дженсен Хуанг. В ответ генеральный директор Intel Пэт Гелсингер обещал к концу десятилетия триллион транзисторов в одном чипе. Сейчас их десятки миллиардов, а в 1965 году их было всего 64.
Действие экспоненты Мура уже давно пытаются продлить распределением вычислений между процессорами и улучшением софта. Были надежды на квантовые компьютеры, но они пока не оправдываются ни по мощностям, ни по стоимости. Заменой кремния одно время считали графен, но из-за сверхпроводимости такой гипотетический компьютер просто невозможно будет выключить из розетки.
Свежие комментарии